一种支持片上多模式低损传输的大延迟量延迟线

本发明属于集成光学领域的一种光波导延迟线，尤其是涉及了一种支持片上多模式低损传输的大延迟量延迟线。

背景技术：

1、随着通信速度、数据容量以及带宽要求的增加，目前传统集成电路已经无法满足现代的数据处理要求，在更小尺寸上，“光进铜退”已是大势所趋。绝缘体上硅作为目前作为成熟的集成平台，有望将整个光学链路如激光器、调制器、无源器件、探测器等集成在一个芯片上并利用coms工艺大规模生产。而光作为规范玻色子，无法像电子一样存储在硬盘中，因此需要大延迟量的片上延迟线作为光储存器来实现光缓存。目前实现光延迟的方法主要有两种，一种是基于色散调控实现延迟，如微环，布拉格光栅、光子晶体等，但是这张方法实现的延迟线带宽有限，延迟量难以调控；第二种是利用足够长的波导实现相应的延迟，这种方法实现的延迟量与波导长度成正比，此时波导的损耗及整个延迟线的尺寸成为需要考虑的首要因素。

2、对于标准的硅基流片来说，延迟线波导的主要损耗来源为波导粗糙表面引起的散射损耗，一般的单模波导损耗可以达到2～5分贝每厘米；而延迟线的长度主要取决于延迟量以及波导模式的群折射率，纳秒级的延迟需要片上几十厘米长的单模波导，这产生的损耗是无法接收的，除此之外，如此长的波导也需要极大的占地面积，从而更容易受到加工误差带来的影响。

3、因此，如何在标准工艺下实现片上低损耗、大延迟且结构紧凑的光波导延迟线是发展光学相干断层扫描系统、光学陀螺仪、微波光子相控阵及量子计算等领域的关键。

技术实现思路

1、本发明针对背景技术中存在的不足，提供了一种在标准工艺下支持片上多模式低损传输的大延迟量延迟线。

2、为达到上述需求，本发明所采用的技术方案如下：

3、本发明中的延迟线具体包括：

4、输入波导，输入端接收te0模光作为入射光；

5、te0-te1模式复用器，用于传输te0模光或将te0模光耦合转变为te1模光，输入端分别与输入波导的输出端、te0-te1模式解复用器的输出端连接；

6、te0-te2模式复用器，用于传输te0/te1模光或将te0模光耦合转变为te2模光，输入端分别与te0-te1模式复用器的输出端、te0-te1模式解复用器的输出端连接；

7、螺旋线波导结构，用于实现te0/te1/te2模光的传输，输入端与te0-te2模式复用器的输出端连接；

8、te0-te2模式解复用器，用于传输te0/te1模光或将te2光耦合转变为te0模光，输入端与螺旋线波导结构的输出端连接，输出端分别与te0-te1模式解复用器的输入端、输出波导的输入端连接；

9、te0-te1模式解复用器，用于传输te0模光或将te1模光耦合转变为te0模光，输出端分别与te0-te1模式复用器的输入端、te0-te2模式复用器的输入端连接；

10、te0-te1迂回波导，连接于te0-te1模式解复用器的输出端与te0-te1模式复用器的输入端之间；

11、te0-te2迂回波导，连接于te0-te1模式解复用器的输出端与te0-te2模式复用器的输入端之间；

12、输出波导，输入端与te0-te2模式解复用器的输出端连接，输出te0模光作为出射光。

13、所述的螺旋线波导结构包括两条宽度半径渐变弧形弯曲波导、两条半径渐变螺旋线宽波导和一条宽度半径渐变s型弯曲波导；两条半径渐变螺旋线宽波导均沿平面螺旋线布置，且两条半径渐变螺旋线宽波导的平面螺旋线同心沿内外相互交替布置形成平面双螺旋线形状，两条半径渐变螺旋线宽波导的内端之间通过宽度半径渐变s型弯曲波导连接，两条半径渐变螺旋线宽波导的外端均通过各自的一根宽度半径渐变弧形弯曲波导分别与te0-te2模式复用器的输出端、te0-te2模式解复用器的输入端连接。

14、所述的宽度半径渐变弧形弯曲波导、半径渐变螺旋线宽波导和宽度半径渐变s型弯曲波导均为多模波导。

15、所述宽度半径渐变弧形弯曲波导的宽度随弧长变化，宽度从内端向外端逐渐变小，即宽度从与半径渐变螺旋线宽波导连接的一端向另一端逐渐变窄。

16、所述的半径渐变线圈弯曲波导的弯曲半径随弯曲角度的变化满足等速螺线方程。

17、所述的宽度半径渐变s型弯曲波导的弯曲半径满足欧拉曲线方程，宽度随着弧长变化，由中心向两端逐渐变宽，整体呈中心对称。

18、所述的te0-te1模式复用器、te0-te2模式复用器均包括两条间隔布置的总线波导和接入波导，所述总线波导、接入波导均为非对称宽度渐变波导；所述的总线波导和接入波导之间的波导间距固定不变，所述的总线波导的长度与接入波导的长度相同，所述的总线波导从输入端至输出端由窄变宽，所述的接入波导从输入端至输出端由宽变窄；

19、所述的te0-te1模式复用器的结构与te0-te2模式复用器的结构相同，波导的宽度不同。

20、所述te0-te1模式复用器与te0-te1模式解复用器的结构相同，所述te0-te2模式复用器与te0-te2模式解复用器的结构相同。

21、所述的总线波导包括从输入端至输出端依次连接的总线输入波导、总线渐变波导、总线输出波导，所述的接入波导包括从输入端至输出端依次连接的接入输入波导、接入渐变波导、接入输出波导。

22、所述的接入渐变波导和总线渐变波导均为宽度渐变结构，且接入渐变波导的宽度变化以及总线渐变波导的宽度变化均满足模式折射率匹配。

23、当te模光由输入波导输入至te-te模式复用器/te-te模式复用器中时，总线输出波导输出相应的高阶模光；当其他模式的光从总线输入波导输入至te-te模式复用器/te-te模式复用器中时，光的模式不会发生转变，且由总线输出波导输出。

24、所述的延迟线中，具体的连接方式及光路传输为：

25、所述的输入波导接收te0模光作为入射光，te0模光依次经输入波导的输出端、te0-te1模式复用器的总线波导、te0-te2模式复用器的总线波导、螺旋线波导结构、te0-te2模式解复用器的总线波导以及te0-te1模式解复用器的总线波导、te0-te1迂回波导传输后，由te0-te1模式复用器输入端的接入波导接收，te0模光在te0-te1模式复用器中耦合转变为te1模光；

26、te1模光从te0-te1模式复用器输出端的总线波导输出后，依次经te0-te2模式复用器的总线波导、螺旋线波导结构、te0-te2模式解复用器的总线波导传输后，由te0-te1模式解复用器输入端的总线波导接收后，te1模光在te0-te1模式解复用器中耦合转变为第二te0模光；

27、第二te0模光从te0-te1模式解复用器输出端的接入波导输出后，经te0-te2迂回波导传输后，由te0-te2模式复用器输入端的接入波导接收后，第二te0模光在te0-te2模式复用器中耦合转变为te2模光；

28、te2模光从te0-te2模式复用器输出端的总线波导输出后，经螺旋线波导结构传输后，由te0-te2模式解复用器输入端的总线波导接收后，te2模光在te0-te2模式解复用器中耦合转变为第三te0模光；

29、第三te0模光从te0-te2模式解复用器的接入波导输出后，作为出射光经输出波导输出延迟线。

30、所述的延迟线还包括欧拉多模弯曲；所述的欧拉多模弯曲布置于螺旋线波导结构的输出端与te0-te2模式解复用器的输入端之间，螺旋线波导结构的输出端为一条宽度半径渐变弧形弯曲波导。

31、所述的欧拉多模弯曲为欧拉弯曲波导，即欧拉多模弯曲的弯曲半径与弯曲角度变化满足欧拉弯曲公式。

32、所述的延迟线置于衬底硅上。

33、本发明通过多个模式(解)复用器的结构设置，使得在同一个延迟线在上传输多个模式，在同一个物理尺寸上提高延迟量。

34、本发明通过引入半径渐变螺旋线宽多模波导，降低了多个模式的传播损耗，同时引入宽度半径渐变弧形弯曲波导、宽度半径渐变s型弯曲波导结构，保持各个模式在不同结构间平滑演变，避免其他模式的激发串扰。

35、本发明能够在保持输入光在低损耗传输的前提下，在同一个物理尺寸下实现多个模式的同时传输，实现片上延迟量的倍增，同时也能有效降低利用等离子色散效应及热光效应进行延迟量调节时的功率，可用于片上微波光子波速成型，量子计算等系统。

36、本发明可以适用于硅基光子集成领域中任何需要光延迟线的器件及模块。

37、本发明利用模式(解)复用器实现多个模式同时在一个波导中传输来提高相同长度下波导的延迟量，通过引入半径渐变螺旋线宽多模波导实现多个模式的低损传输，并且通过对延迟线各部分波导的宽度、曲率等进行设计使得各部分的连接处实现平滑渐变，避免激发其他模式导致串扰，从而实现片上损耗低、尺寸小、延迟大的片上延迟线，也可降低利用等离子色散效应及热光效应进行延迟量调节时的功率。

38、本发明光波导利用多个模式在同一个波导里面重复传输，并采用宽波导降低模式与波导侧壁的交叠，在保持低传播损耗的基础下能提高单位长度波导的延迟量，减少长延迟线所需要的占地尺寸，可用于大规模光延迟线、微波光子学系统以及光学相干断层扫描仪等系统。

39、本发明具有的有益效果是：

40、(1)本发明利用多个模式(解)复用器的结构设置，实现在同一个延迟线波导中多个正交模式的传播，在同一个物理尺度上实现了延迟量的倍增，同时也能有效降低利用等离子色散效应及热光效应进行延迟量调节时的功率。

41、(2)本发明利用半径渐变螺旋线宽多模波导进行模式传输，对于多个模式都能有效降低粗糙侧壁带来的散射损耗，从而降低整体波导的传输损耗，实现片上多个模式的低损传播。

42、(3)本发明利用宽度半径渐变弧形弯曲波导及宽度半径渐变s型弯曲波导，实使得延迟线各个部分的连接处，波导的宽度、弯曲半径均一致，从而避免各个模式传输过程中的其他模式的激发，降低了模间串扰。

43、(4)本发明可以通过微调线圈波导间端对端的间隔，在保证不发生耦合串扰的情况下，设计出任意所需要的延迟。