一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导
- 国知局
- 2024-06-21 12:36:17
本发明涉及光子器件与集成,尤其是一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导。
背景技术:
1、偏振多模交叉波导是片上大规模偏振和模式复用光子集成回路中的至关重要的组件。目前报道的交叉波导结构方案有多模干涉仪结构、亚波长光栅结构、变换光学方案、逆向设计的超构波导结构等。尽管这些器件已经表现出非常好的性能,但它们很难同时具有紧凑尺寸、多个通道、双偏振、多种模式等工作特性。例如,基于多模干涉仪结构的波导交叉,为了确保不同偏振的自成像尽可能地处于同一位置,需要较长的传播尺寸来满足横向电场(te)和横向磁场(tm)偏振的拍频长度的公倍数,它具有良好的制造公差,但器件占地面积过大,且带宽和高阶模式的可扩展性通常受到限制;亚波长光栅结构可以通过调控波导的各向异性折射率分布,以较小的器件尺寸满足不同模式和偏振光的工作需求,但其通道扩展性受限;基于变换光学的麦克斯韦鱼眼透镜结构也可以实现紧凑、低损耗的多模式多通道交叉波导,但这种结构面临制备挑战,需要灰度光刻工艺或极高分辨率的电子束曝光;同样地,逆向设计的超构波导结构可以用更多的自由度极大地操纵有效折射分布,将器件尺寸缩小到数微米,但对加工工艺的精准度要求极大,很难大批量应用。综上可以看出,亟需一种小尺寸、多通道、多模式、工艺容差大的交叉波导设计方案,来克服现有器件的局限性,简化器件设计和加工步骤,使其更好地适用于不同波导平台。
技术实现思路
1、本发明需要解决的技术问题是提供一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,通过两种不同深度刻蚀工艺提出一种双层刻蚀且波导轮廓曲线可优化的结构,从而约束不同偏振和不同模式的光场传输,使其满足预定输出目标,实现一种设计方案简单、小尺寸、双偏振、多模式、制备容差大的交叉波导,旨在解决现有交叉波导多种功能不能兼容、不能实现大规模集成的问题。
2、为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
3、一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,构建在绝缘衬底上的硅平台,由下至上包括基底层、掩埋层和波导层;所述波导层的双偏振多模交叉波导器件包括n个交叉波导通道,每个所述交叉波导通道结构以交叉波导器件中心180/n度旋转对称分布;每个所述交叉波导通道包括一个输入波导和一个输出波导,输入和输出波导结构呈镜像对称分布;所述输入/输出波导包括窄波导和宽波导;所述窄波导和宽波导的两侧轮廓是两条宽度不同的轮廓曲线;所述轮廓曲线离散为多个离散点并通过优化方法调整离散点的位置状态,形成一个满足预定输出目标的轮廓曲线,所述输出目标是指每个通道支持两个偏振四种不同模式光传输。
4、本发明技术方案的进一步改进在于:所述交叉波导器件包括n个交叉波导通道,n≥2。
5、本发明技术方案的进一步改进在于:所述交叉波导器件的输入/输出波导是由经浅刻蚀工艺形成的窄波导和经深刻蚀工艺形成的宽波导组成的双层波导,宽波导的宽度大于等于窄波导的宽度。
6、本发明技术方案的进一步改进在于:窄波导层和宽波导层约束光的偏振不同,经浅刻蚀工艺形成的窄波导层约束横向电场偏振光,经深刻蚀工艺形成的宽波导层约束横向磁场偏振光从而使交叉波导可以工作在双偏振状态。
7、本发明技术方案的进一步改进在于:所述双层波导两侧轮廓是两条宽度不同的轮廓曲线,两个轮廓曲线等间隔地离散为m个离散点,m≥10,并通过优化方法调整离散点的位置状态,形成一个满足预定输出目标的轮廓曲线。
8、本发明技术方案的进一步改进在于:调整离散点的位置状态的优化方法,包括以下步骤:
9、s1:确定交叉波导的设计目标为每个通道支持两个偏振四种不同模式te0、te1、tm0、tm1的光传输,输入/输出波导的初始宽度设置为1.5μm,输入/输出波导的长度设置为9.9μm;
10、s2:输入/输出波导的浅刻蚀窄波导的轮廓曲线和深刻蚀宽波导的轮廓曲线都以0.3 μm的周期间隔离散为34个点,34个离散点位置对应的窄波导宽度和宽波导宽度分别命名为 w i1、 w i2、… w in… w i34和 w o1、 w o2、… w on… w o34;
11、s3:依次使得窄波导宽度win和宽波导宽度won在一定尺寸范围内变动,其中,窄波导宽度win的变化范围为0.4μm到3.6μm,宽波导宽度win的变化范围为0.8μm到4μm,通过仿真计算每次变化后的器件的两个偏振四种不同模式的传输效率是否提高,若传输效率提高,则保留相应的改变,若传输效率降低,则舍弃相应的改变,据此所有离散点的窄波导宽度和宽波导宽度进行迭代搜索,使器件的传输效率不断改善并接近设计目标,并更新轮廓曲线;
12、s4:不断迭代优化直至传输效率达到设计目标,停止优化方法运行并根据最终优化结果更新轮廓曲线分布;对优化后的双偏振多模交叉波导结构进行更加详细的仿真性能分析,以验证器件的性能是否达到预期。
13、本发明技术方案的进一步改进在于:所述交叉波导的整体尺寸小于等于20μm×20μm。
14、本发明技术方案的进一步改进在于:所述多模交叉波导支持两个偏振四种不同模式te0、te1、tm0、tm1光传输。
15、由于采用了上述技术方案,本发明取得的技术进步是:
16、1、本发明技术方案提出一种基于双层刻蚀工艺的波导轮廓曲线优化方案,将两种不同深度刻蚀工艺形成的轮廓曲线离散为多个点,通过优化方法对每个离散点的位置状态进行优化设计,该设计方案简单,且设计结构的制备工艺与商用流片兼容,工艺容差大,有望实现大规模集成应用。
17、2、本发明提出的双偏振多模交叉波导可以同时实现小尺寸、双偏振、多模式、多通道、制备容差大等功能,解决现有交叉波导多种功能不能兼容的问题。
技术特征:1.一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:构建在绝缘衬底上的硅平台,由下至上包括基底层(1)、掩埋层(2)和波导层(3);所述波导层(3)的双偏振多模交叉波导器件包括n个交叉波导通道,每个所述交叉波导通道结构以交叉波导器件中心180/n度旋转对称分布;每个所述交叉波导通道包括一个输入波导和一个输出波导,输入和输出波导结构呈镜像对称分布;所述输入/输出波导包括窄波导(4)和宽波导(5);所述窄波导(4)和宽波导(5)的两侧轮廓是两条宽度不同的轮廓曲线;所述轮廓曲线离散为多个离散点并通过优化方法调整离散点的位置状态,形成一个满足预定输出目标的轮廓曲线,所述输出目标是指每个通道支持两个偏振四种不同模式光传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:所述交叉波导器件包括n个交叉波导通道,n≥2。
3.根据权利要求1所述的一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:所述交叉波导器件的输入/输出波导是由经浅刻蚀工艺形成的窄波导(4)和经深刻蚀工艺形成的宽波导(5)组成的双层波导,宽波导(5)的宽度大于等于窄波导(4)的宽度。
4.根据权利要求3所述的一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:窄波导层和宽波导层约束光的偏振不同,经浅刻蚀工艺形成的窄波导层约束横向电场偏振光,经深刻蚀工艺形成的宽波导层约束横向磁场偏振光从而使交叉波导可以工作在双偏振状态。
5.根据权利要求3所述的一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:所述双层波导两侧轮廓是两条宽度不同的轮廓曲线,两个轮廓曲线等间隔地离散为m个离散点,m≥10,并通过优化方法调整离散点的位置状态,形成一个满足预定输出目标的轮廓曲线。
6.根据权利要求5所述的一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:调整离散点的位置状态的优化方法,包括以下步骤:
7.根据权利要求1所述的一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:所述交叉波导的整体尺寸小于等于20μm×20μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,其特征在于:所述多模交叉波导支持两个偏振四种不同模式te0、te1、tm0、tm1光传输。
技术总结本发明公开了一种基于双层波导轮廓曲线优化的双偏振多模交叉波导,属于光子器件与集成技术领域,包括基底层、掩埋层和波导层,波导层的双偏振多模交叉波导器件包括N个交叉波导通道;每个交叉波导通道结构以交叉波导器件中心180/N度旋转对称;输入/输出波导包括窄波导和宽波导;窄波导和宽波导的两侧轮廓是两条宽度不同的轮廓曲线;两条轮廓曲线离散为多个离散点并通过优化算法调整离散点的位置状态,形成一个满足预定输出目标的轮廓曲线,输出目标是指每个通道支持两个偏振四种不同模式光传输。采用本发明技术方案的交叉波导器件具有设计方案简单、尺寸小、制备容差大、可支持双偏振多种工作模式等优点,可适用于不同波导平台。技术研发人员:刘英杰,杨铭晗,陈亚冰,张晰尧受保护的技术使用者:燕山大学技术研发日:技术公布日:2024/6/11本文地址:https://www.jishuxx.com/zhuanli/20240618/28129.html
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