一种适用于TM0和TE3模式转换的绝热模式转换器

一种适用于tm0和te3模式转换的绝热模式转换器
技术领域
1.本发明涉及一种绝热模式转换器。


背景技术：

2.基于绝缘体上硅结构的硅波导因其在低成本、紧凑的占位面积以及与互补金属氧化物半导体加工技术的兼容性方面的优势而引起了广泛关注。纳米级硅波导对于它们在光子集成电路中的潜在用途非常重要。绝热器件是光子集成芯片的基本组成部分。除了需要考虑波导损耗、衬底损耗、光限制和占用空间之外，在设计绝热器件时还必须处理极化问题。在垂直不对称波导中，模式混合可用于脊波导中tm模式和te高阶模式之间的转换。
3.绝热模式转换器对于集成光学应用非常重要，因为其具有宽带宽和对制造变化的高容差。此外，绝热模式转换器是极化分集电路中用于实现光子集成芯片中的单极化状态的关键元件。绝热模式转换器用于在具有不同横截面的两个波导之间执行模式转换。在具有高折射率对比度的光波导中，模式混合对于某些特殊的波导宽度很重要。因此，模式转换可能发生在脊波导中。因此，绝热模式转换器的使用需要通过改变从输入到输出的导波结构来将特定的tm0模式演变为te3模式，或将te3模式演变为tm0模式。在绝热模式转换器的设计中，可以通过缓慢增加/减小器件横截面的尺寸来实现绝热模式转换。此外，当变化足够慢时，绝热模式转换器中的模式转换可以被认为是无损耗的。
4.由于tm0模式和te3模式之间的转换比较复杂，在设计适用于tm0和te3模式转换的绝热模式转换器时，虽然可以简单地线性改变波导结构来获得特定模式转换效率下所需的器件长度，但通过这种方式得到的器件长度会远远超出所需要的长度。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述现有技术，提出一种超紧凑的绝热模式转换器，实现tm0和te3模式之间的模式转换。
6.技术方案：一种适用于tm0和te3模式转换的绝热模式转换器，包括硅芯和包层；所述硅芯为脊波导结构，由底部硅芯和顶部硅芯构成；沿光束传播方向，所述底部硅芯的宽度保持不变；所述顶部硅芯的输入端和输出端分别为平行板波导，输入端的宽度1.60μm《w
l
《3.27μm，输出端的宽度wr》3.60μm，沿光束传播方向，输入端和输出端之间的顶部硅芯由片段a～片段y共25个连续的片段构成，片段a由直线连接宽度w
l
和w1＝3.20μm，长度la＝67.54μm；片段b由直线连接宽度w1＝3.20μm和w2＝3.25μm，长度为lb＝143.112μm；片段c由直线连接宽度w2＝3.25μm和w3＝3.27μm，长度为lc＝197.048μm；片段d由直线连接宽度w3＝3.27μm和w4＝3.285μm，长度为ld＝337.45μm；片段e由直线连接宽度w4＝3.285μm和w5＝3.295μm，长度为le＝365.675μm；片段f由直线连接宽度w5＝3.295μm和w6＝3.302μm，长度为lf＝478.26μm；片段g由直线连接宽度w6＝3.302μm和w7＝3.308μm，长度为lg＝559.412μm；片段h由直线连接宽度w7＝3.308μm和w8＝3.312μm，长度为lh＝607.1μm；片段i由直线连接宽度w8＝3.312μm和w9＝3.316μm，长度为li＝626.688μm；片段j由直线连接宽度w9＝3.316μm和w
10
＝3.320μm，长度为lj＝635.04μm；片段k由直线连接宽度w
10
＝3.320μm和w
11
＝3.324μm，长度为lk＝682.444μm；片段l由直线连接宽度w
11
＝3.324μm和w
12
＝3.327μm，长度l
l
＝588.6μm；片段m由直线连接宽度w
12
＝3.327μm和w
13
＝3.331μm，长度为lm＝776.35μm；片段n由直线连接宽度w
13
＝3.331μm和w
14
＝3.336μm，长度为lc＝553.125μm；片段o由直线连接宽度w
14
＝3.336μm和w
15
＝3.342μm，长度为lo＝521.063μm；片段p由直线连接宽度w
15
＝3.342μm和w
16
＝3.350μm，长度为l
p
＝499.225μm；片段q由直线连接宽度w
16
＝3.350μm和w
17
＝3.360μm，长度为lq＝338.413μm；片段r由直线连接宽度w
17
＝3.360μm和w
18
＝3.380μm，长度为lr＝298.487μm；片段s由直线连接宽度w
18
＝3.380μm和w
19
＝3.420μm，长度为ls＝193.5μm；片段t由直线连接宽度w
19
＝3.420μm和w
20
＝3.500μm，长度为l
t
＝89.595μm；片段u由直线连接宽度w
20
＝3.50μm和w
21
＝3.60μm，长度为lu＝9.825μm；片段v由直线连接宽度w
21
＝3.60μm和w
22
＝3.70μm，长度为lv＝9.01μm；片段w由直线连接宽度w
22
＝3.70μm和w
23
＝3.80μm，长度为lw＝9.155μm；片段x由直线连接宽度w
23
＝3.80μm和w
24
＝3.90μm，长度为l
x
＝9.4375μm；片段y由直线连接宽度w
24
＝3.90μm和wr，长度为ly＝9.6513μm。
7.有益效果：本发明的绝热模式转换器基于沿模式传播方向的均衡模式转换功率损耗来选择各个片段的长度，通过这样的布置实现高效紧凑的绝热模式转换器。将本发明的设计与如图2所示的直线连接情况的设计进行对比，两种情况的模式转换效率如图7、图8所示。从图中可以看出，本发明的设计在效率方面要远好于直线连接的情况。例如，当要实现96％的传输效率，本发明的设计只需要534μm的长度，而直线连接情况需要8420μm的长度。因此，当需要96％的功率传输时，直线情况所需要的长度是本发明设计所需要长度的16倍，即本发明大幅减少了绝热模式转换器的尺寸，实现了光子集成芯片中的紧凑型设计。这种超紧凑的绝热模式转换器构成了极化分集系统的关键组件，可应用于混合结构中的极化不相干集成光子电路中。
附图说明
8.图1为本发明绝热模式转换器的横截面结构示意图；
9.图2为传统结构中直线连接方式的顶部硅芯俯视结构示意图；
10.图3为绝热模式转换器输入端的tm0模式图；
11.图4为绝热模式转换器输出端的te3模式图；
12.图5为本发明绝热模式转换器的顶部硅芯涉及几何结构示意图；
13.图6为片段u到片段y在水平方向上的拉伸放大图；
14.图7为本发明绝热模式转换器的模式转换效率曲线图；
15.图8为直线连接方式的绝热模式转换器的模式转换效率曲线图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
17.如图1所示，一种适用于tm0和te3模式转换的绝热模式转换器，包括硅芯和包层3。硅芯的折射率n
si
＝3.455，硅芯为脊波导结构，由底部硅芯1和顶部硅芯2构成。底部硅芯1的厚度h2＝220nm，沿光束传播方向，底部硅芯1的宽度保持w0不变；顶部硅芯2的厚度h3＝280nm。包层3的材料为二氧化硅，折射率n
sio2
＝1.445，厚度h1》(h2+h3)，宽度w0》w0。入射光束
波长设置为1550nm。
18.传统结构中，顶部硅芯2宽度变化的直线连接方式如图2所示。左端a是绝热模式转换器的输入端，右端c是绝热模式转换器的输出端。通过直线连接方式得到的器件长度会明显超出所需要的长度，因此本发明的目的是设计一种高效、紧凑的几何结构实现tm0和te3模式之间的转换。图3是绝热模式转换器输入端的tm0模式，图4是输出端的te3模式。
19.如图5、图6所示，本实施例中，顶部硅芯2的输入端和输出端分别为平行板波导，输入端的宽度w
l
＝3.00μm，输出端的宽度wr＝4.00μm，沿光束传播方向，输入端和输出端之间的顶部硅芯2由片段a～片段y共25个连续的片段构成，各片段的宽度w及长度设计如下：片段a由直线连接宽度w
l
＝3.00和w1＝3.20μm，长度la＝67.54μm；片段b由直线连接宽度w1＝3.20μm和w2＝3.25μm，长度为lb＝143.112μm；片段c由直线连接宽度w2＝3.25μm和w3＝3.27μm，长度为lc＝197.048μm；片段d由直线连接宽度w3＝3.27μm和w4＝3.285μm，长度为ld＝337.45μm；片段e由直线连接宽度w4＝3.285μm和w5＝3.295μm，长度为le＝365.675μm；片段f由直线连接宽度w5＝3.295μm和w6＝3.302μm，长度为lf＝478.26μm；片段g由直线连接宽度w6＝3.302μm和w7＝3.308μm，长度为lg＝559.412μm；片段h由直线连接宽度w7＝3.308μm和w8＝3.312μm，长度为lh＝607.1μm；片段i由直线连接宽度w8＝3.312μm和w9＝3.316μm，长度为li＝626.688μm；片段j由直线连接宽度w9＝3.316μm和w
10
＝3.320μm，长度为lj＝635.04μm；片段k由直线连接宽度w
10
＝3.320μm和w
11
＝3.324μm，长度为lk＝682.444μm；片段l由直线连接宽度w
11
＝3.324μm和w
12
＝3.327μm，长度l
l
＝588.6μm；片段m由直线连接宽度w
12
＝3.327μm和w
13
＝3.331μm，长度为lm＝776.35μm；片段n由直线连接宽度w
13
＝3.331μm和w
14
＝3.336μm，长度为lc＝553.125μm；片段o由直线连接宽度w
14
＝3.336μm和w
15
＝3.342μm，长度为lo＝521.063μm；片段p由直线连接宽度w
15
＝3.342μm和w
16
＝3.350μm，长度为l
p
＝499.225μm；片段q由直线连接宽度w
16
＝3.350μm和w
17
＝3.360μm，长度为lq＝338.413μm；片段r由直线连接宽度w
17
＝3.360μm和w
18
＝3.380μm，长度为lr＝298.487μm；片段s由直线连接宽度w
18
＝3.380μm和w
19
＝3.420μm，长度为ls＝193.5μm；片段t由直线连接宽度w
19
＝3.420μm和w
20
＝3.500μm，长度为l
t
＝89.595μm；片段u由直线连接宽度w
20
＝3.50μm和w
21
＝3.60μm，长度为lu＝9.825μm；片段v由直线连接宽度w
21
＝3.60μm和w
22
＝3.70μm，长度为lv＝9.01μm；片段w由直线连接宽度w
22
＝3.70μm和w
23
＝3.80μm，长度为lw＝9.155μm；片段x由直线连接宽度w
23
＝3.80μm和w
24
＝3.90μm，长度为l
x
＝9.4375μm；片段y由直线连接宽度w
24
＝3.90μm和wr＝4.00μm，长度为ly＝9.6513μm。本发明绝热模式转换器长度的选择基于沿模式传播方向的均衡模式转换功率损耗。通过仿真模拟计算，各个片段所选择的长度都对应相同的模式转换功率损耗。通过以上结构上的布置，本发明提出的绝热模式转换器可以实现非常高的模式转换效率。
20.因为模式混合发生在脊波导中，可以实现多种不同模式的转化。虽然实现不同模式之间的转化看似只是脊波导中几何参数的不同，但是实际上涉及到波导中模式的分析与仿真计算，比如需要计算出在波导的什么宽度处才有可能会出现tm0和te3模式转换，宽度确定好了只是保证了有可能可以实现转化，随后还要具体进行不断的尝试设计，并且对于失败的设计案例要分析其原因，然后进行多次改进，最后得到理想的结果，且要达到比现有的设计具有更好的效果，因此，对于绝热模式转化器的设计不仅仅是几何参数上的变化。
21.需要说明的是，顶部硅芯2的初始宽度w
l
和末端宽度wr不是唯一的，需满足1.60μm《wl
《3.27μm和wr》3.60μm。绝热模式转换器的包层3的材料也可以是空气。
22.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种适用于tm0和te3模式转换的绝热模式转换器，其特征在于，包括硅芯和包层(3)；所述硅芯为脊波导结构，由底部硅芯(1)和顶部硅芯(2)构成；沿光束传播方向，所述底部硅芯(1)的宽度保持不变；所述顶部硅芯(2)的输入端和输出端分别为平行板波导，输入端的宽度1.60μm<w
l
<3.27μm，输出端的宽度w
r
>3.60μm，沿光束传播方向，输入端和输出端之间的顶部硅芯(2)由片段a～片段y共25个连续的片段构成，片段a由直线连接宽度w
l
和w1＝3.20μm，长度l
a
＝67.54μm；片段b由直线连接宽度w1＝3.20μm和w2＝3.25μm，长度为l
b
＝143.112μm；片段c由直线连接宽度w2＝3.25μm和w3＝3.27μm，长度为l
c
＝197.048μm；片段d由直线连接宽度w3＝3.27μm和w4＝3.285μm，长度为l
d
＝337.45μm；片段e由直线连接宽度w4＝3.285μm和w5＝3.295μm，长度为l
e
＝365.675μm；片段f由直线连接宽度w5＝3.295μm和w6＝3.302μm，长度为l
f
＝478.26μm；片段g由直线连接宽度w6＝3.302μm和w7＝3.308μm，长度为l
g
＝559.412μm；片段h由直线连接宽度w7＝3.308μm和w8＝3.312μm，长度为l
h
＝607.1μm；片段i由直线连接宽度w8＝3.312μm和w9＝3.316μm，长度为l
i
＝626.688μm；片段j由直线连接宽度w9＝3.316μm和w
10
＝3.320μm，长度为l
j
＝635.04μm；片段k由直线连接宽度w
10
＝3.320μm和w
11
＝3.324μm，长度为l
k
＝682.444μm；片段l由直线连接宽度w
11
＝3.324μm和w
12
＝3.327μm，长度l
l
＝588.6μm；片段m由直线连接宽度w
12
＝3.327μm和w
13
＝3.331μm，长度为l
m
＝776.35μm；片段n由直线连接宽度w
13
＝3.331μm和w
14
＝3.336μm，长度为l
c
＝553.125μm；片段o由直线连接宽度w
14
＝3.336μm和w
15
＝3.342μm，长度为l
o
＝521.063μm；片段p由直线连接宽度w
15
＝3.342μm和w
16
＝3.350μm，长度为l
p
＝499.225μm；片段q由直线连接宽度w
16
＝3.350μm和w
17
＝3.360μm，长度为l
q
＝338.413μm；片段r由直线连接宽度w
17
＝3.360μm和w
18
＝3.380μm，长度为l
r
＝298.487μm；片段s由直线连接宽度w
18
＝3.380μm和w
19
＝3.420μm，长度为l
s
＝193.5μm；片段t由直线连接宽度w
19
＝3.420μm和w
20
＝3.500μm，长度为l
t
＝89.595μm；片段u由直线连接宽度w
20
＝3.50μm和w
21
＝3.60μm，长度为l
u
＝9.825μm；片段v由直线连接宽度w
21
＝3.60μm和w
22
＝3.70μm，长度为l
v
＝9.01μm；片段w由直线连接宽度w
22
＝3.70μm和w
23
＝3.80μm，长度为l
w
＝9.155μm；片段x由直线连接宽度w
23
＝3.80μm和w
24
＝3.90μm，长度为l
x
＝9.4375μm；片段y由直线连接宽度w
24
＝3.90μm和w
r
，长度为l
y
＝9.6513μm。

技术总结
本发明公开了一种适用于TM0和TE3模式转换的绝热模式转换器，包括硅芯和包层；硅芯为脊波导结构，由底部硅芯和顶部硅芯构成；沿光束传播方向，底部硅芯的宽度保持不变；顶部硅芯的输入端和输出端分别为平行板波导，输入端的宽度1.60μm<W


技术研发人员：梁图禄 荣巍巍
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2022.10.31
技术公布日：2023/7/26