[发明专利]基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件

说明书

一种紧凑硅波导模式转换器，为基于具有倾斜的亚波长周期性扰动的电介质超曲面结构，包括：在SOI基片上蚀刻形状的若干个周期个数，周期为Λ、占空比、倾斜角度为θ的斜向亚波长扰动的顶层硅结构；本发明采用具有倾斜的亚波长扰动的全介质超表面结构，可以实现紧凑的基模到任意高阶模的硅波导模式转换，能够大幅度提升光通信容量。

技术领域

本发明涉及的是一种光波领域的技术，具体涉及一种基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件。

背景技术

片上模分复用(MDM)技术利用硅多模波导的空间模式，可以显著提升传输容量。得益于其紧凑的器件尺寸和与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺的兼容性，硅片上MDM引起了很多关注。

作为MDM系统中的关键组件，模式转换器一般尺寸较大，存在工作带宽有限和插入损耗大等问题。超表面是具有亚波长特征的二维人工结构，可以有效控制光束的相位，幅度和偏振，可以解决上述的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中损耗与串扰过大的不足，提出了一种基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件，采用具有倾斜的亚波长扰动的全介质超表面结构，可以实现紧凑的基模到任意高阶模的硅波导模式转换，能够大幅度提升光通信容量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种紧凑硅波导模式转换器，为基于具有倾斜的亚波长周期性扰动的电介质超曲面结构，包括：在SOI基片上蚀刻形状的若干个周期个数，周期为Λ、占空比、倾斜角度为θ的斜向亚波长扰动的顶层硅结构。

所述的斜向亚波长扰动的顶层硅结构满足模式耦合方程：其中：A、B分别为模式a、b的幅值，β_a和β_b分别表示模式a和模式b的传播系数；κ_ab和κ_ba代表波导模式a和b之间的交换耦合系数，即模式耦合系数，且κ_ab＝κ_ba^*。

所述的斜向亚波长周期性扰动结构是基于将传统模式耦合系数由常系数改为变系数后，可以减少耦合过程中的损耗，并且在极短距离内实现模式耦合。

所述的模式转换器，其相位匹配条件满足：根据该条件，TE_a模式和TE_b模式在δ/2上传播后异相。因此，在δ/2之后需要将κ_ab从正值变为负值，以确保TE_a模式始终对转换为TE_b模式有转换贡献。

所述的模式转换器，其耦合过程只需要一个耦合周期，即耦合长度L＝δ，并且倾斜角度其中：w为波导宽度，Λ为亚波长结构的周期。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过将斜向亚波长微扰结构运用到模式耦合器中，可以通过改变结构参数(角度、周期)以实现任意波导模式转换高阶波导模式转换，可以分别将TE₀模式转换为TE₁，TE₂或TE₃模式。TE₀-TE₁，TE₀-TE₂和TE₀-TE₃波导模式转换器的模式转换长度分别为3.96μm，3.686μm和3.564μm，显著优于现有器件结构。在1500-1625nm波长范围内模式转换器插损均控制在1dB，模式串扰-10dB。

附图说明

图1为片上模式转换器的(a)三维结构示意图和(b)硅波导上表面截面图；

图2为TE₀和TE₃模式的(a)耦合系数κ₀₃和(b)能量随传播长度的变化关系示意图；