[发明专利]一种亚波长多模Y分支波导

说明书

本发明属于集成光子器件领域，提供了一种亚波长多模Y分支波导，旨在解决基于现有光刻工艺分支波导最小间隙宽度不为零，导致模式失配的问题。亚波长多模Y分支波导包括一条输入主干波导和两条最小间隙宽度不为零的输出分支波导，输入主干波导包括相连的直波导和啁啾的亚波长狭缝波导，输出分支波导包括两条S型波导。在主干波导引入一段啁啾的狭缝结构，狭缝结构由N段不同的一维亚波长光栅组成。通过优化设计这N段亚波长光栅的等效宽度或等效材料折射率，可以等效实现间隙宽度从零绝热渐变的分支波导，从而解决了模式失配问题，减小了器件的额外损耗和串扰，提升了多模Y分支波导的性能。

技术领域

本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种亚波长多模Y分支波导。

背景技术

模分复用是继波分复用之后最受关注的新兴复用技术，有望通过引入多个正交模式以显著提升单波长通信容量。对于模分复用系统，由于包含了多个模式，相关光子集成器件的设计更为复杂，需同时考虑基模和高阶模，因而也需要研究用于多模光互连链路的多模光子器件。鉴于硅光子学具有CMOS兼容性而备受关注，硅基多模光子集成器件研究成为新的热点。多模Y分支波导由于其简单灵活的模式和功率操纵能力，在硅基多模光子集成方面有广泛应用场景，如模式转换、模式合成、模式分束和多模交叉连接、模式复用/解复用以及偏振分束/旋转等。多模Y分支波导按其几何结构的不同可以分为对称型和非对称型。

如图1，理想的绝热Y分支波导结构包括依次相连的一条输入波导1和两条最小间隙宽度W为零的S型输出波导2。理论上，如果分支波导能够从零间隙宽度开始逐渐分离，则可获得最大的耦合功率，分支损耗最小。然而，由于现有光刻工艺精度的限制，这种理想的为零的间隙宽度在实际器件中难以实现，这将引起较大的额外损耗和串扰。为了克服上述问题，相关研究人员提出了基于非对称定向耦合器(ADC)、锥形定向耦合器(TDC)和绝热耦合器(AC)的多模Y分支结构。尽管可以避免常规Y分支中的零间隙宽度，但由于基于ADC的设计需要精确的耦合长度和强度控制、基于TDC的设计由于尺寸较大不易于扩展支持多个模式以及基于AC的设计存在需要上百微米甚至毫米长度实现绝热耦合使得工艺集成困难等缺陷，导致多模Y分支在实际应用当中仍然受限。总体而言目前还没有一种比较好的方案实现多模Y分支波导。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种亚波长多模Y分支波导，旨在解决基于现有光刻工艺中常规多模Y分支波导在最小间隙宽度无法为零而导致的模式失配问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种亚波长多模Y分支波导，包括一条输入主干波导和两条输出分支波导，所述主干波导包括相连的直波导和啁啾的亚波长狭缝波导；所述啁啾的亚波长狭缝结构包括多段等效狭缝宽度依次渐变的一维亚波长光栅。

优选地，每段一维亚波长光栅由圆孔或者方孔组成。

优选地，每条输出分支波导为S型波导，两条输出分支波导的最小间隙宽度为一非零值。

优选地，两条输出分支波导为对称分布或非对称分布。

优选地，该波导利用标准硅基制造工艺在单个SOI基片上刻蚀完成。

优选地，输入主干波导宽度为1.84μm；每条输出分支波导的宽度为0.9μm，长度为25μm，输出末端间距为1μm；两条输出分支波导的最小间隙宽度为40nm。

进一步地，所述亚波长狭缝结构由从右至左1～N段参数不同的一维亚波长光栅组成，每段一维亚波长光栅由圆孔组成，其半径和周期分别为R_i和Λ_i，i＝1,2,…,N，其中，所述一维亚波长光栅的参数采用如下步骤确定：

步骤1、预设R₁，令TE₀模在基于第一段亚波长光栅的狭缝波导的模式有效折射率与在狭缝宽度为最小间隙宽度的狭缝波导匹配，确定Λ₁；