[发明专利]基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器

说明书

一种基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，包括：片上集成的麦克斯韦半鱼眼透镜、设置于麦克斯韦半鱼眼透镜圆心一侧的过渡区以及硅波导，该硅波导包括：第一波导和第二波导，其中：第一波导作为输入端设置于过渡区的外侧，第二波导作为输出端位于麦克斯韦半鱼眼透镜相对过渡区的圆周一侧。本发明通过优化麦克斯韦半鱼眼透镜梯度折射的结构，不仅减小了透镜尺寸，而且与硅波导集成，实现不同宽度波导中的模斑尺寸匹配。

技术领域

本发明涉及的是一种集成光子学领域的技术，具体是一种基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器。

背景技术

在集成光路中，为了减小芯片的尺寸，提高芯片上器件的性能，需要设计结构尺寸紧凑、耦合效率高的光电器件，其中一类重要的无源器件是模斑转换器。模斑转换器是用来匹配不同模斑尺寸的无源器件，它可以改变模斑尺寸，从而实现不同宽度波导之间的低损耗耦合。硅基光子器件具有强模场束缚的特性，且能够与互补金属氧化物半导体CMOS工艺相兼容的优点，是未来大规模集成光路的理想选择。

发明内容

本发明针对现有锥形波导结构的占地面积大、基于变换光学的透镜需要利用聚焦离子束刻蚀或灰度曝光技术导致制造难度大的不足，提出一种基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，通过优化麦克斯韦半鱼眼透镜梯度折射的结构，不仅减小了透镜尺寸，而且与硅波导集成，实现不同宽度波导中的模斑尺寸匹配。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：片上集成的麦克斯韦半鱼眼透镜、设置于麦克斯韦半鱼眼透镜圆心一侧的过渡区以及硅波导，该硅波导包括：第一波导和第二波导，其中：第一波导作为输入端设置于过渡区的外侧，第二波导作为输出端位于麦克斯韦半鱼眼透镜相对过渡区的圆周一侧。

所述的麦克斯韦半鱼眼透镜具有径向的填充因子分布，折射率分布满足：其中：n_max为中心最大折射率，R_lens为麦克斯韦半鱼眼透镜的半径，R为距离麦克斯韦半鱼眼透镜中心的径向距离。

所述的麦克斯韦半鱼眼透镜中的最大折射率与最小折射率关系为n_max＝2n_min，其中：n_min为麦克斯韦半鱼眼透镜中的最小折射率值，n_max为麦克斯韦半鱼眼透镜中的最大折射率值。

所述的超宽带模斑转换器，通过微电子CMOS兼容工艺制备得到，可支持大规模的集成，包括：采用顶层硅厚220nm，掩埋层厚3μm的SOI基底进行器件的制备，使用电子束曝光光刻技术，将光栅、麦克斯韦半鱼眼透镜和波导定义在光刻胶上，而后进行显影和多步刻蚀并刻蚀70nm以形成光栅，部分浅刻蚀160nm以形成纳米柱阵列构成透镜和输出波导，全刻蚀220nm以形成220nm厚的波导，在刻蚀步骤完成后，使用等离子体增强化学气相沉积法沉积1μm厚的SiO₂包层。

技术效果

本发明在SOI基底上使用纳米柱阵列构成超材料实现有效折射率的变化构成麦克斯韦半鱼眼透镜，在较小的占地面积中实现从高度和宽度两个维度调整光场模斑大小，与现有常规技术相比，本发明能够占地面积足够小，并且与微电子CMOS工艺相兼容，其工作带宽大，因此支持片上多级系统的大规模集成。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明仿真透射光谱图；

图3为实施例TE模斑转换的波长为1.55μm的仿真光谱图；

图4为实施例TE模斑转换的波长为1.26μm的仿真光谱图；

图5为实施例TE模斑转换的波长为2μm的仿真光谱图；

图中：片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜1、硅波导2、输入端3、输出端4、第一波导5、第二波导6、过渡区7。