CN114966972B - 一种基于波导包层切换机制的可调模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导包层切换机制的可调模式转换器，包括包括条形输入波导，条形到亚波长光栅波导的转换器，亚波长光栅波导与条形多模波导组成的非对称模式耦合器，以及输出波导和条形波导到输出波导的渐变过渡耦合器。其中，非对称模式耦合器区域的亚波长光栅波导和条形多模波导的上包层区域为可切换的，使用不同折射率的液体浸没作为上包层。光从条形波导输入并进入亚波长光栅波导的基模，在不同折射率液体的上包层时满足不同的相位匹配条件，从而通过非对称模式耦合器激励起条形多模波导中的不同高阶模式，并由波导输出，实现由波导包层控制切换的可调模式转换功能。

Description

一种基于波导包层切换机制的可调模式转换器

技术领域

本发明属于片上集成光波导芯片技术领域，涉及一种基于波导包层切换机制的可调模式转换器。

背景技术

随着大数据时代的来临，通信***与芯片互连***对通信容量的需求越来越高。集成光芯片在高速、大容量通信环境中获得了广泛应用。复用技术允许利用统一物理载体中并行传输多个正交的信息通道，因而在进一步的增大通信容量的应用中有很好的应用前景。除已被广泛应用的波分复用技术外，基于波导模式物理量的片上模分复用技术，具有独特优势，在近年来获得热点关注与研究。与调谐波长相比，控制波导中的模式主要依赖调控波导的形貌，因而实现成本要低的多。同一模式中可容纳不同的波长，因而可以进一步增大信息***的容量，同时，光学模式对于材料折射率的变化相对不敏感，具有较好的温度变化抗性。近年来在器件加工工艺与技术取得长足进步的背景下，精确的调控波导中的模式成为现实，能实现的调控功能越来越丰富和灵活。其中，模式转换器作为激励产生波导中高阶模式与在不同模式间进行转换的器件，是模分复用***中的基础器件结构，并直接决定片上***的性能。然而，由于不同的波导模式间有效折射率差往往较大，超过常规器件的折射率调谐机制（材料的热光效应，电光效应等）的调控能力，现有技术中的器件大多数均为完成特定某几个模式间转换的静态功能器件，或利用光交换网络切换不同的模式转换器，本质都是静态的模式转换，在常规的调谐机制下不易完成可调模式转换功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波导包层切换机制的可调模式转换器，在常规的调谐机制下完成可调模式转换功能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于波导包层切换机制的可调模式转换器，包括依次相连的输入区域、模式转换区域和输出区域；

输入区域包括依次相连的条形输入波导和转换器；转换器为条形到亚波长光栅波导的转换器，转换器与模式转换区域相连；

模式转换区域包括下包层，下包层上并排设有亚波长光栅波导和条形多模波导，亚波长光栅波导与条形多模波导组成非对称模式耦合器；下包层上还并排设有第一上包层区域和第二上包层区域，亚波长光栅波导位于第一上包层区域内，条形多模波导位于第二上包层区域内；亚波长光栅波导的一端与转换器相连，亚波长光栅波导的另一端与输出区域相连；

输出区域包括依次相连的渐变过渡耦合器和输出波导，渐变过渡耦合器的另一端与条形波导的另一端相连。渐变过渡耦合器为条形多模波导到输出波导的渐变过渡耦合器；

光从条形输入波导输入并进入亚波长光栅波导的基模，在不同折射率的上包层满足不同的相位匹配条件，从而通过非对称模式耦合器激励起条形多模波导中的不同高阶模式，并由波导输出，实现同一结构器件，由波导包层控制切换的可调模式转换功能。

本发明可调模式转换器提出一种基于波导包层切换方式的模式转换功能调控机制，以解决模式转换功能难以在多功能间调控的问题。基于该机制，利用不同波导包层的切换，实现转换功能可调的模式转换功能，并提供相应的设计策略。从而实现一种低成本、非易失性、模式转换功能可调的模式转换器。

附图说明

图1是本发明可调模式转换器的截面示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明可调模式转换器第一种实施例中，模式耦合区域的有效折射率数据图和由相位匹配条件，获得亚波长光栅波导和条形多模波导的宽度确定方法示意图。

图4是本发明可调模式转换器第一种实施例中，在空气包层和折射率1.7的液体包层切换时，光场和功能的示意图。

图5是本发明可调模式转换器第二种实施例中，在空气包层、折射率1.54的液体包层和折射率1.7的液体包层切换时，光场和功能的示意图。

图中：1.输入区域，2.模式转换区域，3.输出区域；

101.输入波导，102.转换器，201.亚波长光栅波导，202.条形多模波导，203.第一上包层区域，204.第二上包层区域，205.下包层，301.输出波导，302.渐变过渡耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种采用了模式耦合和相位匹配原理的可调模式转换器，在波导的耦合区域引入亚波长光栅波导，以增大波导模式在包层变化时的折射率变化。在模式耦合区域引入可变化包层，由具有不同折射率的液体浸没。根据所浸没的液体的折射率不同，可设计满足不同的相位匹配条件，从而使得器件可对基模的输入，在输出时转换为多种不同模式的可调谐功能。在去除浸没的折射率匹配液体时，器件回到初始状态。

如图1和图2，本发明可调模式转换器，包括依次相连的输入区域1、模式转换区域2和输出区域3；

输入区域1包括依次相连的条形输入波导101和转换器102；转换器102为条形到亚波长光栅波导的转换器，转换器102与模式转换区域2相连；

模式转换区域2包括下包层205，下包层205上并排设有亚波长光栅波导201和条形多模波导202，亚波长光栅波导201与条形多模波导202组成非对称模式耦合器；下包层205上还并排设有第一上包层区域203和第二上包层区域204，第一上包层区域203为亚波长光栅波导201与耦合波导（亚波长光栅波导201加条形多模波导202）的间隙的上包层区域，耦合波导的间隙指亚波长光栅波导201和条形多模波导202之间的区域；第二上包层区域204为条形多模波导202的上包层区域；亚波长光栅波导201位于第一上包层区域203内，条形多模波导202位于第二上包层区域204内；亚波长光栅波导201的一端与转换器102相连，亚波长光栅波导201的另一端与输出区域3相连；

条形多模波导202贯穿输入区域1、模式转换区域2和输出区域3。

输出区域3包括依次相连的渐变过渡耦合器302和输出波导301，渐变过渡耦合器302的另一端与条形波导202的另一端相连。渐变过渡耦合器302为条形多模波导202到输出波导的渐变过渡耦合器。

光从条形输入波导101输入并进入亚波长光栅波导201的基模，在不同折射率的上包层满足不同的相位匹配条件，从而通过非对称模式耦合器激励起条形多模波导202中的不同高阶模式，并由波导输出，实现同一结构器件，由波导包层控制切换的可调模式转换功能。

其中，在模式转换区域2中，在器件的初始状态时，第一上包层区域203和第二上包层区域204可以均为空气包层，也可以在初始状态时，第一上包层区域203为空气包层，第二上包层区域204为某种低折射率的固体包层，该固体包层可与器件衬底的下包层205相同，也可不同。

由条形输入波导101输入的波导模式为该波导的基模（TE0）模式，由输出波导301输出的波导模式为从基模（TE0）到输出波导301支持的高阶模式可调，由支持的模式数量确定输出波导301宽度。

本发明可调模式转换器的可调机制：在初始状态时，由条形输入波导101进入的波导的基模TE0，经过模式转换区域2，在亚波长光栅波导201和条形多模波导202的模式间满足相位匹配条件Ⅰ，即亚波长光栅波导201中的传输的模式有效折射率和条形多模波导202中的TEn（n=0,1,2,…）模式有效折射率相同，在输出波导301处转换为某种波导模式TEn。然后，用具有特定折射率的物质分别填充第一上包层区域203和第二上包层区域204，第一上包层区域203和第二上包层区域204内填充不同折射率或者相同折射率的液体（特定情况下指两种光刻胶，可以固化），若第二上包层区域204的初始状态为固体包层，则只填充第一上包层区域203，即，使用不同折射率的液体浸没对应波导，形成上包层，液体采用水、光刻胶或者折射率匹配液，这些液体均为可稳定存在的液体。根据所浸没液体的折射率，此时亚波长光栅波导201和条形多模波导202的折射率发生变化，原有的相位匹配条件也发生变化，通过设计（指包括但不限于通过模式有效折射率匹配等方法，最终使两个波导达到满足相位匹配条件），使亚波长光栅波导201和条形多模波导202满足新的相位匹配条件Ⅱ，即亚波长光栅波导201中的传输的模式和条形多模波导202中的TEm（m=0,1,2,…且m≠n）的模式有效折射率相同。这时，条形输入波导101进入的波导的基模TE0，经过模式转换器，在输出波导301处转换为另一种波导模式TEm。在这个过程中，可调模式转换器的结构不变，改变的是第一上包层区域203和第二上包层区域204变化引起的包层折射率变化，来实现可调的模式转换功能。而波导的第一上包层区域203和第二上包层区域204使用具有不同折射率匹配的液体浸没，可轻易更换。根据所填充液体折射率不同，可设计满足不同的相位匹配条件。切换上包层区域内的包层物质时，采用溶剂去除原有的液体包层，并使用其他液体浸没（特定情况下指使用某种光刻胶作为波导包层，如需更换包层，使用特殊溶剂清洗光刻胶，清洗完成后使用另一种液体作为包层，实现切换包层的机制）。从而使得可调模式转换器可对基模的输入，在输出时获得多种不同模式调谐的功能。在去除浸没的折射率匹配液体后，可调模式转换器回到初始状态，即由条形输入波导101进入的波导的基模TE0，在输出波导301处转换为某种波导模式TEn。同时，因浸没的液体作为包层，可稳定存在，这个过程是非易失性的，不需要能量维持，因此，多模式转换功能可切换，但是每种模式转换功能的状态时不需要频繁切换，可维持的模式转换过程无额外能量消耗。因而适用于超低功耗可调片上光交换网络等应用中。

本发明可调模式转换器在氮化硅波导平台上的一种实施例，实现两种模式间的可调功能。当波导的第一上包层区域203和第二上包层区域204为空气时，输入的TE0被转换为TE2模式，在波导的第一上包层区域203和第二上包层区域204内填充折射率为1.7的液体时，输入的TE0被转换为TE1模式。第一种实施例的整体结构构建在由二氧化硅为下包层，400nm厚度的氮化硅为波导层的器件结构上，工作波段为通讯波段C波段（1550nm）。氮化硅的波导层中包含输入波导101、转换器102、亚波长光栅波导201、条形多模波导202、渐变过渡耦合器302和输出波导301。其中，亚波长光栅波导201中相邻光栅间的间距为300nm，以保持其亚波长特性。选取亚波长光栅波导的氮化硅材料占空比为80%。第一上包层区域203和第二上包层区域204的初始状态均为空气。在调谐机制中，第一上包层区域203和第二上包层区域204同时变化，即整个可调模式转换器的上包层全部被同一种液体浸没。为设计器件，采用有限元方法，分别计算出亚波长光栅波导201和条形多模波导202在上包层分别为空气和折射率为1.7的液体时，不同宽度下的模式有效折射率，如图3所示。图3（a）为亚波长光栅波导201基模TE0在两种包层下不同波导宽度的折射率。图3（b）为条形多模波导202在两种包层下，从基模TE0到高阶模TE1、TE2、TE3分别在不同波导宽度的折射率。在图3（a）和图3（b）中的曲线中搜索亚波长光栅波导201的宽度Wa和条形多模波导202的宽度Wb，使得Wa和Wb满足：（1）Wa与Wb在上包层分别为空气和折射率为1.7的液体的情况下，同时落在图3（a）与图3（b）中曲线的交点上。（2）该两个交点分别满足在上包层为空气和折射率为1.7的液体时，器件设计的模式转换需要的相位匹配条件。在本实施例中，令器件输入基模TE0，在上包层为空气时，输出的模式为TE2模式；在上包层为折射率1.7的液体时，输出的模式为TE1模式。因此，需要找到的一对Wa与Wb见图3（c）所示，图中圆点所示的两个交点分别落在折射率为1和折射率为1.7两种情况的曲线上，且该两个交点在同一条竖直线上，以同时满足器件的几何参数限制。其中，折射率为1曲线上的交点，为亚波长光栅波导201的基模与条形多模波导202的TE2模式的交点，在该点满足相位匹配条件，输入的TE0模式将转换到TE2模式；折射率为1.7曲线上的交点，为亚波长光栅波导201的基模与条形多模波导202的TE1模式的交点，在该点满足相位匹配条件，输入的TE0模式将转换到TE1模式。由此确定的一对波导宽度Wa=3.2μm，Wb=3.2μm。再通过光束传播方法优化耦合长度，得到该条件下的一种耦合长度为94μm，图3（c）中的SWG是亚波长光栅波导的缩写。用时域有限差分方法，对本发明可调模式转换器在不同折射率包层切换下的光场进行计算，得到的结果，如图4所示。在波导的上包层为空气时，输入的TE0被转换为TE2模式，在波导的上包层为折射率1.7的液体时，输入的TE0被转换为TE1模式，从而实现了两种模式间的可调功能。

本发明的第二种实施例中，仍然采用氮化硅波导平台，实现三种模式间的可调功能。在波导的上包层为空气时，输入被转换为TE2模式，在波导的上包层为折射率1.54的液体时，输入被转换为TE1模式，在波导的上包层为折射率1.7的液体时，输入被转换为TE0模式。本发明第二种实施例中第一包层区域203的初始状态为空气，而第二上包层区域204的初始状态为固体二氧化硅。在制作中该结构可通过先用光刻胶保护第一包层区域203，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在第二上包层区域204沉积二氧化硅，完成后再将第一包层区区域203的二氧化硅和光刻胶一起剥离，获得空气包层。在调谐机制中，第一上包层区域203被不同折射率的液体浸没，而第二上包层区域204始终为二氧化硅。其中，亚波长光栅波导201相邻光栅的间距为300nm，以保持其亚波长特性。选取亚波长光栅波导的氮化硅材料占空比为70%。在这种调谐机制下，亚波长光栅波导201的基模折射率随着包层的不同而发生变化，条形多模波导202的各模式折射率保持不变。这种方式下可实现更大的调谐范围。第二种实施例中，用第一种实施例中的方法，计算并绘制出在不同波导宽度的折射率曲线。并用同样方法在折射率曲线中搜索亚波长光栅波导201的宽度Wa和条形多模波导202的宽度Wb，使得这一对参数Wa和Wb满足：Wa与Wb在上包层分别为空气和折射率为1.7的液体的情况下，同时落在亚波长光栅波导201与调谐波导波导曲线的交点上，且器件设计的模式转换满足亚波长光栅波导基模到条形多模波导的TE2和TE0模式的相位匹配条件。得到第二种实施例中Wa=1.8μm，Wb=2.1μm。在该波导参数下，寻找液体折射率材料，使其满足在空气和该液体下，器件满足亚波长光栅波导基模到条形多模波导的TE1模式的相位匹配条件。得到液体折射率为1.54。优化耦合区域的耦合长度为79.4μm。由此完成器件设计。用时域有限差分方法，对该器件在不同折射率包层切换下的光场进行计算，得到的结果，如图5所示。在波导的上包层为空气时，输入被转换为TE2模式，在波导的上包层为折射率1.54的液体时，输入被转换为TE1模式，在波导的上包层为折射率1.7的液体时，输入被转换为TE0模式，从而实现了三种模式间的可调功能。

在上述两个实施例中，用到的不同折射率的光学匹配液体均可由Cargille-Sacher Laboratories公司的不同产品型号获得。

图4和图5中，左边为器件层光场，右边为条形多模波导202的截面光场TEn，左边代表TE0输入的光场在各种包层条件下如何通过不同的相位匹配条件最终被转换成TEn。

Claims (8)

1.一种基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，包括依次相连的输入区域（1）、模式转换区域（2）和输出区域（3）；

输入区域（1）包括依次相连的条形输入波导（101）和转换器（102）；转换器（102）为条形到亚波长光栅波导的转换器，转换器（102）与模式转换区域（2）相连；

模式转换区域（2）包括下包层（205），下包层（205）上并排设有亚波长光栅波导（201）和条形多模波导（202），亚波长光栅波导（201）与条形多模波导（202）组成非对称模式耦合器；下包层（205）上还并排设有第一上包层区域（203）和第二上包层区域（204），亚波长光栅波导（201）位于第一上包层区域（203）内，条形多模波导（202）位于第二上包层区域（204）内；亚波长光栅波导（201）的一端与转换器（102）相连，亚波长光栅波导（201）的另一端与输出区域（3）相连；

输出区域（3）包括依次相连的渐变过渡耦合器（302）和输出波导（301），渐变过渡耦合器（302）的另一端与条形多模波导（202）的另一端相连；

渐变过渡耦合器（302）为条形多模波导（202）到输出波导的渐变过渡耦合器；

光从条形输入波导（101）输入并进入亚波长光栅波导（201）的基模，在不同折射率的上包层满足不同的相位匹配条件，从而通过非对称模式耦合器激励起条形多模波导（202）中的不同高阶模式，并由波导输出，实现同一结构器件，由波导包层控制切换的可调模式转换功能。

2.如权利要求1所述的基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，由条形输入波导（101）输入的波导模式为条形输入波导（101）的基模模式TE0，由输出波导（301）输出的波导模式为从基模模式TE0到输出波导（301）支持的高阶模式可调。

3.如权利要求1所述的基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，该可调模式转换器由波导包层控制切换的可调模式转换功能：在初始状态时，由条形输入波导（101）进入的波导的基模模式TE0，在亚波长光栅波导（201）和条形多模波导（202）的模式间满足相位匹配条件Ⅰ；在输出波导（301）处转换为某种波导模式TEn；然后，使用具有特定折射率的物质分别填充第一上包层区域（203）和第二上包层区域（204），此时亚波长光栅波导（201）和条形多模波导（202）的折射率发生变化，满足新的相位匹配条件Ⅱ，在输出波导（301）处，转换为另一种波导模式TEm；根据所填充物质折射率不同，满足不同的相位匹配条件，使得可调模式转换器对基模的输入，在输出时获得多种不同模式调谐的功能；在去除填充物质后，可调模式转换器回到初始状态，在输出波导（301）处转换为波导模式TEn。

4.如权利要求3所述的基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，满足相位匹配条件Ⅰ：亚波长光栅波导（201）中的传输的模式有效折射率和条形多模波导（202）中的TEn，n=0,1,2,…,的模式有效折射率相同。

5.如权利要求3所述的基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，满足相位匹配条件Ⅱ：亚波长光栅波导（201）中的传输的模式和条形多模波导（202）中的TEm,m=0,1,2,…且m≠n的模式有效折射率相同。

6.如权利要求3所述的基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，在初始状态时，第一上包层区域（203）和第二上包层区域（204）均为空气包层；填充时，第一上包层区域（203）和第二上包层区域（204）内填充不同折射率或者相同折射率的物质；

或者，在初始状态时，第一上包层区域（203）为空气包层，第二上包层区域（204）为低折射率的固体包层，该低折射率的固体包层与下包层（205）相同或者不同；填充时，第一上包层区域（203）填充物质。

7.如权利要求3所述的基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，所述物质为液体，该液体采用水、光刻胶或折射率匹配液。

8.如权利要求1所述的基于波导包层切换机制的可调模式转换器，其特征在于，该可调模式转换器由波导包层调谐在每个模式转换功能间切换，在维持每种模式转换功能时无能量消耗，且状态具有非易失性。

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