CN116088096A - 一种双入双出模式转换器及设计方法 - Google Patents

一种双入双出模式转换器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双入双出模式转换器及设计方法，涉及微纳光电子元器件技术领域，包括二氧化硅衬底、顶层硅和低折射率材料包层，顶层硅包括第一输入波导、第二输入波导、模式转换区域、第一输出波导和第二输出波导，其中第一输入波导、第二输入波导通过模式转换区域分别与第一输出波导、第二输出波导相连接，模式转换区域被划分为M×N个矩形单元，矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与顶层硅的厚度相同，其中矩形单元的状态通过品质因子设置。器件基于逆向设计通过对模式转换区域的合理划分和计算，在有限的尺寸上增加了模式转换的路径，实现了双入双出的模式转换功能。对于进一步提高模分复用***的灵活性和集成度有着重要意义。

Description

一种双入双出模式转换器及设计方法
技术领域
本申请涉及微纳光电子元器件技术领域，尤其涉及一种双入双出模式转换器及设计方法。
背景技术
随着现代社会信息技术的不断发展，由于光学非线性和光纤熔融效应的影响，基于单模光纤的通信***的传输容量已经接近极限，越来越难以满足日益增长的通信流量需求。为了解决这一问题，多种复用技术被相继提出，其中模分复用(Mode DivisionMultiplexing,MDM)技术能在有限的空间内提供更多数据的复用功能，因此受到了研究人员的广泛关注。MDM***中涉及到的主要器件有模分复用/解复用器、模式开关、模式转换器等，其中模式转换器用于在MDM***中的接收端和发出端实现不同模式之间的转换，是提高MDM***灵活性的关键器件之一。
目前已经提出的模式转换器基于各种不同的结构，如非对称定向耦合器、马赫-曾德尔干涉器、多模干涉仪、布拉格光栅等等。这些模式转换器绝大多数都是单端口输入、单端口输出的，即从输入端口输入的m阶模式，经过模式转换器，转换为n阶模式从输入端口输出(m和n为非负整数，且m≠n)，对于模分复用***的灵活性的提升有限。并且这些结构的形状规则，设计流程基本上是基于现有的解析理论，手工设置器件的参数，使用光学仿真软件进行模拟计算或实验，根据得到的数据结果，调节、优化各项参数，直到得到满意的结果为止。对于实现功能更复杂、集成度进一步提高、设计形状不规则的器件存在很大的难度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本申请实施例的目的是提供一种双入双出模式转换器及设计方法，以提供一种损耗低、尺寸超紧凑、灵活性更高的模式转换器。
本申请通过以下技术方案实现：
一种双入双出模式转换器及设计方法，包括二氧化硅衬底、顶层硅和低折射率材料包层，所述顶层硅包括第一输入波导、第二输入波导、模式转换区域、第一输出波导和第二输出波导，其中所述第一输入波导通过所述模式转换区域与所述第一输出波导相连接，所述第二输入波导通过所述模式转换区域与所述第二输出波导相连接，所述模式转换区域被划分为M×N个矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与顶层硅的厚度相同，当所述矩形单元处于刻蚀状态时，内部材料为低折射率材料；当所述矩形单元处于不刻蚀状态时，内部材料为硅；其中所述模式转换区域中矩形单元的状态通过品质因子设置。
进一步地，所述第一输入波导和第二输入波导输入的波长范围为1520nm到1580nm。
进一步地，所述第一输入波导和第二输入波导仅支持TE0模式通过，第一输出波导和第二输出波导同时允许TE0和TE1模式通过。
进一步地，所述二氧化硅衬底的厚度为3μm，所述顶层硅的厚度为220nm。
进一步地，所述矩形单元为边长100nm的正方形。
进一步地，所述矩形单元通过单步刻蚀实现刻蚀状态。
进一步地，通过品质因子设置所述模式转换区域中矩形单元的状态包括：
(1)设置所有矩形单元均处于不刻蚀状态为初始状态，计算所述初始状态下双入双出模式转换器的初始品质因子；
(2)从第一个矩形单元开始，对所有矩形单元依次进行如下操作：改变矩形单元的状态并计算新的品质因子，将所述新的品质因子与所述初始品质因子进行比较，若所述新的品质因子大于所述初始品质因子，则保持所述矩形单元的状态为改变后的状态，并将所述新的品质因子赋值给所述初始品质因子；反之则设置所述矩形单元的状态为改变前的状态；
(3)重复执行步骤(2)，直至品质因子不再增大。
进一步地，所述品质因子
Figure BDA0003990174540000021
其中，M是输入光的波长信道数，t1为输入光波长下从第一输入波导输入TE0模式时，在第一输出波导监测到的TE1模式的透过率；t2为输入光波长下从第二输入波导输入TE0模式时，在第二输出波导监测到的TE1模式的透过率。
进一步地，所述品质因子
Figure BDA0003990174540000022
Figure BDA0003990174540000023
其中，M是波长信道数，FOM的计算包含两个部分，“+”前的部分由这些参数构成：某一波长下，从第一输入波导输入TE0模式时，在第一输出波导监测到的TE0模式的透过率为x11，TE1模式的透过率为t11，分别表示第一输出波导处TE0模式的串扰和TE1模式的转换率；在第二输出波导监测到的TE0模式的透过率为x12，TE1模式的透过率为t12，分别表示第二输出波导处TE0模式和TE1模式的串扰；第二输入波导处监测到的TE0模式透射率为r12，表示第二输入波导处TE0模式的串扰，由于第二输入波导被设计为仅支持TE0模式，因此不考虑第二输入波导处TE1模式的串扰。“+”后的部分由这些参数构成：某一波长下，从第二输入波导输入TE0模式时，在第二输出波导监测到的TE0模式的透过率为x22，TE1模式的透过率为t22，分别表示第二输出波导处TE0模式的串扰和TE1模式的转换率；在第一输出波导监测到的TE0模式的透过率为x21，TE1模式的透过率为t21，分别表示第一输出波导处TE0模式和TE1模式的串扰；第一输入波导处监测到的TE0模式透射率为r21，表示第一输入波导处TE0模式的串扰，由于第一输入波导被设计为仅支持TE0模式，因此不考虑第一输入波导处TE1模式的串扰。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请中利用逆向设计算法对解决传统的“正向设计”存在的问题，设计结构不规则的光子器件，进一步提升集成光子回路的集成度具有重要意义。最终设计出的双入双出模式转换器能够实现，可用于模分复用***中实现模式转换。器件设计基于逆向设计的设计理念，在非常紧凑的尺寸上实现了双入双出的模式转换功能。与现有的工作相比，本发明提出的模式转换器在有限的尺寸上增加了模式转换的路径，对于进一步提高模分复用***的灵活性，提高***集成度有着重要意义。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据实施例1示出的一种双入双出模式转换器顶层硅结构示意图。
图2是根据实施例1示出的双入双出模式转换器中场分布模拟结果示意图，其中(a)为当TE0模式从第一输入波导输入时，实施例一中双入双出模式转换器中场分布模拟结果，(b)为当TE0模式从第二输入波导输入时，实施例一中双入双出模式转换器中场分布模拟结果。
图3是根据实施例2示出的一种双入双出模式转换器顶层硅结构示意图。
图4是根据实施例2示出的双入双出模式转换器中场分布模拟结果示意图，其中(a)为当TE0模式从第一输入波导输入时，实施例一中双入双出模式转换器中场分布模拟结果，(b)为当TE0模式从第二输入波导输入时，实施例一中双入双出模式转换器中场分布模拟结果。
附图标记：
1、第一输入波导；2、第二输入波导；3、模式转换区域；4、第一输出波导；5、第二输出波导。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
实施例1：
图1是根据实施例1示出的一种双入双出模式转换器顶层硅结构示意图，如图1所示，该双入双出模式转换器可以包括二氧化硅衬底、顶层硅和折射率低于硅的材料(以下称为低折射率材料)形成的上包层，所述顶层硅包括第一输入波导1、第二输入波导2、模式转换区域3、第一输出波导4和第二输出波导5，其中所述第一输入波导1通过所述模式转换区域3与所述第一输出波导4相连接，所述第二输入波导2通过所述模式转换区域3与所述第二输出波导5相连接，所述模式转换区域3被划分为M×N个矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与顶层硅的厚度相同，当所述矩形单元处于刻蚀状态时，内部材料为低折射率材料；当所述矩形单元处于不刻蚀状态时，内部材料为硅；其中所述模式转换区域3中矩形单元的状态通过品质因子设置。
由上述实施例可知，本申请利用逆向设计算法对解决现有模式转换器工作种基本都是单输入单输出的问题具有重要意义。本申请在有限的尺寸上增加了模式转换的路径，对于进一步提高模分复用***的灵活性，提高***集成度有着重要意义。器件设计基于逆向设计的设计理念，在非常紧凑的尺寸上实现了双入双出的模式转换功能。与现有的工作相比，本发明提出的模式转换器在有限的尺寸上增加了模式转换的路径，对于进一步提高模分复用***的灵活性，提高***集成度有着重要意义。
具体地，所述第一输入波导1和第二输入波导2输入光的波长范围为1520nm到1580nm，覆盖光通信领域常用的C波段，保证器件的带宽特性，也可以根据实际情况调整输入光的波长范围。
具体地，所述第一输入波导1和第二输入波导2被设计为仅支持TE0模式通过，波导宽度均为500nm；第一输出波导4和第二输出波导5被设计为同时允许TE0和TE1模式通过，波导宽度均为800nm，其中上述波导宽度均可根据实际情况调整。
具体地，所述二氧化硅衬底的厚度为3μm，所述顶层硅的厚度为220nm，所述模式转换区域3为边长2μm的正方形，所述矩形单元为边长100nm的正方形，需要说明的是，上述尺寸可根据实际情况和要求进行调整，本申请不对其进行限制。在本实施例中，所述模式转换区域3被划分为20×20个矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与顶层硅的厚度相同，即当矩形单元刻蚀时，其中材料为空气；当矩形单元不刻蚀时，其中材料为硅，器件的制作可以通过单步刻蚀实现。
具体地，根据想要实现的器件功能(即从第一输入波导1输入的TE0模式转换为第一输出波导4输出的TE1模式，从第二输入波导2输入的TE0模式转换为第二输出波导5输出的TE1模式)，来定义合适的品质因子(figure of merit,FOM)用于评价器件的性能。通过品质因子设置所述模式转换区域3中矩形单元的状态包括：
(1)设置所有矩形单元均处于不刻蚀状态为初始状态，计算所述初始状态下双入双出模式转换器的初始品质因子，记作FOMmax；
(2)由于器件的功能是以沿y轴方向模式转换区域3的中线L为对称轴左右对称的，因此在进行仿真优化时对矩形单元的操作也采取左右对称的方式。从第一个矩形单元及以沿y轴方向模式转换区域3的中线L为对称轴与第一个矩形单元左右对称的矩形单元开始，对所有矩形单元依次进行如下操作：改变所述矩形单元的状态(即，若所述矩形单元原本处于不刻蚀状态，则改变至刻蚀状态；反之，若所述矩形单元原本处于刻蚀状态，则改变至不刻蚀状态)并计算新的品质因子(记作temp)，将所述新的品质因子temp与所述初始品质因子FOMmax进行比较，若所述新的品质因子temp大于所述初始品质因子FOMmax，则保持所述矩形单元的状态为改变后的状态，并将所述新的品质因子temp赋值给所述初始品质因子FOMmax；反之则设置所述矩形单元的状态为改变前的状态；
(3)重复执行步骤(2)，直至FOMmax不再增大。
具体地，当结束400个矩形单元的计算后，称为一次迭代结束，之后再重复步骤(2)，进行多次迭代后，当FOMmax不再增大时输出的器件图形如图1所示。
具体地，矩形单元的状态变换、FOM的计算、比较，均借助编程语言Python，采用光学仿真软件Lumerical中的三维有限时域差分(3D-FDTD)功能实现。
在本实施例中，所述品质因子
Figure BDA0003990174540000051
其中，M是输入光波长信道数，t1为输入光波长下从第一输入波导1输入TE0模式时，在第一输出波导4监测到的TE1模式的透过率；t2为输入光波长下从第二输入波导2输入TE0模式时，在第二输出波导5监测到的TE1模式的透过率。当模式转换效率提高时FOM随之增大；反之则减小。
在1550nm波长下，当TE0模式从第一输入波导1输入时，双入双出模式转换器中场分布模拟结果如附图2中的(a)所示。可以看到从第一输入波导1输入的TE0模式，沿y轴正方向传播，经过模式转换区域3后，转换为TE1模式从第一输出波导4沿x轴正方向输出，实现了TE0到TE1模式的转换和模式传播方向的转换，
在1550nm波长下，当TE0模式从第二输入波导2输入时，双入双出模式转换器中场分布模拟结果如附图2中的(b)所示。可以看到从第二输入波导2输入的TE0模式，沿y轴正方向传播，经过模式转换区域3后，转换为TE1模式从第二输出波导5沿x轴负方向输出，实现了TE0到TE1模式的转换和模式传播方向的转换。模拟结果表明设计得到的模式转换器实现了预期的双入双出模式转换功能，证明了设计的可行性。
实施例2：
本实施例与实施例1提供的技术方案基本相同，不同之处在于：所述模式转换区域3为边长2.6μm的正方形，模式转换区域3被划分为26×26个矩形单元，品质因子FOM的定义如下：
Figure BDA0003990174540000061
其中，M是波长信道数。FOM的计算包含两个部分，“+”前的部分由这些参数构成：某一波长下，从第一输入波导1输入TE0模式时，在第一输出波导4监测到的TE0模式的透过率为x11，TE1模式的透过率为t11，分别表示第一输出波导4处TE0模式的串扰和TE1模式的转换率；在第二输出波导5监测到的TE0模式的透过率为x12，TE1模式的透过率为t12，分别表示第二输出波导5处TE0模式和TE1模式的串扰；第二输入波导2处监测到的TE0模式透射率为r12，表示第二输入波导2处TE0模式的串扰，由于第二输入波导2被设计为仅支持TE0模式，因此不考虑第二输入波导2处TE1模式的串扰。
“+”后的部分由这些参数构成：某一波长下，从第二输入波导2输入TE0模式时，在第二输出波导5监测到的TE0模式的透过率为x22，TE1模式的透过率为t22，分别表示第二输出波导5处TE0模式的串扰和TE1模式的转换率；在第一输出波导4监测到的TE0模式的透过率为x21，TE1模式的透过率为t21，分别表示第一输出波导4处TE0模式和TE1模式的串扰；第一输入波导1处监测到的TE0模式透射率为r21，表示第一输入波导1处TE0模式的串扰，由于第一输入波导1被设计为仅支持TE0模式，因此不考虑第一输入波导1处TE1模式的串扰。
根据如上参数定义可知，模式转换器各波导中的串扰也会影响FOM参数的数值：当模式转换率越大，各波导中模式的串扰越小时，FOM越大；反之，当模式转换率越小，各波导中模式的串扰越大时，FOM越小。该种FOM的定义既考虑到了模式转换器的***损耗，同时也考虑到了器件的串扰性能。
该实施例中最终计算得到的模式转换器(如图3所示)也可以实现与实施例一中所述双入双出模式转换器相同的功能，仿真模拟结果如图4中的(a)和图4中的(b)所示：
在1550nm波长下，当TE0模式从第一输入波导1输入时，双入双出模式转换器中场分布模拟结果如附图4中的(a)所示。可以看到从第一输入波导1输入的TE0模式，沿y轴正方向传播，经过模式转换区域3后，转换为TE1模式从第一输出波导4沿x轴正方向输出，实现了TE0到TE1模式的转换和模式传播方向的转换，
在1550nm波长下，当TE0模式从第二输入波导2输入时，双入双出模式转换器中场分布模拟结果如附图4中的(b)所示。可以看到从第二输入波导2输入的TE0模式，沿y轴正方向传播，经过模式转换区域3后，转换为TE1模式从第二输出波导5沿x轴负方向输出，实现了TE0到TE1模式的转换和模式传播方向的转换。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，包括二氧化硅衬底、顶层硅和低折射率材料包层，所述顶层硅包括第一输入波导、第二输入波导、模式转换区域、第一输出波导和第二输出波导，其中所述第一输入波导通过所述模式转换区域与所述第一输出波导相连接，所述第二输入波导通过所述模式转换区域与所述第二输出波导相连接，所述模式转换区域被划分为M×N个矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与顶层硅的厚度相同，当所述矩形单元处于刻蚀状态时，内部材料为低折射率材料；当所述矩形单元处于不刻蚀状态时，内部材料为硅；其中所述模式转换区域中矩形单元的状态通过品质因子设置。
2.根据权利要求1所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，所述第一输入波导和第二输入波导输入的波长范围为1520nm到1580nm。
3.根据权利要求1所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，所述第一输入波导和第二输入波导仅支持TE0模式通过，第一输出波导和第二输出波导同时允许TE0和TE1模式通过。
4.根据权利要求1所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，所述二氧化硅衬底的厚度为3μm，所述顶层硅的厚度为220nm。
5.根据权利要求1所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，所述矩形单元为边长100nm的正方形。
6.根据权利要求1所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，所述矩形单元通过单步刻蚀实现刻蚀状态。
7.根据权利要求1所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，通过品质因子设置所述模式转换区域中矩形单元的状态包括：
(1)设置所有矩形单元均处于不刻蚀状态为初始状态，计算所述初始状态下双入双出模式转换器的初始品质因子；
(2)从第一个矩形单元开始，对所有矩形单元依次进行如下操作：改变矩形单元的状态并计算新的品质因子，将所述新的品质因子与所述初始品质因子进行比较，若所述新的品质因子大于所述初始品质因子，则保持所述矩形单元的状态为改变后的状态，并将所述新的品质因子赋值给所述初始品质因子；反之则设置所述矩形单元的状态为改变前的状态；
(3)重复执行步骤(2)，直至品质因子不再增大。
8.根据权利要求5所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，所述品质因子
Figure FDA0003990174530000011
其中，M是输入光的波长信道数，t1为输入光波长下从第一输入波导输入TE0模式时，在第一输出波导监测到的TE1模式的透过率；t2为输入光波长下从第二输入波导输入TE0模式时，在第二输出波导监测到的TE1模式的透过率。
9.根据权利要求5所述的双入双出模式转换器及设计方法，其特征在于，所述品质因子
Figure FDA0003990174530000021
其中，M是波长信道数，FOM的计算包含两个部分，“+”前的部分由这些参数构成：某一波长下，从第一输入波导输入TE0模式时，在第一输出波导监测到的TE0模式的透过率为x11，TE1模式的透过率为t11，分别表示第一输出波导处TE0模式的串扰和TE1模式的转换率；在第二输出波导监测到的TE0模式的透过率为x12，TE1模式的透过率为t12，分别表示第二输出波导处TE0模式和TE1模式的串扰；第二输入波导处监测到的TE0模式透射率为r12，表示第二输入波导处TE0模式的串扰，由于第二输入波导被设计为仅支持TE0模式，因此不考虑第二输入波导处TE1模式的串扰。“+”后的部分由这些参数构成：某一波长下，从第二输入波导输入TE0模式时，在第二输出波导监测到的TE0模式的透过率为x22，TE1模式的透过率为t22，分别表示第二输出波导处TE0模式的串扰和TE1模式的转换率；在第一输出波导监测到的TE0模式的透过率为x21，TE1模式的透过率为t21，分别表示第一输出波导处TE0模式和TE1模式的串扰；第一输入波导处监测到的TE0模式透射率为r21，表示第一输入波导处TE0模式的串扰，由于第一输入波导被设计为仅支持TE0模式，因此不考虑第一输入波导处TE1模式的串扰。
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