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CN111025469B - 一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器 - Google Patents

一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器，属于集成光子器件领域，具体为：从左到右依次包括多模输入波导D1、输入区锥形耦合器E1、多模干涉波导、两个输出区锥形耦合器和两个多模输出波导；多模输入波导D1用于接收输入光束；通过调节多模输入波导D1与多模干涉波导的横向中心轴之间的纵向间距、输入区锥形耦合器E1的渐变长度和渐变最大宽度，激励多模干涉波导中的低阶导模，调节多模输出波导之间的纵向间距和所述输出区锥形耦合器的渐变长度和渐变最大宽度，使输出光束从两个多模输出波导输出。本发明解决了多模干涉耦合器在多模式输入情况下高阶导模的激励导致的输出光斑质量降低的问题。

Description

一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器
技术领域
本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器。
背景技术
近年来随着人工智能、大数据、云计算的兴起与发展，人们对通信的容量、带宽和速率需求呈爆发式增长，光互连技术是现今最有潜力克服通信网络传输瓶颈的途径。在各中光互连方案中，硅基光互连技术被认为是最有发展前途的方案。硅波导具有大折射率差，器件结构尺寸可以缩小到亚微米量级，因此，基于硅基微纳波导的光器件具有更紧凑的器件结构，同时能实现更高密度的器件集成。基于硅基微纳波导的光器件与微电子电路可以进行单片集成，从而可以构建更复杂的系统，以完成更复杂的功能。但如何在单片上传输更高的速率，一直是硅基光子领域的一项重要挑战。
片上模式复用系统利用多个模式之间的正交性，在硅波导的每个模式上传输信号，能够提高单片集成硅基芯片上的传输带宽，满足日益增长的对通信容量需求。多模光功率分束器件作为模式复用系统里面的基础性元器件，能够对输入光实现功率的多端口分配，对端口功率一致性、波长无关性、低损耗特性等都有相当高的要求。
在各种基础的光功率分束器件中，多模干涉耦合器具有插入损耗小、结构紧凑、制作容差性好、工艺简单等的优点，被广泛应用于光子集成芯片中。多模波导中由输入光激励的各阶导模，由于传播常数不同而产生相对相位差，在传播方向上的特定位置处相互干涉而产生入射场的N重像(N≥1)，在N重像的位置处，能对输入的光功率实现N端口的均匀分配。多模波导中的高阶导模理论的传播常数和实际的传播常数之间会产生误差，激励的高阶导模具有更大的传播常数误差，导致干涉的N重像位置处产生相位误差，降低了N重像处输出光斑的质量。传统多模干涉耦合器对于单模输入能实现很低的插入损耗，但是对于多模输入，由于输入的高阶模式会激励高阶导模，积累的相位误差降低了输出光斑的质量，限制了多模干涉耦合器在片上模式复用系统之中的应用。
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基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器，旨在解决多模干涉耦合器在多模式输入情况下高阶导模的激励导致输出光斑质量降低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器，从左到右依次包括多模输入波导D1、输入区锥形耦合器E1、多模干涉波导、两个输出区锥形耦合器和两个多模输出波导；
两个输出区锥形耦合器、所述两个多模输出波导，均关于所述多模干涉波导的横向中心轴上下对称分布；
两个输出区锥形耦合器的渐变最大宽度之和小于所述多模干涉波导的宽度；所述多模干涉波导的长度由输入场的二重像位置确定，实现多模3dB分束，即：
Figure BDA0002338678830000021
其中，L为多模干涉波导的长度；W为多模干涉波导的宽度；λ为工作波段的中心波长；neff为多模干涉波导中波导层的有效折射率。
多模输入波导D1用于接收输入光束；通过调节多模输入波导D1与多模干涉波导的横向中心轴之间的纵向间距、输入区锥形耦合器E1的渐变长度和渐变最大宽度，激励多模干涉波导中的低阶导模，调节两个多模输出波导之间的纵向间距和两个输出区锥形耦合器的渐变长度和渐变最大宽度，使输出光束从两个多模输出波导输出，实现低损耗的多模3dB分束；其中，低阶导模的阶数小于阈值。
优选地，硅基多模3dB分束器还包括多模输入波导D2、输入区锥形耦合器E2，其与输入波导D1、输入区锥形耦合器E1关于多模干涉波导的横向中心轴上下对称，输入区锥形耦合器E1和输入区锥形耦合器E2的渐变最大宽度之和小于所述多模干涉波导的宽度。
优选地，多模输入波导D1、所述多模输入波导D2、所述输入区锥形耦合器E1、所述输入区锥形耦合器E2、所述多模干涉波导、所述输出区锥形耦合器和多模输出波导的高度相等，均包括二氧化硅上包层、硅波导层和二氧化硅下包层。
优选地，多模输入波导D1、多模输入波导D2和两个多模输出波导的宽度均为1μm。
优选地，输入区锥形耦合器的渐变长度和输出区锥形耦合器的渐变长度相等且渐变最大宽度相等；多模输入波导D1和多模输入波导D2之间的纵向间距与所述多模输出波导之间的纵向间距相等。
优选地，多模输入波导D1和多模输入波导D2之间的纵向间距、两个多模输出波导之间的纵向间距均大于等于2μm；间距太小易引入多模输出波导和多模输入波导之间的串扰，劣化整体多模3dB分束器的性能，同时，合理选择模输入波导之间的纵向间距和多模输出波导之间的纵向间距，降低了多个模式对高阶导模的激励，减小器件的损耗。
优选地，两个输入区锥形耦合器和两个输出区锥形耦合器的渐变最大宽度均大于等于1.5μm；增大渐变最大宽度能够降低对高阶导模的激励，减小多模3dB分束器的损耗，但是锥形耦合器的渐变最大宽度应当小于多模干涉波导的宽度，使锥形耦合器不超过多模干涉波导的边界范围。
优选地，两个输入区锥形耦合器和两个输出区锥形耦合器的渐变长度大于等于3μm且小于等于10μm；锥形耦合器的渐变长度太小易导致模式转换效率太低，造成多模3dB分束器的损耗增大，锥形耦合器长度太大易使多模3dB分束器的尺寸过大，不利于集成。
优选地，多模干涉波导的宽度大于等于4μm且小于等于10μm；宽度太大易使多模3dB分束器的尺寸太大，宽度太小易导致多模输出波导之间的间距减小，引起输出模式之间的串扰。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提出的基于多模干涉耦合器的多模3dB分束器，利用输入多模波导和多模干涉波导之间的锥形耦合器，选择性激励多模干涉波导中的低阶模式，解决了多模干涉耦合器在多模式输入情况下高阶导模的激励导致的输出光斑质量降低的问题。
(2)本发明所提出的基于多模干涉耦合器的多模3dB分束器，结构简单，易于扩展，单一结构能对多个模式同时进行3dB分束，较传统的片上模式复用系统解复用-单模3dB分束-复用的方式，可减少器件的复杂度，提高芯片的集成度，同时具有制作容差性好、工艺简单等的优点，器件工作带宽在1500nm～1600nm，可支持C波段通信传输。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器的结构示意图；
图2是本发明提供的两个多模输入波导处的横截面示意图；
图3是实施例1提供的多模输入波导对多模干涉波导中导模的激励分布图；
图4是实施例1提供的多模3dB分束器的TE0模的输出插损以及和TE1模式的串扰；
图5是实施例1提供的多模3dB分束器的TE1模的输出插损以及和TE0模式的串扰。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明提供了一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器，从左到右依次包括多模输入波导D1、输入区锥形耦合器E1、多模干涉波导、两个输出区锥形耦合器和两个多模输出波导；
两个输出区锥形耦合器、两个多模输出波导，均关于所述多模干涉波导的横向中心轴上下对称分布；
两个输出区锥形耦合器的渐变最大宽度之和小于所述多模干涉波导的宽度；所述多模干涉波导的长度由输入场的二重像位置确定，实现多模3dB分束，即：
Figure BDA0002338678830000051
其中，L为多模干涉波导的长度；W为多模干涉波导的宽度；λ为工作波段的中心波长；neff为多模干涉波导中波导层的有效折射率。
多模输入波导D1用于接收输入光束；通过调节所述多模输入波导D1与多模干涉波导的横向中心轴之间的纵向间距、输入区锥形耦合器E1的渐变长度和渐变最大宽度，激励多模干涉波导中的低阶导模，调节两个多模输出波导之间的纵向间距、两个输出区锥形耦合器的渐变长度和渐变最大宽度，从两个多模输出波导输出，实现低损耗的多模3dB分束；其中，低阶导模的阶数小于阈值。
优选地，硅基多模3dB分束器还包括多模输入波导D2、输入区锥形耦合器E2，其与输入波导D1、输入区锥形耦合器E1关于多模干涉波导的横向中心轴上下对称，输入区锥形耦合器E1和输入区锥形耦合器E2的渐变最大宽度之和小于所述多模干涉波导的宽度。
优选地，如图2所示，多模输入波导D1、所述多模输入波导D2、所述输入区锥形耦合器E1、所述输入区锥形耦合器E2、所述多模干涉波导、所述输出区锥形耦合器和多模输出波导的高度相等，均包括二氧化硅上包层、硅波导层和二氧化硅下包层。
优选地，多模输入波导D1、多模输入波导D2和两个多模输出波导的宽度均为1μm。
优选地，输入区锥形耦合器的渐变长度和输出区锥形耦合器的渐变长度相等且渐变最大宽度相等；多模输入波导D1和多模输入波导D2之间的纵向间距与所述多模输出波导之间的纵向间距相等。
优选地，多模输入波导D1和多模输入波导D2之间的纵向间距、两个多模输出波导之间的纵向间距均大于等于2μm；间距太小易引入多模输出波导和多模输入波导之间的串扰，劣化整体多模3dB分束器的性能，同时，合理选择模输入波导之间的纵向间距和多模输出波导之间的纵向间距，降低了多个模式对高阶导模的激励，减小器件的损耗。
优选地，两个输入区锥形耦合器和两个输出区锥形耦合器的渐变最大宽度均大于等于1.5μm；增大渐变最大宽度能够降低对高阶导模的激励，减小多模3dB分束器的损耗，但是锥形耦合器的渐变最大宽度应当小于多模干涉波导的宽度，使锥形耦合器不超过多模干涉波导的边界范围。
优选地，两个输入区锥形耦合器和两个输出区锥形耦合器的渐变长度大于等于3μm且小于等于10μm；锥形耦合器的渐变长度太小易导致模式转换效率太低，造成多模3dB分束器的损耗增大，锥形耦合器长度太大易使多模3dB分束器的尺寸过大，不利于集成。
优选地，多模干涉波导的宽度大于等于4μm且小于等于10μm；宽度太大易使多模3dB分束器的尺寸太大，宽度太小易导致多模输出波导之间的间距减小，引起输出模式之间的串扰。
实施例1
实施例1中的波导为掩埋型波导结构，波导层高度为220nm；多模输入波导和多模输出波导的宽度为1μm，该取值为支持两个模式TE0和TE1的波导宽度典型值；多模输入波导包括多模输入波导D1和多模输入波导D2；
在实施例1中，输入区的多模输入波导之间的纵向间距和输出区的多模输出波导之间的纵向间距yin相等，两个输入区锥形耦合器和两个输出区锥形耦合器的渐变长度ltap一致，渐变最大宽度wtap相等；两个输入区锥形耦合器为输入区锥形耦合器E1和输入区锥形耦合器E2；
具体地，实施例1中，间距yin＝2.76μm，锥形耦合器渐变长度(包括输入区和输出区)ltap＝5.2μm，渐变最大宽度wtap＝2.24μm，多模干涉波导宽度W＝5μm，多模干涉波导长度L＝86.5μm。
在实施例1中，输入的TE0和TE1模式对多模干涉波导中导模的激励分布图如图3所示，通过合理地选择多模输入波导的纵向间距yin、锥形渐变波导的渐变长度ltap和渐变最大宽度wtap，可以使输入多模主要激励最低的5阶导模，降低高阶相位误差，提高输出光斑的质量。
在实施例1中，输入的TE0和TE1模式在上、下多模输出波导的输出插损和串扰如图4和图5所示，传输曲线“TE1-TE0上”代表在多模输入波导输入TE1模式，在上输出波导(多模输出波导包括上输出波导和下输出波导)输出TE0模式的功率，在1500nm～1600nm波段内多模3dB分束器的各模式插损均小于1.6dB，串扰小于-17.5dB。
综上所述，本发明有以下优势：
本发明所提出的基于多模干涉耦合器的多模3dB分束器，利用输入多模波导和多模干涉波导之间的锥形耦合器，选择性激励多模干涉波导中的低阶模式，解决了多模干涉耦合器在多模式输入情况下高阶导模的激励导致的输出光斑质量降低问题。
本发明所提出的基于多模干涉耦合器的多模3dB分束器，结构简单，易于扩展，单一结构能对多个模式同时进行3dB分束，较传统的片上模式复用系统解复用-单模3dB分束-复用的方式，可减少器件的复杂度，提高芯片的集成度，同时具有制作容差性好、工艺简单等的优点，器件工作带宽在1500nm～1600nm，可支持C波段通信传输。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多模干涉耦合器的硅基多模3dB分束器，其特征在于，从左到右依次包括多模输入波导D1和多模输入波导D2、输入区锥形耦合器E1和输入区锥形耦合器E2、多模干涉波导、两个输出区锥形耦合器和两个多模输出波导；
所述多模输入波导D1和多模输入波导D2、所述输入区锥形耦合器E1和输入区锥形耦合器E2、所述两个输出区锥形耦合器、所述两个多模输出波导，均关于所述多模干涉波导的横向中心轴上下对称分布；
所述输入区锥形耦合器E1和输入区锥形耦合器E2、所述两个输出区锥形耦合器的渐变最大宽度之和均小于所述多模干涉波导的宽度；所述多模干涉波导的长度由输入场的二重像位置确定，实现多模3dB分束；
所述多模输入波导D1用于接收输入光束；通过调节所述多模输入波导D1与所述多模干涉波导的横向中心轴之间的纵向间距、所述输入区锥形耦合器E1的渐变长度和渐变最大宽度，激励所述多模干涉波导中的低阶导模，调节多模输出波导之间的纵向间距、所述输出区锥形耦合器的渐变长度和渐变最大宽度，使输出光束从所述两个多模输出波导输出，实现低损耗的多模3dB分束；其中，所述低阶导模的阶数小于阈值；
所述多模输入波导D1和多模输入波导D2之间的纵向间距、所述两个多模输出波导之间的纵向间距均大于等于2μm；所述输入区锥形耦合器E1和所述两个输出区锥形耦合器的渐变最大宽度均大于等于1.5μm；所述输入区锥形耦合器E1和所述两个输出区锥形耦合器的渐变长度大于等于3μm且小于等于10μm。
2.根据权利要求1所述的硅基多模3dB分束器，其特征在于，所述多模输入波导D1、所述多模输入波导D2、所述输入区锥形耦合器E1、所述输入区锥形耦合器E2、所述多模干涉波导、所述输出区锥形耦合器和多模输出波导的高度相等，均包括二氧化硅上包层、硅波导层和二氧化硅下包层。
3.根据权利要求1所述的硅基多模3dB分束器，其特征在于，所述多模输入波导D1、多模输入波导D2和所述两个多模输出波导的宽度均为1μm。
4.根据权利要求1所述的硅基多模3dB分束器，其特征在于，所述输入区锥形耦合器的渐变长度和所述输出区锥形耦合器的渐变长度相等且渐变最大宽度相等；所述多模输入波导D1和多模输入波导D2之间的纵向间距与所述多模输出波导之间的纵向间距相等。
5.根据权利要求1或2所述的硅基多模3dB分束器，其特征在于，所述多模干涉波导的宽度大于等于4μm且小于等于10μm。
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