基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器制造技术

本发明专利技术公开一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，包括：(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器；第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接；第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i‑1个锥形波导组成第i‑1个锥形非对称定向耦合器，第i‑1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同；本发明专利技术可以实现(n+1)个不同波长的复用。

Silicon based wavelength division multiplexer based on conical asymmetric directional coupler

A silicon-based wavelength division multiplexer based on a conical asymmetric directional coupler is disclosed, comprising: (n+1) an input waveguide, a plurality of curved waveguides, n conical waveguides of different widths, and N conical connectors; the first input waveguide is connected to one end of the first conical waveguide through the first conical connector, and the K th. The other end of the conical waveguide is connected to one end of the k+1 conical waveguide through the k+1 conical connector; the first input waveguide is coupled to the first i_1 conical waveguide through at least one curved waveguide to form the first i_1 conical asymmetric directional coupler, and the second i_1 conical asymmetric directional coupler is used to connect the second input waveguide. The input optical signal is converted into corresponding high-order modes and coupled to the bus waveguide for transmission, where each conical asymmetric directional coupler corresponds to a different high-order mode; the invention can realize the reuse of (n+1) different wavelengths.

【技术实现步骤摘要】
基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器
本专利技术涉及集成光学
，更具体地，涉及一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器。
技术介绍
片上光互连复用技术具有很多独特的地方，相关方面的研究也已经成为领域的热点。对于多通道复用光互连系统而言，片上集成(解)复用器是其中关键的器件之一。波分复用(WDM)是光纤通信系统中常用的技术，用以增加总传输带宽。现有技术中实现波分复用的器件主要有阵列波导光栅(AWG)、刻蚀衍射光栅(EDG)、微环谐振器(MRR)、马赫—曾德尔干涉仪(MZI)、多模干涉耦合器(MMI)等。传统的波分复用器，如阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅，器件尺寸和插入损耗都比较大，不易于和其他器件进行片上集成；而基于微环谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器的波分复用器，虽然尺寸较阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅来说尺寸较小，但依然不能满足片上集成对器件小尺寸的要求，而且在波长通道扩展和设计灵活性方面还有待提高。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其目的是在小尺寸的波导结构上实现不同波长的复用，解决片上波导尺寸大，制作容差小，不易于扩展的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，包括：(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器；第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接，1≤k≤n-1；n个锥形波导的宽度依次递增，所述第一个输入波导、n个锥形波导以及n个锥形连接器连接的结构组成总线波导；第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i-1个锥形波导组成第i-1个锥形非对称定向耦合器，所述第i-1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到所述总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同，2≤i≤n+1；所述(n+1)个输入波导分别传输(n+1)个不同波长的光信号，(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器均置于硅基底，所述基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器可以实现(n+1)个不同波长的复用。可选地，设n个锥形波导的首尾宽度依次为w1a和w1b，w2a和w2b，w3a和w3b，…，wna和wnb，n个锥形波导耦合区域的中点宽度依次为w1，w2，w3…wn；第n个锥形波导的宽度通过第n个波长λn的相位匹配条件和制作容差Δwn确定，输入波导对应的基模TE0和第n个锥形波导耦合区域中点wn的相应高阶模TEn满足相位匹配条件；第n个锥形波导首端宽度wna和输入波导宽度w-Δwn、尾端宽度wnb和输入波导宽度w+Δwn分别满足相位匹配条件，Δwn通过平衡耦合效率和耦合长度二者之间的关系确定，其中，w为输入波导支持基模的宽度。可选地，所述n个锥形非对称定向耦合器的耦合部分的长度依次为L1，L2，L3…Ln，该长度通过模式干涉理论确定，是使耦合效率达到最大的最佳耦合长度。可选地，第i个输入波导与第i-1个锥形波导的间距为150nm～300nm；在满足工艺制作条件的前提下，该间距有利于光从输入波导到总线波导的耦合，并尽量保证相对较短的耦合长度。可选地，所述(n+1)个输入波导横截面的宽度取值范围为0.4μm～0.5μm，以满足单模条件，使得波导中的光场只存在基模，有利于光从输入波导到总线波导耦合时模式的转换，有利于基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器与其之外的波导器件进行片上集成。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术提供的一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其各个波长信号以基模的形式注入输入波导，通过锥形非对称定向耦合器分别转换成相对应的高阶模式并耦合到总线波导，以此实现(n+1)个波长的复用；由于满足相位匹配条件，理论上可实现最大耦合效率为1的完全耦合，即可以满足波分复用器低插入损耗、小的串扰的要求，保证器件的性能；各个锥形非对称定向耦合器之间通过锥形连接器相连，实现光在总线波导几乎无损耗的传输；输入波导和锥形波导平行耦合，易于和其他的有源或无源波导器件进行片上集成。(2)本专利技术提供的一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，较基于常规非对称定向耦合器的硅基波分复用器件具有更大的制作容差；通过相位匹配条件和模式干涉理论可以设计(n+1)个通道，即实现(n+1)个波长的复用，保证了设计的灵活性和可扩展性。附图说明图1为本专利技术提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器的结构示意图；图2为本专利技术提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器的横截面示意图；图3为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ1下TE1和TE0的有效折射率随波导宽度变化的关系图；图5为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ0下仿真得到的光场传输图；图6为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ1下仿真得到的光场传输图；图7为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ2下仿真得到的光场传输图；图8为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ3下仿真得到的光场传输图；图9为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器件在四波长复用下仿真得到的光场传输图；图10为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器仿真得到的插入损耗随输入波导宽度变化的关系图；图11为本专利技术实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器的实验结果图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为弯曲波导、2为锥形连接器、w为输入波导支持基模的宽度、wn为锥形波导中点宽度、wna为第n个锥形波导首端宽度、wnb为第n个锥形波导尾端宽度、第n+1个输入波导与第n个锥形波导的耦合长度为Ln、输入波导和锥形波导的间距为gap，λn为第n个锥形波导传输的光信号波长。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，包括(n+1)个输入波导，n个不同宽度的锥形波导和输入波导共同组成的锥形非对称定向耦合器，n个锥形连接器；其中，所有的波导结构都置于硅基衬底上；(n+1)个输入波导用于光信号的输入，锥形非对称定向耦合器用于将不同波长的光信号分别转换成对应的高阶模式并且耦合到总线波导进行传输，以实现(n+1)个波长的复用；锥形连接器用于连接不同宽度的锥形波导组成总线波导，以保证光信号几乎无损耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其特征在于，包括：(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器；第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接，1≤k≤n‑1；n个锥形波导的宽度依次递增，所述第一个输入波导、n个锥形波导以及n个锥形连接器连接的结构组成总线波导；第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i‑1个锥形波导组成第i‑1个锥形非对称定向耦合器，所述第i‑1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到所述总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同，2≤i≤n+1；所述(n+1)个输入波导分别传输(n+1)个不同波长的光信号，(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器均置于硅基底，所述基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器可以实现(n+1)个不同波长的复用。

【技术特征摘要】
1.一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其特征在于，包括：(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器；第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接，1≤k≤n-1；n个锥形波导的宽度依次递增，所述第一个输入波导、n个锥形波导以及n个锥形连接器连接的结构组成总线波导；第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i-1个锥形波导组成第i-1个锥形非对称定向耦合器，所述第i-1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到所述总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同，2≤i≤n+1；所述(n+1)个输入波导分别传输(n+1)个不同波长的光信号，(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器均置于硅基底，所述基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器可以实现(n+1)个不同波长的复用。2.根据权利要求1所述的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其特征在于，设n个锥形波导的首尾宽度依次为w1a和w1b，w2a和w2b，w3a和w3b，…，wna和wnb，n个锥形波导耦合区域的中点宽度依次为w1，w2，w3…...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙军强，朱琳，张芮闻，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42