基于集成非球面半透镜的超紧凑平面模式尺寸转换器制造技术

光束转换器包括：锥形耦合器结构，其结构宽度是变化的；集成非球面半透镜结构，其直边近端与所述锥形耦合器结构的远端相邻，并与之直接接触；凸形半透镜结构，其弯曲的近端与所述集成非球面半透镜结构的弯曲远端直接接触。

Ultra compact planar mode size converter based on integrated aspheric half lens

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于集成非球面半透镜的超紧凑平面模式尺寸转换器与相关申请的交叉引用本申请按照美国专利法35U.S.C§119(e)向于2017年4月11日提出的申请号为62/484,185的临时专利申请和于2017年2月27日提出的申请号为62/463,941的临时专利申请声明优先权。本文的引用包含上述申请。政府利益根据美国国防高级研究计划局(DARPA)的批准号N66001-12-1-4246，本文公开的专利技术至少部分地在美国政府的支持下完成。因此，美国政府对本专利技术具有一定的权利。领域本文一般涉及光子(光学)器件。更具体地，本文涉及基于集成非球面半透镜的超紧凑平面模式尺寸转换器。背景光子集成电路利用光而不是电子来实现各种光学性能，例如在芯片周围布线输送信息。纳米结构、超材料和硅技术的最新发展拓宽了高度集成光学芯片的功能范围。绝缘体上硅(SOI)中的光子集成电路(PICs)在高度集成和大规模的光子平台上具有巨大潜力。模式尺寸转换器可以在紧凑高效的PICs中得到多种应用。大规模PICs作为一种很有前景的技术，可以在高性能计算系统和数据中心中实现大容量的光互连。由于和高可拓展、成熟的硅制造技术兼容，大规模PICs有潜力制造低成本、紧凑型的光学I/O芯片。而硅晶体在发光方面的固有缺陷，使高性能光源的集成成为硅基光学I/O芯片的主要挑战。Si/III-V混合激光器则是硅基I/O芯片上光源的很有潜力的替代品。为了实现倒装芯片键合配置的低损耗光学耦合，往往需要紧凑高效的模式尺寸转换器。尺寸转换器也可以集成到激光二极管中来减小光束的发散。光束转换器是集成光子学的重要组成部分。光束转换器是广泛用于匹配不同宽度的波导模式的光学装置，采用准直光束扩展其模式宽度(也可以聚焦光或缩小其模式宽度)。简介本解决方案提供了一种紧凑且低损耗的光束转换器。光束转换器包括一个宽度可变的锥形耦合器部分。光束转换器还包括集成非球面半透镜部分，其具有直边的近端和锥形耦合器部分的远端相邻。具有直边的近端与锥形耦合器部分的远端直接接触。光束转换器还包括凸半透镜部分，凸半透镜部分弯曲的近端与集成非球面半透镜部分的弯曲远端直接接触。锥形耦合器部分包括抛物线锥形部分，抛物线锥形部分具有抛物线形状的横截面，并且接收来自光源的光。锥形耦合器部分还包括快速线性锥形部分，快速线性锥形部分的近端的第一宽度小于其远端的第二宽度。快速线性锥形部分的近端与抛物线锥形部分的直边相邻，并与抛物线锥形部分的直边直接接触。在一些实施例中，凸半透镜部分具有直边的远端连接有波导，波导的宽度基本上与凸半透镜部分的远端宽度相同。在一些实施例中，锥形耦合器部分为非绝热锥形。在一些实施例中，锥形耦合器部分、集成非球面半透镜部分和凸半透镜部分位于单个半导体材料层中。在一些实施例中，单个半导体材料层包括硅。在一些实施例中，光束转换器包括二氧化硅层，并且单个半导体材料层位于二氧化硅层上。在一些实施例中，光束转换器还包括硅衬底层，并且二氧化硅层位于单个半导体材料层和硅衬底层之间。在一些实施例中，光束转换器还包括在单个半导体材料层的表面上的第二层二氧化硅层包层。在一些实施例中，光束转换器的总长度小于或等于光波长的六倍左右。工作波长为1520nm至1570nm左右。在一些实施例中，光束转换器的波导宽度比为20：1左右。在一些实施例中，光束转换器在凸半透镜部分中至少产生具有类高斯强度分布的平面波前。在一些实施例中，光从锥形耦合器部分耦合，并且在通过光束转换器之后光束宽度扩展。在一些实施例中，光从凸半透镜部分耦合，并且在通过光束转换器之后光束宽度缩小。在一些实施例中，光束转换器在220nm的绝缘体上硅平台或260nm的绝缘体上硅平台上制成。在一些实施例中，抛物线锥形部分的长度为0.9μm至1μm左右，快速线性锥形部分的长度为3.61μm至4.54μm左右。在一些实施例中，抛物线锥形部分的宽度为1.7μm至1.776μm左右，快速线性锥形部分的宽度为3.3μm至3.725μm左右。在一些实施例中，凸半透镜部分的长度为0.78μm至1.03μm左右。在一些实施例中，凸形半透镜部分的远端宽度为10μm左右。附图说明本解决方案通过引用下述示意图来描述，其中数字符号标记示意图的所有组件。图1(a)-(b)(统称为“图1”)为扩束器(BE)的示意图。图1(a)为BE的扫描电子显微照片。图1(b)为BE的各个不同部分示意图。图2(a)-(b)(统称为“图2”)为BE的示意性结构图。图3(a)为和1550nm波长下波导宽度比为20：1的BE设计相比，非绝热线形模式尺寸转换器和抛物线锥形模式尺寸转换器的传输效率图。图3(b)为BE和线性锥形模式尺寸转换器的透射和反射的比较图。图3(c)为BE的模拟透射光谱。图4(a)-(d)(统称为“图4”)为BE和线性锥形模式尺寸转换器之间的比较图。图4(a)为BE的电场强度分布。图4(b)为线性锥形模式尺寸转换器的电场强度分布。图4(c)为BE的电场相位曲线。图4(d)为线性锥形模式尺寸转换器的电场相位曲线图5(a)-(c)为通过散射矩阵计算得到的从输入波导进入五种不同均匀模式的TE0耦合比。图5(a)为BE，图5(b)为线性锥形模式尺寸转换器，图5(c)为54.2μm线性锥形模式尺寸转换器。图5(d)为波导端部处的电场分布。图6(a)为子透镜结构中的三个不同点在垂直方向上的指向矢量积分，其中嵌入图为中心电场图。图6(b)为两个子透镜中心点之间的间隙间隔曲线，其中嵌入图为不同间隙间隔的薄膜的透射曲线。图7(a)-(b)(统称为“图7”)为实验测量得到的不同模式下50nm带宽的平均插入损耗和误差线。图7(a)为BE，图7(b)为线性锥形模式尺寸转换器。详细说明本文中一般描述的和示意图中的实施例的组件可以按照不同的配置来布置和设计。因此，示意图中所展示的各种实施例中的下述更详细描述并非旨在限制本公开的范围，而是仅代表各种实施例。虽然示意图中展示了实施例的各个方面，但除非特别指出，否则示意图不一定是按比例绘制的。在集成光子电路中，每个元件的设计中都希望能够降低材料、加工和封装成本。因此，基于硅基光子学的小型、大宽带模式尺寸转换器是一种很有前景的技术方案，特别适用于可扩展的高速片上/片外光学互连以及阵列波导光栅的波长复用/解复用。模式尺寸转换器可以分为横向锥形模式尺寸转换器、垂直锥形模式尺寸转换器或者基于多模干涉(MMI)的模式尺寸转换器、分段锥形耦合器型或者光子晶体模式尺寸转换器。在横向锥形模式尺寸转换器中，波导层的宽度产生变化。尽管锥形易于制造，但上侧波导会有尖锐终止点，使得工艺过程复杂化。在垂直锥形模式尺寸转换器中，波导层的厚度产生变化，但是由于波导厚度的关键变化，垂直锥形模式尺寸转换器并没有被广泛使用。基于MMI激励若干模式的模式尺寸转换器的波导终止于多个模式的干涉产生的最大耦合处，虽然基于MMI的模式尺寸转换器的长度较短，但是其灵活性较差，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光束转换器，包括：/n锥形耦合器结构，其结构宽度是变化的；/n集成非球面半透镜结构，其直边近端与所述锥形耦合器结构的远端相邻，并与之直接接触；凸形半透镜结构，其弯曲的近端与所述集成非球面半透镜结构的弯曲远端直接接触。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170227 US 62/463,941;20170411 US 62/484,1851.一种光束转换器，包括：
锥形耦合器结构，其结构宽度是变化的；
集成非球面半透镜结构，其直边近端与所述锥形耦合器结构的远端相邻，并与之直接接触；凸形半透镜结构，其弯曲的近端与所述集成非球面半透镜结构的弯曲远端直接接触。


2.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述锥形耦合器结构包括：
抛物线形锥形部分，具有抛物线形横截面形状，并接收来自光源的光；
快速线性锥形部分，其近端的第一宽度小于远端的第二宽度，该近端与上述抛物线锥形部分的直边相邻，并与之直接接触。


3.根据权利要求1所述的光束转换器，其中，所述凸半透镜部分包括直边远端，所述直边远端连接到波导，所述波导的宽度基本上与所述凸半透镜部分的直边远端宽度相同。


4.根据权利要求1所述的光束转换器，其特征在于，锥形耦合器为非绝热锥形。


5.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述锥形耦合器、所述集成非球面半透镜结构和所述凸半透镜部分位于单个半导体材料层中。


6.根据权利要求1所述的光束转换器，其中所述单个半导体材料层包括硅。


7.根据权力要求5所述的光束转换器，还包括二氧化硅层，其中所述单个半导体材料层位于所述二氧化硅层上。


8.根据权力要求7所述的光束转换器，还包括硅衬底层，其中所述二氧化硅层堆叠在所述单个半导体材料层和所述硅衬底层之间。


9.根据权力要求7所述的光束转换器，还包括在所述单...

【专利技术属性】
技术研发人员：锡亚马克·阿巴斯卢，江伟，罗伯特·加图杜拉，
申请(专利权)人：罗格斯新泽西州立大学，
类型：发明
国别省市：美国;US