用于转换光束的光模式的光子器件制造技术

一种用于转换光束的光模式的光子器件包括接收具有第一模式的第一波束的第一端口、模式转换器以及传输第一波束的第二端口。模式转换器被配置为加宽第一波束以将第一模式转换为第二模式，并且在模式转换器的输出侧处对经加宽的第一波束进行缩窄，其中，模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段，其中，第一折射率大于第二折射率，其中，扰动段被布置在导引材料中以与第一波束交叉。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于转换光束的光模式的光子器件
本专利技术总体上涉及紧凑型光子器件，更具体地，涉及宽带模式转换器。
技术介绍
片上模分复用(MDM)已进行了数十年的深入研究，片上模分复用在一个共享的多模式总线波导中传输多个信道以增强传输容量。已经开发了许多MDM器件，包括复用器/解复用器(MUX/DEMUX)、模阶滤波器和模阶转换器。模阶转换器用于在处理之前首先将高阶模式转换为横向电场基本模式(TE0)，而高阶模式转换过程是片上MDM的一大挑战。因此，期望实现紧凑尺寸的高阶模式转换器。
技术实现思路
本公开的一些实施方式是基于以下认识：通过使用机器学习辅助优化方法，根据设计优化，能够获得基于超紧凑(～4μm长)SOI模阶转换器家族的紧凑型光子器件。TE0、TE1和TE2模式波束能够在100nm带宽上以～85％的效率相互转换。原则上，优化技术能够用于设计任意模阶转换器。此外，拓扑优化的模阶转换器能够帮助建立具有紧凑型覆盖区(footprint)的高阶模式的替代功能(诸如，交叉和弯曲)。根据本公开的一些实施方式，提供了一种用于转换光束的光模式的光子器件。该光子器件包括：第一端口，其接收具有第一模式的第一波束；模式转换器，其被配置为加宽第一波束以在模式转换器的中间部分处将第一模式转换为第二模式，并且在模式转换器的输出侧处对经加宽的第一波束进行缩窄，其中模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段(perturbationsegment)，其中第一折射率大于第二折射率，其中，扰动段被布置在导引材料中以与第一波束交叉；以及第二端口，其传输具有第二模式的第一波束，其中，模式转换器的宽度大于第一端口和第二端口的宽度，其中，第二端口的宽度大于第一端口的宽度，其中，第一端口和第二端口以及模式转换器具有相同的厚度。此外，本公开的实施方式提供了一种用于转换光束的光模式的光子器件，该光子器件包括第一输入转换器和第一输出转换器以及第二输入转换器和第二输出转换器。转换器中的每一个包括：第一端口，其接收具有第一模式的波束；模式转换器，其被配置为加宽波束以在模式转换器的中间部分处将第一模式转换为第二模式，并且在模式转换器的输出侧处对经加宽的波束进行缩窄，其中，模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段，其中，第一折射率大于第二折射率，其中，扰动段被布置在导引材料中以与第一波束交叉；以及第二端口，其传输具有第二模式的波束，其中，模式转换器的宽度大于第一端口和第二端口的宽度，其中，第二端口的宽度大于第一端口的宽度，其中，第一端口和第二端口以及模式转换器具有相同的厚度。此外，光子器件包括交叉导引件，该交叉导引件包括：第一交叉导引件，其具有第一交叉输入端口和第一交叉输出端口；以及第二交叉导引件，其具有第二交叉输入端口和第二交叉输出端口，其中，第一交叉导引件与第二交叉导引件成直角交叉，其中第一交叉导引件和第二交叉导引件的每个端口具有交叉端口宽度，其中，第一输入交叉端口连接到第一输入转换器的第二端口，并且第一输出交叉端口连接到第一输出转换器的第一端口，其中第二输入交叉端口连接到第二输入转换器的第二端口，并且第二输出交叉端口连接到第二输出转换器的第一端口。将参照附图进一步解释当前公开的实施方式。所示的附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明当前公开的实施方式的原理上。附图说明[图1A]图1A示出了相关技术的模阶转换器。[图1B]图1B示出了图1A中的模式转换器的主要电场分量(Ey)分布图。[图2A]图2A示出了根据本公开的实施方式的TE0至TE1模阶转换器。[图2B]图2B示出了图2A的TE0至TE1模阶转换器的主要E场分量(Ey)分布图。[图2C]图2C是表示器件效率的FDTD谱。[图3A]图3A示出了根据本公开的实施方式的TE0至TE2转换器的示例。[图3B]图3B示出了图3A的TE0至TE2模阶转换器的主要E场分量(Ey)分布图。[图3C]图3C是表示图3A的器件效率的FDTD谱。[图4A]图4A示出了根据本公开的实施方式的TE1至TE2转换器的几何形状。[图4B]图4B示出了TE1至TE2转换器的主要E场分量(Ey)分布图。[图4C]图4C示出了TE1至TE2转换器的FDTD谱。[图5A]图5A示出了例示根据本公开的实施方式的TE1|TE2至TE0转换器的示意图。[图5B]图5B示出了例示根据本公开的实施方式的TE2|TE2至TE0转换器的示意图。[图6A]图6A示出了根据本公开的实施方式的TE290度交叉转换器的示例。[图6B]图6B示出了TE2模式90度交叉转换器的主要E场分量(Ey)分布图。[图6C]图6C示出了TE2模式90度交叉转换器的FDTD谱。具体实施方式以下描述仅提供示例性实施方式，并非旨在限制本公开的范围、应用或配置。相反，示例性实施方式的以下描述将为本领域技术人员提供能够实现一个或更多个示例性实施方式的描述。可以想到的是，在不脱离如所附权利要求书中所公开的主题的精神和范围的情况下，可以在元件的功能和布置上进行各种变型。在以下描述中给出了具体细节以提供对实施方式的全面理解。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。例如，所公开的主题中的系统、过程和其它元件可以以框图形式示出为组件，以免在不必要的细节上模糊实施方式。在其它示例中，可以示出公知的过程、结构和技术而没有不必要细节，以避免模糊实施方式。此外，在各个附图中相似的附图标记和标志表示相似的元件。另外，各个实施方式可以被描述为被描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图的过程。尽管流程图可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行执行或同时执行。另外，操作顺序可以重新排列。当过程的操作完成时，过程可以终止，但是可以具有未讨论或未包含在图中的其它步骤。此外，并非在任何特定描述的过程中的所有操作都可以在所有实施方式中发生。过程可以对应于方法、函数、过程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，函数的终止可以对应于函数返回到调用函数或主函数。此外，所公开的主题的实施方式可以至少部分地手动地实现或自动地实现。可以通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任意组合来执行或至少辅助手动实现或自动实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器可读介质中。处理器可以执行必要任务。本公开的实施方式的概述片上模分复用(MDM)使得能够在一个共享多模总线波导中传输多个光信道，以增强传输容量。在此，术语模式是指光空间模式。已经开发了许多MDM器件，包括复用器/解复用器(MUX/DEMUX)、模阶滤波器和模阶转换器。片上MDM的一大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于转换光束的光模式的光子器件，该光子器件包括：/n第一端口，该第一端口接收具有第一模式的第一波束；/n模式转换器，该模式转换器被配置为加宽所述第一波束以将所述第一模式转换为第二模式并在所述模式转换器的输出侧处对经加宽的第一波束进行缩窄，其中，所述模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率，其中，所述扰动段被布置在所述导引材料中以与所述第一波束交叉；以及/n第二端口，该第二端口传输具有所述第二模式的所述第一波束，其中，所述模式转换器的宽度大于所述第一端口和所述第二端口的宽度，其中，所述第二端口的宽度与所述第一端口的宽度不相同，其中，所述第一端口和所述第二端口以及所述模式转换器具有相同厚度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180309 US 15/916,5631.一种用于转换光束的光模式的光子器件，该光子器件包括：
第一端口，该第一端口接收具有第一模式的第一波束；
模式转换器，该模式转换器被配置为加宽所述第一波束以将所述第一模式转换为第二模式并在所述模式转换器的输出侧处对经加宽的第一波束进行缩窄，其中，所述模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率，其中，所述扰动段被布置在所述导引材料中以与所述第一波束交叉；以及
第二端口，该第二端口传输具有所述第二模式的所述第一波束，其中，所述模式转换器的宽度大于所述第一端口和所述第二端口的宽度，其中，所述第二端口的宽度与所述第一端口的宽度不相同，其中，所述第一端口和所述第二端口以及所述模式转换器具有相同厚度。


2.根据权利要求1所述的光子器件，该光子器件还包括顶层和底层，其中具有第三折射率的所述顶层和所述底层夹着所述第一端口和所述第二端口以及所述模式转换器，其中，所述第一折射率大于所述第三折射率。


3.根据权利要求1所述的光子器件，其中，每个所述扰动段由所述导引材料的孔表示。


4.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述扰动段之间的最小节距d被确定为满足以下条件，
d<λ/(2neff)
其中，neff是所述导引材料的波导模式的最高有效折射率，其中，λ是所述第一波束的波长。


5.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述扰动段之间的最小节距d被确定满足以下条件，
d<λ/(2neff)
并且，所述扰动段是非周期性布置的。


6.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述第一折射率与所述第一端口和所述第二端口的折射率相同。


7.根据权利要求1所述的光子器件，其中，当所述第一模式和所述第二模式分别是由TEm和TEn表示的第m模式和第n模式，m和n是偶数时，其中所述扰动段被布置为沿着从所述第一端口到所述第二端口绘制的波束方向中心线近似对称。


8.根据权利要求1所述的光子器件，其中，当所述第一模式和所述第二模式分别是由TEm和TEn表示的第m模式和第n模式，m和n中的至少一个是奇数时，其中所述扰动段被布置为沿着从所述第一端口到所述第二端口绘制的波束方向中心线不对称。


9.根据权利要求1所述的光子器件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：小岛启介，滕旻，秋浓俊昭，王炳南，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP