一种小型宽带模式转换器件制造技术

本发明专利技术公开了一种小型宽带模式转换器件。包括衬底、信号输入波导，信号输出波导和模式转换区域；信号输入波导，信号输出波导和模式转换区域均布置在衬底上；模式转换区域通过拓扑优化逆向设计，连接在所述信号输入波导和信号输出波导之间；TE0模式的信号经输入波导输入，经过模式转换区域后被转换成TE1模式信号输出。本发明专利技术基于伴随源法对器件进行拓扑优化逆向设计，使其实现了宽带的模式转换功能，以解决传统片上模式转换器件中存在的占位面积大、性能不稳定、带宽窄的问题。带宽窄的问题。带宽窄的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种小型宽带模式转换器件


[0001]本专利技术属于光通讯
的一种宽带模式转换器件，尤其涉及一种小型基于拓扑优化逆向设计的硫系宽带模式转换器件。

技术介绍

[0002]在过去的几十年里，随着集成光子学电路、掺铒光纤放大器、以及通信复用技术的进步，光通信网络的容量得到了极大地提高，然而最近一段时间的科学研究证实了传统单模光纤通信系统的传输容量已经愈来愈接近于其非线性香农极限，因此为了增加通信系统容量，满足人们对业务带宽的需要，模分复用技术出现了。模分复用器件能够通过在通信系统中复用不同的模式，可以使光通信系统的容量提升数倍，但是模分复用离不开对于模式的转换。传统的模式转换器件主要有块状光学器件，光纤和光波导来实现，这些器件都需要的严格的加工和排布，同时会引入很大的插入损耗，同时面临着尺寸太大、工作带宽小、器件功能缺乏灵活性等缺点。
[0003]最关键的是，受限于石英光纤的透明窗口、掺铒光纤放大器的增益谱和CMOS工艺，大部分设计都是基于硅基光子器件，工作在近红外波段，但是除了硅以外，硫系材料也是集成光子学的重要的平台之一。硫系材料是指包含了在元素周期表中
Ⅵ
族“硫系元素”的化合物，一般指S、Se和Te。相比于硅系材料，硫系材料由于具有众多的光敏性、宽红外窗口和高光学非线性的特点在光通信、医疗和国防工业都具有重要的应用价值。得益于宽带空心光纤和掺铥光纤放大器的出现，中红外通信成为了当下研究的热点，而硫系材料在中红外拥有极广的透明窗口，同时硫基光子器件的制备也与现行的CMOS工艺相契合，但是对于硫基光子器件而言，由于硫系玻璃的折射率小于硅，器件结构大于硅的结构，工作波长的增加，也带来模场面积的增大和更多的模场泄露，这些都使得硫基光子器件的存在挑战。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术实施例的目的是提供一种小型基于拓扑优化逆向设计的硫系宽带模式转换器件，从而克服现有技术的缺陷。
[0005]本专利技术包括基于硫系介质的光子器件实现中红外波段低损信号传输功能；基于伴随源法对器件进行拓扑优化逆向设计，使其实现了中心波长2025nm的信号的宽带波导模式转换，实现从TE0模式到TE1模式之间的相互转换，填补了硫系模式转换器件设计的空白。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是包括：衬底；信号输入波导，布置在所述衬底上；信号输出波导，布置在所述衬底上；模式转换区域，所述模式转换区域布置在所述衬底上，模式转换区域被划分单元且通过拓扑优化逆向设计，连接在所述信号输入波导和信号输出波导之间；TE0模式的信号从信号输入波导输入，经过模式转换区域后被转换成TE1模式信号从信号输出波导输出；
TE1模式的信号经信号输出波导输入，经过模式转换区域后被转换成TE0模式信号从信号输入波导输出。
[0007]本专利技术所述的“小型”是指尺寸小于10*10微米。
[0008]本专利技术所述的“宽带”是指工作带宽大于等于100纳米。
[0009]所述衬底材质为二氧化硅。
[0010]所述信号输入波导和信号输出波导选用的材质均为硫系玻璃材料。硫系材料由于具有众多的光敏性、宽红外窗口和高光学非线性的特点，使得器件能够低损工作在红外波段。
[0011]所述模式转换区域在立体空间中被划分成n*n个单元长方体，每个单元立方体具有两种可能的材料状态，分为空气或者硫系玻璃材料。
[0012]所述的模式转换区域通过拓扑优化逆向设计，具体是采用以下方式优化确定：根据信号输出波导的TE1模式的信号输出功率和信号输入波导的TE0模式的信号输入功率之间的比例建立以下目标函数：FOM=(|a
out_te1
|2N
out_te1
)/(| a
out_te0
|2N
out_te0
)a
m
=0.25
·
((∫dS
×
E
×
H
*m
)/N
m
+(∫dS
×
E
*m
×
H)/N
*m
)N
m
=0.5
·
∫dS
×
E
m
×
H
*m
∇×
μ0‑1∇×
E
‑
ω2ε(P)E=
‑
iωJc=λ
·
ω/(2π)ε(P)=(ε(p1),ε(p2),
⋯
,ε(p
n
×
n
))式子中，FOM表示整体器件的目标函数，a
m
= a
out_te1
、a
in_te0
，N
m
= N
out_te1
、N
in_te0
；a
out_te1
是信号输出波导中TE1模式信号的复传输系数；N
out_te1
是信号输出波导中TE1模式的信号功率；a
in_te0
是信号输入波导中TE0模式的复传输系数，N
in_te0
是信号输入波导中TE0模式的信号功率；E为空间中的电场分布，H为空间中的磁场分布；E
m
= E
out_te1
、E
in_te0
，H
m
= H
out_te1
、H
in_te0
，E
out_te1
为信号输出波导在TE1模式的电场分布，E
in_te0
为信号输入波导在TE0模式的电场分布；H
out_te1
为信号输出波导在TE1模式的磁场分布，H
in_te0
为信号输入波导在TE0模式的磁场分布；μ0是自由空间中的磁导率，ω为波长λ对应的角频率，J为信号输入波导的电流密度，i表示虚数单位，
∇
表示梯度算子，c表示真空光速；ε(P)表示介电常数向量，ε(p1)表示第1个单元立方体的介电常数参数；S表示波导的截面积；其中E
out_te1
与a
out_te1
对应，E
in_te0
与a
in_te0
对应，H
out_te1
与N
out_te1
对应，H
in_te0
与N
in_te0
对应。
[0013]按照上述目标函数建立针对整体器件的模式转换的目标和关系，表示为满足以下关系：FOM
→
1其中，
→
1表示趋近于1；在上述目标函数的目标下进行求解，获得各个单元立方体的介电常数的最优分布，进而按照最优分布进行模式转换区域的制作。
[0014]本专利技术的设计为片上光通讯系统的重要组成部分之一。由于传统的模式转换器件主要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
其中，
→
1表示趋近于1；在上述目标函数的目标下进行求解，获得各个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李尔平，林晓斌，林宏焘，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：