基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器制造技术

一种基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器，为中心对称结构，包括：耦合区、依次分布在耦合区的两侧的过渡区及S型波导，其中：耦合区由上下两个侧面相耦合的亚波长光栅波导组成，每个亚波长光栅波导进一步由若干依次排列的梯形单元组成。本发明专利技术将梯形亚波长光栅结构运用于实现耦合模式的调控，不仅有效进一步减小了器件耦合区尺寸，还实现了较高的工作带宽、较低损耗以及功率分配较均匀等特点。较低损耗以及功率分配较均匀等特点。较低损耗以及功率分配较均匀等特点。

【技术实现步骤摘要】
基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器


[0001]本专利技术涉及的是一种微波功率分配领域的技术，具体涉及一种基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器。

技术介绍

[0002]超宽带3dB功率分配器，作为片上光信号处理的关键器件，近年来得到广泛的关注。如何实现小尺寸、大带宽、高制作容差、功率分配比理想的片上3dB功率分配器是当前的研究热点。但现有的功率分配器工作带宽较难满足需要。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术在梯形亚波长光栅应用方面存在的不足，提出了一种基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器，将梯形亚波长光栅结构运用于实现耦合模式的调控，不仅有效进一步减小了器件耦合区尺寸，还实现了较高的工作带宽、较低损耗以及功率分配较均匀等特点。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器，为中心对称结构，包括：耦合区、依次分布在耦合区的两侧的过渡区及S型波导，其中：耦合区由上下两个侧面相耦合的亚波长光栅波导组成，每个亚波长光栅波导进一步由若干依次排列的梯形单元组成。
[0006]所述的过渡区为条形到亚波长光栅波导转换器，具体为：一个锥形波导和亚波长光栅波导，其中：锥形波导宽度较大的一侧与直波导相连，宽度较小的一侧与过渡区中最靠近耦合区的梯形单元相连。
[0007]所述的锥形波导的宽度从两端至靠近耦合区逐渐减小。
[0008]所述的耦合区的亚波长光栅波导为逐渐变化的梯形排列，其中：梯形排列的长底边的长度固定，短底边的长度随传输方向逐渐减小。
[0009]所述的过渡区的亚波长光栅波导为矩形排列或逐渐变化的梯形排列，其中：若过渡区与耦合区相连处的单元为矩形，则过渡区的亚波长光栅波导为矩形排列；若过渡区与耦合区相连处的单元为梯形，则过渡区的亚波长光栅波导为逐渐变化的梯形排列。矩形排列的两底边的长度固定；梯形排列的长底边的长度固定，短底边随传输方向逐渐减小。
[0010]所述的短底边的线性变化满足Di＝D0
‑
i*(D0
‑
DN)/N，其中：D0为梯形长底边长度，DN为梯形短底边长度最小值，Di为当前梯形短底边长度，i为当前梯形序号，N为耦合区该梯形序列中梯形的总个数。
[0011]优选地，D0＝0.165μm，DN＝0.06μm，N＝30。
[0012]所述的条形波导与耦合区的亚波长光栅状波导的耦合长度及其各自的宽度通过3D
‑
FDTD仿真结果取最优解，以达到最佳性能。
[0013]所述的耦合区和过渡区的亚波长光栅状波导的有效折射率
其中：n
Si
和n
SiO2
分别为硅和二氧化硅的折射率，η为光栅结构的占空比。
[0014]优选地，η＝68.75％，耦合区长度为7.2μm，对应的亚波长光栅波导宽度为0.5μm。技术效果
[0015]本专利技术通过在耦合区亚波长光栅波导采用渐变的梯形单元，在传播方向上实现对光场的调控，增加耦合强度，降低功率分配器对波长的敏感度的同时，显著增加了工作带宽并缩小了器件尺寸：本专利技术中的功率分配器采用亚波长光栅结构，在耦合区中，传播方向上每个梯形单元的短底边宽度缓慢变化，降低耦合长度对波长的灵敏度，实现了超大工作带宽；耦合区长度仅为7.2μm。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的结构示意图；
[0017]图中：(a)器件立体示意图、(b)器件结构视图、(c)耦合区示意图、耦合区1、过渡区2、S型波导3、亚波长光栅波导4、梯形单元5、锥形波导6、入射端口a、b；
[0018]图2为实施例传输谱分布的仿真示意图；
[0019]图中：(a)端口1的传输谱仿真示意图、(b)端口2的传输谱仿真示意图；
[0020]图3为实施例不平衡度的仿真示意图。
具体实施方式
[0021]如图1所示，本实施例涉及一种基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器，包括：在绝缘衬底上的硅(SOI)平台上加工实现的S型波导3、过渡区2和耦合区1，其中：耦合区1由两个侧面间存在间隙且耦合的亚波长光栅波导4组成，每个亚波长光栅波导则进一步由一系列长底边长度固定、短底边长度逐渐变化的梯形单元5组成；通过将基模从亚波长光栅波导的入射端口a、b输入，在梯形单元5发生绝热耦合过程，基模以对波长不敏感的较高效率耦合到另一波导中，然后经过过渡区从输出端口波导输出，从而达到能量均分的效果。
[0022]所述的逐渐变化是指：梯形单元的短底边随传输方向逐渐减小。
[0023]所述的耦合区1的整体长度通过3D
‑
FDTD仿真结果取最优解，本实施例中耦合区1长度为7.2μm。
[0024]所述的亚波长光栅波导4的宽度，即梯形单元5的高度，通过3D
‑
FDTD仿真结果取最优解，本实施例中亚波长光栅波导宽度为0.5μm。
[0025]所述的亚波长光栅波导4的间距为185nm。
[0026]所述的过渡区2为条形到亚波长光栅波导转换器，具体为：一个锥形波导6和亚波长光栅波导4，其中：锥形波导宽度较大的一侧与直波导相连，宽度较小的一侧与过渡区中最靠近耦合区的梯形单元相连。
[0027]所述的3dB功率分配器采用但不限于通过CMOS兼容工艺在SOI基片上实现，本实施例中整体尺寸在65
×
15μm2以下。
[0028]如图2所示，本实施例工作在1300nm至1700nm的波长范围内，在400nm的超大工作带宽内实现3dB的功率耦合。
[0029]如图3所示，本实施例在1300nm至1700nm的波长范围内，两个输出端口的输出功率近似相等，实现了均匀的功率分配比。
[0030]本实施例采用3D时域有限差分法(3D
‑
FDTD)对所述结构的耦合过程进行仿真。仿真过程中光源设置为基模模式，在两个输出端口放置监测器监测输出功率的传输谱。
[0031]经过具体实际实验，在Lumerical仿真软件中，网格精确度设置为3，能够得到的实验数据是：在1300nm至1700nm区间内，端口1的透射率为3dB
±
1.1dB，端口2的透射率为3dB
±
0.7dB。两个输出端口输出功率的不平衡度低于1.2dB。
[0032]与现有技术相比，本专利技术中的3dB功率分配器采用梯形亚波长光栅结构，通过改变耦合区梯形单元的底边宽度实现了400nm的超大工作带宽内的均匀功率分配。
[0033]上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本专利技术的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本专利技术之约束。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器，其特征在于，为中心对称结构，包括：耦合区、依次分布在耦合区的两侧的过渡区及S型波导，其中：耦合区由上下两个侧面相耦合的亚波长光栅波导组成，每个亚波长光栅波导进一步由若干依次排列的梯形单元组成；所述的过渡区为条形到亚波长光栅波导转换器，具体为：一个锥形波导和亚波长光栅波导，其中：锥形波导宽度较大的一侧与直波导相连，宽度较小的一侧与过渡区中最靠近耦合区的梯形单元相连；所述的耦合区的亚波长光栅波导为逐渐变化的梯形排列，其中：梯形排列的长底边的长度固定，短底边的长度随传输方向逐渐减小。2.根据权利要求1所述的基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器，其特征是，所述的锥形波导的宽度从两端至靠近耦合区逐渐减小。3.根据权利要求1所述的基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器，其特征是，所述的过渡区的亚波长光栅波导为矩形排列或逐渐变化的梯形排列，当过渡区与耦合区相连处的单元为矩形，则过渡区的亚波长光栅波导为矩形排列；当过渡区与耦合区相连处的单元为梯形，则过渡区的亚波长光栅波导为逐渐变化的梯形排列。4.根据权利要求3所述的基于梯形亚波长光栅的超宽带3dB功率分配器...

【专利技术属性】
技术研发人员：方云晓，胡蕊，孙璐，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：