基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器

摘要

一种基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器，包括：龙柏透镜以及设置于其上的硅波导、输入端和输出端，其中：输入端和输出端分别设置于龙柏透镜两侧；硅波导包括：第一波导和第二波导。的第一波导的宽度大于第二波导的宽度。龙柏透镜的结构为上下包层均为SiO2的硅超材料层。龙柏透镜具有径向的占空比分布，本发明通过片上集成的龙柏透镜的梯度折射率的超材料结构获得所需的折射率分布，并与硅波导集成，从而实现不同宽度波导中的模斑尺寸匹配，具有非常大的宽带，尺寸小，损耗低。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种集成光子学领域的技术，具体是一种基于片上集成龙柏(Luneburg)透镜的超宽带模斑转换器。

背景技术

在集成光路中，为了实现超宽的工作带宽和较小的传输损耗，需要设计结构尺寸紧凑、耦合效率高的光器件，其中一类重要的器件是模斑转换器。模斑转换器是用来匹配不同模斑尺寸的光器件，它可以改变模斑尺寸，从而实现不同宽度波导之间的低损耗耦合。硅基光子器件具有强模场束缚的特性，且能够与互补金属氧化物半导体CMOS工艺相兼容的优点，是集成光路的理想选择。

发明内容

本发明针对现有锥形波导结构的设计复杂、需要利用聚焦离子束刻蚀或灰度曝光技术导致制造难度大的不足，提出一种基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器，通过梯度折射率的超材料结构获得龙柏透镜所需的折射率分布，并与硅波导集成，从而实现不同宽度波导中的模斑尺寸匹配。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：片上集成龙柏透镜以及设置于其上的硅波导、输入端和输出端，其中：输入端和输出端分别设置于龙柏透镜两侧。

所述的硅波导包括：第一波导和第二波导，其中：第一波导设置于输入端一侧，第二波导设置于输出端一侧。

所述的第一波导的宽度大于第二波导的宽度。

所述的片上集成龙柏透镜的结构为上下包层均为二氧化硅的硅超材料层，该硅超材料层为梯度占空比的硅纳米棒天线阵列结构。

所述的龙柏透镜具有径向的占空比分布，折射率分布满足：

所述的龙柏透镜中的最大折射率与最小折射率关系为

所述的龙柏透镜的等效材料折射率为：

技术效果

本发明完成光场模斑的尺寸转换，从而将宽波导中的光以极低的损耗耦合到硅基芯片中窄的硅波导中；与现有技术相比，本发明能够实现波长从1.26μm～2μm之间模斑尺寸的转换，带宽达到740nm，远高于现有技术；在740nm的带宽范围内，模斑尺寸转换损耗在1dB以内，损耗要低于现有技术。本发明长11.2μm，占地面积小于现有技术。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明仿真透射光谱图；

图3为本发明TE模斑转换的波长为1.55μm的仿真光谱图；

图4为本发明TE模斑转换的波长为1.26μm的仿真光谱图；

图5为本发明TE模斑转换的波长为2μm的仿真光谱图；

图中：片上集成龙柏透镜1、硅波导2、输入端3、输出端4、第一波导5、第二波导6。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种基于片上集成龙柏(Luneburg)透镜的超宽带模斑转换器，可以在SOI平台上加工实现，包括：片上集成龙柏透镜1以及设置于其上的硅波导2、输入端3和输出端4，其中：输入端3和输出端4分别设置于龙柏透镜1两侧。

所述的硅波导2包括：第一波导5和第二波导6，其中：第一波导5设置于输入端3一侧，第二波导6设置于输出端4一侧。

所述的龙柏透镜1的结构为上下包层均为二氧化硅的硅超材料层，其中：该硅超材料层为梯度占空比的硅纳米棒天线阵列结构，有效折射率取决于亚波长结构硅纳米棒的占空比，纳米棒的周期为P，该硅超材料层实现了龙柏透镜的功能，不仅器件占地面积变小，而且在740nm超宽带范围内以极低的损耗实现了模斑尺寸的转换。

所述的第一波导5的宽度不大于片上龙柏透镜的1的直径，可根据实际使用调整第一波导5的宽度和龙柏透镜的1的直径。

所述的第一波导5的宽度大于第二波导6的宽度，第一波导5与第二波导6的宽度比值为20：1，可根据实际使用调整比值。

所述的龙柏透镜1具有径向的占空比分布，折射率分布满足：

所述的龙柏透镜1中的最大折射率与最小折射率的关系为

所述的龙柏透镜1的等效材料折射率为：

本实施例涉及一种基于上述超宽带模斑转换器的超宽带模斑转换方法，包括以下步骤：

步骤1：设定仿真参数；

所述的SOI平台顶部的硅层厚度220nm，掩埋氧化物层厚度为3μm，二氧化硅顶部覆盖层厚度为1μm；第一波导5的宽度和第二波导6的宽度分别设为10μm和0.5μm；龙柏透镜的纳米棒最小占空比设为15％，最小有效折射率设为1.84，最大折射率设为2.6，最大占空比设为81％，周期为246nm，透镜的长度为L＝2R

步骤2：根据仿真参数，计算耦合损耗和工作带宽；

如图2所示，所述的透射光谱在波长1.26μm～2μm范围内，其耦合损耗低于1dB。因此该模斑转换器具有大于740nm的工作带宽和低插入损耗。、

步骤3：改变输入端3输出端4硅波导和龙柏透镜1的参数，计算不同光波长下的TM基模传输的有效折射率；

如图3、图4和图5所示，分别显示了光波长为1.55μm、1.26μm和2μm时，TE基模的电场(E

经过具体实际实验，在正常室温的具体环境设置下，使用C和O波段激光器输入光源，第一波导5的宽度和第二波导6的宽度分别为10μm和0.5μm；龙柏透镜的纳米棒最小占空比为15％，最小有效折射率为1.84，最大折射率为2.6，最大占空比为81％，周期为246nm，透镜的长度为L＝2R

与现有技术相比，本装置，能够实现波长从1.26μm～2μm之间模斑尺寸的转换，带宽达到740nm，远高于现有的锥形(taper)结构性能；在740nm的带宽范围内，模斑尺寸转换损耗在1dB以内，损耗要低于现有的Hollowtaper结构性能。3、占地面积小，本发明长11.2μm，占地面积小于平面镜(flatlens)等透镜结构。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明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发明之约束。