【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种硅基集成光子芯片领域的技术，具体是一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器。
技术介绍
1、在现有片上光互连系统中，模式复用技术能够同时利用多个相互正交的模式作为独立信道传递信息，从而成倍地提高系统容量和频谱效率。然而，由于不同模式之间的模场体积差异太大，很难同时将多个模式从芯片耦合到光纤中。为实现多模光纤与芯片间的高效率低损耗耦合，多模片上耦合器成为目前光通信系统中的一个重要的研究方向。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有多模耦合技术中器件尺寸较大，耦合效率较低，损耗太大，无法实现高阶模式复用和耦合，对制造工艺要求较高等缺点，提出一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，将多层氮化硅结构运用到端面波导结构中，实现te0、te1、tm0、tm1模式的高效耦合。
2、本专利技术通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术涉及一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，包括：由下而上依次设置于锥形硅波导上的第一氧化硅覆盖层、第一锥形氮化硅波导、第二氧化硅覆盖层、第二锥形氮化硅波导和第三氧化硅覆盖层，其中：锥形硅波导用于实现波导中模式输入与耦合，三层氧化硅覆盖层的厚度各不相同，锥形硅波导的宽度较宽的端口输入波导中的模式，在波导逐渐变窄的过程中，波导中的模式逐渐耦合至氮化硅波导中；锥形氮化硅波导和氧化硅覆盖层共同实现模式的模斑放大。
4、所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导的宽度均为由宽至窄的锥形渐变，使得模式在传输过程中，在两种波导中达到折射率
5、所述的模斑放大是指：当模式从锥形硅波导进入到硅波导上方的氧化硅覆盖层以后，由于氮化硅的折射率高于氧化硅，两种材料形成折射率差，因此，氧化硅中的光逐渐聚集到氮化硅层，并在氮化硅波导中传输。由于氮化硅与氧化硅的折射率差远小于硅波导与氧化硅的折射率差，因此，在氮化硅波导中传输的光模场较发散，模斑尺寸远大于在波导中传输时的模斑，因此，实现模斑放大。
6、所述的硅波导的宽度和厚度分别为：厚度220nm，波导宽度从1.2μm减小到0.01μm。
7、所述的锥形氮化硅波导的耦合长度、宽度和厚度分别为：厚度50nm，波导宽度从0.01μm增加到16μm。
8、所述的氧化硅覆盖层的第一层厚度为2μm、第二层、第三层氧化硅覆盖层的厚度分别为1.5μm。
9、所述的端面耦合器以锥形硅波导的对称中心轴为整个器件的对称轴。
10、所述的对称轴的8μm的两侧各设有宽5μm、高度5μm的空气槽，用于减小模式在传输过程中在横向上的发散，从而降低传输损耗，提高耦合效率。
11、所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导与氧化硅覆盖层的宽度和厚度通过有限差分本征模式展开法(finite difference eigenmode，fde)计算波导中的电场分布函数，以实现波导宽度和厚度的参数优化，具体为：
12、在均匀波导中的光波(电磁波)的电场根据麦克斯韦方程可知：对于波导中的光场(电磁场)，设该电磁场以一定角频率作时谐变化，其电场表示为随时间变化的电场：e～e[-iωt).设电磁波的传播方向为沿z轴方向，则在传播方向的电场可表示为：e～e(-iβz).代入麦克斯韦的电场散度方程可以得到：其中下标t表示波导横截面内矢量。求出波导横截面的电场et(x，y)，就可以求出在传播方向的电场分布ez(x，y)。
13、利用半矢量近似，将et(x，y)中的主导分量设为ex(x，y)，带入到麦克斯韦方程可以求得关于ex(x，y)的本征方程：因而，求解波导横截面内的电场的过程，就是利用有限差分本征模式展开法求解上述本征方程。
14、对于一个横截面上长为a，宽为b的矩形波导，先用一个固定的尺寸精度(～50nm)进行分割，将连续的波导平面分割为有限离散单元。针对每一个离散单元处(i，j)的电场ex(i，j)满足以下关系：将两式代入上述本征方程，取边界条件为0，便可以求出计电场的本征值ex(i，j)，并得到对应的传播常数β。取工作波长为1550nm，就可以计算出目标模式的电场分布。
15、所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导与氧化硅覆盖层的耦合长度通过本征模式展开法(eigenmode expansion，eme)计算得到，具体为：
16、a)利用上述的有限差分本征模式展开法在电磁波的传播方向，求解出麦克斯韦方程组的频域本征值，即为每个离散单元处的电场函数。
17、b)根据上述的电场函数，利用光路可逆性，每个电场函数都可以双向传播，从而构建出电磁波随传播距离变化的传输矩阵。
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1.一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征在于，包括：由下而上依次设置于锥形硅波导上的第一氧化硅覆盖层、第一锥形氮化硅波导、第二氧化硅覆盖层、第二锥形氮化硅波导和第三氧化硅覆盖层，其中：锥形硅波导用于实现波导中模式输入与耦合，三层氧化硅覆盖层的厚度各不相同，锥形硅波导的宽度较宽的端口输入波导中的模式，在波导逐渐变窄的过程中，波导中的模式逐渐耦合至氮化硅波导中；锥形氮化硅波导和氧化硅覆盖层共同实现模式的模斑放大。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征是，所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导的宽度均为由宽至窄的锥形渐变，使得模式在传输过程中，在两种波导中达到折射率匹配条件，逐渐从硅波导进入到上层的氮化硅波导中传输。
3.根据权利要求1所述的基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征是，在锥形氮化硅波导的端面，经两层氮化硅波导放大后的模斑与多模光纤模斑匹配，实现高效率的端面耦合。
4.根据权利要求1所述的基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征是，所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导与氧化硅覆盖层的耦合长度及其各自的宽
5.根据权利要求1所述的基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征是，所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导与氧化硅覆盖层的宽度和厚度通过有限差分本征模式展开法计算波导中的电场分布函数，以实现波导宽度和厚度的参数优化，具体为：
6.根据权利要求1所述的基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征是，所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导与氧化硅覆盖层的耦合长度通过本征模式展开法计算得到，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征在于，包括：由下而上依次设置于锥形硅波导上的第一氧化硅覆盖层、第一锥形氮化硅波导、第二氧化硅覆盖层、第二锥形氮化硅波导和第三氧化硅覆盖层，其中：锥形硅波导用于实现波导中模式输入与耦合，三层氧化硅覆盖层的厚度各不相同，锥形硅波导的宽度较宽的端口输入波导中的模式，在波导逐渐变窄的过程中，波导中的模式逐渐耦合至氮化硅波导中；锥形氮化硅波导和氧化硅覆盖层共同实现模式的模斑放大。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，其特征是，所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导的宽度均为由宽至窄的锥形渐变，使得模式在传输过程中，在两种波导中达到折射率匹配条件，逐渐从硅波导进入到上层的氮化硅波导中传输。
3.根据权利要求1所述的基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器...
【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞环，钟华，何宇，张永，苏翼凯，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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