一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器制造技术

技术编号：41877038 阅读：12 留言：0更新日期：2024-07-02 00:29

本发明专利技术公开了一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器，属于光子器件与集成技术领域，所述超宽带模分复用器构建于绝缘体上硅平台SOI上，由上至下包括波导层、掩埋层和基底层，所述波导层包含多个级联的定向耦合波导，每个定向耦合波导均包括位于旁侧的窄接入波导和位于中心的宽总线波导；窄接入波导和宽总线波导的耦合间隔区域为自由曲线优化区域，间隔区域的两侧轮廓边界为两条自由曲线，每条自由曲线被离散为若干个点并使用优化算法得到最优分布。本发明专利技术提供的超宽带模分复用器的工作带宽超过500nm，具有结构设计简单、器件制备误差容忍度大等优点，可适用于不同波导平台。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成硅光子，尤其是一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器。

技术介绍

1、为了满足高速光通信传输的需求，片上复用技术是众多方案中的一种可行有效的技术方案。其中，波分复用技术是目前运用最广泛的技术，其已经发展成熟但需要精确的波长校准，模分复用技术通过多路正交模式复用光信号并行传输，还可以与波分复用技术相结合，进一步提高光互连的数据传输容量，是目前研究的热点。实现片上模分复用技术的方法已经有许多，例如非对称定向耦合器结构、多模干涉仪结构、y型结、亚波长光栅结构和逆向设计的超构波导结构。非对称定向耦合器结构以设计简单和可扩展性而广受关注，适用性最广，然而该结构需要严格的相位匹配条件，并且具有几十微米到几百微米的长耦合长度，这不利于应用在紧凑的片上模分复用系统；多模干涉仪结构和y型结具有较宽的带宽和良好的制造容限，但器件尺寸通常较大，且串扰和损耗性能也较差；波长光栅结构和逆向设计的超构波导结构是可实现小尺寸和高性能的模分复用器，但逆向设计结构对计算资源的需求巨大，且其模式可扩展性受到限制，同时这两种结构的最小特征尺寸仅为数十纳米，这需要极高分辨率的光刻精度。总体而言，以上技术方案各有优劣。最为关键的是：现有的模分复用技术方案仅能实现100 nm左右的工作带宽，缺乏超宽带操作的设计方案。

技术实现思路

1、本专利技术需要解决的技术问题包含现有模分复用方案对波长敏感、器件尺寸较大、制备精度高、误差容忍度小等，对此提供了一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器。

<p>2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的具体技术方案是：

3、一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器，由下至上包括基底层、掩埋层和波导层，所述波导层包含多个级联的定向耦合波导，每个定向耦合波导均包括位于旁侧的窄接入波导和位于中心的宽总线波导；其中窄接入波导和宽总线波导的耦合间隔区域为自由曲线优化区域，耦合间隔区域的两侧轮廓边界为两条自由曲线，每条自由曲线被离散为若干个点并使用优化算法得到最优分布。

4、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述每个定向耦合波导的自由曲线优化区域的两侧轮廓边界为两条自由曲线，两条自由曲线的初始结构都为直线，并被离散为若干个点，使用优化算法确定离散点的最优分布，使得定向耦合波导的耦合效率为最高值，再将各离散点采用任意插值法还原为平滑自由曲线。

5、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述自由曲线优化区域的两条自由曲线在优化过程中的宽度变化范围为100-400nm。

6、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述超宽带模分复用器支持至少te0-te1、te0-te2、te0-te3三种模式转换和复用。

7、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述超宽带模分复用器的工作波长范围大于或等于1500-2000nm，工作带宽大于或等于500nm。

8、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述自由曲线优化的设计方案具体包括以下步骤：

9、s1，确定器件设计目标为在1500-2000nm波长范围内te0-te1模式耦合和转换损耗小于等于0.5db，其中窄接入波导4的宽度为0.5μm，宽总线波导5的宽度为1.02μm，耦合区域长度为25μm，耦合间隔为0.2μm；

10、s2，确定耦合间隔区域为自由曲线优化区域，总长度为25μm，自由曲线优化区域的两侧轮廓边界为两条自由曲线，每条自由曲线被以500nm周期等间隔地离散为51个点，两条自由曲线同一竖直方向的两个点的中心位置被定义为 y1、 y2、… yn… y51，两条自由曲线同一竖直方向的两个点之间的宽度被定义为 w1、 w2、… wn… w51；

11、s3，依次使得位置 yn和宽度 wn在一定范围内变动，其中，位置 yn的变化范围为-400nm到+400nm，宽度 wn的变化范围为100nm到400nm，通过仿真计算每次变化后的器件的模式耦合和转换损耗，若结果与设计目标间的差距变小，则保留相应的改变，若结果与设计目标间的差距变大，则舍弃相应的改变，据此所有离散点的位置和宽度进行迭代搜索，使器件的性能不断接近设计目标，并更新轮廓曲线；

12、s4，不断迭代优化直至达到设计目标，停止优化算法运行并根据最终优化结果更新自由曲线分布；对优化后的多模弯曲波导结构进行更加详细的仿真性能分析，以验证器件的性能是否达到预期。

13、由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术进步是：

14、1、本专利技术所提供的模分复用器，通过优化算法设计自由曲线优化区域，使得非对称定向耦合波导在不同的波段都能满足相位匹配条件，降低了波长敏感性，器件工作波长大于等于500 nm。

15、2、本专利技术所提供的模分复用器具有结构简单、可扩展性强、器件制备与商用流片工艺兼容、易于片上集成等优点，可广泛应用于片上超宽带和多波段模分复用传输系统。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器，由下至上包括基底层（1）、掩埋层（2）和波导层（3），其特征在于：所述波导层（3）包含多个级联的定向耦合波导，每个定向耦合波导均包括位于旁侧的窄接入波导（4）和位于中心的宽总线波导（5）；其中窄接入波导（4）和宽总线波导（5）的耦合间隔区域为自由曲线优化区域，耦合间隔区域的两侧轮廓边界为两条自由曲线，每条自由曲线被离散为若干个点并使用优化算法得到最优分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器，其特征在于：所述每个定向耦合波导的自由曲线优化区域的两侧轮廓边界为两条自由曲线，两条自由曲线的初始结构都为直线，并被离散为若干个点，使用优化算法确定离散点的最优分布，使得定向耦合波导的耦合效率为最高值，再将各离散点采用任意插值法还原为平滑自由曲线。

3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器，其特征在于：所述自由曲线优化区域的两条自由曲线在优化过程中的宽度变化范围为100-400nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分

5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器，其特征在于：所述超宽带模分复用器的工作波长范围大于或等于1500-2000nm，工作带宽大于或等于500nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于自由曲线优化光波导的超宽带模分复用器，其特征在于：所述自由曲线优化的设计方案具体包括以下步骤：

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【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英杰，胡宗浩，张晰尧，王星齐，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：

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