紧凑型硅基分模器及设计方法

本发明涉及一种紧凑型硅基分模器及设计方法，属于集成光子器件。

背景技术：

1、随着互联网技术、移动互联网业务、大数据和人工智能的快速发展，光纤通信容量的需求一直呈指数级增长。受限于香农极限和光纤非线性效应，基于单模光纤的波分复用技术的传输容量即将达到瓶颈。为突破传输容量的限制，空分复用技术应运而生。空分复用包括多芯光纤和模分复用技术两种路线。其中，模分复用技术是实现空分复用的重要技术路线。模分复用技术因其能够提供更高的信息密度、传输成本低和能耗低等多方面的优势，被认为是具有研究前景的技术。

2、模分复用技术可以实现单波长多模式共同传输。这些模式相互正交，因此可以作为独立信道传输信息，进而增加光纤的传输容量和提高光频谱的利用率。按照模分复用实现的平台，可以分为以下三类：空间光学元件、光纤、平面光波导。其中基于平面光波导的片上模分复用技术具有制作工艺成熟，集成度高和结构多样等优势，受到了广泛的关注。绝缘体上硅平台受益于较高的折射率差可以实现紧凑的结构尺寸和稳定的性能，且与互补金属氧化物半导体工艺兼容，成为实现片上模分复用系统最具潜力的工艺平台。为了构建硅基片上模分复用系统，目前已经报道了模式(解)复用器、模式转换器、模式选择开关、滤模器和分模器等光器件。

3、分模器对构建模分复用系统具有重要意义。在已经报道的分模器中，基于非对称定向耦合器、绝热耦合器、多模干涉耦合器等的模式解复用器被用于实现模式的分离。基于模式解复用器的分模器可以实现模式的分离，但会改变模式阶数。对于高阶滤模器、模式选择开关和模式调制器等模式敏感器件，还需要额外连接模式转换器或者其它的可以改变模式阶数的器件，增大了系统的复杂程度。目前，已经报道了不改变模式阶数的基于定向耦合器的分模器。这些分模器需要充分的模式耦合，因此需要足够长的长度，从而导致整体的尺寸较大。

4、有鉴于此，确有必要提出一种紧凑型硅基分模器及设计方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种紧凑型硅基分模器，能够在不改变模式阶数的前提下实现高阶模式和低阶模式的分离。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种紧凑型硅基分模器，包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；所述芯层包括相互连接的波导和功能区，所述波导包括输入波导和输出波导；所述功能区位于所述输入波导和所述输出波导之间，所述硅基分模器包括第一种硅基分模器和第二种硅基分模器，在所述第一种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导和下输出波导，在第二种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导、中输出波导以及下输出波导。

3、作为本发明的进一步改进，所述衬底为硅晶片，所述下包层沉积在所述衬底上方，所述芯层刻蚀在所述下包层的上且位于所述上包层和所述下包层之间。

4、作为本发明的进一步改进，所述波导由硅制成，所述下包层和所述上包层由二氧化硅制成，所述功能区由硅和二氧化硅组成，或者由硅和相变材料组成。

5、作为本发明的进一步改进，所述功能区的结构形状是任意的，所述输入波导包括光源进入的宽波导。

6、本发明的另一目的在于提供一种紧凑型硅基分模器的设计方法，所述硅基分模器包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；所述芯层包括相互连接的波导和功能区，所述波导包括输入波导和输出波导；所述功能区位于所述输入波导和所述输出波导之间，所述硅基分模器分为第一种硅基分模器和第二种硅基分模器，在所述第一种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导和下输出波导，在第二种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导、中输出波导以及下输出波导，所述功能区由逆向设计算法设计而成，包括：

7、步骤s1，确定设计目标并定义设计区域的初始结构；

8、步骤s2，像素点根据梯度优化介电常数，当优化达到设计目标或者无法继续优化时停止迭代；

9、步骤s3，对离散的介电常数进行二值化处理，得到只有硅和二氧化硅的结构；

10、步骤s4，对优化后的结构进行可制备性约束；

11、步骤s5，生成并输出最终的器件结构图。

12、作为本发明的进一步改进，像素点单元具有不同的材料分布，以改变所述功能区的折射率分布，高阶模式的光在所述功能区受到像素点单元的扰动，实现在不改变模式阶数的情况下进行传输，所述第一种硅基分模器和所述第二种硅基分模器分别用介电常数不同的像素点表示。

13、作为本发明的进一步改进，所述第一种硅基分模器中，在所述输入波导中分别输入te1模式和te0模式，te1模式受到所述输入波导的引导进入所述功能区，在所述功能区中传输不改变模式阶数，然后从所述下输出波导输出；te0模式沿着所述上输出波导传输不改变模式阶数。

14、作为本发明的进一步改进，所述第二种硅基分模器中，在所述输入波导中分别输入te0模式、te1模式和te2模式。te0模式沿着所述上输出波导传输不改变模式阶数；te1模式受到所述输入波导的引导进入所述功能区，在所述功能区中传输不改变模式阶数，然后从所述中输出波导输出；te2模式受到所述输入波导的引导进入所述功能区，在所述功能区中传输不改变模式阶数，然后从所述下输出波导输出。

15、本发明的有益效果是：本发明的紧凑型硅基分模器实现了低损耗、低串扰、大带宽、不改变模式阶数和紧凑的尺寸。可拓展性强，通过对功能区的逆向设计，设定不同的fom，可实现任意高阶和低阶模式的分离。极大的丰富了模分复用系统，增加了集成光子器件的灵活度并提供了一种基于逆向设计的光学器件。

技术特征：

1.一种紧凑型硅基分模器，其特征在于：包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；所述芯层包括相互连接的波导和功能区，所述波导包括输入波导和输出波导；所述功能区位于所述输入波导和所述输出波导之间，所述硅基分模器包括第一种硅基分模器和第二种硅基分模器，在所述第一种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导和下输出波导，在第二种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导、中输出波导以及下输出波导。

2.根据权利要求1所述的紧凑型硅基分模器，其特征在于：所述衬底为硅晶片，所述下包层沉积在所述衬底上方，所述芯层刻蚀在所述下包层的上且位于所述上包层和所述下包层之间。

3.根据权利要求2所述的紧凑型硅基分模器，其特征在于：所述波导由硅制成，所述下包层和所述上包层由二氧化硅制成，所述功能区由硅和二氧化硅组成，或者由硅和相变材料组成。

4.根据权利要求3所述的紧凑型硅基分模器，其特征在于：所述功能区的结构形状是任意的，所述输入波导包括光源进入的宽波导。

5.一种紧凑型硅基分模器的设计方法，其特征在于：所述硅基分模器包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；所述芯层包括相互连接的波导和功能区，所述波导包括输入波导和输出波导；所述功能区位于所述输入波导和所述输出波导之间，所述硅基分模器分为第一种硅基分模器和第二种硅基分模器，在所述第一种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导和下输出波导，在第二种硅基分模器中，所述输出波导包括依次连接的上输出波导、中输出波导以及下输出波导，所述功能区由逆向设计算法设计而成，包括：

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：像素点单元具有不同的材料分布，以改变所述功能区的折射率分布，高阶模式的光在所述功能区受到像素点单元的扰动，实现在不改变模式阶数的情况下进行传输，所述第一种硅基分模器和所述第二种硅基分模器分别用介电常数不同的像素点表示。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：所述第一种硅基分模器中，在所述输入波导中分别输入te1模式和te0模式，te1模式受到所述输入波导的引导进入所述功能区，在所述功能区中传输不改变模式阶数，然后从所述下输出波导输出；te0模式沿着所述上输出波导传输不改变模式阶数。

8.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：所述第二种硅基分模器中，在所述输入波导中分别输入te0模式、te1模式和te2模式，te0模式沿着所述上输出波导传输不改变模式阶数；te1模式受到所述输入波导的引导进入所述功能区，在所述功能区中传输不改变模式阶数，然后从所述中输出波导输出；te2模式受到所述输入波导的引导进入所述功能区，在所述功能区中传输不改变模式阶数，然后从所述下输出波导输出。

技术总结
本发明提供了一种紧凑型硅基分模器及设计方法，所述硅基分模器包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；芯层包括相互连接的波导和功能区，波导包括输入波导和输出波导；功能区位于输入波导和输出波导之间，输入波导包括光源进入的宽波导，输出波导包括依次连接的上输出波导和下输出波导；在第二种分模器中，输出波导包括依次连接的上输出波导、中输出波导和下输出波导。本发明硅基分模器可以在不改变模式阶数的前提下实现高阶模式和低阶模式的分离，极大的丰富了模分复用系统，提供了一种基于逆向设计的光学器件。通过逆向设计实现功能区的优化，在实现紧凑尺寸的同时极大的减小了相关损耗和串扰并增大了带宽，提高了相关性能的稳定性。

技术研发人员：汪静丽,陈涛,马越,万洪丹,蒋卫锋
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22