基于片上超透镜结构的波长解复用器件的制作方法

1.本发明涉及集成光电子的技术领域，尤其是一种基于片上超透镜结构的波长解复用器件。


背景技术：

2.对光实现灵活的调控一直是人们的一个梦想，近年来，科研人员提出了一种由亚波长量级微纳结构构成超透镜的概念，可以对光进行灵活的调控，并已经在实验上验证了这一想法，超透镜的研究也取得了诸多进展。相比于传统的透镜，超透镜对光的调控更加灵活，可以在更短的距离内实现对光的调控，具有更加小巧的体积，利于光学元件的集成。除此之外，超透镜还可以突破衍射极限对光束进行聚焦，由于超透镜是平面元件，从根本上解决了传统透镜的相差问题。超透镜有多方面的应用潜力，在公开的专利cn112305689a中，参见图7,该发明人用两个二维的超透镜的聚集作用，实现了激光器与硅光芯片之间的耦合。
3.在过去，微电子领域发展遵从摩尔定律，但是近几年来，摩尔定律逐渐走到尽头，这表明，微电子的发展已经迎来了瓶颈。低功耗、与cmos工艺兼容的硅基光电子学的发展让人们看到了采用光电子技术延续摩尔定律的希望。在未来，人们有望利用硅光技术实现芯片内光互连，从而突破金属导线数据传输带宽对集成电路芯片的制约。随着数据传输容量与日俱增，人们迫切希望可以提高信道的利用率。采用波长复用的方法来传输信息，可以明显提高信道利用率。在波分复用系统中，接收方需要对波长进行解复用，即对从一个输入端口输入进来的包含有不同波长的信号分解，得到多个仅包含单一波长的信号并从不同的输出端口输出。
4.阵列波导光栅是一个传统的用于波长复用和解复用的器件，在很多实际系统中得到了广泛应用。但是阵列波导光栅的结构复杂、尺寸较大，不利于大规模高密度集成。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于片上超透镜结构的波长解复用器件，解决了传统波长解复用器件尺寸大、结构复杂的问题。相比于在先申请cn112305689a中的二维超透镜结构，在本发明内容中采用的是一维的超透镜，且结构单元为在波导上刻蚀的长方形凹槽，专利cn112305689a中利用的是仅是超透镜的聚焦效应，但在本发明中，利用了超透镜的聚焦效应和色散效应，来实现一种基于超透镜的波长解复用器件。
6.本发明可以通过以下技术方案实现：
7.一种基于片上超透镜结构的波长解复用器件，包括输入波导，所述输入波导与准直超透镜相连，所述的准直超透镜与色散聚焦超透镜相连，所述的色散聚焦超透镜与输出波导阵列相连。所述输入波导用于传输输入光波，所述准直超透镜用于将输入光波变成平面波，所述色散聚焦超透镜用于给不同波长的光波加上不同的相位差并且聚焦到不同的输出波导，所述输出波导阵列用于传输输出光波。
8.进一步，所述的片上准直超透镜和色散聚焦超透镜的结构单元的形状为长方形凹
槽，凹槽的宽度和排列周期固定，通过改变凹槽的长度来控制光波的相位。
9.进一步，所述的准直超透镜为横向对称结构，凹槽长度从中间向两边逐渐增加，所述色散聚焦超透镜为横向非对称结构，凹槽长度从一边向另一边逐渐增加。
10.进一步，所述的波导的制作材料为硅，凹槽中填充的材料为空气或者二氧化硅。
11.进一步，所述输出波导阵列位于色散聚焦超透镜的焦点处，用于接收不同波长的聚焦光束。
12.本发明有益的技术效果在于：
13.1)将超透镜结构引入硅基波导内，能够实现对于输入光波相位的灵活调控。在一般的超透镜设计中，超透镜的色散效应是需要尽可能规避的一个缺点，但本发明将超透镜的色散效应这个缺点进行合理的利用，并且利用了超透镜的色散效应来实现波长解复用。
14.2)相比于传统的波长解复用器件，本发明的波长解复用器件结构更加简单，同时也可以显著减小尺寸，降低损耗。
15.3)易于和其它硅基光电子器件集成，实现片上高密度集成平面光路芯片。
附图说明
16.图1为本发明基于片上超透镜结构的波长解复用器件的总体结构示意图。
17.图2为光波通过准直超透镜后的光场强度分布图。
18.图3为一半波导厚度平面中，光波通过准直超透镜后在距离准直超透镜1微米处垂直于传播方向的电场强度分布。
19.图4为一半波导厚度平面中，光波通过准直超透镜后在距离准直超透镜1微米处垂直于传播方向的电场相位分布。
20.图5为光波通过本发明色散聚焦超透镜后倾斜聚焦的仿真图。
21.图6为光波通过本发明准直超透镜和色散聚焦超透镜之后的聚焦情况仿真图。
22.图7超透镜的相位分布公式中各参数说明图
23.图8现有专利cn112305689a中基于超透镜的激光器和硅光芯片耦合结构，其中101为激光器，201为隔离器，301为硅光芯片，202和203分别为准直超透镜和耦合超透镜。
具体实施方式
24.下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
25.如图1所示，本发明基于片上超透镜结构的波长解复用器件，采用在硅基波导上刻蚀出结构单元为长方形凹槽的超透镜的技术方案，实现对于波长复用的光波的分离，即实现波长解复用。具体的，包括输入波导1，输入波导1与准直超透镜2
②
相连，准直超透镜2与色散聚焦超透镜3相连，色散聚焦超透镜3与输出波导阵列4相连。该输入波导1用于传输输入光波，该准直超透镜2用于将输入的光波变成平面波，该色散聚焦超透镜3用于给不同波长的光波加上不同的相位差，并且聚焦到不同的输出波导处，该输出波导阵列用于接收输出光波。
26.上述的准直超透镜2的聚焦点设计在光轴上，光波从准直超透镜
②
的聚焦点处输入，经过准直超透镜2后输入光波变为平面波，其光场强度分布仿真结果如图2所示。在一半波导厚度平面中，光波通过准直超透镜
②
后，在距离准直超透镜
②
1微米处垂直于传播方向
的电场强度和电场相位分布的仿真结果分别如图3，图4所示。可见准直超透镜2可以有效的将输入光波变为平面波。
27.上述色散聚焦超透镜3的聚焦点设计在光轴之外，实现对于垂直入射光波的离轴聚焦，由于超透镜具有色散效应，对于不同输入波长的光波，超透镜的焦距会发生改变，由于上述片上超透镜是一个离轴聚焦的超透镜，所以对于不同的输入波长的光信号，上述片上超透镜不仅会改变焦距，还会改变光的传播方向，从而实现对于输入混合波长光波的波长解复用。
28.上述片上准直超透镜
②
和色散聚焦超透镜
③
的结构单元为长方形凹槽，如图1所示，凹槽中填充的材料为空气或二氧化硅，固定结构单元的周期和凹槽的宽度，通过改变结构单元中凹槽的长度来控制光通过结构单元之后的相位。通过仿真得到凹槽长度与光通过结构单元后相位的对应关系，再依据超透镜的相位分布公式：
29.即可设计出准直超透镜和色散聚焦超透镜3。在该公式中，超透镜沿着图1中的y方向分布，y为结构单元的坐标位置。如图7所示，x轴为光轴，超透镜沿着y轴的方向分布，上式中，为超透镜不同位置的结构单元需要提供的相位差，y为超透镜不同结构单元对应的位置。λ为输入的光波的波长，n
eff
为波导的有效折射率，f为超透镜的焦距，x
f
为超透镜的焦点横坐标，y
f
为超透镜的焦点纵坐标,且有：
30.图5所示为平面波通过本发明中的关键部件色散聚焦超透镜3后的聚焦情况仿真图，可以看到光通过色散聚焦超透镜3后实现了较好的倾斜聚焦。图6所示为光通过本发明中的准直超透镜2和色散聚焦超透镜3之后的聚焦情况仿真图。在上述图2到图6的仿真结构中，凹槽的宽度选择为100nm，结构单元的周期选为300nm,输入波导和平板波导的厚度为220nm，输入波导的宽度为500nm。图5仿真结构中色散聚焦超透镜3的结构单元选为36个。图2到图6的仿真结构中准直超透镜2和色散聚焦超透镜3的结构单元都选为66个。所采用的结构周期越小，片上超透镜对光束的调控更加灵活准确。
31.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。