基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器及光学装置的制作方法

基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器及光学装置
技术领域
1.本发明涉及集成光子学技术领域，特别涉及基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器及光学装置。


背景技术：

2.在集成光学领域，绝大部分的集成光子器件对入射光的偏振态有特殊要求，例如只在横电模(transverse electric mode, te)偏振光入射时正常工作。基于片上偏振旋转分束器的偏振分集接收方案可以很好的解决这个问题，偏振旋转分束器可以将入射光的横电模(te)和横磁模(tm)分量分成两路，且将tm分量转换为te分量。偏振旋转分束器一般由一个tm0-te1光模式转换器和一个te0/te1模式分离器级联组成。传统的基于双层线性渐变波导结构的tm0-te1模式转换器通常需要较长的尺寸完成模式的平滑过度，难以同时兼顾器件紧凑尺寸和高转换效率的双重要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器及光学装置，可以在实现紧凑尺寸的同时获得高转换效率。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本技术公开了一种基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器，所述光模式转换器由波导层和波导外围组成，所述波导外围包裹所述波导层，所述波导层为双层结构，包括脊层和平板层，所述脊层位于所述平板层的上方，所述脊层和平板层采用同种高折射率的光波导材料；所述波导外围采用低折射率材料；所述光模式转换器包括输入端、核心部分和输出端，所述输入端与输出端均为脊层宽度等于平板层宽度的条波导结构，所述核心部分为脊层宽度不等于平板层宽度的脊波导结构；所述脊层和平板层的轮廓由若干个关键结点拟合成的光滑曲线构成；所述波导层沿光传播方向呈轴对称结构。
5.作为优选，所述高折射率的光波导材料为硅；所述低折射率材料为二氧化硅。
6.作为优选，所述核心部分中，平板层的宽度相较于脊层的宽度先逐渐变大后逐渐减小。
7.作为优选，所述输入端的条波导结构的宽度小于输出端的条波导结构的宽度。
8.作为优选，构成光滑曲线的关键结点在沿光传播方向上呈等距离分布；构成光滑曲线的关键结点在垂直于光传播方向上通过逆向设计算法进行距离优化；所述光滑曲线由关键结点通过二次或三次样条插值法拟合而成。
9.作为优选，所述逆向设计算法包括粒子群优化算法或伴随法。
10.作为优选，所述脊层和平板层的轮廓的第一个关键结点位于输入端条波导结构的尾端；所述脊层和平板层的轮廓的最后一个关键结点位于输出端条波导结构的头端。
11.作为优选，所述中间核心部分为脊层宽度小于平板层宽度的脊波导结构。
12.本发明还公开了一种光学装置，所述光学装置包括本体和上述的基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器，其中，所述基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器设于所述本体上。
13.本发明的有益效果：本发明一种基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器，相比于传统的基于双层线性渐变波导结构的tm0-te1模式转换器，能够在更紧凑的尺寸内通过优化更密集的关键结点参数以获得更高的模式转换效率，同时能严格保证波导边沿的平滑性，确保其工艺可制备。
14.本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
15.图1是本发明所述光模式转换器的结构示意图；其中，图1中的(a)是本发明所述模式转换器三维示意图；图1中的(b)是所述光模式转换器中间某处波导截面示意图；图2是所述光模式转换器在不同模式下的演化图或模斑图，其中，图2中的(a)是所述光模式转换器输入tm0模式时横电分量演化图；图2中的(b)是所述光模式转换器输入tm0模式时纵电分量演化图；图2中的(c)是输入所述光模式转换器的tm0模式模斑图；图2中的(d)是所述光模式转换器输出的te1模式模斑图；图3是所述光模式转换器在不同模式下的横电分量演化图或纵电分量演化图，其中，图3中的(a)是所述光模式转换器输入te0模式时横电分量演化图；图3中的(b)是所述光模式转换器输入te0模式时纵电分量演化图；图3中的(c)是输入所述光模式转换器的te0模式模斑图；图3中的(d)是所述光模式转换器输出的te0模式模斑图；图4是实施例一优化得到的本发明所述光模式转换器关键结点示意图；图5是实施例一仿真优化得到的所述光模式转换器转换效率；图6 是实施例二优化得到的本发明所述光模式转换器关键结点示意图；图7 是实施例二仿真优化得到的所述光模式转换器转换效率。
16.图中：1-输入端、2-中间核心部分、3-输出端。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
18.参阅图1中的(a)和图1中的(b)，本发明一种基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器，包括一个输入端1、中间核心部分2和一个输出端3，具有双层结构，上层称为脊层，下层称为平板层。模式转换器的输入、输出端皆为条波导结构（即脊层宽度w1和平板层宽度w2相等），中间核心部分为脊波导结构（w1一般不等于w2）。
19.在一种可行的实施例中，顺着光传播方向（沿着输入端、中间核心部分向输出端方向），平板层宽度相较脊层先逐渐变大后逐渐缩小，最终过度为条波导（w1= w2）输出。脊层和平板层共用一种折射率相对较高（折射率大于2）的光波导材料，波导外围是折射率相对
较低（折射率小于2）的材料；在一种可行的实施例中，折射率相对高的材料为硅，相对低的材料为二氧化硅，这样高低折射率的材料设置可以将光模式束缚在有限区域的波导中传播。一般来说，输入端条波导较窄，仅支持te0、tm0两个基模的传输，输出端的条波导较宽，可以支持te1模式的传输。
20.参阅图2，本发明一种基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器，能够将输入波导的横磁基模即tm0模式（如图2中的(c)）转换为一阶横电模即te1模式，而同时不改变输入的横电基模即te0模式。图2中的(a)-图2中的(b)分别显示了输入tm0模式的横电分量和纵电分量在模式转化器中的演化过程，由于脊波导中的tm0模式和te1模式的有效折射率较为接近，且脊波导高度方向上的结构不对称天然能够引起电场纵向分量的旋转，因此随着平板层相对脊层的逐渐展宽，占tm0模式主要成分的电场纵向分量会逐渐减小（如图2中的(b)所示），而光模式电场横向分量会逐渐增大（如图2中的(a)所示），最终输出一个te1模式（如图2中的(d)所示）。如图3所示，输入波导的横电基模te0（如图3中的（c）所示）经过所述模式转换器后依然为横电基模te0（如图3中的（d）所示），图3中的(a)-图3中的(b)分别显示了输入te0模式的横电分量和纵电分量在模式转化器中的演化过程，可见没有发生很大变化。
21.参阅图4，在一种可行的实施例中，本发明一种基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器的每一层的二维平面结构，每一层波导包含若干个在光传播方向等间距排布的关键结点，两层的第一个结点均固定在输入条波导的尾端，最后一个结点均固定在输出条波导的头端，其余中间部分的结点称为自由结点，可通过算法进一步优化纵坐标(y)位置，结点之间通过二次或三次样条插值法拟合成光滑曲线；二次样条插值法是指在两两数据点之间采用不超过二次的多项式函数将其连接，并且要求该函数一阶及以下均可导的方法；三次样条插值法是指在两两数据点之间采用不超过三次的多项式函数将其连接，并且要求该函数二阶及以下均可导的方法。因此，无论关键结点设置的多密集，二次或三次样条插值法都可以严格保证波导边沿的平滑过度。所述自由结点纵向坐标一般可通过主流的逆向设计算法进行参数优化。逆向设计算法是一类可根据每次仿真得到的参考值科学地改变待设计结构可优化参数的算法统称；在一种可行的实施例中，逆向设计算法包括粒子群优化算法（particle swarm optimization）、伴随法（adjoint method），这里每次仿真的参考值可取为te0-te0的透过率加上tm0-te1的转化率，所述模式转换器沿光传播方向具有轴对称性质。
22.本发明一种光学装置，所述光学装置包括本体和上述的基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器，其中，所述基于双层曲线边沿波导结构的tm0-te1光模式转换器设于所述本体上，比如偏振旋转分束器。
23.实施例一：参阅图4-图5，将脊层和平板层材料设置为硅，波导外围设置为二氧化硅，平板层厚度h2设置为90nm，脊层顶部相对平板层底部高度h1设置为220nm。
24.将波导入口宽度w
in
固定为440nm，波导出口宽度w
out
固定为800nm，器件长度l固定为8μm。器件具有沿光传播方向的轴对称结构。我们为脊层和平板层波导的单边分别设置21个等间距排布的关键结点，并通过二次样条插值法连接。
25.我们将首位结点位置固定，利用基于3维时域有限差分法(fdtd)的伴随优化方法优化中间的38个自由结点的纵坐标，优化目标为最大化tm0-te1模式转换效率加te0-te0透过率。
26.最终优化得到的模式转换器结构如图4所示，其具有光滑的波导边沿形状，容易加工制备。其通过3维fdtd仿真得到的转换效率如图5所示，可见其具有非常高的tm0-te1模式转换效率和te0-te0模式透过率。
27.实施例二：参阅图6-图7，进而将平板层厚度h2更改为70nm，保持其他材料、参数均不变，重新利用基于3维时域有限差分法(fdtd)的伴随优化方法优化中间的38个自由结点的纵坐标。最终优化得到的模式转换器结构如图6所示，其具有光滑的波导边沿形状，容易加工制备。其通过3维fdtd仿真得到的转换效率如图7所示，依然具有非常高的tm0-te1模式转换效率和te0-te0模式透过率。
28.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。