一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导

1.本发明属于光子器件与集成技术领域，尤其涉及一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导。


背景技术：

2.为了满足人们对通信的容量、带宽和速率爆发式增长的需求以及光学互连系统中对大传输带宽呈指数级增长的需求，片上复用技术被认为是增加数据容量的一种很有前途的解决方案。模分复用器(mdm)具有多个正交导模信道，可与其他复用技术兼容，以进一步增加数据容量。多模弯曲波导是重要的多模硅光子学器件，在片上模分复用集成电路中发挥着重要作用，有助于提高通道密度。而在传统的多模弯曲波导中，由直波导和弯曲波导之间的模式失配引起的模式传输损耗和互调串扰很难在小半径下同时解决。目前，片上多模弯曲波导的方案主要包括：数字型超构波导结构、亚波长光栅结构、自由曲线优化结构、45度全内反射角结构。数字型超构波导结构通过逆向设计方法可以实现超紧凑多模弯曲波导，但这种器件的优化参数受限于纳米孔的分布，需要非常精细的加工工艺，难以进一步提高性能；亚波长光栅结构可以调控多模弯曲截面的折射率分布，优化模式失配问题，但该结构具有色散特性，因此其工作带宽很难扩展；自由曲线优化结构是利用变换光学或欧拉弯曲原理优化弯曲波导的轮廓和半径分布，可优化的自由度少，带宽受限；基于45度全内反射角结构的多模弯曲波导具有较大的工作带宽，但需要保持较大的波导宽度保证不同波导模式，不利于片上大规模集成。


技术实现要素：

3.鉴于以上现有技术的缺点，本发明公开了一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，通过两种不同深度刻蚀工艺对弯曲波导器件在宽工作波段内的多模光场传播特性进行调控，旨在实现一种小尺寸、超宽带、高性能、制备工艺简单的多模弯曲波导器件。
4.对此，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，所述弯曲波导通过两种不同深度刻蚀工艺对弯曲波导器件的多波段多模光场传播特性进行调控，并提出对弯曲波导两种不同深度刻蚀工艺形成的四条内径和外径轮廓曲线离散为多个弧线，通过优化算法对每个弧段的半径进行优化设计，实现具有超低损耗和超宽带性能的多模弯曲波导。
6.采用此技术方案，所有模式的光波都从输入端口传输，通过设计的多模弯曲波导，顺利到达输出端口。输出模式保持非常高的模式纯度，在不同波长没有明显的泄漏。另外，相对于现有的技术，该多模弯曲波导结构简单、尺寸大大减小、工作带宽较大、器件制备误差容忍度大。该方案为片上多模波导器件的研究提供了新的技术方案，可以在片上多频带和高密度集成模分复用传输系统中发挥重要作用，是一项发展片上集成光芯片技术的重要而有意义的工作。
7.具体的，一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，构建在绝缘体上的
硅平台soi上，由上至下包括包层，波导层和基底层，所述波导层设置为经浅刻蚀工艺形成的窄波导层和经深刻蚀工艺形成的宽波导层，窄波导层和宽波导层为宽度不同的曲线层，窄波导层和宽波导层形成四条内径和外径轮廓曲线，四条内径和外径轮廓曲线离散为多个弧线，通过窄波导层形成的内径轮廓曲线包括自由曲线c和自由曲线d，通过宽波导层形成的外径轮廓曲线包括自由曲线a和自由曲线b。
8.本发明技术方案的进一步改进在于：窄波导层的宽度为1.9μm，宽波导层的宽度为2.5μm。
9.本发明技术方案的进一步改进在于：窄波导层和宽波导层分别约束不同波长范围的光场传输，经浅刻蚀工艺的窄波导层约束短波长范围内的光，经深刻蚀工艺的宽波导层约束长波长范围内的光，使得多模弯曲波导在更大的工作带宽范围内实现高的传输性能。
10.本发明技术方案的进一步改进在于：针对四条内径和外径轮廓曲线，每条曲线被离散化为n个不同的弧段，其中，n为正整数，自由曲线a的弧段记为r
a1
、r
a2
……ran
，自由曲线b的弧段记为r
b1
、r
b2
……rbn
，自由曲线c的弧段记为r
c1
、r
c2
……rcn
，自由曲线d的弧段记为r
d1
、r
d2
……rdn
，所有弧线的曲率半径经过逆向设计算法优化得到，使得器件的性能达到最优。
11.本发明技术方案的进一步改进在于：自由曲线a、自由曲线b、自由曲线c，自由曲线d均沿45
°
角平分线镜像对称，其中n＝20，45
°
弯曲波导的每条自由曲线被离散为20个弧段。
12.本发明技术方案的进一步改进在于：通过三维有限差分时域方法计算所设计器件的品质因数fom，从而优化每个弧段的曲率半径，其中，品质因数为描述器件性能的一个参数，品质因数的公式为ti是第i个模式的平均插入损耗，x
ij
是800nm工作带宽内第i个模式对第j个模式的平均模间串扰，i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4，i≠j，m是支持的模式数，m＝4，α和β是值从0到1的权重系数，用于在插入损耗和模间串扰之间进行权衡，四个自由曲面按顺序优化，选择初始值作为半径为14μm的传统弯曲波导的参数；
13.自由曲线a的r
a1
优化过程：在优化中，r
a1
为r
a1
，r
a1
从0.5r
a1
遍历到1.5r
a1
，定义每次变化0.05r
a1
，对r
a1
的每个新值重复计算fom，以确定优化的r
a1
，一次迭代结束，根据此方法依次优化r
a1-r
a20
，其他自由曲线b、c、d的优化过程相同。
14.本发明技术方案的进一步改进在于：完成参数优化，对于优化结果使用仿真工具进行性能仿真分析，计算插入损耗和模间串扰；分析仿真结果，选择最好满足超低损耗和超带宽性能的多模弯曲波导结构，对最终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，在不同波长和不同模式下对该器件的模场分布、传输谱图进行仿真计算，制备器件并使用实验室测试方法对其性能进行验证，验证器件的最终性能是否达到预期。
15.本发明技术方案的进一步改进在于：所述多模弯曲波导可支持多种模式，且工作带宽大于等于800nm。
16.本发明技术方案的进一步改进在于：不同波长的光在不同厚度的光波导中具有差距较大的光场分布，浅刻蚀深度为波导层总深度的1/3到2/3，深刻蚀采用全刻蚀工艺，刻蚀深度大于等于波导层总深度，刻蚀深度过浅会使得光场调控效果减弱，刻蚀深度过深会使得光场容易泄露。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
18.第一，本发明的多模弯曲波导通过两种不同深度刻蚀工艺对弯曲波导器件的多波段多模光场传播特性进行调控，从而在片上多工作波段传输中发挥重要作用。
19.第二，本发明技术方案提出对弯曲波导两种不同深度刻蚀工艺形成的四条内径和外径轮廓曲线离散为多个弧线，通过优化算法对每个弧段的曲率半径进行优化设计，实现具有超低损耗和超宽带性能的多模弯曲波导。
20.第三，本发明所提供的基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，具有器件尺寸小、工作带宽高、可制备性好、工艺容差大等优点，可应用于片上多波段和密集集成的模分复用系统。
附图说明
21.图1为本发明实施例的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导的平面结构示意图；
22.图2为本发明图1局部截面放大示意图；
23.图3为本发明实施例的超带宽多模弯曲波导的自由曲线优化示意图；
24.图4为本发明实施例的离散化弧线的曲率半径优化分布图；
25.图5为本发明实施例的不同波长和不同模式对应的模拟光场分布图；
26.图6为本发明实施例的不同模式在1250-2050nm波段内的模拟传输谱图；
27.其中，1、基底层，2、窄波导层，3、宽波导层。
具体实施方式
28.下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
29.如图1-图3所示，本实施例为一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，构建在绝缘体上的硅平台soi上，由上至下包括包层，波导层和基底层，支持四模式，包括te0模式、te1模式、te2模式和te3模式。该器件波导层设置为经浅刻蚀工艺形成的窄波导层2和经深刻蚀工艺形成的宽波导层3，窄波导层2和宽波导层3为宽度不同的曲线层，通过窄波导层2和宽波导层3形成四条内径和外径轮廓曲线。其中，所述的通过窄波导层2形成的内径轮廓曲线包括自由曲线c和自由曲线d，通过宽波导层3形成的外径轮廓曲线包括自由曲线a和自由曲线b。窄波导层2形成的内径的宽度为1.9μm，宽波导层3的外径的宽度为2.5μm，这可以支持多种模式通过，同时扩展带宽，窄波导层2和宽波导层3的总深度为200nm，窄波导层2材料为70nm的硅层，宽波导层材料为150nm的硅层，基底层为二氧化硅，包层材料为二氧化硅。
30.在顶层硅厚度为220nm，二氧化硅厚度为3mm的绝缘体上硅平台上进行超宽带的片上光功率分束器的硅结构设计，其包括以下步骤：
31.步骤s1：确定待设计片上光子器件的功能，设计目标以及外观轮廓的待设计区域窄波导层的宽度为1.9μm，宽波导层的宽度为2.5μm，以支持4个模式。
32.步骤s2：自由曲线a、自由曲线b、自由曲线c，自由曲线d均沿45
°
角平分线镜像对称。其中，45
°
弯曲波导的每条自由曲线被离散为20个弧段，r
a1
为其中的一个弧段。
33.步骤s3：通过三维有限差分时域(3d fdtd)方法计算所设计器件的品质因数
(fom)，从而优化每个弧段的曲率半径。其中，品质因数为描述器件性能的一个参数，品质因数的公式为其中，ti是第i个模式的平均插入损耗，x
ij
是800nm工作带宽内第i个模式对第j个模式的平均模间串扰(i＝1，2，3，4。j＝1，2，3，4。i≠j)，m是支持的模式数(m＝4)，α和β是值从0到1的权重系数，用于在插入损耗和模间串扰之间进行权衡。四个自由曲面按顺序优化。选择初始值作为半径为14μm的传统弯曲波导的参数。以自由曲线a的r
a1
为例，在优化中，r
a1
为r
a1
，r
a1
从0.5r
a1
遍历到1.5r
a1
(定义每次变化0.05r
a1
)。对r
a1
的每个新值重复计算fom，以确定优化的r
a1
。一次迭代结束，根据此方法依次优化r
a1-r
a20
。
34.步骤s4：完成参数优化，对于优化结果使用仿真工具进行性能仿真分析，计算插入损耗和模间串扰。分析仿真结果，选择最好满足超低损耗和超带宽性能的多模弯曲波导结构。对最终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，在不同波长和不同模式下对该器件的模场分布、传输谱图进行仿真计算。制备器件并使用实验室测试方法对其性能进行验证，验证器件的最终性能是否达到预期。
35.图4显示了四条自由曲线每个弧段曲率半径的优化分布。可以看出，四条自由曲线的半径变化趋势是相似的。第一个弧段到第四个弧段的曲率半径迅速增加，第四个弧的曲率半径达到峰值。第四个弧后的曲率半径不规则地减小，以缩小整体弯曲半径。
36.图5和图6为本实施例的模拟光场分布和模拟传输谱图。采用三维有限时域差分(3d fdtd)法对该器件进行仿真分析。图5显示了在te0、te1、te2和te3模式下，设计的多模弯曲波导在1250nm、1550nm和2050nm处的光场分布。可以看出，所有模式的光波都从输入端口开始传输，通过所述多模弯曲波导，顺利到达输出端口。输出模式保持非常高的模式纯度，在传输过程中模式向其他阶模式的转换可以忽略不计。还可以注意到，所有模式都很好地传播，在不同波长下没有明显的泄漏。图6是在1250nm至2050nm波长范围内所有模式的数值计算透射光谱。可以看出te0到te3模式在800nm带宽上具有极低的模拟插入损耗和模间串扰。
37.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，构建在绝缘体上的硅平台soi上，由上至下包括包层，波导层和基底层，其特征在于：所述波导层设置为经浅刻蚀工艺形成的窄波导层(2)和经深刻蚀工艺形成的宽波导层(3)，窄波导层(2)和宽波导层(3)为宽度不同的曲线层，窄波导层(2)和宽波导层(3)形成四条内径和外径轮廓曲线，四条内径和外径轮廓曲线离散为多个弧线，通过窄波导层(2)形成的内径轮廓曲线包括自由曲线c和自由曲线d，通过宽波导层(3)形成的外径轮廓曲线包括自由曲线a和自由曲线b。2.根据权利要求1所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：窄波导层(2)的宽度为1.9μm，宽波导层(3)的宽度为2.5μm。3.根据权利要求2所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：窄波导层(2)和宽波导层(3)分别约束不同波长范围的光场传输，经浅刻蚀工艺的窄波导层(2)约束短波长范围内的光，经深刻蚀工艺的宽波导层(3)约束长波长范围内的光，使得多模弯曲波导在更大的工作带宽范围内实现高的传输性能。4.根据权利要求1所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：针对四条内径和外径轮廓曲线，每条曲线被离散化为n个不同的弧段，其中，n为正整数，自由曲线a的弧段记为r
a1
、r
a2
……
r
an
，自由曲线b的弧段记为r
b1
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b2
……
r
bn
，自由曲线c的弧段记为r
c1
、r
c2
……
r
cn
，自由曲线d的弧段记为r
d1
、r
d2
……
r
dn
，所有弧线的曲率半径经过逆向设计算法优化得到，使得器件的性能达到最优。5.根据权利要求4所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：自由曲线a、自由曲线b、自由曲线c，自由曲线d均沿45
°
角平分线镜像对称，其中n＝20，45
°
弯曲波导的每条自由曲线被离散为20个弧段。6.根据权利要求5所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：通过三维有限差分时域方法计算所设计器件的品质因数fom，从而优化每个弧段的曲率半径，其中，品质因数为描述器件性能的一个参数，品质因数的公式为t
i
是第i个模式的平均插入损耗，x
ij
是800nm工作带宽内第i个模式对第j个模式的平均模间串扰，i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4，i≠j，m是支持的模式数，m＝4，α和β是值从0到1的权重系数，用于在插入损耗和模间串扰之间进行权衡，四个自由曲面按顺序优化，选择初始值作为半径为14μm的传统弯曲波导的参数；自由曲线a的r
a1
优化过程：在优化中，r
a1
为r
a1
，r
a1
从0.5r
a1
遍历到1.5r
a1
，定义每次变化0.05r
a1
，对r
a1
的每个新值重复计算fom，以确定优化的r
a1
，一次迭代结束，根据此方法依次优化r
a1-r
a20
，其他自由曲线b、c、d的优化过程相同。7.根据权利要求6所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：完成参数优化，对于优化结果使用仿真工具进行性能仿真分析，计算插入损耗和模间串扰；分析仿真结果，选择最好满足超低损耗和超带宽性能的多模弯曲波导结构，对最终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，在不同波长和不同模式下对该器件的模场分布、传输谱图进行仿真计算，制备器件并使用实验室测试方法对其性能进行验证，验证器件的最终性能是否达到预期。8.根据权利要求1所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：所述多模弯曲波导可支持多种模式，且工作带宽大于等于800nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，其特征在于：不同波长的光在不同厚度的光波导中具有差距较大的光场分布，浅刻蚀深度为波导层总深度的1/3到2/3，深刻蚀采用全刻蚀工艺，刻蚀深度大于等于波导层总深度，刻蚀深度过浅会使得光场调控效果减弱，刻蚀深度过深会使得光场容易泄露。

技术总结
本发明提供了一种基于双层刻蚀曲线优化的超带宽多模弯曲波导，属于光子器件与集成技术领域，构建在绝缘体上的硅平台SOI上，由上至下包括包层，波导层和基底层，所述波导层设置为经浅刻蚀工艺形成的窄波导层和经深刻蚀工艺形成的宽波导层，窄波导层和宽波导层为宽度不同的曲线层，窄波导层和宽波导层形成四条内径和外径轮廓曲线，四条内径和外径轮廓曲线离散为多个弧线，通过窄波导层形成的内径轮廓曲线包括自由曲线C和自由曲线D，通过宽波导层形成的外径轮廓曲线包括自由曲线A和自由曲线B。本发明提出的多模弯曲波导具有器件尺寸小、工作带宽高、可制备性好、工艺容差大等优点，可应用于片上多波段和密集集成的模分复用系统。用于片上多波段和密集集成的模分复用系统。用于片上多波段和密集集成的模分复用系统。


技术研发人员：刘英杰 丁凤瑶 李枫
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/21