一种绝热InP波导集成平台及其逆向设计方法

一种绝热inp波导集成平台及其逆向设计方法
技术领域
1.本发明涉及光通信和毫米波通信技术领域，尤其涉及一种绝热inp波导集成平台及其逆向设计方法。


背景技术：

2.目前互联网采用光纤光缆实现信息的高速传输，采用inp基制造的激光器发出的能量信息可以在光纤中实现高效的传输，可应用于中国移动、联通、电信、华为等企业的大数据中心。
3.磷化铟(indium phosphide，inp)对于有源器件和无源器件非常重要，可以广泛的用于光通信和毫米波通信领域，因为它允许有源器件与inp基元件集成，在论文：r.grover,p.p.absil,v.van,j.v.hryniewicz,b.e.little,o.king,l.c.calhoun,f.g.johnson,and p.-t.ho,“vertically coupled gainasp
–
inp microring resonators”,opt.lett.,vol.26,no.8,pp.506-508,apr.2001.中体现了这一点。inp基光子波导非常适合大规模光子集成电路(photonic integrated circuits，pics)。然而，传统的inp基pics的缺点之一是由于芯和包层之间的低折射率差异导致inp波导中的弱光约束，在论文：m.takenaka,and s.takagi,“inp-based photonic integrated circuit platform on sic wafer,”opt.express,vol.25,no.24,pp.29993-30000,nov.2017.体现了这一点。因此，inp基pics的器件和芯片尺寸就比si基的pics尺寸大，其中由于si基中si和sio2之间的大折射率差异可以实现强光约束，并且对于si基绝热器件的设计，论文：t.l.liang,y.tu,x.chen,y.huang,q.bai,y.zhao,j.zhang,y.yuan,j.li,f.yi,w.shao,and s.-t.ho,“a fully numerical method for designing efficient adiabatic mode evolution structures(adiabatic taper,coupler,splitter,mode converter)applicable to complex geometries,”j.lightw.technol.,vol.39,no.17,pp.5531-5547,sept.2021.提出了一种sla设计算法，该算法相比于现有技术具有更好的通用性，但是该算法并不能直接用于inp基波导的设计。因此，本发明提出一种inp基sio2/si波导连接器的逆向设计方法，即提出一种绝热inp波导集成平台的逆向设计方法。
4.绝热inp波导集成平台的设计由于涉及到“多自由度”和“多尺度问题”，设计过程过于复杂，解析方法也无法用于该平台的设计，在2022年6月28日申请的发明“一种适用于光通信和毫米波通信的inp基绝热导波系统”中涉及到了该平台的设计，但是该发明是通过直线段将输入端直接连接到输出端，且设计的尺寸大，需要总长度为750μm才可以实现90％的功率传输效率。
5.因此，如何解决上述问题是本发明的目的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种绝热inp波导集成平台及其逆向设计方法，本发明提出的方法具有通用性和高效性。本发明提出的绝热inp波导集成平台的逆向设计方法设计
出的器件结构只需要总长度为250μm就可以实现90％的功率传输效率，尺寸相比于现有的设计整整缩短了3倍，可以将集成度推向更高的水平。
7.为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：
8.一种绝热inp波导集成平台，包括inp基光栅波导结构和inp基脊波导结构，inp基光栅波导结构为输入端，inp基脊波导结构为输出端；
9.inp基光栅波导结构和inp基脊波导结构均包括包层和硅芯，包层和硅芯从下往上依次为二氧化硅下包层、空气包层、inp下包层、inp中包层、inp上包层、以及二氧化硅上包层；
10.二氧化硅下包层连接硅芯，硅芯连接空气包层，空气包层连接inp下包层，inp下包层连接inp中包层，inp中包层连接inp上包，inp上包层连接二氧化硅上包层。
11.二氧化硅下包层的厚度为h1＝1μm、折射率n
sio2
＝1.445；硅芯折射率n
si
＝3.455、硅平板厚度h2＝0.08μm、硅脊厚度h3＝0.42μm；空气包层折射率n
air
＝1、厚度h3＝0.42μm；inp下包层折射率n
inp(4)
＝3.1825、厚度h4＝0.15μm；inp中包层折射率n
inp(5)
＝3.4195、厚度h5＝0.396μm；inp上包层折射率n
inp(6)
＝3.1787、厚度h6＝1.5μm；二氧化硅上包层的厚度为h1＝0.5μm、折射率n
sio2
＝1.445。
12.inp基光栅波导结构的硅芯有七个光栅结构，包括：两个外侧光栅、两个外侧光栅内侧有两个次外侧光栅、两个次外侧光栅内侧有两个内侧光栅、两个内侧光栅内侧有中间核心光栅。其中七个光栅的宽度wi＝0.2μm，光栅之间的间隙g＝0.45μm。
13.inp基脊波导结构的硅芯只有一个脊波导，宽度wo＝1.5μm。
14.一种绝热inp波导集成平台逆向设计方法，方法包括以下步骤：
15.步骤一、确定硅芯在光束传播方向上的变化趋势；
16.由于本发明输入端和输出端的波导结构完全不一样，输入端的硅芯含有七个光栅结构，而输出端的硅芯是常规的脊波导结构，即只有一个光栅结构。因此，本发明需要确定硅芯在光束传播方向上的变化趋势。
17.步骤二、完善硅芯在光束传播方向上的变化趋势；
18.步骤三、将硅芯外侧光栅末端往中间核心光栅倾斜；此时尖端距离邻近光栅的距离为0.1μm，此间距为最小间距，从而实现本发明紧凑型绝热inp波导集成平台的设计。
19.步骤四、确定硅芯的宽度划分；
20.步骤五、确定每段硅芯的长度；
21.步骤六、将所有的片段组合成绝热inp波导集成平台。
22.步骤一中使用对比法确定硅芯在光束传播方向上的变化趋势，对比两种情况，两种情况分别为“缓慢变化情况”：输入端硅芯的外侧六个光栅结构直到输出端才由宽度w
l
减小到0；
[0023]“快速变化情况”：输入端硅芯的外侧六个光栅结构只延伸到距离输出端的一半宽度就从w
l
减小到0。计算这两种情况下te0模式的模场直径(mode-field diameter)和有效折射率n
eff
。
[0024]
步骤二中使用步骤一所得出的情况下，分别确定外侧6个光栅结构由宽度从w
l
减小到0所需条件。
[0025]
步骤四中将输入端定义为region 1，输出端定义为region 3，将要设计的中间传
输区域定义为region 2；region 2沿光束传播方向分成八段，分别确定region 2中每一段光栅的宽度。
[0026]
优选的，中间核心光栅第一段宽度从0.2μm增加到0.2625μm；第二段宽度从0.2625μm增加到0.325μm；第三段宽度从0.325μm增加到0.4μm；第四段宽度从0.4μm增加到0.45μm；第五段宽度从0.45μm增加到0.525μm；第六段宽度从0.525μm增加到0.75μm；第七段宽度从0.75μm增加到1μm；第八段宽度从1μm增加到1.5μm。
[0027]
优选的，两个内侧光栅第一段至第四段和中间核心光栅宽度变化一致；第五段宽度从0.45μm减小到0.2375μm；第六段宽度从0.2375μm减小到0.1μm；第七段宽度从0.1μm减小到0。
[0028]
优选的，两个次外侧光栅第一段和第二段宽度变化和中间核心光栅宽度变化一致；第三段宽度从0.325μm减小到0.1625μm；第四段宽度从0.1625μm减小到0。
[0029]
优选的，两个外侧光栅第一段宽度从0.2μm减小到0.1μm；第二段宽度从0.1μm减小到0。
[0030]
其中间隙的宽度对于本领域内的技术人员来说，能够计算出来。
[0031]
步骤五中使用sla算法进行计算，算得第一片段长度l1＝916μm；第二片段长度l2＝455μm；第三片段长度l3＝213μm；第四片段长度l4＝161μm；第五片段长度l5＝45μm；第六片段长度l6＝285μm；第七片段长度l7＝105μm；第八片段长度l8＝29μm。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0033]
1、相比于申请的发明“一种适用于光通信和毫米波通信的inp基绝热导波系统”中涉及到了该平台的设计，是通过直线段将输入端直接连接到输出端，设计的尺寸大。而本发明提出的一种新的针对绝热inp波导集成平台设计更高效的逆向设计方法，该方法具有通用性和高效性，适用于设计具有复杂几何形状、边界、材料、以及各种不同类型的绝热inp波导集成平台，实现绝热inp波导集成平台的逆向设计，可以设计出具有最佳波导形状的超小尺寸绝热inp波导集成平台，有效提升了复杂绝热inp波导集成平台的设计能力，促进光子集成芯片向更高集成度的方向发展。
[0034]
2、本发明开发出的逆向设计方法设计出器件结构只需要总长度为250μm就可以实现90％的功率传输效率，而申请的发明“一种适用于光通信和毫米波通信的inp基绝热导波系统”需要750μm才能实现90％的功率传输效率。因此，相比于之前的设计，本发明提出的设计方法设计出的器件尺寸可以缩短了3倍，实现了波导集成平台的紧凑型设计。
附图说明
[0035]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0036]
图1为inp基光栅波导结构原理示意图。
[0037]
图2为inp基脊波导结构原理示意图。
[0038]
图3为本发明外侧六个光栅宽度“缓慢变化情况”示意图。
[0039]
图4为本发明外侧六个光栅宽度“快速减小情况”示意图。
[0040]
图5为本发明确定外侧六个光栅的宽度在何处减小为0示意图。
[0041]
图6为本发明硅芯的具体布局示意图。
[0042]
图7本发明和现有技术传输效率的对比示意图。
[0043]
其中，附图标记为：1-二氧化硅下包层、2-硅芯、3-空气包层、4-inp下包层、5-inp中包层、6-inp上包层、7-二氧化硅上包层。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0045]
实施例1
[0046]
如图1和图2所示，一种绝热inp波导集成平台，包括inp基光栅波导结构和inp基脊波导结构，inp基光栅波导结构为输入端，inp基脊波导结构为输出端；
[0047]
inp基光栅波导结构和inp基脊波导结构均包括包层和硅芯2，包层和硅芯2从下往上依次为二氧化硅下包层1、空气包层3、inp下包层4、inp中包层5、inp上包层6、以及二氧化硅上包层7；
[0048]
二氧化硅下包层1连接硅芯2，硅芯2连接空气包层3，空气包层3连接inp下包层4，inp下包层4连接inp中包层5，inp中包层5连接inp上包层6，inp上包层6连接二氧化硅上包层7。
[0049]
二氧化硅下包层1的厚度为h1＝1μm、折射率n
sio2
＝1.445；硅芯2折射率n
si
＝3.455、硅平板厚度h2＝0.08μm、硅脊厚度h3＝0.42μm；空气包层3折射率n
air
＝1、厚度h3＝0.42μm；inp下包层4折射率n
inp(4)
＝3.1825、厚度h4＝0.15μm；inp中包层5折射率n
inp(5)
＝3.4195、厚度h5＝0.396μm；inp上包层6折射率n
inp(6)
＝3.1787、厚度h6＝1.5μm；二氧化硅上包层7的厚度为h1＝0.5μm、折射率n
sio2
＝1.445。
[0050]
inp基光栅波导结构的硅芯2有七个光栅结构，包括：两个外侧光栅、两个外侧光栅内侧有两个次外侧光栅、两个次外侧光栅内侧有两个内侧光栅、两个内侧光栅内侧有中间核心光栅。其中七个光栅的宽度wi＝0.2μm，光栅之间的间隙g＝0.45μm。
[0051]
inp基脊波导结构的硅芯2只有一个脊波导，宽度wo＝1.5μm。
[0052]
一种绝热inp波导集成平台逆向设计方法，方法包括以下步骤：
[0053]
步骤一、确定硅芯在光束传播方向上的变化趋势；
[0054]
由于本发明输入端和输出端的波导结构完全不一样，输入端的硅芯2含有七个光栅结构，而输出端的硅芯2是常规的脊波导结构，即只有一个光栅结构。因此，本发明需要确定硅芯2在光束传播方向上的变化趋势。
[0055]
步骤一中使用对比法确定硅芯在光束传播方向上的变化趋势，对比两种情况，两种情况分别为：
[0056]“缓慢变化情况”：输入端硅芯2的外侧六个光栅结构直到输出端才由宽度w
l
减小到0，如图3所示；
[0057]“快速变化情况”：输入端硅芯2的外侧六个光栅结构只延伸到距离输出端的一半宽度就从w
l
减小到0，如图4所示。
[0058]
计算这两种情况下te0模式的模场直径(mode-field diameter)和有效折射率n
eff
。如表1和表2所示。
[0059]
表1基模te0的模场直径和有效模折射率“缓慢变化情况”)
[0060][0061]
表2基模te0的模场直径和有效模折射率(“快速变化情况”)
[0062][0063]
从表1和表2中可以看出，当中间核心光栅宽度超过625nm之后，两种情况下的模场直径基本相同，这个结果说明外侧六个光栅靠近输出端的部分对整个绝热inp波导集成平台基本上没影响。因此，通过对比本发明选择第二种变化方式，即输入端硅芯2的外侧六个光栅结构宽度可以快速的从w
l
减小到0。
[0064]
步骤二、完善硅芯2在光束传播方向上的变化趋势；
[0065]
步骤二中使用步骤一所得出的情况下，分别确定外侧6个光栅结构由宽度从w
l
减小到0所需条件，如图5所示：
[0066]
(1)仿真模拟输入端硅芯2中具有不同数量光栅结构的情况，其中光栅厚度w＝0.2μm，光栅间隙g＝0.45μm，如表3中case 1所示。此种情况下，当光栅数量为七时模场直径比光栅数量为五和七都小，说明此种情况光栅个数为七时，inp基光栅波导结构对能量有一个很好的聚拢效果。
[0067]
(2)仿真模拟具有光栅厚度w＝0.325μm、光栅间隙g＝0.325μm的inp基光栅波导结构，分别获得光栅数量分别为三、五、七三种情况下的模场直径，如表3中case 2所示。此种情况下，当光栅数量为五时，模场直径最小，说明在此光栅厚度下，两个外侧光栅的宽度在此处减小为0。
[0068]
(3)仿真模拟具有光栅厚度w＝0.45μm、光栅间隙g＝0.2μm的inp基光栅波导结构，分别获得光栅数量分别为一、三、五三种情况下的模场直径，如表3中case 3所示。此种情况下，当光栅数量为三时，模场直径最小，说明在此光栅厚度下，两个次外侧光栅的宽度在此处减小为0。
[0069]
(4)当中间核心光栅的宽度增加到1μm时，两个内侧光栅的宽度在此处减小为0。
[0070]
表3三种情况的模场直径仿真结果
[0071][0072]
步骤三、将硅芯2外侧光栅末端往中间核心光栅倾斜，如图6所示；此时尖端距离邻近光栅的距离为0.1μm，此间距为最小间距，从而实现本发明紧凑型绝热inp波导集成平台的设计。
[0073]
步骤四、确定硅芯2的宽度划分；
[0074]
步骤四中将输入端定义为region 1，输出端定义为region 3，将要设计的中间传输区域定义为region 2；region 2沿光束传播方向分成九段，分别确定region 2中每一段光栅的宽度，如图6所示。
[0075]
中间核心光栅第一段宽度从0.2μm增加到0.2625μm；第二段宽度从0.2625μm增加到0.325μm；第三段宽度从0.325μm增加到0.4μm；第四段宽度从0.4μm增加到0.45μm；第五段宽度从0.45μm增加到0.525μm；第六段宽度从0.525μm增加到0.75μm；第七段宽度从0.75μm增加到1μm；第八段宽度从1μm增加到1.5μm。
[0076]
两个内侧光栅第一段至第四段和中间核心光栅宽度变化一致；第五段宽度从0.45μm减小到0.2375μm；第六段宽度从0.2375μm减小到0.1μm；第七段宽度从0.1μm减小到0。
[0077]
两个次外侧光栅第一段和第二段宽度变化和中间核心光栅宽度变化一致；第三段宽度从0.325μm减小到0.1625μm；第四段宽度从0.1625μm减小到0。
[0078]
两个外侧光栅第一段宽度从0.2μm减小到0.1μm；第二段宽度从0.1μm减小到0。
[0079]
其中间隙的宽度对于本领域内的技术人员来说，能够计算出来。
[0080]
步骤五、确定每段硅芯2的长度；
[0081]
步骤五中使用sla算法进行计算，算得第一片段长度l1＝916μm；第二片段长度l2＝455μm；第三片段长度l3＝213μm；第四片段长度l4＝161μm；第五片段长度l5＝45μm；第六片段长度l6＝285μm；第七片段长度l7＝105μm；第八片段长度l8＝29μm。
[0082]
步骤六、将所有的片段组合成绝热inp波导集成平台。
[0083]
实施例2
[0084]
在实施例1的基础上，可以计算出图6所示绝热inp波导集成平台的功率传输效率，如图7所示。
[0085]
图7给出了本实施例中设计的绝热inp波导集成平台的功率传输效率，并将发明“一种适用于光通信和毫米波通信的inp基绝热导波系统”和本发明进行对比。从图7中可以看出，对于相同的功率传输，本发明算法设计出的器件长度比之前设计出的器件长度要短很多。例如，在功率传输效率为90％时，本发明方法所要用的长度为250μm，“一种适用于光通信和毫米波通信的inp基绝热导波系统”所需要的长度为750μm。因此，当需要90％的功率传输效率时，“一种适用于光通信和毫米波通信的inp基绝热导波系统”所需要的长度是本发明方法需要长度的3倍以上。证明了本发明提出的方法设计的绝热inp波导集成平台具有小尺寸的优点，可以实现紧凑型绝热inp波导集成平台的设计，帮助光子芯片朝更高集成度的方向发展。
[0086]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种绝热inp波导集成平台，其特征在于，包括inp基光栅波导结构和inp基脊波导结构，inp基光栅波导结构为输入端，inp基脊波导结构为输出端；inp基光栅波导结构和inp基脊波导结构均包括包层和硅芯(2)，包层和硅芯(2)从下往上依次为二氧化硅下包层(1)、空气包层(3)、inp下包层(4)、inp中包层(5)、inp上包层(6)、以及二氧化硅上包层(7)；二氧化硅下包层(1)连接硅芯(2)，硅芯(2)连接空气包层(3)，空气包层(3)连接inp下包层(4)，inp下包层(4)连接inp中包层(5)，inp中包层(5)连接inp上包层(6)，inp上包层(6)连接二氧化硅上包层(7)。2.根据权利要求1所述的一种绝热inp波导集成平台，其特征在于，二氧化硅下包层(1)的厚度为h1＝1μm、折射率n
sio2
＝1.445；硅芯(2)折射率n
si
＝3.455、硅平板厚度h2＝0.08μm、硅脊厚度h3＝0.42μm；空气包层(3)折射率n
air
＝1、厚度h3＝0.42μm；inp下包层(4)折射率n
inp(4)
＝3.1825、厚度h4＝0.15μm；inp中包层(5)折射率n
inp(5)
＝3.4195、厚度h5＝0.396μm；inp上包层(6)折射率n
inp(6)
＝3.1787、厚度h6＝1.5μm；二氧化硅上包层(7)的厚度为h1＝0.5μm、折射率n
sio2
＝1.445。3.根据权利要求1所述的一种绝热inp波导集成平台，其特征在于，inp基光栅波导结构的硅芯(2)有七个光栅结构，包括：两个外侧光栅、两个外侧光栅内侧有两个次外侧光栅、两个次外侧光栅内侧有两个内侧光栅、两个内侧光栅内侧有中间核心光栅。其中七个光栅的宽度w
i
＝0.2μm，光栅之间的间隙g＝0.45μm。4.根据权利要求1所述的一种绝热inp波导集成平台，其特征在于，inp基脊波导结构的硅芯(2)只有一个脊波导，宽度w
o
＝1.5μm。5.一种根据权利要求1-4任一项所述的一种绝热inp波导集成平台的逆向设计方法，其特征在于，方法包括以下步骤：步骤一、确定硅芯(2)在光束传播方向上的变化趋势；步骤二、完善硅芯(2)在光束传播方向上的变化趋势；步骤三、将硅芯(2)外侧光栅末端往中间核心光栅倾斜；步骤四、确定硅芯(2)的宽度划分；步骤五、确定每段硅芯(2)的长度；步骤六、将所有的片段组合成绝热inp波导集成平台。6.根据权利要求5所述的一种绝热inp波导集成平台逆向设计方法，其特征在于，步骤一中使用对比法确定硅芯(2)在光束传播方向上的变化趋势，对比两种情况，两种情况分别为输入端硅芯(2)的外侧六个光栅结构直到输出端才由宽度w
l
减小到0和输入端硅芯(2)的外侧六个光栅结构只延伸到距离输出端的一半宽度就从w
l
减小到0。7.根据权利要求6所述的一种绝热inp波导集成平台逆向设计方法，其特征在于，步骤二中使用步骤一所得出的情况下，分别确定外侧6个光栅结构由宽度从w
l
减小到0所需的条件。8.根据权利要求7所述的一种绝热inp波导集成平台逆向设计方法，其特征在于，步骤四中将输入端定义为region1，输出端定义为region3，将要设计的中间传输区域定义为region2；region2沿光束传播方向分成九段，分别确定region2中每一段光栅的宽度。9.根据权利要求8所述的一种绝热inp波导集成平台逆向设计方法，其特征在于，步骤
五中使用sla算法进行计算，算得第一片段长度l1＝916μm；第二片段长度l2＝455μm；第三片段长度l3＝213μm；第四片段长度l4＝161μm；第五片段长度l5＝45μm；第六片段长度l6＝285μm；第七片段长度l7＝105μm；第八片段长度l8＝29μm。

技术总结
本发明提供了一种绝热InP波导集成平台及其逆向设计方法，属于光通信和毫米波通信技术领域。解决了目前InP波导集成平台设计尺寸过大的问题。其技术方案为：一种绝热InP波导集成平台，包括InP基光栅波导结构和InP基脊波导结构；一种绝热InP波导集成平台的逆向设计方法，包括以下步骤：步骤一、确定硅芯的变化趋势；步骤二、完善硅芯的变化趋势；步骤三、将光栅末端往中间核心光栅倾斜；步骤四、确定硅芯的宽度划分；步骤五、确定每段硅芯的长度；步骤六、组合成绝热InP波导集成平台。本发明的有益效果为：本发明具有通用性和高效性，适用于设计具有复杂几何形状、边界、材料、以及各种不同类型的绝热InP波导集成平台。的绝热InP波导集成平台。的绝热InP波导集成平台。


技术研发人员：梁图禄 荣巍巍 郁梅 吴钢雄 姜芮芮 施金 杨永杰
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/24