本發(fā)明屬于片上集成硅光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)器件，具體指一種基于硅基超材料的片上集成型光功率分束器。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，各種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，尤其是隨著云存儲(chǔ)，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)的不斷興起，全球的信息交流呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)。在信息交流越來(lái)越便利的同時(shí)，對(duì)通信系統(tǒng)高速率大容量的要求也越來(lái)越高。鑒于電子載體瓶頸效應(yīng)的日益凸顯，光互聯(lián)技術(shù)逐漸成為克服通信網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的主流技術(shù)。

集成光電子芯片作為光互聯(lián)技術(shù)的核心吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，而硅基光學(xué)器件具有高度集成化以及能和CMOS平臺(tái)兼容的特性，在片上集成領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。

光波導(dǎo)器件是集成光電子芯片中的關(guān)鍵單元器件之一，采用不同的集成方式，包括單片集成和混合集成；可將各種不同有源器件和無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)有效集成，由于其具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，損耗小和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的重視和研究。

波導(dǎo)型光功率分束器作為集成光子系統(tǒng)中不可或缺的光波導(dǎo)器件，具有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中光功率分配以及其它各種功能光子器件之間有效集成的功能，在系統(tǒng)中起著重要作用。

目前，波導(dǎo)型光功率分束器的結(jié)構(gòu)形式主要有基于Y分支波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的光功率分束器，基于多模干涉效應(yīng)(MMI)的光功率分束器以及方向耦合器(DC)等。

對(duì)于Y分支波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的光功率分束器而言，器件需要一段較長(zhǎng)的模式擴(kuò)展區(qū)，隨著分?jǐn)?shù)通道加倍，不斷級(jí)聯(lián)，器件的長(zhǎng)度、損耗及非均勻性不斷變大，工藝集成難度大，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意通道數(shù)的等功率分配；

對(duì)于基于多模干涉效應(yīng)(MMI)的光功率分束器而言，為了減小器件插入損耗，通常需要在其輸入/輸出端口插入一段波導(dǎo)，這相當(dāng)于增加了器件尺寸，而且MMI多模區(qū)的寬度越寬，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，不適合大通道數(shù)器件的設(shè)計(jì)；

對(duì)于方向耦合器(DC)而言，由于其結(jié)構(gòu)本身的特性，它的尺寸無(wú)法做到很小，并且波長(zhǎng)無(wú)關(guān)性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有波導(dǎo)型光功率分束器的缺陷及改進(jìn)需求，提供了一種基于硅基超材料的片上集成型光功率分束器。

具體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)矩形硅波導(dǎo)和8個(gè)并行的錐形硅波導(dǎo)，兩者無(wú)縫銜接串聯(lián)在一起；矩形硅波導(dǎo)和錐形硅波導(dǎo)選用的硅，折射率均為3.46；矩形硅波導(dǎo)的長(zhǎng)*寬*高尺寸為：10um*12um*0.22um，作為光的輸入端口；8個(gè)并行的錐形硅波導(dǎo)作為輸出端口。

錐形硅波導(dǎo)在xy平面是一個(gè)橫置的梯形，梯形左邊底的寬度根據(jù)光場(chǎng)強(qiáng)度確定，右邊底的寬度為500nm。8個(gè)并行的錐形硅波導(dǎo)從上到下編號(hào)分別為通道1～通道8，整個(gè)錐形部分關(guān)于X軸對(duì)稱，X軸方向與光的傳播方向相同；

8個(gè)通道的長(zhǎng)度相同，均為10um，高度也相同，均為0.22um，每個(gè)通道的寬度根據(jù)光場(chǎng)強(qiáng)度在橫截面yz方向的比例分布分別確定，對(duì)稱的兩個(gè)通道尺寸相同，具體為：通道1和通道8的寬度從3.68um～0.5um過(guò)渡，通道2和通道7的寬度從0.92um～0.5um過(guò)渡，通道3和通道6的寬度從0.71um～0.5um過(guò)渡，通道4和通道5的寬度從0.69um～0.5um過(guò)渡。

光在所述的片上集成型光功率分束器中進(jìn)行傳播，并實(shí)現(xiàn)對(duì)入射等功率分配的過(guò)程如下：

在均勻分布的光場(chǎng)中，一束入射光從矩形硅波導(dǎo)的中心輸入，按照光在波導(dǎo)中的傳輸理論以及仿真的電場(chǎng)分布圖，得知光在矩形硅波導(dǎo)中的強(qiáng)度分布為：中心的光場(chǎng)強(qiáng)度最大，然后向兩邊逐漸減??；根據(jù)分布圖，獲取每個(gè)錐形硅波導(dǎo)通道的寬度范圍；并通過(guò)錐形硅波導(dǎo)的輸出功率透射譜，微調(diào)每個(gè)通道的寬度尺寸，確定通道1到通道8不同比例的寬度，實(shí)現(xiàn)8通道光功率的平均分配。

本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)N個(gè)通道數(shù)的光等功率分配，N為整數(shù)；隨著通道數(shù)的增加，僅沿硅波導(dǎo)寬度方向的縱向尺寸增加；沿硅波導(dǎo)長(zhǎng)度方向的橫向尺寸基本不變，不隨通道數(shù)的增加而增加；根據(jù)光場(chǎng)分布，光場(chǎng)的強(qiáng)度分布比例就是N個(gè)硅波導(dǎo)的寬度比例尺寸。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)、一種基于硅基超材料的片上集成型光功率分束器，結(jié)構(gòu)非常緊湊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，整個(gè)片上集成型超多路光功率分束器的xy平面的面積尺寸大約為～N×20um×0.5um，利于片上集成。

2)、一種基于硅基超材料的片上集成型光功率分束器，相比現(xiàn)有Y分支波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的光功率分束器，只能實(shí)現(xiàn)通道數(shù)目偶數(shù)倍的分束增加，器件的橫向尺寸和縱向尺寸均成倍數(shù)的增加，本發(fā)明提供的等功率分束器可以在更小的尺寸上實(shí)現(xiàn)任意通道數(shù)的光等功率分配。

3)、一種基于硅基超材料的片上集成型光功率分束器，通過(guò)矩形硅波導(dǎo)進(jìn)行輸入，然后直接通過(guò)錐形硅波導(dǎo)作為輸出端口，在更小的尺寸上減小了器件的插入損耗。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種基于硅基超材料的片上集成型光功率分束器的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明光在8通道的片上集成型光功率分束器進(jìn)行傳播的示意圖。

圖3是本發(fā)明光在8通道的片上集成型光功率分束器輸出端口的功率透射譜。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施示例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明一種基于硅基超材料的片上集成型光功率分束器，用于實(shí)現(xiàn)超多路光的等功率分束。如圖1所示，包括一個(gè)矩形硅波導(dǎo)和8個(gè)并行的錐形硅波導(dǎo)，具體實(shí)現(xiàn)是將整段矩形硅波導(dǎo)后半部分按尺寸比例切割成8個(gè)不同寬度的錐形，整段硅的折射率為3.46；未切割的矩形硅波導(dǎo)的長(zhǎng)*寬*高尺寸為：10um*12um*0.22um，作為輸入端口，切割的8個(gè)并行的錐形硅波導(dǎo)作為輸出端口。

錐形硅波導(dǎo)在xy平面是一個(gè)橫置的梯形，梯形左邊底的寬度根據(jù)光場(chǎng)強(qiáng)度確定，右邊底的寬度為500nm。8個(gè)并行的錐形硅波導(dǎo)如圖2所示，從上到下編號(hào)分別為通道1～通道8，整個(gè)錐形部分關(guān)于X軸對(duì)稱，X軸方向與光的傳播方向相同；

8個(gè)通道的長(zhǎng)度相同，均為10um，高度也相同，均為0.22um，每個(gè)通道的寬度根據(jù)光場(chǎng)強(qiáng)度在橫截面yz方向的比例分布分別確定，對(duì)稱的兩個(gè)通道尺寸相同，具體為：通道1和通道8的寬度從3.68um～0.5um過(guò)渡，通道2和通道7的寬度從0.92um～0.5um過(guò)渡，通道3和通道6的寬度從0.71um～0.5um過(guò)渡，通道4和通道5的寬度從0.69um～0.5um過(guò)渡。

光在所述的片上集成型光功率分束器中進(jìn)行傳播，并實(shí)現(xiàn)對(duì)入射等功率分配的過(guò)程如下：

如圖2所示，在均勻分布的光場(chǎng)中，一束入射光源從矩形硅波導(dǎo)的中心輸入，利用三維有限時(shí)域差分法(3D-FDTD)，通過(guò)商業(yè)軟件Lumerical仿真模擬光場(chǎng)分布，按照光在波導(dǎo)中的傳輸理論以及仿真的光場(chǎng)分布圖，得知光在矩形硅波導(dǎo)中的強(qiáng)度分布為：中心的光場(chǎng)強(qiáng)度最大，然后向兩邊逐漸減?。还庠诰匦喂璨▽?dǎo)中傳輸10um左右后，進(jìn)入8個(gè)并行的錐形硅波導(dǎo)中，根據(jù)模擬光場(chǎng)分布圖，獲取每個(gè)錐形硅波導(dǎo)通道的寬度范圍；并通過(guò)8通道錐形硅波導(dǎo)的輸出端口的功率透射譜，從而確定梯形左邊底的寬度，如圖3所示，其橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為透射譜；微調(diào)每個(gè)通道的寬度尺寸確定合適的切分比例，根據(jù)通道1到通道8不同切分比例的寬度，實(shí)現(xiàn)8通道的光功率分束，從圖中得到入射光功率的平均分配，然后從8個(gè)錐形硅波導(dǎo)等功率輸出。

本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)N個(gè)對(duì)稱通道數(shù)的光等功率分配，N為整數(shù)；隨著通道數(shù)的增加，僅沿Y軸方向也就是硅波導(dǎo)寬度的方向縱向尺寸增加即可；沿X軸方向的橫向尺寸基本不變，也就是N個(gè)錐形硅波導(dǎo)長(zhǎng)度固定為10um，厚度固定為220nm，均不隨通道數(shù)的增加而增加，僅僅根據(jù)光場(chǎng)分布重新確定梯形左邊底的寬度，寬度隨著通道數(shù)的增加而增加；根據(jù)光場(chǎng)分布，光場(chǎng)的強(qiáng)度分布比例就是N個(gè)硅波導(dǎo)的寬度比例尺寸。