[发明专利]基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器

说明书

一种基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器，包括：龙柏透镜以及设置于其上的硅波导、输入端和输出端，其中：输入端和输出端分别设置于龙柏透镜两侧；硅波导包括：第一波导和第二波导。的第一波导的宽度大于第二波导的宽度。龙柏透镜的结构为上下包层均为SiO₂的硅超材料层。龙柏透镜具有径向的占空比分布，本发明通过片上集成的龙柏透镜的梯度折射率的超材料结构获得所需的折射率分布，并与硅波导集成，从而实现不同宽度波导中的模斑尺寸匹配，具有非常大的宽带，尺寸小，损耗低。

技术领域

本发明涉及的是一种集成光子学领域的技术，具体是一种基于片上集成龙柏(Luneburg)透镜的超宽带模斑转换器。

背景技术

在集成光路中，为了实现超宽的工作带宽和较小的传输损耗，需要设计结构尺寸紧凑、耦合效率高的光器件，其中一类重要的器件是模斑转换器。模斑转换器是用来匹配不同模斑尺寸的光器件，它可以改变模斑尺寸，从而实现不同宽度波导之间的低损耗耦合。硅基光子器件具有强模场束缚的特性，且能够与互补金属氧化物半导体CMOS工艺相兼容的优点，是集成光路的理想选择。

发明内容

本发明针对现有锥形波导结构的设计复杂、需要利用聚焦离子束刻蚀或灰度曝光技术导致制造难度大的不足，提出一种基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器，通过梯度折射率的超材料结构获得龙柏透镜所需的折射率分布，并与硅波导集成，从而实现不同宽度波导中的模斑尺寸匹配。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：片上集成龙柏透镜以及设置于其上的硅波导、输入端和输出端，其中：输入端和输出端分别设置于龙柏透镜两侧。

所述的硅波导包括：第一波导和第二波导，其中：第一波导设置于输入端一侧，第二波导设置于输出端一侧。

所述的第一波导的宽度大于第二波导的宽度。

所述的片上集成龙柏透镜的结构为上下包层均为二氧化硅的硅超材料层，该硅超材料层为梯度占空比的硅纳米棒天线阵列结构。

所述的龙柏透镜具有径向的占空比分布，折射率分布满足：其中：n_e为边缘折射率，R_lens为龙柏透镜的半径，R为距离龙柏透镜中心的径向距离，龙柏透镜的长度为L＝2R_lens。

所述的龙柏透镜中的最大折射率与最小折射率关系为其中：n_min是指龙柏透镜中的最小折射率值，n_max是指龙柏透镜中的最大折射率值。

所述的龙柏透镜的等效材料折射率为：其中：n_meta(R)、n_Si和n_SiO2分别为等效材料、硅和二氧化硅的折射率，δ(R)为纳米棒的占空比。

技术效果

本发明完成光场模斑的尺寸转换，从而将宽波导中的光以极低的损耗耦合到硅基芯片中窄的硅波导中；与现有技术相比，本发明能够实现波长从1.26μm～2μm之间模斑尺寸的转换，带宽达到740nm，远高于现有技术；在740nm的带宽范围内，模斑尺寸转换损耗在1dB以内，损耗要低于现有技术。本发明长11.2μm，占地面积小于现有技术。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明仿真透射光谱图；

图3为本发明TE模斑转换的波长为1.55μm的仿真光谱图；

图4为本发明TE模斑转换的波长为1.26μm的仿真光谱图；

图5为本发明TE模斑转换的波长为2μm的仿真光谱图；

图中：片上集成龙柏透镜1、硅波导2、输入端3、输出端4、第一波导5、第二波导6。