一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115933054A(43)申请公布日2023.04.07(21)申请号202211568334.X(22)申请日2022.12.08(71)申请人之江实验室地址311121浙江省杭州市余杭区之江实验室南湖总部(72)发明人王乔马蔚骆瑞奇刘楠(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200专利代理师邱启旺(51)Int.Cl.G02B6/124(2006.01)G02B6/122(2006.01)G02B6/126(2006.01)G02B6/12(2006.01)权利要求书2页说明书9页附图4页(54)发明名称一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器(57)摘要本发明公开了一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，该光栅耦合器上包层、顶硅结构、下包层和硅衬底，其中，顶硅结构包括使用更多自由参数与逆向设计方法优化的亚波长光栅结构、两个相互垂直的输出/输入端口、单模过度波导和使用基于伴随法逆向方法设计的偏振合束器/偏振分离器；偏振合束器/偏振分离器采用的逆向方法设计。本发明可在标准硅光子学平台上制造，所引入的亚波长超材料结构和逆向设计方法可以有效降低器件的耦合损耗和尺寸，且具有较高的工作带宽；本发明能够同时允许光纤中以横电模式或横磁模式的光耦合进波导；本发明的亚波长光栅结构制作工艺简单，具有较大的制造公差，受制造工艺水平的影响较小。CN115933054ACN115933054A权利要求书1/2页1.一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，同时允许光纤中以横电模式或横磁模式的光耦合进波导，其特征在于，所述光栅耦合器由上至下依次包括：上包层(1)、顶硅结构(2)、下包层(3)和硅衬底(4)，所述顶硅结构(2)包括使用自由参数与逆向设计方法优化的第一亚波长光栅结构(100)和第二亚波长光栅结构(200)、相互垂直的第一输出端口(101)和第二输出端口(102)、相互垂直的第一输入端口(201)和第二输入端口(202)、第一单模过渡波导(104)、第二单模过渡波导(204)、偏振合束器(103)和偏振分离器(203)；其中，所述第一亚波长光栅结构(100)和第二亚波长光栅结构(200)通过以下方法设计获得：横电模式光沿x轴传播，由第二输出端口(102)输出光栅或第二输入端口(202)输入光栅，横磁模式光沿y轴传播，由第一输出端口(101)输出光栅或第一输入端口(201)输入光栅，每个单元亚波长结构在x方向和y方向的占空比均不相同，x方向和y方向的周期长度与对应方向传输模式的单元亚波长结构的等效折射率和占空比存在关系式；单元亚波长结构在x方向和y方向上依次排列，称为单元亚波长结构队列；单元亚波长结构参数需要通过多次迭代决定；通过调整单元亚波长结构参数以实现光栅的偏振无关；使用逆向设计方法对对参数进行优化。2.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述偏振合束器(103)和偏振分离器(203)采用基于伴随法的逆向方法设计获得，所述偏振合束器(103)用于将耦合进波导的横电模式光与横磁模式光合束，所述偏振分离器(203)用于将耦合进光纤的横电模式光与横磁模式光分离。3.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述第一输出端口(101)包括采用绝热结构的第一锥波导(1011)和第一单模波导(1012)；所述第二输出端口(102)包括采用绝热结构的第二锥波导(1021)和第二单模波导(1022)；所述第一输入端口(201)包括采用绝热结构的第三锥波导(2011)和第三单模波导(2012)；所述第二输入端口(202)包括采用绝热结构的第四锥波导(2021)和第四单模波导(2022)；所述第一单模波导(1012)、第二单模波导(1022)、第三单模波导(2012)和第四单模波导(2022)用于将单模式光从光栅过渡至波导或从波导过渡到光栅。4.根据权利要求3所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述第一锥波导(1011)、第二锥波导(1021)、第三锥波导(2011)和第四锥波导(2021)的结构为线性、指数型、抛物线型中的一种。5.根据权利要求3所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述第一单模过渡波导(104)采用平滑圆弧与条波导连接第一单模波导(1012)和偏振合束器(103)的横磁模式光输入端口，以保证在波导中传输的是单模式光；所述第二单模过渡波导(204)采用平滑圆弧与条波导连接第三单模波导(2012)和偏振分离器(203)的横磁模式光输出端口，以保证在波导中传输的是单模式光。6.根据权利要求5所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述平滑圆弧的半径为30μm。7.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚