阅读说明：本技术 用于转换光束的光模式的光子器件 (Photonic device for converting optical modes of a light beam ) 是由 小岛启介 滕旻 秋浓俊昭 王炳南 于 2018-10-11 设计创作，主要内容包括：一种用于转换光束的光模式的光子器件包括接收具有第一模式的第一波束的第一端口、模式转换器以及传输第一波束的第二端口。模式转换器被配置为加宽第一波束以将第一模式转换为第二模式,并且在模式转换器的输出侧处对经加宽的第一波束进行缩窄,其中,模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段,其中,第一折射率大于第二折射率,其中,扰动段被布置在导引材料中以与第一波束交叉。(A photonic device for converting an optical mode of a light beam includes a first port to receive a first beam having a first mode, a mode converter, and a second port to transmit the first beam. The mode converter is configured to widen the first beam to convert the first mode to a second mode, and narrow the widened first beam at an output side of the mode converter, wherein the mode converter comprises a guide material having a first refractive index and perturbation segments each having a second refractive index, wherein the first refractive index is greater than the second refractive index, wherein the perturbation segments are arranged in the guide material to intersect the first beam.)

用于转换光束的光模式的光子器件

技术领域

本发明总体上涉及紧凑型光子器件，更具体地，涉及宽带模式转换器。

背景技术

片上模分复用(MDM)已进行了数十年的深入研究，片上模分复用在一个共享的多模式总线波导中传输多个信道以增强传输容量。已经开发了许多MDM器件，包括复用器/解复用器(MUX/DEMUX)、模阶滤波器和模阶转换器。模阶转换器用于在处理之前首先将高阶模式转换为横向电场基本模式(TE₀)，而高阶模式转换过程是片上MDM的一大挑战。因此，期望实现紧凑尺寸的高阶模式转换器。

发明内容

本公开的一些实施方式是基于以下认识：通过使用机器学习辅助优化方法，根据设计优化，能够获得基于超紧凑(～4μm长)SOI模阶转换器家族的紧凑型光子器件。TE₀、TE₁和TE₂模式波束能够在100nm带宽上以～85％的效率相互转换。原则上，优化技术能够用于设计任意模阶转换器。此外，拓扑优化的模阶转换器能够帮助建立具有紧凑型覆盖区(footprint)的高阶模式的替代功能(诸如，交叉和弯曲)。

根据本公开的一些实施方式，提供了一种用于转换光束的光模式的光子器件。该光子器件包括：第一端口，其接收具有第一模式的第一波束；模式转换器，其被配置为加宽第一波束以在模式转换器的中间部分处将第一模式转换为第二模式，并且在模式转换器的输出侧处对经加宽的第一波束进行缩窄，其中模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段(perturbation segment)，其中第一折射率大于第二折射率，其中，扰动段被布置在导引材料中以与第一波束交叉；以及第二端口，其传输具有第二模式的第一波束，其中，模式转换器的宽度大于第一端口和第二端口的宽度，其中，第二端口的宽度大于第一端口的宽度，其中，第一端口和第二端口以及模式转换器具有相同的厚度。

此外，本公开的实施方式提供了一种用于转换光束的光模式的光子器件，该光子器件包括第一输入转换器和第一输出转换器以及第二输入转换器和第二输出转换器。转换器中的每一个包括：第一端口，其接收具有第一模式的波束；模式转换器，其被配置为加宽波束以在模式转换器的中间部分处将第一模式转换为第二模式，并且在模式转换器的输出侧处对经加宽的波束进行缩窄，其中，模式转换器包括具有第一折射率的导引材料和各自具有第二折射率的扰动段，其中，第一折射率大于第二折射率，其中，扰动段被布置在导引材料中以与第一波束交叉；以及第二端口，其传输具有第二模式的波束，其中，模式转换器的宽度大于第一端口和第二端口的宽度，其中，第二端口的宽度大于第一端口的宽度，其中，第一端口和第二端口以及模式转换器具有相同的厚度。此外，光子器件包括交叉导引件，该交叉导引件包括：第一交叉导引件，其具有第一交叉输入端口和第一交叉输出端口；以及第二交叉导引件，其具有第二交叉输入端口和第二交叉输出端口，其中，第一交叉导引件与第二交叉导引件成直角交叉，其中第一交叉导引件和第二交叉导引件的每个端口具有交叉端口宽度，其中，第一输入交叉端口连接到第一输入转换器的第二端口，并且第一输出交叉端口连接到第一输出转换器的第一端口，其中第二输入交叉端口连接到第二输入转换器的第二端口，并且第二输出交叉端口连接到第二输出转换器的第一端口。

将参照附图进一步解释当前公开的实施方式。所示的附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明当前公开的实施方式的原理上。

附图说明

[图1A]

图1A示出了相关技术的模阶转换器。

[图1B]

图1B示出了图1A中的模式转换器的主要电场分量(Ey)分布图。

[图2A]

图2A示出了根据本公开的实施方式的TE₀至TE₁模阶转换器。

[图2B]

图2B示出了图2A的TE₀至TE₁模阶转换器的主要E场分量(E_y)分布图。

[图2C]

图2C是表示器件效率的FDTD谱。

[图3A]

图3A示出了根据本公开的实施方式的TE₀至TE₂转换器的示例。

[图3B]

图3B示出了图3A的TE₀至TE₂模阶转换器的主要E场分量(E_y)分布图。

[图3C]

图3C是表示图3A的器件效率的FDTD谱。

[图4A]

图4A示出了根据本公开的实施方式的TE₁至TE₂转换器的几何形状。

[图4B]

图4B示出了TE₁至TE₂转换器的主要E场分量(E_y)分布图。

[图4C]

图4C示出了TE₁至TE₂转换器的FDTD谱。

[图5A]

图5A示出了例示根据本公开的实施方式的TE₁|TE₂至TE₀转换器的示意图。

[图5B]

图5B示出了例示根据本公开的实施方式的TE₂|TE₂至TE₀转换器的示意图。

[图6A]

图6A示出了根据本公开的实施方式的TE₂ 90度交叉转换器的示例。

[图6B]

图6B示出了TE₂模式90度交叉转换器的主要E场分量(E_y)分布图。

[图6C]

图6C示出了TE₂模式90度交叉转换器的FDTD谱。

具体实施方式

以下描述仅提供示例性实施方式，并非旨在限制本公开的范围、应用或配置。相反，示例性实施方式的以下描述将为本领域技术人员提供能够实现一个或更多个示例性实施方式的描述。可以想到的是，在不脱离如所附权利要求书中所公开的主题的精神和范围的情况下，可以在元件的功能和布置上进行各种变型。

在以下描述中给出了具体细节以提供对实施方式的全面理解。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。例如，所公开的主题中的系统、过程和其它元件可以以框图形式示出为组件，以免在不必要的细节上模糊实施方式。在其它示例中，可以示出公知的过程、结构和技术而没有不必要细节，以避免模糊实施方式。此外，在各个附图中相似的附图标记和标志表示相似的元件。

另外，各个实施方式可以被描述为被描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图的过程。尽管流程图可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行执行或同时执行。另外，操作顺序可以重新排列。当过程的操作完成时，过程可以终止，但是可以具有未讨论或未包含在图中的其它步骤。此外，并非在任何特定描述的过程中的所有操作都可以在所有实施方式中发生。过程可以对应于方法、函数、过程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，函数的终止可以对应于函数返回到调用函数或主函数。

此外，所公开的主题的实施方式可以至少部分地手动地实现或自动地实现。可以通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任意组合来执行或至少辅助手动实现或自动实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器可读介质中。处理器可以执行必要任务。

本公开的实施方式的概述

片上模分复用(MDM)使得能够在一个共享多模总线波导中传输多个光信道，以增强传输容量。在此，术语模式是指光空间模式。

已经开发了许多MDM器件，包括复用器/解复用器(MUX/DEMUX)、模阶滤波器和模阶转换器。片上MDM的一大挑战是诸如弯曲和交叉之类的高阶模式处理。结果，通常开发模阶转换器，以在处理之前首先将高阶模式(TE₁、TE₂、…)转换为基本模式(TE₀)。

已经提出了绝缘体上硅(SOI)模阶转换器。最直观的转换器是将高阶模式均匀地分成多个TE₀片，然后以适当的相位关系合并。

图1A示出了相关技术的模阶转换器100。图1B示出了图1A中的模式转换器的主要电场分量(Ey)分布图。示出了图1A所示的在30μm长的覆盖区上基于绝热锥的超低损耗的模阶转换器可以将TE₂模式转换为TE₀模式，如图1B所示。

此外，使用反向设计可以实现具有更紧凑覆盖区(～6μm长度)的TE₀至TE₁转换器。可以在光子晶体波导内部优化这种器件，使得在40nm带宽上实现70％的TE₀至TE₁转换效率。模阶转换器的尺寸是确定在有限尺寸中包装多少功能的重要因素。尽管光子晶体使得能够实现紧凑器件尺寸，但是由于光子晶体使用特定谐振条件，因此工作带宽变得相对较窄。此外，模阶转换器可以称为模式转换器。

图2A示出了根据本公开的实施方式的TE₀至TE₁模式转换器200。TE₀至TE₁模式转换器200包括第一端口210、模式转换器220和第二端口230。图2A是例示了TE₀至TE₁模式转换器的优化几何形状的示例。

第一端口210接收具有第一模式的第一波束(输入波束，由图中的箭头指示)。模式转换器220被配置为加宽第一波束并在模式转换器220的中间部分处将第一模式转换成两个。此外，模式转换器220将一个部分的相位相对于另一个进行延迟，并在模式转换器200的输出侧使经加宽的第一波束缩窄，从而产生TE₀模式。模式转换器220中的上述全部功能是以分布方式进行的。模式转换器220包括具有第一折射率的导引材料221以及扰动段222。在这种情况下，每个扰动段222具有第二折射率，并且扰动段222之间的最小节距由图中的节距d表示。

第一折射率大于第二折射率，并且扰动段222布置在导引材料221中以与第一波束交叉。此外，第二端口230被配置为透射具有第二模式的第一波束。在这种情况下，模式转换器220的宽度被布置为大于第一端口210和第二端口230的宽度。第一端口210的宽度被选择为仅支持TE₀模式。第二端口230的宽度被布置为大于第一端口210的宽度，以支持TE₁模式，并且第一端口210和第二端口230以及模式转换器220被配置为具有相同的厚度。

此外，当第一模式和第二模式分别是由TE_m和TE_n表示的第m模式和第n模式时，并且当m和n中的至少一个是奇数时，扰动段222沿着从第一端口210到第二端口230绘制的波束方向中心线211不对称地布置。

根据一些实施方式，可以在3.85μm×2.35μm的硅区域上优化TE₀至TE₁转换器200，该硅区域被离散化为15×25个扰动段222(矩形晶格)二进制问题。每个扰动段222表示以150nm晶格常数(或节距)d的、具有50nm半径的完全蚀刻孔，其中“1”表示被蚀刻的孔，而“0”表示没有孔。150nm的节距d满足上述标准(<270nm)。TE₀至TE₁模式转换器200可以被SiO₂顶覆层覆盖。对应于扰动段222的圆柱孔也填充有SiO2。如果输入模式源在以1.55μm为中心的100nm带宽上发起TE₀或TE1模式，则分别计算透射和反射到TE₀、TE₁或TE₂模式。

应当注意，一些扰动段可以布置为与一组扰动段222间隔开超过节距d，这些扰动段在图中被表示为段222′。

可以在数值上优化局部折射率分布。一种方法是使用直接二进制搜索(DBS)，另一种方法是使用机器学习。在这两种方法中，局部折射率变化或固定尺寸的孔被描述为二元问题。另选地，以更小的粒度(即，孔尺寸的连续值、或形状的连续变化)能够更多地描述变化。

图2B示出了TE₀至TE₁模式转换器200的主要E场(电场)分量(Ey)分布图。从场分布中来看出，输入波束被分离，然后在顶波束相对于底波束被延迟π相移情况下，在输出端口(第二端口230)处合并。因为扰动段222的平均折射率小于导引材料221(Si区域)的平均折射率，所以与没有孔(扰动段222)的Si区域(导引材料221)相比，分布的孔(可以称为扰动段222)增加了波束的相速度。

图2C是作为频率的函数的、转换器200的每个模式的透射和反射，示出了在100nm带宽上获得的具有～0.5％的串扰和反射的～85％的传输效率。与基于光子晶体的相关技术的TE₀至TE₁转换器相比，图2C表明由于转换器200避免了Bragg(布拉格)反射区，因此转换器200在实质上更宽的带宽上工作。尽管将需要更大的覆盖区和更大计算量，但是通过使用更大的矩阵能够潜在地提高转换器200的效率。

此外，本公开的一些实施方式基于以下认识：亚波长器件能够提供紧凑的光子器件而无需依赖于特定的谐振条件。光场感觉到小结构的局部平均。小结构可以称为扰动段或像素。亚波长器件的条件表示为

d<λ/(2n_eff)(1)

其中，d是扰动段之间的最小节距或距离，n_eff是导引材料的波导模式的最高有效折射率(highest effective index)，而λ是输入信号的波长。当使用典型的SOI(绝缘体上硅)结构时，在1550nm波长附近，n_eff约为2.85。因此，d应确定为小于270nm。

此外，可以使用与上述类似的过程来设计TE₀至TE₂转换器。在这种情况下，应将TE₂的两个外瓣同等地延迟，并与中心瓣合并。

图3A示出了根据本公开的实施方式的TE₀至TE₂模式转换器300的示例。图中例示了优化之后的TE₀至TE₂转换器300的最终几何形状的示例。

TE₀至TE₂模式转换器300包括第一端口310、模式转换器320和第二端口330。TE₀至TE₂模式转换器300的结构类似于TE₀至TE₁模式转换器200的结构。

模式转换器320包括具有第一折射率的导引材料321以及扰动段322。每个扰动段322具有第二折射率，并且扰动段222之间的最小节距被布置为具有如在附图中所示的节距d。应该注意的是，一些扰动段可以布置为与一组扰动段322间隔开超过节距d，一些扰动段在附图中被表示为段322′。

此外，当第一模式和第二模式分别是由TE_m和TE_n表示的第m模式和第n模式时，并且当m和n是偶数时，扰动段321沿着从第一端口310到第二端口330绘制的波束方向中心线311大致对称地布置。

为了设计TE₀至TE₂模式转换器300，在4.6μm×3.1μm的矩形硅区域上评估了水平对称结构(20×30)。在反向设计期间，由于TE₀模式和TE₂模式二者是对称的，因此优化了10×30矩阵(几何形状的上半部分)并将其镜像到Si区域的下半部分。

图3B示出了TE₀至TE₂模式转换器300的主要E场分量(Ey)分布图，例示了输入TE₀的大多数均等地分离成两条外部路径，并且TE₀的一些部分沿中间路经被衍射并在输出波导重新聚焦。

图3C示出了表明具有少于1％的串扰和反射的、超过85％的透射效率的最终器件的透射和反射。由于TE₀输入不能沿水平对称结构激励TE₁，因此TE₁的串扰功率在此几乎可以忽略不计。

图4A示出了根据本公开的实施方式的TE₁至TE₂模式转换器400。TE₁至TE₂模式转换器400可以以与图2A和图3A所示类似的方式实现。如上所述，在一些情况下，根据模式转换器的设计优化，一些扰动段可以布置为与一组扰动段间隔开超过节距d。

图4B的场图表明TE₁和TE₂之间的直接转换不需要经由TE₀作为垫脚石进行转换。图4C示出了优化后的器件能够获得约87％的传输效率，并且到TE₀和TE₁的串扰/反射二者低于1％。与使用基于绝热锥[1]的、60μm长的级联的TE₀至高阶模式转换器不同，这种直接TE₁至TE₂转换器能够实现87％的效率，并且器件长度小于4μm。

图5A示出了例示根据本公开的实施方式的TE₁|TE₂至TE₀混合模式转换器-组合器500的示意图。TE₁|TE₂至TE₀转换器-组合器500包括第一光模式输入510、第二光模式输入520、模式转换器530和输出540。在一些情况下，输出540能够具有另一光模式阶数，例如TE₁或TE₂。优化算法能够实现这些功能。由于输入信号的模式阶数不同，所以输入510和520的宽度不同。

图5B示出了例示根据本公开的实施方式的TE₂|TE₂至TE₀混合模式转换器-组合器500的示意图。TE₂|TE₂至TE₀转换器550包括第一光模式输入515、第二光模式输入525、模式转换器560和输出545。由于模式阶数相同，所以输入515和550的宽度通常相同。在一些情况下，输出545可以具有另一光模式阶数，例如TE₁或TE₂。

在图5A和图5B二者中，混合模式转换器-组合器可以首先将高阶输入模式转换为TE₀模式，然后将多个TE₀模式组合为单个TE₀模式。另选地，如果高阶模式的阶数相同，则可以先将其组合，然后再转换为TE₀模式。

将多个功能组合到单个器件中有两个主要优点。通过消除连接两个分离器件的波导，将节省空间。此外，由于波导和光器件之间的接合是光损耗的主要来源，因此可以降低光***损耗。

如上所述，对应于图2A、图3A和图4A中所示的扰动段222、322和422的孔以周期性(栅格)方式布置，但是，以这种方式布置不是必需的。

此外，超紧凑模阶转换器也能够与其它器件级联以处理高阶模式。图6A示出了TE₂模式90度交叉件600的示例，其在四个端口将四个TE₀至TE₂转换器级联到传统TE₀ 90度交叉件。

TE₂模式90度交叉件600包括第一输入转换器610和第一输出转换器620、以及第二输入转换器630和第二输出转换器640。转换器610、620、630和640中的每一个包括接收具有第一模式的波束的第一端口模式转换器，该模式转换器被配置为加宽波束以在模式转换器的中间部分处将第一模式转换为第二模式，并且在模式转换器的输出侧处对已加宽的波束进缩窄。

此外，模式转换器包括具有第一折射率的导引材料以及扰动段。每个扰动段具有第二折射率，并且第一折射率大于第二折射率。在这种情况下，扰动段布置在导引材料中以与第一波束交叉。

转换器610、620、630和640中的每一个包括还包括第二端口，以传输具有第二模式的波束，其中模式转换器610、620、630和640中的每一个的宽度大于第一端口和第二端口的宽度。在这种情况下，第二端口的宽度大于第一端口的宽度，并且，第一端口和第二端口以及模式转换器还具有相同的厚度。

TE₂模式90度交叉件600包括交叉导引件650。交叉导引件650包括具有第一交叉输入端口651和第一交叉输出端口652的第一交叉导引件、以及具有第二交叉输入端口653的第二交叉输出端口654的第二交叉导引件。第一输出端口652和第二输出端口654可以称为第一直通端口652和第二直通端口654。

第一交叉导引件与第二交叉导引件成直角交叉。第一交叉导引件与第二交叉导引件交叉的交叉部分包括倒圆角部655。在图6A中由箭头655指示倒圆角部655之一。第一交叉导引件和第二交叉导引件的每个端口具有交叉端口宽度w。经由第一交叉导引件和第二交叉导引件的过渡斜率S，第一输入交叉端口651连接到第一输入转换器610的第二端口，并且第一输出交叉端口652连接到第一输出转换器620的第一端口。第二输入交叉端口653连接到第二输入转换器630的第二端口，并且第二输出交叉端口654连接到第二输出转换器640的第一端口。

在图6A中，示例图表明TE₂ 90度交叉件的总覆盖区为23μm×23μm。图6B示出了TE₂模式90度交叉件600的主要E场分量(E_y)分布图。在这种情况下，第一输入转换器610接收第一TE₂模式光信号并将其转换为第一TE₀模式光信号。第一TE₀模式光信号经由第一交叉输入端口651和第一交叉输出端口652传播交叉导引件650。此外，第一TE₀模式光信号由第一输出转换器620接收并在第一输出转换器620的输出端口处被转换为第一TE₂模式光信号。这表明通过输入转换器610和第一输出转换器620正确进行了TE₂-TE₀-TE₂模式转换。第一TE₀模式光信号能够以低***损耗传播交叉导引件650。

类似地，当由第二输入转换器630接收到第二TE₂模式光信号并将其转换为第二TE₀模式光信号时，第二TE₀模式光信号经由交叉导引件650的第二交叉输入端口653和第二交叉输出端口654被第二输出转换器640接收。当从交叉导引件650接收到第二TE₀模式光信号时，第二输出转换器640在第二输出转换器640的输出端口将第二TE₀模式光信号转换为第二TE₂模式光信号。在这种情况下，第二TE₀模式光信号能够以低***损耗传播交叉导引件650。通过将第一TE₂模式光信号和第二TE₂模式光信号转换为第一TE₀模式光信号和第二TE₀模式光信号，转换后的第一TE₀模式光信号和第二TE₀模式光信号能够在交叉导引件650处交叉的同时以低损耗传播交叉导引件650。因此，由于从第一TE₂模式光信号和第二TE₂模式光信号转换的第一TE₀模式光信号和第二TE₀模式光信号能够以低损耗传播交叉导引件650传播，TE₂模式90度交叉件600能够在与TE₂ 90度交叉导引件交叉的同时提供低信号损耗的第一TE₂模式光信号和第二TE₂模式光信号。

图6C示出了仿真结果，其表明得到在100nm带宽上的小于1.5dB的***损耗。如图中所示，在80nm带宽上在直通端口处仅激发了-30dB TE₀串扰，并且在交叉端口处激发的所有模式也低于-40dB。

可以以多种方式中的任何方法来实现本发明的上述实施方式。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集上执行，无论其是设置在单台计算机中还是分布在多台计算机中。这样的处理器可以被实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。但是，可以使用任何适当格式的电路来实现处理器。

输入端口和输出端口以及模式转换器可以在各种材料系统中实现。以上示例使用了SOI。另选地，可以使用沉积在二氧化硅上的氮化硅。此外，也可以使用在磷化铟(InP)基板上生长的磷化铟镓砷(InGaAsP)材料层。

本发明的上述实施方式仅描述了TE模式。但是，器件也能够设计为横向磁场(TM)模式。

而且，本发明的实施方式可以被体现为一种方法，已经提供了该方法的示例。作为该方法的一部分而执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造实施方式，在该实施方式中以与所例示的次序不同的次序执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使这些动作在示例性实施方式中被示为顺序动作。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”之类的序数术语来修饰权利要求元素，术语并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先权、优先级或次序，或者执行方法动作的时间次序，而仅用作标签以将具有相同名称的一个权利要求要素与具有相同名称(除了使用序数词之外)的另一要素区分开，以区分权利要求要素。例如，如果第一端口具有TE₀模式输入，而第二端口具有TE₂输出，则由于相互原理，器件在将从第二端口输入的TE₂转换为从第一端口输出的TE₀方面同样进行地很出色。