一种紧凑的1×n mmi型光功率分配器
阅读说明：本技术 一种紧凑的1×n mmi型光功率分配器 (Compact 1 XN MMI type optical power distributor ) 是由 陈伟伟 姚润葵 汪鹏君 李红祥 张波豪 杨建义 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种紧凑的1×N MMI型光功率分配器,包括包层和光功率分配主体结构,包层的材料为二氧化硅,光功率分配器主体结构嵌入包层内被包层包裹住,光功率分配器主体结构包括多模干涉区波导和N+1个结构相同的锥形波导,多模干涉区波导为直波导形状,多模干涉区波导和N+1个锥形波导的材料均为硅,每个锥形波导分别由十段渐变锥形波导首尾依次连接组成；优点是器件具有结构紧凑、低损耗、大带宽和高均匀性的特点,适用于片上光互连网络。(The invention discloses a compact 1 XN MMI type optical power distributor, which comprises a cladding and an optical power distribution main body structure, wherein the cladding is made of silicon dioxide, the optical power distribution main body structure is embedded in the cladding and is wrapped by the cladding, the optical power distribution main body structure comprises a multimode interference region waveguide and N +1 tapered waveguides with the same structure, the multimode interference region waveguide is in a straight waveguide shape, the multimode interference region waveguide and the N +1 tapered waveguides are made of silicon, and each tapered waveguide is formed by sequentially connecting ten sections of tapered waveguides end to end; the device has the advantages of compact structure, low loss, large bandwidth and high uniformity, and is suitable for on-chip optical interconnection networks.)
技术领域
本发明涉及一种光功率分配器，尤其是涉及一种紧凑的1×N MMI型光功率分配器。
背景技术
硅基光子器件由于其高折射率差和互补金属氧化物半导体(CMOS)相兼容的特性引起了人们的极大兴趣。而片上光互连网络需要高效的光束分离和光束整形组件作为构建模块。因此，设计和制作一种紧凑的高性能光功率分配器成为了必要。
近年来，光功率分配器有了一定进展，诸如Y分支，定向耦合器(DC)之类的许多结构都可用于实现光功率分配器。其中，基于Y分支的光功率分配器具有宽带的特性，但由于刻蚀工艺的精度有限，它们的尖结很难制造，因此在实际应用中会导致较大的散射损耗。定向耦合器型的光功率分配器具有较低的损耗，且由于相位匹配条件的限制，带宽和均匀性相较于其它类型光功率分配器而言，其优势不是很明显。鉴此，设计一种结构紧凑、低损耗、大带宽和高均匀性的光功率分配器，以适用于片上光互连网络具有重大意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、具有低损耗、大带宽、高均匀性的特点，适用于片上光互连网络的光功率分配器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种紧凑的1×N MMI型光功率分配器，包括包层和光功率分配器主体结构，所述的包层的材料为二氧化硅，所述的光功率分配器主体结构嵌入所述的包层内被所述的包层包裹住，所述的光功率分配器主体结构包括多模干涉区波导和N+1个结构相同的锥形波导，N等于4或者8，所述的多模干涉区波导为直波导形状，所述的多模干涉区波导和N+1个锥形波导的材料均为硅，所述的多模干涉区波导和N+1个锥形波导的宽度方向均为前后方向，所述的多模干涉区波导和N+1个锥形波导的长度方向均为左右方向，所述的多模干涉区波导和N+1个锥形波导位于同一平面，每个所述的锥形波导分别由十段渐变锥形波导首尾依次连接组成，所述的十段渐变锥形波导分别为第一渐变锥形波导、第二渐变锥形波导、第三渐变锥形波导、第四渐变锥形波导、第五渐变锥形波导、第六渐变锥形波导、第七渐变锥形波导、第八渐变锥形波导、第九渐变锥形波导、第十渐变锥形波导，所述的第一渐变锥形波导的首端作为所述的锥形波导的首端，所述的第一渐变锥形波导的尾端和所述的第二渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第二渐变锥形波导的尾端和所述的第三渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第三渐变锥形波导的尾端和所述的第四渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第四渐变锥形波导的尾端和所述的第五渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第五渐变锥形波导的尾端和所述的第六渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第六渐变锥形波导的尾端和所述的第七渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第七渐变锥形波导的尾端和所述的第八渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第八渐变锥形波导的尾端和所述的第九渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第九渐变锥形波导的尾端和所述的第十渐变锥形波导的首端贴合连接，所述的第十渐变锥形波导的尾端作为所述的锥形波导的尾端，第1个锥形波导位于多模干涉区波导的左侧，第1个锥形波导的首端作为所述的1×N MMI型光功率分配器的输入端，第1个锥形波导的尾端与所述的多模干涉区波导的左端面贴合连接，第2个锥形波导至第N+1个锥形波导均位于所述的多模干涉区波导的右侧，第2个锥形波导至第N+1个锥形波导按照从前往后的顺序依次间隔排列，第2个锥形波导至第N+1个锥形波导的尾端分别与所述的多模干涉区波导的右端面贴合连接，第2个锥形波导至第N+1个锥形波导的首端分别为所述的1×N MMI型光功率分配器的N个输出端，第n个锥形波导的首端为所述的1×N MMI型光功率分配器的第n-1个输出端，n＝2,3，...，N+1,所述的1×N MMI型光功率分配器的输入端的宽度和N个输出端的宽度均为0.48μm；
当N＝4时，所述的多模干涉区波导和N+1个锥形波导的高度均为220nm，N+1个锥形波导的长度均为10μm，所述的多模干涉区波导的长度为17.5μm，所述的多模干涉区波导的宽度为6.5μm，所述的1×N MMI型光功率分配器的第1个输出端到所述的多模干涉区波导前边缘的垂直距离为150nm，N个输出端中任意相邻两个输出端的距离均为310nm；所述的第一渐变锥形波导、所述的第二渐变锥形波导、所述的第三渐变锥形波导、所述的第四渐变锥形波导、所述的第五渐变锥形波导、所述的第六渐变锥形波导、所述的第七渐变锥形波导、所述的第八渐变锥形波导、所述的第九渐变锥形波导和第十渐变锥形波导的长度均为1μm，所述的第一渐变锥形波导尾端和所述的第二渐变锥形波导首端的宽度均为0.54μm，所述的第二渐变锥形波导尾端和所述的第三渐变锥形波导首端的宽度均为0.54μm，所述的第三渐变锥形波导尾端和所述的第四渐变锥形波导首端的宽度均为0.68μm，所述的第四渐变锥形波导尾和所述的第五渐变锥形波导首端端的宽度均为0.70μm，所述的第五渐变锥形波导尾端和所述的第六渐变锥形波导首端的宽度均为0.70μm，所述的第六渐变锥形波导尾端和所述的第七渐变锥形波导首端的宽度均为0.64μm，所述的第七渐变锥形波导尾端和所述的第八渐变锥形波导首端的宽度均为0.73μm，所述的第八渐变锥形波导尾端和所述的第九渐变锥形波导首端的宽度均为0.80μm，所述的第九渐变锥形波导尾端和所述的第十渐变锥形波导首端的宽度均为1.16μm，所述的第十渐变锥形波导尾端的宽度为1.16μm。
当N＝8时，所述的多模干涉区波导和N+1个锥形波导的高度均为220nm，N+1个锥形波导的长度均为10μm，所述的多模干涉区波导的长度为28.4μm，所述的多模干涉区波导的宽度为12.33μm，所述的1×N MMI型光功率分配器的第1个输出端到所述的多模干涉区波导前边缘的垂直距离为140nm，N个输出端中相邻两个输出端的距离均为200nm；第一渐变锥形波导、第二渐变锥形波导、第三渐变锥形波导、第四渐变锥形波导、第五渐变锥形波导、第六渐变锥形波导、第七渐变锥形波导、第八渐变锥形波导、第九渐变锥形波导、第十渐变锥形波导，每个所述锥形波导长度均为1μm，所述的第一渐变锥形波导尾端和所述的第二渐变锥形波导首端的宽度均为0.55μm，所述的第二渐变锥形波导尾端和所述的第三渐变锥形波导首端的宽度均为0.73μm，所述的第三渐变锥形波导尾端和所述的第四渐变锥形波导首端的宽度均为0.85μm，所述的第四渐变锥形波导尾和所述的第五渐变锥形波导首端端的宽度均为0.88μm，所述的第五渐变锥形波导尾端和所述的第六渐变锥形波导首端的宽度均为1.14μm，所述的第六渐变锥形波导尾端和所述的第七渐变锥形波导首端的宽度均为0.90μm，所述的第七渐变锥形波导尾端和所述的第八渐变锥形波导首端的宽度均为0.95μm，所述的第八渐变锥形波导尾端和所述的第九渐变锥形波导首端的宽度均为0.94μm，所述的第九渐变锥形波导尾端和所述的第十渐变锥形波导首端的宽度均为1.16μm，所述的第十渐变锥形波导尾端的宽度为1.16μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过十段渐变锥形波导构成锥形波导，使得进入输入波导(第1个锥形波导)和输出波导(第2个锥形波导至第N+1个锥形波导)对应TE0模式光源有效折射率发生变化，当TE0模式光源从本发明的输入端输入时，先进入第1个锥形波导，由于构成第1个锥形波导的十段渐变锥形波导使得对应TE0模式光源有效折射率发生变化，起到规整光路的作用，使得TE0模式光源由第1个锥形波导传输到多模干涉区波导时只有很小的反射损耗，经过多模干涉区波导传输，在经过输出波导输出，最终在输出端得到较小的插入损耗，1×N光功率分配器通过十段渐变锥形波导组成的输入波导和输出波导，来实现结构紧凑、低损耗、大带宽和高均匀性的光功率分配器，对该光功率分配器进行仿真，仿真结果证明得到的两种光功率分配器在1500-1650nm波段下，均匀性都小于1dB，最大插入损耗分别小于0.72dB和0.63dB，由此本发明具有结构紧凑、低损耗、大宽带和高均匀性的特点，适用于片上光互连网络。
附图说明
图1(a)为本发明的一种紧凑的1×4MMI型光功率分配器的结构图；
图1(b)为本发明的一种紧凑的1×4MMI型光功率分配器主体结构中锥形波导的结构图；
图2(a)为本发明的一种紧凑的1×8MMI型光功率分配器的结构图；
图2(b)为本发明的一种紧凑的1×8MMI型光功率分配器主体结构中锥形波导的结构图；
图3为本发明的一种紧凑的1×4MMI型光功率分配器在波段1500nm-1650nm下TE0模式光源的均匀性和插入损耗仿真曲线图；
图4为本发明的一种紧凑的1×8MMI型光功率分配器在波段1500nm-1650nm下TE0模式光源的均匀性和插入损耗仿真曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图1(a)和图1(b)所示，一种紧凑的1×4MMI型光功率分配器，包括包层和光功率分配器主体结构，包层的材料为二氧化硅，光功率分配器主体结构嵌入包层内被包层包裹住，光功率分配器主体结构包括多模干涉区波导和5个结构相同的锥形波导Intput、output1、output2、output3和output4，多模干涉区波导为直波导形状，多模干涉区波导和5个锥形波导的材料均为硅，多模干涉区波导和5个锥形波导的宽度方向均为前后方向，多模干涉区波导和5个锥形波导的长度方向均为左右方向，多模干涉区波导和5个锥形波导位于同一平面，每个锥形波导分别由十段渐变锥形波导首尾依次连接组成，十段渐变锥形波导分别为第一渐变锥形波导1、第二渐变锥形波导2、第三渐变锥形波导3、第四渐变锥形波导4、第五渐变锥形波导5、第六渐变锥形波导6、第七渐变锥形波导7、第八渐变锥形波导8、第九渐变锥形波导9、第十渐变锥形波导10，第一渐变锥形波导1的首端作为锥形波导的首端，第一渐变锥形波导1的尾端和第二渐变锥形波导2的首端贴合连接，第二渐变锥形波导2的尾端和第三渐变锥形波导3的首端贴合连接，第三渐变锥形波导3的尾端和第四渐变锥形波导4的首端贴合连接，第四渐变锥形波导4的尾端和第五渐变锥形波导5的首端贴合连接，第五渐变锥形波导5的尾端和第六渐变锥形波导6的首端贴合连接，第六渐变锥形波导6的尾端和第七渐变锥形波导7的首端贴合连接，第七渐变锥形波导7的尾端和第八渐变锥形波导8的首端贴合连接，第八渐变锥形波导8的尾端和第九渐变锥形波导9的首端贴合连接，第九渐变锥形波导9的尾端和第十渐变锥形波导10的首端贴合连接，第十渐变锥形波导10的尾端作为锥形波导的尾端，第1个锥形波导Intput位于多模干涉区波导的左侧，第1个锥形波导Intput的首端作为1×N MMI型光功率分配器的输入端，第1个锥形波导Intput的尾端与多模干涉区波导的左端面贴合连接，第2个锥形波导output1至第5个锥形波导output4均位于多模干涉区波导的右侧，第2个锥形波导output1至第5个锥形波导output4按照从前往后的顺序依次间隔排列，第2个锥形波导output1至第5个锥形波导output4的尾端分别与多模干涉区波导的右端面贴合连接，第2个锥形波导output1至第5个锥形波导output4的首端分别为1×N MMI型光功率分配器的4个输出端，第n个锥形波导的首端为1×N MMI型光功率分配器的第n-1个输出端，n＝2,3，...，5，1×N MMI型光功率分配器的输入端的宽度和4个输出端的宽度均为0.48μm；多模干涉区波导和5个锥形波导的高度均为220nm，5个锥形波导的长度均为10μm，多模干涉区波导的长度为17.5μm，多模干涉区波导的宽度为6.5μm，1×N MMI型光功率分配器的第1个输出端到多模干涉区波导前边缘的垂直距离为150nm，5个输出端中任意相邻两个输出端的距离均为310nm；第一渐变锥形波导1、第二渐变锥形波导2、第三渐变锥形波导3、第四渐变锥形波导4、第五渐变锥形波导5、第六渐变锥形波导6、第七渐变锥形波导7、第八渐变锥形波导8、第九渐变锥形波导9和第十渐变锥形波导10的长度均为1μm，第一渐变锥形波导1尾端和第二渐变锥形波导2首端的宽度均为0.54μm，第二渐变锥形波导2尾端和第三渐变锥形波导3首端的宽度均为0.54μm，第三渐变锥形波导3尾端和第四渐变锥形波导4首端的宽度均为0.68μm，第四渐变锥形波导4尾和第五渐变锥形波导5首端端的宽度均为0.70μm，第五渐变锥形波导5尾端和第六渐变锥形波导6首端的宽度均为0.70μm，第六渐变锥形波导6尾端和第七渐变锥形波导7首端的宽度均为0.64μm，第七渐变锥形波导7尾端和第八渐变锥形波导8首端的宽度均为0.73μm，第八渐变锥形波导8尾端和第九渐变锥形波导9首端的宽度均为0.80μm，第九渐变锥形波导9尾端和第十渐变锥形波导10首端的宽度均为1.16μm，第十渐变锥形波导10尾端的宽度为1.16μm。
实施例二：如图2(a)和图2(b)所示，一种紧凑的1×8MMI型光功率分配器，包括包层和光功率分配器主体结构，包层的材料为二氧化硅，光功率分配器主体结构嵌入包层内被包层包裹住，光功率分配器主体结构包括多模干涉区波导和9个结构相同的锥形波导Intput、output1、output2、output3、output4、output5、output6、output7和output8，多模干涉区波导为直波导形状，多模干涉区(MMI)波导和9个锥形波导的材料均为硅，多模干涉区波导和9个锥形波导的宽度方向均为前后方向，多模干涉区波导和9个锥形波导的长度方向均为左右方向，多模干涉区波导和9个锥形波导位于同一平面，每个锥形波导分别由十段渐变锥形波导首尾依次连接组成，十段渐变锥形波导分别为第一渐变锥形波导1、第二渐变锥形波导2、第三渐变锥形波导3、第四渐变锥形波导4、第五渐变锥形波导5、第六渐变锥形波导6、第七渐变锥形波导7、第八渐变锥形波导8、第九渐变锥形波导9、第十渐变锥形波导10，第一渐变锥形波导1的首端作为锥形波导的首端，第一渐变锥形波导1的尾端和第二渐变锥形波导2的首端贴合连接，第二渐变锥形波导2的尾端和第三渐变锥形波导3的首端贴合连接，第三渐变锥形波导3的尾端和第四渐变锥形波导4的首端贴合连接，第四渐变锥形波导4的尾端和第五渐变锥形波导5的首端贴合连接，第五渐变锥形波导5的尾端和第六渐变锥形波导6的首端贴合连接，第六渐变锥形波导6的尾端和第七渐变锥形波导7的首端贴合连接，第七渐变锥形波导7的尾端和第八渐变锥形波导8的首端贴合连接，第八渐变锥形波导8的尾端和第九渐变锥形波导9的首端贴合连接，第九渐变锥形波导9的尾端和第十渐变锥形波导10的首端贴合连接，第十渐变锥形波导10的尾端作为锥形波导的尾端，第1个锥形波导Intput位于多模干涉区波导的左侧，第1个锥形波导Intput的首端作为1×N MMI型光功率分配器的输入端，第1个锥形波导Intput的尾端与多模干涉区波导的左端面贴合连接，第2个锥形波导output1至第9个锥形波导output8均位于多模干涉区波导的右侧，第2个锥形波导output1至第9个锥形波导output8按照从前往后的顺序依次间隔排列，第2个锥形波导output1至第9个锥形波导output8的尾端分别与多模干涉区波导的右端面贴合连接，第2个锥形波导output1至第9个锥形波导output8的首端分别为1×N MMI型光功率分配器的8个输出端，第n个锥形波导的首端为1×NMMI型光功率分配器的第n-1个输出端，n＝2,3，...，9，1×N MMI型光功率分配器的输入端的宽度和8个输出端的宽度均为0.48μm；多模干涉区波导和9个锥形波导的高度均为220nm，9个锥形波导的长度均为10μm，多模干涉区波导的长度为28.4μm，多模干涉区波导的宽度为12.33μm，1×N MMI型光功率分配器的第1个输出端到多模干涉区波导前边缘的垂直距离为140nm，8个输出端中相邻两个输出端的距离均为200nm；第一渐变锥形波导1、第二渐变锥形波导2、第三渐变锥形波导3、第四渐变锥形波导4、第五渐变锥形波导5、第六渐变锥形波导6、第七渐变锥形波导7、第八渐变锥形波导8、第九渐变锥形波导9、第十渐变锥形波导10，每个所述锥形波导长度均为1μm，第一渐变锥形波导1尾端和第二渐变锥形波导2首端的宽度均为0.55μm，第二渐变锥形波导2尾端和第三渐变锥形波导3首端的宽度均为0.73μm，第三渐变锥形波导3尾端和第四渐变锥形波导4首端的宽度均为0.85μm，第四渐变锥形波导4尾和第五渐变锥形波导5首端端的宽度均为0.88μm，第五渐变锥形波导5尾端和第六渐变锥形波导6首端的宽度均为1.14μm，第六渐变锥形波导6尾端和第七渐变锥形波导7首端的宽度均为0.90μm，第七渐变锥形波导7尾端和第八渐变锥形波导8首端的宽度均为0.95μm，第八渐变锥形波导8尾端和第九渐变锥形波导9首端的宽度均为0.94μm，第九渐变锥形波导9尾端和第十渐变锥形波导10首端的宽度均为1.16μm，第十渐变锥形波导10尾端的宽度为1.16μm。
本发明中，通过十段渐变锥形波导构成锥形波导使得进入锥形波导和输出锥形波导对应TE0模式光源的有效折射率发生变化，当TE0模式光源从本发明的输入端输入时，先进入第1个锥形波导，由于构成第1个锥形波导的十段渐变锥形波导使得对应TE0模式光源有效折射率发生变化，起到规整光路的作用，使得TE0模式光源由第1个锥形波导传输到多模干涉区波导时只有很小的反射损耗，经过多模干涉区波导传输，在经过第2个锥形波导-第N+1个锥形波导输出，最终在输出端得到较小的插入损耗。1×N MMI型光功率分配器，通过十段渐变锥形波导组成输入波导(第1个锥形波导)和输出波导(第2个锥形波导至第N+1个锥形波导)，来实现结构紧凑、低损耗、大带宽和高均匀性的光功率分配器。
在波段1500nm-1650nm下，对本发明的一种紧凑的1×N MMI型光功率分配器进行仿真，其中本发明的一种紧凑的1×4MMI型光功率分配器在波段1500nm-1650nm下TE0模式光源的均匀性和插入损耗仿真曲线图图3所示；本发明的一种紧凑的1×8MMI型光功率分配器在波段1500nm-1650nm下TE0模式光源的均匀性和插入损耗仿真曲线图如图4所示。图3中Insertion Loss表示插入损耗，wavelength表示波长，Uniformity表示均匀性；图4中Insertion Loss表示插入损耗，wavelength表示波长，Uniformity表示均匀性；分析图3和图4可知，该两种光功率分配器在1500-1650nm波段下，均匀性都小于1dB，最大插入损耗分别小于0.72dB和0.63dB。
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