基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器
阅读说明：本技术 基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器 (Ultra-wideband mode spot converter based on-chip integrated Maxwell half fish-eye lens ) 是由 沈健 张永 苏翼凯 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：一种基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器,包括：片上集成的麦克斯韦半鱼眼透镜、设置于麦克斯韦半鱼眼透镜圆心一侧的过渡区以及硅波导,该硅波导包括：第一波导和第二波导,其中：第一波导作为输入端设置于过渡区的外侧,第二波导作为输出端位于麦克斯韦半鱼眼透镜相对过渡区的圆周一侧。本发明通过优化麦克斯韦半鱼眼透镜梯度折射的结构,不仅减小了透镜尺寸,而且与硅波导集成,实现不同宽度波导中的模斑尺寸匹配。(An ultra-wideband mode spot converter based on an on-chip integrated Maxwell half-fisheye lens, comprising: the on-chip integrated Maxwell half fish-eye lens, set up transition area and silicon waveguide in Maxwell half fish-eye lens centre of a circle one side, this silicon waveguide includes: a first waveguide and a second waveguide, wherein: the first waveguide is used as an input end and arranged on the outer side of the transition area, and the second waveguide is used as an output end and is positioned on one side of the circumference of the Maxwell half fisheye lens relative to the transition area. By optimizing the gradient refraction structure of the Maxwell half fish-eye lens, the size of the lens is reduced, and the lens is integrated with a silicon waveguide to realize the size matching of mode spots in waveguides with different widths.)
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麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器。
背景技术
在集成光路中，为了减小芯片的尺寸，提高芯片上器件的性能，需要设计结构尺寸紧凑、耦合效率高的光电器件，其中一类重要的无源器件是模斑转换器。模斑转换器是用来匹配不同模斑尺寸的无源器件，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，是未来大规模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占地面积大、基于变换光学的透镜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麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，通过优化麦克斯韦半鱼眼透镜梯度折射的结构，不仅减小了透镜尺寸，而且与硅波导集成，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：片上集成的麦克斯韦半鱼眼透镜、设置于麦克斯韦半鱼眼透镜圆心一侧的过渡区以及硅波导，该硅波导包括：第一波导和第二波导，其中：第一波导作为输入端设置于过渡区的外侧，第二波导作为输出端位于麦克斯韦半鱼眼透镜相对过渡区的圆周一侧。
所述的麦克斯韦半鱼眼透镜具有径向的填充因子分布，折射率分布满足：其中：nmax为中心最大折射率，Rlens为麦克斯韦半鱼眼透镜的半径，R为距离麦克斯韦半鱼眼透镜中心的径向距离。
所述的麦克斯韦半鱼眼透镜中的最大折射率与最小折射率关系为nmax＝2nmin，其中：nmin为麦克斯韦半鱼眼透镜中的最小折射率值，nmax为麦克斯韦半鱼眼透镜中的最大折射率值。
所述的超宽带模斑转换器，通过微电子CMOS兼容工艺制备得到，可支持大规模的集成，包括：采用顶层硅厚220nm，掩埋层厚3μm的SOI基底进行器件的制备，使用电子束曝光光刻技术，将光栅、麦克斯韦半鱼眼透镜和波导定义在光刻胶上，而后进行显影和多步刻蚀并刻蚀70nm以形成光栅，部分浅刻蚀160nm以形成纳米柱阵列构成透镜和输出波导，全刻蚀220nm以形成220nm厚的波导，在刻蚀步骤完成后，使用等离子体增强化学气相沉积法沉积1μm厚的SiO2包层。
技术效果
本发明在SOI基底上使用纳米柱阵列构成超材料实现有效折射率的变化构成麦克斯韦半鱼眼透镜，在较小的占地面积中实现从高度和宽度两个维度调整光场模斑大小，与现有常规技术相比，本发明能够占地面积足够小，并且与微电子CMOS工艺相兼容，其工作带宽大，因此支持片上多级系统的大规模集成。
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为实施例TE模斑转换的波长为1.55μm的仿真光谱图；
图4为实施例TE模斑转换的波长为1.26μm的仿真光谱图；
图5为实施例TE模斑转换的波长为2μm的仿真光谱图；
图中：片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜1、硅波导2、输入端3、输出端4、第一波导5、第二波导6、过渡区7。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种可以在SOI平台上加工实现的基于片上集成麦克斯韦半鱼眼透镜的超宽带模斑转换器，包括：片上集成的麦克斯韦半鱼眼透镜1、设置于麦克斯韦半鱼眼透镜1圆心一侧的过渡区7以及硅波导2，该硅波导2包括：第一波导5和第二波导6，其中：第一波导5作为输入端3设置于过渡区7的外侧，第二波导6作为输出端4位于麦克斯韦半鱼眼透镜1相对过渡区7的圆周一侧。
所述的麦克斯韦半鱼眼透镜1为上下包层结构，其中：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填充因子的硅纳米棒天线阵列结构，有效折射率取决于亚波长结构硅纳米棒的填充因子，该硅超材料层实现了麦克斯韦半鱼眼透镜的功能，不仅器件占地面积变小，而且在740nm超宽带范围内以极低的损耗同时实现了模斑尺寸在宽度和高度上的转换。
所述的硅纳米棒的周期为p。
所述的第一波导5为矩形结构，其宽度小于等于麦克斯韦半鱼眼透镜的1的直径，可根据实际使用调整第一波导5的宽度和麦克斯韦半鱼眼透镜1的直径。
所述的第二波导6为矩形结构，第一波导5与第二波导6的宽度比选为16：1，可根据实际使用调整比值。
所述的麦克斯韦半鱼眼透镜1具有径向的填充因子分布，以周期性的硅纳米柱阵列构成，纳米柱周围被刻蚀掉的部分，沉积二氧化硅填充，其中折射率分布满足：其中：nmax为边缘折射率，Rlens为麦克斯韦半鱼眼透镜1的半径，R为距离麦克斯韦半鱼眼透镜1中心的径向距离。
所述的麦克斯韦半鱼眼透镜1中的最大折射率与最小折射率的关系为nmax＝2nmin。
所述的麦克斯韦半鱼眼透镜具体为各向异性透镜，所以等效材料折射率在平面方向为：在垂直方向为： 其中：nmeta(R)、nSi和分别为等效材料、硅和二氧化硅的折射率，δ(R)＝πr2/p2为纳米棒的填充因子，r为纳米柱的半径。其填充因子范围为0至100％，考虑到实验的可行性，将最大填充因子设置为67.9％。
本实施例涉及上述麦克斯韦半鱼眼透镜的制备方法，通过设定SOI平台顶部的硅层厚度220nm，掩埋氧化物层厚度为3μm，二氧化硅顶部覆盖层厚度为1μm；第一波导5的宽度和第二波导6的宽度分别设为8μm和0.5μm；麦克斯韦半鱼眼透镜的纳米棒最小填充因子设为0.3％，最小有效折射率为1.8，最大有效折射率为2.7，最大填充因子设为67.9％，周期为200nm，透镜的长度为5.44μm；根据前述设定参数计算耦合损耗和工作带宽：如图2所示，透射光谱在波长1.26μm～2μm范围内，其耦合损耗低于1dB。因此该模斑转换器具有大于740nm的工作带宽和低插入损耗。
如图3、图4和图5所示，分别显示了光波长为1.55μm、1.26μm和2μm时，TE基模的电场(Ey)的分布；也可以通过改变输入端3输出端4硅波导和麦克斯韦半鱼眼透镜1的参数，使其符合TM基模传输的有效折射率，从而实现TM基模的模斑尺寸匹配。
本实施例涉及上述麦克斯韦半鱼眼透镜的应用：在正常室温的具体环境设置下，使用激光器输入光源(Santec TSL-550and Keysight 81960A)，经过偏振控制器，倾斜的光纤透镜和片上的光栅，将光耦合进放置在垂直耦合台上的硅芯片，通过麦克斯韦半鱼眼透镜后的光被光栅耦合出芯片进入输出部分的光纤中，输出光信号经过3dB耦合器，一路输入进可读数光功率计，一路输入进扫谱功率计(Keysight N7744A)，对准光后，计算机控制扫谱功率计进行扫谱，最终得到光信号的谱图，研究光信号在本发明器件中的插入损耗，带宽等性能。
与现有技术相比，本装置能够实现波长从1.26μm～2μm之间模斑尺寸的转换，带宽达到740nm，远高于现有的锥形(taper)结构性能；在740nm的带宽范围内，能够实现C波段和O波段的光场模斑在高度和宽度上尺寸得到改变，模斑尺寸转换损耗在1dB以内，损耗要低于现有的Hollowtaper结构性能。3、占地面积小，本发明长5.44μm，占地面积小于现有透镜结构。4、本发明能够从波导宽度和高度两个维度改变光场模斑的尺寸，优于现有平面波导透镜技术。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
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