一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统

摘要

本发明公开一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，其包括：第一二氧化硅包层，所述第一二氧化硅包层连接硅芯，所述硅芯连接第一空气包层，所述第一空气包层连接第一InP包层，所述第一InP包层连接第二InP包层，所述第二InP包层连接第三InP包层，所述第三InP包层连接第二二氧化硅包层，本发明能够用来连接光通信和毫米波通信中不同的各种功能单元，使得能量信息能够在短距离内以绝热方式移动，从而在空间上将能量信息从一个功能单元传输到另一个功能单元，同时可以将损耗降到最低。

权利要求

1.一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，其特征在于，包括：多重脊波导结构(8)，所述多重脊波导结构(8)通过硅芯(2)连接常规硅脊波导结构(9)；

所述多重脊波导结构(8)、常规硅脊波导结构(9)均包括第一二氧化硅包层(1)、硅芯(2)、第一空气包层(3)、第一InP包层(4)，所述第一二氧化硅包层(1)连接硅芯(2)，所述硅芯(2)连接第一空气包层(3)，所述第一空气包层(3)连接第一InP包层(4)；

所述第一InP包层(4)连接第二InP包层(5)，所述第二InP包层(5)连接第三InP包层(6)，所述第三InP包层(6)连接第二二氧化硅包层(7)；所述硅芯(2)实现光束传播包括有两个外侧锥形波导(21)，所述两个外侧锥形波导(21)内侧有两个次外侧锥形波导(22)，所述两个次外侧锥形波导(22)内侧有两个内侧锥形波导(23)，所述两个内侧锥形波导(23)内侧有中间核心锥形波导(24)；所述外侧锥形波导(21)有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL缩小到0，长度为L2的第一锥形波导；

所述次外侧锥形波导(22)有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL缩小到W1＝WL/2，长度为L2的第二锥形波导，所述第二锥形波导连接有宽度从W1＝WL/2缩小到0，长度L3的第三锥形波导；

所述内侧锥形波导(23)有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL缩小到W2＝2WL/3，长度为L2的第四锥形波导，所述第四锥形波导连接有W2＝2WL/3缩小到W3＝WL/3，长度L3的第五锥形波导，所述第五锥形波导连接有W3＝WL/3缩小到0，长度L4第六锥形波导；

中间核心锥形波导(24)有宽度WL，长度L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL增大到W1＝(3WL+WR)/4，长度为L2的第七锥形波导，所述第七锥形波导连接有宽度从W1增大到W2＝(WL+WR)/2，长度为L3的第八锥形波导，所述第八锥形波导连接有宽度从W2增大到W3＝(WL+3WR)/4，长度为L4的第九锥形波导，所述第九锥形波导连接有宽度从W3增大到WR，长度为L5的第十锥形波导。

2.根据权利要求1所述的一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，其特征在于，所述第一二氧化硅包层(1)的厚度为h1，折射率nSiO2＝1.445，所述硅芯(2)的厚度为h2，折射率nsi＝3.455，所述第一空气包层(3)的厚度为h3，折射率nAir＝1，所述第一InP包层(4)的厚度为h4，折射率nInP1＝3.1825，所述第二InP包层(5)的厚度为h5，折射率nInP2＝

3.4195，所述第三InP包层(6)的厚度为h6，折射率nInP3＝3.1787，所述第二二氧化硅包层(7)的厚度为h7，折射率nSiO2＝1.445。

3.根据权利要求2所述的一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，其特征在于所述h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7的取值范围均为20nm至2000nm。

4.根据权利要求1所述的一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，其特征在于，所述L1、L2、L3、L4的取值范围均为20μm至2000μm。

说明书

一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光通信和毫米波通信技术领域，具体为一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统。

背景技术

[0002] 光通信器件主要采用磷化铟(InP)材料，InP已经成为光电器件和微电子器件不可或缺的重要半导体材料，广泛的用于光通信和毫米波通信领域。

[0003] 目前互联网采用光纤光缆实现信息的高速传输，只有采用InP材料制造的激光器发出的信息可以在光纤中实现无损耗的传输。InP是一种直接带隙材料，具有电子迁移率高、耐辐射性能优异、带宽大、稳定性高等优点。InP基波导结构可以实现光纤通信和毫米波通信中信息的无损耗传输，可应用于中国移动、联通、电信、华为等企业的大数据中心。InP可以通过控制不同元素的组合比例，实现不同的折射率以满足要求。InP基的有源光子器件、无源光子器件、以及InP基微电子回路可以集成在同一基片(“芯片”)上。InP基绝热导波系统是光通信和毫米波通信中连接各种功能单元的“连接器”，将能量信息从一个功能单元传输到另一个功能单元，为了提高InP基芯片的集成度实现更小尺寸以满足新一代信息技术发展的需求，InP基绝热导波系统的优化设计在光通信和毫米波通信领域占有举足轻重的地位。

发明内容

[0004] 本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

[0005] 鉴于上述和/或现有InP中存在的问题，提出了本发明。

[0006] 因此，本发明的目的是提供一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，能够用来连接光通信和毫米波通信中不同的各种功能单元，使得能量信息能够在短距离内以绝热方式移动，从而在空间上将能量信息从一个功能单元传输到另一个功能单元，同时可以将损耗降到最低。

[0007] 为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

[0008] 一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，其包括：多重脊波导结构，所述多重脊波导结构通过硅芯连接常规硅脊波导结构；

[0009] 所述多重脊波导结构、常规硅脊波导结构均包括第一二氧化硅包层、硅芯、第一空气包层、第一InP包层，所述第一二氧化硅包层，所述第一二氧化硅包层连接硅芯，所述硅芯连接第一空气包层，所述第一空气包层连接第一InP包层；

[0010] 所述第一InP包层连接第二InP包层，所述第二InP包层连接第三InP包层，所述第三InP包层连接第二二氧化硅包层。

[0011] 优选的，所述第一二氧化硅包层的厚度为h1，折射率nSiO2＝1.445，所述硅芯的厚度为h2，折射率nsi＝3.455，所述第一空气包层的厚度为h3，折射率nAir＝1，所述第一InP包层的厚度为h4，折射率nInP1＝3.1825，所述第二InP包层的厚度为h5，折射率nInP2＝3.4195，所述第三InP包层的厚度为h6，折射率nInP3＝3.1787，所述第二二氧化硅包层的厚度为h7，折射率nSiO2＝1.445。

[0012] 优选的，所述硅芯实现光束传播包括有两个外侧锥形波导，所述两个外侧锥形波导内侧有两个次外侧锥形波导，所述两个次外侧锥形波导内侧有两个内侧锥形波导，所述两个内侧锥形波导内侧有中间核心锥形波导。

[0013] 优选的，所述h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7的取值范围均为20nm至2000nm。

[0014] 优选的，所述外侧锥形波导有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL缩小到0，长度为L2的第一锥形波导；

[0015] 所述次外侧锥形波导有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL缩小到W1＝WL/2，长度为L2的第二锥形波导，所述第二锥形波导连接有宽度从W1＝WL/2缩小到0，长度L3的第三锥形波导；

[0016] 所述内侧锥形波导有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL缩小到W2＝2WL/3，长度为L2的第四锥形波导，所述第四锥形波导连接有W2＝2WL/3缩小到W3＝WL/3，长度L3的第五锥形波导，所述第五锥形波导连接有W3＝WL/3缩小到0，长度L4第六锥形波导；

[0017] 中间核心锥形波导有宽度WL，长度L1的平行板波导，所述平行板波导连接有宽度从WL增大到W1＝(3WL+WR)/4，长度为L2的第七锥形波导，所述第七锥形波导连接有宽度从W1增大到W2＝(WL+WR)/2，长度为L3的第八锥形波导，所述第八锥形波导连接有宽度从W2增大到W3＝(WL+3WR)/4，长度为L4的第九锥形波导，所述第九锥形波导连接有宽度从W3增大到WR，长度为L5的第十锥形波导。

[0018] 优选的，所述L1、L2、L3、L4的取值范围均为20μm至2000μm。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0020] 1.本发明设计一种InP基绝热导波系统，用于连接光通信和毫米波通信中不同的各种功能单元，将多重脊波导结构中的信息无损耗的传输到常规硅脊波导结构中，现有技术无法对这种情况进行设计。

[0021] 2.本发明通过在光束传播方向上对InP基绝热导波系统的各个部分分别进行设计，使得能量信息沿传播方向缓慢变化，以尽可能短的距离将输入端的能量信息无损耗的传播到输出端，实现光通信和毫米波通信中信息的绝热无损耗传输。

[0022] 3.本发明设计的结构在能量信息传输方向上分成了若干片段，对每一片段分别设计，采用了数值化的思想，获得了InP基绝热导波系统的数值化结果，从而大幅缩短了整个结构的长度，实现紧凑型InP基绝热导波系统的优化设计。

[0023] 4.本发明的InP基绝热导波系统可以获得很宽的工作带宽，且获得的结构尺寸小、结构简单，可以提高InP基绝热芯片的集成度实现更小尺寸以满足光通信和毫米波通信领域发展的需求。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

[0025] 图1为本发明InP基绝热导波系统结构左视图；

[0026] 图2为本发明InP基绝热导波系统结构右视图；

[0027] 图3为本发明硅芯视图；

[0028] 图4为本发明InP基绝热导波系统实际左视图；

[0029] 图5为本发明InP基绝热导波系统实际右视图。

[0030] 图6为本发明功率传输曲线图。

具体实施方式

[0031] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0032] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

[0033] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

[0035] 如图1、图2所示，本发明提供一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统，其包括：多重脊波导结构8，所述多重脊波导结构8通过硅芯2连接常规硅脊波导结构)；

[0036] 所述多重脊波导结构8、常规硅脊波导结构9均包括第一二氧化硅包层1、硅芯2、第一空气包层3、第一InP包层4，所述第一二氧化硅包层1，所述第一二氧化硅包层1连接硅芯2，所述硅芯2连接第一空气包层3，所述第一空气包层3连接第一InP包层4；

[0037] 所述第一InP包层4连接第二InP包层5，所述第二InP包层5连接第三InP包层6，所述第三InP包层6连接第二二氧化硅包层7。

[0038] 第一二氧化硅包层1的厚度为h1，折射率nSiO2＝1.445，硅芯2的厚度为h2，折射率nsi＝3.455，第一空气包层3的厚度为h3，折射率nAir＝1，第一InP包层4的厚度为h4，折射率nInP1＝3.1825，第二InP包层5的厚度为h5，折射率nInP2＝3.4195，第三InP包层6的厚度为h6，折射率nInP3＝3.1787，第二二氧化硅包层7的厚度为h7，折射率nSiO2＝1.445，其中在本实施例中，h1＝1000nm，h2＝80nm，h3＝420nm，h4＝150nm，h5＝396nm，h6＝1500nm，h7＝1000nm。

[0039] 如图3所述，硅芯2实现光束传播包括有两个外侧锥形波导21，两个外侧锥形波导21内侧有两个次外侧锥形波导22，两个次外侧锥形波导22内侧有两个内侧锥形波导23，两个内侧锥形波导23内侧有中间核心锥形波导24。

[0040] 外侧锥形波导21有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，平行板波导连接有宽度从WL缩小到0，长度为L2的第一锥形波导；

[0041] 次外侧锥形波导22有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，平行板波导连接有宽度从WL缩小到W1＝WL/2，长度为L2的第二锥形波导，第二锥形波导连接有宽度从W1＝WL/2缩小到0，长度L3的第三锥形波导；

[0042] 内侧锥形波导23有宽度为WL，长度为L1的平行板波导，平行板波导连接有宽度从WL缩小到W2＝2WL/3，长度为L2的第四锥形波导，第四锥形波导连接有W2＝2WL/3缩小到W3＝WL/3，长度L3的第五锥形波导，第五锥形波导连接有W3＝WL/3缩小到0，长度L4第六锥形波导；

[0043] 中间核心锥形波导24有宽度WL，长度L1的平行板波导，平行板波导连接有宽度从WL增大到W1＝(3WL+WR)/4，长度为L2的第七锥形波导，第七锥形波导连接有宽度从W1增大到W2＝(WL+WR)/2，长度为L3的第八锥形波导，第八锥形波导连接有宽度从W2增大到W3＝(WL+3WR)/4，长度为L4的第九锥形波导，第九锥形波导连接有宽度从W3增大到WR，长度为L5的第十锥形波导。

[0044] 其中在本实施例中，WL为输入端多重脊波导，WL＝0.2μm，波导空隙间距g＝0.45μm，WR为输出端脊波导的宽度，WR＝1.5μm,光束的波长为1.564μm。

[0045] 图4、图5，为实际工作情况下InP基绝热导波系统试图。

[0046] 本发明结构中各个片段的长度可以任意选择，均可设计出可以实现能量信息无损耗传输的InP基绝热导波系统。以L1＝L2＝L3＝L4＝L5＝50μm的设计长度为例，通过仿真模拟可以得到该InP基绝热导波系统TE0模式输入和TE0模式输出的功率传输效率曲线，如图6所示，该图给出了不同长度下对应的功率传输效率。从图上可以看出，总长度为750μm就可以实现90％的功率传输效率，如果要实现更高的功率传输效率，则从图6中选择一个更长的长度，如要实现95％的功率传输效率，则需要1500μm的总长度。实际应用则需要根据应用需求，选择不同的长度，从而实现光通信和毫米波通信领域紧凑型InP基绝热导波系统的设计。

[0047] L1、L2、L3、L4和L5是每个片段的设计长度，将它们作为各自独立完整的结构拼接在一起形成最终的InP基绝热导波系统，不同的L1、L2、L3、L4和L5值影响的是每个片段的“绝对长度”，而最终InP基绝热导波系统的“整体形状”是由各个片段的“相对长度”决定的，通过仿真扫描“绝对长度”就可以获得最终InP基绝热导波系统的“相对长度”，比如这里总长度750μm实现90％的传输效率就是最终InP基绝热导波系统的“相对长度”，这个长度就可用于实际的加工制造，测试传输效率就可以达到90％。

[0048] 虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。