シリコン導波路上の単一傾斜スロットに基づく屈折率摂動によるモード変換の理論解析

Theoretical analysis of mode conversion by refractive-index perturbation based on a single tilted slot on a silicon waveguide.

• Chia-Chih Huang
• Chia-Chien Huang

抄録

3.4μmの中赤外波長で動作するコンパクトなモード変換器を提案し、シリコン・オン・フッ化カルシウムプラットフォーム上に窒化シリコンで満たされた平行四辺形のエッチングスロットからなる。傾斜したスロットは、導波路固有モードに横方向及び縦方向のインデックス摂動を導入し、伝搬方向のモード変換を達成する。これまでの大規模なパラメータスイープを用いた報告とは異なり、修正された位相整合条件と結合モード理論の結合係数のプロファイルを考慮して、幾何学的パラメータを決定するための解析式を提供する。厳密な3D数値例は、横方向電気(TE)-to-TE、TE-to-TE、TE-to-TE、TE-to-TEコンバータの変換効率(モーダル間クロストーク[CT]値)をそれぞれ>92.7% (<-27 dB)、>91.7% (<-16 dB)、>88.2% (<-13 dB)、>75.8% (<-10 dB)とし、総送信電力を>93%とすることを実証しています。コンバータデバイスの長さは、TE-to-TEからTE-to-TEまで、それぞれ16.84～24.61μmです。100nmの広帯域波長では、変換効率、電力伝送、最大モーダル間CTは、それぞれほぼ80%以上、90%以上、10dB以下となっています。また、提案構造の製作公差についても言及した。提案モデルは、任意のモード次数変換だけでなく、他の波長帯への拡張も可能である。このモデルの実現可能性を検証するために、波長1.55μmで動作するデバイスの数値結果を提供し、他の報告との比較を行った。提案されたアイデアは、任意の形状のモード変換器を設計するための新しいアプローチを開くかもしれない。

We propose a compact mode converter operating at the mid-infrared wavelength of 3.4 µm, comprising an etched parallelogram slot filled with silicon nitride on a silicon-on-calcium fluoride platform. The tilted slot introduces transverse and longitudinal index perturbations on the waveguide eigenmodes, achieving mode conversion in the propagation direction. Differing from previous reports using massive parameter sweep, we provide analytical formulas to determine geometry parameters by considering the modified phase-matching condition and the profiles of coupling coefficient of coupled-mode theory. Rigorous 3D numerical examples demonstrate the transverse electric (TE)-to-TE, TE-to-TE, TE-to-TE, and TE-to-TE converters to achieve conversion efficiencies (inter-modal crosstalk [CT] values) of >92.7% (<-27 dB), >91.7% (<-16 dB), >88.2% (<-13 dB), and >75.8% (<-10 dB), respectively, with a total transmitted power of >93%. Converter device lengths range from 16.84 to 24.61 µm for TE-to-TE to TE-to-TE, respectively. Over a broadband wavelength of 100 nm, the conversion efficiency, power transmission, and maximum inter-modal CT are almost >80%, >90%, and <-10 dB, respectively. Also, the fabrication tolerance of the proposed structure is addressed. The proposed model can not only realize arbitrary mode-order conversion but extend to other wavelength bands. To validate the feasibility of our model, the numerical results of our device operating at the wavelength of 1.55 µm are also offered and compared with those of other reports. The proposed idea may pave a new approach to designing mode converters with arbitrary geometries.