一种波导模式转换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种波导模式转换器，包括：多模波导区域(2)和宽度渐变的沟道波导区域(3)，所述多模波导区域(2)的一端用于连接条形波导(1)，另一端连接所述宽度渐变的沟道波导区域(3)的一个波导端面，所述宽度渐变的沟道波导区域(3)的另一波导端面用于连接沟道波导(4)，所述宽度渐变的沟道波导区域(3)中的沟道与所述沟道波导(4)的沟道一一对应。本发明中的波导模式转换器尺寸小，转换效率高，工作带宽宽，工艺容差大，易于加工的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
【专利说明】一种波导模式转换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成光电子器件领域，尤其涉及一种波导模式转换器。
【背景技术】
[0002]沟道波导(Slot waveguide)可以将光场能量限制在低折射率介质(沟道区域)内，因而在集成光电子器件领域具有诸多应用，例如热稳定微环谐振腔(athermalmicroring resonator)、偏振分束器(polarizat1n beam splitter)、光放大器(opticalamplifier)、非线性光电器件(nonlinear optical devices)、高性能电光调制器(highperformance electro-optic modulator)等功能型器件。然而相比于条形波导(stripwaveguide,?2dB/cm),沟道波导在传导光场时损耗较大(?10dB/cm),因此沟道波导在集成光电子器件系统中通常是作为辅助结构，只在器件的功能区域使用。而条形波导则作为集成光电子器件系统中传导光场的基本结构。这使得基于沟道波导的光电子器件必须进行条形波导与沟道波导间的耦合。但由于光场模式分布的不同，条形波导和沟道波导之间无法直接实现高效率的稱合。研究人员已经提出了两种波导模式转换器(mode converter)来解决这一问题，如图1(a)，(b)所示。但是这两种波导模式转换器中都采用了尖锐的楔形结构，因而加工困难。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种波导模式转换器，以解决现有技术中的波导模式转换器加工困难的技术问题。
[0004]本发明提供一种波导模式转换器，包括:
[0005]多模波导区域2和宽度渐变的沟道波导区域3，所述多模波导区域2的一端用于连接条形波导1，另一端连接所述宽度渐变的沟道波导区域3的一个波导端面，所述宽度渐变的沟道波导区域3的另一波导端面用于连接沟道波导4，所述宽度渐变的沟道波导区域3中的沟道与所述沟道波导4的沟道--对应。
[0006]进一步地，
[0007]所述宽度渐变的沟道波导区域3包括一个或多个沟道。
[0008]进一步地，
[0009]所述多模波导区域2为矩形。
[0010]进一步地，
[0011]所述宽度渐变的沟道波导区域3宽度线性渐变，即为梯形沟道波导区域。
[0012]进一步地，
[0013]所述波导模式转换器为非良导体材料波导，或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。
[0014]进一步地，所述表面等离子体波导为:
[0015]非良导体材料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导。
[0016]进一步地，
[0017]所述非良导体材料为电介质、半导体或有机物。
[0018]进一步地，
[0019]所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；
[0020]和/或，所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物材料。
[0021]进一步地，
[0022]所述三五族光电子化合物材料为磷化铟或氮化镓。
[0023]进一步地，所述表面等离子体波导为:
[0024]硅或二氧化硅表面覆盖一层银或金的表面等离子体波导。
[0025]可见，本发明提供的波导模式转换器利用多模干涉结构的自镜像原理可以实现超低损耗的条形波导与沟道波导间的模式转换。本发明中的波导模式转换器尺寸小，转换效率高，工作带宽宽，工艺容差大，易于加工的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1是现有技术中两种波导模式转换器的结构示意图；
[0028]图2是本发明实施例波导模式转换器的基本结构示意图；
[0029]图3现有技术中的两种波导模式转换器与本发明实施例所提供的波导模式转换器结构对比示意图；
[0030]图4是本发明实施例中波导模式转换器的光场能流密度分布示意图；
[0031]图5是本发明实施例中仿真及测量得到的条形波导和沟道波导耦合效率与波导模式转换器长度的关系；
[0032]图6是本发明实施例中测量得到的条形波导和沟道波导耦合效率与光波波长的关系;
[0033]图7是本发明实施例中仿真得到的条形波导和沟道波导耦合效率随结构参数尺寸变化的关系。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]图2示出了本发明实施例中的波导模式转换器的结构示意图，参见图2，本发明实施例中的波导模式转换器包括:
[0036]多模波导区域2和宽度渐变的沟道波导区域3，所述多模波导区域2的一端用于连接条形波导1，另一端连接所述宽度渐变的沟道波导区域3的一个波导端面，所述宽度渐变的沟道波导区域3的另一波导端面用于连接沟道波导4，所述宽度渐变的沟道波导区域3中的沟道与所述沟道波导4的沟道--对应。
[0037]在本实施例的具体应用中，沟道波导4可以包括一个或多个沟道。相应地，宽度渐变的沟道波导区域3中也可以包括一个沟道或多个沟道与其一一对应。
[0038]可选地，多模波导区域2可以为矩形。而宽度渐变的沟道波导区域3宽度线性可以渐变，即为梯形沟道波导区域，其可以为等腰梯形或非等腰梯形。
[0039]其中，波导模式转换器可以利用多模干涉结构的自镜像原理以实现条形波导I和沟道波导4之间的模式转换。
[0040]可选地，波导模式转换器可以为非良导体材料波导，或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。
[0041]可选地，表面等离子体波导可以为:非良导体材料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导。
[0042]其中，非良导体材料可以为电介质、半导体或有机物。具体地，电介质可以为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；和/或，半导体可以为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物材料。
[0043]其中，三五族光电子化合物材料可以为磷化铟或氮化镓。
[0044]可选地，表面等离子体波导可以为:硅或二氧化硅表面覆盖一层银或金的表面等离子体波导。
[0045]图3示出目前已有的两种波导模式转换器(a)、(b)与本实施例中的波导模式转换器(C)按实际尺寸比例的对比示意图。现有技术中的这两种方案虽然都可以实现条形波导与沟道波导间模式的转换，但由图3可见它们都采用了十分尖锐的楔形结构，这种尖锐的楔形结构在集成光电子器件的加工工艺中非常难以加工。而本发明实施例所提供的波导模式转换器(C)由于没有采用尖锐的楔形结构因而更加易于加工。同时，根据对比可以发现本发明实施例所提供的结构尺寸更小，因此更易于集成。
[0046]图4中以上包层覆盖空气的绝缘上娃(silicon-on-1nsulator, SOI)材料为例,通过三维全波矢量有限元方法(3D full vector finite element method, FEM)数值仿真示出了结构中光场能流的分布情况。由图4可见，光场从条形波导以TE极化的基模入射到波导模式转换器中，逐渐转换为沟道波导TE极化的基模。同时沟道波导也可以通过波导模式转换器将模式转换为条形波导的基模。为了进一步分析条形波导与沟道波导通过本实施例中的波导模式转换器进行稱合的稱合效率(Coupling efficiency)。本实施例展示以绝缘上硅材料为例进行加工测试的两波导的耦合性能。其中加工中采用的结构参数为:绝缘体上娃顶娃厚度为250nm ;条形波导的宽度为400nm ;沟道波导的总宽度为620nm ;沟道宽度为lOOnm，位于沟道波导中心；波导模式转换器多模区域长度和宽度分别SLmmi = 1.38 μ m,Wnmi = 1.24ym0不同长度(L)的波导模式转换器被加工来分析模式转换器长度(L)对波导耦合效率的影响。
[0047]图5展示了测量及仿真得到的条形波导与沟道波导通过本实施例的波导模式转换器进行耦合的耦合效率随波导模式转换器长度(L)的变化关系。由图5可见，测量结果与仿真结果十分吻合。且测量结果和仿真结果都表明:1)当波导模式转换器很短时(<2μπι)，两波导的耦合效率很低，约为80% ;2)但当波导模式转换器长度从2 μ m增加到4 μ m时，耦合效率迅速增加，达到98% (测量结果为97%) ；3)当波导模式转换器长度大于4μπι时，耦合效率不再增加。由此可见，采用大于4 μ m长的波导模式转换器即可实现高达98%的条形波导与沟道波导耦合效率，结构十分小巧，有利于集成。以下以6 μ m长的波导模式转换器为例，进一步分析其工作带宽及工艺容差特性。
[0048]图6展示了当入射光波长在1450nm至1580nm范围内变化时，测量得到的条形波导与沟道波导耦合效率。由图6可见，在这130nm宽的光谱范围内，测量得到的耦合效率没有明显的降低，一直保持在97%左右。这130nm的光谱范围涵盖了光通信领域的S波段、C波段以及部分的L波段，而集成光电子系统通常只需工作在C波段。由此可见本实施例提供的波导模式转换器具有很宽的工作带宽，足以满足集成光电子系统的应用。
[0049]图7通过改变波导模式转换器的尺寸来模拟实际加工中工艺误差造成的加工尺寸不精准。由图7可见在多模区域宽度和长度偏离设定尺寸±60nm的范围内，条形波导与沟道波导的耦合效率降低了不到2%。而目前的集成光电子器件主流加工工艺中加工此类无尖锐楔形结构的器件时通常都可以将加工误差控制在±30nm以内，因此本实施例器件的工艺容差足以满足集成光电子器件加工的需求。
[0050]可见，本发明实施例至少具有如下有益效果:
[0051]本发明实施例提供的波导模式转换器利用多模干涉结构的自镜像原理可以实现超低损耗的条形波导与沟道波导间的模式转换。本发明实施例中的波导模式转换器尺寸小，转换效率高，工作带宽宽，工艺容差大，易于加工的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
[0052]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种波导模式转换器,其特征在于,包括: 多模波导区域(2)和宽度渐变的沟道波导区域(3)，所述多模波导区域(2)的一端用于连接条形波导(I)，另一端连接所述宽度渐变的沟道波导区域(3)的一个波导端面，所述宽度渐变的沟道波导区域(3)的另一波导端面用于连接沟道波导(4)，所述宽度渐变的沟道波导区域(3)中的沟道与所述沟道波导(4)的沟道一一对应。
2.根据权利要求1所述的波导模式转换器，其特征在于: 所述宽度渐变的沟道波导区域(3)包括一个或多个沟道。
3.根据权利要求1所述的波导模式转换器，其特征在于: 所述多模波导区域(2)为矩形。
4.根据权利要求1所述的波导模式转换器，其特征在于: 所述宽度渐变的沟道波导区域(3)宽度线性渐变，即为梯形沟道波导区域。
5.根据权利要求1所述的波导模式转换器，其特征在于: 所述波导模式转换器为非良导体材料波导，或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。
6.根据权利要求5所述的波导模式转换器，其特征在于，所述表面等离子体波导为: 非良导体材料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导。
7.根据权利要求5或6所述的波导模式转换器，其特征在于: 所述非良导体材料为电介质、半导体或有机物。
8.根据权利要求7所述的波导模式转换器，其特征在于: 所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓； 和/或，所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物材料。
9.根据权利要求8所述的波导模式转换器，其特征在于: 所述三五族光电子化合物材料为磷化铟或氮化镓。
10.根据权利要求6所述的波导模式转换器，其特征在于，所述表面等离子体波导为: 硅或二氧化硅表面覆盖一层银或金的表面等离子体波导。
【文档编号】G02B6/14GK104166182SQ201410421925
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】周治平, 邓清中 申请人:北京大学