基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器的制作方法

本发明涉及光通信的集成光学领域，具体是涉及一种基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器。
背景技术：
：空分复用已经被证明是提高光纤通信系统或片上光互连的容量的有效方法。具体而言，基于模分复用的空分复用可以为光纤传输和片上网络提供新的自由度，这在数据中心互连中非常需要用于容量增强。模分复用可用于提高互连的吞吐量，同时减少所需激光源的数量。集成光学是未来光通信系统的主流技术。基于表面等离子体激元的、在金属和介质界面上传播的等离子体激元器件显示出在深亚波长范围内引导和操纵光的巨大潜力，由于电子技术和光子技术的双重优势，人们在发展基于等离子体激元的波导结构方面付出了巨大的努力，报道了许多具有特殊优点的不同波导结构，例如沟道等离子体激元波导、金属绝缘体金属波导、楔形等离子体激元波导、混合等离子体激元波导和介质加载的等离子体波导。在目前提出的等离子体波导结构中，介质加载的等离子体波导器件由于与绝缘体上的硅平台等不同电介质的兼容性以及在传输损耗和模式限制之间提供了良好的折衷，在实际的光子集成系统条件下进行了研究。加强等离子体电子学作为未来芯片级光子集成有希望的候选者的前景。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有的基于锥形耦合器的等离子体模式转换及复用器结构复杂，对制作工艺的精度要求较高，损耗较大。技术实现要素：本发明的目的是为了克服上述
背景技术：
的不足，提供一种基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器，能够实现等离子集体模式的转换及复用，结构简单，对制作工艺的精度要求较低，损耗较小。第一方面，提供一种基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器，包括聚合物波导层，所述聚合物波导层包括第一定向耦合波导和第二定向耦合波导，宽度均保持不变；第一定向耦合波导与第二定向耦合波导平行且保持一定间距，共同形成定向耦合区，该定向耦合区将第一定向耦合波导中的基模转换成高阶模并耦合进第二定向耦合波导，第二定向耦合波导中的基模保持不变，最终基模和高阶模共同存在于第二定向耦合波导中。根据第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述间距为0.01～0.05μm。根据第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述定向耦合区的长度为4～10μm。根据第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第一定向耦合波导的宽度为300～900nm。根据第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第二定向耦合波导的宽度为1000～1500nm。根据第一方面，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述聚合物波导层还包括第一输入耦合器、第一输入波导、第一弯曲波导、第二弯曲波导和第一输出波导，第一输入耦合器、第一输入波导、第一弯曲波导、第一定向耦合波导、第二弯曲波导和第一输出波导顺次相连，且第一输入波导、第一弯曲波导、第一定向耦合波导、第二弯曲波导和第一输出波导的宽度均相同。根据第一方面，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述聚合物波导层还包括第二输入耦合器和第二输出波导，第二输入耦合器、第二定向耦合波导、第二输出波导顺次相连，且第二定向耦合波导的宽度与第二输出波导的宽度相同。根据第一方面，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述等离子体模式转换及复用器还包括薄金层和二氧化硅基底，聚合物波导层沉积在薄金层上，薄金层沉积在二氧化硅基底上。根据第一方面的第七种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述聚合物波导层的厚度为350～700nm，折射率为1.2～2。根据第一方面的第七种可能的实现方式，在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述薄金层的厚度为50～200nm。与现有技术相比，本发明的优点如下：(1)本发明提供的基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器，能够实现等离子集体模式的转换及复用，结构简单，对制作工艺的精度要求较低，损耗较小。(2)本发明具有尺寸小和高带宽的优点，制造成本较低，而且与硅基平台兼容，可与其他硅基集成器件一体集成，适于推广。附图说明图1为本发明实施例中基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器的剖面图；图2为本发明实施例中聚合物波导层的结构示意图；图3为本发明实施例中定向耦合区的示意图；图4中(a)为第一定向耦合波导中的tm0模式转换到tm1模式的仿真图；图4中(b)为第二定向耦合波导中保持tm0模式的仿真图；图5为本发明实施例中基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器在1300～1700nm工作波长内的转换效率的示意图。图6为现有的等离子体模式转换及复用器在1300～1700nm工作波长内的转换效率的示意图。附图标记：1-聚合物波导层；2-薄金层；3-二氧化硅基底；101-第一输入耦合器；102-第一输入波导；103-第一弯曲波导；104-第一定向耦合波导；105-第二弯曲波导；106-第一输出波导；107-第二输入耦合器；108-第二定向耦合波导；109-第二输出波导。具体实施方式现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。参见图1所示，本发明实施例提供一种基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器，包括聚合物波导层1、薄金层2和二氧化硅基底3，聚合物波导层1沉积在薄金层2上，薄金层2沉积在二氧化硅基底3上。其中，聚合物波导层1的厚度为350～700nm，折射率为1.2～2；薄金层2的厚度为50～200nm；二氧化硅基底3的厚度为50～200nm，折射率为1.4～2.0。作为优选的实施方式，参见图2所示，聚合物波导层1包括：顺次相连的第一输入耦合器101、第一输入波导102、第一弯曲波导103、第一定向耦合波导104、第二弯曲波导105和第一输出端106，且第一输入波导102、第一弯曲波导103、第一定向耦合波导104、第二弯曲波导105和第一输出端106的宽度均相同，优选为300nm～900nm；以及顺次相连的第二输入耦合器107、第二定向耦合波导108和第二输出波导109，且第二定向耦合波导108的宽度与第二输出波导109的宽度相同，优选为1000～1500nm。作为优选的实施方式，聚合物波导层1中各器件的作用如下：第一输入耦合器101的作用是将片外的激光耦合进片上，第一输入耦合器101可以是光栅耦合器，也可以是端面耦合器。第一输入波导102的作用是传输经过第一输入耦合器101耦合进来的光，第一输入波导102支持1个模式，即基模tm0。第一输入波导102的宽度优选为300nm～900nm。第一弯曲波导103的作用是将第一输入波导102传输过来的激光传输至第一定向耦合波导104，第一弯曲波导103的宽度与第一输入波导102的宽度相同，宽度优选为300nm～900nm。参见图3所示，第一定向耦合波导104和第二定向耦合波导108均为条形波导，且宽度均保持不变。第一定向耦合波导104与第二定向耦合波导108平行布置，且保持一定间距，共同形成定向耦合区，该定向耦合区将第一定向耦合波导104中的基模tm0转换成tm1并耦合进第二定向耦合波导108，第二定向耦合波导108中原有的tm0保持模式不变，最终tm0和tm1共同存在于第二定向耦合波导108中。参见图3所示，假设定向耦合区中的第一定向耦合波导104的宽度为wa，第二定向耦合波导108的宽度为wb，定向耦合区的长度为l，第一定向耦合波导104与第二定向耦合波导108之间的间距为g。通过仿真发现，各个参数的最佳范围参见表1所示：定向耦合区中第一定向耦合波导104与第二定向耦合波导108之间的间距g优选为0.01～0.05μm，定向耦合区的长度l优选为4～10μm，第一定向耦合波导104的宽度wa优选为300～900nm，第二定向耦合波导108的宽度wb优选为1000～1500nm。表1、定向耦合区的仿真参数表g(μm)l(μm)wa(μm)wb(μm)0.01～0.054～100.3～0.91.0～1.5第二弯曲波导105的作用是将第一定向耦合波导104与第一输出波导106相连，将耦合波导模式转换剩余的能量从第一输出波导106输出。第二弯曲波导105的宽度与第一弯曲波导103、第一定向耦合波导104的宽度相同，优选为300nm～900nm。第一输出波导106的最优结构为带有斜面的尾端，作用是减少反射。第一输出波导106的宽度与第二弯曲波导105的宽度相同，优选为300nm～900nm。第二输入耦合器107的作用是将片外的激光耦合进片上，并输入至第二定向耦合波导108，传输至与第二定向耦合波导相连的第二输出波导109。第二输入耦合器107可以是光栅耦合器，也可以是端面耦合器。根据耦合模理论，当两个介质波导靠得很近时，由于消逝场的作用，会发生两个波导之间的能量交换，即一个波导中的光能转移到另一个波导中去的现象。两个参与耦合的光波导可以是同种类型的，也可以是不同类型的。当两个波导的结构差异很大时，能量的交换往往不对等，通常是一个波导的光向另一个波导耦合。参见图3所示的定向耦合区，光在第一定向耦合波导104和第二定向耦合波导108形成的定向耦合区发生模式转换作用。存在于第一定向耦合波导104中的基模光tm0通过模式耦合作用转换成高阶模tm1，并耦合进第二定向耦合波导108，而存在于第二定向耦合波导108中的基模光tm0仍然是tm0，保持模式不变，与转换来的tm1共同传输，最终tm0和tm1共同存在于第二定向耦合波导108中。参见图4中的(a)所示，第一定向耦合波导104中的基模光tm0通过模式耦合作用转换成高阶模tm1；而图4中的(b)为存在于第二定向耦合波导302中的基模光tm0仍然是tm0，不发生模式转换，与转换来的tm1共同传输，最终tm0和tm1共同存在于第二定向耦合波导108中。第二输出波导109的作用是支持2个模式的传输，即支持从第一定向耦合波导104中转换而来的tm1和第二定向耦合波导108中的tm0，第二输出波导109的宽度与第二定向耦合波导108的宽度相同，均为1000nm～1500nm。同样，通过计算发现：参见图5所示，在1300～1700nm工作波长内，基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器的模式转换效率基本在70％-80％，带宽高达400nm。本发明实施例中的基于定向耦合的等离子体模式转换及复用器的尺寸小，定向耦合区尺寸仅为10微米量级；在1300～1700nm工作波长内，带宽比较宽，高达400nm。参见图6所示，现有的等离子体模式转换及复用器的模式转换效率也基本在70％-80％。本发明实施例模式转换效率也基本在70％-80％，但是，与现有的等离子体模式转换及复用器的模式转换效率的曲线相比，本发明实施例中模式转换效率的曲线略为平坦，即模式转换效率相对更加稳定。与现有的梯形耦合波导相比，本发明实施例中的条形定向耦合波导宽度不变，与条形定向耦合波导两端相连的波导的宽度也都与之对应保持一致，因此，本发明实施例中的定向耦合区域结构更加简单，对制作工艺的精度要求低，损耗更小。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页1 2 3