一种波导模式转换器的制造方法
【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(stripwaveguide)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耦合。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7 (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。
[0003]此外，传统的沟道波导的沟道较窄(通常〈100nm，若进一步增加沟道宽度会显著增加沟道波导的损耗)，因而在利用微纳工艺加工制作沟道波导时所要求的工艺精度也较高。为了降低对加工工艺精度的要求，条形-沟道混合型波导(Strip-loaded Slotwaveguide)被引入来替代传统的沟道波导。相比于传统沟道波导，条形-沟道混合型波导的特征在于其沟道未完全由上包层材料填充，而是部分由芯区波导材料填充(图5)。这一结构特性使得条形-沟道混合型波导保持了传统沟道波导的特性，如低折射率、低有效热光系数、光场能量部分分布于沟道中等；同时又可以实现较宽的沟道宽度(可>100nm)，从而降低对加工工艺精度的要求。在集成光电子器件系统中需要将条形-沟道混合型波导与条形波导连接起来使用。但条形波导与条形-沟道混合型波导的光场分布存在显著差异(图2和图6)，因此直接连接条形波导和条形-沟道混合型波导将导致较大的损耗。为了解决这一问题就需要采用波导模式转换器(mode converter)来实现两种波导模式之间的高效率转换，以便降低波导连接所带来的损耗。
[0004]综上，亟需一种可以将条形波导与沟道波导或条形-沟道混合型波导连接的波导模式转换器，既解决现有技术中的波导模式转换器加工困难的技术问题，也能使相连的两种波导模式之间高效率转换。
【发明内容】
[0005]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，也能使相连的两种波导模式之间高效率转换。
[0006]本发明提供一种波导模式转换器，包括:
[0007]多模波导区域和宽度渐变的沟道波导区域，所述多模波导区域的一端用于连接条形波导，另一端连接所述宽度渐变的沟道波导区域的一个波导端面，所述宽度渐变的沟道波导区域的另一波导端面用于连接沟道波导或条形-沟道混合型波导，所述宽度渐变的沟道波导区域中的沟道与所述沟道波导或条形-沟道混合型波导的沟道一一对应。
[0008]进一步地，
[0009]所述宽度渐变的沟道波导区域包括一个或多个沟道。
[0010]进一步地，
[0011]所述多模波导区域为矩形。
[0012]进一步地，
[0013]所述宽度渐变的沟道波导区域宽度线性渐变，即为梯形沟道波导区域；或宽度渐变的沟道波导区域宽度非线性渐变。
[0014]进一步地，
[0015]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。
[0016]进一步地，所述表面等离子体波导为:
[0017]非良导体材料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导。
[0018]进一步地，
[0019]所述非良导体材料为电介质、半导体或有机物。
[0020]进一步地，
[0021]所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；
[0022]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。
[0023]进一步地，
[0024]所述三五族光电子化合物材料为磷化铟或氮化镓。
[0025]进一步地，所述表面等离子体波导为:
[0026]硅或二氧化硅表面覆盖一层银或金的表面等离子体波导。
[0027]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或条形-沟道混合型波导间的模式转换。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。
【附图说明】
[0028]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。
[0029]图1是条形波导的结构示意图；
[0030]图2是条形波导模式光场能流密度分布图；
[0031]图3是沟道波导的结构示意图；
[0032]图4是沟道波导模式光场能流密度分布图；
[0033]图5是条形-沟道混合型波导的结构示意图；
[0034]图6是条形-沟道混合型波导模式光场能流密度分布图；
[0035]其中，在图1-图6中，包层以“101”标注出，波导以“102”标注出，衬底以“103”
标注出；
[0036]图7是现有技术中两种波导模式转换器的结构示意图；
[0037]图8是本发明实施例波导模式转换器的实施例一的基本结构示意图；
[0038]图9现有技术中的两种波导模式转换器与本发明实施例一所提供的波导模式转换器结构对比示意图；
[0039]图10是本发明实施例一中波导模式转换器的光场能流密度分布示意图；
[0040]图11是本发明实施例一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；
[0041]图12是本发明实施例一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；
[0042]图13是本发明实施例一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；
[0043]图14是本发明实施例波导模式转换器的实施例二的基本结构示意图；
[0044]图15是本发明实施例二中波导模式转换器的光场能流密度分布示意图；
[0045]图16是本发明实施例二中仿真得到的条形波导和条形-沟道混合型波导模式转换效率与波导模式转换器长度L的关系；
[0046]图17是本发明实施例二中仿真得到的条形波导和条形-沟道混合型波导模式转换效率随结构参数尺寸变化的关系；
[0047]图18是本发明实施例二中仿真得到的条形波导和条形-沟道混合型波导模式转换效率与光波波长的关系。
【具体实施方式】
[0048]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清