一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，包括：多模波導(dǎo)區(qū)域(2)和寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)，所述多模波導(dǎo)區(qū)域(2)的一端用于連接條形波導(dǎo)(1)，另一端連接所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)的一個波導(dǎo)端面，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)的另一波導(dǎo)端面用于連接溝道波導(dǎo)(4)，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)中的溝道與所述溝道波導(dǎo)(4)的溝道一一對應(yīng)。本實用新型中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器尺寸小，轉(zhuǎn)換效率高，工作帶寬寬，工藝容差大，易于加工的特點(diǎn)，在集成光電子領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。
【專利說明】一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及集成光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器。

【背景技術(shù)】
[0002]溝道波導(dǎo)(Slot waveguide)可以將光場能量限制在低折射率介質(zhì)(溝道區(qū)域)內(nèi)，因而在集成光電子器件領(lǐng)域具有諸多應(yīng)用，例如熱穩(wěn)定微環(huán)諧振腔(athermalmicroring resonator)、偏振分束器(polarizat1n beam splitter)、光放大器(opticalamplifier)、非線性光電器件(nonlinear optical devices)、高性能電光調(diào)制器(highperformance electro-optic modulator)等功能型器件。然而相比于條形波導(dǎo)(stripwaveguide,?2dB/cm),溝道波導(dǎo)在傳導(dǎo)光場時損耗較大(?10dB/cm),因此溝道波導(dǎo)在集成光電子器件系統(tǒng)中通常是作為輔助結(jié)構(gòu)，只在器件的功能區(qū)域使用。而條形波導(dǎo)則作為集成光電子器件系統(tǒng)中傳導(dǎo)光場的基本結(jié)構(gòu)。這使得基于溝道波導(dǎo)的光電子器件必須進(jìn)行條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)間的耦合。但由于光場模式分布的不同，條形波導(dǎo)和溝道波導(dǎo)之間無法直接實現(xiàn)高效率的稱合。研究人員已經(jīng)提出了兩種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器(mode converter)來解決這一問題，如圖1(a)，(b)所示。但是這兩種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器中都采用了尖銳的楔形結(jié)構(gòu)，因而加工困難。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型提供一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器加工困難的技術(shù)問題。
[0004]本實用新型提供一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，包括:
[0005]多模波導(dǎo)區(qū)域2和寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3，所述多模波導(dǎo)區(qū)域2的一端用于連接條形波導(dǎo)1，另一端連接所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3的一個波導(dǎo)端面，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3的另一波導(dǎo)端面用于連接溝道波導(dǎo)4，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3中的溝道與所述溝道波導(dǎo)4的溝道--對應(yīng)。
[0006]進(jìn)一步地，
[0007]所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3包括一個或多個溝道。
[0008]進(jìn)一步地，
[0009]所述多模波導(dǎo)區(qū)域2為矩形。
[0010]進(jìn)一步地，
[0011]所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3寬度線性漸變，即為梯形溝道波導(dǎo)區(qū)域。
[0012]進(jìn)一步地，
[0013]所述波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器為非良導(dǎo)體材料波導(dǎo)，或非良導(dǎo)體材料與金屬結(jié)合的表面等離子體波導(dǎo)。
[0014]進(jìn)一步地，所述表面等離子體波導(dǎo)為:
[0015]非良導(dǎo)體材料表面覆蓋一層金屬的表面等離子體波導(dǎo)。
[0016]進(jìn)一步地，
[0017]所述非良導(dǎo)體材料為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。
[0018]進(jìn)一步地，
[0019]所述電介質(zhì)為二氧化硅、二氧化鈦或氧化鎵；
[0020]和/或，所述半導(dǎo)體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物材料。
[0021]進(jìn)一步地，
[0022]所述三五族光電子化合物材料為磷化銦或氮化鎵。
[0023]進(jìn)一步地，所述表面等離子體波導(dǎo)為:
[0024]硅或二氧化硅表面覆蓋一層銀或金的表面等離子體波導(dǎo)。
[0025]可見，本實用新型提供的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器利用多模干涉結(jié)構(gòu)的自鏡像原理可以實現(xiàn)超低損耗的條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)間的模式轉(zhuǎn)換。本實用新型中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器尺寸小，轉(zhuǎn)換效率高，工作帶寬寬，工藝容差大，易于加工的特點(diǎn)，在集成光電子領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中兩種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本實用新型實施例波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3現(xiàn)有技術(shù)中的兩種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器與本實用新型實施例所提供的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)對比示意圖；
[0030]圖4是本實用新型實施例中波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的光場能流密度分布示意圖；
[0031]圖5是本實用新型實施例中仿真及測量得到的條形波導(dǎo)和溝道波導(dǎo)耦合效率與波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器長度的關(guān)系；
[0032]圖6是本實用新型實施例中測量得到的條形波導(dǎo)和溝道波導(dǎo)耦合效率與光波波長的關(guān)系；
[0033]圖7是本實用新型實施例中仿真得到的條形波導(dǎo)和溝道波導(dǎo)耦合效率隨結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸變化的關(guān)系。

【具體實施方式】
[0034]為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0035]圖2示出了本實用新型實施例中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖2，本實用新型實施例中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器包括:
[0036]多模波導(dǎo)區(qū)域2和寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3，所述多模波導(dǎo)區(qū)域2的一端用于連接條形波導(dǎo)1，另一端連接所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3的一個波導(dǎo)端面，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3的另一波導(dǎo)端面用于連接溝道波導(dǎo)4，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3中的溝道與所述溝道波導(dǎo)4的溝道--對應(yīng)。
[0037]在本實施例的具體應(yīng)用中，溝道波導(dǎo)4可以包括一個或多個溝道。相應(yīng)地，寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3中也可以包括一個溝道或多個溝道與其一一對應(yīng)。
[0038]可選地，多模波導(dǎo)區(qū)域2可以為矩形。而寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域3寬度線性可以漸變，即為梯形溝道波導(dǎo)區(qū)域，其可以為等腰梯形或非等腰梯形。
[0039]其中，波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器可以利用多模干涉結(jié)構(gòu)的自鏡像原理以實現(xiàn)條形波導(dǎo)I和溝道波導(dǎo)4之間的模式轉(zhuǎn)換。
[0040]可選地，波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器可以為非良導(dǎo)體材料波導(dǎo)，或非良導(dǎo)體材料與金屬結(jié)合的表面等離子體波導(dǎo)。
[0041]可選地，表面等離子體波導(dǎo)可以為:非良導(dǎo)體材料表面覆蓋一層金屬的表面等離子體波導(dǎo)。
[0042]其中，非良導(dǎo)體材料可以為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。具體地，電介質(zhì)可以為二氧化硅、二氧化鈦或氧化鎵；和/或，半導(dǎo)體可以為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物材料。
[0043]其中，三五族光電子化合物材料可以為磷化銦或氮化鎵。
[0044]可選地，表面等離子體波導(dǎo)可以為:硅或二氧化硅表面覆蓋一層銀或金的表面等離子體波導(dǎo)。
[0045]圖3示出目前已有的兩種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器(a)、(b)與本實施例中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器(C)按實際尺寸比例的對比示意圖。現(xiàn)有技術(shù)中的這兩種方案雖然都可以實現(xiàn)條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)間模式的轉(zhuǎn)換，但由圖3可見它們都采用了十分尖銳的楔形結(jié)構(gòu)，這種尖銳的楔形結(jié)構(gòu)在集成光電子器件的加工工藝中非常難以加工。而本實用新型實施例所提供的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器(C)由于沒有采用尖銳的楔形結(jié)構(gòu)因而更加易于加工。同時，根據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)本實用新型實施例所提供的結(jié)構(gòu)尺寸更小，因此更易于集成。
[0046]圖4中以上包層覆蓋空氣的絕緣上娃(silicon-on-1nsulator, SOI)材料為例,通過三維全波矢量有限元方法(3D full vector finite element method, FEM)數(shù)值仿真示出了結(jié)構(gòu)中光場能流的分布情況。由圖4可見，光場從條形波導(dǎo)以TE極化的基模入射到波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器中，逐漸轉(zhuǎn)換為溝道波導(dǎo)TE極化的基模。同時溝道波導(dǎo)也可以通過波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器將模式轉(zhuǎn)換為條形波導(dǎo)的基模。為了進(jìn)一步分析條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)通過本實施例中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行稱合的稱合效率(Coupling efficiency)。本實施例展示以絕緣上硅材料為例進(jìn)行加工測試的兩波導(dǎo)的耦合性能。其中加工中采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:絕緣體上娃頂娃厚度為250nm ;條形波導(dǎo)的寬度為400nm ;溝道波導(dǎo)的總寬度為620nm ;溝道寬度為lOOnm，位于溝道波導(dǎo)中心；波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器多模區(qū)域長度和寬度分別SLmmi = 1.38 μ m,Wnmi = 1.24ym0不同長度(L)的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器被加工來分析模式轉(zhuǎn)換器長度(L)對波導(dǎo)耦合效率的影響。
[0047]圖5展示了測量及仿真得到的條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)通過本實施例的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行耦合的耦合效率隨波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器長度(L)的變化關(guān)系。由圖5可見，測量結(jié)果與仿真結(jié)果十分吻合。且測量結(jié)果和仿真結(jié)果都表明:1)當(dāng)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器很短時(<2μπι)，兩波導(dǎo)的耦合效率很低，約為80% ;2)但當(dāng)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器長度從2 μ m增加到4 μ m時，耦合效率迅速增加，達(dá)到98% (測量結(jié)果為97%) ；3)當(dāng)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器長度大于4μπι時，耦合效率不再增加。由此可見，采用大于4 μ m長的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器即可實現(xiàn)高達(dá)98%的條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)耦合效率，結(jié)構(gòu)十分小巧，有利于集成。以下以6μπι長的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器為例，進(jìn)一步分析其工作帶寬及工藝容差特性。
[0048]圖6展示了當(dāng)入射光波長在1450nm至1580nm范圍內(nèi)變化時，測量得到的條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)耦合效率。由圖6可見，在這130nm寬的光譜范圍內(nèi)，測量得到的耦合效率沒有明顯的降低，一直保持在97%左右。這130nm的光譜范圍涵蓋了光通信領(lǐng)域的S波段、C波段以及部分的L波段，而集成光電子系統(tǒng)通常只需工作在C波段。由此可見本實施例提供的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器具有很寬的工作帶寬，足以滿足集成光電子系統(tǒng)的應(yīng)用。
[0049]圖7通過改變波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的尺寸來模擬實際加工中工藝誤差造成的加工尺寸不精準(zhǔn)。由圖7可見在多模區(qū)域?qū)挾群烷L度偏離設(shè)定尺寸±60nm的范圍內(nèi)，條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)的耦合效率降低了不到2%。而目前的集成光電子器件主流加工工藝中加工此類無尖銳楔形結(jié)構(gòu)的器件時通常都可以將加工誤差控制在±30nm以內(nèi)，因此本實施例器件的工藝容差足以滿足集成光電子器件加工的需求。
[0050]可見，本實用新型實施例至少具有如下有益效果:
[0051]本實用新型實施例提供的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器利用多模干涉結(jié)構(gòu)的自鏡像原理可以實現(xiàn)超低損耗的條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)間的模式轉(zhuǎn)換。本實用新型實施例中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器尺寸小，轉(zhuǎn)換效率高，工作帶寬寬，工藝容差大，易于加工的特點(diǎn)，在集成光電子領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。
[0052]最后應(yīng)說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器,其特征在于,包括: 多模波導(dǎo)區(qū)域(2)和寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)，所述多模波導(dǎo)區(qū)域(2)的一端用于連接條形波導(dǎo)(I)，另一端連接所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)的一個波導(dǎo)端面，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)的另一波導(dǎo)端面用于連接溝道波導(dǎo)(4)，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)中的溝道與所述溝道波導(dǎo)(4)的溝道一一對應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于: 所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)包括一個或多個溝道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于: 所述多模波導(dǎo)區(qū)域(2)為矩形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于: 所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域(3)寬度線性漸變，即為梯形溝道波導(dǎo)區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于: 所述波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器為非良導(dǎo)體材料波導(dǎo)，或非良導(dǎo)體材料與金屬結(jié)合的表面等離子體波導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述表面等離子體波導(dǎo)為: 非良導(dǎo)體材料表面覆蓋一層金屬的表面等離子體波導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于: 所述非良導(dǎo)體材料為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于: 所述電介質(zhì)為二氧化硅、二氧化鈦或氧化鎵； 和/或，所述半導(dǎo)體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于: 所述三五族光電子化合物材料為磷化銦或氮化鎵。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述表面等離子體波導(dǎo)為: 硅或二氧化硅表面覆蓋一層銀或金的表面等離子體波導(dǎo)。
【文檔編號】G02B6/14GK204009131SQ201420481940
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】周治平, 鄧清中 申請人:北京大學(xué)