一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)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(shí)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)(stripwaveguide)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(shí)現(xiàn)高效率的耦合。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7 (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。
[0003]此外，傳統(tǒng)的溝道波導(dǎo)的溝道較窄(通?！?00nm，若進(jìn)一步增加溝道寬度會顯著增加溝道波導(dǎo)的損耗)，因而在利用微納工藝加工制作溝道波導(dǎo)時(shí)所要求的工藝精度也較高。為了降低對加工工藝精度的要求，條形-溝道混合型波導(dǎo)(Strip-loaded Slotwaveguide)被引入來替代傳統(tǒng)的溝道波導(dǎo)。相比于傳統(tǒng)溝道波導(dǎo)，條形-溝道混合型波導(dǎo)的特征在于其溝道未完全由上包層材料填充，而是部分由芯區(qū)波導(dǎo)材料填充(圖5)。這一結(jié)構(gòu)特性使得條形-溝道混合型波導(dǎo)保持了傳統(tǒng)溝道波導(dǎo)的特性，如低折射率、低有效熱光系數(shù)、光場能量部分分布于溝道中等；同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)較寬的溝道寬度(可>100nm)，從而降低對加工工藝精度的要求。在集成光電子器件系統(tǒng)中需要將條形-溝道混合型波導(dǎo)與條形波導(dǎo)連接起來使用。但條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)的光場分布存在顯著差異(圖2和圖6)，因此直接連接條形波導(dǎo)和條形-溝道混合型波導(dǎo)將導(dǎo)致較大的損耗。為了解決這一問題就需要采用波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器(mode converter)來實(shí)現(xiàn)兩種波導(dǎo)模式之間的高效率轉(zhuǎn)換，以便降低波導(dǎo)連接所帶來的損耗。
[0004]綜上，亟需一種可以將條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)或條形-溝道混合型波導(dǎo)連接的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，既解決現(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，也能使相連的兩種波導(dǎo)模式之間高效率轉(zhuǎn)換。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)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，也能使相連的兩種波導(dǎo)模式之間高效率轉(zhuǎn)換。
[0006]本實(shí)用新型提供一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，包括:
[0007]多模波導(dǎo)區(qū)域和寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域，所述多模波導(dǎo)區(qū)域的一端用于連接條形波導(dǎo)，另一端連接所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域的一個(gè)波導(dǎo)端面，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域的另一波導(dǎo)端面用于連接溝道波導(dǎo)或條形-溝道混合型波導(dǎo)，所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域中的溝道與所述溝道波導(dǎo)或條形-溝道混合型波導(dǎo)的溝道一一對應(yīng)。
[0008]進(jìn)一步地，
[0009]所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域包括一個(gè)或多個(gè)溝道。
[0010]進(jìn)一步地，
[0011]所述多模波導(dǎo)區(qū)域?yàn)榫匦巍?br>[0012]進(jìn)一步地，
[0013]所述寬度漸變的溝道波導(dǎo)區(qū)域?qū)挾染€性漸變，即為梯形溝道波導(dǎo)區(qū)域；或?qū)挾葷u變的溝道波導(dǎo)區(qū)域?qū)挾确蔷€性漸變。
[0014]進(jìn)一步地，
[0015]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)。
[0016]進(jìn)一步地，所述表面等離子體波導(dǎo)為:
[0017]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)。
[0018]進(jìn)一步地，
[0019]所述非良導(dǎo)體材料為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。
[0020]進(jìn)一步地，
[0021]所述電介質(zhì)為二氧化硅、二氧化鈦或氧化鎵；
[0022]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。
[0023]進(jìn)一步地，
[0024]所述三五族光電子化合物材料為磷化銦或氮化鎵。
[0025]進(jìn)一步地，所述表面等離子體波導(dǎo)為:
[0026]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)。
[0027]可見，本實(shí)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(shí)現(xiàn)超低損耗的條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)或條形-溝道混合型波導(dǎo)間的模式轉(zhuǎn)換。本實(shí)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(jià)值。
【附圖說明】
[0028]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)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(shí)用新型的一些實(shí)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(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0029]圖1是條形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是條形波導(dǎo)模式光場能流密度分布圖；
[0031]圖3是溝道波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4是溝道波導(dǎo)模式光場能流密度分布圖；
[0033]圖5是條形-溝道混合型波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖6是條形-溝道混合型波導(dǎo)模式光場能流密度分布圖；
[0035]其中，在圖1-圖6中，包層以“101”標(biāo)注出，波導(dǎo)以“102”標(biāo)注出，襯底以“103”
標(biāo)注出；
[0036]圖7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；
[0037]圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例一的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖9現(xiàn)有技術(shù)中的兩種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器與本實(shí)用新型實(shí)施例一所提供的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)對比示意圖；
[0039]圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例一中波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的光場能流密度分布示意圖；
[0040]圖11是本實(shí)用新型實(shí)施例一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；
[0041]圖12是本實(shí)用新型實(shí)施例一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；
[0042]圖13是本實(shí)用新型實(shí)施例一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；
[0043]圖14是本實(shí)用新型實(shí)施例波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例二的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖15是本實(shí)用新型實(shí)施例二中波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的光場能流密度分布示意圖；
[0045]圖16是本實(shí)用新型實(shí)施例二中仿真得到的條形波導(dǎo)和條形-溝道混合型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換效率與波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器長度L的關(guān)系；
[0046]圖17是本實(shí)用新型實(shí)施例二中仿真得到的條形波導(dǎo)和條形-溝道混合型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換效率隨結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸變化的關(guān)系；
[0047]圖18是本實(shí)用新型實(shí)施例二中仿真得到的條形波導(dǎo)和條形-溝道混合型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換效率與光波波長的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0048]為使本實(shí)用新