模式转换器及其制造方法

技术领域

本公开涉及光通信技术领域，特别涉及一种模式转换器及其制造方法。

背景技术

随着大数据、云计算和移动互联网等技术的高速发展，对光通信网络系统的通信容量的要求越来越大。模分复用技术作为一种空分复用技术，可以提高光通信网络系统的通信容量。模分复用系统中波导的空间本征模式由于是互相正交，可以作为独立的信道来加载和传递信息，能使当前的通信网络容量至少成数倍的增长。在片上集成模分复用系统中，模式转换器是模式复用器和解复用器的核心。

如何减小模式转换器的器件尺寸，并实现高效的波导模式转换，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本公开实施例提供一种模式转换器，以减小模式转换器的器件尺寸，并实现高效的波导模式转换。

根据本公开实施例的一个方面，提供一种模式转换器，包括：硅衬底、位于硅衬底一侧的二氧化硅层，以及位于二氧化硅层远离硅衬底的一侧且同层设置的硅层、第一介质模块层和第二介质模块层，其中：第一介质模块层部分嵌入硅层，第二介质模块层嵌入硅层；硅层、第一介质模块层嵌入硅层的部分、及第二介质模块层在硅衬底上的正投影拼合成矩形；第一介质模块层在硅衬底上的正投影包括闭环依次连接的第一边、第二边、第三边、第四边和第五边，其中，第一边和第三边平行，第二边与第一边和第三边正交，第四边与第三边的夹角等于第五边与第一边的夹角且均为锐角，第一边和第三边与矩形的宽边平行且部分伸出矩形外，第二边位于矩形外；第二介质模块层在硅衬底上的正投影包括闭环依次连接呈直角梯形的第六边、第七边、第八边和第九边，其中，第六边为直角梯形的下底、第七边为直角梯形的斜腰、第八边为直角梯形的上底，第九边为直角梯形的直腰，第九边与矩形的长边平齐；第一边和第六边位于同一直线上，第三边和第八边位于同一直线上，第二边到相邻的矩形长边的距离等于第八边的长度。

在一些实施例中，第一介质模块层和第二介质模块层的折射率大于硅层的折射率。

在一些实施例中，第一边嵌入硅层的长度范围为150nm至350nm。

在一些实施例中，第四边和第五边的交点到靠近第二边的矩形长边的垂直距离的范围为90nm至290nm。

在一些实施例中，第六边的长度范围为60nm至260nm。

在一些实施例中，第八边的长度范围为25nm至75nm。

在一些实施例中，第九边的长度范围均为1000nm至2000nm。

在一些实施例中，第四边、第五边和第七边呈锯齿状。

在一些实施例中，所述第一介质模块和所述第二介质模块的材料包括硅锗。

根据本公开实施例的另一个方面，提供一种模式转换器的制造方法，包括：提供绝缘层上硅平台，所述绝缘层上硅平台包括依次设置的硅衬底、二氧化硅层和硅层；图案化刻蚀所述硅层，以形成与第一介质模块层形状相匹配的第一凹槽，及与第二介质模块层形状相匹配的第二凹槽；形成填充第一凹槽的第一介质模块层，及填充第二凹槽的第二介质模块层；刻蚀所述硅层，以使第一介质模块层的第一边和第三边部分伸出矩形外，且第二边位于矩形外。

在上述实施例中，模式转换器具有较小的尺寸，并可以在亚波长区域内实现波导TM偏振基模(TM0)和TM偏振一阶模(TM1)之间的高效转换，有利于提高模分复用系统的集成度。

当然，实施本公开任一实施例的产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或相关技术中的技术方案，下面对本公开实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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它的附图。

图1a为本公开一些实施例的模式转换器的立体示意图；

图1b为本公开一些实施例的模式转换器的俯视图；

图1c为本公开一些实施例的模式转换器的部分结构参数示意图；

图1d为本公开一些实施例的第一介质模块层和第二介质模块层的局部示意图；

图2a为本公开一些实施例的模式转换器工作时的XY平面电场分布图；

图2b为本公开另一些实施例的模式转换器工作时的XY平面电场分布图；

图3a为本公开一些实施例的两种空间本征模式光沿X方向在功能区域内的传输距离与传播常数的对应关系曲线图；

如图3b为本公开一些实施例的模式转换器在图1c的A-A’处截面的空间本征模式光TM

如图3c为本公开一些实施例的模式转换器在图1c的A-A’处截面的空间本征模式光TM

图4为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个模式转换下)；

图5为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个折射率n下)；

图6为本公开一些实施例的折射率n分别与Wr、Ws和Wt的对应关系折线图；

图7a为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个Wr下)；

图7b为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个Ws下)；

图7c为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个Wt下)；

图7d为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个step下)；

图8为本公开一些实施例模式转换器的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

根据本公开实施例的一个方面，提供了一种模式转换器。

图1a为本公开一些实施例的模式转换器的立体示意图。图1b为本公开一些实施例的模式转换器的俯视图。

如图1a和1b所示，本公开实施例模式转换器包括：硅衬底1(仅图1a示出)、位于硅衬底1一侧的二氧化硅层2，以及位于二氧化硅层2远离硅衬底1的一侧且同层设置的硅层3、第一介质模块层41和第二介质模块层42，其中：

第一介质模块层41部分嵌入硅层3，第二介质模块层42嵌入硅层3；

硅层3、第一介质模块层41嵌入硅层3的部分、及第二介质模块层42在硅衬底1上的正投影拼合成矩形；

第一介质模块层41在硅衬底1上的正投影包括闭环依次连接的第一边411、第二边412、第三边413、第四边414和第五边415，其中，第一边411和第三边413平行，第二边412与第一边411和第三边413正交，第四边414与第三边413的夹角等于第五边415与第一边411的夹角且均为锐角，第一边411和第三边413与矩形的宽边平行且部分伸出矩形外，第二边412位于矩形外；

第二介质模块层42在硅衬底1上的正投影包括闭环依次连接呈直角梯形的第六边421、第七边422、第八边423和第九边424，其中，第六边421为直角梯形的下底、第七边422为直角梯形的斜腰、第八边423为直角梯形的上底，第九边424为直角梯形的直腰，第九边424与矩形的长边平齐；

第一边411和第六边421位于同一直线上，第三边413和第八边423位于同一直线上，第二边412到相邻的矩形长边的距离等于第八边423的长度。

这里，第一边至第五边拼合成由呈镜像对称且共用上底的两个直角梯形所组成的图形，第六边至第九边拼合成一个直角梯形。第一边至第九边的尺寸可以为纳米级别，使得模式转换器的整体尺寸为微米级别甚至纳米级别。

在上述实施例中，模式转换器具备结构简单、尺寸短小、功能性良好等优点，不仅可以实现TM偏振基模(TM0)和TM偏振一阶模(TM1)之间的高效转换，还可以进一步减小器件尺寸，有利于提高模分复用系统的集成度。

在一些实施例中，依次设置的硅衬底1、二氧化硅层2和硅层3可以等效为SOI(Silicon-on-Insulator，绝缘层上硅)平台。硅层3的宽度(沿Y方向)范围为700nm至900nm。例如，硅层3的宽度可以为800nm，也可以为780nm或者820nm。硅层3的高度(沿Z方向)范围为240nm至440nm。例如，硅层3的高度可以为340nm，也可以为320nm或者360nm。

在一些实施例中，在硅层3嵌入的第一介质模块层41和第二介质模块层42包括高折射率介质材料(High refractive index material，HRIM)。HRIM的折射率可以大于硅层3的折射率。例如，HRIM为硅锗Si

图1c为本公开一些实施例的模式转换器的部分结构参数示意图。这里结构参数包括：第一边411嵌入硅层3的长度Wr、第四边414和第五边415的交点到靠近第二边412的矩形长边的垂直距离Ws、第六边421到矩形短边的距离Lr、第八边423的长度W、第六边421的长度Wt、和第九边424的长度Ls。

在一些实施例中，第一边411嵌入硅层3的长度Wr取值范围为150nm至350nm。例如，第一边411嵌入硅层3的长度Wr可以取值为250nm，也可以取值为230nm和270nm。

在一些实施例中，第四边414和第五边415的交点到靠近第二边412的矩形长边的垂直距离Ws取值范围为90nm至290nm。例如，第四边414和第五边415的交点到靠近第二边412的矩形长边的垂直距离Ws可以取值为190nm，也可以取值为170nm或者210nm。

在一些实施例中，第六边421到矩形短边的距离Lr范围为2000nm至4000nm。相应的，第一边411到矩形短边的距离Lr范围也可以为2000nm至4000nm。例如，第六边421或第一边411到矩形短边的距离Lr可以为3000nm，也可以为2800nm或者3200nm。应理解，第六边421和第一边411到矩形的两个短边的距离Lr可以相等，也可以不相等。

在一些实施例中，第八边423的长度W取值范围为25nm至75nm。相应的，第二边412到矩形长边的距离W取值范围也可以为25nm至75nm。例如，第八边423的长度W和第二边412到矩形长边的距离W可以均取值为50nm，也可取值为45nm或者55nm。

在一些实施例中，第六边421的长度Wt取值范围为60nm至260nm。例如，第六边421的长度Wt可以取值为160nm，也可以取值为180nm或者140nm。

在一些实施例中，第九边424的长度Ls取值范围可以为1000nm至2000nm。相应的，第二边412的长度Ls取值范围也可以为1000nm至2000nm，例如，第二边412和第九边424的长度Ls可以均取值为1400nm，也可以取值为1500nm或者1300nm。

图1d为本公开一些实施例的第一介质模块层和第二介质模块层的局部示意图。

在一些实施例中，第四边414、第五边415和第七边422呈锯齿状，如图1d所示的锯齿结构。例如，斜面上的一个台阶的垂直长度step可以为5nm，也可以为3nm或者10nm。当然，一个台阶的垂直长度step可以在取值范围为2nm至15nm区间内取任意数值，例如，8nm或者12nm。

本公开实施例模式转换器可以实现TM偏振基模(TM0)和TM偏振一阶模(TM1)之间的高效转换。下面对模式转换器的工作原理坐进一步解释说明。

图2a为本公开一些实施例的模式转换器工作时的XY平面电场分布图。

建立如图1a所示的模式转换器模型(例如，二氧化硅-硅波导-HRIM复合结构模型)，并采用模式光源对模式转换器的一端(例如，矩形一短边所在的一端)进行激射，基于三维时域有限差分法(Three-dimensional finite-difference time-domain，3D FDTD)对该模型结构进行计算，可得到如图2a所示的电场分布示意图。

由图2a可以看出，TM偏振基模(TM0)光从模式转换器的一端进入硅层波导，由于全反射效应，硅层波导把光限制在波导内部和表面区域。当TM偏振基模(TM0)光经过第一介质模块层和第二介质模块层所在的功能区域4时，逐渐分为具有两种空间本征模式光。一种空间本征模式光由TM偏振基模(TM0)光经过第一介质模块层传输而得，另一种空间本征模式光由TM偏振基模(TM0)光经过第二介质模块层传输而得。由于功能区域4内的第一介质模块层和第二介质模块层的有效折射率存在差异，这两种空间本征模式的光在沿着波失方向经过的功能区域4时逐渐产生相位走离。由图可知，两种空间本征模式光从所述功能区域4出射时可以实现反相，即两种空间本征模式光的相位差为π，达到相位匹配条件，最终实现波导模式由TM偏振基模(TM0)转换为TM偏振一阶模(TM1)的目的。

图2b为本公开另一些实施例的模式转换器工作时的XY平面电场分布图。

当模式光源对模式转换器的另一端(例如，矩形另一短边所在的一端)进行激射，可得到如图2b所示的电场分布示意图。由图2b可知，TM偏振一阶模(TM1)光在硅层波导内传输，经过上述功能区域4后，可转换为TM偏振基模(TM0)光。因此，上述实施例中的模式转换器还可以实现波导模式由TM偏振一阶模(TM1)转换为TM偏振基模(TM0)的目的。

图3a为本公开一些实施例的两种空间本征模式光沿X方向在功能区域内的传输距离与传播常数的对应关系曲线图。如图3b为本公开一些实施例的模式转换器在图1c的A-A’处截面的空间本征模式光TM

通过对功能区域垂直于波失方向上的不同截面进行边界模式分析，可得到如图3a所示的两种空间本征模式光沿X方向在功能区域内的传输距离与传播常数之间的关系。TM偏振基模(TM0)光经过功能区域时会分离为两种空间本征模式光(空间本征模式光TM

如图3b所示，在模式转换器A-A’截面上的第一介质模块层处存在一种空间本征模式光TM

结合图3a、3b和3c可知，TM偏振基模(TM0)光模式从模式转换器的一端进入硅层波导，在分别经过第一介质模块层和第二介质模块层时，可分束为分别位于第一介质模块层和第二介质模块层的两种空间本征模式光。这两种空间本征模式光在模式转换器的另一端相位相反且可叠加出射以形成TM偏振一阶模(TM1)。

综上，模式转换器可以实现波导导模由TM偏振一阶模(TM1)转换为TM偏振基模(TM0)。

图4为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个模式转换下)。

在图4中，实线(TM0-TM1)表示在不同工作波长下TM偏振基模(TM0)转换为TM偏振一阶模(TM1)的光透过率，虚线(TM1-TM0)表示在不同工作波长下TM偏振一阶模(TM1)转换为TM偏振基模(TM0)的光透过率。如图4所示，上述实施例中的模式转换器可以工作在1500nm至1600nm的波段范围。该模式转换器的工作中心波长在1550nm附近的通讯波段，其工作带宽可达到100nm以上。在1550nm波长处，该模式转换器可以实现TM偏振基模(TM0)和一阶模(TM1)之间的良好转换，且具备85.9％以上的光透过率。因此，利用本公开模式转换器，可以实现TM偏振一阶模(TM1)转换和TM偏振基模(TM0)之间的高效转换。

图5为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个折射率n下)。这里的折射率n是指第一介质模块层和第二介质模块层的折射率n。

如图5所示，在第一介质模块层和第二介质模块层的折射率n分别为0.7、0.75、0.8、0.85、0.9的情况下，上述模式转换器的光透过率与工作波长具有大致相同的关系变化曲线。由图可知，在折射率n为折射率取值范围(例如0.75至0.95)内任意数值的情况下，本公开模式转换器仍然可以实现TM偏振一阶模(TM1)转换和TM偏振基模(TM0)之间的高效转换。

图6为本公开一些实施例的折射率n分别与Wr、Ws和Wt的对应关系折线图。

通过三维时域有限差分法，在不同折射率n下，对模式转换器结构参数Wr、Ws、Wt的尺寸进行数值优化，可得图6所示的折线示意图。折线Wr是Wr与n之间的关系折线示意图，表示在不同n下优化后的Wr取值。例如，在折射率n为0.75时，模式转换器在结构参数Wr取250nm的情况下具有更好的转换效率。折线Ws是Ws与n之间的关系折线示意图，表示在不同n下优化后的Ws取值。例如，在折射率n为0.8时，模式转换器在结构参数Ws取185nm的情况下具有更好的转换效率。折线Wt是Wt与n之间的关系折线示意图，表示在不同n下优化后的Wt取值。例如，在折射率n为0.85时，模式转换器在结构参数Wt取160nm的情况下具有更好的转换效率。

图7a为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个Wr下)。图7b为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个Ws下)。图7c为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个Wt下)。图7d为本公开一些实施例模式转换器的工作波长与光透过率的对应关系曲线图(在多个step下)，其中，模式转换器结构参数step包括第一介质模块层斜面的step1和第二介质模块层斜面的step2。值得注意的是，step1和step2的取值可以相同，也可以不同。

根据控制变量法，通过单一微调模式转换器结构参数Wr，可得如图7a所示的工作波长与光透过率的对应关系曲线图。由图7a可知，在Wr为第一取值范围(例如230nm至270nm)内任意数值的情况下，本公开模式转换器仍然可以实现TM偏振一阶模(TM1)转换和TM偏振基模(TM0)之间的高效转换。

同理，根据控制变量法，通过单一微调模式转换器结构参数Ws、Wt、step1和step2，可分别得到如图7b、7c、7d所示的工作波长与光透过率的对应关系曲线图。且由图可知，，在Ws为第二取值范围(例如170nm至210nm)内任意数值、Wt为第三取值范围(例如140nm至180nm)内任意数值、step1为第四取值范围(例如2nm至15nm)内任意数值、或step2为第五取值范围(例如2nm至15nm)内任意数值的情况下，本公开模式转换器仍然可以实现TM偏振一阶模(TM1)转换和TM偏振基模(TM0)之间的高效转换。

值得注意的是，图7a至7d所示的曲线仅作为示例性说明，并不能用来限制本公开的范围。

根据本公开实施例的另一个方面，提供一种模式转换器的制造方法。该制造方法包括如下步骤。

图8为本公开一些实施例模式转换器的制造方法的流程示意图。

步骤S802，提供绝缘层上硅平台。绝缘层上硅平台包括依次设置的硅衬底、二氧化硅层和硅层。绝缘层上硅平台可具体通过如下步骤来制备：

首先，选取材料硅作为衬底。利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma-enhancedchemical vapor deposition，PECVD)技术在硅衬底上生长二氧化硅层。例如，二氧化硅层的厚度可以为1μm。

接下来，利用PECVD技术在二氧化硅层生长硅层。例如，硅层的厚度可以为340nm。

步骤S804，图案化刻蚀硅层，以形成与第一介质模块层形状相匹配的第一凹槽，及与第二介质模块层形状相匹配的第二凹槽。

例如，利用电子束曝光(Electron beam lithography，EBL)技术对硅层按照与上述模式转换器中的第一介质模块层和第二介质模块层相同或类似的形状和大小进行刻蚀，以形成第一凹槽和第二凹槽。

步骤S806，形成填充第一凹槽的第一介质模块层，及填充第二凹槽的第二介质模块层。

例如，首先，利用低能量等离子体增强化学气相沉积(Low energy plasma-enhanced chemical vapor deposition，LEPECVD)技术在上述图案化刻蚀后的硅层上面生长Si

接下来，利用EBL技术先刻蚀掉硅层上面覆盖的Si

步骤S808，刻蚀硅层，以使第一介质模块层的第一边和第三边部分伸出矩形外，且第二边位于矩形外。

例如，利用EBL技术刻蚀硅层，以使第一介质模块层的第一边和第三边部分伸出矩形外，且第二边位于矩形外，且保留嵌入硅层的Si

应理解，上述制备步骤中的具体数值和材料仅起到解释说明的作用，不能用来限制本公开的范围。通过上述实验制备步骤可以制造上述模式转换器。该模式转换器具备结构简单、尺寸短小、功能性良好和易于制备等优点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。