一种基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种光的模式分束转换集成器件，特别是设及一种基于光栅辅助型禪 合器的模式分束转换器。
【背景技术】
[0002] 随着当今社会的飞速发展，人们对网络数据量的需求不断增长，因而提高通信网 络速度的要求成为当前急需解决的问题。光通信网络已经取得了巨大成功，目前朝着低成 本、大容量和高速度的目标前进。如今40Gb/s的光传送网已经得到广泛运用，而lOOGb/s的 光网络正处于蓬勃发展阶段。在速度超过lOOGb/s的光网络中采用标准化的编解码方式已 经达成共识，该种编码方式是基于相干接收的双偏振正交相移键控调制技术（PM-QPSK)。在 PM-QPSK中需要对光信号进行偏振转换、分离和合成，偏振控制器是构成相干接收器的关键 器件。
[0003] 模式分束转换器是模式控制器的一个重要组成部分，它能把在波导传输的TE模 和TM模分离，同时将其中的TM模（或TE模）的偏振方向旋转90度，变成TE模（或TM 模）。目前提出的模式转换器主要是基于两种结构；第一种是采用定向禪合器结构，它能通 过有效折射率匹配法，实现两种模式的分离转换，但是其不足之处是存在严格的拍长，需要 对器件的长度精屯、控制；第二种是基于渐变型波导和定向禪合器相结合的结构，该结构先 通过渐变型波导将TM基模转换为多模波导的TE-阶模，然后再通过定向禪合器转换为另 一波导的TE基模，该结构仍存在着严格的禪合长度，工艺容差小。
[0004] 因此，研制出结构简单、功耗更低、易于集成和制作的模式分束转换集成器件，是 今后发展片上集成光通信技术的重要而有意义的工作。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于光栅辅助型禪合器的模式分束转换器，结构简 单、功耗更低、易于集成和制作。
[0006] 本发明一种基于光栅辅助型禪合器的模式分束转换器，包括单模输入波导、输入 模式转换器、总线多模波导、输出模式转换器、单模输出波导、下路布拉格波导光栅、下路禪 合区和下路单模波导；其中，单模输入波导通过输入模式转换器与总线多模波导的一端连 接，单模输出波导通过输出模式转换器与总线多模波导的另一端连接；所述的下路单模波 导位于总线多模波导的一侧，所述的下路布拉格波导光栅位于输出单模波导和总线多模波 导之间构成的下路禪合区，所述的下路布拉格波导光栅是通过在波导上刻蚀一维矩形周期 单元形成的，下路布拉格波导光栅的周期满足总线多模波导的一阶模禪合到下路单模波导 的基模的相位匹配条件；所述的输入模式转换器和输出模式转换器由支持TE和TM模的渐 变脊形波导组成；
[0007] 当TM模式光从单模输入波导输入时，输入模式转换器将TM模转换为总线多模波 导的TE-阶模，TE-阶模通过下路禪合区时，满足相位匹配条件，被禪合到下路单模波导 的TE模，并从下路单模波导的输出端输出；当TE模式光从单模输入波导输入时，输入模式 转换器将TE模转换为总线多模波导的TE基模，TE基模通过下路禪合区时，由于不满足相 位匹配条件，不会被禪合到下路单模波导，而是通过输出模式转换器被转换为单模输出波 导的TE模，从单模输出波导的输出端输出。
[0008]所述的包括单模输入波导、总线多模波导、下路布拉格波导光栅、单模输出波导和 下路单模波导为支持TE和TM模式的脊形波导。
[0009] 所述的下路布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区设计在总线多模波导和下路 单模波导相向的一侧边上。
[0010] 所述的构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
[0011] 本发明具有的有益效果是：
[0012] 1、结合渐变型波导和光栅辅助型禪合器实现了将单模波导中传输的TE模和TM模 分离，同时将TM模转换为TE模，从另一端口输出，具有转换效率高，无拍长和容差大等特 点。
[0013] 2、器件设计结构简单，尺寸紧凑。
[0014] 3、器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便低成本制 造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连通信系统。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明基于光栅辅助型禪合器的模式分束转换器的结构图；
[0016] 图2是图1中脊形波导的剖面图；
[0017] 图3是图1中布拉格光栅的周期单元形状示意图；
[0018] 图4是图1中下路布拉格波导光栅的俯视图。
[0019] W下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0020] 图中标识；1、单模输入波导2、输入模式转换器
[0021] 3、总线多模波导4、输出模式转换器
[0022] 5、单模输出波导6、下路布拉格波导光栅
[0023] 7、下路禪合区 8、下路单模波导
【具体实施方式】
[0024] 如图1所示，本发明一种基于光栅辅助型禪合器的模式分束转换器，包括单模输 入波导1、输入模式转换器2、总线多模波导3、输出模式转换器4、单模输出波导5、下路布拉 格波导光栅6、下路禪合区7和下路单模波导8,其中下路单模波导8位于总线多模波导3 的一侧，所述的下路布拉格波导光栅6位于输出单模波导8和总线多模波导3之间构成的 下路禪合区7,单模输入波导1通过输入模式转换器2与总线多模波导3的一端连接，单模 输出波导5通过输出模式转换器4与总线多模波导3的另一端连接，下路布拉格波导光栅 6的周期性折射率微扰区设计在总线多模波导3和下路单模波导8相向的一侧边上。
[0025] 所述的输入模式转换器2和输出模式转换器4由支持TE和TM模的渐变脊形波导 组成，当TM模式光从单模输入波导1输入时，输入模式转换器2将TM模转换为总线多模波 导3的TE-阶模，TE-阶模通过下路禪合区7时，满足相位匹配条件，被禪合到下路单模波 导8的TE模，并从下路单模波导8的输出端输出；当TE模式光从单模输入波导1输入时， 输入模式转换器2将TE模转换为总线多模波导3的TE基模，TE基模通过下路禪合区7时， 由于不满足相位匹配条件，不会被禪合到下路单模波导8,而是通过输出模式转换器4被转 换为单模输出波导5的TE模，从单模输出波导5的输出端输出。
[0026] 如图1、图3和图4所示，所述的下路布拉格波导光栅6是通过在波导上刻蚀一维 矩形周期单元形成的，下路布拉格波导光栅6的周期满足总线多模波导3的一阶模禪合到 下路单模波导8的基模的相位匹配条件。
[0027] 为满足下路单模波导TE模和总线多模波导TE-阶模间相互禪合的要求，需要设 计布拉格光栅周期，可W通过W下公式获得
[002引Pte。+Pte、二 (1)
[002引式中A为光栅周期，铅。为下路单模波导TE模的传播常数，/输为总线多模波导TE-阶模的传播常数。
[0030]如图1所示，本发明一种基于光栅辅助型禪合器的模式分束转换器由单模波导、 渐变型波导、多模波导和布拉格波导光栅构成，该器件所有组成部分皆位于同一平面内。图 1中的所有单模波导1、5、8,渐变型波导2、4和多模波导3,皆采用图2所示的脊形波导。 [00引]实施例：
[0032] 如图1和图4所示，采用顶层娃厚度为220皿、二氧化娃埋层2ym的绝缘层上娃 (SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻或电子束直写光刻获得娃刻蚀掩膜， 通过两次娃干法刻蚀，制作出宽450nm的单模娃脊形波导、850nm的多模脊波导、宽度从 450nm变为850nm，长度为lOOum的渐变脊波导和宽度从850nm变为450nm，长度为50um的 渐变脊波导，脊波导的外脊高度为60nm。总线多模波导3和下路单模波导8的一侧边刻蚀 布拉格波导光栅6,矩形光栅齿分别为lOOnm和50nm，光栅的周期为344nm。
[0033] 上述实施例中的光栅周期参数是针对450nm宽度的单脊波导和850nm宽度的多模 脊波导设计的，器件也适合其它宽度的脊波导，也适用于不同的顶层娃厚度的脊波导，只需 改变渐变波导的尺寸和设计不同的光栅周期参数，模式分离转换功能即可实现。整个器件 只需经过两次刻蚀即可完成制作。
[0034] 上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范 围。
【主权项】
1. 一种基于光栅辅助型親合器的模式分束转换器，其特征在于：包括单模输入波导、 输入模式转换器、总线多模波导、输出模式转换器、单模输出波导、下路布拉格波导光栅、下 路耦合区和下路单模波导；其中，单模输入波导通过输入模式转换器与总线多模波导的一 端连接，单模输出波导通过输出模式转换器与总线多模波导的另一端连接；所述的下路单 模波导位于总线多模波导的一侧，所述的下路布拉格波导光栅位于输出单模波导和总线多 模波导之间构成的下路耦合区，所述的下路布拉格波导光栅是通过在波导上刻蚀一维矩形 周期单元形成的，下路布拉格波导光栅的周期满足总线多模波导的一阶模耦合到下路单模 波导的基模的相位匹配条件；所述的输入模式转换器和输出模式转换器由支持TE和TM模 的渐变脊形波导组成； 当TM模式光从单模输入波导输入时，输入模式转换器将TM模转换为总线多模波导的 TE -阶模，TE -阶模通过下路耦合区时，满足相位匹配条件，被耦合到下路单模波导的TE 模，并从下路单模波导的输出端输出；当TE模式光从单模输入波导输入时，输入模式转换 器将TE模转换为总线多模波导的TE基模，TE基模通过下路耦合区时，由于不满足相位匹配 条件，不会被耦合到下路单模波导，而是通过输出模式转换器被转换为单模输出波导的TE 模，从单模输出波导的输出端输出。2. 根据权利要求1所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器，其特征在 于：所述的包括单模输入波导、总线多模波导、下路布拉格波导光栅、单模输出波导和下路 单模波导为支持TE和TM模式的脊形波导。3. 根据权利要求2所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器，其特征在 于：所述的下路布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区设计在总线多模波导和下路单模波 导相向的一侧边上。4. 根据权利要求2所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器，其特征在 于：所述的构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
【专利摘要】本发明公开了一种基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器，包括单模输入波导、输入模式转换器、总线多模波导，下路布拉格波导光栅、输出模式转换器、单模输出波导、下路单模波导和下路耦合区，输入模式转换器将单模输入波导中的TM模转换为总线多模波导中的TE模)一阶模，通过布拉格波导光栅辅助型耦合器，使得多模波导的TE一阶模与单模波导的TE模之间发生能量交换。本发明实现了将波导中传输的TE模和TM模分离，同时将TM模转换成TE模，具有结构简单，尺寸紧凑，工作带宽大和串扰小等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集成和扩展，方便低成本制造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连系统。
【IPC分类】G02B6/126, G02B6/14
【公开号】CN104950391
【申请号】CN201510381818
【发明人】邱晖晔, 赖国忠, 苏玉霞
【申请人】龙岩学院
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月2日