[發明專利]一種光波導模式轉換器的制造方法及模式轉換器

在審

• 申請號: 202110273572.7
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN112630887A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 林天營;孫旭;汪軍平;陳曉剛;胡朝陽
• 申請（專利權）人: 蘇州海光芯創光電科技股份有限公司
• 主分類號: G02B6/13
• 分類號: G02B6/13;G02B6/14
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 任曉婷

本發明公開了一種光波導模式轉換器的制造方法，選用一體化的波導體，波導體具有第一段、第二段以及第三段，根據要轉換的高階模階數及模場對稱性確定第一段和第三段的結構及相對位置，采用優化方法確定第二段的結構，第二段具有沿傳播方向平滑緩變的特性，且第二段具有平滑的邊緣。本發明還公開了一種模式轉換器，采用上述光波導模式轉換器的制造方法制成。所述光波導模式轉換器的制造方法制造的模式轉換器尺寸小、插入損耗低、轉換利率高、帶寬高，且所述光波導模式轉換器的制造方法加工容忍度較好。

技術領域

本發明涉及光通信技術領域，更準確的說涉及一種光波導模式轉換器的制造方法及模式轉換器。

背景技術

隨著信息技術的飛速發展，全球光通信市場對于帶寬的需求越來越迫切。目前帶寬的提升的主要通過以下三種方案：1. 單通道傳輸速率的提升；2. 傳輸信道的提升；3.波分復用（WDM）或模分復用（MDM）技術。對于上述方案1和2，速率的提升和傳輸信道的提升必然帶來成本的增加和技術復雜度的提升，不符合市場需求。方案3中，模分復用技術是一種利用單根少模光纖同時傳輸多種模式的技術，與波分復用技術相比，模分復用技術的優勢在于不需要使用具有不同波長的激光光源，因此不需要使用復雜的波長穩定系統，可以有效減少整體系統的成本和功耗。

在模分復用系統中，模式轉換器是實現不同模式之間轉換的關鍵器件，實現模式轉換器的現有技術路線主要可以分為三類：相位匹配、相干散射和光束整形，具體結構有非對稱布拉格光、錐形定向耦合器、非對稱定向耦合器、非對稱Y結、馬赫曾德干涉儀等。采用以上結構設計的模式轉換器件通常尺寸較大，不利于硅基光子的大規模集成。其中，非對稱布拉格光柵的原理是利用光柵結構補償兩個模式之間的傳播常數差，使其相位匹配。然而，弱耦合情況下光柵結構需要較長的傳播長度，模式轉換器的尺寸不能得到控制，強耦合狀態下波導之間的能量無法完整轉移，模式轉換器的轉換效率不能得到很好地提高。基于定向耦合器的器件對波導間隙的加工誤差相當敏感。基于馬赫曾德干涉儀和多通道分支波導的器件對光刻和刻蝕精度要求較高。

綜上，本領域需要一種能夠制造小尺寸、低插入損耗、高轉換率、高帶寬的模式轉換器的方法，同時保證該方法加工容忍度較好。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種光波導模式轉換器的制造方法，選用一體化的波導體，波導體具有第一段、第二段以及第三段，根據要轉換的高階模階數及模場對稱性確定第一段和第三段的結構及相對位置，采用優化方法確定第二段的結構，第二段具有沿傳播方向平滑緩變的特性，且第二段具有平滑的邊緣。

本發明的另一個目的在于提供一種模式轉換器，采用上述光波導模式轉換器的制造方法制成。

為了達到上述目的，本發明提供一種光波導模式轉換器的制造方法，包括步驟：

（A）設計一體化的波導體，波導體具有第一段、第二段以及第三段；

（B）根據要轉換的高階模階數及模場對稱性確定第一段和第三段的結構及相對位置；

（C1）沿傳播方向將第二段均分為n-1段，第二段邊緣形成2n個均分點；

（C2）采用優化算法優化均分點的位置和第二段沿傳播方向的長度；其中，優化算法為啟發式優化算法中或函數近似/逼近算法中的一種；

（C3）通過具有曲線特征的插值方式擴展第二段邊緣上除了2n個均分點之外的其余部分，使得第二段具有平滑邊緣，確定第二段的結構，完成波導體的結構設計；

（D）取襯底，并在襯底上設置步驟（C3）設計的波導體，制成模式轉換器。

優選地，所述步驟（C2）中優化的均分點為第二段中部的2n-4個均分點。

優選地，所述步驟（C2）中采用優化算法構建各個均分點的位置和波導長度與模式轉化率的映射關系，確定轉化效率最大的參數，進而確定各個均分點的位置和波導長度。

優選地，所述步驟（B）具體包括步驟：