CN112180508A - 一种片上集成基于硅基波导的tm0-tm3模序数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上集成基于硅基波导的TM0‑TM3模序数转换器，其包括单质Si材质的下包层以及氧化硅材质的衬底层和硅基波导层还有将所述硅基波导层包裹起来的氯化硅材质的上包层；其通过在硅基波导层上刻蚀六组具有相同刻蚀深度但尺寸不同的矩形刻蚀槽达到了插入损耗低，模阶数转换效率高以及便于制造，尺寸缩小等优点。

Description

一种片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器

技术领域

本发明涉及的TM0-TM3竖阶模序数转换器领域，尤其涉及一种片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器。

背景技术

得益于光子集成技术近年来的飞速发展，利用绝缘体上硅(SOI)平台构建超紧凑、高性能光子集成器件以及由此形成的大规模光子集成回路受到了人们的重点关注。为应对片上光互连对大容量、大带宽、高速率光传输的要求，多种复用技术被开发，如波分复用(WDM)、偏振分复用(PDM)与模分复用(MDM)等。其中MDM是当前以及未来片上光互连系统中增加传输信道数、提升传输容量、带宽与速率的关键技术。与光纤通信系统中常用的WDM技术需使用不同波长作为传输信道的方式不同，MDM系统中通过复用不同的模式实现传输容量的倍增，因此MDM系统的总传输容量与模式通道的数量密切相关，若能高效产生多个高阶模式并能复用进MDM系统，则将有效提升MDM系统的传输性能，也将进一步推动大容量片上光互连技术的快速发展。通过对MDM与WDM系统的对比，可以看出：多模发生器或多模转换器在MDM系统中的作用和重要性与常用WDM系统中需使用的昂贵多波长激光器相似，都是用于产生多个传输信道(模式、波长)。所以，如果MDM系统能够产生与WDM系统相似的传输性能，那么MDM系统将会比WDM系统拥有更显著的成本优势。因此，为了进一步促进片上MDM技术的发展，需要设计出能够实现基模与高阶模式间相互转换的高效模阶数转换器，这对提升MDM系统的传输容量与带宽大有裨益。

基于SOI平台，可以将成熟的微电子CMOS工艺应用到集成光子学领域，以大力促进硅基光子集成器件加工制备技术的进步。如今，硅基条形波导(纳米线)已经被用于多种有源以及无源光集成器件中，例如：传感器、光调制器、耦合器等。目前许多工作于横电模式的模阶数转换器方案被提出，但是针对横磁模式的模阶数转换器，特别是横磁基模与高阶横磁模式之间的转换却很少有人提及，在实际的模分复用系统中，横电模式和横磁模式都可以作为传输信道，具有同等重要的作用。因此若能设计出尺寸小、带宽大、插入损耗低、串扰小、转换效率高的模阶数转换器，则可以有效提升片上模分复用传输的总传输容量与带宽。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有模阶数转换器存在的问题，提出了本发明。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括下包层,以及；衬底层，所述衬底层设置在所述下包层上，以及；硅基波导层，所述硅基波导层设置在所述衬底层上，所述硅基波导层的两侧边分别为第一侧边以及第二侧边，在所述硅基波导层的端面上设置有第一凹槽，所述第一凹槽的一侧边与所述第一侧边重合；在所述硅基波导层的表面上还设置有第二凹槽，所述第二凹槽与所述第一凹槽的同侧侧边与所述第一侧边重合；以及，靠近所述第二侧边处设置的第三凹槽，沿所述第二侧边方向设置在与所述第二凹槽平行的第四凹槽，所述第四凹槽与第三凹槽在沿第二侧边的方向上位置相互平齐：所述第四凹槽与所述第三凹槽之间还设置有第五凹槽，所述第五凹槽的其中一侧与所述第四凹槽上靠近第三凹槽一侧的侧边相接触，在所述第四凹槽远离第三凹槽的一侧设置有第六凹槽，所述第六凹槽与所述第四凹槽相互接触；以及，上包层，所述上包层设置在所述硅基波导层上。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述下包层材质为单质Si材质，所述衬底层为氧化硅材质，所述硅基波导层的材质为单质Si材质，所述上包层的材质为氮化硅材质。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述第一凹槽至第六凹槽为为矩形刻蚀槽，且每个槽的刻蚀深度相同并小于100nm。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述硅基波导层的宽度为2微米，高度为3微米；所述第一凹槽的长度为6.07微米，所述第二凹槽的长度为5.34微米，所述第三凹槽的长度为5.43微米，所述第四凹槽的长度为4.68微米，所述第五凹槽的长度为3.47微米，所述第六凹槽的长度为1.66微米。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述第一凹槽、第二凹槽以及第五凹槽的宽度为0.6微米，所述第三凹槽以及第四凹槽的宽度为0.63微米，所述第六凹槽(308)的宽度为0.28微米。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述刻蚀深度的一种优选是70～90nm，在80nm时具有最好的性能。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述第一凹槽与所述第三凹槽之间在所述硅基波导层表面上沿其宽度方向相距370nm，所述第五凹槽距所述第一侧边的沿所述硅基波导层宽度方向的距离为790nm，所述第五凹槽与所述第三凹槽之间相距2230nm，所述第一凹槽与所述第二凹槽之间沿所述第一侧边方向的相距距离为4940nm，所述第六凹槽距所述第一侧边的距离为800nm。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述上包层与硅基波导层之间通过浇筑成型。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述硅基波导层的高度为300微米。

作为本发明所述片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的一种优选方案，其中：所述硅基波导层处于衬底层上，且所述衬底层的宽度超出所述硅基波导层的宽度。

本发明的有益效果：

1、插入损耗低、模阶数转换效率高。本发明在硅基条形波导上面刻蚀了六个不同的矩形槽，打破了波导的横向对称性，并产生了不对称的折射率分布。由于所刻蚀的矩形槽为浅刻蚀，只用于改变波导的折射率分布以产生合适的相移，并且所刻蚀的矩形槽尺寸小(最长不超过6.07微米，刻蚀深度浅)，使得器件的插入损耗较低。此外通过在硅基波导的上表面浅刻蚀矩形槽，可以使不同截面上的刻蚀区和非刻蚀区在模阶数转换过程中等效成均匀区域，通过光传输积累相位差实现基模向高阶模的转换，具有模阶数转换效率高的优点。

2、尺寸小、实现模阶数转换的功能区长度缩短。如上所述，整个器件的实现模阶数转换的功能区长度仅为17.73微米，利于实现器件的紧凑型设计和片上密集集成。

3、器件制造相对容易。本发明器件仅需要简单的光刻和刻蚀工艺，完全兼容目前CMOS工艺线的尺寸许可，进而借助成熟的CMOS工艺线可以相对容易和高效地制造该器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的整体结构爆炸图。

图2为本发明片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器所述的结构示意图。

图3为本发明片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器所述的硅基波导层结构示意图。

图4为本发明片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器所述的侧视结构示意图。

图5为本发明片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器所述的横磁基模光信号沿硅基波导传输方向的电场演化图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1、2，提供了一种片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器的整体结构图，一种片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器包括下包层100,以及；衬底层200，所述衬底层200设置在所述下包层100上，以及；硅基波导层300，所述硅基波导层300设置在所述衬底层200上，所述硅基波导层300的两侧边分别为第一侧边301以及第二侧边302，在所述硅基波导层300的端面上设置有第一凹槽303，所述第一凹槽303的一侧边与所述第一侧边301重合；在所述硅基波导层300的表面上还设置有第二凹槽304，所述第二凹槽304与所述第一凹槽303的同侧侧边与所述第一侧边301重合；以及，靠近所述第二侧边302处设置的第三凹槽305，沿所述第二侧边302方向设置在与所述第二凹槽304平行的第四凹槽306，所述第四凹槽306与第三凹槽305在沿第二侧边302的方向上位置相互平齐；所述第四凹槽306与所述第三凹槽305之间还设置有第五凹槽307，所述第五凹槽307的其中一侧与所述第四凹槽306上靠近第三凹槽305一侧的侧边相接触，在所述第四凹槽306远离第三凹槽305的一侧设置有第六凹槽308，所述第六凹槽308与所述第四凹槽306相互接触；以及，上包层400，所述上包层400设置在所述硅基波导层300上。

具体的，本发明主体结构包括下包层100，下包层100为长方形具有一定厚度的Si材质，以及在下包层100上的衬底层200，衬底层200的材质为氧化硅材质，形状与下包层100相同，但厚度可能会与下包层100不同，两者都设置在硅基波导层300下方，硅基波导层300的材质与下包层100的材质一样都是Si，但硅基波导层的宽度没有衬底层200以及下包层100宽，仅是衬底层200与下包层100宽度的一半，且位于衬底层200上端面的中心线上，在硅基波导层300上还有一层上包层400，上包层400会将硅基波导层300完整的包裹起来，保证硅基波导层300在模阶转换过程中不会受到外部光因素的干扰，同样的下包层100与衬底层200也是起到了一定程度上类似的作用。

进一步的，在硅基波导层300的表面上设定沿输入方向为水平方向，规定第一侧边301为位于硅基波导层300中心线的左侧，第二侧边302为右侧；在硅基波导层300的表面设置有不用尺寸的凹槽，其中第一凹槽303设置在左侧，且第一凹槽303的左侧边为镂空侧边，即硅基波导层300的左侧边掏有一个左侧与上端面通透的凹槽，同样的在沿输入方向，在第一凹槽303的前方设置有类似的第二凹槽304，在硅基波导层300的中心线的右侧，与第一凹槽303齐平的位置，设置有第三凹槽305，同样的与第一凹槽303以及第二凹槽304之间位置关系类似的，第四凹槽306沿输入方向设置在第三凹槽305前方，两者之间设置有第五凹槽307，第五凹槽307的输出方向一侧端面与第四凹槽306输入方向一侧端面相接触，在第四凹槽306的输出方向一侧的端面设置有与之相接触的第六凹槽308。

其中，第一凹槽303与第三凹槽305所在的硅基波导层300区域构成激励区，第二凹槽304与第四凹槽306所在的区域构成第一相移区，第五凹槽307与第六凹槽308构成第二相移区，其中，激励区打破了波导的横向对称性，并产生了不对称的折射率分布，将输入的横磁基模光信号激励出高阶模式，形成基模与高阶模共存的状态并表现出多个光束；第一相移区将多个光束进行相位的调整，使得相邻光束之间的相位差接近于π；第二相移区将相邻光束之间的相位进一步微调，使得最终输出高质量的3阶横磁模式。

因此，本发明的具体工作原理如下：光信号在上述结构的模阶数转换原理如下：包含横磁基模的入射光信号(TM0)从硅基波导层300的输入端进入，接着进入硅基波导层300的激励区，因受到该激励区中第一凹槽303和第三矩形槽305的共同影响，产生了不对称的折射率分布，输入的TM0光信号激励出其它的高阶模式，在经过激励区后，硅基波导层300中主要存在的是TM0模式和3阶横磁(TM3)模式并分出了多条光束。接下来，光信号进入第二相移区的前半段，在该区域附加的第五凹槽307，因光束经过的介质不相同，使得光束之间产生一定的相位差，使得TM0模式进一步的向TM3模式进行转换。然后，光信号进入第一相移区，在受到第二凹槽304和第四凹槽306的共同影响下，相邻光束之间的相位差接近π，TM0模式基本上已经转换成了TM3模式。最后，光束进入第二相移区的后半段，通过第六凹槽308对相邻光束之间的相位差再次进行微调，使得相邻光束之间的相位差等于π，对应于输出端的TM3模式，从而实现了TM0到TM3模阶数的转换功能。

实施例2

参照图1～5，该实施例不同于第一个实施例的是：第一凹槽303至第六凹槽308均为矩形刻蚀槽，且每个刻蚀槽的深度均为70nm，所述第一凹槽303至所述第六凹槽308之间的位置距离以及各自的槽长、槽宽均为一个最优选的值。

具体的，第一凹槽303的长度为6.07微米，第二凹槽304的长度为5.34微米，第三凹槽305的长度为5.43微米，第四凹槽306的长度为4.68微米，第五凹槽307的长度为3.47微米，第六凹槽308的长度为1.66微米；第一凹槽303、第二凹槽304以及第五凹槽307的宽度为0.6微米，第三凹槽305以及第四凹槽306的宽度为0.63微米，所述第六凹槽308的宽度为0.28微米；第一凹槽303与第二凹槽304之间的距离为4940nm，第一凹槽303与第三凹槽305之间距离为370nm，第五凹槽307距估计波导层300左侧侧边距离为790nm，第三凹槽305与第五凹槽307之间距离为2230nm，第六凹槽308距硅基波导层300左侧侧边距离为800nm；当第一凹槽303与第六凹槽308之间的位置关系以及其各自槽长槽宽为上述尺寸数据时，根据公式

可得插入损耗在波长为1550nm的情况≈0.7dB，其中PTM3为期望输出的TM3模式的功率，Pin为输入波导的TM0模式的功率。

因此在波长为1550nm，每个刻蚀矩形槽深度为70nm，其他数据条件均为最优选的情况下，片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器模阶数转换效率为87.5％。

图5为本实施例中输入的横磁基模光信号沿硅基波导传输方向的电场演化图，从图中可以看出，横磁基模光信号输入硅基波导后，经过第一凹槽303和第三凹槽305构成的激励区，由于在硅基波导的顶层浅刻蚀矩形槽，可以产生不对称的折射率分布，使得光信号大部分经过的是未刻蚀区域，于在激励区激励出了高阶模式，并逐渐形成了4条光束。接着，光信号经过第五凹槽307所在的第二相移区的前半段，由于第五凹槽307的刻蚀区域，激励出的高阶模式将经历不同的传播过程，4条光束之间将会产生一定的相位差，从图中可以看出，在第二相移区的前半段输出端，4条光束变得更加明显。然后，光信号进入第二凹槽304和第四凹槽306的第一相移区，由于第二凹槽304和第四槽306的存在，两条光束进入刻蚀区域，而另两条光束进入未刻蚀区域，可在相邻光束之间积累接近于π的相位差，在第二相移区的输出端，横磁基模基本已经转换成了3阶横磁模式。最后，光束经过第二相移区的后半段，第二相移区的后半段的功能与第二相移区的前半段的功能相同，通过第六凹槽308对相邻光束之间的相位差再次进行微调，使得相邻光束之间的相位差等于π，对应于输出端的3阶横磁模式，从而实现了模阶数转换的功能。本发明所提供的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器方案，也可以用于设计其它类型的模阶数转换器(如TM0模式到TM1模式、TM0模式到TM2模式以及TM0模式到TM3模式等等)。

实施例3

参照图1～5，该实施例所包括的第一凹槽303至第六凹槽308均为矩形刻蚀槽，且每个刻蚀槽的深度均为75nm，所述第一凹槽303至所述第六凹槽308之间的位置距离以及各自的槽长、槽宽均为一个最优选的值。

具体的，第一凹槽303的长度为6.07微米，第二凹槽304的长度为5.34微米，第三凹槽305的长度为5.43微米，第四凹槽306的长度为4.68微米，第五凹槽307的长度为3.47微米，第六凹槽308的长度为1.66微米；第一凹槽303、第二凹槽304以及第五凹槽307的宽度为0.6微米，第三凹槽305以及第四凹槽306的宽度为0.63微米，所述第六凹槽308的宽度为0.28微米；第一凹槽303与第二凹槽304之间的距离为4940nm，第一凹槽303与第三凹槽305之间距离为370nm，第五凹槽307距估计波导层300左侧侧边距离为790nm，第三凹槽305与第五凹槽307之间距离为2230nm，第六凹槽308距硅基波导层300左侧侧边距离为800nm；当第一凹槽303与第六凹槽308之间的位置关系以及其各自槽长槽宽为上述尺寸数据时，根据公式

可得插入损耗在波长为1550nm的情况≈0.7dB，其中PTM3为期望输出的TM3模式的功率，Pin为输入波导的TM0模式的功率。

因此在波长为1550nm，每个刻蚀矩形槽深度为75nm，其他数据条件均为最优选的情况下，片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器模阶数转换效率为91.7％。

图5为本实施例中输入的横磁基模光信号沿硅基波导传输方向的电场演化图，从图中可以看出，横磁基模光信号输入硅基波导后，经过第一凹槽303和第三凹槽305构成的激励区，由于在硅基波导的顶层浅刻蚀矩形槽，可以产生不对称的折射率分布，使得光信号大部分经过的是未刻蚀区域，于在激励区激励出了高阶模式，并逐渐形成了4条光束。接着，光信号经过第五凹槽307所在的第二相移区的前半段，由于第五凹槽307的刻蚀区域，激励出的高阶模式将经历不同的传播过程，4条光束之间将会产生一定的相位差，从图中可以看出，在第二相移区的前半段输出端，4条光束变得更加明显。然后，光信号进入第二凹槽304和第四凹槽306的第一相移区，由于第二凹槽304和第四槽306的存在，两条光束进入刻蚀区域，而另两条光束进入未刻蚀区域，可在相邻光束之间积累接近于π的相位差，在第二相移区的输出端，横磁基模基本已经转换成了3阶横磁模式。最后，光束经过第二相移区的后半段，第二相移区的后半段的功能与第二相移区的前半段的功能相同，通过第六凹槽308对相邻光束之间的相位差再次进行微调，使得相邻光束之间的相位差等于π，对应于输出端的3阶横磁模式，从而实现了模阶数转换的功能。本发明所提供的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器方案，也可以用于设计其它类型的模阶数转换器(如TM0模式到TM1模式、TM0模式到TM2模式以及TM0模式到TM3模式等等)。

实施例4

参照图1～5，该实施例所包括的第一凹槽303至第六凹槽308均为矩形刻蚀槽，且每个刻蚀槽的深度均为80nm，所述第一凹槽303至所述第六凹槽308之间的位置距离以及各自的槽长、槽宽均为一个最优选的值。

具体的，第一凹槽303的长度为6.07微米，第二凹槽304的长度为5.34微米，第三凹槽305的长度为5.43微米，第四凹槽306的长度为4.68微米，第五凹槽307的长度为3.47微米，第六凹槽308的长度为1.66微米；第一凹槽303、第二凹槽304以及第五凹槽307的宽度为0.6微米，第三凹槽305以及第四凹槽306的宽度为0.63微米，所述第六凹槽308的宽度为0.28微米；第一凹槽303与第二凹槽304之间的距离为4940nm，第一凹槽303与第三凹槽305之间距离为370nm，第五凹槽307距估计波导层300左侧侧边距离为790nm，第三凹槽305与第五凹槽307之间距离为2230nm，第六凹槽308距硅基波导层300左侧侧边距离为800nm；当第一凹槽303与第六凹槽308之间的位置关系以及其各自槽长槽宽为上述尺寸数据时，根据公式

可得插入损耗在波长为1550nm的情况≈0.7dB，其中PTM3为期望输出的TM3模式的功率，Pin为输入波导的TM0模式的功率。

因此在波长为1550nm，每个刻蚀矩形槽深度为80nm，其他数据条件均为最优选的情况下，片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器模阶数转换效率为92.97％。

图5为本实施例中输入的横磁基模光信号沿硅基波导传输方向的电场演化图，从图中可以看出，横磁基模光信号输入硅基波导后，经过第一凹槽303和第三凹槽305构成的激励区，由于在硅基波导的顶层浅刻蚀矩形槽，可以产生不对称的折射率分布，使得光信号大部分经过的是未刻蚀区域，于在激励区激励出了高阶模式，并逐渐形成了4条光束。接着，光信号经过第五凹槽307所在的第二相移区的前半段，由于第五凹槽307的刻蚀区域，激励出的高阶模式将经历不同的传播过程，4条光束之间将会产生一定的相位差，从图中可以看出，在第二相移区的前半段输出端，4条光束变得更加明显。然后，光信号进入第二凹槽304和第四凹槽306的第一相移区，由于第二凹槽304和第四槽306的存在，两条光束进入刻蚀区域，而另两条光束进入未刻蚀区域，可在相邻光束之间积累接近于π的相位差，在第二相移区的输出端，横磁基模基本已经转换成了3阶横磁模式。最后，光束经过第二相移区的后半段，第二相移区的后半段的功能与第二相移区的前半段的功能相同，通过第六凹槽308对相邻光束之间的相位差再次进行微调，使得相邻光束之间的相位差等于π，对应于输出端的3阶横磁模式，从而实现了模阶数转换的功能。本发明所提供的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器方案，也可以用于设计其它类型的模阶数转换器(如TM0模式到TM1模式、TM0模式到TM2模式以及TM0模式到TM3模式等等)。

实施例5

参照图1～5，该实施例所包括的第一凹槽303至第六凹槽308均为矩形刻蚀槽，且每个刻蚀槽的深度均为85nm，所述第一凹槽303至所述第六凹槽308之间的位置距离以及各自的槽长、槽宽均为一个最优选的值。

具体的，第一凹槽303的长度为6.07微米，第二凹槽304的长度为5.34微米，第三凹槽305的长度为5.43微米，第四凹槽306的长度为4.68微米，第五凹槽307的长度为3.47微米，第六凹槽308的长度为1.66微米；第一凹槽303、第二凹槽304以及第五凹槽307的宽度为0.6微米，第三凹槽305以及第四凹槽306的宽度为0.63微米，所述第六凹槽308的宽度为0.28微米；第一凹槽303与第二凹槽304之间的距离为4940nm，第一凹槽303与第三凹槽305之间距离为370nm，第五凹槽307距估计波导层300左侧侧边距离为790nm，第三凹槽305与第五凹槽307之间距离为2230nm，第六凹槽308距硅基波导层300左侧侧边距离为800nm；当第一凹槽303与第六凹槽308之间的位置关系以及其各自槽长槽宽为上述尺寸数据时，根据公式

可得插入损耗在波长为1550nm的情况≈0.7dB，其中PTM3为期望输出的TM3模式的功率，Pin为输入波导的TM0模式的功率。

因此在波长为1550nm，每个刻蚀矩形槽深度为85nm，其他数据条件均为最优选的情况下，片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器模阶数转换效率为90.66％。

图5为本实施例中输入的横磁基模光信号沿硅基波导传输方向的电场演化图，从图中可以看出，横磁基模光信号输入硅基波导后，经过第一凹槽303和第三凹槽305构成的激励区，由于在硅基波导的顶层浅刻蚀矩形槽，可以产生不对称的折射率分布，使得光信号大部分经过的是未刻蚀区域，于在激励区激励出了高阶模式，并逐渐形成了4条光束。接着，光信号经过第五凹槽307所在的第二相移区的前半段，由于第五凹槽307的刻蚀区域，激励出的高阶模式将经历不同的传播过程，4条光束之间将会产生一定的相位差，从图中可以看出，在第二相移区的前半段输出端，4条光束变得更加明显。然后，光信号进入第二凹槽304和第四凹槽306的第一相移区，由于第二凹槽304和第四槽306的存在，两条光束进入刻蚀区域，而另两条光束进入未刻蚀区域，可在相邻光束之间积累接近于π的相位差，在第二相移区的输出端，横磁基模基本已经转换成了3阶横磁模式。最后，光束经过第二相移区的后半段，第二相移区的后半段的功能与第二相移区的前半段的功能相同，通过第六凹槽308对相邻光束之间的相位差再次进行微调，使得相邻光束之间的相位差等于π，对应于输出端的3阶横磁模式，从而实现了模阶数转换的功能。本发明所提供的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器方案，也可以用于设计其它类型的模阶数转换器(如TM0模式到TM1模式、TM0模式到TM2模式以及TM0模式到TM3模式等等)。

实施例6

参照图1～5，该实施例所包括的第一凹槽303至第六凹槽308均为矩形刻蚀槽，且每个刻蚀槽的深度均为90nm，所述第一凹槽303至所述第六凹槽308之间的位置距离以及各自的槽长、槽宽均为一个最优选的值。

具体的，第一凹槽303的长度为6.07微米，第二凹槽304的长度为5.34微米，第三凹槽305的长度为5.43微米，第四凹槽306的长度为4.68微米，第五凹槽307的长度为3.47微米，第六凹槽308的长度为1.66微米；第一凹槽303、第二凹槽304以及第五凹槽307的宽度为0.6微米，第三凹槽305以及第四凹槽306的宽度为0.63微米，所述第六凹槽308的宽度为0.28微米；第一凹槽303与第二凹槽304之间的距离为4940nm，第一凹槽303与第三凹槽305之间距离为370nm，第五凹槽307距估计波导层300左侧侧边距离为790nm，第三凹槽305与第五凹槽307之间距离为2230nm，第六凹槽308距硅基波导层300左侧侧边距离为800nm；当第一凹槽303与第六凹槽308之间的位置关系以及其各自槽长槽宽为上述尺寸数据时，根据公式

可得插入损耗在波长为1550nm的情况≈0.7dB，其中PTM3为期望输出的TM3模式的功率，Pin为输入波导的TM0模式的功率。

因此在波长为1550nm，每个刻蚀矩形槽深度为90nm，其他数据条件均为最优选的情况下，片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器模阶数转换效率为88.79％。

图5为本实施例中输入的横磁基模光信号沿硅基波导传输方向的电场演化图，从图中可以看出，横磁基模光信号输入硅基波导后，经过第一凹槽303和第三凹槽305构成的激励区，由于在硅基波导的顶层浅刻蚀矩形槽，可以产生不对称的折射率分布，使得光信号大部分经过的是未刻蚀区域，于在激励区激励出了高阶模式，并逐渐形成了4条光束。接着，光信号经过第五凹槽307所在的第二相移区的前半段，由于第五凹槽307的刻蚀区域，激励出的高阶模式将经历不同的传播过程，4条光束之间将会产生一定的相位差，从图中可以看出，在第二相移区的前半段输出端，4条光束变得更加明显。然后，光信号进入第二凹槽304和第四凹槽306的第一相移区，由于第二凹槽304和第四槽306的存在，两条光束进入刻蚀区域，而另两条光束进入未刻蚀区域，可在相邻光束之间积累接近于π的相位差，在第二相移区的输出端，横磁基模基本已经转换成了3阶横磁模式。最后，光束经过第二相移区的后半段，第二相移区的后半段的功能与第二相移区的前半段的功能相同，通过第六凹槽308对相邻光束之间的相位差再次进行微调，使得相邻光束之间的相位差等于π，对应于输出端的3阶横磁模式，从而实现了模阶数转换的功能。本发明所提供的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器方案，也可以用于设计其它类型的模阶数转换器(如TM0模式到TM1模式、TM0模式到TM2模式以及TM0模式到TM3模式等等)。

实施例6

参照图1～5，该实施例所包括的第一凹槽303至第六凹槽308均为矩形刻蚀槽，且每个刻蚀槽的深度均为100nm，所述第一凹槽303至所述第六凹槽308之间的位置距离以及各自的槽长、槽宽均为一个最优选的值。

具体的，第一凹槽303的长度为6.07微米，第二凹槽304的长度为5.34微米，第三凹槽305的长度为5.43微米，第四凹槽306的长度为4.68微米，第五凹槽307的长度为3.47微米，第六凹槽308的长度为1.66微米；第一凹槽303、第二凹槽304以及第五凹槽307的宽度为0.6微米，第三凹槽305以及第四凹槽306的宽度为0.63微米，所述第六凹槽308的宽度为0.28微米；第一凹槽303与第二凹槽304之间的距离为4940nm，第一凹槽303与第三凹槽305之间距离为370nm，第五凹槽307距估计波导层300左侧侧边距离为790nm，第三凹槽305与第五凹槽307之间距离为2230nm，第六凹槽308距硅基波导层300左侧侧边距离为800nm；当第一凹槽303与第六凹槽308之间的位置关系以及其各自槽长槽宽为上述尺寸数据时，根据公式

可得插入损耗在波长为1550nm的情况≈0.7dB，其中PTM3为期望输出的TM3模式的功率，Pin为输入波导的TM0模式的功率。

因此在波长为1550nm，每个刻蚀矩形槽深度为100nm，其他数据条件均为最优选的情况下，片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器模阶数转换效率为64.57％。

图5为本实施例中输入的横磁基模光信号沿硅基波导传输方向的电场演化图，从图中可以看出，横磁基模光信号输入硅基波导后，经过第一凹槽303和第三凹槽305构成的激励区，由于在硅基波导的顶层浅刻蚀矩形槽，可以产生不对称的折射率分布，使得光信号大部分经过的是未刻蚀区域，于在激励区激励出了高阶模式，并逐渐形成了4条光束。接着，光信号经过第五凹槽307所在的第二相移区的前半段，由于第五凹槽307的刻蚀区域，激励出的高阶模式将经历不同的传播过程，4条光束之间将会产生一定的相位差，从图中可以看出，在第二相移区的前半段输出端，4条光束变得更加明显。然后，光信号进入第二凹槽304和第四凹槽306的第一相移区，由于第二凹槽304和第四槽306的存在，两条光束进入刻蚀区域，而另两条光束进入未刻蚀区域，可在相邻光束之间积累接近于π的相位差，在第二相移区的输出端，横磁基模基本已经转换成了3阶横磁模式。最后，光束经过第二相移区的后半段，第二相移区的后半段的功能与第二相移区的前半段的功能相同，通过第六凹槽308对相邻光束之间的相位差再次进行微调，使得相邻光束之间的相位差等于π，对应于输出端的3阶横磁模式，从而实现了模阶数转换的功能。本发明所提供的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器方案，也可以用于设计其它类型的模阶数转换器(如TM0模式到TM1模式、TM0模式到TM2模式以及TM0模式到TM3模式等等)。

如表1所示，在不同刻蚀深度时具有不同的转换效率：

表1

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：包括，

下包层(100),以及；

衬底层(200)，所述衬底层(200)设置在所述下包层(100)上，以及；

硅基波导层(300)，所述硅基波导层(300)设置在所述衬底层(200)上，所述硅基波导层(300)的两侧边分别为第一侧边(301)以及第二侧边(302)，在所述硅基波导层(300)的端面上设置有第一凹槽(303)，所述第一凹槽(303)的一侧边与所述第一侧边(301)重合；

在所述硅基波导层(300)的表面上还设置有第二凹槽(304)，所述第二凹槽(304)与所述第一凹槽(303)的同侧侧边与所述第一侧边(301)重合；以及，靠近所述第二侧边(302)处设置的第三凹槽(305)，沿所述第二侧边(302)方向设置在与所述第二凹槽(304)平行的第四凹槽(306)，所述第四凹槽(306)与第三凹槽(305)在沿第二侧边(302)的方向上位置相互平齐；

所述第四凹槽(306)与所述第三凹槽(305)之间还设置有第五凹槽(307)，所述第五凹槽(307)的其中一侧与所述第四凹槽(306)上靠近第三凹槽(305)一侧的侧边相接触，在所述第四凹槽(306)远离第三凹槽(305)的一侧设置有第六凹槽(308)，所述第六凹槽(308)与所述第四凹槽(306)相互接触；以及，

上包层(400)，所述上包层(400)设置在所述硅基波导层(300)上。

2.如权利要求1所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述下包层(100)材质为单质Si材质，所述衬底层(200)为氧化硅材质，所述硅基波导层(300)的材质为单质Si材质，所述上包层(400)的材质为氮化硅材质。

3.如权利要求2所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述第一凹槽(303)至第六凹槽为(308)为矩形刻蚀槽，且每个槽的刻蚀深度相同并小于100nm。

4.如权利要求2所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述硅基波导层(300)的宽度为2微米，高度为3微米；所述第一凹槽(303)的长度为6.07微米，所述第二凹槽(304)的长度为5.34微米，所述第三凹槽(305)的长度为5.43微米，所述第四凹槽(306)的长度为4.68微米，所述第五凹槽(307)的长度为3.47微米，所述第六凹槽(308)的长度为1.66微米。

5.如权利要求1～4任一所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述第一凹槽(303)、第二凹槽(304)以及第五凹槽(307)的宽度为0.6微米，所述第三凹槽(305)以及第四凹槽(306)的宽度为0.63微米，所述第六凹槽(308)的宽度为0.28微米。

6.如权利要求5所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述刻蚀深度为70～90nm。

7.如权利要求6所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述第一凹槽(303)与所述第三凹槽(305)之间在所述硅基波导层(300)表面上沿其宽度方向相距370nm，所述第五凹槽(307)距所述第一侧边(301)的沿所述硅基波导层(300)宽度方向的距离为790nm，所述第五凹槽(307)与所述第三凹槽(305)之间相距2230nm，所述第一凹槽(303)与所述第二凹槽(304)之间沿所述第一侧边(301)方向的相距距离为4940nm，所述第六凹槽(308)距所述第一侧边(301)的距离为800nm。

8.如权利要求7所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述上包层(400)与硅基波导层(300)之间通过浇筑成型。

9.如权利要求8所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述硅基波导层(300)的高度为300微米。

10.如权利要求9所述的片上集成基于硅基波导的TM0-TM3模序数转换器，其特征在于：所述硅基波导层(300)处于衬底层(200)上，且所述衬底层(200)的宽度超出所述硅基波导层(300)的宽度。

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