CN112558223A

CN112558223A - 混合模式转换器及其制备方法

Info

Publication number: CN112558223A
Application number: CN202110014152.7A
Authority: CN
Inventors: 赵瑛璇; 黄海阳; 仇超; 甘甫烷; 盛振
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: CN112558223B

Abstract

本发明提供一种模式转换器及其制备方法，结构包括：依次连接的第一模式转换区、第二模式转换区、第三模式转换区以及第四模式转换区。其中，并进一步将第一模式转换区设计为非对称的Y分支波导，包括第一波导段和第二波导段，在第二模式转换区设计与弯曲汇聚波导，包括第三波导段和第四波导段，通过第三模式转换区的波导连接及光栅布置方式实现模式转换，形成耦合，包括第五波导段、第六波导段以及光栅区及制备在其中的凹槽结构，最终耦合后的光通过第四模式转换区输出，有效的实现了多模式的复用，有效的将入射的TE₀模式的光转换为TE₀和TE1混合模式的光输出。

Description

混合模式转换器及其制备方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别是涉及一种混合模式转换器及其制备方法。

背景技术

基于绝缘体上硅(SOI)平台的硅光子技术因其具有的成本低，尺寸小，CMOS工艺兼容以及功耗等优势而收到学术界和工业界的广泛关注。

目前随着人们对于更大的网络容量和更高的带宽的需要，复用技术在现代光纤传输系统中被广泛采用。典型的复用技术包括波分复用(WDM)，模分复用(MDM)，偏振复用(PDM)，轨道角动量复用和时间复用等。其中的模分复用(MDM)方案由于能够通过利用每种波长的高阶模式来起到进一步增强链路容量而在近年来成为研究的热点。模式多路复用器可以将独立的输入信号复用到不同的多路模式通道中。然而，现有技术中的模式转换器结构复杂，难以实现有效的模式混合，特别是对于将入射的TE₀模式的光转换为TE₀和TE₁混合模式的光输出，难以设计出有效的混合模式转换器。

因此，如何设计一种混合模式转换器以有效解决现有技术中上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种混合模式转换器及其制备方法，用于解决现有技术中模式转换器结构复杂，难以实现有效的模式混合等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种混合模式转换器，所述混合模式转换器包括：

第一模式转换区，包括间隔排布的第一波导段和第二波导段；

第二模式转换区，包括间隔排布的第三波导段和第四波导段，所述第三波导段与所述第一波导段相连接，所述第四波导段与所述第二波导段相连接；

第三模式转换区，包括第五波导段和第六波导段，所述第五波导段与所述第三波导段相连接，所述第六波导段与所述第四波导段相连接，且所述第三模式转换区还包括光栅区，两侧分别与所述第五波导段和所述第六波导段相连接，包括若干个间隔排布的凹槽；

第四模式转换区，包括第七波导段，所述第七波导段与所述第五波导段、所述第六波导段及所述光栅区均连接。

可选地，相邻所述凹槽之间的间隔为0.15μm-0.25μm；所述凹槽的长度为0.15μm-0.25μm；所述凹槽的宽度为0.05μm-0.15μm。

可选地，所述凹槽沿其长度方向上间隔排布。

可选地，所述第一波导段具有窄端面和宽端面，所述第二波导段具有窄端面和宽端面，所述第一波导段的宽端面与所述第三波导段相连接，所述第二波导段的窄端面与所述第四波导连接，所述第五波导段具有窄端面和宽端面，所述第六波导段具有窄端面和宽端面，所述第五波导段的宽端面与所述第三波导相连接，所述第六波导段的窄端面与所述第四波导段连接，所述第七波导段具有窄端面和宽端面，所述第七波导段的窄端面与所述第五波导段、所述第六波导段及所述光栅区连接。

可选地，所述第一波导段的窄端面的宽度与所述第二波导段的宽端面的宽度相等。

可选地，所述第三波导段各处宽度相同，所述第四波导段各处宽度相同。

可选地，所述第一波导段与所述第二波导段的间距为0.50μm-0.60μm；所述第五波导段的宽端面与所述第六波导段的窄端面之间的距离为0.08μm-0.12μm；且所述第五波导段和所述第六波导段靠近所述第七波导段一侧的部分侧面相接触构成所述光栅区。

可选地，所述第一波导段的窄端面的宽度为0.40μm-0.50μm，所述第一波导段的宽端面的宽度为0.50μm-0.60μm，所述第二波导段的宽端面的宽度为0.40μm-0.50μm，所述第二波导段的窄端面的宽度为0.30μm-0.40μm；所述第五波导段的宽端面的宽度为0.50μm-0.60μm，所述第五波导段的窄端面的宽度为0.40μm-0.55μm，所述第六波导段的窄端面的宽度为0.30μm-0.40μm，所述第六波导段的宽端面的宽度为0.40μm-0.55μm，所述第七波导段的窄端面的宽度为0.80μm-1.05μm，所述第七波导段的宽端面的宽度为1.10μm-1.20μm。

可选地，所述第一模式转换区的长度为9μm-11μm；所述第二模式转换区的长度为19μm-21μm；所述第三模式转换区的长度为24μm-26μm；所述第四模式转换区的长度为4μm-6μm。

可选地，所述混合模式转换器包括SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅层、埋氧层及顶层硅层，所述第一模式转换区、所述第二模式转换区、所述第三模式转换区及所述第四模式转换区均通过刻蚀所述顶层硅层而形成。

可选地，所述混合模式转换器还包括保护层，所述保护层位于所述埋氧层的上表面，且完全覆盖所述第一模式转换区、所述第二模式转换区、所述第三模式转换区及所述第四模式转换区。

可选地，自所述第一波导段输入TE₀模式的入射光，自所述第二波导段输入TE₀模式的入射光；且经过所述第一模式转换区，所述第一波导段传输的TE₀模式比所述第二波导段传输的TE₀模式的有效折射率大，在第三模式转换区实现TE₀模式向TE₁模式的转换，自所述第七波导段输出TE₀和TE₁的混合模式的光。

另外，本发明还提供一种如上述方案中任一项所述的模式转换器的制备方法，所述制备方法包括步骤：

提供SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅层、埋氧层及顶层硅层；

刻蚀所述顶层硅层，以形成所述第一模式转换区、所述第二模式转换区、所述第三模式转换区及所述第四模式转换区。

如上所述，本发明的模式转换器及其制备方法，设计为依次连接的第一模式转换区、第二模式转换区、第三模式转换区及第四模式转换区，并进一步将第一模式转换区设计为非对称的Y分支波导，在第二模式转换设计与弯曲汇聚波导，通过第三模式转换区的波导连接及光栅布置方式实现模式转换，形成耦合，最终耦合后的光通过第四模式转换区输出，有效的实现了多模式的复用，有效的将入射的TE₀模式的光转换为TE₀和TE₁混合模式的光输出。

附图说明

图1-4显示为本发明提供的混合模式转换器的结构示意图；其中，图1显示为整体结构示意图，图2和图3分别显示为前两个模式转换区和后两个模式转换区局部放大示意图，图4显示为光栅区局部放大示意图。

图5-8显示为本发明提供的马赫曾德尔干涉仪制备中各步骤得到的结构截面示意图。

图9-12显示为不同光栅数及不同的光栅区长度条件下的器件仿真模场示意图。

元件标号说明

100 混合模式转换器

11 第一模式转换区

111 第一波导段

112 第二波导段

12 第二模式转换区

121 第三波导段

122 第四波导段

13 第三模式转换区

131 第五波导段

132 第六波导段

14 第四模式转换区

141 第七波导段

201 底层硅层

202 埋氧层

203 顶层硅层

204 刻蚀掩膜层

205 器件层

206 保护层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如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。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。另外，本发明中使用的“介于……之间”包括两个端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种混合模式转换器100，所述混合模式转换器100包括：第一模式转换区11、第二模式转换区12、第三模式转换区13及第四模式转换区14。本发明采用非对称Y分支结构作为模式多路复用器，完成多种模式的复用；另外，本发明还采用光栅设计，其中，亚波长光栅(Subwavelength Grating)是一种一维的周期性结构，该结构采用与工作波长(1.55μm)相比足够小的光栅间距，可以有效地抑制周期性产生的衍射效应。使用SWG的结构部分可以将其视为一种等效的材料，材料折射率随SWG的结构而发生改变。

另外，需要进一步说明的是，本发明所设计的模式混合器件是硅光子中的基础器件，基于硅基的模式混合器件的设计可以应用于模式多路复用器，硅基偏振旋转分束器，硅基马赫曾德尔干涉仪器件，硅基光开关等硅基核心关键器件中。

下面将详细介绍本发明的混合模式转换器的结构。

如图1所示，第一模式转换区11、第二模式转换区12、第三模式转换区13及第四模式转换区14依次相连接构成本发明的模式转换器。其中：

第一模式转换区11包括间隔排布的第一波导段111和第二波导段112。

第二模式转换区12包括间隔排布的第三波导段121和第四波导段122，所述第三波导段121与所述第一波导段111相连接，所述第四波导段122与所述第二波导段112相连接。

第三模式转换区13包括第五波导段131和第六波导段132，所述第五波导段131与所述第三波导段121相连接，所述第六波导段132与所述第四波导段122相连接。

其中，所述第三模式转换区13还包括光栅区15，光栅区15两侧分别与所述第五波导段131和所述第六波导段132相连接，光栅区15包括若干个间隔排布的凹槽151。

在一具体示例中，第五波导段131和第六波导段132在前端部分二者间隔排布，之后沿延伸方向逐渐靠近，从而使得两个波导段相靠近的侧壁相接触，连接形成为一体连接结构，其中，凹槽151制备在这一一体连接结构中，从而这一区域形成所述光栅区15。

作为示例，所述凹槽151沿其长度方向上间隔排布，即，沿着第三模式转换区13指向第四模式转换区14的方向间隔排布。本示例中，选择形成为一行间隔排布的凹槽151。优选各凹槽151大小形状均相等，且位于分布在中间位置，形成两侧对称分布的状态。当然，在其他示例中，所述凹槽151还可以是其他数量及其他形式的阵列分布。另外，本发明的亚微米光栅数(凹槽151数量)及总长度(光栅区长度L7)随设计变化。在一示例中，凹槽151数量范围为10-25个，例如，可以是20个，对应长度L7范围为2μm-5μm，例如可以为3μm，凹槽数量可以认为是光栅数量。另外，在一示例中，凹槽同时刻蚀，深度可以等于顶层硅的厚度220nm，当然，凹槽深度也可在210nm-230nm范围内优化，可依据实际需求设定。

第四模式转换区14包括第七波导段141，所述第七波导段141与所述第五波导段131、所述第六波导段132及所述光栅区15均连接。在一具体示例中，所述第七波导段141的一个端面同时与侧壁相连接的第五波导段131和第六波导段132相接触，形成两个区的连接。

作为示例，所述第一波导段111具有窄端面和宽端面，所述第二波导段112具有窄端面和宽端面，所述第一波导段111的宽端面与所述第三波导段121相连接，所述第二波导段112的窄端面与所述第四波导段122连接。同时，在一具体示例中，所述第一波导段111的窄端面的宽度与所述第二波导段112的宽端面的宽度相等。也就是说，第一模式转换区11中的两根波导一个端面逐渐变宽，另一个端面逐渐变窄，形成非对称Y分支结构。

另外，进一步示例中，所述第三波导段121各处宽度相同，所述第四波导段122各处宽度相同。在第二模式转换区12中通过弯曲波导使得上下两个矩形波导逐渐靠近。

进一步示例中，所述第五波导段131具有窄端面和宽端面，所述第六波导段132具有窄端面和宽端面，所述第五波导段131的宽端面与所述第三波导段121相连接，所述第六波导段132的窄端面与所述第四波导段122连接，进一步，两个波导在延伸指向第四模式转换区14的方向上逐渐靠近连接为一体，形成光栅区，可以认为对于形成的光栅区的末尾端面，分别由第五波导段131的窄端面和第六波导段132的宽端面构成。在一具体示例中，认为第五波导段131的窄端面与第六波导段132的宽端面相等，为光栅区15端面的1/2，在一示例中，为所述第五波导段131的宽端面和所述第六波导段132的窄端面之和的1/2。

进一步示例中，所述第七波导段141具有窄端面和宽端面，所述第七波导段141的窄端面与所述第五波导段131、所述第六波导段132及所述光栅区15连接。在一具体示例中，第七波导段141的窄端面的宽度等于连接为一体的第五波导段131和第六波导段132的端面之和，也可以是等于所述第五波导段131的宽端面和所述第六波导段132的窄端面之和。另外，混合后的信号自所述第七波导段141宽端面输出。

另外，作为示例，相邻所述凹槽151之间的间隔L5为0.15μm-0.25μm，即，可以为上述两端点值，也可以为中间任意数值；另外，所述凹槽151的长度L6为0.15μm-0.25μm；所述凹槽151的宽度W10为0.05μm-0.15μm。所述第一波导段111与所述第二波导段112的间距Gap1为0.50μm-0.60μm；所述第五波导段131的宽端面与所述第六波导段132的窄端面之间的距离Gap2为0.08μm-0.12μm；所述第一波导段111的窄端面的宽度W1为0.40μm-0.50μm，所述第一波导段111的宽端面的宽度W3为0.50μm-0.60μm，所述第二波导段112的宽端面的宽度W2为0.40μm-0.50μm，所述第二波导段112的窄端面的宽度W4为0.30μm-0.40μm；所述第五波导段131的宽端面的宽度W5为0.50μm-0.60μm，所述第五波导段131的窄端面的宽度W7为0.40μm-0.55μm，所述第六波导段132的窄端面的宽度W6为0.30μm-0.40μm，所述第六波导段132的宽端面的宽度W8为0.40μm-0.55μm；所述第七波导段141的窄端面的宽度为0.80μm-1.05μm，所述第七波导段141的宽端面的宽度W9为1.10μm-1.20μm。另外，对于本发明的设计，所述第一模式转换区11的长度L1为9μm-11μm；所述第二模式转换区12的长度L2为19μm-21μm；所述第三模式转换区13的长度L3为24μm-26μm；所述第四模式转换区14的长度L4为4μm-6μm。另外，凹槽151的数量及光栅区长度L7可以实际变化。

另外，需要说明的是，上述尺寸参数在上述范围之内需要具有一一对应的关系，有利于本发明模式转换的实现。下面以几个示例进行说明：譬如：在第一示例中，相邻所述凹槽151之间的间隔L5为0.2μm，所述凹槽151的长度L6为0.2μm；所述凹槽151的宽度W10为0.1μm。所述第一波导段111与所述第二波导段112的间距Gap1为0.55μm；所述第五波导段131的宽端面与所述第六波导段132的窄端面之间的距离Gap2为0.1μm；所述第一波导段111的窄端面的宽度W1为0.45μm，所述第一波导段111的宽端面的宽度W3为0.55μm，所述第二波导段112的宽端面的宽度W2为0.45μm，所述第二波导段112的窄端面的宽度W4为0.35μm；所述第五波导段131的宽端面的宽度W5为0.55μm，所述第五波导段131的窄端面的宽度W7为0.5μm，所述第六波导段132的窄端面的宽度W6为0.35μm，所述第六波导段132的宽端面的宽度W8为0.5μm；所述第七波导段141的窄端面的宽度为1.0μm，所述第七波导段141的宽端面的宽度W9为1.15μm。所述第一模式转换区11的长度L1为10μm；所述第二模式转换区12的长度L2为20μm；所述第三模式转换区13的长度L3为25μm；所述第四模式转换区14的长度L4为5μm。另外，凹槽151的数量及光栅区长度L7可以实际变化。在第二示例中，相邻所述凹槽151之间的间隔L5为0.16μm，所述凹槽151的长度L6为0.16μm；所述凹槽151的宽度W10为0.06μm。所述第一波导段111与所述第二波导段112的间距Gap1为0.51μm；所述第五波导段131的宽端面与所述第六波导段132的窄端面之间的距离Gap2为0.1μm；所述第一波导段111的窄端面的宽度W1为0.41μm，所述第一波导段111的宽端面的宽度W3为0.51μm，所述第二波导段112的宽端面的宽度W2为0.41μm，所述第二波导段112的窄端面的宽度W4为0.31μm；所述第五波导段131的宽端面的宽度W5为0.51μm，所述第五波导段131的窄端面的宽度W7为0.41μm，所述第六波导段132的窄端面的宽度W6为0.31μm，所述第六波导段132的宽端面的宽度W8为0.41μm；所述第七波导段141的窄端面的宽度为0.82μm，所述第七波导段141的宽端面的宽度W9为1.11μm。所述第一模式转换区11的长度L1为9.5μm；所述第二模式转换区12的长度L2为19.5μm；所述第三模式转换区13的长度L3为24.5μm；所述第四模式转换区14的长度L4为4.5μm。另外，凹槽151的数量及光栅区长度L7可以实际变化。在第三示例中，相邻所述凹槽151之间的间隔L5为0.18μm，所述凹槽151的长度L6为0.18μm；所述凹槽151的宽度W10为0.08μm。所述第一波导段111与所述第二波导段112的间距Gap1为0.53μm；所述第五波导段131的宽端面与所述第六波导段132的窄端面之间的距离Gap2为0.1μm；所述第一波导段111的窄端面的宽度W1为0.43μm，所述第一波导段111的宽端面的宽度W3为0.53μm，所述第二波导段112的宽端面的宽度W2为0.43μm，所述第二波导段112的窄端面的宽度W4为0.33μm；所述第五波导段131的宽端面的宽度W5为0.53μm，所述第五波导段131的窄端面的宽度W7为0.43μm，所述第六波导段132的窄端面的宽度W6为0.33μm，所述第六波导段132的宽端面的宽度W8为0.43μm；所述第七波导段141的窄端面的宽度为0.86μm，所述第七波导段141的宽端面的宽度W9为1.13μm。所述第一模式转换区11的长度L1为9.8μm；所述第二模式转换区12的长度L2为19.8μm；所述第三模式转换区13的长度L3为24.8μm；所述第四模式转换区14的长度L4为4.8μm。另外，凹槽151的数量及光栅区长度L7可以实际变化。在第四示例中，相邻所述凹槽151之间的间隔L5为0.21μm，所述凹槽151的长度L6为0.21μm；所述凹槽151的宽度W10为0.11μm。所述第一波导段111与所述第二波导段112的间距Gap1为0.56μm；所述第五波导段131的宽端面与所述第六波导段132的窄端面之间的距离Gap2为0.1μm；所述第一波导段111的窄端面的宽度W1为0.46μm，所述第一波导段111的宽端面的宽度W3为0.56μm，所述第二波导段112的宽端面的宽度W2为0.46μm，所述第二波导段112的窄端面的宽度W4为0.36μm；所述第五波导段131的宽端面的宽度W5为0.56μm，所述第五波导段131的窄端面的宽度W7为0.46μm，所述第六波导段132的窄端面的宽度W6为0.36μm，所述第六波导段132的宽端面的宽度W8为0.46μm；所述第七波导段141的窄端面的宽度为0.92μm，所述第七波导段141的宽端面的宽度W9为1.16μm。所述第一模式转换区11的长度L1为10.5μm；所述第二模式转换区12的长度L2为20.5μm；所述第三模式转换区13的长度L3为25.5μm；所述第四模式转换区14的长度L4为5.5μm。另外，凹槽151的数量及光栅区长度L7可以实际变化。在第五示例中，相邻所述凹槽151之间的间隔L5为0.23μm，所述凹槽151的长度L6为0.23μm；所述凹槽151的宽度W10为0.13μm。所述第一波导段111与所述第二波导段112的间距Gap1为0.58μm；所述第五波导段131的宽端面与所述第六波导段132的窄端面之间的距离Gap2为0.1μm；所述第一波导段111的窄端面的宽度W1为0.48μm，所述第一波导段111的宽端面的宽度W3为0.58μm，所述第二波导段112的宽端面的宽度W2为0.48μm，所述第二波导段112的窄端面的宽度W4为0.38μm；所述第五波导段131的宽端面的宽度W5为0.58μm，所述第五波导段131的窄端面的宽度W7为0.48μm，所述第六波导段132的窄端面的宽度W6为0.38μm，所述第六波导段132的宽端面的宽度W8为0.48μm；所述第七波导段141的窄端面的宽度为0.96μm，所述第七波导段141的宽端面的宽度W9为1.18μm。所述第一模式转换区11的长度L1为10.8μm；所述第二模式转换区12的长度L2为19.8μm；所述第三模式转换区13的长度L3为25.8μm；所述第四模式转换区14的长度L4为5.8μm。另外，凹槽151的数量及光栅区长度L7可以实际变化。

作为示例，所述混合模式转换器包括SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅层201、埋氧层202及顶层硅层203，所述第一模式转换区11、所述第二模式转换区12、所述第三模式转换区13及所述第四模式转换区14均通过刻蚀所述顶层硅层而形成。

作为示例，所述混合模式转换器还包括保护层206，所述保护层206位于所述埋氧层202的上表面，且完全覆盖第一模式转换区11、第二模式转换区12、第三模式转换区13及第四模式转换区14进行保护。在一示例中，所述保护层206可以包括但不仅限于氧化硅层。

在一示例中，所述埋氧层202的厚度介于1-3μm之间，所述顶层硅层203的厚度介于210-230nm之间，为器件各个转换区的厚度，保护层206的厚度介于0.8-1.2μm之间。在一具体示例中，所述埋氧层202的厚度为2μm，所述顶层硅层203的厚度为220nm之间，为器件各个转换区的厚度，所述保护层206的厚度为1μm之间

需要说明的是，基于本发明的设计，得到基于非对称Y分支及亚波长光栅结构的混合模式转换器。工作原理可以是：例如，器件将入射的TE0模式的光转换为TE0和TE1混合模式的光输出。器件的Part 1部分(第一模式转换区11)起到绝热传输模场的作用，Y分支的上波导(第一波导段111)宽度例如由0.45μm变化到0.55μm均匀增加，下波导(第二波导段112)宽度由0.45μm到0.35μm，均匀减小。由于上波导的末段宽度0.55μm大于下波导末端的0.35μm，此时上波导传输的TE0模式比下波导传输的TE0模式的有效折射率大。Part2(第二模式转换区12)是Y分支波导区域，通过弯曲波导使得上下两个矩形波导(第三波导段121和第四波导段122)逐渐靠近。Part3(第三模式转换区13)是模式衍化区域，实现TE0模式向TE1模式的转换，在两个矩形波导(第五波导段131和第六波导段132)中间间隙位置加入SWG(光栅区凹槽)结构，可以有效的增加了间隙区域的折射率并增强了两个条形波导之间的耦合，可以实现高阶模的传输与转换，经过耦合自所述第七波导段输出TE0和TE1的混合模式的光。即，本发明自所述第一波导段输入TE0模式的入射光，自所述第二波导段输入TE0模式的入射光；且经过所述第一模式转换区，所述第一波导段传输的TE0模式比所述第二波导段传输的TE0模式的有效折射率大，在第三模式转换区实现TE0模式向TE1模式的转换，自所述第七波导段输出TE0和TE1的混合模式的光。

另外，如图9-12所示，为了进一步说明本发明光栅区的作用进行器件仿真。其中。图9的仿真模场显示为当光栅数为10时，L7＝2μm时，输出光中TE0与TE1的比例为：80：20，器件整体的传输效率为98.68％；图10的仿真模场显示为当光栅数为15时，L7＝3μm时，输出光中TE0与TE1的比例为：90：10，器件整体的传输效率为98.61％；图11的仿真模场显示为当光栅数为20时，L7＝4μm时，输出光中TE0与TE1的比例为：50：50，器件整体的传输效率为99.10％；图12的仿真模场显示为当光栅数为25时，L7＝5μm时，输出光中TE0与TE1的比例为：70：30，器件整体的传输效率为95.40％。

另外，参见图1-7所示，本发明还提供一种如上述方案中任一项所述的混合模式转换器的制备方法，其中，各个材料层的结构及材料构成及特征描述可以参见本发明在混合模式转换器结构中的描述，在此不再赘述。制备过程中首先是掩膜版沉积，之后是旋涂光刻胶进行光刻，再进行硅刻蚀，最后沉积上包层。

所述制备方法具体包括步骤：1)提供SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅层201、埋氧层202及顶层硅层203；2)基于刻蚀掩膜层204刻蚀所述顶层硅层203，形成器件层205，得到所述第一模式转换区11、所述第二模式转换区12、所述第三模式转换区13及所述第四模式转换区14。另外，还可以包括沉积保护层206的步骤。

综上所述，本发明的模式转换器及其制备方法，设计为依次连接的第一模式转换区、第二模式转换区、第三模式转换区及第四模式转换区，并进一步将第一模式转换区设计为非对称的Y分支波导，在第二模式转换设计与弯曲汇聚波导，通过第三模式转换区的波导连接及光栅布置方式实现模式转换，形成耦合，最终耦合后的光通过第四模式转换区输出，有效的实现了多模式的复用，有效的将入射的TE0模式的光转换为TE0和TE1混合模式的光输出，可以在硅光子工艺平台实现高质量大规模生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种混合模式转换器，其特征在于，所述混合模式转换器包括：

2.根据权利要求1所述的混合模式转换器，其特征在于，相邻所述凹槽之间的间隔为0.15μm-0.25μm；所述凹槽的长度为0.15μm-0.25μm；所述凹槽的宽度为0.05μm-0.15μm。

3.根据权利要求2所述的混合模式转换器，其特征在于，所述凹槽沿其长度方向上间隔排布。

4.根据权利要求1所述的混合模式转换器，其特征在于，所述第一波导段具有窄端面和宽端面，所述第二波导段具有窄端面和宽端面，所述第一波导段的宽端面与所述第三波导段相连接，所述第二波导段的窄端面与所述第四波导连接，所述第五波导段具有窄端面和宽端面，所述第六波导段具有窄端面和宽端面，所述第五波导段的宽端面与所述第三波导相连接，所述第六波导段的窄端面与所述第四波导段连接，所述第七波导段具有窄端面和宽端面，所述第七波导段的窄端面与所述第五波导段、所述第六波导段及所述光栅区连接。

5.根据权利要求4所述的混合模式转换器，其特征在于，所述第一波导段的窄端面的宽度与所述第二波导段的宽端面的宽度相等；所述第三波导段各处宽度相同，所述第四波导段各处宽度相同。

6.根据权利要求4所述的混合模式转换器，其特征在于，所述第一波导段与所述第二波导段的间距为0.50μm-0.60μm；所述第五波导段的宽端面与所述第六波导段的窄端面之间的距离为0.08μm-0.12μm；且所述第五波导段和所述第六波导段靠近所述第七波导段一侧的部分侧面相接触构成所述光栅区。

7.根据权利要求4所述的混合模式转换器，其特征在于，所述第一波导段的窄端面的宽度为0.40μm-0.50μm，所述第一波导段的宽端面的宽度为0.50μm-0.60μm，所述第二波导段的宽端面的宽度为0.40μm-0.50μm，所述第二波导段的窄端面的宽度为0.30μm-0.40μm；所述第五波导段的宽端面的宽度为0.50μm-0.60μm，所述第五波导段的窄端面的宽度为0.40μm-0.55μm，所述第六波导段的窄端面的宽度为0.30μm-0.40μm，所述第六波导段的宽端面的宽度为0.40μm-0.55μm，所述第七波导段的窄端面的宽度为0.80μm-1.05μm，所述第七波导段的宽端面的宽度为1.10μm-1.20μm。

8.根据权利要求4所述的混合模式转换器，其特征在于，所述第一模式转换区的长度为9μm-11μm；所述第二模式转换区的长度为19μm-21μm；所述第三模式转换区的长度为24μm-26μm；所述第四模式转换区的长度为4μm-6μm。

9.根据权利要求1所述的混合模式转换器，其特征在于，所述混合模式转换器包括SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅层、埋氧层及顶层硅层，所述第一模式转换区、所述第二模式转换区、所述第三模式转换区及所述第四模式转换区均通过刻蚀所述顶层硅层而形成。

10.根据权利要求9所述的混合模式转换器，其特征在于，所述混合模式转换器还包括保护层，所述保护层位于所述埋氧层的上表面，且完全覆盖所述第一模式转换区、所述第二模式转换区、所述第三模式转换区及所述第四模式转换区。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的混合模式转换器，其特征在于，自所述第一波导段输入TE₀模式的入射光，自所述第二波导段输入TE₀模式的入射光；且经过所述第一模式转换区，所述第一波导段传输的TE₀模式比所述第二波导段传输的TE₀模式的有效折射率大，在第三模式转换区实现TE₀模式向TE₁模式的转换，自所述第七波导段输出TE₀和TE₁的混合模式的光。

12.一种如权利要求1至11中任一项所述的混合模式转换器，其特征在于，所述制备方法包括步骤：