[发明专利]一种光波导模式转换器的制造方法及模式转换器

说明书

本发明公开了一种光波导模式转换器的制造方法，选用一体化的波导体，波导体具有第一段、第二段以及第三段，根据要转换的高阶模阶数及模场对称性确定第一段和第三段的结构及相对位置，采用优化方法确定第二段的结构，第二段具有沿传播方向平滑缓变的特性，且第二段具有平滑的边缘。本发明还公开了一种模式转换器，采用上述光波导模式转换器的制造方法制成。所述光波导模式转换器的制造方法制造的模式转换器尺寸小、插入损耗低、转换利率高、带宽高，且所述光波导模式转换器的制造方法加工容忍度较好。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，更准确的说涉及一种光波导模式转换器的制造方法及模式转换器。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，全球光通信市场对于带宽的需求越来越迫切。目前带宽的提升的主要通过以下三种方案：1. 单通道传输速率的提升；2. 传输信道的提升；3.波分复用（WDM）或模分复用（MDM）技术。对于上述方案1和2，速率的提升和传输信道的提升必然带来成本的增加和技术复杂度的提升，不符合市场需求。方案3中，模分复用技术是一种利用单根少模光纤同时传输多种模式的技术，与波分复用技术相比，模分复用技术的优势在于不需要使用具有不同波长的激光光源，因此不需要使用复杂的波长稳定系统，可以有效减少整体系统的成本和功耗。

在模分复用系统中，模式转换器是实现不同模式之间转换的关键器件，实现模式转换器的现有技术路线主要可以分为三类：相位匹配、相干散射和光束整形，具体结构有非对称布拉格光、锥形定向耦合器、非对称定向耦合器、非对称Y结、马赫曾德干涉仪等。采用以上结构设计的模式转换器件通常尺寸较大，不利于硅基光子的大规模集成。其中，非对称布拉格光栅的原理是利用光栅结构补偿两个模式之间的传播常数差，使其相位匹配。然而，弱耦合情况下光栅结构需要较长的传播长度，模式转换器的尺寸不能得到控制，强耦合状态下波导之间的能量无法完整转移，模式转换器的转换效率不能得到很好地提高。基于定向耦合器的器件对波导间隙的加工误差相当敏感。基于马赫曾德干涉仪和多通道分支波导的器件对光刻和刻蚀精度要求较高。

综上，本领域需要一种能够制造小尺寸、低插入损耗、高转换率、高带宽的模式转换器的方法，同时保证该方法加工容忍度较好。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光波导模式转换器的制造方法，选用一体化的波导体，波导体具有第一段、第二段以及第三段，根据要转换的高阶模阶数及模场对称性确定第一段和第三段的结构及相对位置，采用优化方法确定第二段的结构，第二段具有沿传播方向平滑缓变的特性，且第二段具有平滑的边缘。

本发明的另一个目的在于提供一种模式转换器，采用上述光波导模式转换器的制造方法制成。

为了达到上述目的，本发明提供一种光波导模式转换器的制造方法，包括步骤：

（A）设计一体化的波导体，波导体具有第一段、第二段以及第三段；

（B）根据要转换的高阶模阶数及模场对称性确定第一段和第三段的结构及相对位置；

（C1）沿传播方向将第二段均分为n-1段，第二段边缘形成2n个均分点；

（C2）采用优化算法优化均分点的位置和第二段沿传播方向的长度；其中，优化算法为启发式优化算法中或函数近似/逼近算法中的一种；

（C3）通过具有曲线特征的插值方式扩展第二段边缘上除了2n个均分点之外的其余部分，使得第二段具有平滑边缘，确定第二段的结构，完成波导体的结构设计；

（D）取衬底，并在衬底上设置步骤（C3）设计的波导体，制成模式转换器。

优选地，所述步骤（C2）中优化的均分点为第二段中部的2n-4个均分点。

优选地，所述步骤（C2）中采用优化算法构建各个均分点的位置和波导长度与模式转化率的映射关系，确定转化效率最大的参数，进而确定各个均分点的位置和波导长度。

优选地，所述步骤（B）具体包括步骤：