光学模尺寸转换器
阅读说明：本技术 光学模尺寸转换器 (Optical mode size converter ) 是由 迈克尔·盖泽尔曼 迈克尔·泽瓦斯 达维德·萨凯托 安东·斯特罗加诺夫 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：呈现了一种光学模尺寸转换器,该光学模尺寸转换器包括：引导部,其中引导部的至少部分在第一端与第二端之间沿着第一路径延伸；第一条带,该第一条带具有第一折射指数；以及第二条带,该第二条带具有第二折射指数。第一条带和第二条带嵌入在沿着第一路径延伸的引导部内,使得在第一端处接收的第一光学模在第二条带之前到达第一条带,并且使得第二条带延伸到所述第二端。第一折射指数和第二折射指数高于引导部的折射指数,并且第一条带的一节段和第二条带的一节段重叠以形成倏逝耦合区域,使得该转换器响应于在第一端处接收的第一光学模,沿着第一路径朝向第二端将第一光学模转换成具有较小模尺寸的第二光学模。(An optical mode size converter is presented, the optical mode size converter comprising: a guide, wherein at least a portion of the guide extends along a first path between a first end and a second end; a first strip having a first index of refraction; and a second strip having a second index of refraction. The first and second strips are embedded within a guide extending along a first path such that a first optical mode received at the first end reaches the first strip before the second strip and such that the second strip extends to the second end. The first and second indices of refraction are higher than the index of refraction of the guide, and a segment of the first strip and a segment of the second strip overlap to form an evanescent coupling region, such that the converter converts a first optical mode received at the first end along the first path toward the second end into a second optical mode having a smaller mode size in response to the first optical mode.)
技术领域
本说明书涉及光学模尺寸转换器。
背景技术
近年来，已经出现了过多基于光子集成电路(PIC)的应用，包括数据中心通信、相干电信、滤波器、超连续谱产生、光谱学、生物传感、量子光学和微波光子学。随着对新兴光子电路兴趣的增加，成功的光子平台需要低损耗的波导电路。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种光学模尺寸转换器，包括：引导部，其中引导部的至少部分在第一端与第二端之间沿着第一路径延伸；第一条带，该第一条带具有第一折射指数；第二条带，该第二条带具有第二折射指数，其中第一条带和第二条带嵌入在沿着第一路径延伸的引导部内，使得在第一端处接收的第一光学模在第二条带之前到达第一条带，并且使得第二条带延伸到第二端，其中第一折射指数和第二折射指数高于引导部的折射指数，并且其中第一条带的一节段和第二条带的一节段重叠以形成倏逝耦合区域，使得该转换器响应于在第一端处接收的第一光学模，沿着第一路径朝向第二端将第一光学模转换成具有较小模尺寸的第二光学模。
第一条带的横截面积可以小于第二条带的横截面积。
该光学模尺寸转换器还可以包括耦合层，该耦合层设置在倏逝耦合区域内的第一条带与第二条带之间。
耦合层的折射指数可以大于引导部的折射指数，并且小于第一折射指数和第二折射指数。
耦合层的厚度范围可以为10nm至400nm。
第一条带可以沿着第一路径伸长，并且可以包括垂直于第一路径的第一刻面和第二刻面，其中第一刻面比第二刻面更靠近第一端，并且其中第二条带沿着第一路径伸长，并且包括引导部内的第一刻面。
第一条带的第一末端可以比第二条带的第一末端更靠近第一端，并且可以在第二条带的第一刻面与第一条带的第二刻面之间形成倏逝耦合区域。
第一条带可以终止于第一端处，使得第一条带的第一刻面位于第一端处。
第一条带的第一刻面可以距离第一端预定距离。
第二条带在倏逝耦合区域中的横截面积可以沿着第一路径朝向第二端逐渐增大。
当第二条带的厚度在200nm到2μm之间，超过范围为10μm至1mm的长度时，第二条带的宽度从10nm至2μm不等。
在倏逝耦合区域中，第一条带的横截面积可以沿着第一路径朝向第二端逐渐增大。
当第一条带的厚度在100nm到400nm之间，超过范围为10μm至1mm的长度时，第一条带的宽度从10nm至2μm不等。
第一条带沿着第一路径朝向第二端的横截面积可以在第一区域中逐渐增大、在第二区域中保持不变，以及在第三区域中逐渐减小。第三区域可以包括第一条带与第一条带的部分重叠的部分，并且沿着第一路径朝向第二端逐渐增大。第二条带与第一条带的部分重叠的部分的横截面积可以沿着第一路径朝向第二端逐渐增大。
第一区域与第三区域的长度的范围可以为10μm至1mm，其中当第一条带的厚度在100nm到400nm之间时，第一区域与第三区域的宽度的范围为10nm至300nm，并且其中第二区域的宽度的范围为500nm至3μm。
由作为芯的第一条带和作为包层的引导部形成的波导可以在工作波长下的截止条件以下。
引导部可以被布置成支持第一光学模从第一端到第二端的传播。
第二折射指数与波导的芯的折射指数基本上相同，该波导连接到第二端并且被布置成支持第二光学模从光学模尺寸转换器出射。
引导部的折射指数可以与波导的包层的折射指数基本上相同。
第一折射指数和第二折射指数可以基本上相同。
根据本发明的另一个方面，提供了一种可连接到光纤的波导芯片，包括：上述光学模尺寸转换器和波导，其中第一端是波导芯片的刻面，并且第二端位于波导芯片内，其中第一端被布置成从支持第一光学模的光纤接收光，其中波导被布置成支持第二光学模并且在第二端处连接到第二条带。
第一端可以被布置成当光纤的劈开刻面对接耦合到第一端时从光纤接收光。
引导部可以包括芯部和至少一个沟槽，其中芯部的折射指数高于至少一个沟槽的折射指数。
至少一个沟槽包括两个板条，该两个板条界定引导部的两个相对侧。
第二折射指数可以与波导的芯的折射指数基本上相同，并且第二条带的横截面可以与第二端处的波导的芯的横截面基本上相同。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造光学模尺寸转换器的方法，该方法包括按如下顺序的步骤：在衬底上沉积下芯部；沉积包含用于第二条带的材料的层；蚀刻第二条带；沉积包含用于耦合层的材料的层；沉积包含用于第一条带的材料的层；蚀刻第一条带；沉积上芯部；形成用于沟槽的间隙；以及填充用于沟槽的间隙，其中第一条带的折射指数和第二条带的折射指数高于下芯部的折射指数、耦合层的折射指数和上芯部的折射指数，其中沟槽的折射指数低于下芯部的折射指数和上芯部的折射指数，以及其中耦合层的厚度使得第二条带的部分与第一条带的部分倏逝耦合。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造光学模尺寸转换器的方法，该方法包括按如下顺序的步骤：沉积下芯部；蚀刻用于第二条带的沟槽；沉积包含用于第二条带的材料的层；蚀刻并且平坦化以形成第二条带；沉积耦合层；沉积包含用于第一条带的材料的层；蚀刻第一条带；沉积上芯部；形成用于沟槽的间隙；以及填充间隙，其中第一条带的折射指数和第二条带的折射指数高于下芯部的折射指数、耦合层的折射指数和上芯部的折射指数，其中沟槽的折射指数低于下芯部的折射指数和上芯部的折射指数，以及其中耦合层的厚度使得第二条带的部分与第一条带的部分倏逝耦合。
第一条带可以包括氢化氮氧化硅SixOyNz:H，其中1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，使得第一条带的折射指数在1.55到3.7之间。
第一条带可以包括无氢氧氮化硅SixOyNz，其中1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，使得第一条带的折射指数在1.55到3.7之间。
第二条带可以包括氢化氮氧化硅SixOyNz:H，其中1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，使得第一条带的折射指数在1.55到3.7之间。
第二条带可以包括无氢氧氮化硅SixOyNz，其中1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，使得第一条带的折射指数在1.55到3.7之间。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光子集成系统，包括：多个波导，其中多个波导中的至少两个波导通过上述模尺寸转换器互连。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光子集成系统，包括：上述波导芯片。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于模尺寸转换器的结构，其中双层波导嵌入到包层材料中，并且其双层提供了用于光学模传播的低损耗倏逝耦合。
根据本发明的另一个方面，提供了一种模斑转换器，具有：衬底、第一波导材料、和一种或多种包层材料的组合，该模斑转换器提供光纤与光子电路之间的低损耗光输入/输出耦合，并且其的所述光耦合模进一步传播到扩展区域，该扩展区域是从由第二包层材料几何形状包围的第二波导到具有第三包层材料几何形状的区域。
根据本发明的另一个方面，提供了一种集成模转换器装置，包括：条形波导，该条形波导在一个端处到达输入/输出刻面，并且在另外一个端倏逝耦合到第二波导，其中第二波导进一步延伸到所述模转换器装置之外，以将输入/输出光信号传送到光子集成电路。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光学模尺寸转换器制造方法，包括：在第一包层材料上形成从第一锥形端和第二端延伸的第一波导；在此第一波导层之上形成耦合层；形成与第一波导层物理对齐的第二波导，该第二波导层在第一个端处与第一波导层重叠并且到达刻面至第二端。
在光学模转换器装置中，包层几何形状和双层波导设计可以使得对于给定光学模，模转换损耗可以降低或最小化，并且具有不同设计的结构的多个模转换器可以向光子集成电路提供低损耗多模输入/输出接口。
在光学模转换器装置中，包层几何形状和双层波导设计可以使得自由空间区域在第一波导端与刻面包层终止端之间延伸，从而形成到输入/输出光纤的接口。
模尺寸转换器可以包括厚度为t1的第一波导层和厚度为t2的第二波导层，该第一波导层嵌入到操作以将光学模引入光纤或从光纤引入光学模的包层材料的组合中，该第二波导层倏逝耦合到第一波导层，并且t1＜t2。
在模尺寸转换器中，第二波导层的一个端可以在与所述第一波导层空间上重叠的区域中是锥形的，并且锥形长度可以在10μm到1mm之间，并且其宽度沿着长度从10nm到2μm不等。
在模尺寸转换器中，不与所述第二波导层重叠的第一波导层的一端也可以是锥形的，并且锥形长度可以在10μm到1mm之间，并且其宽度沿着长度从10nm到2μm不等。在模尺寸转换器中，不与所述第二波导层重叠的第一波导层的一端可以终止于刻面处。
在模尺寸转换器中，不与所述第二波导层重叠的第一波导层的一端可以终止于距离刻面给定距离处。在模尺寸转换器中，在光学信号传播到模转换器和从模转换器传播出来时，其光学模尺寸可以取决于其在刻面与第二波导层之间的位置。
在模尺寸转换器中，在光学信号传播到刻面和从刻面传播到两个波导层重叠的区域时，其模尺寸可以被限制使得其可以在空间上重叠两个波导，并且光学信号可以通过倏逝耦合在两个波导之间进一步传播，并且光学信号可以进一步传播，并且其模尺寸可以在仅存在第一波导层的区域中进一步被转换。
在模尺寸转换器中，波导的锥形部分和非锥形部分之上的包层材料的组合可以被结构化，以便向双向光学信号提供至少三个阶段的模尺寸转换。在模尺寸转换器中，在光学信号传播到刻面和从刻面传播到两个波导层重叠的区域时，其模尺寸可以被限制使得其可以在空间上重叠两个波导，并且光学信号可以通过倏逝耦合在两个波导之间进一步传播，并且光学信号可以进一步传播，并且其模尺寸可以在仅存在第一波导层的区域中进一步被转换。
在模尺寸转换器中，波导的锥形部分和非锥形部分之上的包层材料的组合可以被结构化，以便向双向光学信号提供至少三个阶段的模尺寸转换。
根据本发明的另一个方面，提供了一种模尺寸转换器，包括：第一波导层，该第一波导层嵌入到被布置成操作以将光学模引入光源和从光源引入光学模的包层材料的组合中；第二波导层，该第二波导层被布置成倏逝耦合到第一波导层；以及刻面界面，该刻面界面在第一波导层的一个端与刻面之间。
在该模尺寸转换器中，第一波导层可以由氢化氮氧化硅SixOyNz:H制成，使得：1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，并且对于给定光学模，可以在1.55和3.4之间的给定光学波长处提供有效折射指数neff。
在该模尺寸转换器中，第一波导层可以由无氢氮氧化硅SixOyNz制成，使得：1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，并且对于给定光学模，其可以在1.55和3.7之间的给定光学波长处提供有效折射指数neff。
在该模尺寸转换器中，所述第一波导可以包括第一节段长度L1和第一宽度W1，以及第二锥形长度L2和第二W2和中心宽度Wc，使得第一波导的总长度可以为L1+L2，并且所述波导的第一节段包括具有其中W1≤Wc的第一端和具有宽度Wc的第二端，以及波导的第二节段包括具有W2≤Wc的第一端和具有宽度Wc的第二端，并且这两个节段可以被布置成在它们的宽度等于Wc的点处接合。
该模尺寸转换器可以是这样的，10μm＜L1，L2＜1000μm并且10nm＜W1，W2＜300nm以及500nm＜Wc＜3μm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种模尺寸转换器，包括：第一波导层，该第一波导层厚度为t1，其嵌入到可以操作以将光学模引入光源和从光源引入光学模的包层材料的组合中；第二波导层，该第二波导层的厚度为t2，其倏逝耦合到第一波导层，并且t1＜t2；耦合层，该耦合层插在第一波导与第二波导之间；以及刻面界面，该刻面界面在第一波导层的一个端与刻面之间。
在该模尺寸转换器中，第二波导层的一个端可以在与所述第一波导层空间上重叠的区域中是锥形的。
在该模尺寸转换器中，第一波导层的一个或两个端可以是锥形的。
在该模尺寸转换器中，不与所述第二波导层重叠的第一波导层的一个端可以终止于距离刻面给定距离处，该给定距离大于或等于零。
在该模尺寸转换器中，第一波导层的一个端可以是锥形的，以有利于光学模传播到倏逝耦合区域和从倏逝耦合区域传播出来，或者有利于光学模传播到刻面和从刻面传播出来。
在该模尺寸转换器中，第二波导层的一个端可以是锥形的，以有利于光学模传播到倏逝耦合区域和从倏逝耦合区域传播出来。
附图说明
现将通过示例的方式，参考附图来描述本发明的特定实施例，其中：
图1是图示模尺寸转换器的示例性实施例的示意图。
图2是图示模尺寸转换器的示例性实施例的示意图。
图3是图示模尺寸转换器的示例性实施例的示意图。
图4a至图4e是图示模尺寸转换器的示例性实施例的示意图。
图5是图示模尺寸转换器的示例性实施例的示意图。
图6是图示模尺寸转换器的示例性实施例的示意图。
图7是图示模尺寸转换器的制造过程的示意性实施例的流程图。
图8是图示模尺寸转换器的制造过程的示意性实施例的流程图。
具体实施方式
用于光子应用的波导电路可以包括多于一种类型的波导，每种波导具有不同的模面积。在这种情况下，可能需要以低传输损耗将一种导模转换成另一种导模。例如，来自光纤的光可以从光子芯片耦合。再如，两个或更多个具有不同模面积的波导可以在波导芯片内制造。为了减少功率损耗，可以设计用于以低损耗将一种光学模转换成另一种光学模的模尺寸转换器，并将其设置在具有不同模面积的波导之间。
图1是图示模尺寸转换器100的示例性实施例的示意图。
模尺寸转换器100可以设置在第一波导110与第二波导120之间。第一导模110可以包括芯111和包层112，并且支持至少第一导模113，该第一导模是第一波导110的支持模。第二波导120可以包括芯121和包层122，并且支持至少第二导模123，该第二导模是第二波导120的支持模。
在本说明书中，将假设第一导模113的模面积大于第二导模123的模面积。这是为了说明模尺寸转换器100可以被用于将具有第一预定模面积的第一光学模转换成具有第二预定模面积的第二光学模，其中第一预定模面积大于第二预定模面积。
模尺寸转换器100包括第一端101和第二端102。第一导模113可以入射在第一端101上、在模尺寸转换器100内被转换成第二导模123，以及通过第二端102出射。另选地，第二导模123可以入射在第二端102上、在模尺寸转换器100内被转换成第一导模113，以及通过第一端101出射。模尺寸转换器100可以在两个方向上操作。模尺寸转换器100可以是互易装置，如将在下文更详细解释的。
至少与使第一波导110简单地接近第二波导120(所谓的对接耦合)的情况相比，模式尺寸转换器100可以提供更大的转换效率。在这种情况下，耦合效率由两个导模113、123之间的重叠积分确定。由于转换效率随着横向导模113、123的尺寸差增大而缩减，这对于许多光子应用来说可能是不实际的。
模尺寸转换器100可以被布置成支持电磁模在模尺寸转换器100内的传播，该电磁模从第一端101附近的第一导模113逐渐改变化第二端102附近的第二导模123。导模的面积可以当其在模尺寸转换器100内传播时逐渐变化。
在理想情况下，如果满足以下条件，则从第一导模113到第二导模123的转换可以是基本上无损的。第一，当使第一波导110和第二波导120接近第一端101和第二端102时，第一导模113在第一端101处耦合到模尺寸转换器中，而没有实质损耗。第二，进入第一端101的第一导模113可以朝向第二端102逐渐变化成第二导模123，而基本上没有实质损耗。第三，第二端102附近的模尺寸转换器100内侧的模从第二端102出射并且耦合到第二导模123中，而没有实质损耗。可以考虑这些条件来设计模尺寸转换器100，以使从第一导模113到第二导模123的转换中的损耗最小化。
模尺寸转换器100可以嵌入到波导芯片内或者被制造为波导芯片的一部分。在这种情况下，第一端101或第二端102可以是波导芯片的刻面。另选地，第一端101或第二端102可以是在波导芯片内形成的端。
例如，第一波导110可以是单模光纤，并且模尺寸转换器100和第二波导120可以在单个波导芯片内制造。在这种情况下，单模光纤的裂开端(即第一波导110)可以接近波导芯片的刻面(即第一端101)使得第一导模113可以入射到波导芯片的刻面(即第一端101)上。第二端102可以在波导芯片内被限定为模尺寸转换器100与第二波导芯片120之间的边界。从单模光纤入射的传播模可以在波导芯片内的模尺寸转换器100内被转换，并且通过在波导芯片内形成的第二端102朝向也在第二波导芯片120内形成的第二波导120出射。
在一些实施方式中，假使模尺寸转换器100以及第一波导110和第二波导120中的至少一者可以集成在单个波导芯片内，则模尺寸转换器100与波导110、120中的一者之间的端101、102可以不被限定为波导芯片内的单个平面界面。例如，模尺寸转换器100的至少部分和波导110、120中的一者的至少部分可以在一个制造步骤中整体形成为相同材料。
第一波导110或第二波导120可以支持一个以上的模。在这种情况下，模尺寸转换器100可以被设计成将第一波导110的至少一个支持模转换成第二波导120的至少一个支持模。为了讨论的简洁，对于说明书的其余部分，当第一波导110或第二波导120支持一个以上的支持模时，将考虑每个波导110、120支持的最低阶模。然而，本说明书中描述的概念可以应用于波导110、120支持的任何期望模。
模尺寸转换器100可以与能够支持导模113、123的任何波导110、120或者具有明确限定的支持模的任何光学模(诸如横模)一起使用。
波导110、120的示例包括单模光纤、多模光纤、紫外写入波导、SOI(绝缘体上硅)波导、聚合物波导、由微流体沟道限定的波导。然而，波导的示例不限于这些示例。
与模尺寸转换器100一起使用的第一导模113和第二导模123不限于在波导110、120内行进的支持模，并且还可以设有自由空间传播光束，该光束提供能够在第一端101或第二端102耦合到模尺寸转换器100中的明确限定的模。例如，具有横向高斯强度分布的激光束可以被聚焦并且被引导入射到模尺寸转换器100的第一端101或第二端102上。
就模属性而言，模尺寸转换器100可以是互易装置。换句话说，在第一方向103上从模尺寸转换器100的第一端101行进到第二端102的导模可以由模尺寸转换器100从第一导模113转换成第二导模123。与第一方向103相反行进的导模可以由模尺寸转换器100从第二导模123转换成第一导模113。除了传播方向之外，模尺寸转换器100内的电磁模的空间分布可以基本相同。因此，模尺寸转换器100既可以被用于将第一导模113转换成第二导模123，也可以被用于将第二导模123转换成第一导模113。入射导模113、123的模属性可以由模尺寸转换器100按互易方式转换。
为了描述的简洁，假设导模在光学模尺寸转换器100内行进的第一方向103是以线性线延伸的直线。然而，第一方向103可以是遵循光学模尺寸转换器100内的预定路径的曲线。在这种情况下，如果光学模尺寸转换器100支持非直线的预定路径中的导模，则在本说明书中使用短语“在第一方向上”或“朝向第二端”描述的特征可以被理解为“沿着预定路径”。
模尺寸转换器100可以是无源互易装置。例如，模尺寸转换器100可以包括介电材料(诸如二氧化硅或氮化硅)，该介电材料在入射到模尺寸转换器100上的导模113、123的工作波长下很大程度上是透明的，而没有放大或磁光活动。
为了描述的简洁，除非另有说明，否则在本说明书中将假设第一导模113和第二导模123以及模尺寸转换器100内的传播模是以单个工作波长为中心的电磁波。例如，第一导模113和第二导模123可以是1550nm波长的激光束。
多个波长可以与模尺寸转换器100一起操作，只要它们不影响其他波长下的操作。例如，如果两个激光波长，1550nm和1551nm，可以同时与一个模尺寸转换器100一起使用，只要两个激光中的任何一个激光在模尺寸转换器100内引起热效应或非线性效应。
模尺寸转换器100可以处理除模转换之外的任何其他光学属性，诸如磁光属性或增益属性，其中导模113、123的行为取决于导模113、123是入射在第一端101上还是第二端102上，换句话说，它们是非互易的。因此，模尺寸转换器100可能不是在光的一个或多个属性方面的互易装置，这些属性很大程度上独立于导模113、123的模属性。
例如，模尺寸转换器100可以是允许磁光操纵的材料，使得在转换装置100内行进的导模的偏振可以在磁场的影响下经历非互易旋转。然而，该属性不会干扰模尺寸转换器100的模传播属性。磁光活动不会严重影响导模113、123的模属性以及模尺寸转换器100关于模属性的操作。
再如，模尺寸转换器100可以是有源装置。换句话说，模尺寸转换器100可以被布置成当导模113、123传播通过模尺寸转换器100时对入射到模尺寸转换器100上的导模113、123的强度进行放大。模尺寸转换器可以包括一种或多种掺杂固态材料诸如Nd:YAG、Ti:Sa，或者一种或多种掺杂有离子的介电材料诸如铒，或者一种或多种半导体光学放大器材料诸如GaAs/AlGaAs。然而，该属性不会干扰模尺寸转换器100的模传播属性。与放大相关的属性将不会严重影响导模113、123的模属性例如热效应，以及模尺寸转换器100关于模属性的操作。
图2是图示参考图1的模尺寸转换器200的示例性实施例的示意图。
在图2的示例中，将假设第一导模213的模面积大于第二导模223的模面积。
为了简洁，在本说明书中，模尺寸转换器200的操作将主要按照在第一方向203上传播的即从较大的第一导模213到较小的第二导模223的电磁模来描述。
然而，由于模尺寸转换器200是如上所述的互易装置，所以下文描述的操作原理也适用于以相反顺序在与第一方向203相反的方向上传播的电磁模。
模尺寸转换器200可以包括引导部250。模尺寸转换器200还可以包括第一端251，第一导模213可以入射到该第一端上或从该第一端出射。模尺寸转换器200还可以包括第二端252，第二导模223可以入射到该第二端上或从该第二端出射。
引导部250可以包括第一端251和第二端252。
如上文所讨论，第一端251和第二端252可以是波导芯片的刻面，或者波导芯片内的平面界面，或者被限定为波导芯片内从模尺寸转换器200到第一波导110或第二波导120的一般过渡区域。端251、252的示例不限于这些示例。充当从第一波导110或第二波导120到模尺寸转换器100、200的过渡区域的任何特征可以用作端251、252。
模尺寸转换器200可以被布置成使得当第一导模213入射到模尺寸转换器200的第一端251上时，第一导模213可以当其在第一方向203上传播通过模尺寸转换器200朝向第二端252时被转换为第二导模223。
引导部250可以被布置成支持第一导模213的传播，使得第一导模213至少在第一端251与第二端252之间的距离上基本上无损耗地传播。
在一些实施方式中，引导部250可以包括第一端251和第二端252。
引导部250的第一端251与第二端252之间的距离的范围可以为几个工作波长到几十个工作波长。例如，当工作波长为1550nm时，引导部在第一方向203上的长度的范围可以为几微米到几百微米。
可以调整该长度以优化转换效率，以及稍后将描述的其他参数。
在本说明书中，假使模在第一方向203上传播，则模尺寸转换器200的转换效率可以被限定为第二导模223与第一导模213之功率比。假使模在与第一方向203相反的方向上传播，则模尺寸转换器200的转换效率可以被限定为入射在第一端251上的第一导模213的功率与通过第二端252出射的第二导模223的功率之比。考虑到模尺寸转换器200是互易装置，无论模的传播方向如何，转换效率都可以基本相同。
在被限定为垂直于第一方向203的横截面中，引导部250可以形成被布置成支持第一导模213的传播的芯-包层结构。
例如，引导部250的横截面积和横截面中的折射指数分布可以被布置成使得其支持工作波长超过第一端251与第二端252之间的距离的HE11模的传播。在这种情况下，从单模光纤入射的第一导模213可以由引导部250支持。
另选地，鉴于围绕引导部250的包围材料的折射指数，引导部250的横截面和折射指数可以被布置成使得第一导模213可以基本上无损耗地传播通过引导部250。在这种情况下，引导部250本身可以被视为芯，并且围绕引导部250的包围材料可以被视为包层。
另选地，为了支持第一导模213的传播，引导部250可以包括至少第一材料和第二材料，其中第一材料具有高于第二材料的折射指数，并且第一材料比第二材料更靠近第一导模213的中心定位。
在一些实施方式中，引导部可以包括二氧化硅材料作为芯，并且包层部分可以通过施加不同浓度的掺杂剂(诸如GeO2)来被掺杂为具有小于芯1％或更小的折射指数。
在一些实施方式中，引导部250可以包括二氧化硅作为第一材料和多孔二氧化硅作为第二材料。
模尺寸转换器200还包括嵌入引导部250内的第一条带230和第二条带240。第一条带230的折射指数和第二条带240的折射指数高于引导部250的折射指数。
第一条带230的折射指数可以大于或等于第二条带240的折射指数。在该示例中，模尺寸转换器200的操作主要按照在第一方向203上传播的即从较大的第一导模213到较小的第二导模223的电磁模来描述。
第一条带230可以包括嵌入引导部250内的基本上沿着第一方向伸长的介电材料。
第二条带240可以包括嵌入引导部250内的基本上沿着第一方向伸长的介电材料。
在一些实施方式中，第一条带230的横截面可以具有预定形状，该形状在第一条带230的整个长度上基本上相同。例如，第一条带230的横截面可以在第一条带230的整个长度上是正方形。
在一些实施方式中，第一条带230的横截面的形状或面积可以在第一条带230的整个长度上不相同。例如，第一条带230的横截面的面积可以在第一方向203上逐渐增大。
在一些实施方式中，第一条带230的折射指数和第一条带230的横截面可以被布置成使得由作为芯的第一条带230和作为包层的引导部250形成的波导在针对工作波长的截止条件之下。
例如，当工作波长为1550nm时，第一条带230可以包括折射指数为1.9的氮氧化硅，并且在第一条带230的整个长度上具有200nm×100nm的正方形横截面。引导部250可以包括二氧化硅。在这种情况下，由作为芯的第一条带230和作为包层的引导部250形成的波导可能不支持1550nm工作波长的任何导模。然而，由于第一条带230的影响，第一导模213的横向强度分布可以当其在第一方向上传播时越来越围绕第一条带230集中。
在一些实施方式中，第一条带230的折射指数和第一条带230的横截面可以被布置成使得由作为芯的第一条带230和作为包层的引导部250形成的波导在针对工作波长的截止条件下或在其之上。在这种情况下，第一导模213的横向强度分布也可以当其在第一方向上传播时越来越朝向第一条带230集中。第一导模21可以转换成由作为芯的第一条带230和作为包层的引导部250形成的波导的导模。
由于第一条带230的存在，模尺寸转换器200内的导模的模面积可以当导模在第一方向203上传播时逐渐减小。
引导部250可以最初在第一端251附近支持第一导模213，但是模面积可以由于第一条带230的存在而减小，该第一条带的折射指数高于引导部250的折射指数。随着其传播，导模可以集中在第一条带230附近。
假使由作为芯的第一条带230和作为包层的引导部250形成的波导在截止条件之上，因此支持导模，该导模可以从第一导模213变换为由第一条带230支持的导模。
假使由作为芯的第一条带230和作为包层的引导部250形成的波导在截止条件之下，导模的面积可以从第一导模213开始逐渐减小。随着其传播，导模可以变成以第一条带230为中心。
第一条带230可以沿着第一方向203设置，并且基本上定位在第一端251处的在第一方向203上从第一导模213的中心延伸的线附近。例如，当工作波长为1550nm时，第一条带230与在第一端251处的在第一方向203上从第一导模213的中心延伸的线之间的距离可以保持在3.5μm以下，以便将耦合损耗保持在3dB以下。假使第一导模213从单模光纤发射到第一端251，3.5μm可以对应于单模光纤和第一条带230的对准公差。
第一条带230可以相对于第一端252定位在引导部250内，使得引导部250内的导模在其进入引导部时有效地耦合到第一导模213。
如图2的示例所示，第一条带230的第一末端与第一端251之间可以有预定距离，其中第一条带的第一末端比第一条带230的第二末端更靠近第一端251。
另选地，第一条带230可以继续延伸，并且终止于第一端251处。换句话说，第一条带230的第一末端可以设置在第一端251处。
在一些实施方式中，第二条带240的横截面可以在第一条带240的整个长度上是预定形状。例如，第二条带240的横截面可以在第二条带240的整个长度上是正方形。
第一条带230可以沿着第一方向203定位，使得当第一导模213入射到第一刻面251上时，第一导模213可以在其到达第二条带240之前到达第一条带230。
第二条带240可以沿着第一方向203设置，并且基本上定位在朝向第二导模223的中心在第一方向203上延伸的线附近。
第二条带240可以相对于第二端252定位在引导部250内，使得引导部250内的导模在其从引导部出射时有效地耦合到第二导模223。
在一些实施方式中，第二条带240可以继续延伸，并且终止于第二端252处。
另选地，第二条带240可以继续延伸到第二端252，并且是支持第二导模123、223的第二波导120的芯的连续延伸。
例如，模尺寸转换器100、200和第二波导120可以被制造在单个波导芯片内，并且第二条带240和第二波导120的芯可以被制造成单个连续条带。在这种情况下，第二端252可以不被限定为垂直于第一方向203的平面端，而是模尺寸转换器250与第二波导120之间的一般过渡区域。
在一些实施方式中，由作为芯的第二条带240和作为包层的引导部250形成的波导可以支持与第二导模223基本上相类似的导模的传播。
在一些实施方式中，第二条带240的横截面的形状或面积可以在第二条带240的整个长度上不相同。在这种情况下，仅第二条带240的部分，例如朝向第二端252的部分，能够支持第二导模223以及作为包层的引导部250。
第一条带230的至少部分设置在第二条带240的部分的近侧，以形成倏逝耦合区域260。在倏逝耦合区域260内，第一条带230和第二条带240可以定位足够近，使得第一条带230与第二条带240之间的倏逝耦合或近场相互作用是可能的。
在倏逝耦合区域260内的第一条带230与第二条带240之间的距离被限定为在垂直于第一方向203限定的横截面中观察时，第一条带230的表面与第二条带240的表面之间的最近点之间的距离。
该距离可以小于第一导模213和第二导模223的工作波长。例如，当工作波长为1550nm时，该距离可能小于400nm。
在一些实施方式中，在倏逝耦合区域260内的第一条带230与第二条带240之间的距离可以在倏逝耦合区域260内不变。
另选地，在倏逝耦合区域260内的第一条带230与第二条带240之间的距离可以在倏逝耦合区域260内变化。
如上文所讨论，当第一导模213进入第一端251时，导模可以首先耦合到第一条带230。由于第一条带230，模面积在其在第一方向203上传播时逐渐减小并且变成以第一条带230为中心。
结果，导模可以在其也与第二条带260接触时，进入倏逝耦合区域260。
在一些实施方式中，在倏逝耦合区域260的距离上方，由于倏逝耦合，导模可以逐渐变换成由第二条带240引导的模。
另选地，在倏逝耦合区域260的距离上方，由于倏逝耦合，导模可以逐渐变换成使得模变成以第二条带240为中心。
在导模从倏逝耦合区域260出射时，导模可以以第二条带240为中心。
在一些实施方式中，在导模从倏逝耦合区域260出射时，导模可以具有与第二导模223的模面积基本上相类似的模面积，使得导模有效地耦合到第二导模223。可以确定第二条带240的横截面，使得围绕第二条带240支持的导模的模面积与第二导模223的模面积基本上相类似。
在一些实施方式中，倏逝耦合区域260可以延伸到第二端252。
在一些实施方式中，倏逝耦合区域260可以在第二端252之前终止，距离第二端252预定距离。在这种情况下，导模在其从倏逝耦合区域260出射时变换成由作为芯的第二条带240和作为包层的引导部250形成的波导的导模。该导模可以与第二导模223基本上相类似，使得其有效地耦合到第二导模223。
可以调整第一条带230的长度、第二条带240的长度、倏逝耦合区域260的长度，以优化耦合效率。
倏逝耦合区域260在第一方向203上的长度的范围可以为几个工作波长到几百个工作波长。例如，假使操作波长为1550nm，倏逝耦合区域260的长度的范围可以为10μm到1mm。
在一些实施方式中，第一条带230的横截面积可以小于第二条带240的横截面积。
假使第一条带230和第二条带240的横截面的宽度基本上相同，第一条带230的厚度可以小于第二条带240的厚度。
假使第一条带230和第二条带240的横截面的厚度基本上相同，第一条带230的宽度可以小于第二条带230的宽度。
在一些实施方式中，第一条带230的横截面积可以等于第二条带240的横截面积。
在一些实施方式中，引导部250的折射指数可以与第一波导110的芯111的折射指数和第二波导120的包层122的折射指数基本上相同。这可以减轻第一端101、251和第二端102、252处的损耗。
在一些实施方式中，第二条带240的折射指数可以与第二波导120的芯121的折射指数基本上相同。这可以减轻第二端102、252处的损耗。
横截面的面积或形状可以沿着第一条带230和第二条带240的长度而变化。换句话说，第一条带230和/或第二条带240可以是锥形的。
例如，当第一条带的厚度为200nm，超过范围为10μm至1mm的长度时，第一条带230的宽度从10nm至2μm不等。
在本说明书中，术语“锥形”将被理解为意指第一条带或第二条带的横截面积沿着第一方向逐渐变化。术语“逐渐”还涵盖第一条带230和/或第二条带240的横截面的一个或多个横向尺寸的步进式变化，只要该步进式变化不会导致将导致严重损耗的光过度散射。
在一些实施方式中，第二条带240的横截面的面积可以朝向第二端252逐渐增大。例如，当第二条带240的厚度可以在第二条带240的整个长度上不变时，第二条带240的宽度可以在第一方向203上逐渐增大。
在一些实施方式中，第二条带240的横截面的面积可以朝向第二端252逐渐增大并且随后保持预定长度不变，直到第二端252。在这种情况下，第二条带240在第二端252处的横截面可以与第二波导120的芯121基本上相同。
第二条带240可以在倏逝耦合区域260内是锥形的。
例如，当第二条带240的厚度为800nm，超过范围为10μm至1mm的长度时，第二条带240的宽度从10nm至2μm不等。
在一些实施方式中，第一条带230的横截面的面积可以在第一方向203上逐渐增大。
在一些实施方式中，第一条带230的横截面的面积可以在第一方向203上逐渐增大，并且随后在第一方向203上减小。在这种情况下，横截面积减小的区域可以至少部分地与倏逝耦合区域260重叠。
在一些实施方式中，第一条带230的横截面可以是正方形，并且第一条带230的横截面的面积可以在第一方向203上在第一区域中逐渐增大，并且在第二区域中保持预定长度不变，以及随后在第一方向203上在第三区域中减小。在这种情况下，横截面积减小的区域可以至少部分地与倏逝耦合区域260重叠。
例如，当第一条带230的厚度为200nm并且第二区域的宽度的范围为500nm至3μm时，第一区域和第三区域的长度的范围可以为10nm至1mm，并且第一区域和第三区域的宽度的范围可以为10nm至300nm。
图3是图示参考图1和图2的模尺寸转换器300的示例性实施例的示意图。
模尺寸转换器300可以被布置成以基本上相同的转换效率将第一导模313转换为第二导模323或将第二导模323转换为第一导模313。模尺寸转换器300可以包括引导部350、第一端351、第二端352、第一条带330、第二条带340，它们如图2中所述。
图3的示例中描述的模尺寸转换器300与图2的示例中描述的模尺寸转换器200的不同之处在于，模尺寸转换器300包括在图2的示例的倏逝耦合区域260中的耦合层360。
如图2的示例，第一条带330的至少部分可以设置在第二条带340的部分近侧。耦合层可以设置在重叠区域内的第一条带330和第二条带340内。
然而，在图3的示例中，第一条带330与第二条带340之间的距离在图3的示例中被限定为耦合层360的厚度。
可以确定耦合层360的厚度，使得支持第一条带330与第二条带340之间的倏逝耦合或近场相互作用。
在一些实施方式中，耦合层360的折射指数可以高于引导部350的折射指数，并且低于第一条带330和第二条带340的折射指数。
例如，当耦合层的指数为1.5时，耦合层360的厚度的范围可以为10nm至200nm。
耦合层360可以将引导部350分成上引导部353和下引导部354。上引导部353的折射指数和下引导部354的折射指数可以不同，但是上引导部353和下引导部354两者的折射指数可以低于第一条带330和第二条带340的折射指数中的任何一个折射指数。
耦合层360可以帮助将入射在第一端351上的第一导模313转换成围绕第一条带330集中的引导部350内的导模。
耦合层360可以通过降低第一条带330之间折射指数的不连续性来增强第一条带330与第二条带340之间的耦合效率。
至少朝向第二端352，由作为芯的第二条带340和耦合层360以及作为包层的上引导部353和下引导部354形成的波导可以支持第二导模323的传播，类同于脊形波导的操作。
对于说明书的其余部分，模尺寸转换器100、200、300的示例性实施例将基于特定示例来呈现，其中第一波导110是单模光纤，并且模尺寸转换器100、200、300和第二波导120被整体制造在波导芯片内。
图4a是图示模尺寸转换器400的示例性实施例的示意图。
模尺寸转换器400和第二波导420整体形成在于衬底401上建立的波导芯片内。
第二波导包括芯421和包层422。
模尺寸转换器400可以包括引导部450，该引导部可以被制造为波导芯片的整体部分。引导部450包括第一端451和第二端452。
在一些实施方式中，第一端451可以形成为与波导芯片的刻面相同的平面，或者第一端451可以是波导芯片的刻面的一部分。
引导部450还可以包括芯部453和沟槽部455。沟槽部455的折射指数可以低于芯453的折射指数。
模尺寸转换器400还可以包括第一条带430和第二条带440。
在一些实施方式中，第二条带440可以是第二波导420的芯421的连续延伸。在这种情况下，第二波导的420的第二条带440和芯421可以由在单个制造步骤中形成的层来制造。
在一些实施方式中，第一条带430和/或第二条带440可以包括氢化氧氮化硅。
在一些实施方式中，第一条带430和/或第二条带440可以包括无氢氧氮化硅。
在一些实施方式中，引导部450的包层部分453的折射指数可以与第二波导420的包层422的折射指数基本上相同。在这种情况下，引导部450的包层部分453和第二波导420的包层420可以由在单个制造步骤中形成的层来制造。在这种情况下，第二端452可以不形成为由材料的不连续性限定的单个平面。第二端452可以是在引导部450的包层部分453和第二波导420的包层420内的平面，从该平面导模被完全转换为由第二波导420引导。
在一些实施方式中，衬底401的折射指数可以与引导部450的包层部分453的折射指数和第二波导422的包层422的折射指数基本上相同。
在一些实施方式中，衬底401的折射指数可以低于引导部450的包层部分453的折射指数和第二波导422的包层422的折射指数。
第一条带430的至少部分可以定位在第二条带440的近侧，以用于倏逝耦合。
在一些实施方式中，第一条带430与第二条带440之间的倏逝耦合可以通过填充第一条带430与第二条带440之间的空间的耦合层460来介导。
耦合层460的折射指数可以等于或大于引导部450的芯部453的折射指数，并且小于第一条带430的折射指数和第二条带440的折射指数。
在图4a的示例中，由作为芯的第一条带430和作为包层的芯部453形成的波导可以在工作波长下的截止条件之下。
图4b是图示模尺寸转换器400的示例性实施例的示意图。具体地，图4b示出了俯视波导芯片的衬底401的平面的俯视图。
图4b示出了第一波导410的芯411，其在该示例中是单模光纤(SMF)。假设存在包围芯411的单模光纤的包层，该包层的侧向延伸远远超出图4b描绘的比例。
在一些实施方式中，第一端451可以是平面并且垂直于第一方向403。第一方向403平行于第一条带430、第二条带440和第二波导420的方向，并且可以平行于在引导部450中传播的导模的方向。
在一些实施方式中，第一端451可以形成为相对于第一方向403成78度到90度之间的角度的平面。
在一些实施方式中，第一端451的平面角度可以被限定在由第一方向403和衬底401的平面的法线限定的平面中。第一端451的角度可以通过调整蚀刻工艺的参数使得第一端451上的蚀刻程度沿着垂直于衬底401的平面的方向不等来获得。
在一些实施方式中，第一端451的平面角度可以被限定在与衬底401的平面平行的平面中。第一端451的角度可以通过设计对应层使得第一端451形成为相对于第一方向403成一定角度的平面来获得。
第一端451的平面相对于第一方向403的角度可以减轻第一端451处针对第一波导410与模转换装置400之间的双向光学信号的背反射损耗。
在一些实施方式中，可以结合蚀刻工艺和设计来优化第一端451的轮廓的形状，从而使针对双向光信号的背反射损失最小化。
尽管图4b示出了芯411定位在距离第一端451(波导芯片的刻面)一定距离处，但是应当理解的是，为了使第一端451处的耦合效率最大化，单模光纤的芯411需要尽可能靠近第一端451。
第一端451的表面以及至少穿过芯411的单模光纤的裂开端可以足够光滑以抑制在工作波长下的光寄生散射。
沟槽部455可以包括第一沟槽455-1和第二沟槽455-2。如图4a和图4b所示，第一沟槽455-1和第二沟槽455-2的形式可以是从第一端451和第二端452延伸的板条(slab)。
第一沟槽455-1和第二沟槽455-2可以被定位成覆盖引导部450的芯部453的彼此相对的两个侧向面。
第一沟槽455-1和第二沟槽455-2可以填充有折射指数小于芯部453的折射指数的流体。例如，第一沟槽455-1和第二沟槽455-2可以填充有空气或惰性气体，诸如N2。
在一些实施方式中，芯部453的顶面可以暴露于空气中，并且芯部453的底面可以与衬底401接触。
在一些实施方式中，芯部453的顶面可以暴露于空气中。
在一些实施方式中，可以有两个以上的包层部分455-1、455-2，它们被设置成包围引导部450的芯部453。第三沟槽455-3(未示出)可以在衬底401中的芯部453的底面附近形成。在这种情况下，第一端451可以悬挂于衬底401。
沟槽455-1、455-2、455-3和衬底401的折射指数可以被布置成使得引导部450支持从单模光纤410在第一端451朝向第二端452发射的模的传播。
在垂直于衬底401的平面的方向上，第一沟槽455-1和第二沟槽455-2的深度的范围可以为7至20μm。
在垂直于第一方向403并且平行于衬底401的平面的方向上，第一沟槽455-1和第二沟槽455-2的宽度可以大于1μm。
图4c是图示模尺寸转换器400的示例性实施例的示意图。具体地，图4c示出了图4b中标签为4c的平面的横截面图。
耦合层460可以定位在第一条带430与第二条带440之间，使得第一条带430与第二条带440之间的间隙被耦合层460填充。
取决于稍后将在图7和图8中描述的制造方法，耦合层460可以相对于第二条带440按至少两种不同的方式设置。它们示出在图4c的左侧和右侧。这将在图4d中详细地解释。
在该示例中，第一条带430的横截面可以是正方形。第一条带430的横截面可以在第一条带的整个长度上是基本上相同的。
引导部450的芯部可以包括上芯部453和下芯部454。耦合层460可以设置在上芯部453与下芯部454之间。
在左侧所示的构造中，由作为芯的耦合层460以及上芯部453和下芯部454形成的波导可以支持导模。另选地，耦合层460可以很薄，使得由作为芯的耦合层460以及上芯部分453和下芯部分454形成的波导在工作波长下的截止状态之下。
在一些实施方式中，在左侧所示的构造中，由作为芯的第一条带430的耦合层460以及作为包层的上芯部453和下芯部454形成的波导可以在工作波长下的截止状态之下。
在一些实施方式中，在右侧所示的构造中，由作为芯的第一条带430以及作为包层的上芯部453和耦合层460形成的波导可以在工作波长下的截止条件之下。
在一些实施方式中，第一沟槽455-1和第二沟槽455-2可以被设置成使得第一沟槽455-1和第二沟槽455-2中的每一个沟槽的至少一个表面垂直于耦合层460的平面和衬底401的平面。
在一些实施方式中，第一沟槽455-1和第二沟槽455-2可以被设置成使得第一沟槽455-1和第二沟槽部分455-2中的每一个沟槽的至少一个表面之间的角度横穿耦合层460的范围为78度到90度。该角度可以通过调整用于干法蚀刻第一沟槽455-1和第二沟槽455-2的参数来获得。
包括上芯部453、下芯部454、第一沟槽455-1和第二沟槽455-2的引导部可以被布置成引导从第一波导410发射的电磁模。
从第一波导410发射的电磁模可以在其在引导部分450内在第一方向403上前进时逐渐围绕第一条带430集中。
在一些实施方式中，耦合层460可以与下芯部454集成，并且可以与下芯部454在单个步骤中一起制造。
图4d是图示模尺寸转换器400的示例性实施例的示意图。具体地，图4d示出了图4b中标签为4d的平面的横截面图。
在该示例中，第二条带440的横截面可以是正方形。第二条带440的横截面可以在第一条带的整个长度上是基本上相同的。
第一条带430的横截面积可以小于第二条带440的横截面积。
耦合层460可以定位在第一条带430与第二条带440之间，使得第一条带430与第二条带440之间的间隙被耦合层460填充。
取决于稍后将在图7和图8中描述的制造方法，耦合层460可以相对于第二条带440按至少两种不同的方式设置。它们示出在图4d的左侧和右侧。
在图4d的左侧，耦合层460被设置成使得仅第二条带440的顶面与耦合层460接触。第二条带440可以基本上嵌入到下芯部454中。
在图4d的右侧，耦合层460被设置成使得仅第二条带440的底面与下芯部454接触。第二条带440可以基本上嵌入到耦合层460中。
第二条带440的尺寸可以考虑耦合层460和下芯部454的布置来确定，使得第二条带至少在第二端452处支持由第二波导420的模支持的模。
第一条带430的折射指数和第二条带440的折射指数大于上芯部453的折射指数、下芯部454的折射指数、耦合层460的折射指数、沟槽455-1、455-2的折射指数。
在一些实施方式中，上芯部453的折射指数、下芯部454的折射指数和耦合层460的折射指数都基本上相同。
在一些实施方式中，上芯部453的折射指数和下芯部454的折射指数小于耦合层460的折射指数。
围绕第一条带430集中的导模可以经由耦合层460倏逝耦合到第二条带440。
可以调整第一条带430和第二条带440彼此倏逝耦合的倏逝耦合区域的长度，使得导模可以在耦合区域的末端基本上完全转移到第二条带440。
倏逝耦合区域的长度的范围可以为10μm至1mm。
在该示例中，其横截面被假设为小于第二条带440的横截面的第一条带430嵌入到上芯部453中。然而，第二条带440可以嵌入到上芯部453中，并且第一条带430可以嵌入到下芯部454中，而基本上不改变操作原理。
图4e是图示模尺寸转换器400的示例性实施例的示意图。具体地，图4e示出了图4b中标签为4e的平面的横截面图。如图4d所讨论，左侧和右侧示出了根据将在图7和图8中解释的不同制造方法的耦合层460的两种不同构造。
在左侧所示的构造中，由作为芯的第二条带440和耦合层460以及作为包层的上芯部453和下芯部454形成的波导可以支持导模在工作波长下的传播。
在左侧所示的构造中，由作为芯的耦合层440、耦合层460以及作为包层的上芯部453和下芯部454形成的波导可以支持导模在工作波长下的传播。
在一些实施方式中，耦合层460的折射指数可以大于上芯部453的折射指数和下芯部454的折射指数，但小于第二条带440的折射指数。在这种情况下，在左侧所示的构造中，由作为芯的第二条带440和倏逝耦合区域460以及作为包层的下芯部454和下芯部454形成的波导可以支持在工作波长下的导模的传播。此波导类同于脊形波导，或者是渐变脊形波导。
在一些实施方式中，耦合层460的折射指数可以与上芯部453的折射指数和下芯部454的折射指数基本上相同，但小于第二条带440的折射指数。
由第二条带440引导的电磁模可以与由第二波导420引导的模基本上相同。
在一些实施方式中，耦合层460可以与上芯部453集成，并且可以与下芯部453在单个步骤中一起制造。
图5是图示参考图4a至图4e的模尺寸转换器500的示例性实施例的示意图。
模尺寸转换器500和第二波导520整体形成在波导芯片内。模尺寸转换器500可以包括引导部550，该引导部可以被制造为波导芯片的整体部分。引导部550还可以包括，包括芯部553和沟槽555-1、555-2。模尺寸转换器500还可以包括第一条带530和第二条带540。第一条带530和第二条带540经由耦合层560彼此倏逝耦合。这些特征如图4a至图4e的示例中所描述。
引导部550可以包括第一端551和第二端552。
第一端551从波导芯片的刻面突出。
在一些实施方式中，芯部553可以从波导芯片的刻面502突出，并且第一端551可以在最靠近第一波导510的引导部550的芯部553的表面处形成，如图5所示。
在一些实施方式中，芯部553和包层部555-1、555-2均可以从波导芯片的刻面502突出，并且第一端551可以在最靠近第一波导510的芯部553和沟槽555-1、555-2两者的表面处形成。
第一条带530最靠近第一端551的一侧可以终止于距离第一端551预定距离处。
在一些实施方式中，第一条带530最靠近第一端551的一侧可以终止于与波导芯片的刻面502相对应的位置处。
在一些实施方式中，第一条带530最靠近第一端551的一侧可以终止于第一端551处。
芯部553的突出部分可以局部形成波导，其中芯部553的突出部分作为芯，空气/真空作为包层。这可以提供对从第一波导510入射的模的紧密封闭，并且可以导致第一端651处耦合效率的提高。
突出的长度的范围为5μm至50μm。
图6是图示参考图4a至图4e以及图5的模尺寸转换器600的示例性实施例的示意图。
如图4a至图4e以及图5的示例，模尺寸转换器600和第二波导620整体形成在波导芯片内。模尺寸转换器600可以包括引导部650，该引导部可以被制造为波导芯片的整体部分。引导部650还可以包括，包括芯部653和沟槽655-1、655-2。引导部650可以包括第一端651和第二端652。这些特征如图4a至图4e以及图5的示例所描述。
模尺寸转换器600还可以包括第一条带630和第二条带640。第一条带630和第二条带640经由耦合层660彼此倏逝耦合，如图4a至图4e以及图5的示例所描述。
在该示例中，第一条带630和第二条带640的横截面积可以沿着长度变化，使得可以进一步控制模尺寸转换器600内的导模的有效指数。
在一些实施方式中，第一条带630可以包括第一锥形，在第一锥形中，横截面积在第一方向603上从最靠近第一端651的一侧增大。这可以减少光在第一条带630的终端处的寄生散射。
在一些实施方式中，第一条带630可以包括第二锥形，在第二锥形中，横截面积在第一方向603上在与第二条带640倏逝耦合的区域中减小。这可以使倏逝耦合更加有效。
在一些实施方式中，第二条带640可以包括第三锥形，在第三锥形中，横截面积在第一方向603上在与第一条带630倏逝耦合的区域中增大。这可以使倏逝耦合更加有效。
在该示例中，第一条带630的厚度和第二条带640的厚度是固定的，并且横截面积通过改变第一条带630和第二条带640的宽度来改变，如图6所示。然而，第一条带630和第二条带640的横截面积可以通过改变横截面的任何其他尺寸来改变。
在一些实施方式中，第一锥形、第二锥形和第三锥形的长度可以基本上相同，即横截面积在其中变化的第一方向603上的长度可以基本上相同。
第一锥形、第二锥形、第三锥形中的每一个锥形都可以在初始横截面积、最终横截面积和长度方面进行优化。
例如，当第一条带630的厚度为200nm并且第二条带640的厚度为800nm时，第一锥形、第二锥形和第三锥形的长度可以为10μm，并且宽度可以从200nm到1μm不等。
芯部653可以从波导的刻面602突出。然而，第一条带630和第二条带640的锥形概念不受该特征的限制，并且可以应用于引导部650的任何其他构造。例如，引导部的芯部653可以不从刻面602突出。再如，引导部650可以不包括沟槽655-1、655-2。
到目前为止，模尺寸转换器100、200、300、400、500、600的描述是基于入射在第一端101、251、351、451、551上并在第一方向103、203、303、403、603上行进的电磁模。然而，如上文所解释，模尺寸转换器100、200、300、400、500、600是互易装置，并且相同设计概念应用于入射在第二端102、252、352、452、552上并通过第一端101、251、351、451、551出射的模。上文给出的描述可以在与第一方向103、203、303、403、603相反的方向上按相反顺序应用。
图7是图示参考图4a和图4d的模尺寸转换器400、500、600的制造过程的示例性实施例的流程图。具体地，该制造过程用于图4c至图4e的右侧所示的构造。
在步骤701，可以在衬底401上沉积下芯部454。下芯部454可以包括二氧化硅(SiO2)。衬底401可以包括硅晶圆。
下芯部454的厚度可以被确定为使得引导部450和/或第二条带440内的导模不受衬底401的材料影响。例如，下芯部454可以包括8μm厚的二氧化硅层。这可以通过硅衬底401的氧化来实现。
在步骤702，可以沉积包含用于第二条带440的材料的层。例如，可以使用含硅前体和含氮前体(诸如SiCl2H2、SiH4、N2和NH3)的混合物，通过低压化学气相沉积(LPCVD)技术、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术或原子层沉积(ALD)技术中的一种或多种技术来沉积氮化硅(SiN)膜。
在步骤703，可以通过蚀刻在步骤702中沉积的层来制造第二条带440。例如，可以使用基于氟化氢(HF)的溶液的湿法蚀刻技术或使用氢(H-)和氟化碳(CFx)自由基的混合物的干法蚀刻技术，通过光刻和蚀刻来图案化在步骤702中沉积的层。
假使第二条带440连接到或延伸到波导芯片内的用于光子电路的波导420，用于光子电路的波导420也可以与第二条带440同时制造。
在步骤704，可以沉积包含用于耦合层460的材料的层。例如，的层可以通过等离子体增强化学气相沉积技术、低压化学气相沉积(LPCVD)技术中的一种或多种技术来沉积氢化SiO1.95N0.05:H膜。另选地，可以首先沉积氮氧化硅层，并且借助于氢等离子体进行氢化。
在步骤705，可以沉积包含用于第一条带430的材料的层。例如，可以使用含硅前体和含氮前体(诸如SiH4和NH3)的混合物，通过等离子体增强化学气相沉积来沉积氮化硅(SiN)膜。
在步骤706，可以通过蚀刻在步骤705中沉积的层来制造第一条带430。例如，可以使用基于氟化氢(HF)的溶液的湿法蚀刻技术或使用氢(H-)和氟化碳(CFx)自由基的混合物的干法蚀刻技术，通过光刻和蚀刻来图案化在步骤705中沉积的层。
在步骤707，可以沉积上芯部453。例如，上芯部453可以包括通过低压化学气相沉积(LPCVD)技术、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术或原子层沉积(ALD)技术中的一种或多种技术沉积的二氧化硅(SiO2)。
在步骤708，可以形成用于沟槽455-1、455-2的两个侧向间隙。例如，可以通过干法蚀刻和湿法蚀刻顺序的组合来形成这两个侧向间隙。
在步骤709，可以填充用于沟槽455-1、455-2的间隙。例如，在密封封装期间，间隙可以用N2气体填充。
例如，按照该程序制造的层的折射指数可以如下：n430＝n440＝2，n460＝1.55，n453＝n454＝1.4，n455-1＝n455-1＝1。
图8是图示参考图4a和图4d的模尺寸转换器400、500、600的制造过程的示例性实施例的流程图。具体地，该制造过程用于图4c至图4e的左侧所示的构造。
在步骤801，可以在衬底401上沉积下芯部454。下芯部454可以包括二氧化硅(SiO2)。衬底401可以包括硅晶圆。
下芯部454的厚度可以使得引导部450和/或第二条带440内的导模不受衬底401的材料影响。例如，下芯部454可以包括8μm厚的二氧化硅层。这可以通过硅衬底401的氧化来实现。
在步骤802，可以在下芯部454上制造用于第二条带440的沟槽。例如，可以使用干法蚀刻技术(诸如电感耦合等离子体(ICP)、反应离子蚀刻(RIE)和湿法蚀刻)，通过蚀刻下芯部454来制造沟槽。
沟槽的深度至少可以是第二条带440的厚度。
在步骤803，可以沉积包含用于第二条带440的材料的层。例如，可以使用含硅前体和含氮前体(诸如SiCl2H2、SiH4、N2和NH3)的混合物，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)技术或原子层沉积(ALD)技术中的一种或多种技术来沉积氮化硅(SiN)膜。
该层的厚度可以大于沟槽的深度，使得在步骤802中形成的沟槽被用于第二条带440的材料完全填充。例如，氮化硅膜的厚度的范围可以为800nm至3μm。
在步骤804，可以蚀刻和平坦化在步骤803中形成的层以限定第二条带440。例如，可以通过干法蚀刻技术蚀刻在步骤803中形成的氮化硅层，直到暴露下芯部454的顶面。另选地，可以通过干法蚀刻技术，随后通过化学机械抛光(CMP)技术蚀刻在步骤803中形成的氮化硅层，直到暴露下芯部454的顶面。
假使在步骤802中沟槽的深度被设置为大于第二条带440的所需厚度，相应地，也可以在该步骤中蚀刻下芯部454。
在步骤805，可以沉积耦合层460。例如，可以使用至少三种前体气体，通过化学气相沉积技术来沉积氮氧化硅层，三种前体气体通常是作为Si前体的SiCl2H2或SiH4，作为N前体的NH3或N2以及作为氧前体的O2或N2O。
在优选实施方式中，耦合层460的折射指数可以为1.65。
在一些实施方式中，耦合层的折射指数的范围可以为1.55至1.97。
当工作波长为1550nm时，耦合层460的厚度的范围可以为10nm至400nm。
在步骤806，可以沉积包含用于第一条带430的材料的层。例如，可以使用含硅前体和含氮前体(诸如SiCl2H2、SiH4、N2和NH3)的混合物，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术或通过原子层沉积(ALD)技术来沉积氮化硅(SiN)膜。
在步骤807，可以通过蚀刻在步骤806中沉积的层来制造第二条带430。例如，可以使用基于氟化氢(HF)的溶液的湿法蚀刻技术或使用氢(H-)和氟化碳(CFx)自由基的混合物的干法蚀刻技术，通过光刻和蚀刻来图案化在步骤806中沉积的层。
在步骤808，可以沉积上芯部453。例如，上芯部453可以包括使用Si、N和O前体或液体前体，通过低压化学气相沉积(LPCVD)技术、等离子体增强气相沉积(PECVD)技术或原子层沉积(ALD)技术中的一种或多种技术沉积的二氧化硅(SiO2)。
例如，上芯部453的折射指数的范围可以为1.4至1.7，但低于或等于耦合层460的折射指数。
在步骤809，可以形成用于沟槽455-1、455-2的两个侧向间隙。例如，可以通过干法蚀刻和湿法蚀刻顺序的组合来形成这两个侧向间隙。
在步骤810，可以填充用于沟槽455-1、455-2的间隙。例如，可以通过化学气相沉积技术，通过沉积高度多孔的二氧化硅来填充该间隙。
第一沟槽455-1和第二沟槽455-2的折射指数可以低于化学计量二氧化硅的折射指数，例如1.05。
例如，按照该程序制造的层的折射指数可以如下：n430＝n440＝2，n460＝1.65，n453＝n454＝1.4，n455-1＝n455-1＝1.05。
在上文图7和图8中描述的制造过程中，第一条带430、第二条带440和耦合层460可以被制造成氮氧化硅层。
在一些实施方式中，氮氧化硅层可以包括氢化氮氧化硅SixOyNz:H，其中1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，使得第一条带的折射指数在1.55到3.7之间。
在一些实施方式中，氮氧化硅层可以包括无氢氧氮化硅SixOyNz，其中1≤x≤2，0＜y≤2，0＜z≤4，使得第一条带的折射指数在1.55到3.7之间。
附图中所示和上文描述的本发明的实施例仅是示例性实施例，并且不旨在限制本发明的范围，本发明的范围由下文中权利要求限定。本文描述的非互斥特征的任何组合都在本发明的范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：光连接器