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，本发明提供一种基于TM0模式光的马赫曾德尔干涉仪，所述马赫曾德尔干涉仪包括：输入波导11、第一模式转换器12、连接臂13、第二模式转换器14及输出波导15。基于本发明设计，可以得到基于TM0模式光的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪。无论输入端输入TM0模式的入射光还是TE1模式的输入光，其输出端均可以输出TM0模式和TE1模式的出射光；温度不敏感马赫曾德尔干涉仪中两个模式转换器通过一个连接臂相连接，结构简单，具有较小的损耗。同时，本发明的干涉仪可以实现与CMOS工艺兼容，便于批量化生产。

如图1和2所示，输入波导11可以为直波导，各处具有相同宽度。

另外，本发明的干涉仪包括第一模式转换器12和第二模式转换器14。在一示例中，二者为完全相同的双层锥形结构，在干涉仪的结构中关于中间的连接臂13对称设置。双层锥形结构是指转换器结构中包括上下两层材料层组成，两层材料层具有不相同的部分，自输入波导接收信号之后继续传输至连接臂，再经过同样结构对称设置的转换器自输出波导输出。

在一示例中，所述第一模式转换器12具体包括：依次相连接的第一对称传输段121、第二对称传输段122和第三对称传输段123，第一模式转换器12一端(第一对称传输段121)与输入波导11相连接，另一端(第三对称传输段123)与连接臂13相连接，如图2所示。

另外，在一示例中，所述第二模式转换器14具体包括：依次相连接的第四对称传输段、第五对称传输段和第六对称传输段，第二模式转换器14一端(第六对称传输段)与输出波导15相连接，另一端(第四对称传输段)与连接臂13相连接，可参见图1中结构所示。

需要说明的是，第一模式转换器12与第二模式转换器14结构完全相同且对称设置指的是，第一模式转换器的第一对称传输段与第二模式转换器的第六对称传输段结构相同结构对称设置，二者的大小尺寸均相同，同理，第一模式转换器的第二对称传输段与第二模式转换器的第五对称传输段结构相同结构对称设置，第一模式转换器的第三对称传输段与第二模式转换器的第四对称传输段结构相同结构对称设置。可以理解为相当于第二模式转换器为将第一模式转换器旋转180°后依次连接在连接臂13的后面。

如图2和图6所示，作为示例，所述第一对称传输段121包括第一上波导段121a和位于其下方且关于其对称的第一下波导段121b，所述第二对称传输段122包括第二上波导段122a和位于其下方且关于其对称的第二下波导段122b。需要说明的是，这里的对称是下波导的结构尺寸关于上波导的两侧对称，第一上波导段121a自身尺寸变化对称变化，如，呈等腰梯形结构，进而，第一下波导段121b超出第一上波导段121a的部分在图中显示的上下两侧(实际为第一上波导段延伸方向的左右两侧)对称分布。

同理，参见第二对称传输段122，所述第五对称传输段包括第五上波导段和位于其下方且关于其对称的第五下波导段；参见第一对称传输段121，所述第六对称传输段包括第六上波导段和位于其下方且关于其对称的第六下波导段。

基于上述设计，本发明得到的第一模式转换器和第二模式转换器实际包括上下两层结构，构成双层锥形结构，以利于适应TM0模式的光，是针对TM0模式的光进行的对应设计，由于TE0模式和TM0模式的有效折射率差别很大，必须设计不同的结构以完成不同模式的传输。在双侧锥形模式中，由于结构的横截面对称性被打破，在双层锥形结构中，有利于设计TM0模式与TE1模式有效折射率相同，基于设计实现TM0模式与TE1模式的转换。

作为示例，本发明各个对称传输段的上下波导段基于同一材料层刻蚀形成。从而所述第一下波导段121b与所述第一上波导段121a的厚度之和为该层材料层的厚度；所述第二下波导段122b与所述第二上波导段122a的厚度之和为该层材料层的厚度；所述第三对称传输段123的厚度为该层材料层的厚度，从而三者上表面相平齐。同理，可以理解的是，所述第四对称传输段的厚度、所述第五下波导段与所述第五上波导段的厚度之和、所述第六下波导段与所述第六上波导段的厚度之和相等。

在一示例中，所述第一上波导段与所述第一下波导段的厚度相等，另外，所述输入波导的厚度为所述第一上波导厚度的2倍，所述输入波导11也基于同一材料层刻蚀形成；同理，可以理解的是，所述第二上波导段与所述第二下波导段的厚度相等；所述第五上波导段与所述第五下波导段的厚度相等；所述第六上波导段与所述第六下波导段的厚度相等。另外，所述输出波导15也可以是基于同一材料层刻蚀形成，与输入波导11厚度相同。

在一具体示例中，输入波导的厚度为200-240nm，可以为上述两端点值，也可以为中间任意数值。如本示例中选择为220nm。可选地，所述第一上波导段121a的厚度为100-120nm，本示例中选择为110nm，为输入波导厚度的一半，同时，对应所述第一下波导段121的厚度可以为110nm。基于此，可以理解的是，各对称传输段的上波导段的厚度均可以与第一上波导段有相同的选择设计，各对称传输段的下波导段的厚度均可以与第一下波导段有相同的选择设计。另外，第三对称传输段和第四对称传输段为单层结构，厚度与输入波导相同。

如图2所示，作为示例，所述第一下波导段121b具有窄端面和宽端面，所述第一上波导段121a具有窄端面和宽端面，且所述第一下波导段121b的窄端面与所述第一上波导段121a的窄端面宽度相等，均为W0；所述第一下波导段的宽端面大出所述第一上波导段宽端面两侧各自预设距离Ws。在一示例中，输入波导11的宽度也为W0。

所述第二下波导段122b具有窄端面和宽端面，所述第二上波导段122a具有窄端面和宽端面，所述第二下波导段122b的宽端面与所述第一下波导段121b的宽端面的宽度相等，所述第二上波导段122a的窄端面与所述第一上波导段121a的宽端面连接且宽度相等，均为W1，所述第二下波导段122b的窄端面与所述第二上波导段122a的宽端面的宽度相等，均为W2。

所述第三对称传输段123具有窄端面和宽端面，所述第三对称传输段的宽端面与第二上波导段122a的宽端面宽度W2相等。另外，在一示例中，连接臂13仅有直波导段构成，包括多模波导，其宽度与第三对称传输段123的窄端面的宽度W3相等。

同理，可以理解的是第五对称传输段有相同与第二对称传输段的设计，第六对称传输段有相同与第一对称传输段的设计，第四对称传输段有相同与第三对称传输段的设计。所述第五下波导段具有窄端面和宽端面，所述第五上波导段具有窄端面和宽端面，且所述第五下波导段的窄端面与所述第五上波导段的宽端面的宽度相等；所述第六下波导段具有窄端面和宽端面，所述第六上波导段具有窄端面和宽端面，且所述第六下波导段的窄端面与所述第六上波导段的窄端面宽度相等且与所述输出波导连接，所述第六下波导段的宽端面的宽度与第五下波导段的宽端面的宽度相等，所述第六下波导段的宽端面大出所述第六上波导段宽端面两侧各自所述预设距离。

作为示例，所述输入波导的宽度W0为0.40μm-0.50μm，所述第一上波导的窄端面的宽度W0为0.40μm-0.50μm，所述第一上波导段的宽端面的宽度W1为0.50μm-0.60μm，所述预设距离Ws为0.45μm-0.55μm，所述第二上波导的宽端面的宽度W2为0.57μm-0.67μm，所述第三对称传输段的窄端面宽度W3为0.40μm-0.50μm。另外，所述第一对称传输段121的长度Ltp1为28μm-29μm，所述第二对称传输段122的长度Ltp2为24μm-26μm，所述第三对称传输段123的长度Ltp3为5μm-10μm。另外，所述连接臂13的所述直波导段的宽度W3为0.40μm-0.50μm。同理，所述第五上波导的宽端面的宽度为0.57μm-0.67μm，所述第五上波导的窄端面的宽度为0.50μm-0.60μm，所述第六上波导段的宽端面的宽度为0.50μm-0.60μm，所述第六上波导段的窄端面的宽度为0.40μm-0.50μm，所述第四对称传输段的窄端面宽度为0.40μm-0.50μm。另外，所述第六对称传输段的长度为28μm-29μm，所述第五对称传输段的长度为24μm-26μm，所述第四对称传输段的长度为5μm-10μm。

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，所述输入波导的宽度W0为0.45μm，所述第一上波导的窄端面的宽度W0为0.45μm，所述第一上波导段的宽端面的宽度W1为0.55μm，所述预设距离Ws为0.5μm，所述第二上波导的宽端面的宽度W2为0.62μm，所述第三对称传输段的窄端面宽度W3为0.45μm。另外，所述第一对称传输段121的长度Ltp1为28.5μm，所述第二对称传输段122的长度Ltp2为24μm，所述第三对称传输段123的长度Ltp3为5μm。在第二示例中，所述输入波导的宽度W0为0.41μm，所述第一上波导的窄端面的宽度W0为0.41μm，所述第一上波导段的宽端面的宽度W1为0.51μm，所述预设距离Ws为0.46μm，所述第二上波导的宽端面的宽度W2为0.58μm，所述第三对称传输段的窄端面宽度W3为0.41μm。另外，所述第一对称传输段121的长度Ltp1为28.1μm，所述第二对称传输段122的长度Ltp2为24.5μm，所述第三对称传输段123的长度Ltp3为6μm。在第三示例中，所述输入波导的宽度W0为0.43μm，所述第一上波导的窄端面的宽度W0为0.43μm，所述第一上波导段的宽端面的宽度W1为0.53μm，所述预设距离Ws为0.48μm，所述第二上波导的宽端面的宽度W2为0.60μm，所述第三对称传输段的窄端面宽度W3为0.43μm。另外，所述第一对称传输段121的长度Ltp1为28.3μm，所述第二对称传输段122的长度Ltp2为25μm，所述第三对称传输段123的长度Ltp3为7μm。在第四示例中，所述输入波导的宽度W0为0.47μm，所述第一上波导的窄端面的宽度W0为0.47μm，所述第一上波导段的宽端面的宽度W1为0.57μm，所述预设距离Ws为0.52μm，所述第二上波导的宽端面的宽度W2为0.64μm，所述第三对称传输段的窄端面宽度W3为0.47μm。另外，所述第一对称传输段121的长度Ltp1为28.7μm，所述第二对称传输段122的长度Ltp2为25.5μm，所述第三对称传输段123的长度Ltp3为8μm。在第五示例中，所述输入波导的宽度W0为0.49μm，所述第一上波导的窄端面的宽度W0为0.49μm，所述第一上波导段的宽端面的宽度W1为0.59μm，所述预设距离Ws为0.54μm，所述第二上波导的宽端面的宽度W2为0.66μm，所述第三对称传输段的窄端面宽度W3为0.47μm。另外，所述第一对称传输段121的长度Ltp1为28.9μm，所述第二对称传输段122的长度Ltp2为26μm，所述第三对称传输段123的长度Ltp3为10μm。

作为示例，所述马赫曾德尔干涉仪包括SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅层201、埋氧层202及顶层硅层，所述第一模式转换器12、所述连接臂13及所述第二模式转换器14均通过刻蚀所述顶层硅层而形成。其中，采用两次刻蚀的方式形成各个对称传输的上波导段层206和下波导段层207，也就是说，可以认为各个上波导段组成上波导段层206，可以认为各个下波导段组成下波导段层207，具体可以参见图3-6的示意。本发明基于Y分支对称结构的马赫曾德尔干涉仪的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪中的第一模式转换器、连接臂及第二模式转换器基于SOI衬底制备而得到，由于SOI衬底中的硅的热光系数很大(可达到1.86×10-4RIU/K，其中，RIU为折射率单位)，可以引起相当大的随温度变化的波长飘移(约80pm/K)，在此基础上，通过设置连接臂的宽度及厚度等参数可以实现对温度不敏感；同时，本发明的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪可以实现与CMOS工艺兼容，便于批量化生产。马赫曾德尔干涉仪中两个模式转换器通过一个连接臂相连接，结构简单，具有较小的损耗。另外，在一可选示例中，所述输入波导和所述输出波导也基于所述顶层硅层制备得到。

作为示例，如图7所示，所述温度不敏感马赫曾德尔干涉仪还包括保护层208，所述保护层208位于所述埋氧层202的上表面，且完全覆盖所述第一模式转换器、所述连接臂及所述第二模式转换器，以实现对所述第一模式转换器、所述连接臂及所述第二模式转换器的保护。在一示例中，所述保护层208可以包括但不仅限于氧化硅层。

作为示例，所述连接臂13的宽度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述连接臂13的宽度为569nm，其中，为实现器件的温度不敏感特性，多模波导的宽度需要满足不同模式下的d_neff/dT系数相等；图8显示为本发明提供的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪中连接臂的宽度与不同模式入射光的有效折射率相对于温度的变化率的曲线，选择两种模式的入射光具有相同的有效折射率相对于温度的变化率(d_neff/dT)时所对应的所述连接臂13的宽度即为可以实现温度不敏感时对应的所述连接臂13的宽度，可以看到当多模波导的宽度为569nm时，TM₀和TE₁模式下的dneff/dT系数均为1.289*10^-4/K，此时器件可以实现温度不敏感特性。

另外，请参阅图9，为验证器件的温度特性，对器件在20℃和50℃下的传输光谱进行仿真，其中，以入射光为TM0模式，输出光以TM0模式作为示例，由图9可知，仿真结果如所示，器件随温度变化的温度灵敏度仅为15pm/℃，器件具有温度不敏感特性。本发明的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪在不同的温度下具有大致相同的性能，本发明的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪的性能受温度影响不大，亦即图9进一步证明了本发明的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪对温度不敏感。

另外，请参阅图10至图13，其中，本发明器件中间得到的是混合模式的光，输出光并非混合模式，最终得到单一输出光，其中，如图所示，输入、输出一共有四种情况：即以TM0模式入射，输出光为TM0模式；以TM0模式入射，输出光为TE1模式；以TE1模式入射，输出光为TM0模式；以TE1模式入射，输出光为TE1模式；器件中间的569nm宽度波导(连接臂)传输的为混合模式光，器件两端采用对称图形以得到单一输出光。图中结果可见，为验证器件的整体性能进行仿真，本发明的温度不敏感马赫曾德尔干涉仪无论输入的是TM0模式的入射光还是TE1模式的入射光，均可得到TM0模式和TE1模式的混合模式出射光。器件整体的仿真结果如上图所示，器件在各个端口下的的插入损耗小于0.3dB，消光比大于20dB。另外，图14显示为器件的仿真模场示意图。

需要说明的是，基于本发明的设计，器件包括两个完全相同的双层锥形结构和一个多模波导构成。温度不敏感马赫曾德尔干涉仪无论输入端输入TM0模式的入射光还是TE1模式的输入光，其输出端均可以输出TM0模式和TE1模式的出射光。双层锥形结构的目的是得到混合模式，工作原理可以是：例如，当以TM0模式入射到器件中时，在波导的宽度由W0变化到W1的部分存在一个模式混合区，在此模式混合区内TM0和TE1的有效折射率相等，同时结构在垂直方向上的对称性被刻蚀部分打破，此时TM0模式转换为TE1模式。在该结构的波导宽度W1-W2变化区间，当W2的宽度为0.62μm时，会有部分TE1模式转换回TM0模式，从而可以得到TM0和TE1的混合模式。此时经过双层锥形模式耦合器后的TM0与TE1的比例约为50:50，仿真结果如图15所示。自所述输入波导段输入TM0模式的入射光；在所述第一对称传输段，TM0和TE1的有效折射率相等，TM0模式转换为TE1模式；在所述第二对称传输段，部分TE1模式光转换回TM0模式光，以得到TM0和TE1的混合模式的光。进一步，器件最终制备得到一个马赫曾德尔干涉仪，混合模式光的作用是为了使得器件温度不敏感，在器件的右侧加了一个对称结构可以将混合模式的光再次转换回单一模式的光，从而得到干涉图样，本发明的结构可以视为特殊的MZI结构。

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基于TM0模式光的马赫曾德尔干涉仪的制备方法，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干涉仪结构中的描述，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，以形成所述第一模式转换器12、所述连接臂12及所述第二模式转换器14。其中，采用两次刻蚀的方式形成各个对称传输的上波导段层206和下波导段层207，如进行第一次刻蚀形成初始层205，然后，进行第二次刻蚀形成上波导段层206和下波导段层207。也就是说，可以认为各个上波导段组成上波导段层206，可以认为各个下波导段组成下波导段层207。另外，还可以包括沉积保护层208的步骤。

综上所述，本发明的基于TM0模式光的马赫曾德尔干涉仪及其制备方法，实现无论输入端输入TM0模式的入射光还是TE1模式的输入光，其输出端均可以输出TM0模式和TE1模式的出射光；可以有效解决现有技术存在的马赫曾德尔干涉仪对温度较为敏感、结构复杂、尺寸大等问题：可以实现与CMOS工艺兼容，便于批量化生产，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。