具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明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，波导体具有作为输入波导第一段、作为过渡波导的第二段以及作为输出波导的第三段；

（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；

（C）采用优化方法确定第二段的结构，且第二段具有平滑边缘，完成波导体的结构设计；

（D）取衬底，并在衬底上设置步骤（C）设计的波导体，制成模式转换器。

其中，步骤（A）中通过设计一体化的波导体，可以保证制成的模式转换器尺寸较小，更加适配小尺寸大规模的光路集成。

步骤（A）中第一段用于传输输入光波，第二段用于将第一段输入进来的基模光转换为特定的高阶模光波，第三段用于传输输出光波。值得注意的是，所述波导模式转换器的制造方法制造的模式转换器为互易器件，因此如果特定高阶模光从第三段入射，经过第二段可以将特定高阶模光高效地转换为基模光，并通过第一段输出。

步骤（D）中的衬底可以选用二氧化硅等材料，波导体可以选用硅、氮化硅、二氧化硅等材料。

其中，步骤（B）具体包括步骤：

（B1）根据支持基模和支持要转换的高阶模的波导宽度确定第一段和第三段的宽度；

（B2）根据基模和要转换的高阶模的模场分布对称性确定第一段和第三段的相对位置。

其中，步骤（A）中的第一段为单模或多模波导，通常情况下为单模波导，第一段的宽度受到支持基模光的波导宽度限制。第三段为多模波导，第三段的宽度受到支持要转换的高阶模光的波导宽度限制，其与第一段的相对位置可以由待转换的模式的模场对称性决定。由于基模光的模场分布是偶对称的，当高阶模的光模场也是偶对称时，第一段和第三段优选居中对齐，这种方式下优化的光波导结构尺寸相对较小。

其中，步骤（C）具体包括步骤：

（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；

（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。

值得注意的是，步骤（C2）中的优化算法为遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、模拟退火算法等启发式优化算法中的一种，优化算法也可以是线性规划、回归分析、梯度下降等函数近似/逼近算法中的一种。

值得注意的是，步骤（C2）中优化的均分点为第二段中部的2n-4个均分点，因为第二段沿传播方向两端的4个均分点分别与第一段及第三段对接，位置确定，无需优化。

具体的，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。

步骤（C3）中具有曲线特征的插值方式包括多项式插值、二次样条插值、三次样条插值、拉格朗日多项式插值等。值得注意的是，插值方法不可选用一次样条插值也就是线性插值的方式，因为这种插值方法无法得到平滑的曲线边缘。通过具有曲线特征的插值方式可以使得第二段作为过渡波导具有平滑缓变的特点，可以预测通过该种设计方法能够得到低插入损耗、高转换率和高带宽以及加工容忍度较好的模式转换器。

参见图2，采用所述光波导模式转换器的制造方法制造的模式转换器包括衬底10和波导体20，波导体20具有作为输入波导第一段21、作为过渡波导的第二段22以及作为输出波导的第三段23，其中，第一段21和第三段23均为条形波导，第二段22采用所述光波导模式转换器的制造方法设计制成。

参见图3，第二段22沿传播方向被均分为n-1段，第二段22边缘具有n组（2n个）均分点（Xa1和Xb1，Xa2和Xb2...Xn1和Xn2），通过优化n组均分点的位置和宽度可以确定第二段22的结构，由于Xa1和Xb1以及Xn1和Xn2两组均分点分别位于第一段21和第三段23端部，这两组均分点无需优化，实际需要优化的是其余2n-4个均分点的位置，通过采用对称优化 等方式优化后，确定第二段22的长度以及所有均分点的位置。之后即可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。

以下结合图4，以本发明一种模式转换器的实施例来进行具体说明，模式转换器的波导体采用硅材料，波导体的厚度为0.22微米。衬底材料为二氧化硅，衬底厚度为3微米。波导体的第一段21的宽度W0=0.5μm，波导体的第三段23的宽度W1=1.2微米。待转换的高阶模为二阶模，即第二段22需要实现将基模转换为二阶模或者将二阶模转换为基模的模式转换功能。由于二阶模模式模场是偶对称分布的，因此设置第三段23和第一段21的相对位置为居中对齐。之后，将第二段22均分为10段，待确定的均分点数量为18个。由于高阶模的模场分布是偶对称的，第三段23和第一段21是居中对齐的，第二段22选择对称优化的方式，需要优化的参数为图4中第二段缓变波导的长度L以及p1至p9这10个宽度参数，优化的结构参数如表1所示。之后，采用三次样条插值的方式来确定第二段22中每个位置的宽度。

图5为所述模式转换器的实施例在1.5微米至1.6微米波段光的转换效率。从图5中可以看出，无论是基模转换成二阶模还是二阶模转换成基模，器件的性能表现都非常优越。图6为所述模式转换器的实施例在1.5微米至1.6微米波段平均转换率跟波导宽度加工误差的关系，可以看到，在很大的加工误差范围下，模式的转换率都能维持一个比较高的水平。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。