CN101907754A - 一种用于半导体激光器的波导耦合器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于半导体激光器的波导耦合器芯片。耦合器芯片为一次掺杂光波导芯片；沿着Z方向，一次掺杂光波导芯片上的光波导由扩张段波导和收缩段波导顺次连接构成。本发明利用截面缓变的光波导的导波特性，通过逐步改变输出光束的发散角和模场尺寸，实现更高效率的耦合。本发明具有结构简单，设计灵活，易于装配等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元器件，具体地说涉及一种用于半导体激光器的波导耦合器芯片。
背景技术
在光纤通信系统中，发射源与光纤之间耦合，并把两者同轴封装，构成用量最大的电光转换器件，耦合效率是该电光转换器件的重要性能指标。半导体激光器是常用的发射源，由于端面发射半导体激光器输出的激光在垂直方向的发散角(通常约为30～40°，即图1所示X方向)与水平方向的发散角(通常约为6～10°，即图1所示Y方向)差别很大，与光纤的模场失配严重，因而直接耦合效率不高，通常的做法是，在端面发射半导体激光器的输出端和光纤之间放置准直/会聚装置(大多采用球透镜、非球面镜或自聚焦透镜)，将端面发射半导体激光器的输出光会聚到光纤，或由光纤接头定位的端面，实现激光器与光纤的耦合。图2所示的是一种典型的耦合方案，端面发射半导体激光器1的输出光经过柱透镜2准直之后，减小X方向的发散角，再经过凸透镜3聚焦进入光纤4。柱透镜2、凸透镜3是主要的耦合器件，端面发射半导体激光器1、柱透镜2、凸透镜3以及光纤4同轴。这种有透镜的同轴耦合，因为有透镜等多个分立的光学元件，其结构复杂而且成本高。
图3表示了一种采用K+/Ag+两次掺杂平面光波导芯片7实现端面发射半导体激光器与光纤耦合的方案，K+/Ag+两次掺杂平面光波导芯片7上的光波导包括两部分，Ag+掺杂波导5和K+掺杂波导6。端面发射半导体激光器1的输出光以端面耦合的方式进入Ag+掺杂波导5，在Ag+掺杂波导5尾端通过锥形区过渡到K+掺杂波导6中，K+掺杂波导以端面耦合的方式与光纤4连接。端面发射半导体激光器1、Ag+掺杂波导5、K+掺杂波导6以及光纤4同轴，Ag+掺杂波导5的尺寸与端面发射半导体激光器1的尺寸匹配，K+掺杂波导6的尺寸与光纤4的芯层尺寸匹配。这种利用波导结构的耦合器，减小了分立元件带来的对准的复杂性。但一方面K+/Ag+两次掺杂平面光波导芯片7制作复杂，另一方面端面发射半导体激光器1的X方向发散角过大，其输出光场与Ag+掺杂波导5匹配程度不高，限制了耦合效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于半导体激光器的波导耦合器芯片，是用于提高端面发射半导体激光器与光纤耦合效率的波导耦合器件。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
耦合器芯片为一次掺杂光波导芯片；沿着Z方向，一次掺杂光波导芯片上的光波导由扩张段波导和收缩段波导顺次连接构成。
所述的扩张段波导输入端宽度，即在X方向上的尺寸与端面发射半导体激光器的尺寸相匹配；扩张段波导轮廓线斜率起始端与光束经折射后的X方向发散角正切值相等；扩张段波导轮廓线斜率沿着Z方向缓慢变小，在末端减小至零。
所述的收缩段波导的轮廓线为连续收缩曲线，起始端宽度与扩张段波导末端宽度一致，收缩段波导末端宽度与光纤芯层相匹配。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用截面缓变的光波导的导波特性，通过逐步改变输出光束的发散角和模场尺寸，实现更高效率的耦合。本发明具有结构简单，设计灵活，易于装配等特点。
附图说明
图1是端面发射半导体激光器的输出光束。
图2是现有的基于分立透镜的端面发射半导体激光器光纤耦合技术方案。
图3是现有的采用K+/Ag+两次掺杂平面光波导芯片的端面发射半导体激光器光纤耦合器件示意图。
图4是本发明的端面发射半导体激光器通过一次掺杂光波导芯片与光纤耦合的示意图。
图中：1、端面发射半导体激光器；2、柱透镜；3、凸透镜；4、光纤；5、Ag+掺杂波导；6、K+掺杂波导；7、K+/Ag+两次掺杂平面光波导芯片；8、一次掺杂光波导芯片；9、扩张段波导；10、收缩段波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图4所示，本发明通过一次掺杂光波导芯片8实现端面发射半导体激光器1与光纤4的耦合。
其中一次掺杂光波导芯片8上的光波导在Y方向上的尺寸与光纤4的尺寸匹配。沿着Z方向，一次掺杂光波导芯片8上的光波导由扩张段波导9和收缩段波导10顺次连接构成。扩张段波导9输入端宽度(在X方向上的尺寸)与端面发射半导体激光器1的尺寸相匹配；扩张段波导9轮廓线斜率起始端与光束经折射后的X方向发散角正切值相等；扩张段波导9轮廓线斜率沿着Z方向缓慢变小，在末端减小至零。收缩段波导10的轮廓线为连续收缩曲线，起始端宽度与扩张段波导9末端宽度一致。收缩段波导10末端宽度与光纤4芯层相匹配。
图4表示了这种光波导芯片用于端面发射半导体激光器1和光纤4的耦合结构。从端面发射半导体激光器1发出的光进入一次掺杂光波导芯片8，扩张段波导9起始端在几何形状上与端面发射半导体激光器1的输出光在X方向上的发散角相匹配，所以一次掺杂光波导芯片8与端面发射半导体激光器1有较高的耦合效率。端面发射半导体激光器1的输出光经过扩张段波导9逐步减小发散角，再进入收缩段波导10，逐步收缩模场尺寸至与光纤4的芯层尺寸相匹配，再以端面耦合的方式进入光纤4，实现端面发射半导体激光器1与光纤4的耦合。
一次掺杂光波导芯片8采用离子交换技术在玻璃基上制作而成。
具体制作过程如下：
(1)准备圆形双面抛光玻璃基片。基片直径50～100mm，厚度1.0～2.0mm，所用材料为BK7玻璃。
(2)掩膜板的设计与制作。掩膜板版图结构：扩张段波导9入口处波导宽度2μm，始端倾斜角13°，扩张段波导9末端宽度100μm；收缩段波导10采用锥形结构，始端宽度100μm，末端宽度8μm，锥形区波导的收缩速度1/100。
(3)掩膜制作。用标准的微细加工工艺在玻璃基片上制作铝掩膜，掩膜厚度200nm～1000nm。
(4)离子交换。离子交换熔盐成分为NaNO3和AgNO3的混合物(AgNO3含量1wt％)；交换温度为400℃，交换时间为2小时，交换后自然冷却。
(5)玻璃基片的清洗，划片，断面研磨、抛光，获得耦合器芯片。
(6)耦合器芯片与端面发射半导体激光器1和光纤的装配。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于半导体激光器的波导耦合器芯片，其特征在于：耦合器芯片为一次掺杂光波导芯片(8)；沿着Z方向，一次掺杂光波导芯片(8)上的光波导由扩张段波导(9)和收缩段波导(10)顺次连接构成。
2.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器的波导耦合器芯片，其特征在于：所述的扩张段波导(9)输入端宽度，即在X方向上的尺寸与端面发射半导体激光器(1)的尺寸相匹配；扩张段波导(9)轮廓线斜率起始端与光束经折射后的X方向发散角正切值相等；扩张段波导(9)轮廓线斜率沿着Z方向缓慢变小，在末端减小至零。
3.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器的波导耦合器芯片，其特征在于：所述的收缩段波导(10)的轮廓线为连续收缩曲线，起始端宽度与扩张段波导(9)末端宽度一致，收缩段波导(10)末端宽度与光纤(4)芯层相匹配。
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