CN102495448A

CN102495448A - 一种硅基三维叠加型光纤耦合结构

Info

Publication number: CN102495448A
Application number: CN2011104496587A
Authority: CN
Inventors: 孙小菡; 蒋卫锋; 许大信; 柏宁丰; 刘旭
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN102495448B

Abstract

本发明涉及一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其结构基于硅衬底，包括二维模斑转换器（1），周期性结构（2）和周期性结构（2）与脊波导组成的凹槽（3）构成。本发明一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，具有耦合效率高，耦合方法独特，突破现有的单纯纵向耦合的局限，从而实现高效的三维叠加耦合，可以广泛应用。

Description

一种硅基三维叠加型光纤耦合结构

技术领域

本发明涉及集成光电子器件技术领域，是一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，该耦合结构利用光纤和波导叠加的形式耦合，可以有效降低光纤和波导的耦合损耗。具有广泛应用于光通信以及平面光波光路互联的前景。

背景技术

随着硅基材料在集成光子学领域的不断发展，人们对硅光子器件也提出了更高的要求。硅基(SOI)波导结构具有对光的更好的约束作用，从而得到了广泛的应用。一般硅基光波导的尺寸大都在亚微米量级，折射率在3.5左右，然而标准的单模光纤的尺寸大都在8到10微米左右，折射率仅为1.45左右。如此大的尺寸和折射率差必然引入辐射模和背反射，给光纤和波导耦合带来巨大的耦合损耗。在实际应用中，标准的光纤跟亚微米尺寸的SOI波导直接纵向耦合的损耗大于10dB，从而给SOI波导器件的广泛应用带来一定困难。

目前的SOI光波导耦合方式大都是纵向型的直接对准耦合。耦合方法一般为楔形光波导耦合，光栅耦合，折射率渐变波导耦合等。实际应用最广泛的是楔形光波导耦合器。然而当波导尺寸为亚微米的时候，这种耦合器带来很大的耦合损耗。而且当这种耦合器和光纤连接的时候，需要精密的对准仪器，给耦合封装带来巨大成本。另一种采用光栅结构的耦合器，偏振无关，耦合损耗可以达到3dB以下，但是它的带宽却很低，不能满足光通信的要求。由此可见纵向耦合具有很大的局限性，从而限制了耦合效率的提高。

在此背景下我们发明了硅基三维叠加型光纤耦合结构，本发明采用叠加耦合的方式，使对准方式变得简单，耦合效率得到提高；突破了现有的单纯纵向型耦合的方法。

发明内容

技术问题：该发明提供一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，整个结构制作在硅基光波导器件上，由二维模斑转换器，周期性结构和其与脊波导组成的凹槽结构构成。和其他耦合器相比，具有耦合方式简单，耦合效率高，易于对准，可以使单模光纤和硅基光波导很好的耦合，可以广泛应用于平面光波光路的耦合封装中。

技术方案：本发明目的在于提供一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，整个结构制作在硅基光波导器件上，和其他耦合器相比，具有耦合方式简单，耦合效率高，易于对准，可以使单模光纤和硅基光波导很好的耦合，可以广泛应用于平面光波光路的耦合封装中。

本发明是一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其结构基于硅衬底，由二维模斑转换器，周期性结构和其与脊波导组成的凹槽结构构成。两侧的周期性结构可以对C波段的光通信光波有很好的横向约束能力，凹槽内的硅波导层可以和斜楔型光纤耦合，脊波导的脊端面可以和斜楔型光纤的端面耦合，二维的模斑转换器为可以将模斑半径从大尺寸转换为波导尺寸。这样可以最大限度的将通信光波耦合进波导内。

为了达到上述目的本发明的解决方案是：

一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其结构基于硅衬底，包括二维模斑转换器，周期性结构，及其与脊波导组成的凹槽。周期性结构为可以为光子带隙结构、布拉格波导结构；周期性结构可以很好的约束光通信的C波段，其折射率和硅的折射率相同；凹槽的深度可以变换以达到最大的耦合效率，本发明的凹槽深度为脊波导脊高；凹槽内平面为硅材料平面。

光场通过斜楔型光纤和硅基光波导进行耦合，其耦合包括：①凹槽内和硅层叠加的耦合；②斜楔型光纤和脊波导的端面耦合；而且周期结构可以很好的约束耦合波；这样可以将光波很好的耦合进波导，从而达到较高的耦合效率。

二维模斑转换器的结构为普通的模斑转换器，其器件参数如附图所示，光从大端进入，宽度为6um，从小端口出射，其直径为0.5um，总长度为100um。本发明对于TM模，二维模斑转换器的模式转换损耗低于0.5dB。

凹槽部分利用的是波导和斜楔型光纤的叠加耦合，根据仿真得到耦合长度，可以实现最大限度的耦合；在斜楔型光纤和脊波导的端面进行直接耦合，斜楔型光纤经过专门处理可以和脊波导端面高效耦合。对TM模来说，由仿真结果模场失配损耗仅为1.6dB。

可见本发明一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，具有耦合效率高，耦合方法独特，突破现有的单纯纵向耦合的局限，从而实现高效的三维叠加耦合，可以广泛应用等特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一种硅基三维叠加型光纤耦合结构示意图；

图2是二维模斑转换器示意图；

图3是脊波导结构示意图；

图4是斜楔型光纤结构示意图；

图5是斜楔型光纤和硅基波导耦合示意图；

图6是硅基三维叠加型光纤耦合结构模型；

图7是硅基三维叠加型光纤耦合结构传输模式；(a)输入端的模式图；(b)传输220um后的模式图；(c)传输300um后的模式图；(d)传输350um后的模式图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种硅基三维叠加型光纤耦合结构。

如附图1所示，本发明有以下3部分：二维模斑转换器，周期结构，及凹槽；而且周期性结构可以为光子带隙结构或者布拉格波导结构等等；图1所示为周期型结构为光子带隙结构的示意图。二维模斑转换器如附图2，折射率为硅的折射率3.5，大端宽度为6um，小端宽度为0.5um，总长度为100um；本发明应用于硅基光波导器件，且脊波导的结构示意图如附图3；本发明中H1为5um，h1为30nm，脊宽为0.5um；凹槽的上端面到衬底的高度即h1为30nm；本发明通过二维模斑转换器与光波导器件直接相连。

本发明中斜楔型光纤结构示意图如图4；斜楔型光纤是将普通单模光纤经过处理后得到的；其中D为普通单模光纤的包层直径125um，d为普通单模光纤的芯径8到10um；h即为硅基波导的脊高，L为耦合长度；本发明中的斜楔型光纤也就是将普通淡漠光纤削掉如图4所示的楔角得到。

图5为斜楔型光纤和硅基光波导耦合时的剖面图；其中各个符号对应于前面所述的符号；如图5所示，在使用时，将斜楔型光纤长度为L的耦合面直接搭在凹槽内；斜楔型光纤和凹槽内的硅层可以完成最大效率的耦合，将光场耦合进脊波导；在耦合的同时，本发明通过周期结构可以有效阻止辐射损耗；同时在斜楔型光纤的尾端面和脊波导的入射端面还可以进行直接耦合，这样可以将光场最大限度的耦合进光波导，从而大大提高耦合效率。

图6为硅基三维叠加型光纤耦合结构模型；对应于图1所示结构。

图7为硅基三维叠加型光纤耦合结构传输模式；(a)输入端的模式图；(b)传输220um后的模式图；(c)传输300um后的模式图；(d)传输350um后的模式图；从传输过程可以看出模式是变化的，在传输300um后模式趋于稳定，而且损耗非常小，小于0.45dB。可见本发明一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，具有耦合效率高，耦合方法独特，突破现有的单纯纵向耦合的局限，从而实现高效的三维叠加耦合。

Claims

1.一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其结构基于硅衬底，包括二维模斑转换器(1)，周期性结构(2)和周期性结构(2)与脊波导组成的凹槽(3)构成。

2.根据权利要求1所述的一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其特征在于周期性结构(2)为可以为光子带隙结构、布拉格波导结构；其折射率和硅的折射率相同。

3.根据权利要求1所述的一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其特征在于凹槽(3)深度为脊波导脊高；凹槽(3)内平面为硅材料平面。