CN104391354B - 一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构 - Google Patents

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Abstract

一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构，涉及光通信器件领域，包括倒锥耦合器、渐变波导和直波导，渐变波导的宽端与光纤对准，渐变波导的窄端与直波导的连接，倒锥耦合器设置于直波导内，渐变波导靠近光纤的部分包覆在第一匹配液中，渐变波导靠近倒锥耦合器的部分和直波导均包覆在第二匹配液中，渐变波导位于第一匹配液和第二匹配液之间的部分，全部包覆在过渡匹配液中，所述第一匹配液的折射率为n1，第二匹配液的折射率为n2，过渡匹配液的折射率为ni，且n2<ni<n1。本发明提高耦合效率，在不增加原有的芯片工艺的基础上，降低工艺复杂度，提高芯片成品率。

Description

一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，具体是一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构。
背景技术
光纤耦合是光集成器件封装中的一个重要问题。小波导截面使高折射率波导器件更为紧凑。然而，这也导致光纤和高折射率波导巨大的模场尺寸失配，从而导致高耦合损耗。
相比于拉锥光纤，标准光纤的光斑尺寸较大，价格便宜，是行业的首选。使用垂直光栅耦合器，是常用的光纤端面到高折射率光子芯片的耦合方案，这种方案有强烈的波长和偏振依赖性。使用倒锥形耦合器是另一种方案，这种方案避免了波长和偏振依赖性，光首先从光纤耦合到一个低折射率波导，然后从低折射率波导耦合到高折射率倒锥耦合器，其中低折射波导在光纤一端需要有较大的模场尺寸，在高折射率倒锥耦合器一段需要有较小的模场尺寸。
目前，低折射率波导在光纤端面一般采用加厚的膜层实现，如二级低折射率波导或聚合物波导，这些实现方式在制作芯片时需要增加额外的制作工艺，可能影响其他波导的性能，最终带来芯片良品率的降低。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构，提高耦合效率，在不增加原有的芯片工艺的基础上，降低工艺复杂度，提高芯片成品率。
为达到以上目的，本发明采取一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构，包括倒锥耦合器、渐变波导和直波导，渐变波导的宽端与光纤对准，渐变波导的窄端与直波导的一端连接，倒锥耦合器设置于直波导内，渐变波导靠近光纤的部分包覆在第一匹配液中，渐变波导靠近倒锥耦合器的部分和直波导均包覆在第二匹配液中，渐变波导位于第一匹配液和第二匹配液之间的部分，全部包覆在过渡匹配液中，所述渐变波导和直波导的折射率均为ng，第一匹配液的折射率为n1，第二匹配液的折射率为n2，过渡匹配液的折射率为ni，且1.4≤ng≤2.2，0.97ng≤n1≤ng，1≤n2≤0.98n1，n2<ni<n1。
在上述技术方案的基础上，所述渐变波导和直波导材料相同，均为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或环氧树脂聚合物。
在上述技术方案的基础上，所述渐变波导和直波导的材料为二氧化硅，第一匹配液的折射率n1为1.44，第二匹配液的折射率n2为1.38，过渡匹配液ni的折射率为1.42。
在上述技术方案的基础上，所述渐变波导的宽端和窄端均为方形波导口。
在上述技术方案的基础上，所述渐变波导宽端的宽度大于4微米、小于10微米，高度大于4微米、小于10微米。
在上述技术方案的基础上，所述渐变波导窄端的宽度与直波导的端口宽度相同，宽度为2微米至4微米，所述渐变波导窄端的高度大于4微米、小于10微米。
在上述技术方案的基础上，所述直波导与渐变波导连接处，到倒锥耦合器位于直波导内的端部之间的距离为2微米。
在上述技术方案的基础上，所述第一匹配液的长度为渐变波导长度的10％，第二匹配液的长度为直波导的长度加上渐变波导长度的50％到70％。
本发明的有益效果在于：渐变波导和直波导均为低折射率波导，倒锥耦合器为高折射率倒锥耦合器，在低折射率波导的不同区域采用不同折射率的匹配液，实现低折射率波导在不同区域的模场尺寸变化，提高耦合效率，不增加原有的芯片工艺，降低工艺复杂度，提高芯片成品率。
附图说明
图1为本发明光纤与高折射率波导之间的耦合结构的俯视图；
图2为本发明光纤与高折射率波导之间的耦合结构的侧视图；
图3为第一匹配液的折射率和光纤到渐变波导之间的耦合损耗的关系示意图；
图4为第二匹配液的折射率和渐变波导至倒锥耦合器之间的耦合损耗的关系示意图。
附图标记：
1-渐变波导，2-直波导，3-倒锥耦合器，4-第一匹配液，5-过渡匹配液，6-第二匹配液。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图3所示，本明发光纤与高折射率波导之间的耦合结构，包括渐变波导1、直波导2和倒锥耦合器3，渐变波导1包括宽端和窄端，宽端和窄端均为方形波导口，可以是由宽端到窄端呈楔形渐变形，但不限于此。渐变波导1的宽端与光纤对准，窄端与直波导的2一端连接，倒锥耦合器3设置于直波导2内部，倒锥耦合器3为高折射率倒锥耦合器。渐变波导1靠近光纤的部分包覆在第一匹配液4中，渐变波导1靠近倒锥耦合器3的部分和直波导2均包覆在第二匹配液6中，渐变波导1位于第一匹配液4和第二匹配液6之间的部分，全部包覆在过渡匹配液5中，第一批配液4、第二匹配液6和过渡匹配液5均为折射率匹配液。所述渐变波导1和直波导2的材料为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或环氧树脂聚合物。渐变波导1和直波导2均为低折射率波导，二者折射率均为ng，1.4≤ng≤2.2；第一匹配液4的折射率为n1，第二匹配液6的折射率为n2，过渡匹配液5的折射率为ni，0.97ng≤n1≤ng，1≤n2≤0.98n1，n2<ni<n1。
较为优选的，渐变波导1和直波导2的材料为二氧化硅(SiO2)，第一匹配液的折射率n1为1.44，第二匹配液的折射率n2为1.38，过渡匹配液ni的折射率为1.42。
所述渐变波导1宽端的宽度(如图1)大于4微米、小于10微米；高度(如图2)大于4微米、小于10微米。渐变波导1的窄端宽度与直波导2的端口宽度相同，宽度均为2微米至4微米，渐变波导1的窄端高度大于4微米、小于10微米。直波导2与渐变波导1的连接处，到倒锥耦合器3位于直波导内2的端部之间的距离为2微米。
较为优选的，为实现高的耦合效率，第一匹配液4的长度为渐变波导1长度的10％，第二匹配液6的长度为直波导2的长度加上渐变波导1长度的50％到70％，例如：为直波导2的长度加上渐变波导1长度的60％，所述过渡匹配液5覆盖渐变波导1其余的部分。
光从光纤最终进入倒锥耦合器3的过程如下：
光从光纤耦合进入渐变波导1，如图3所示，为第一匹配液4的折射率和光纤到渐变波导1之间的耦合损耗的关系示意图，第一匹配液4使渐变波导1靠近光纤的部分具有较大的模场尺寸，从而与光纤有低的耦合损耗。光进入渐变波导1后，模场随着渐变波导1宽度的变窄、折射率差的升高逐渐变窄，过渡匹配液5使得靠近光纤部分的模场与靠近倒锥耦合器3部分的模场过渡。第一匹配液6的折射率和渐变波导1至倒锥耦合器3之间的耦合损耗的关系如图4所示，第二匹配液6使渐变波导1靠近倒锥耦合器3的部分和低直波导2具有较小的模场尺寸，从而与倒锥耦合器3有较低的耦合损耗，光耦合进入倒锥耦合器3。
光从倒锥耦合器3最终进入光纤的过程如下：
光从倒锥耦合器3进入，第二匹配液6匹配液6使渐变波导1靠近倒锥耦合器3的部分和低直波导2具有较小的模场尺寸，从而与倒锥耦合器3有较低的耦合损耗。过渡匹配液5使得靠近倒锥耦合器3部分的模场向靠近光纤部分的模场过渡，模场随着渐变波导1宽度的变宽、折射率差的降低逐渐变宽，第一匹配液4使渐变波导1靠近光纤的部分具有较大的模场尺寸，从而与光纤有低的耦合损耗，由渐变波导的宽端耦合进入光纤。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构，包括倒锥耦合器、渐变波导和直波导，其特征在于：渐变波导的宽端与光纤对准，渐变波导的窄端与直波导的一端连接，倒锥耦合器设置于直波导内，渐变波导靠近光纤的部分包覆在第一匹配液中，渐变波导靠近倒锥耦合器的部分和直波导均包覆在第二匹配液中，渐变波导位于第一匹配液和第二匹配液之间的部分，全部包覆在过渡匹配液中，所述渐变波导和直波导的折射率均为ng，第一匹配液的折射率为n1，第二匹配液的折射率为n2，过渡匹配液的折射率为ni，且1.4≤ng≤2.2，0.97ng≤n1≤ng，1≤n2≤0.98n1，n2<ni<n1。
2.如权利要求1所述的光纤与高折射率波导之间的耦合结构，其特征在于：所述渐变波导和直波导材料相同，均为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或环氧树脂聚合物。
3.如权利要求1所述的光纤与高折射率波导之间的耦合结构，其特征在于：所述渐变波导和直波导的材料为二氧化硅，第一匹配液的折射率n1为1.44，第二匹配液的折射率n2为1.38，过渡匹配液ni的折射率为1.42。
4.如权利要求1所述的光纤与高折射率波导之间的耦合结构，其特征在于：所述渐变波导的宽端和窄端均为方形波导口。
5.如权利要求4所述的光纤与高折射率波导之间的耦合结构，其特征在于：所述渐变波导宽端的宽度大于4微米、小于10微米，高度大于4微米、小于10微米。
6.如权利要求4所述的光纤与高折射率波导之间的耦合结构，其特征在于：所述渐变波导窄端的宽度与直波导的端口宽度相同，宽度为2微米至4微米，所述渐变波导窄端的高度大于4微米、小于10微米。
7.如权利要求1所述的光纤与高折射率波导之间的耦合结构，其特征在于：所述直波导与渐变波导连接处，到倒锥耦合器位于直波导内的端部之间的距离为2微米。
8.如权利要求1所述的光纤与高折射率波导之间的耦合结构，其特征在于：所述第一匹配液的长度为渐变波导长度的10％，第二匹配液的长度为直波导的长度加上渐变波导长度的50％到70％。
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