CN107076928A - 用于耦合具有相异模场直径的波导的方法和相关设备、部件与系统 - Google Patents

用于耦合具有相异模场直径的波导的方法和相关设备、部件与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开用于耦合具有相异模场直径的波导的方法和相关设备、部件与系统。在一个实例中，波导耦合组件包括具有第一模的输入波导，和具有第一过渡波导区段、第二过渡波导区段和锥形区段的过渡波导。所述第一过渡波导区段具有第二模并且被设置成紧邻于所述输入波导，以使得在所述输入波导与所述第一过渡波导区段之间实现相位匹配条件，从而将所述输入波导迅衰地耦合至所述过渡波导的所述第一过渡波导区段。所述锥形区段光学地连接在所述第一过渡波导区段与所述第二过渡波导区段之间，以使得所述第一过渡波导区段的所述第二模由所述锥形区段转换至所述第二过渡波导区段的所述第三模。

Description

用于耦合具有相异模场直径的波导的方法和相关设备、部件 与系统
优先权申请
本申请根据35U.S.C§119要求2014年8月15日提交的美国临时申请序列号第62/037,747号的优先权权益，所述申请的内容是本申请的基础并且以全文引用方式并入本文中。
背景技术
当具有约10um的MFD的单模光纤必须连接至具有次波长横截面的高折射率波导(例如，0.2x0.5um Si线)时，具有极为相异的模场直径(MFD)的波导的耦合是光纤至芯片连接性的关键问题。当前的耦合解决方案包括例如由倒转锥体辅助的对接耦合、由衍射光栅辅助的垂直耦合；角抛光光栅辅助的耦合、对接耦合和迅衰耦合的组合、侧抛光光纤的光纤芯部和平面波导在单独基板上的迅衰耦合(侧抛光光纤和平面波导是分离的输入/输出端口)。这些方法的问题可包括有限的耦合效率(约1.5dB)和/或低的机械强度。
发明内容
实施方案包括耦合器设计，其中条带高折射率波导被制造在侧抛光光纤的包层的平坦表面上。通过适当地选择波导和光纤的参数，可在那些极为相异的波导之间实现强迅衰耦合，其中耦合效率的理论极限接近100％。高折射率波导借助于常规锥体连接至光学芯片。一件侧抛光光纤和芯片形成平面整体单元并具有高机械强度。
在这个实施方案中，在具有抛光包层的单模或少模光纤的芯部中传播的信号借助于迅衰耦合转变到在光纤包层的平坦表面上制造的高折射率波导。与对接耦合对比，有效耦合的条件不是就高模场重叠来说的模分布的相似性，而是相位匹配条件，即模的有效折射率的相等性。
具有相对大模场直径(MDF)的光纤芯部到具有小MFD的给定(预定义)波导(如光学芯片的高折射率波导)的耦合是在若干步骤中实现。第一步骤是来自输入波导的信号到沉积于侧抛光光纤包层的平坦表面上的辅助高折射率波导的迅衰同方向耦合；这种波导的横向尺寸被选择来以便满足相位匹配条件，并且长度被选择来实现最大耦合效率。为实现高的耦合效率，要符合装置的参数(几何参数、光波长和所有芯部和包层的折射率)之间的某一关系。在本发明ID中，我们确定了满足这些关系的参数的值。其他步骤用于将这个辅助波导连接至光学芯片上的波导。为有助于这些步骤，使用常规锥体。在所建议实施方案中的一个中，光纤的芯模可被耦合至辅助高折射率波导的非基模。在这种情况下，非基模通过迅衰耦合或如同绝热缩减(adiabatic tapering)的其他模转换技术而转换至基模。
所建议方法的优点如下：高耦合效率(<1.5dB耦合损耗，理论效率极限是100％)；较高机械强度；新功能的可能性：输入光纤的给定模到输出波导的选择性耦合(多路分解)；通过施加电场和/或机械应力对耦合进行电光和/或机械控制。
其他特征和优点将在以下的详述中阐述，并且在部分程度上，本领域的技术人员将根据所述描述而容易明白所述其他特征和优点，或通过实践如本文(包括以下的详述、权利要求书以及附图)所述的实施方案来认识所述其他特征和优点。
应理解，前述一般描述和以下详述提出了实施方案，并且意图提供用于理解本公开的本质和特性的概述或构架。附图被包括来提供进一步的理解，并被并入本说明书中而构成本说明书的一部分。附图例示各种实施方案，并与本说明书一起用于解释所公开概念的原理和操作。
附图说明
图1：根据一个实施方案的迅衰耦合器的示意图：W1-输入波导，例如，单模或少模光纤的芯部；W2-单模输出波导，例如，芯片上的条带高折射率单模波导。W2’-具有基模的有效折射率的辅助波导，所述有效折射率等于W1的输入模的有效折射率。波导W2’和W2由倒转锥体连接。
图2：根据另一实施方案的迅衰耦合器的示意图：W1-输入波导，例如，单模或少模光纤的芯部。W2-单模输出波导，例如，芯片上的条带高折射率波导。W2’-具有一阶或更高阶模的有效折射率的辅助波导，所述有效折射率等于W1的输入模的有效折射率。W2”-具有一阶或更高阶模的有效折射率的辅助波导，所述有效折射率等于W2的基模的有效折射率。波导W2’和W2”由倒转锥体连接。步骤1：W1的模到W2’的一阶或更高阶模的迅衰耦合；步骤2：W2’的一阶或更高阶模到W2”的模的转换，W2”的横截面的尺寸使得所转换模的有效折射率等于输出波导W2的基模的有效折射率；步骤3-W2”中引导的模到W2的基模的迅衰耦合。
图3：图1的实施方案的说明性实例(未按比例)。光纤的端部被胶合或熔合到二氧化硅板中的沟槽中，并且被抛光以便抛光包层的平坦表面变成二氧化硅板的表面的一部分，所述二氧化硅板用作波导基板。光纤轴平行于二氧化硅表面，并且确保了二氧化硅表面与光纤轴之间的预定义距离。光纤芯部、高折射率波导和芯片波导分别对应于图1中的波导W1、W1’和W2。所有系统被浸没在具有二氧化硅板的折射率的介质(包层)中。锥体可处于X和Y方向两者上。
图4：左上方：图1的实施方案的实例，其中高折射率波导的厚度h是恒定，但宽度减少。左下方：矩形波导的有效折射率随宽度W的减少而减小，并且对具有w x h＝160nm x200nm的硅肋来说，所述有效折射率匹配光纤的有效模折射率。右上方：矩形波导的模场分布(对称w.r.t.x＝0，仅针对x>0示出)，此时所述矩形波导与光纤(w x h＝160nm x 200nm)折射率匹配，并且此时所述矩形波导绝热缩减至Si光子波导(w x h＝400nm x 200nm)的较大横截面。右下角：对高折射率波导的宽度变化的耦合效率公差，其使用方程(4)与数字计算传播常数结合计算。
图5：在图1的实施方案中，对来自波导W1的光到波导W2’的基模的迅衰耦合的建模。以2D方式使用射束传播方法进行计算。W1的厚度是8□m，W1’的厚度是5.4nm，W1的折射率是1.455，周围介质(包层)的折射率＝1.450，W1’的折射率是3.40，波长是1.55□m。
图6：在图2的实施方案中，对来自波导W1的光到波导W2’的非基(奇)模的迅衰耦合的建模。以2D方式使用射束传播方法进行计算。W2’的厚度是297nm(常规Si波导)。
图7：在图2的实施方案中，波导W2”(左)与波导W2(右)的基模之间的迅衰耦合(模转换)的建模。以2D方式使用射束传播方法进行计算。W2”和W2的厚度分别是700nm和250nm。
图8：左方-随波导轴之间的间距而变化的计算耦合长度。右方-由波导长度与耦合长度的偏差所引起的耦合效率的下降，ncl＝1.45，n波导＝3.45，厚度<<宽度。
图9：针对0.3mm的耦合长度随波导厚度而变化的耦合效率。左方-TE偏振，右方-TM偏振。ncl＝1.45，n波导＝3.45，厚度<<宽度。相对公差ΔT/T≈13％。
图10：针对迅衰地耦合至高折射率条带波导的单模光纤评估耦合长度，横截面-420(宽度)x250(厚度)nm2。根据在相位匹配条件下(绿色线的交叉点)分散曲线(底部曲线图)的分裂来计算耦合长度。以3D方式使用MIT光子频带代码进行分散曲线的计算。
图11：左方：Si条带波导(500nm宽X250nm高)的基模的有效折射率对芯部折射率的值的依赖性。右方：针对0.12的Si分数，随次波长光栅的周期而变化的SWG复合介质的折射率。插图示出沉积于抛光光纤包层上的Si SWG结构的示意图，其中在恒定Si分数的情况下周期朝向条带Si波导区段减小。在光栅的顶部处使用折射率匹配介质。
具体实施方式
现在将详细参考实施方案，所述实施方案的实例例示在附图中，图中示出了一些实施方案而不是全部实施方案。的确，概念可以许多不同的形式体现并且在本文中不应解释为限制性的；实际上，这些实施方案被提供来以便本公开将满足可适用的法律要求。任何可能的情况下，相同的参考数字将用于指代同样的部件或部分。
与对接耦合和垂直耦合对比，在本公开所建议的方法中，波导是平行的(平面几何形状)。图1和图2中所示的输入波导W1可单模或少模的。W1具有相对大的MFD(对5-20μm的典型光纤芯部来说)和低折射率对比(10-2-10-3)。输出波导是具有相对小的横截面积和高折射率对比值的单模波导。对于芯片或光子集成电路上的典型半导体波导来说，横截面是0.25μm x 0.50μm，并且折射率对比值是约1-2。我们考虑迅衰耦合器的两个设计(图1和图2)。
在图1的实施方案中，输入波导(大MFD)的模被耦合至高折射率输出波导的基模。匹配模的传播常数可通过使用条带波导来实现，所述条带波导具有相当于光纤芯部的宽度和减少的厚度，如图3所示。替代地，输出波导的厚度可为恒定的，但宽度被减少来实现传播常数与光纤的传播常数的匹配(图4)。
在这种情况下，光纤可被胶合或熔合至折射率接近于光纤包层(例如SiO2)的折射率的平板(基板)，并且在此之后，所有系统可被抛光以便产生包括抛光光纤包层的一部分和板的一部分的平坦表面。高折射率层可沉积于这个平坦表面上，以便获得用于制造光学芯片的晶片。这种晶片已具有一件输入光纤并且与这个光纤形成整体单元。可使用标准平版印刷方法来在这个晶片上产生光学芯片。这个基板将包括高折射率波导，所述高折射率波导平行于光纤芯部。在图1中，这个波导被表示为W2’。
对具有200nm的标称恒定厚度的Si波导来说，我们从3D向量本征值问题的数值解发现，对约160nm的Si线宽度(图4)来说，基模的有效折射率与光纤模的有效折射率的匹配。通过Si波导的宽度变化的耦合效率公差的样品曲线也示出了相同的图，所述耦合效率公差使用下文讨论的方程(4)来计算。根据模重叠积分估算6μm中心到中心波导间隔的耦合长度为约450μm，在此之后，Si波导宽度可绝热地缩减至其400nm-500nm的最终值。
接着，我们考虑高折射率条带波导，其中厚度而非宽度被减少来实现模折射率匹配。到目前所进行的建模暗示：在图1的实施方案中，条带波导(图1中的W2’)的厚度相当小(从几纳米到几十纳米)，这对于低成本制造来说是有问题的。我们还要注意到，在图2的实施方案中，与图1的实施方案对比，输入波导(大MFD)的模被耦合至条带波导的非基模。在图2的实施方案中，波导W2’的厚度被发现为几百纳米，如针对光子芯片常规情况一样。然而，在图2的实施方案中，波导横向尺寸的相对公差低于图1的实施方案中的情况。
辅助波导W2’的横向尺寸(例如，厚度)被选择来以便波导W1和W1’的基模的有效折射率相等(相位匹配条件)。在这个条件下，根据耦合理论，迅衰耦合的效率是100％。如果矩形波导的厚度远小于其宽度，那么W2’的最佳厚度可被分析地估算为：
TTE和TTM分别是针对TE偏振和TM偏振来说W2’的最佳厚度，Δε≡(nco)2-(ncl)2，δn＝neff-ncl，nco和ncl分别是波导和周围介质的折射率，neff是导模的有效折射率并且λ0是波长。例如，对于δn＝5*10-3，ncl＝1.45，nco＝3.45，λ0＝1.55μm(光纤至芯片连接性的典型值)，Tte≈6.1nm，Ttm≈34.3nm。据我们所知，这种厚度可使用在绿光激光器项目中研发的内设能力(in-house capability)来实现。
耦合长度取决于波导之间的间距。对于薄波导(厚度远小于宽度)的情况，耦合长度Lc可根据耦合波理论计算为
这种依赖性的实例在图7中示出。
波导长度的公差：根据耦合波理论，耦合效率与波导W2’(图1和图2)的长度的关系如下
对z＝Lc来说，耦合效率是100％。根据方程(2)，根据引起效率下降1dB的这个最佳值的偏差Δz(z的公差)是0.3Lc。因此，对Lc,＝600μm来说，z的公差是180μm，这是相当高的。
波导之间的间距的公差：根据图7，可见：间距的公差大约为1μm。
波导的横截面的公差：波导厚度与最佳值的偏差引起对相位匹配条件的破坏，从而产生耦合效率的下降。根据耦合波理论，
其中T代表波导尺寸(厚度和/或宽度)，Δβ是传播常数差与共振值的偏差。针对扁平波导的计算结果在图9中示出。应注意，对纳米尺度厚度的波导来说，对其均匀性的要求不是严格的：可接受约13％的变化。
图10示出以2D形式评估光纤条带波导系统的耦合长度。
将光纤和Si波导模的传播常数匹配的另一方法是减少在迅衰耦合区域中Si波导芯部的折射率。这可通过将Si线波导微结构化来实现，以便具有有效材料折射率值，基模的有效材料折射率值与光纤的模折射率匹配。图11(左)示出针对标准尺寸的波导(500nm宽x250nm高)和Si光子优选偏振(平行于基板的场)来说，Si波导基模的有效折射率的改变，其中修改的Si波导芯部的材料折射率n芯部减少。对于n芯部<1.9折射率来说，修改的Si波导的有效折射率可等于SMF的有效折射率。
实际上，Si波导芯部折射率的减少可通过使用次波长光栅(SWG)结构来实现，所述次波长光栅结构是与其他Si光子芯片部件同时地以平版印刷方式界定。凭借SWG的光栅周期远小于波长，SWG充当具有由光栅的周期和占空比和由光栅材料的折射率值确定的有效折射率的材料。使用Si和光纤包层折射率匹配介质作为光栅部件，可工程设计出约1.6-3.5的折射率范围。SWG的周期和占空比可绝热地调整以便将模折射率从与迅衰耦合区域中SMF的模匹配的值改变到多达标准Si波导模的有效折射率。这种转变也可与SWG波导宽度的缩减结合实现，以便实现对迅衰耦合区域中的较宽Si波导宽度具有较大耦合系数的优点。
实现1.9的修改Si芯部折射率所需的SWG结构的周期可根据有效性介质理论，针对具有约60nm厚的Si段的SWG而估算为大约485nm，图11(右)。这个估算值构成下边界，因为光栅元件的有限高度有助于复合介质的折射率的总体减少，并且因此较厚Si段可导致针对给定周期的为1.9的芯部折射率。通过使用SWG并应用于光纤至芯片耦合而进行的折射率工程设计在本文所述的端对端耦合方法的情景中在实验上加以证明，其中还证实：Si光子SWG具有约2dB/cm的相对低的传播损耗。
图2的实施方案不同于图1的实施方案之处在于：输入波导(大MFD)的模被耦合至条带波导的非基模。在这种情况下，发现波导W2’(图2)的厚度是较大的(数百纳米，针对光子芯片的常规情况)。然而，在图2的实施方案中，波导横向尺寸的相对公差低于图1的实施方案中的情况。因此，对具有最佳宽度＝420nm并且最佳厚度＝250nm(图10)的波导来说，发现1dB下降的公差是约2nm。
实施方案所属领域的技术人员将想到本文中阐述的实施方案的许多修改以及其他实施方案，这些修改以及其他实施方案具有在前文描述和相关附图中呈现的教导的益处。例如，天线布置可包括所需的任何类型的天线，包括但不限于偶极、单极和隙缝天线。使用本文公开的天线布置的分布式天线系统可包括任何类型或数量的通信介质，包括但不限于电导体、光纤和空气(即，无线传输)。分布式天线系统可能分布，并且本文公开的天线布置可被配置来发射和接收任何类型的通信信号，包括但不限于RF通信信号和数字资料通信信号，所述信号的实例描述于以全文引用方式并入本文中的名称为“Providing DigitalData Services in Optical Fiber-based Distributed Radio Frequency(RF)Communications Systems,And Related Components and Methods”的美国专利申请序列号第12/892,424号中。如WDM和/或FDM的多路复用可用于本文描述的任何分布式天线系统中，如根据提供于美国专利申请序列号第12/892,424号中的实例。
因此，应理解的是，说明书和权利要求书并不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案意图包括在所附权利要求书的范围内。实施方案意图涵盖实施方案的修改和变化，只要所述修改和变化在所附权利要求书和其等效物的范围内即可。尽管本文采用了特定术语，但是这些术语仅在一般意义和描述性意义上使用而不是出于限制目的来使用。

Claims (22)

1.一种波导耦合组件，其包括：
输入波导，所述输入波导具有第一模；
过渡波导，所述过渡波导包括：
具有第二模的第一过渡波导区段，第一输出波导的所述第一过渡波导区段被设置成紧邻于所述输入波导，以使得在所述输入波导与所述第一过渡波导区段之间实现相位匹配条件，从而将所述输入波导迅衰地耦合至所述过渡波导的所述第一过渡波导区段；
第二过渡波导区段，所述第二过渡波导区段具有大于所述第一过渡波导区段的所述第二模的第三模；和
锥形区段，所述锥形区段光学地连接在所述第一过渡波导区段与所述第二过渡波导区段之间，以使得所述第一过渡波导区段的所述第二模由所述锥形区段转换至所述第二过渡波导区段的所述第三模。
2.如权利要求1所述的波导耦合组件，其中所述输入波导被设置在基板中。
3.如权利要求1所述的波导耦合组件，其中所述过渡波导被设置在基板中。
4.如权利要求1所述的波导耦合组件，其中所述输入波导的所述第一模是所述输入波导的基模，所述基模具有第一有效折射率；并且
所述第一过渡波导区段的所述第二模是所述第一过渡波导区段的基模，所述基模具有等于所述输入波导的所述基模的所述第一有效折射率的第二有效折射率。
5.如权利要求1所述的波导耦合组件，其中所述输入波导的所述第一模等于所述过渡波导的所述第二过渡波导区段的所述第三模。
6.如权利要求5所述的波导耦合组件，其中所述第一模是所述输入波导的基模；并且
所述第三模是所述过渡波导的所述第二过渡区段的基模。
7.如权利要求1所述的波导耦合组件，其进一步包括具有至少一个第四模的输出波导，所述输出波导被设置成紧邻于所述过渡波导的所述第二过渡区段，以使得在所述第二过渡波导区段与所述输出波导之间实现相位匹配条件，从而将所述过渡波导的所述第二过渡波导区段迅衰地耦合至所述输出波导。
8.如权利要求7所述的波导耦合组件，其中所述输出波导被设置在基板中。
9.如权利要求7所述的波导耦合组件，其中所述输入波导的所述第一模是所述输入波导的基模，所述基模具有第一有效折射率；
所述第一过渡波导区段的所述第二模是所述第一过渡波导区段的较高阶模，所述较高阶模具有等于所述输入波导的所述基模的所述第一有效折射率的第二有效折射率；
所述第二过渡波导区段的所述第三模具有第三有效折射率；并且
所述输出波导的所述第四模是所述输出波导的基模，所述基模具有等于所述第二过渡波导区段的所述第三模的所述第三有效折射率的第四有效折射率。
10.如权利要求7所述的波导耦合组件，其中所述输入波导的所述第一模等于所述输出波导的所述第四模。
11.如权利要求10所述的波导耦合组件，其中所述第一模是所述输入波导的基模；并且
所述第四模是所述输出波导的基模。
12.一种迅衰地耦合多个波导的方法，所述方法包括：
提供输入波导，所述输入波导具有第一模；
提供过渡波导，所述过渡波导包括：
第一过渡波导区段，所述第一过渡波导区段具有第二模，
第二过渡波导区段，所述第二过渡波导区段具有大于所述第一过渡波导区段的所述第二模的第三模；和
锥形区段，所述锥形区段光学地连接在所述第一过渡波导区段与所述第二过渡波导区段之间；和
将所述第一过渡波导设置成紧邻于所述输入波导，以使得在所述输入波导与所述第一过渡波导区段之间实现相位匹配条件，从而将所述输入波导迅衰地耦合至所述过渡波导的所述第一过渡波导区段。
13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述输入波导设置在基板中。
14.如权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述过渡波导设置在基板中。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述输入波导的所述第一模是所述输入波导的基模，所述基模具有第一有效折射率；并且
所述第一过渡波导区段的所述第二模是所述第一过渡波导区段的基模，所述基模具有等于所述输入波导的所述基模的所述第一有效折射率的第二有效折射率。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述输入波导的所述第一模等于所述过渡波导的所述第二过渡波导区段的所述第三模。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述第一模是所述输入波导的基模；并且
所述第三模是所述过渡波导的所述第二过渡区段的基模。
18.如权利要求12所述的方法，其进一步包括将具有至少一个第四模的输出波导设置成紧邻于所述过渡波导的所述第二过渡区段，以使得在所述第二过渡波导区段与所述输出波导之间实现相位匹配条件，从而将所述过渡波导的所述第二过渡波导区段迅衰地耦合至所述输出波导。
19.如权利要求18所述的方法，其进一步包括将所述输出波导设置在基板中。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述输入波导的所述第一模是所述输入波导的基模，所述基模具有第一有效折射率；
所述第一过渡波导区段的所述第二模是所述第一过渡波导区段的较高阶模，所述较高阶模具有等于所述输入波导的所述基模的所述第一有效折射率的第二有效折射率；
所述第二过渡波导区段的所述第三模具有第三有效折射率；并且
所述输出波导的所述第四模是所述输出波导的基模，所述基模具有等于所述第二过渡波导区段的所述第三模的所述第三有效折射率的第四有效折射率。
21.如权利要求18所述的方法，其中所述输入波导的所述第一模等于所述输出波导的所述第四模。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述第一模是所述输入波导的基模；并且
所述第四模是所述输出波导的基模。
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