CN107765364A - 一种光斑转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光斑转换器，用以解决现有技术中双芯光斑转换器中采用倒楔形波导以及大尺寸第二芯导致损耗大的问题，该光斑转换器，包括：第一芯以及第二芯；第一芯包括：常规波导和倒楔形波导，倒楔形波导包括：缓变部分以及过渡部分，过渡部分与常规波导相接，缓变部分的宽度变化率小于过渡部分的宽度变化率，宽度变化率为一段波导两端的宽度差与该段波导长度的比值，该方案使得倒楔形波导与大尺寸第二芯结合，整体降低了器件损耗，均衡了器件偏振相关损耗。

Description

一种光斑转换器
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种光斑转换器。
背景技术
硅光芯片与光纤的耦合非常重要，常见的耦合方式包括垂直耦合(verticalcoupling)和边缘耦合(edge coupling)。垂直耦合也即光栅耦合，具有容易加工、损耗大、带宽受限等特点；边缘耦合也叫水平耦合，采用光斑转换器(spot size converter，简称SSC)实现小尺寸硅波导(500nm×200nm)和大尺寸光纤(模场直径约10μm)之间的耦合，具有损耗小、偏振无关、工作带宽大、加工难度大等特点。
光斑转换器通常基于倒楔形(inverse部分)波导实现，然后在上面生长一层比二氧化硅折射率略大的材料实现过渡，横截面尺寸大约是3μm×3μm，再匹配光斑束腰直径大约3μm的透镜光纤就可以实现硅光芯片和单模光纤的耦合。该种方法也叫双芯(doublecore，或者叫overlay)光斑转换器，第一芯为倒楔形波导，第二芯为聚合物波导。采用双芯结构的光斑转换器降低了和外接光纤的对准难度，为实现低损耗耦合，线性倒楔形波导(inverse部分)的窄端(tip)往往要求小于100nm，加工时难度较大，需要采用特征尺寸小于100nm的光刻工艺，或者采用双图案(double patterning)光刻技术。光器件与光纤的耦合加工往往期望放松器件与光纤对准误差，可行的办法是增加第二芯的尺寸，例如，将第二芯增加至5μm×5μm，但在这种情况下，往往导致横电场(Transverse Electric，TE)信号和横磁场(Transverse Magnetic，TM)信号的偏振相关损耗差异较大，即使设计更小宽度的窄端，也收效甚微。现有双芯方案中倒楔形波导为线性渐变形状，适合小尺寸第二芯，这样具有损耗小、偏振相关损耗也较小优势，但不适合大尺寸第二芯，大尺寸第二芯会导致损耗大，偏振相关损耗也较大的问题，如何优化结构，提升性能已成为大尺寸第二芯双芯结构光斑转换器实用化迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种光斑转换器，用以解决现有技术中双芯光斑转换器中采用倒楔形波导以及大尺寸第二芯导致损耗大的问题。
本发明提供了一种光斑转换器，该光斑转换器包括：第一芯以及第二芯；第一芯包括：常规波导和倒楔形波导，倒楔形波导包括：缓变部分以及过渡部分，过渡部分与常规波导相接，缓变部分与过渡部分相接，缓变部分的宽度变化率小于过渡部分的宽度变化率，宽度变化率为一段波导两端的宽度差与该段波导长度的比值。
可选的，缓变部分的长度大于过渡部分的长度。
可选的，缓变部分的长度至少为过渡部分的长度的二倍。
可选的，倒楔形波导总长为400μm或600μm。
可选的，缓变部分的长度为320μm，过渡部分的长度为80μm。
可选的，缓变部分窄端的宽度为90nm，过渡部分的窄端宽度为220nm。
可选的，第二芯的尺寸为5μm×5μm。
可选的，缓变部分的窄端宽度为90nm，过渡部分包括第一过渡部分以及第二过渡部分，第一过渡部分窄端的宽度为200nm，第二过渡部分窄端的宽度为300nm，过渡部分中的宽度200nm至290nm的长度为100μm，过渡部分中的宽度290nm至500nm的长度为50μm。
可选的，缓变部分的长度为450μm，过渡部分的总长度为150μm。
可选的，第二芯的尺寸为7μm×7μm。本发明有益效果如下：
本实施例提供的方案通过改进倒楔形波导的形状，使得倒楔形波导与大尺寸第二芯结合，整体降低了器件损耗，均衡了器件偏振的相关损耗。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的光斑转换器的结构示意图；
图2是本发明第二实施例提供的获取倒楔形波导的参数的方法的流程图；
图3是本发明第三实施例提供的光斑转换器的仿真性能曲线图；
图4是本发明第三实施例对比方案1中涉及到的器件的损耗性能曲线图；
图5是本发明第三实施例对比方案2中涉及到的器件的损耗性能曲线图；
图6是本发明第四实施例提供的光斑转换器的仿真性能曲线图。
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作出创造性劳动的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。
第一实施例
本实施例提供了一种光斑转换器，图1是该转换器的结构示意图，如图1所示，该转换器包括：
第一芯101以及第二芯102；
其中，第一芯101包括：常规波导1011和倒楔形波导，倒楔形波导包括：缓变部分1013以及过渡部分1012，过渡部分1012与常规波导相接1011，缓变部分1013的宽度变化率小于过渡部分1012的宽度变化率，其中，宽度变化率为一段波导两端的宽度差与该段波导长度的比值，如图1所示，其中tip1以及tip2为过渡部分的窄端以及缓变部分的窄端，优选的，在本实施例中，缓变部分的长度大于过渡部分的长度，进一步的，缓变部分的长度至少为过渡部分的长度的二倍，优选的，缓变部分的长度可以为320μm，过渡部分的长度可以为80μm，则倒楔形波导的总长度为400μm，其中，缓变部分窄端的宽度可以为90nm，过渡部分的窄端宽度可以为220nm，在此基础上，本实施例提供的光斑转换器可以采用较大尺寸的第二芯，优选的，第二芯的尺寸可以为5μm×5μm。
此外，缓变部分的长度也可以为450μm，过渡部分的总长度为150μm，缓变部分的窄端宽度为90nm，过渡部分包括第一过渡部分以及第二过渡部分，第一过渡部分窄端的宽度为200nm，第二过渡部分窄端的宽度为300nm，过渡部分中的宽度200nm至290nm的长度为100μm，过渡部分中的宽度290nm至500nm的长度为50μm，在此基础上，本实施例提供的光斑转换器可以采用较大尺寸的第二芯，优选的，第二芯的尺寸可以为7μm×7μm。如图1所示，第二芯102覆盖在第一芯101的上面以及侧面，其材料的折射率略大于二氧化硅的折射率，本实施例提供的光斑转换器的双芯结构的下面是硅光芯片常见的二氧化硅(SiO2)埋氧层(BOX)及硅基底(Si Substrate)，双芯结构的上面是硅光芯片的二氧化硅覆盖层(Cladding)。
基于本实施例的光斑转换器的结构，当光信号从外部光纤输入时，从光纤重叠耦合进第二芯102，先后耦合进缓变部分和过渡部分，最后进入常规波导。当光信号从常规波导1011输入时，光从常规波导1011耦合到第二芯102，然后从第二芯102重叠耦合进外部光纤。
第二实施例
本实施例对倒楔形波导参数的获取方法进行说明，如图2所示，该方法包括以下处理：
步骤201：输入第二芯的结构(尺寸)及材料参数。
步骤202：设计倒楔形缓变部分和过渡部分的参数。其中，缓变部分长度大于过渡部分的长度，且缓变部分的波导宽度的变化较过渡部分宽度的变化更加平缓。
步骤203：判断仿真器件损耗是否达到预期(最小)，如果否，则重复步骤202。
在本实施例中，倒楔形波导各参数的确定方法是利用成熟的搜索算法获得多个参数的优化值的过程，算法的目标是寻找TE损耗和TM损耗最低情况且保证偏振相关损耗最小情况下对应的优化值。
第三实施例
本实施例提供的光斑转换器为双芯结构，第一芯材料为硅(Si)，包括常规波导和倒楔形波导，其中，倒楔形波导又分为缓变部分，过渡部分两部分。第二芯采用SiON(氮氧化硅)材料，尺寸为5μm×5μm，折射率略大于SiO2折射率(约1.444)即可，本实施例优选采用折射率为1.55，在进行仿真验证时可以选择折射率从1.5至1.6。
波导采用220纳米高度的硅(Si)，埋氧层采用3μm的二氧化硅(SiO2)，覆盖层缺省为2μm的SiO2。
可以按照上述第二实施例的方法获得如下优化参数：缓变部分长度为320μm，缓变部分窄端tip1宽度为90nm。过渡部分长度为80μm，过渡部分窄端tip2宽度为220nm。在这些特定参数下，光斑转换器的损耗性能达到最优。在设计搜索优化算法时，有三个未知数：缓变部分长度，tip1宽度，tip2宽度，因为总长度已知，故过渡部分长度为已知，其中，常规波导宽度为500nm。缓变部分的窄端tip1与第二芯与光纤相接端面之间的典型距离为3μm，其他同数量级的数值亦可。
图3给出了该实施例的仿真性能，横坐标为倒楔形波导的长度，即缓变部分和过渡部分长度之和，纵坐标为第一芯和第二芯之间的耦合损耗。当部分长度为400μm时，TE模和TM的损耗均优于-0.2dB。如果考虑透镜光纤与第二芯的损耗，该损耗最优大约为-0.35dB，则总损耗约为-0.5dB。
以下考察两种传统方案下的双芯光斑转换器性能，和本实施例的光斑转换器的性能进行比较。
对比方案1：第二芯尺寸为5μm×5μm，折射率为1.55。第一芯采用线性部分，部分窄端tip宽度为90nm。第一芯和第二芯之间的损耗性能随部分长度的变化趋势见图4。当部分长度为400μm时，TM损耗为-0.2dB，TE损耗为-1.2dB，偏振相关损耗达1dB；
对比方案2：在上面参数基础上，将部分窄端tip宽度进一步缩小到30nm，第一芯和第二芯之间的损耗性能见图5。当部分长度为400μm时，TM损耗为-0.7dB，TE损耗为-1.5dB，偏振相关损耗达0.8dB。
从上可以看出，传统线性部分方案在大尺寸双芯结构下的性能相对较差，部分即使设计成非常窄的窄端，也不能获得较好的损耗性能，相比之下，本实施例提供的双芯光斑转换器即使在大尺寸的双芯结构下性能较优，能够获得较好的损耗性能。
第四实施例
本实施例提供的光斑转换器为双芯结构，第一芯材料为硅(Si)，包括常规波导和倒楔形波导，其中，倒楔形波导分为缓变部分以及过渡部分两部分。第二芯采用SiON(氮氧化硅)材料，尺寸为7μm×7μm，折射率略大于SiO2折射率(约1.444)即可，本实施例采用折射率为1.55仿真时验证折射率的选择范围可以为1.5～1.6。
波导采用220纳米高度的硅(Si)，埋氧层采用3μm的二氧化硅(SiO2)，覆盖层缺省为2μm的SiO2，此为硅光平台技术领域典型参数。
可以按照上述第二实施例的方法获得如下优化参数：缓变部分长度为450μm，缓变部分窄端tip1宽度为90nm。过渡部分总长度为150μm，过渡部分又分为两部分，过渡部分的tip2宽度为200nm，过渡部分的tip3宽度为300nm，过渡部分中200nm到290nm的长度L1为100μm，290nm到500nm的长度L2为50μm。在这些特定参数下，光斑转换器的损耗性能达到最优。在设计搜索优化算法时，有五个未知数需要确定：缓变部分长度，tip1宽度，过渡部分的tip2宽度，tip3宽度，和长度L1。因为总长度已知，故长度L2为已知，常规波导宽度为500nm，缓变部分的窄端tip1与第二芯与光纤相接端面之间的典型距离为3μm，其他同数量级的数值亦可。如图6所示，倒楔形波导总长为600μm，器件TE和TM损耗均优于-0.3dB。
本实施例提供的方案通过改进倒楔形波导的形状，整体降低了器件损耗，均衡了器件偏振相关损耗，结合大尺寸的第二芯极大的提高了器件的实用化水平。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种光斑转换器，其特征在于，包括：
第一芯以及第二芯；
所述第一芯包括：常规波导和倒楔形波导，所述倒楔形波导包括：缓变部分以及过渡部分，所述过渡部分与所述常规波导相接，所述缓变部分与所述过渡部分相接，所述缓变部分的宽度变化率小于所述过渡部分的宽度变化率，所述宽度变化率为一段波导两端的宽度差与该段波导长度的比值。
2.根据权利要求1所述的转换器，所述缓变部分的长度大于所述过渡部分的长度。
3.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述缓变部分的长度至少为所述过渡部分的长度的二倍。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的转换器，其特征在于，所述倒楔形波导总长为400μm或600μm。
5.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述缓变部分的长度为320μm，所述过渡部分的长度为80μm。
6.根据权利要求5所述的转换器，所述缓变部分窄端的宽度为90nm，所述过渡部分的窄端宽度为220nm。
7.根据权利要求5或6所述的转换器，其特征在于，所述第二芯的尺寸为5μm×5μm。
8.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述缓变部分的窄端宽度为90nm，所述过渡部分包括第一过渡部分以及第二过渡部分，所述第一过渡部分窄端的宽度为200nm，所述第二过渡部分窄端的宽度为300nm，所述过渡部分中的宽度200nm至290nm的长度为100μm，所述过渡部分中的宽度290nm至500nm的长度为50μm。
9.根据权利要求1或8所述的转换器，其特征在于，所述缓变部分的长度为450μm，所述过渡部分的总长度为150μm。
10.根据权利要求9所述的转换器，其特征在于，所述第二芯的尺寸为7μm×7μm。
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