CN107942442A - 一种耦合器及光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种耦合器及光模块，涉及光通信领域。本发明实施例提供一种耦合器，包括分别位于传输波导两侧的第一耦合波导及第二耦合波导；第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；传输波导自进光端向出光端逐渐变宽；传输波导的进光端位于第一耦合波导出光端与第二耦合波导出光端之间。耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄，耦合波导逐渐变化的过程中发生了折射率的改变，传输波导的进光端位于第一耦合波导出光端与第二耦合波导出光端之间，耦合波导的模斑在出光端逐渐变大，增加了与传输波导进光端模斑重合的面积，提高了耦合进传输波导的效率。

Description

一种耦合器及光模块
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种耦合器及光模块。
背景技术
光通信以光作为信息传输载体，光在传输过程中的损耗直接影响了传输距离以及接收信息的质量。
传光介质之间具有不同的截面尺寸，不同的截面尺寸具有不同的模斑，不同模斑之间的光传输会产生极大的光损耗。具体地，采用平面光波导工艺制作的光波导具有不同的截面尺寸，包括光波导的高度不同和/或宽度不同。为了减小光在不同尺寸的光波导中传输的损耗，需要使用耦合器连接不同的尺寸的光波导。
图1为本发明对比技术提供的一种耦合器。如图1所示，对比技术采用平面光波导工艺制作，由于采用生长刻蚀技术，光波导的高度基本保持一致，而光波导的宽度可以不同。对比技术中，耦合器由进光端A向出光端B宽度逐渐变宽，小的截面A尺寸具有大的模斑，而大的截面尺寸B具有小的模斑，由于耦合器的进光端B较出光端A小，所以可以接收大模斑的光，而耦合器的出光端模斑较小，可以将光传入小模斑的传光介质中，从而实现了大模斑介质与小模斑介质之间的光传输。通过耦合器的宽度渐变设计，使得光在偶合器中渐变地完成模斑的变化，避免了剧烈模斑变化产生的光损耗。
然而，现实中对比技术提供的耦合器，耦合器的进光端A制作成足够小的尺寸非常困难，难以匹配很多大模斑的场景，导致光在进入耦合器时发生了剧烈的模斑变化，造成较大的光损耗。
发明内容
本发明实施例提供一种耦合器及光模块，在提高了耦合器匹配大模斑的能力的同时，减小光损耗。
为了实现上述发明目的，本发明实施例采用如下技术方案：
本发明实施例一方面提供一种耦合器，包括传输波导、分别位于传输波导两侧的第一耦合波导及第二耦合波导；
第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
传输波导自进光端向出光端逐渐变宽；
传输波导的进光端位于第一耦合波导出光端与第二耦合波导出光端之间。
本发明实施例另一方面还提供一种耦合器，包括传输波导、分别位于传输波导两侧的第一耦合波导及第二耦合波导；
传输波导自进光端向出光端逐渐变窄；
第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
传输波导的出光端位于第一耦合波导进光端与第二耦合波导进光端之间。
本发明实施例还提供一种光模块，包括上述耦合器。
由于光路是可逆的，以下有益效果以本发明实施例一方面提供的一种耦合器为例进行说明说明：
由耦合波导的进光端接收大模斑的光，两个耦合波导的进光端相叠加，提高了耦合器匹配大模斑的能力；
耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄，耦合波导逐渐变化的过程中发生了折射率的改变，使得耦合波导的光可以脱离耦合波导；
传输波导的进光端位于第一耦合波导出光端与第二耦合波导出光端之间，使得脱离耦合波导的光进入传输波导的进光端；
耦合波导的模斑在出光端逐渐变大，增加了与传输波导进光端模斑重合的面积，提高了耦合进传输波导的效率；
传输波导自进光端向出光端逐渐变宽，在进光端处的大模斑利于耦合来自耦合波导的光，在渐变过程中模斑逐渐变小以便与外部连接；
采用上述耦合器方案的光模块，在光耦合中可以匹配更大的模斑，同时减小了光损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明对比技术提供的一种耦合器；
图2为本发明实施例提供的光耦合器爆炸图；
图3为图2所示耦合器波导的俯视图；
图4为本发明实施例耦合器波导结构示意图；
图5为本发明实施例耦合器另一波导结构示意图。
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。
平面光波导工艺采用在衬底上按层生长不同材料、刻蚀成形状的方式制作光波导。这种工艺制作的光波导，其宽度方向可以制作成各种尺寸，但高度方向一般相同，宽度方向的尺寸变化直接影响截面尺寸的变化。
图1为本发明对比技术提供的一种耦合器。如图1所示，对比技术采用平面光波导工艺制作，耦合器由进光端A向出光端B宽度逐渐变宽，则耦合器的截面尺寸由进光端A向出光端B逐渐变大，小的截面尺寸具有大的模斑，而大的截面尺寸具有小的模斑，由于耦合器的进光端较出光端小，所以可以接收大模斑的光，而耦合器的出光端模斑较小，可以将光传入小模斑的传光介质中，从而实现了大模斑介质与小模斑介质之间的光传输。通过耦合器的宽度渐变设计，使得光在偶合器中渐变地完成模斑的变化，避免了剧烈模斑变化产生的光损耗。
然而，耦合器进光端A的尺寸在实践中不能做到无限的小，所以其耦合大模斑光的能力有限，本案发明人针对对比技术无法耦合的大模斑光提出了改进方案：对光的耦合可以采用叠加的方式进行，两个端面比一个端面可以耦合更大的模斑。
对应技术方案中，设置两个耦合波导，由两个耦合波导的进光端去耦合光。
然而，两个端面耦合光时，光被分别耦合成多束，而耦合器最终输出的是一束光，所以这种数量叠加并不能实现耦合器原有的目的。
对此，本案发明人进一步修改设计方案，将进入耦合波导的光合并为一束光。对应技术方案中，设置传输波导，目的为将两个耦合波导的光输入同一个传输波导。
本发明实施例一方面提供一种耦合器，包括传输波导、分别位于传输波导两侧的第一耦合波导及第二耦合波导；
第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
传输波导自进光端向出光端逐渐变宽；
传输波导的进光端位于第一耦合波导出光端与第二耦合波导出光端之间。
由耦合波导的进光端接收大模斑的光，两个耦合波导的进光端相叠加，提高了耦合器匹配大模斑的能力；
耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄，耦合波导逐渐变化的过程中发生了折射率的改变，使得耦合波导的光可以脱离耦合波导；
传输波导的进光端位于第一耦合波导出光端与第二耦合波导出光端之间，使得脱离耦合波导的光进入传输波导的进光端；
耦合波导的模斑在出光端逐渐变大，增加了与传输波导进光端模斑重合的面积，提高了耦合进传输波导的效率；
传输波导自进光端向出光端逐渐变宽，在进光端处的大模斑利于耦合来自耦合波导的光，在渐变过程中模斑逐渐变小以便与外部连接；
采用上述耦合器方案的光模块，在光耦合中可以匹配更大的模斑，同时减小了光损耗。
本发明实施例另一方面还提供一种耦合器，包括传输波导、分别位于传输波导两侧的第一耦合波导及第二耦合波导；
传输波导自进光端向出光端逐渐变窄；
第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
传输波导的出光端位于第一耦合波导进光端与第二耦合波导进光端之间。
传输波导自进光端向出光端逐渐变窄，传输波导的折射率逐渐变化，光从传输波导射出，在出光端模斑最大；
第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
传输波导的出光端位于第一耦合波导进光端与第二耦合波导进光端之间，耦合波导的进光端模斑最大，增加了与传输波导出光端模斑重合的面积，增加了光耦合的效率；
耦合波导的模斑在出光端逐渐变大，增加了与传输波导进光端模斑重合的面积，提高了耦合进传输波导的效率；
耦合波导逐渐变宽然后逐渐变窄，折射率的变化使得光脱离耦合波导，耦合波导的出光端具有大模斑，便于出射大模斑的光。
本发明实施例还提供一种光模块，包括上述耦合器。
由于光是可逆的，以下实施例主要以光从耦合波导传至传输波导为例，描述耦合器的技术特征及有益效果，根据以下描述，光从传输波导传至耦合波导的技术特征与有益效果是容易想到的。
图2为本发明实施例提供的光耦合器爆炸图。如图2所示，在衬底101的表面设置传输波导202、第一耦合波导201及第二耦合波导203，波导与衬底是不同的材质，具有不同的折射率。
具体地，第一耦合波导201与第二耦合波导203对称设置在传输波导两侧。第一耦合波导201与第二耦合波导203具有相同的形状和尺寸，耦合波导对称设置在传输波导两侧，可以同时耦合光，利于减少光耦合过程中的能量损耗。这种对称设计与光的传播方向无关，无论光从耦合波导传至传输波导，还是光从传输波导传至耦合波导，都具有上述有益效果。
图3为图2所示耦合器波导的俯视图。如图3所示，耦合器包括第一耦合波导及第二耦合波导，第一耦合波导自进光端201A向出光端201B先逐渐变宽然后逐渐变窄，第二耦合波导自进光端203A向出光端203B先逐渐变宽然后逐渐变窄；传输波导自进光端202A向出光端202B逐渐变宽。
传输波导的进光端202A位于第一耦合波导的出光端201B及第二耦合波导的出光端203B之间。
耦合波导的出光端与传输波导的进光端进行光的耦合，而耦合波导的进光端用于接收光，具体地，201A传来的光在201B处与202A耦合，203A传来的光在203B处与202A耦合。
具体地，参与耦合的每个耦合波导，其宽度由进光端向出光端逐渐变大，然后再逐渐变小，形成中间宽两段窄的结构，渐变设计使得耦合波导的折射率发生了改变，而且模斑的变化为先逐渐变小，然后由小逐渐变大。
渐变的目的是改变耦合波导的折射率。若耦合波导的宽度相同，则耦合波导的折射率不变，则光将被约束在耦合波导中无法传出，无法进入传输波导，而当耦合波导的折射率发生改变时，光可以从耦合波导中传出。
由于耦合波导的进光端尺寸已经较小，工艺上无法在较小尺寸的基础上逐渐变窄，所以耦合波导只能从进光端开始逐渐变宽。
传输波导的进光端位于第一耦合波导、第二耦合波导的出光端之间，使得脱离耦合波导的光可以进入传输波导。
耦合波导在进光端向出光端渐变的过程中，有一分界G，在耦合波导进光端（201A、203A）与分界G之间，呈现逐渐变宽的趋势，在耦合波导分界G与耦合波导出光端（201B、203B）之间，呈现逐渐变窄的趋势，传输波导的进光端202A需要设置在该分界G与耦合波导出光端（201B、203B）之间。
分界可以是耦合波导上的一段区域，也可以是一条分界线。
耦合波导与传输波导之间的耦合，是耦合波导出光端模斑与传输波导进光端模斑的重合，耦合波导由逐渐变宽变为逐渐变窄，是为了增大耦合波导出光端的模斑，以增加与传输波导进光端模斑重合的面积，以提高耦合效率。
如果传输波导的进光端202A位于耦合波导进光端与分界之间，则模斑重合的面积比较小，耦合效率很低。
如果耦合波导的出光端不是逐渐变窄的趋势，则耦合波导出光端与传输波导进光端的模斑重合较小，耦合波导及传输波导的长度要非常大，才能得到理想的耦合效果，这不利于工业实现。
参与耦合的传输波导，其宽度由进光端向出光端逐渐变大，这样模斑的变化为由大逐渐变小，以匹配与传输波导相连的其他传光介质的模斑。
一般地，为了实现较高的耦合效率，传输波导的进光端尽可能做成小尺寸，以提高与耦合波导模斑重合的面积，但是光纤等传光介质的尺寸相对较大，传输波导需要将尺寸渐变到与光纤等传光介质相同，所以传输波导的宽度由进光端向出光端逐渐变大，然后宽度保持不变。
具体地，传输波导自进光端202A向出光端202B逐渐变宽，在202C区域宽度保持不变。
在平面光波导工艺的基础上，耦合波导及传输波导的高度基本相同，为了进一步相对缩小耦合波导进光端的尺寸，耦合波导的进光端设计成两层结构，即耦合波导的进光端分为第一层及第二层，第一层位于第二层及衬底之间，第一层向外部方向突出于所述第二层。由此，第一层的端面是整个耦合波导最小的端面，且最先耦合光，较未分层的设计，进一步缩小了接触光的面积，增大了耦合大模斑尺寸的能力。
根据光路可逆的原理，本领域技术人员很容易理解光从传输波导传至耦合波导的技术原理。
图4为本发明实施例耦合器波导结构示意图。如图4所示，耦合波导分为第一层401及第二层402。第一层401相对于第二层402突出于耦合波导本体，第一层401的端面相对于第二层402的端面突出，传向耦合波导的光先传到第一层401的端面。分层突出设置进一步缩小了耦合波导进光端的尺寸，提高了耦合大模斑光的能力。由于采用平面光波导工艺制作，难以实现耦合波导进光端在宽度及高度方向同时渐变，所以设计为在宽度方向渐变，在高度方向分层，从而凸显了第一层401的端面相对较小。
耦合波导的分布一方面要考虑需要耦合的光的模斑，另一方面也需要考虑与传输波导之间的距离，为了缩短耦合波导与传输波导的距离，耦合波导的进光端与出光端之间设计弯折部，使耦合波导的出光端向传输波导方向靠近。
图5为本发明实施例耦合器另一波导结构示意图。如图5所示，耦合波导包括耦合波导进光端201A、弯折部303及耦合波导出光端201B，弯折部303连接耦合波导进光端及耦合波导出光端。耦合波导进光端201A距传输波导202相对较远，通过弯折部303使耦合波导的延伸方向靠近传输波导，使耦合波导的出光端201B相对接近传输波导202。
针对弯折部而言，无论光从耦合波导传至传输波导，还是光从传输波导传至耦合波导，都具有上述有益效果。
本发明实施例还提供一种光模块，包括上述耦合器，耦合器可以用于将激光器发出的光耦合至光纤中，也可以将来自光纤的光耦合至光探测器中，也可以在光模块内部不同模斑的传光介质之间实现光的衔接。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种耦合器，其特征在于，包括
传输波导、分别位于所述传输波导两侧的第一耦合波导及第二耦合波导；
所述第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
所述第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
所述传输波导自进光端向出光端逐渐变宽；
所述传输波导的进光端位于所述第一耦合波导出光端与所述第二耦合波导出光端之间。
2.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述耦合波导的进光端分为第一层及第二层，所述第一层突出于所述第二层。
3.如权利要求2所述的耦合器，其特征在于，所述耦合波导的进光端与所述耦合波导的出光端之间具有弯折部。
4.如权利要求3所述的耦合器，其特征在于，所述耦合波导对称设置在所述传输波导两侧。
5.一种耦合器，其特征在于，包括
传输波导、分别位于所述传输波导两侧的第一耦合波导及第二耦合波导；
所述传输波导自进光端向出光端逐渐变窄；
所述第一耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
所述第二耦合波导自进光端向出光端逐渐变宽然后逐渐变窄；
所述传输波导的出光端位于所述第一耦合波导进光端与所述第二耦合波导进光端之间。
6.如权利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述耦合波导的进光端分为第一层及第二层，所述第一层突出于所述第二层。
7.如权利要求6所述的耦合器，其特征在于，所述耦合波导的进光端与所述耦合波导的出光端之间具有弯折部。
8.如权利要求7所述的耦合器，其特征在于，所述耦合波导对称设置在所述传输波导两侧。
9.一种光模块，其特征在于，包括权1至权8任一所述的耦合器。
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Application publication date: 20180420

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