CN109407229A - 一种端面耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种端面耦合器，涉及光通信器件技术领域。端面耦合器包括具有高折射率的第一波导以及具有低折射率的第二波导，第一波导在其长度方向上具有第一端面和第二端面，第一波导除第一端面以外的部分均埋设于第二波导内，第一波导沿其长度方向分为两段，第一端面位于第一段上，从第一端面到所述第二端面的方向，第一段的宽度递减，第二段的宽度不变且厚度递减。本发明端面耦合器制备难度小，耦合效率高。

Description

一种端面耦合器
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，具体是涉及一种端面耦合器。
背景技术
在光通信系统中，端面耦合器可以用于实现光纤到芯片的耦合。当光波在端面耦合器中传输时，由于端面耦合器的波导尖端两侧模式的不匹配，会增加光波在传输过程中的反射，降低器件的耦合效率。目前，通过减小端面耦合器的波导尖端的宽度，可以降低由于端面耦合器的尖端模式不匹配所导致的耦合效率低的影响，从而保证较高的耦合效率。但是，对于目前的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺来说，波导尖端的宽度很难做到100nm以下，而且随着波导尖端的宽度的减小，制备难度和制备成本大大增加。使用亚波长光栅结构可以降低尖端宽度所带来的模式不匹配的影响，但是，同样的，该方法也会导致器件的制备难度和成本的增加。因此，有必要提出一种制备难度小、耦合效率高的端面耦合器。
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端面耦合器，制备难度小，耦合效率高。
本发明提供一种端面耦合器，其包括具有高折射率的第一波导以及具有低折射率的第二波导，第一波导在其长度方向上具有第一端面和第二端面，第一波导除第一端面以外的部分均埋设于第二波导内；
所述第一波导沿其长度方向分为两段，所述第一端面位于第一段上，从所述第一端面到所述第二端面的方向，第一段的宽度递减，第二段的宽度不变且厚度递减。
在上述技术方案的基础上，所述第二段分为N个依次相连的子波导，N≥2，N个子波导的厚度阶梯式减小。
在上述技术方案的基础上，从所述第一端面到所述第二端面的方向，N个所述子波导的厚度依次为：H1＞Hi＞HN，1≤i≤N，且
在上述技术方案的基础上，当N＝3时，从所述第一端面到所述第二端面的方向，3个所述子波导的厚度依次为：H1＞H2＞H3，且
在上述技术方案的基础上，所述子波导为矩形波导。
在上述技术方案的基础上，所述第一段为渐变波导，所述渐变波导为梯形波导。
在上述技术方案的基础上，所述第一段沿所述第一波导的长度方向分为宽波导和渐变波导，所述第一端面位于宽波导上，宽波导为矩形波导，所述渐变波导为梯形波导。
在上述技术方案的基础上，所述第一波导的底面为平面。
在上述技术方案的基础上，所述第一波导的形状沿其长度方向上的中心轴线对称分布。
在上述技术方案的基础上，所述第一波导的折射率范围为2～3.6，所述第二波导的折射率范围为1.4～1.7。
与现有技术相比，本发明实施例的端面耦合器包括具有高折射率的第一波导以及具有低折射率的第二波导，第一波导在其长度方向上具有第一端面和第二端面，第一波导除第一端面以外的部分均埋设于第二波导内，第一波导沿其长度方向分为两段，第一端面位于第一段上，从第一端面到第二端面的方向，第一段的宽度递减，第二段的宽度不变且厚度递减，制备难度小，耦合效率高。
附图说明
图1a是本发明第一实施例端面耦合器高度方向的剖面示意图；
图1b是本发明第一实施例端面耦合器的俯视图。为了清楚表示波导结构，除去了第一波导上的第二波导；
图2a是本发明第二实施例端面耦合器高度方向的剖面示意图；
图2b是本发明第二实施例端面耦合器的俯视图。为了清楚表示波导结构，除去了第一波导上的第二波导；
图3是本发明其他实施例端面耦合器的俯视图。
图中：
101-宽波导，102-渐变波导，103-第一子波导，104-第二子波导，105-第三子波导，106-第二波导；
100和100′-第一端面，200-第二端面，300和300′-第三端面，400-第四端面。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明第一实施例提供一种端面耦合器，端面耦合器包括具有高折射率的第一波导以及具有低折射率的第二波导，第一波导在其长度方向上具有第一端面和第二端面，第一波导除第一端面以外的部分均埋设于第二波导内，第一波导沿其长度方向分为两段，第一端面位于第一段上，从第一端面到第二端面的方向，第一段的宽度递减，第二段的宽度不变且厚度递减，制备难度小，耦合效率高。
优选的，参见图1a和图1b所示，第一波导沿其长度方向分为两段，第一段为渐变波导102，第二段分为N个依次相连的子波导，N≥2，N个子波导的厚度阶梯式减小，即每个子波导的厚度不变。从理论分析来说，N个子波导的数量越多越好，但是增加子波导的数量也会增加器件制备的复杂度和成本，因此在实际加工中，第二段的厚度优选为二级阶梯式减小。
例如，图1a中示出第二段分为3个依次相连的第一子波导103、第二子波导104和第三子波导105，第一子波导103、第二子波导104和第三子波导105均为矩形波导。
在图1b中，渐变波导102为等腰梯形波导，即锥形波导。在本发明实施例的说明中，波导的形状均指在其长度方向和宽度方向所构成的平面内的投影，在本实施例中，即在波导的俯视图中波导的形状。渐变波导102的最宽端(宽度为W1)为第一波导的第一端面100，渐变波导的最窄端(宽度为W2)与第二段的第一子波导103端对端地相连，渐变波导102的宽度逐渐减小，渐变波导102的最窄端与第一子波导103相连部分的尺寸相同。渐变波导102的长度为L2，渐变波导102的长度在100微米(um)到500微米(um)之间，从而实现从第一端面100到第一子波导103之间光波模式的绝热耦合，又不至于因为长度太长而引入过多的光学损耗。
N个子波导的厚度之差可以相同，也可以不同。
在一种实施方式中，从第一端面100到第二端面200的方向，N个子波导的厚度依次为：H1＞Hi＞HN，1≤i≤N，且
在另一种实施方式中，当N＝3时，从第一端面100到第二端面200的方向，第一子波导103、第二子波导104和第三子波导105的厚度依次为：H1＞H2＞H3，且
第一子波导103、第二子波导104和第三子波导105的长度依次为：L3、L4和L5，第一子波导103、第二子波导104和第三子波导105的长度可以相同，也可以不同，通常情况下，第一子波导103、第二子波导104和第三子波导105的长度均不超过10微米(um)。
第一波导的折射率范围为2～3.6，例如，第一波导的材料为硅、氮化硅或者磷化铟等，实现对光波模式的良好限制作用。第二波导106的折射率范围为1.4～1.7，例如，第二波导106的材料为二氧化硅或者聚合物材料等，用于实现光波导模式与光纤中光波导模式的匹配，提高耦合效率。
在第一实施例中，第一波导上的第一端面100作为端面耦合器的第一光收发端，第二波导包括第三端面300和第四端面400，第一端面100和第三端面300位于同一平面，第四端面400作为端面耦合器的第二光收发端，第二端面200到第四端面400的距离为L6，L6的范围可以为10um到100um之间。第一波导埋设于第二波导内，第一端面100可以实现与光子芯片相匹配的小模场，第四端面400可以实现与光纤相匹配的大模场。
第一实施例的输入光波为单模光波，可以是横电波(Transverse Electric Wave，TE)基模或者横磁波(Transverse Magnetic Wave，TM)基模，输出光波的模式与输入光波的模式相同，也就是输入光波是TE基模时，输出光波也是TE基模；输入光波是TM基模时，输出光波也是TM基模。输入光波和输出光波的模式是一样的，只是光波的模场大小不同。
光波从渐变波导102入射时，将渐变波导102中的光波模式耦合到第一子波导103中，再经过第二子波导104和第三子波导105将第一子波导103中的光波模式耦合到低折射率的第二波导106中。在高折射率的第一子波导103与低折射率的第二波导106之间引入第二子波导104和第三子波导105可以减小波导之间的有效折射率差，从而提高端面耦合器的耦合效率。
反过来，当光波从低折射率的第二波导106入射时，依次经过第三子波导105、第二子波导104和第一子波导103后，耦合进入渐变波导102中。同样由于第三子波导105和第二子波导104的引入，可以减小波导之间的有效折射率差，从而提高端面耦合器的耦合效率。
在第一实施例中，第一波导的底面为平面，第一波导的形状沿其长度方向上的中心轴线对称分布。从第一端面100到第二端面200的方向，第一段的厚度不变且宽度递减，第二段的宽度不变且厚度递减。通过第二段的厚度递减，可以降低波导的有效折射率差，减少光波模式的反射，提高端面耦合器的耦合效率。
具体的，对于正入射的光波来说，其反射率与有效折射率差有关系：
反射率为：
透射率为：T＝1-R (2)，
其中，n1和n2分别为输入侧和输出侧波导的有效折射率系数。
为了便于理解，以N＝2，即第二段包括第一子波导103和第二子波导104为例进行说明，并设第二子波导104的有效折射率系数为n3，第二子波导104的输入侧波导为第一子波导103，其有效折射率系数为n1，第二子波导104的输出侧波导的有效折射率系数为n2，由于上述器件的结构参数(第一子波导103和第二子波导104的宽度相同，但是第二子波导104的厚度小于第一子波导103的厚度)，可以得到n1＞n3＞n2。
根据上述公式(1)，在没有第二子波导104的情况下的透射率为：
而引入第二子波导104的情况下的透射率为：
根据上述折射率条件n1＞n3＞n2，可以得到T1＞T0，也就是就引入第二子波导104之后，端面耦合器的透射率提高了，即反射率降低了。
另外，对于同一尺寸的端面耦合器来说，端面耦合器对短波长的光波限制作用更好，通过引入中间厚度的第二子波导104对短波长的透射率提高更多，因此，可以提高端面耦合器的耦合效率和带宽。
基于上述分析，进一步引入第二段的波导厚度变化级数，例如第三子波导105，可以进一步提高端面耦合器的耦合效率和带宽。
作为示例，第一实施例端面耦合器可以在绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)上制备，绝缘衬底为二氧化硅。在硅层中制备第一波导所在区域后，除去第一波导的第二段所在区域中指定厚度的波导材料，保留厚度阶梯式递减的第二段以得到第一波导，然后在第一波导上再覆盖与绝缘衬底相同的二氧化硅。
从第一波导的第一端面100到第二端面200的方向，第一段的厚度不变且宽度递减，第二段的宽度不变且厚度递减。本发明实施例没有精细结构，不需要高精度的光刻工艺，降低了端面耦合器的制备难度和成本。
参见图2所示，本发明第二实施例提供一种端面耦合器，在第一实施例的基础上，第二实施例中第一段沿第一波导的长度方向分为宽波导101和渐变波导102，第一端面100′位于宽波导101上，第二波导包括第三端面300′和第四端面400，第一端面100′和第三端面300′位于同一平面。宽波导101为矩形波导，宽波导101和渐变波导102的厚度相同，宽波导101的长度为L1，在进入渐变波导102之前，通过宽波导101获得更加稳定的光波模式。
光波从宽波导101入射时，经过渐变波导102将宽波导101中的光波模式耦合到第一子波导103中，再经过第二子波导104和第三子波导105将第一子波导103中的光波模式耦合到低折射率的第二波导106中。在高折射率的第一子波导103与低折射率的第二波导106之间引入第二子波导104和第三子波导105可以减小波导之间的有效折射率差，从而提高端面耦合器的耦合效率。
反过来，当光波从低折射率的第二波导106入射时，依次经过第三子波导105、第二子波导104、第一子波导103和渐变波导102后，耦合进入宽波导101中。同样由于第三子波导105和第二子波导104的引入，可以减小波导之间的有效折射率差，从而提高端面耦合器的耦合效率。
在本发明的其他实施例中，第一波导的第一端面100还可以连接其他波导。
渐变波导102还可以为多边形或者弧形的非对称渐变形状，不作限定。例如，图3所示为渐变波导102为直角梯形波导。
第一波导的底面也可以不是平面，第一波导的第二段的厚度沿其长度方向上的中心轴线对称分布。第一波导的第二段还可以是具有相同宽度的折线或者弧形形状，不作限定。
从第一波导的第一端面100或者100′到第二端面200的方向，第一段的厚度和宽度均可以递减，第一段的最小厚度与第二段的最小厚度相同，第一段的最小宽度与第二段的宽度相同，第二段的宽度不变且厚度递减。在制备工艺允许的前提下，尽量降低渐变波导102的宽度，并通过使用台阶型的波导逐渐减低第一波导的厚度，增加中间厚度的子波导的级数，可以减少波导端面的反射，提高宽波导101到低折射率的第二波导106的耦合器效率，以提高器件的耦合效率。本发明实施例没有精细结构，不需要高精度的光刻工艺，降低了端面耦合器的制备难度和成本。
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 (10)

1.一种端面耦合器，其包括具有高折射率的第一波导以及具有低折射率的第二波导，第一波导在其长度方向上具有第一端面和第二端面，第一波导除第一端面以外的部分均埋设于第二波导内，其特征在于：
所述第一波导沿其长度方向分为两段，所述第一端面位于第一段上，从所述第一端面到所述第二端面的方向，第一段的宽度递减，第二段的宽度不变且厚度递减。
2.如权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于：所述第二段分为N个依次相连的子波导，N≥2，N个子波导的厚度阶梯式减小。
3.如权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于：从所述第一端面到所述第二端面的方向，N个所述子波导的厚度依次为：H1＞Hi＞HN，1≤i≤N，且
4.如权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于：当N＝3时，从所述第一端面到所述第二端面的方向，3个所述子波导的厚度依次为：H1＞H2＞H3，且
5.如权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于：所述子波导为矩形波导。
6.如权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于：所述第一段为渐变波导，所述渐变波导为梯形波导。
7.如权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于：所述第一段沿所述第一波导的长度方向分为宽波导和渐变波导，所述第一端面位于宽波导上，宽波导为矩形波导，所述渐变波导为梯形波导。
8.如权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于：所述第一波导的底面为平面。
9.如权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于：所述第一波导的形状沿其长度方向上的中心轴线对称分布。
10.如权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于：所述第一波导的折射率范围为2～3.6，所述第二波导的折射率范围为1.4～1.7。
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