CN111025474A - 一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器 - Google Patents

一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器 Download PDF

Info

Publication number
CN111025474A
CN111025474A CN201911072027.0A CN201911072027A CN111025474A CN 111025474 A CN111025474 A CN 111025474A CN 201911072027 A CN201911072027 A CN 201911072027A CN 111025474 A CN111025474 A CN 111025474A
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
cladding
covering
silicon
array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911072027.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111025474B (zh
Inventor
时尧成
刘卫喜
张健豪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201911072027.0A priority Critical patent/CN111025474B/zh
Publication of CN111025474A publication Critical patent/CN111025474A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111025474B publication Critical patent/CN111025474B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12147—Coupler
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12152—Mode converter

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于折射率调控的覆盖SU‑8包层的硅波导模式耦合器。本发明硅波导模式耦合器包括第一级模式转换器和第二级模式转换器，第一级模式转换器包括第一覆盖SU‑8包层的波导阵列(I)，单模光纤与第一级模式转换器中的波导阵列在空气中对接，第二级模式转换器包括第二覆盖SU‑8包层的波导阵列(II)和第三覆盖SU‑8包层的波导阵列(III)，所述的覆盖SU‑8包层的波导阵列均由覆盖同样厚度SU‑8的四根硅纳米线波导。本发明提出的SU‑8包层的间隔渐变的硅波导阵列的端面耦合器具有工艺简单、耦合效率高、能与标准单模光纤匹配的特点，满足光通信、集成光学等领域的实际需求。

Description

一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器
技术领域
本发明属于光通信领域，具体涉及一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器。
背景技术
随着集成光芯片中无源光子器件的迅速发展以及测试封装的需要，稳定的光源接入方法显得尤为重要。光栅耦合(Grating Coupling)和端面耦合(Butt Coupling)作为两种重要的外接光源的方式，提供稳定可靠的光源到片上器件的连接。利用光栅耦合器可以有效地将面外光源耦合入波导内，对准容差较大。然而，高效的光栅耦合器通常制作工艺较为复杂并且带宽受限，此外，垂直耦合的方式不利于器件的封装。端面耦合器是一种面内的耦合器。相比于光栅耦合器，大部分的端面耦合器拥有更大的带宽，更好的偏振不敏感(Polarization insensitivity)特性以及更低的耦合损耗。
目前常见的端面耦合器包括倒锥形耦合器(Inverse Taper Coupler)、亚波长光栅型折射率调控耦合器(Subwavelength-Grating Refractive-index-engineeringCoupler)。倒锥形耦合器作为直接传统的解决方案，已经被大量用于光纤和片上波导连接系统中。然而，这类耦合器加工精度要求高，制作复杂，成本较高。基于亚波长光栅型折射率调控耦合器具有小的结构尺寸，低的耦合损耗，较好的偏振不敏感特性以及宽带的工作带宽。然而，这类折射率调控器件因为耦合的模斑尺寸太小，无法与标准的1550nm波段的单模光纤对接。我们提出的这种全新的基于波导阵列(Arrayed Waveguides)的折射率调控器件极大地简化了工艺复杂度，能够有效地跟单模光纤对接。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器。本发明耦合器利用波导阵列和不刻蚀的SU-8上包层实现折射率调控，进而实现与标准单模光纤高效的对接并且极大地简化了工艺的复杂度。
一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器、。
所述的第一级模式转换器包括第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)。单模光纤与第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)中的覆盖SU-8包层的第一条形波导(11)、第二条形波导(12)、第三条形波导(13)、第四条形波导(14)在空气中对接。所述的第二级模式转换器包括第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)和第三覆盖SU-8包层的波导阵列(III)，所述的第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)中的覆盖SU-8包层的第一S型条形波导(21)、第二S型条形波导(22)、第三S型条形波导(23)和第四S型条形波导(24)分别与第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)中的覆盖SU-8包层的第一条形波导(11)、第二条形波导(12)、第三条形波导(13)和第四条形波导(14)连接。所述的S型条形波导由两个同样半径的圆弧拼接组成。所述的第三覆盖SU-8包层的波导阵列(III)中的覆盖SU-8包层的第五条形波导(31)、第六条形波导(32)、第七条形波导(33)和第八条形波导(34)分别连接第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)中的覆盖SU-8包层的第一S型条形波导(21)、第二S型条形波导(22)、第三S型条形波导(23)和第四S型条形波导(24)。
宽带的信号光由覆盖SU-8包层的波导阵列(I)耦合输入并稳定成为初步转化的混合SU-8硅波导阵列模式，初步转化的混合SU-8硅波导阵列模式经过覆盖SU-8包层的波导阵列(II)的折射率调控，混合模式光场能量逐步转移到硅中，实现对光场的压缩，覆盖SU-8包层的阵列(III)作为波导阵列到硅条形波导的过渡波导起到稳定模式的作用。
所述的波导采用基于硅绝缘体(Silicon on Insulator，SOI)材料的硅纳米线波导，其芯层为硅材料，厚度为220nm，折射率为3.478；下包层为厚度3μm的二氧化硅绝缘层，折射率为1.444；上包层为厚度9μm的SU-8有机物层，折射率为1.574，所有波导宽度均为125nm，耦合器输入TM模式的高斯光束。
本发明有益效果如下：
(1)基于覆盖SU-8包层的S型条形波导的波导阵列可以实现连续的折射率调控，从而保证了耦合器高效的模式转换效率。
(2)利用覆盖SU-8包层的波导阵列作为耦合端面，保证了耦合器高的耦合效率。
(3)利用不刻蚀的SU-8作为波导阵列的上包层，避免了套刻工艺的对准问题，极大地简化了器件制作的复杂程度。
(4)利用厚的SU-8作为上包层，实现耦合器与标准单模光纤的对接。
附图说明
图1为本发明硅波导模式耦合器的结构示意图；
图2为本发明端面耦合器的横截面示意图；
图3为本发明耦合器仿真的耦合损耗。
图中：I、第一覆盖SU-8包层的波导阵列，II第二覆盖SU-8包层的波导阵列，III、第三覆盖SU-8包层的波导阵列，11、第一条形波导，12、第二条形波导，13、第三条形波导，14、第四条形波导，21、第一S型条形波导，22、第二S型条形波导，23、第三S型条形波导，24、第四S型条形波导，31、第五条形波导，32、第六条形波导，33、第期条形波导，34、第八条形波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的硅波导模式耦合器包括第一级模式转换器和第二级模式转换器。
第一级模式转换器包括第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)。单模光纤与第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)中的覆盖SU-8包层的第一条形波导(11)、第二条形波导(12)、第三条形波导(13)、第四条形波导(14)在空气中对接。第二级模式转换器包括第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)和第三覆盖SU-8包层的波导阵列(III)，所述的第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)中的覆盖SU-8包层的第一S型条形波导(21)、第二S型条形波导(22)、第三S型条形波导(23)和第四S型条形波导(24)分别与第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)中的覆盖SU-8包层的第一条形波导(11)、第二条形波导(12)、第三条形波导(13)和第四条形波导(14)连接。S型条形波导由两个同样半径的圆弧拼接组成。第三覆盖SU-8包层的波导阵列(III)中的覆盖SU-8包层的第五条形波导(31)、第六条形波导(32)、第七条形波导(33)和第八条形波导(34)分别连接第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)中的覆盖SU-8包层的第一S型条形波导(21)、第二S型条形波导(22)、第三S型条形波导(23)和第四S型条形波导(24)。
宽带的信号光由覆盖SU-8包层的波导阵列(I)耦合输入并稳定成为初步转化的混合SU-8硅波导阵列模式，初步转化的混合SU-8硅波导阵列模式经过覆盖SU-8包层的波导阵列(II)的折射率调控，混合模式光场能量逐步转移到硅中，实现对光场的压缩，覆盖SU-8包层的阵列(III)作为波导阵列到硅条形波导的过渡波导起到稳定模式的作用。
实施例中
波导采用基于硅绝缘体(Silicon on Insulator，SOI)材料的硅纳米线波导，其芯层为硅材料，厚度为220nm，折射率为3.478；下包层为厚度3μm的二氧化硅绝缘层，折射率为1.444；上包层为厚度9μm的SU-8有机物层，折射率为1.574。所有波导宽度均为125nm，耦合器输入TM模式的高斯光束。
覆盖SU-8包层的波导阵列I中的四根硅纳米线波导11、12、13、14的间隔均保持在1.2μm。覆盖SU-8包层的波导阵列II中S型硅纳米线波导21、24中两段圆弧半径均为200000.45μm，圆弧张角均为0.17度，曲率相反，硅纳米线22、23中两段圆弧半径均为600000.15μm，圆弧角度均为0.057度，曲率相反。覆盖SU-8包层的波导阵列III中的四根硅纳米线波导31、32、33、34的间隔均保持在0μm。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器，其特征在于，包括第一级模式转换器和第二级模式转换器；
所述的第一级模式转换器包括第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)；单模光纤与第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)中的覆盖SU-8包层的第一条形波导(11)、第二条形波导(12)、第三条形波导(13)、第四条形波导(14)在空气中对接；所述的第二级模式转换器包括第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)和第三覆盖SU-8包层的波导阵列(III)，所述的第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)中的覆盖SU-8包层的第一S型条形波导(21)、第二S型条形波导(22)、第三S型条形波导(23)和第四S型条形波导(24)分别与第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)中的覆盖SU-8包层的第一条形波导(11)、第二条形波导(12)、第三条形波导(13)和第四条形波导(14)连接；所述的S型条形波导由两个同样半径的圆弧拼接组成；所述的第三覆盖SU-8包层的波导阵列(III)中的覆盖SU-8包层的第五条形波导(31)、第六条形波导(32)、第七条形波导(33)和第八条形波导(34)分别连接第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)中的覆盖SU-8包层的第一S型条形波导(21)、第二S型条形波导(22)、第三S型条形波导(23)和第四S型条形波导(24)。
2.根据权利要求1所述的一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器，其特征在于，宽带的信号光由覆盖SU-8包层的波导阵列(I)耦合输入并稳定成为初步转化的混合SU-8硅波导阵列模式，初步转化的混合SU-8硅波导阵列模式经过覆盖SU-8包层的波导阵列(II)的折射率调控，混合模式光场能量逐步转移到硅中，实现对光场的压缩，覆盖SU-8包层的阵列(III)作为波导阵列到硅条形波导的过渡波导起到稳定模式的作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器，其特征在于，所述的波导采用基于硅绝缘体(Silicon on Insulator，SOI)材料的硅纳米线波导，其芯层为硅材料，厚度为220nm，折射率为3.478；下包层为厚度3μm的二氧化硅绝缘层，折射率为1.444；上包层为厚度9μm的SU-8有机物层，折射率为1.574，所有波导宽度均为125nm，耦合器输入TM模式的高斯光束。
CN201911072027.0A 2019-11-05 2019-11-05 一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器 Active CN111025474B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911072027.0A CN111025474B (zh) 2019-11-05 2019-11-05 一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911072027.0A CN111025474B (zh) 2019-11-05 2019-11-05 一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111025474A true CN111025474A (zh) 2020-04-17
CN111025474B CN111025474B (zh) 2020-12-08

Family

ID=70200850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911072027.0A Active CN111025474B (zh) 2019-11-05 2019-11-05 一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111025474B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111458796A (zh) * 2020-04-22 2020-07-28 中国计量大学 一种具有四槽波导的光耦合器

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06160652A (ja) * 1992-11-19 1994-06-07 Mitsubishi Gas Chem Co Inc 高分子光導波路型光スターカプラ
CN101696934A (zh) * 2009-10-26 2010-04-21 浙江大学 一种基于游标效应的级连环形腔光波导传感器
CN102253448A (zh) * 2011-08-02 2011-11-23 浙江大学 一种阵列波导光栅实现均匀偏振补偿的方法
CN103076659A (zh) * 2013-01-11 2013-05-01 武汉邮电科学研究院 多芯光纤光互联结构
CN203365727U (zh) * 2013-07-19 2013-12-25 深圳市中兴新地通信器材有限公司 改变光纤阵列输入输出通道属性的装置及光开关
CN104730622A (zh) * 2015-03-27 2015-06-24 苏州天步光电技术有限公司 一种密集型多通道光纤阵列
CN104849811A (zh) * 2015-04-27 2015-08-19 南京大学 高密度波导超晶格的耦合装置
CN106597612A (zh) * 2016-10-24 2017-04-26 华为机器有限公司 光模板和通信设备
CN207780304U (zh) * 2018-02-02 2018-08-28 苏州易缆微光电技术有限公司 高耦合率光波导模斑转换装置
CN209417341U (zh) * 2018-12-04 2019-09-20 苏州易缆微光电技术有限公司 一种波导面耦合模斑转换器

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06160652A (ja) * 1992-11-19 1994-06-07 Mitsubishi Gas Chem Co Inc 高分子光導波路型光スターカプラ
CN101696934A (zh) * 2009-10-26 2010-04-21 浙江大学 一种基于游标效应的级连环形腔光波导传感器
CN102253448A (zh) * 2011-08-02 2011-11-23 浙江大学 一种阵列波导光栅实现均匀偏振补偿的方法
CN103076659A (zh) * 2013-01-11 2013-05-01 武汉邮电科学研究院 多芯光纤光互联结构
CN203365727U (zh) * 2013-07-19 2013-12-25 深圳市中兴新地通信器材有限公司 改变光纤阵列输入输出通道属性的装置及光开关
CN104730622A (zh) * 2015-03-27 2015-06-24 苏州天步光电技术有限公司 一种密集型多通道光纤阵列
CN104849811A (zh) * 2015-04-27 2015-08-19 南京大学 高密度波导超晶格的耦合装置
CN106597612A (zh) * 2016-10-24 2017-04-26 华为机器有限公司 光模板和通信设备
CN207780304U (zh) * 2018-02-02 2018-08-28 苏州易缆微光电技术有限公司 高耦合率光波导模斑转换装置
CN209417341U (zh) * 2018-12-04 2019-09-20 苏州易缆微光电技术有限公司 一种波导面耦合模斑转换器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111458796A (zh) * 2020-04-22 2020-07-28 中国计量大学 一种具有四槽波导的光耦合器

Also Published As

Publication number Publication date
CN111025474B (zh) 2020-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108885307B (zh) 用于光子芯片的具有可控模场的光学边缘耦合器
US10156679B2 (en) Photonic chips based on multimode fiber-to-waveguide coupling
CA2734614A1 (en) Optical mode transformer, in particular for coupling an optical fiber and a high-index contrast waveguide
CN111562650A (zh) 基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器
CN108490546B (zh) 一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器
US20030174956A1 (en) Polarization insensitive modal field transformer for high index contrast waveguide devices
CN112596161A (zh) 一种多层结构的模斑转换器及其实现方法
CN111679363A (zh) 硅波导端面耦合结构及其制作方法
CN111367014B (zh) 一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器
CN111239905A (zh) 耦合元件和铌酸锂薄膜波导耦合装置
CN115494586B (zh) 一种双波导绝热耦合器
CN113311537B (zh) 一种基于级联锥形耦合器的聚合物三模式复用器
CN111025474B (zh) 一种基于折射率调控的覆盖su-8包层的硅波导模式耦合器
CN113376743B (zh) 一种基于长周期光栅的模斑转换器
US10422967B2 (en) Optical coupling apparatus and method
CN114690315A (zh) 一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器
CN111273404B (zh) 一种两模端面耦合器
CN115113328B (zh) 基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器及其制备方法
CN116859523A (zh) 一种复合型光波导端面耦合器
CN113406751B (zh) 一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器
US20110317960A1 (en) Direct coupling of optical slot waveguide to another optical waveguide
CN113687473B (zh) 一种基于多芯光纤的六模模分复用器
CN114839722A (zh) 一种异构多模波导耦合器
WO2022044101A1 (ja) 光導波路部品およびその製造方法
CN212410901U (zh) 耦合元件和铌酸锂薄膜波导耦合装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant