CN111025482A - 一种模式高效耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种模式高效耦合器，包括第一波导、微纳过渡结构、第二波导；所述第二波导能自定义若干横截面形状，第一波导与微纳过渡结构第一端耦合，第二波导与微纳过渡结构第二端耦合，并将依次连接的第一波导、微纳过渡结构、第二波导封装在容器中；本发明设定特定形貌、微纳尺度的复合过渡结构，并采用激光三维直写系统进行高精度制备，实现不同尺寸波导之间的光场模式高效转换，即单模光纤和微纳波导之间实现模式双向高效耦合，克服了传统耦合方式中高精度对准、成本高、不易于集成的技术问题。

Description

一种模式高效耦合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤通信的研究领域，特别涉及一种模式高效耦合器及其制备方法。

背景技术

许多应用中，如光互连、非线性光信号处理和量子集成光学等，实现不同光波导之间的低损耗耦合，对于光信号的高效传输至关重要。这种低损耗的光耦合是实现光子集成结构之间无缝连接的关键，尤其是光子集成电路中光纤与集成波导间的光耦合。相应的光场模式高效耦合的机理和技术已经得到充分地研究，并已成功实现。

目前，光场模式的耦合方式主要是端对端耦合、衍射光栅耦合及微纳光纤倏逝场耦合。传统的耦合方式，如端对端耦合、透镜耦合等方式，存在高精度对准、成本高、工作带宽小、不易于集成等问题，难以推广和实现自由调控。此外，传统耦合方式的模式缓变过程中，包含“绝热条件”的内秉要求，这限制了利用这些耦合方式的复合结构的小型化和集成化，因此，需要一种的灵活且可拓展的新耦合方式，以实现不同波导间的无缝连接。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种模式高效耦合器，结合模式理论和数值计算方法，通过优化锥形过渡结构的长度和形貌，光子引线键合技术可在较短的距离内(<200μm)实现单模光纤与微纳波导(直径不大于2μm)之间的光场模式高效转换，使过渡区域的长度大大缩短。

本发明的另一目的在于提供一种模式高效耦合器制备方法，采用激光三维直写系统和光子引线键合技术，具有特殊形貌的、微纳尺度的复合结构得以高精度地构建，实现不同材料、不同模斑尺寸的单模光纤与微纳波导之间高灵活度、高性能的光场模式高效耦合。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种模式高效耦合器，其特征在于，包括第一波导、微纳过渡结构、第二波导；所述第二波导能自定义若干横截面形状，第一波导与微纳过渡结构第一端耦合，第二波导与微纳过渡结构第二端耦合，并将依次连接的第一波导、微纳过渡结构、第二波导封装在容器中。

进一步地，第一波导与第二波导的相对位置具有任意性，即第一波导与第二波导设置在任意的位置上。

进一步地，所述第一波导为标准单模光纤，所述第二波导为微纳波导。

进一步地，所述微纳波导其横截面直径为L，L≤2μm。

进一步地，所述微纳过渡结构长度小于K，K取值范围为0～200μm。

进一步地，所述微纳过渡结构形貌模型为“火焰刷”型或多项式型或横截面装换型；其中所述“火焰刷”型形貌微纳过渡结构，包括线性型、指数型、正弦型；所述横截面装换型形貌微纳过渡结构，根据微纳波导横截面形状，构建渐变横截面的微纳过渡结构。

进一步地，所述第一波导与第二波导和微纳过渡结构之间的耦合具体为：第一波导的光场模式与第二波导的光场模式经过微纳过渡结构相互耦合。

进一步地，所述容器中填充折射率低于目标波导和过渡结构折射率的材料。

进一步地，所述折射率低于目标波导和过渡结构折射率的材料为空气或气凝胶等。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种模式高效耦合器制备方法，包括以下步骤：

S1、确定并优化微纳过渡结构的形状、长度、取向；具体为：通过时域有限差分法、有限元法对光场模式在整个复合结构中的转换特性进行数值模拟，优化微纳过渡结构的形状、长度、取向，实现不同波导间的模式高效转换；

S2、固定第一波导；具体为：将第一波导固定在基板上，利用基板高度调整第一波导的相对高度位置；

S3、制备微纳过渡结构；在固定好第一波导的基板上滴光刻胶，在第一波导一端刻写微纳过渡结构，并在微纳过渡结构之后刻写第二波导；所述微纳过渡结构为“火焰刷”型或多项式型或横截面装换型，所述第二波导横截面为圆形或矩形或多边形；

S4、封装耦合器件；将连接好的第一波导、微纳过渡结构、第二波导封装在容器中，并在容器中填充折射率低于目标波导和过渡结构折射率的材料。

进一步地，其特征在于，所述刻写采用激光三维直写技术。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供的复合微纳结构通过理论分析和数值计算研究分析，根据微纳波导的自定义横截面形状，可构建具有不同横截面转换的过渡结构，实现具有不同材料、不同模斑尺寸的单模光纤和微纳波导之间的双向光场模式高效耦合。

2、本发明提供的复合微纳结构通过优化其长度和形貌，可在小于200μm的范围内，实现单模光纤和微纳波导之间的双向光场模式高效耦合。大大地缩短过渡结构的长度，极大地提高复合结构的集成度，有效简化现有的通信系统中的光场模式耦合装置。

3、本发明提出的复合微纳结构采用激光三维直写系统制备，由激光直接在光刻胶中按照特定位置、轨迹、形貌等特征在原位高精度地刻写，具有微纳尺寸、精度高、灵活度大等优势，易于推广应用及自由调控。

附图说明

图1为本发明所述一种模式高效耦合器的结构示意图；

图2为本发明所述实施例中不同α取值下的“火焰刷”型微纳过渡结构形貌示意图；

图3为本发明所述实施例中圆形-矩形转换型过渡形貌的示意图；

图4为本发明所述实施例中单模光纤-微纳波导模式耦合的仿真模型示意图。

图中，1-1：第二波导，1-2：微纳过渡结构，1-3：第一波导，1-4：标准单模光纤纤芯。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种模式高效耦合器，如图1所示，包括第一波导1-3、微纳过渡结构1-2、第二波导1-1；第一波导1-3与第二波导1-1设置在任意位置，所述第二波导1-1能自定义若干横截面形状，第一波导1-3与微纳过渡结构1-2第一端耦合，第二波导1-1与微纳过渡结构1-2第二端耦合，即第一波导1-3的光场模式与第二波导1-1的光场模式经过微纳过渡结构1-2相互耦合，并将依次连接的第一波导1-3、微纳过渡结构1-2、第二波导1-1封装在容器中，容器中填充折射率低于目标波导和过渡结构折射率的材料，这里的材料选择为空气或气凝胶。

这里的第一波导1-3为标准单模光纤，第二波导1-1为微纳波导；标准单模光纤参数如下：纤芯直径为8.2μm，包层直径125μm，纤芯折射率为1.4677，包层折射率为1.4624，折射率呈阶跃式分布；所述微纳波导为可自定义横截面形状的微纳波导，直径为L，L≤2μm，这里采用圆形的微纳波导，其参数如下：直径为1μm，折射率为1.5053；

微纳过渡结构可根据两个波导的形状和光场模式特性，对其长度和形貌进行自由设计，其长度取值范围为0～200μm，这里选择微纳过渡结构，材料折射率为1.5053，“火焰刷”型微纳过渡结构形貌，长度K为150μm，常见的形貌模型有“火焰刷”型、多项式型和横截面转换型等不同形貌，具有很大的调控自由度；微纳过渡结构由激光三维直写系统按照特定位置、轨迹、形貌等在原位高精度地刻写所制备，尺度可达微纳级、精度高，其介绍如下：

(1)多项式型过渡形貌。根据过渡区域两端的半径、过渡长度，以损耗最小为目标，设计多项式的项数、系数等参数。

(2)“火焰刷”型过渡形貌，包括线性型、指数型、正弦型等各种形貌的过渡区域，不同α取值下的“火焰刷”型微纳过渡结构形貌示意图如图2所示，包括α＝1，α＝0.9，α＝0.5，α＝0，α＝-0.5，α＝-1。若过渡的起始半径为r₀，则“火焰刷”型过渡区域的半径随过渡距离z变化的表达式为：

其中α、L₀为调控参数。特别的，当α＝0时，过渡区域呈指数型形貌，半径表达式简化为

(3)横截面转换型过渡形貌。根据微纳波导的横截面形状，可构建具有缓变横截面的过渡结构，使单模光纤的传输模式与微纳波导的传输模式实现双向高效耦合。微纳波导的横截面形状可自行定义，如圆形、矩形、多边形等形状，依此可构造圆形-矩形、圆形-多边形等不同横截面转换类型的过渡结构，例如图3所示的圆形-矩形转换型过渡结构。

一种模式高效耦合器制备方法，其实现内容包括：1、结合模式理论和数值计算方法，设计特定的微纳过渡结构，可在小于200μm的较短范围内实现光场模式的高效转换；2、利用光子引线键合技术并结合模式理论和数值计算方法，构建特殊的过渡结构和微纳波导，实现具有不同横截面形状的微纳波导与单模光纤之间的光场模式高效转换，如单模光纤与矩形微纳波导之间的微纳过渡结构可设计为圆形-矩形转换型形貌；3、利用激光三维直写系统按照特定位置、轨迹和形貌，高精度地刻写特定的复合微纳结构来键合两个波导。步骤如下：

第一步、确定并优化微纳过渡结构的形状、长度、取向；具体为：通过时域有限差分法、有限元法对光场模式在整个复合结构中的转换特性进行数值模拟，优化微纳过渡结构的形状、长度、取向，实现不同波导间的模式高效转换；所述的微纳过渡结构的长度L，取值为0～200μm。

第二步、固定标准单模光纤；具体为：将标准单模光纤固定在基板上，利用基板高度调整标准单模光纤的相对高度位置。

第三步、制备微纳过渡结构；利用激光三维直写技术，在固定好标准单模光纤的基板上滴光刻胶，在标准单模光纤一端刻写微纳过渡结构，并在微纳过渡结构之后刻写微纳波导；所述微纳过渡结构为“火焰刷”型或多项式型或横截面装换型，所述微纳波导横截面形状可具有圆形、矩形、多边形等横截面形状之一；

第四步、封装耦合器件；将连接好的第一波导、微纳过渡结构、第二波导封装在容器中，并在容器中填充折射率低于目标波导和过渡结构折射率的材料，这里选择的材料为空气或气凝胶。

本示例所述的基于光子引线键合技术的单模光纤-微纳波导之间模式高效耦合结构的设计步骤如下：

步骤一：锥形过渡区域的形貌。根据拟键合结构的光场模式及密度特性，可选择不同的过渡形貌，本示例采用“火焰刷”型微纳过渡结构的指数型形貌模型。

步骤二：依次建立单模光纤、微纳过渡结构和微纳波导三个结构，结构参数如上所述，置于同一高度的单模光纤和微纳波导相距150μm。相应的仿真模型如图4所示。

步骤三：考虑的传输波长为1550nm，考虑单模光纤基模和微纳波导基模之间的模式转换。

步骤四：提取模式转换效率。获取数值结果：模式从单模光纤到微纳波导的转换效率；本示例中，单模光纤与直径1μm的微纳波导(横截面为圆形)之间的基模耦合效率可达85％以上。当过渡结构与单模光纤的径向偏差为±2μm时，相应的基模耦合效率偏差仅为±15％，显示本结构具有较好的容差容忍度。

本示例阐述了单模光纤-微纳波导的模式耦合结构设计，其数值计算模拟的具体实施方式为：考虑微纳波导的横截面形状，通过调整过渡结构的形貌、长度等因素，在小于200μm的范围内，实现单模光纤和自定义微纳波导之间的模式高效耦合。通过调整单模光纤与复合结构的径向偏差距离d，得到不同偏差距离下的模式耦合效率，实现一定容差的键合结构。

本示例中单模光纤-微纳波导的过渡结构，继续优化过渡结构长度和形貌等因素，可在小于200μm的范围内，实现通讯用(1550nm波长)单模光纤到微纳波导器件的双向耦合效率≥90％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模式高效耦合器，其特征在于，包括第一波导、微纳过渡结构、第二波导；所述第二波导能自定义若干横截面形状，第一波导与微纳过渡结构第一端耦合，第二波导与微纳过渡结构第二端耦合，并将依次连接的第一波导、微纳过渡结构、第二波导封装在容器中。

2.根据权利要求1所述的一种模式高效耦合器，其特征在于，所述第一波导为标准单模光纤，所述第二波导为微纳波导。

3.根据权利要求2所述的一种模式高效耦合器，其特征在于，所述微纳波导其横截面直径为L，L≤2μm。

4.根据权利要求1所述的一种模式高效耦合器，其特征在于，所述微纳过渡结构长度为K，K取值范围为0～200μm。

5.根据权利要求4所述的一种模式高效耦合器，其特征在于，所述微纳过渡结构形貌模型为“火焰刷”型或多项式型或横截面装换型；其中，所述“火焰刷”型形貌微纳过渡结构，包括线性型、指数型、正弦型；所述横截面装换型形貌微纳过渡结构，根据微纳波导横截面形状，构建渐变横截面的微纳过渡结构。

6.根据权利要求1所述的一种模式高效耦合器，其特征在于，所述第一波导与第二波导和微纳过渡结构之间的耦合具体为：第一波导的光场模式与第二波导的光场模式经过微纳过渡结构相互耦合。

7.根据权利要求1所述的一种模式高效耦合器，其特征在于，所述容器中填充折射率低于目标波导和过渡结构折射率的材料。

8.根据权利要求7所述的一种模式高效耦合器，其特征在于，所述材料为空气或气凝胶。

9.一种模式高效耦合器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定并优化微纳过渡结构的形状、长度、取向；具体为：通过时域有限差分法、有限元法对光场模式在整个复合结构中的转换特性进行数值模拟，优化微纳过渡结构的形状、长度、取向，实现不同波导间的模式高效转换；

S2、固定第一波导；具体为：将第一波导固定在基板上，利用基板高度调整第一波导的相对高度位置；

S3、制备微纳过渡结构；在固定好第一波导的基板上滴光刻胶，在第一波导一端刻写微纳过渡结构，并在微纳过渡结构之后刻写第二波导；所述微纳过渡结构为“火焰刷”型或多项式型或横截面装换型，所述第二波导横截面为圆形或矩形或多边形；

S4、封装耦合器件；将连接好的第一波导、微纳过渡结构、第二波导封装在容器中，并在容器中填充折射率低于目标波导和过渡结构折射率的材料。

10.根据权利要求9所述的一种模式高效耦合器制备方法，其特征在于，所述刻写采用激光三维直写技术。

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