CN113359238B - 基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器。高臂波导由依次相连的输入宽直波导、锥形耦合波导组与输出窄弯曲波导组成，矮臂波导由依次相连的输入窄弯曲波导、锥形耦合波导组与输出锥形波导组成；高臂波导宽度逐渐减小，矮臂波导宽度逐渐增大；两臂波导开始存在一定距离，随后高臂波导与矮臂波导之间的间距逐渐接近到间距保持不变再到增大间距；横电基模与横磁基模由高臂输入波导输入，在两臂波导中演化形成超模，最终耦合至矮臂波导中，经由锥形波导输出，与光纤进行端面耦合。本发明能够有效扩大模斑尺寸，具有带宽大、容差大、结构紧凑等优点。

Description

基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器

技术领域

本发明涉及了一种片上波导光纤端面耦合器，尤其涉及了实现高耦合效率大带宽的一种基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器。

背景技术

波导光纤耦合器是指将模式从光纤耦合至片上光波导中，其实质是一个模斑转换器，将光纤中的较大模斑转换成波导中的较小模斑。随着片上光通信技术的不断发展，对于能够有效将芯片上的光信号耦合至光纤中的需求日益增长。

在波导光纤耦合器的性能要求方面，一方面其对于高的耦合效率有着很高的要求，这样可以满足于各通信系统的需求；另一方面，要求片上波导光纤耦合器有着大的带宽与容差；此外低的串扰也是一项很重要的指标，可以尽可能的提升系统的信噪比。

现有的片上波导光纤耦合器大多采用以下方案。采用光栅耦合的方案：此方案虽然可以实现较简易的耦合，便于晶圆测试及封装，并且对工艺的要求并非很高，但是由于其物理机制的限制，很难实现偏振不敏感，且带宽很小，耦合效率难以上升到一个新高度。而对于目前常用的端面耦合方案，受限于工艺水平，只能实现宽度方向上渐变的耦合，即传统的锥形波导，而无法很好地实现高度方向上变化的耦合结构。近年来也陆续有一些能够实现高度方向上渐变的耦合结构，例如对于新提出的双层锥形波导结构虽然可以在高度上减小对模斑的限制，但是受限于工艺精度，在上层锥形波导末端由于宽度不够窄而存在突变，从而造成模式在传输过程中存在不可忽略的损耗。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种支持高耦合效率、大带宽、大容差、低串扰的片上波导光纤端面耦合结构，能将光纤中的模式有效耦合进片上光波导中，具有重要的应用价值。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括高臂波导和矮臂波导；高臂波导包括高臂输入宽直波导、高臂锥形耦合波导组和高臂输出S形窄弯曲波导，高臂输入宽直波导的输出端经高臂锥形耦合波导组和高臂输出S形窄弯曲波导连接；矮臂波导包括矮臂输入S形窄弯曲波导、矮臂锥形耦合波导组和矮臂输出锥形波导，矮臂输入S形弯曲窄波导的输出端经矮臂锥形耦合波导组和矮臂输出锥形波导连接；高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组相靠近布置，且高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组之间的间距相同，高臂波导的波导厚度大于矮臂波导的厚度，高臂锥形耦合波导组的波导宽度沿波导传输方向逐渐减小，矮臂锥形耦合波导组的波导宽度沿波导传输方向逐渐增大。

所述的高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组沿波导传输方向均依次分为三个子锥形波导，三个子锥形波导连续依次连接，在连接后的一侧面平齐形成同一侧平面，在连接后的另一侧面分别为具有各自锥形斜度的侧斜面。

所述的高臂锥形耦合波导组的侧平面和矮臂锥形耦合波导组的侧平面相正对平行布置，使得沿波导传输方向的各处间距相同。

所述的矮臂输出锥形波导主要由沿波导传输方向依次布置的直波导段和锥形波导段连接构成。

所述的高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组构成了耦合区，所述的高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组各自中最靠近高臂输入宽直波导的子锥形波导构成了横电基模耦合区，高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组各自中最靠近矮臂输出锥形波导的子锥形波导构成了横磁基模耦合区。

所述的横电基模经高臂输入宽直波导输入并传输至高臂锥形耦合波导组中的第一个子锥形波导后，随着高臂波导的宽度逐渐减小与矮臂波导的宽度逐渐增大，横电基模不再完全被束缚在高臂波导中，而是逐渐演化成横电基模耦合区中由高臂锥形耦合波导组中的第一个子锥形波导与矮臂锥形耦合波导组中的第一个子锥形波导构成截面所支持的超模，并在横电基模耦合区内耦合至矮臂锥形耦合波导组中的第一个子锥形波导中，然后横电基模再继续向前传输经过过渡区、横磁基模耦合区、输出区时，一直保持在矮臂波导中传输；

所述的横磁基模经高臂输入宽直波导输入并传输至高臂锥形耦合波导组中的第三个子锥形波导后，随着高臂波导的宽度逐渐减小与矮臂波导的宽度逐渐增大，横磁基模不再完全被束缚在高臂波导中，而是逐渐演化成横磁基模耦合区中由高臂锥形耦合波导组中的第三个子锥形波导与矮臂锥形耦合波导组中的第三个子锥形波导构成截面所支持的超模，并在横磁基模耦合区内耦合至矮臂锥形耦合波导组中的第三个子锥形波导中，然后横磁基模再继续向前传输经过输出区时，一直保持在矮臂波导中传输。

所述耦合区中的各个锥形组合波导及其中的子锥形波导均满足绝热条件，即输入的横电基模或横磁基模通过后不会激发新的模式，可保证特定模式的高效耦合。特定模式即指的横电基模与横磁基模。

首先根据两高度波导各自的色散曲线确定横电基模或横磁基模在两根波导(是指设置好该结构中每一段子波导的宽度后，扫描该结构每一段子锥形波导对的长度。一个子波导对包含一段高臂波导与一段矮臂波导。例如，横电基模耦合区就是由一个子锥形波导对组成；输入区由两个子波导对组成。)中各自的有效折射率相等的范围，然后再根据高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组组成的耦合区所支持的超模是否符合预期的光场局域性确定横电基模及横磁基模的耦合区中高臂锥形耦合波导组和矮臂锥形耦合波导组宽度。在宽度设置好后，再分别扫描每一段波导的长度，使其满足绝热条件，从而不激发新的模式。

扫描每一段波导的长度是指每一段子波导的宽度确定好后，设置子波导对的不同的长度值(例如：长度分别设置为10um、11um、12um、……、100um)，得到不同长度下的耦合效率(即透过率)，其实就是得到耦合效率随波导长度的变化曲线(随着波导长度变大，耦合效率先上升，后趋于稳定。当波导足够长时，其满足绝热条件，不激发新的模式，此时耦合效率达到最大。但又因为需要实现紧凑结构，所以长度也不能太长，因此需要通过这个变化曲线来确定合适的长度)以上是对其中一段子波导对的一次长度扫描。例如本结构中共可分为7段子波导对(输入区2段，耦合区3段，输出区2段)，则需要做7次长度扫描。

所述的高臂输入宽直波导、高臂锥形耦合波导组、高臂输出S形窄弯曲波导、矮臂输入S形窄弯曲波导、矮臂锥形耦合波导组和矮臂输出锥形波导均通过半导体工艺集成在同一硅衬底上。

本发明利用模式演化实现模式在不同高度的波导之间的耦合，可用于模分复用、无源光通信等系统，具有高耦合效率、大带宽、大容差、低串扰等优点。

本发明的耦合效率是指横电基模(或横磁基模)经过该耦合结构传输后的透过率以及耦合器端面与光纤端面的模式重叠因子，更高的耦合效率意味着模式能够平顺地从厚度较大的波导转移至厚度较小的波导，并且输出的模斑尺寸能够较好地与光纤端面所支持的模式匹配，反之亦然。工艺制造容差是指波导在制作过程中的展宽对器件耦合效率的影响，一般为耦合效率下降至50％时所对应的波导展宽程度。对准容差是指耦合器中心距光纤纤芯的偏移量大小对端面模式重叠因子的影响程度。

本发明具有的有益效果是：

本发明设置不同宽度、不同高度的锥形波导组合，使横电基模(或横磁基模)分别在不同的宽度区域耦合，在保证原有耦合效率的同时使得器件更加紧凑。

本发明能够实现横电基模(或横磁基模)在两根高度不同的波导间的低损耗耦合，在高度方向上有效扩大模斑尺寸，具有带宽大、容差大、低串扰、结构紧凑等优点。

附图说明

图1是本发明的实施例示意图；

图2是实施例中绝热锥形组合波导的结构示意图；

图3是实施例中耦合区输入端的端面图；

图4是实施例中的光谱图；

图5是实施例中的工艺制造容差图；

图6是实施例中的对准容差图。

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，具体实施包括高臂波导和矮臂波导。

高臂波导包括高臂输入宽直波导1、高臂锥形耦合波导组2和高臂输出S形窄弯曲波导3，高臂输入宽直波导1的输出端经高臂锥形耦合波导组2和高臂输出S形窄弯曲波导3连接；高臂输入直波导1的输出端与高臂锥形耦合波导组2相连，锥形组合波导2后接高臂输出S形弯曲波导3，高臂输出S形弯曲波导3朝向远离高臂波导方向弯曲，能防止模式再次从矮臂波导耦合回高臂波导中。

矮臂波导包括矮臂输入S形窄弯曲波导4、矮臂锥形耦合波导组5和矮臂输出锥形波导6，矮臂输入S形弯曲窄波导4的输出端经矮臂锥形耦合波导组5和矮臂输出锥形波导6连接；通过矮臂输入S型弯曲波导4使矮臂波导靠近高臂波导。

高臂输入宽直波导1、高臂锥形耦合波导组2、高臂输出S形窄弯曲波导3、矮臂输入S形窄弯曲波导4、矮臂锥形耦合波导组5、矮臂输出锥形波导6均通过半导体工艺集成在同一硅衬底上。

高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5相靠近布置，且高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5之间的间距相同，如图3所示，高臂波导的波导厚度大于矮臂波导的厚度，即高臂波导的上表面高度高于矮臂波导的上表面，高臂锥形耦合波导组2的波导宽度沿波导传输方向逐渐减小，矮臂锥形耦合波导组5的波导宽度沿波导传输方向逐渐增大。高臂锥形耦合波导组2的三个子锥形波导的始、末端宽度沿波导传输方向逐渐减小，矮臂锥形耦合波导组5的三个子锥形波导的始、末端宽度沿波导传输方向逐渐增大。

高臂波导和矮臂波导的两臂波导开始存在一定距离，随后高臂波导与矮臂波导逐渐接近，耦合区内两波导间距保持不变；当耦合完成后，两臂波导再通过S型弯曲输出波导增大间距。

如图2所示，高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5沿波导传输方向均依次分为三个不同锥形斜度的子锥形波导，三个子锥形波导连续依次连接，在连接后的一侧面平齐形成同一侧平面，在连接后的另一侧面分别为具有各自锥形斜度的不平行于侧平面的侧斜面。

高臂锥形耦合波导组2的三个子锥形波导的总体宽度/平均宽度沿波导传输方向依次递减，且相邻子锥形波导在之间连接处的波导宽度相一致，高臂锥形耦合波导组2的第一个子锥形波导的波导宽度和高臂输入直波导1输出端的波导宽度相同，高臂锥形耦合波导组2的第三个子锥形波导的波导宽度和高臂输出S形弯曲波导3输入端的波导宽度相同。

矮臂锥形耦合波导组5的三个子锥形波导的总体宽度/平均宽度沿波导传输方向依次递减，且相邻子锥形波导在之间连接处的波导宽度相一致，矮臂锥形耦合波导组5的第一个子锥形波导的波导宽度和矮臂输入S形窄弯曲波导4输出端的波导宽度相同，矮臂锥形耦合波导组5的第三个子锥形波导的波导宽度和矮臂输出锥形波导6输入端的波导宽度相同。

高臂锥形耦合波导组2的侧平面和矮臂锥形耦合波导组5的侧平面相正对平行布置，使得沿波导传输方向的各处间距相同，高臂锥形耦合波导组2的侧斜面和矮臂锥形耦合波导组5的侧斜面背对布置。矮臂输出锥形波导6主要由沿波导传输方向依次布置的直波导段和锥形波导段连接构成。

高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5构成了耦合区，高臂锥形耦合波导组2与矮臂锥形耦合波导组5共同组成横电基模耦合区与横磁基模耦合区。高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5各自中最靠近高臂输入宽直波导1的子锥形波导构成了横电基模耦合区，高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5各自中最靠近矮臂输出锥形波导6的子锥形波导构成了横磁基模耦合区，不属于横电基模耦合区与横磁基模耦合区的高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5各自中的子锥形波导构成了过渡区，高臂输出S形窄弯曲波导3与矮臂输出锥形波导6构成了输出区。

横电基模经高臂输入宽直波导1输入并传输至高臂锥形耦合波导组2中的第一个子锥形波导后，随着高臂波导的宽度逐渐减小与矮臂波导的宽度逐渐增大，横电基模不再完全被束缚在高臂波导中，而是逐渐演化成横电基模耦合区中由高臂锥形耦合波导组2中的第一个子锥形波导与矮臂锥形耦合波导组5中的第一个子锥形波导构成截面所支持的超模，并在横电基模耦合区内耦合至矮臂锥形耦合波导组5中的第一个子锥形波导中，然后横电基模再继续向前传输经过过渡区、横磁基模耦合区、输出区时，一直保持在矮臂波导中传输；

横磁基模经高臂输入宽直波导1输入并传输至高臂锥形耦合波导组2中的第三个子锥形波导后，随着高臂波导的宽度逐渐减小与矮臂波导的宽度逐渐增大，横磁基模不再完全被束缚在高臂波导中，而是逐渐演化成横磁基模耦合区中由高臂锥形耦合波导组2中的第三个子锥形波导与矮臂锥形耦合波导组5中的第三个子锥形波导构成截面所支持的超模，并在横磁基模耦合区内耦合至矮臂锥形耦合波导组5中的第三个子锥形波导中，然后横磁基模再继续向前传输经过输出区时，一直保持在矮臂波导中传输。

矮臂输出锥形波导6连接到光纤，实际应用的时候，光既可以从波导耦合至光纤，也可以从光纤耦合至波导，此处只是为了便于说明而规定了一个光的传输方向。以图中从左到右的从波导耦合至光纤的光传输方向为例，随着矮臂输出锥形波导6的宽度逐渐减小，最开始输入耦合器的横电基模和横磁基模的模斑均先径向尺寸逐渐减小，随后在矮臂输出锥形波导6中传输截止，然后在矮臂输出锥形波导6中径向尺寸逐渐增大，并在输出端与光纤端面耦合，光纤连接在矮臂输出锥形波导6右边输出端。

随着矮臂输出锥形波导6的宽度逐渐减小，最开始输入耦合器的横电基模和横磁基模的模斑均先径向尺寸逐渐减小，此时横电基模与横磁基模仍主要分布在波导芯层中；随后横电基模与横磁基模继续往前传输，并在矮臂输出锥形波导6中传输截止，此时横电基模与横磁基模大部分分布在波导芯层外，这两个模式的模斑径向尺寸逐渐增大。传输至耦合器输出端端面的横电基模与横磁基模将与光纤进行端面耦合。

在横磁基模耦合区的高臂波导输出端后连接一段S型弯曲波导3以增大高臂波导与矮臂波导的间距，能防止横磁基模再次耦合回高臂波导中。

由高臂输入波导1控制输入的模式为横电基模和横磁基模，由矮臂输出锥形波导6控制输出的模式为横电基模或横磁基模。

具体实施中，首先分别绘制高度为220nm的波导与高度为150nm的波导的色散曲线即横电基模与横磁基模的模式折射率随波导宽度的变化曲线，根据色散曲线确定高臂波导的宽度范围与矮臂波导的宽度范围，使得在该范围内，横电基模(横磁基模)在高臂波导(高度为220nm的波导)中的有效折射率与矮臂波导(高度为150nm的波导)中的有效折射率相同，然后再根据高臂锥形耦合波导组2和矮臂锥形耦合波导组5组成的耦合区所支持的不同位置上的横截面所支持的超模是否符合预期的光场局域性来确定横电基模耦合区以及横磁基模耦合区中各子锥形波导的始端与末端宽度。例如，对于横电基模而言，在横电基模耦合区的始端，该模式主要被限制在高臂锥形耦合波导组2的第一个子锥形波导中；在横电基模耦合区的末端，该模式主要被限制在矮臂锥形耦合波导组5的第一个子锥形波导中。对于横磁基模而言，在横磁基模耦合区的始端，该模式主要被限制在高臂锥形耦合波导组2的第三个子锥形波导中；在横磁基模耦合区的末端，该模式主要被限制在矮臂锥形耦合波导组5的第三个子锥形波导中。

选取好高臂锥形耦合波导组2与矮臂锥形耦合波导组5中各子锥形波导的始端与末端宽度后，使用Lumerical Mode Solutions软件中的EME求解器分别扫描所有锥形波导段的长度，使其满足绝热条件，从而不激发新的模式。

在横电基模耦合区/横磁基模耦合区的起始端，横电基模/横磁基模主要被限制在高臂波导中；在横电基模耦合区/横磁基模耦合区的末端，矮臂波导的宽度应足够大，使横电基模/横磁基模能够主要被限制在矮臂波导中。

高臂锥形耦合波导组2的第一(三)个子锥形波导的始端宽度应足够小，矮臂锥形耦合波导组5的第一(三)个子锥形波导的始端宽度应足够大，使横电(磁)基模能够主要被限制在高臂波导中；高臂锥形耦合波导组2的第一(三)个子锥形波导的末端宽度应足够小，矮臂锥形耦合波导组5的第一(三)个子锥形波导的末端宽度应足够大，使横电磁基模能够主要被限制在矮臂波导中。

下面说明本发明作为高效率大带宽的端面耦合器的工作过程：

A横电基模

横电基模由高臂输入宽直波导1输入，当传输至横电基模耦合区时，高臂锥形耦合波导组2第一个子锥形波导的宽度逐渐减小即子锥形波导的末端宽度比始端宽度小，而矮臂锥形耦合波导组5第一个子锥形波导的宽度逐渐增大，输入的横电基模在高臂锥形耦合波导组2中的传输逐渐截止，并演化形成超模。当矮臂锥形耦合波导组5第一个子锥形波导的宽度足够大时，此时单独考虑一根矮臂波导即高度为150nm的波导时该波导横截面所支持的横电基模的有效折射率比单独考虑一根高臂波导即高度为220nm的波导时该波导所支持的横电基模的有效折射率大，此时横电基模完全演化至矮臂波导中。

当横电基模继续向前传输至横磁基模耦合区时，由于此时横电基模已经被完全限制在矮臂波导中，因此其会继续在矮臂波导中传输，此时横磁基模耦合区对横电基模而言相当于只有一根矮臂波导的区域，高臂波导部分不起作用。

当传输至输出区域时，随着矮臂输出锥形波导6的宽度逐渐减小，横电基模的模斑先减小，然后当矮臂输出锥形波导6的宽度小到使横电基模在里面截止后，模斑便进一步扩大。在锥形波导的输出端，演化成一个大模斑的横电基模。此时再将该耦合器的端面与光纤端面所支持的横电基模进行耦合，能够有效提高其端面耦合效率。

B)横磁基模

横磁基模由高臂输入宽直波导1输入，其首先会传输至横电基模耦合区。对于横磁基模而言，此时横电基模耦合区的高臂锥形波导所支持的横磁基模的有效折射率远大于矮臂锥形波导所支持的横磁基模的有效折射率，因此横磁基模会被限制在高臂波导中，其会继续在高臂波导中传输，此时横电基模耦合区对横磁基模而言相当于只有一根高臂波导的区域，矮臂波导部分不起作用。

当传输至横磁基模耦合区时，在横磁基模耦合区的输入端，横磁基模演化形成的超模光场主要分布在高臂波导一侧，并且此时高臂波导所支持的横磁基模的有效折射率大于矮臂波导所支持的横磁基模的有效折射率；而在横磁基模耦合区的输出端，横磁基模演化形成的超模光场主要分布在矮臂波导一侧，并且此时高臂波导所支持的横磁基模的有效折射率小于矮臂波导所支持的横磁基模的有效折射率，因此横磁基模经过其对应耦合区后，会从高臂波导耦合至矮臂波导中。耦合完成后，横磁基模继续传输至输出区，随着矮臂输出锥形波导6宽度减小，横磁基模的模斑先减小，当其在波导中截止后，模斑便进一步扩大。在锥形波导的输出端，演化成一个大模斑的横磁基模，并与光纤端面所支持的横磁基模进行耦合，其端面耦合效率与以前相比有较大提高。

本发明具体实施例如下：

选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，高臂波导厚度为220nm、折射率为3.5068；矮臂波导厚度为150nm、折射率为3.5068，其下包层、上包层材料均为SiO₂，厚度为2μm、折射率为1.444。考虑中心波长为1310nm，模式数为2，包含横电基模与横磁基模，器件结构图如图1所示。

对于高臂输入宽直波导1选取宽度为0.38μm，长度为10μm；矮臂输入S形窄弯曲波导4的始、端宽度均为0.18μm，以满足目前大多数工艺需求。矮臂输入S形窄弯曲波导4长度为10μm。

在耦合区前，有一段起过渡作用的连接锥形波导，其中高臂波导两端宽度分别为0.38μm和0.29μm，长度为5μm；矮臂波导两端宽度分别为0.18μm和0.35μm，长度为5μm。对于横电基模耦合区，根据超模色散曲线以及截面上的超模的光场局域特性，可确定高臂锥形耦合波导组2中的三个子锥形波导的始、末端宽度(w1,w2)分别为(0.29μm,0.27μm)、(0.27μm,0.18μm)、(0.18μm,0.18μm)；矮臂锥形耦合波导组(5)中的三个子锥形波导的始、末端宽度(w1,w2)分别为(0.35μm,0.37μm)、(0.37μm,0.71μm)、(0.71μm,1.6μm)。三个子锥形波导的长度(L1,L2,L3)为(15μm,20μm,40μm)。

对于输出区，高臂输出S形窄弯曲波导3的始、末端宽度均为0.18μm，波导长度为50μm；矮臂输出锥形波导6中第一段矮臂输出直波导宽度为1.6μm，长度为50μm；第二段输出锥形波导始、末端宽度分别为1.6μm、0.18μm，波导长度为115μm。

经仿真验证，本发明在1310nm工作波长下横电基模能够实现小于0.06dB的片上模式转换效率，与小模场光纤UHNA1的模场重叠积分约为-2.03dB；横磁基模能够实现小于0.1dB的片上模式转换效率，与小模场光纤UHNA1的模场重叠积分约为-1.15dB。工作带宽大于500nm，如图4；制作工艺容差±20nm，如图5；对准容差约为±1μm，如图6。

由此实施可见，本发明将横电基模与横磁基模从厚度为220nm的单模波导耦合至厚度为150nm的单模波导，进而与光纤进行端面耦合，能够有效扩大模斑尺寸，具有带宽大、容差大、结构紧凑等优点。

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 (5)

1.一种基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器，其特征在于：包括高臂波导和矮臂波导；高臂波导包括高臂输入宽直波导（1）、高臂锥形耦合波导组（2）和高臂输出S形窄弯曲波导（3），高臂输入宽直波导（1）的输出端经高臂锥形耦合波导组（2）和高臂输出S形窄弯曲波导（3）连接；矮臂波导包括矮臂输入S形窄弯曲波导（4）、矮臂锥形耦合波导组（5）和矮臂输出锥形波导（6），矮臂输入S形窄弯曲波导（4）的输出端经矮臂锥形耦合波导组（5）和矮臂输出锥形波导（6）连接；高臂锥形耦合波导组（2）和矮臂锥形耦合波导组（5）相靠近布置，且高臂锥形耦合波导组（2）和矮臂锥形耦合波导组（5）之间的间距相同，高臂波导的波导厚度大于矮臂波导的厚度，高臂锥形耦合波导组（2）的波导宽度沿波导传输方向逐渐减小，矮臂锥形耦合波导组（5）的波导宽度沿波导传输方向逐渐增大；

所述的高臂锥形耦合波导组（2）和矮臂锥形耦合波导组（5）沿波导传输方向均依次分为三个子锥形波导，三个子锥形波导连续依次连接，在连接后的一侧面平齐形成同一侧平面，在连接后的另一侧面分别为具有各自锥形斜度的侧斜面；

所述的高臂锥形耦合波导组（2）和矮臂锥形耦合波导组（5）构成了耦合区，所述的高臂锥形耦合波导组（2）和矮臂锥形耦合波导组（5）各自中最靠近高臂输入宽直波导（1）的子锥形波导构成了横电基模耦合区，高臂锥形耦合波导组（2）和矮臂锥形耦合波导组（5）各自中最靠近矮臂输出锥形波导（6）的子锥形波导构成了横磁基模耦合区。

2.根据权利要求1所述的一种基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器，其特征在于：所述的高臂锥形耦合波导组（2）的侧平面和矮臂锥形耦合波导组（5）的侧平面相正对平行布置，使得沿波导传输方向的各处间距相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器，其特征在于：所述的矮臂输出锥形波导（6）主要由沿波导传输方向依次布置的直波导段和锥形波导段连接构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器，其特征在于：所述的横电基模经高臂输入宽直波导（1）输入并传输至高臂锥形耦合波导组（2）中的第一个子锥形波导后，随着高臂波导的宽度逐渐减小与矮臂波导的宽度逐渐增大，横电基模不再完全被束缚在高臂波导中，而是逐渐演化成横电基模耦合区中由高臂锥形耦合波导组（2）中的第一个子锥形波导与矮臂锥形耦合波导组（5）中的第一个子锥形波导构成截面所支持的超模，并在横电基模耦合区内耦合至矮臂锥形耦合波导组（5）中的第一个子锥形波导中，然后横电基模再继续向前传输经过过渡区、横磁基模耦合区、输出区时，一直保持在矮臂波导中传输；

所述的横磁基模经高臂输入宽直波导（1）输入并传输至高臂锥形耦合波导组（2）中的第三个子锥形波导后，随着高臂波导的宽度逐渐减小与矮臂波导的宽度逐渐增大，横磁基模不再完全被束缚在高臂波导中，而是逐渐演化成横磁基模耦合区中由高臂锥形耦合波导组（2）中的第三个子锥形波导与矮臂锥形耦合波导组（5）中的第三个子锥形波导构成截面所支持的超模，并在横磁基模耦合区内耦合至矮臂锥形耦合波导组（5）中的第三个子锥形波导中，然后横磁基模再继续向前传输经过输出区时，一直保持在矮臂波导中传输。

5.根据权利要求1所述的一种基于模式演化的两臂不等高非对称波导光纤端面耦合器，其特征在于：所述的高臂输入宽直波导（1）、高臂锥形耦合波导组（2）、高臂输出S形窄弯曲波导（3）、矮臂输入S形窄弯曲波导（4）、矮臂锥形耦合波导组（5）和矮臂输出锥形波导（6）均通过半导体工艺集成在同一硅衬底上。

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