CN113376743B - 一种基于长周期光栅的模斑转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于长周期光栅的模斑转换器，应用于光通信和光波导器件领域，实现光波模式模斑尺寸的转换，本发明的模斑转换器包括：基底、缓冲层、高折射率波导芯、长周期光栅和低折射率上包层条形波导；所述缓冲层的一面与基底固定连接，其另一相对面与高折射率波导芯的一面固定连接；所述高折射率波导芯的另一相对面用于刻蚀，得到长周期光栅；所述高折射率波导芯的另一相对面和长周期光栅均与低折射率上包层条形波导固定连接；本发明解决了传统的纳米光子波导端面耦合模斑转换器结构复杂、制作难度大、技术成本高和长期稳定性差的问题。

Description

一种基于长周期光栅的模斑转换器
技术领域
本发明涉及光通信和光波导器件领域，具体涉及一种基于长周期光栅的模斑转换器。
背景技术
光通信技术为信息社会的构建提供了强大的技术支撑，而光波导器件则是实现光通信技术的必不可少的核心元器件，多年来，不同功能的光波导器件为光通信向更大容量、更加灵活、以及更加可靠的技术演进起着至关重要的作用。而近10年来兴起的硅光子技术与及铌酸锂薄膜光子技术则更是被视为推动光通信技术进一步发展的两大关键技术。但上述两种光子芯片的波导尺寸都较小，其波导的厚度与宽度通常都小于1微米，常称为微纳波导。当对这些光子芯片进行封装时，微纳波导与单模光纤(纤芯直径大约8微米)存在的较大的尺寸差异将导致较大的模场失配损耗，阻碍了芯片的实用化。解决这一问题的两种主流的办法是采用垂直耦合的光栅耦合器和采用端面耦合的模斑转换器。垂直光栅耦合器采用亚波长周期性结构，将光从几乎垂直放置在芯片平面上方的光纤耦合进/出芯片，并提供了相对宽松的对准容差。模斑转换器则通过匹配光束尺寸，绝热地增大光束直径以便将光信号自光纤耦合进/出芯片。尽管垂直光栅耦合器具有相对宽松的对准容差，但其带宽较窄，偏振相关损耗大，且会大幅增加芯片封装高度。而已报道的端面耦合模斑转换器也有许多不足的地方，比如都需要高精度的制作工艺以实现低至几十纳米的波导尖锥，部分工作甚至需要制作双层尖锥以实现高的耦合效率，存在锥形尖端的制作难度大，对准容差小，长期使用过程中容易因材料热膨胀导致较大的对准偏差，使得耦合效率下降。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于长周期光栅的模斑转换器解决了传统的纳米光子波导端面耦合模斑转换器结构复杂、制作难度大、技术成本高和长期稳定性差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于长周期光栅的模斑转换器，包括：基底、缓冲层、高折射率波导芯、长周期光栅和低折射率上包层条形波导；
所述缓冲层的一面与基底固定连接，其另一相对面与高折射率波导芯的一面固定连接；所述高折射率波导芯的另一相对面用于刻蚀，得到长周期光栅；所述高折射率波导芯的另一相对面和长周期光栅均与低折射率上包层条形波导固定连接。
进一步地，高折射率波导芯的类型包括：单模波导和多模波导，其结构的类型包括：脊型波导结构和矩形波导结构。
进一步地，刻蚀的工艺包括：电感耦合等离子体工艺。
进一步地，低折射率上包层条形波导的类型包括：单模波导和多模波导。
进一步地，低折射率上包层条形波导使用的材料的类型包括：折射率可调谐的氮氧化硅材料和固定折射率的聚合物材料。
上述进一步方案的有益效果为：这里条形上包层采用低折射率材料制作，例如折射率可调谐的氮氧化硅材料或固定折射率的聚合物材料，其支持的模场尺寸可优化到与单模光纤或高数值孔径光纤十分匹配，从而实现条形上包层波导与光纤间较高的耦合效率。
进一步地，长周期光栅包括：多个光刻栅体和多个凹槽；所述光刻栅体和凹槽的数量相同，并交叉成周期排列，一个光刻栅体和其相邻的一个凹槽构成一个周期。
进一步地，模斑转换器在输入的光信号的波长为1568nm时，选取高折射率波导芯的折射率nc＝2.211，低折射率上包层条形波导的折射率nc1＝1.571，缓冲层的折射率nb＝1.444，进而得到模斑转换器的各项尺寸：所述光刻栅体的芯层厚度h1＝0.6um，其宽度w1＝1um；所述高折射率波导芯上除长周期光栅所在处的其他位置的芯层厚度h2＝0.4um，所述低折射率上包层条形波导的宽度w2＝7um，其高度h3＝7um；所述长周期光栅上一个周期的长度d＝4.4um，其上刻蚀的凹槽的深度h4＝0.05um，所述凹槽与光刻栅体的宽度相同；所述长周期光栅的周期数为40，其光栅长度L＝176um。
上述进一步方案的有益效果为：模斑转换器基于光刻的关键结构尺寸均大于1微米，可采用普通的光刻机制作，从而大大降低器件的制作难度，具有对设备要求低，工艺简单，工艺容差大，参数易于控制的优点。
进一步地，在模斑转换器的输入端输入到低折射率上包层条形波导中光信号可以经长周期光栅耦合进入高折射率波导芯，成为该高折射率波导芯支持的模式。
本发明的模斑转换器的工作原理为：在输入端，输入光纤对准低折射率上包层条形波导的端面，将光信号自光纤高效耦合进入低折射率上包层条形波导，并在其中激发基模光信号，基模光信号的基模和高折射率波导芯的基模均与长周期光栅相位匹配，因而在该模斑转换器的输出端可完全耦合到高折射率波导芯，并进一步传输到达光子芯片，实现光信号自光纤到光子芯片的输入。考虑到光路可逆，该模斑转换器同样可将光子芯片输出的基模光信号完全耦合到低折射率上包层条形波导，并经由该低折射率上包层条形波导高效耦合到光纤，实现光信号自光子芯片到光纤的输出。
综上，本发明的有益效果为：
(1)、本发明的模斑转换器是在高折射率材料制作的光子芯片的输入/输出波导芯的上表面刻蚀一定长度的长周期光栅，再覆盖低折射率上包层，并将上包层制作成为条形结构，使其成为一个条形包层波导，通过光栅结构来实现该条形上包层波导的基模与高折射率波导芯的基模之间的完全耦合，提升了器件的光耦合效率。
(2)、本发明的模斑转换器利用低折射率上包层条形波导较大的模式尺寸来实现与光纤耦合时较大的对准容差和高的端面耦合效率，进一步增加整个器件的鲁棒性和光耦合效率。
(3)、在高折射率微纳光子波导芯上表面直接制作长周期光栅，相比传统的倒锥形模斑转换器，不需要严苛的工艺设备与条件，结构简单，且需要利用光刻定义的关键结构尺寸均大于1微米，可采用普通的光刻机制作，大大降低了器件的制作难度，对设备要求低，工艺容差大，参数易于控制。
附图说明
图1为本发明的模斑转换器的三维结构示意图；
图2为本发明的模斑转换器的侧视图(yz平面)；
图3为本发明的模斑转换器的俯视图(xz平面)；
图4为本发明的模斑转换器的垂直于光传输方向(z)的截面图(xy平面)；
图5为本发明中高折射率波导芯所支持的E11模式和低折射率上包层条形波导所支持的E11模式模场分布图；
图6为本发明中长周期光栅长度正好等于1568nm波长所需耦合长度时，高折射率波导芯的E11模式(core11.m00.tra)和低折射率上包层条形波导的E11模式(clad11.m00.tra)在工作波长为1.4μm到1.7μm范围内传输特性图；
图7为本发明的模斑转换器在工作波长为1568nm时的光传输图；
其中，1、基底；2、缓冲层；3、高折射率波导芯；4、长周期光栅；5、低折射率上包层条形波导；6、低折射率上包层条形波导所支持的E11模式的模场；7、高折射率波导芯所支持的E11模式的模场；41、光刻栅体；42、凹槽。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于长周期光栅的模斑转换器，包括：基底1、缓冲层2、高折射率波导芯3、长周期光栅4和低折射率上包层条形波导5；
所述缓冲层2的一面与基底1固定连接，其另一相对面与高折射率波导芯3的一面固定连接；所述高折射率波导芯3的另一相对面用于刻蚀，得到长周期光栅4；所述高折射率波导芯3的另一相对面和长周期光栅4均与低折射率上包层条形波导5固定连接。
高折射率波导芯3的类型包括：单模波导和多模波导，其结构的类型包括：脊型波导结构和矩形波导结构，在本实施例中，高折射率波导芯3采用了脊型波导结构。
在本实施例中，长周期光栅4可通过电感耦合等离子体或其它波导加工工艺刻蚀高折射率波导芯3的上表面得到。
低折射率上包层条形波导5的类型包括：单模波导和多模波导。
低折射率上包层条形波导5使用的材料的类型包括：折射率可调谐的氮氧化硅材料和固定折射率的聚合物材料。
长周期光栅4包括：多个光刻栅体41和多个凹槽42；所述光刻栅体41和凹槽42的数量相同，并交叉成周期排列，一个光刻栅体41和其相邻的一个凹槽42构成一个周期。
模斑转换器在输入的光信号的波长为1568nm时，选取高折射率波导芯3的折射率nc＝2.211，低折射率上包层条形波导5的折射率nc1＝1.571，缓冲层2的折射率nb＝1.444；进而得到本模斑转换器的各项尺寸：所述光刻栅体41的芯层厚度h1＝0.6um，其宽度w1＝1um；所述高折射率波导芯3上除长周期光栅4所在处的其他位置的芯层厚度h2＝0.4um，所述低折射率上包层条形波导5的宽度w2＝7um，其高度h3＝7um；所述长周期光栅4上一个周期的长度d＝4.4um，其上刻蚀的凹槽42的深度h4＝0.05um，所述凹槽42与光刻栅体41的宽度相同，即占空比为0.5；所述长周期光栅4的周期数为40，其光栅长度L＝176um。
本发明的模斑转换器的工作过程：模斑转换器在输入端，光纤对准低折射率上包层条形波导5的端面，激发出的基模光信号传输到长周期光栅4结构时，由于满足耦合条件被逐渐耦合到高折射率波导芯3，经过一个耦合长度L，低折射率上包层条形波导5的基模光信号被完全耦合到高折射率波导芯3，并在高折射率波导芯3中稳定地传输进入光子芯片(连接图1输出端，图中未示意)，从而实现将光信号输入到光子芯片；由于光路可逆，来自光子芯片传输到高折射率波导芯3的基模光信号经过一个耦合长度L的长周期光栅4传输后，被完全耦合到低折射率上包层条形波导5，并经低折射率上包层条形波导5耦合到光纤，从而实现光信号自芯片的输出。
模斑转换器可以基于绝缘体上的铌酸锂薄膜，绝缘体上的硅，绝缘体上的氮化硅(但不限于这三种)等各种高折射率光波导材料平台实现。
软件模拟本发明的模斑转换器的性能：
通过BPM软件计算了光信号在模斑转换器中的传输特性，其结果如图6与7所示。其中图6显示了一个光栅耦合长度内，高折射率波导芯的E11模式(core11.m00.tra)和低折射率上包层条形波导的E11模式(clad11.m00.tra)在工作波长为1.4μm到1.7μm范围内的耦合效率，可以看出在中心工作波长1568nm处，光信号可以在上述两个E11模式间高效率的耦合。图7显示了自光纤耦合进入模斑转换器的低折射率上包层条形波导5的1568nm的光信号的传输特性，其结果显示光信号可以高效地耦合到高折射率波导芯3中传输。
综上，本发明提出了一种基于长周期光栅的模斑转换器，该发明在确保较高的耦合效率的前提下，降低了对模斑转换器制作设备的要求，从而降低了器件的制作成本，具有很好的实际应用价值。

Claims (5)

1.一种基于长周期光栅的模斑转换器，其特征在于，从下到上依次包括：基底（1）、缓冲层（2）、高折射率波导芯（3）、长周期光栅（4）和低折射率上包层条形波导（5）；
所述缓冲层（2）的一面与基底（1）固定连接，其另一相对面与高折射率波导芯（3）的一面固定连接；所述高折射率波导芯（3）的另一相对面用于刻蚀，得到长周期光栅（4）；所述高折射率波导芯（3）的另一相对面和长周期光栅（4）均与低折射率上包层条形波导（5）固定连接；所述低折射率上包层条形波导（5）包裹长周期光栅（4），所述低折射率上包层条形波导（5）对准光纤；
所述低折射率上包层条形波导（5）用于将光纤激发出的基模光信号传输至长周期光栅（4），所述长周期光栅（4）用于将输入的基模光信号耦合传输至高折射率波导芯（3），所述高折射率波导芯（3）用于将输入的基模光信号稳定传输进入光子芯片。
2.根据权利要求1所述的基于长周期光栅的模斑转换器，其特征在于，所述高折射率波导芯（3）的类型为脊型波导结构。
3.根据权利要求1所述的基于长周期光栅的模斑转换器，其特征在于，所述刻蚀的工艺包括：电感耦合等离子体工艺。
4.根据权利要求1所述的基于长周期光栅的模斑转换器，其特征在于，所述长周期光栅（4）包括：多个光刻栅体（41）和多个凹槽（42）；所述光刻栅体（41）和凹槽（42）的数量相同，并交叉成周期排列，一个光刻栅体（41）和其相邻的一个凹槽（42）构成一个周期。
5.根据权利要求4所述的基于长周期光栅的模斑转换器，其特征在于，在模斑转换器的输入端输入到低折射率上包层条形波导（5）中光信号经长周期光栅（4）耦合进入高折射率波导芯（3），成为该高折射率波导芯（3）支持的模式。
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