CN113671626A - 平面波导光路器件及光连接转换器 - Google Patents

平面波导光路器件及光连接转换器 Download PDF

Info

Publication number
CN113671626A
CN113671626A CN202010402033.4A CN202010402033A CN113671626A CN 113671626 A CN113671626 A CN 113671626A CN 202010402033 A CN202010402033 A CN 202010402033A CN 113671626 A CN113671626 A CN 113671626A
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
segmented
optical
tapered
straight
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.)
Pending
Application number
CN202010402033.4A
Other languages
English (en)
Inventor
王谦
吴文鹏
李志伟
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.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
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 Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Priority to CN202010402033.4A priority Critical patent/CN113671626A/zh
Publication of CN113671626A publication Critical patent/CN113671626A/zh
Pending legal-status Critical Current

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
    • G02B6/12—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
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • 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
    • 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
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated 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
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • 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
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
    • 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
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12107—Grating
    • 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

Abstract

本申请提供一种平面波导光路器件及光连接转换器，可以应用于光器件技术领域的硅光芯片的耦合封装。该平面波导光路器件包括波导结构，波导结构包括依次连接的直波导、锥形波导以及分段波导；直波导用于对接光纤，分段波导用于对接硅光芯片的光栅；锥形波导用于连接直波导的一端的尺寸与直波导尺寸相匹配，锥形波导用于连接分段波导的一端的尺寸与分段波导尺寸相匹配；锥形波导的截面尺寸自直波导指向所述分段波导逐渐增大。该平面波导光路器件能够将用于对接光纤的模场直径扩大至用于对接硅光芯片上光栅的模场直径，可以提高平面波导光路器件与硅光芯片光栅的耦合效率，增加平面波导光路器件与硅光芯片之间的对接容差，满足二者之间的耦合要求。

Description

平面波导光路器件及光连接转换器
技术领域
本申请涉及光器件技术领域，尤其涉及到一种平面波导光路器件及光连接转换器。
背景技术
硅光芯片是一种在光通信领域拥有广泛应用前景的光学芯片，具有高集成度、高传输带宽、低功耗等优点。
在硅光芯片的耦合封装时，硅光芯片需要对接单模光纤，而目前的封装技术中二者之间的对接容差极小，一般要求小于2μm。为了取得这样的对准要求，硅光芯片和光纤之间的对接可以采用有源耦合对接。在有源耦合对接中，需要将光信号通过光纤输入到硅光芯片中，并通过监控输入到硅光芯片的光功率，来实时校准光纤与硅光芯片耦合对接的相对位置，这种方式生产效率低下，成本较高。为了降低硅光芯片耦合封装的成本，可以采用无源耦合的对接方式，而想要实现无源耦合，必须增大硅光芯片与光纤的耦合对接容差，途径之一便是增大硅光芯片和单模光纤的MFD(Mode Field Diameter，光纤模场直径)，更大的模场直径拥有更大的耦合容差。
目前一种硅光芯片与光纤无源耦合的结构采用光栅与热扩散光纤耦合对接的方式，虽然可以满足无源耦合的容差要求，但是其成本高且不利于实现高密耦合。
发明内容
本申请提供了一种平面波导光路器件及光连接转换器，以满足硅光芯片与单模光纤的无源耦合对接的高容差要求。
第一方面，本申请提供了一种平面波导光路器件，平面波导光路器件包括波导结构，此处的波导结构用于连接耦合光纤以及硅光芯片；具体在耦合硅光芯片时，在硅光芯片上形成有光栅，波导结构是与硅光芯片上的光栅耦合，可以提高对准容差，满足无源耦合的容差要求。该波导结构包括依次连接的直波导、锥形波导和分段波导，此处的直波导用于对接上述光纤，对应地，分段波导用于对接上述硅光芯片上的光栅；其中，锥形波导为截面渐变结构，其用于连接直波导的一端的尺寸与直波导尺寸相匹配，用于连接分段波导的一端的尺寸与分段波导的尺寸相匹配，并且，锥形波导的截面尺寸自直波导指向分段波导逐渐增大，光线在通过锥形波导和分段波导时，能够在垂直于锥形波导延伸方向的面上实现传输模场的扩束，最终将平面波导光路器件的模场直径自连接光纤一端的模场直径转换为连接硅光芯片一端的模场直径。
上述平面波导光路器件将波导结构设置为依次连接的直波导、锥形波导以及分段波导，能够将用于对接光纤的模场直径扩大至用于对接硅光芯片上光栅的模场直径，可以提高平面波导光路器件与硅光芯片光栅的耦合效率，增加平面波导光路器件与硅光芯片之间的对接容差，满足二者之间的耦合要求，应用到连接光纤与硅光芯片时，可以实现硅光芯片与光纤之间的无源耦合对接。
根据上述技术方案，锥形波导的截面沿锥形波导的延伸方向渐变，整个锥形波导沿延伸方向的外形线可以为直线也可以是曲线，此处并不限定。而在锥形波导的外观结构上，可以有多种实现方式。
在一种可能实现的方式中，沿上述直波导指向分段波导的方向，锥形波导第一方向的尺寸逐渐增大，锥形波导第二方向的尺寸不变，其中，第一方向垂直于第二方向，且第一方向和第二方向均垂直于锥形波导的延伸方向，第一方向和第二方向可以定义垂直于锥形波导延伸方向的截面，整个锥形波导对光线的传输模场以线性变化的方式进行扩大。
在另一种可能实现的方式中，沿上述直波导指向分段波导的方向，锥形波导第一方向的宽度逐渐增大，锥形波导第二方向的宽度逐渐增大；第一方向垂直于第二方向，且第一方向和第二方向均垂直于锥形波导的延伸方向，第一方向和第二方向也可以定义垂直于锥形波导延伸方向的截面，整个锥形波导对光线的传输模场以面性变化的方式进行扩大。
本申请中，分段波导包括有多个光栅周期，每个光栅周期包括有实体区和间隔区；针对于其中任意一个光栅周期，其实体区靠近分段波导，而间隔区则靠近直波导；也就是说，任意一个光栅周期中的间隔区与前一个光栅周期的实体区相邻，该光栅周期的实体区则与后一个光栅周期的间隔区相邻，对于整个分段波导，实体区和间隔区呈交替分布。
设定一个光栅周期中，间隔区与整个光栅周期的比为占空比，上述分段波导的每个光栅周期的实体区长度相等，而且，沿直波导指向分段波导的方向，光栅周期的占空比逐渐增大，即该分段波导中任意一个光栅周期的占空比是可以随该光栅周期在整个分段波导中的位置变化的；具体地，分段波导上任意一个光栅周期的占空比为：
P1/PT＝(nc 2-n2)/(nc 2-ncl 2)
其中，PT为该光栅周期的宽度，P1为间隔区的宽度，nc为分段波导芯层的折射率，n为该光栅周期的折射率，ncl为分段波导的波导包层的折射率。
至于上述公式中光栅周期的折射率，可以将分段波导等效为一个折射率渐变的实心结构的等效波导，根据该等效波导计算该光栅周期的折射率为：
n＝nc+(nq-nc)×(z/Lt)α
其中，Lt为等效波导的长度(当然，该等效波导的长度也相当于分段波导的长度)，nq为等效波导在Lt位置的折射率，z为光栅周期距离锥形波导的距离，α为等效波导的折射率随z变化的指数。可以理解的是，当此处的α＝1时，分段波导中光栅周期的折射率呈线性变化。
另外，分段波导的实体区在平行于分段波导长度方向上的形状为椭圆形、梯形或平行四边形，此处并不做限定。
上述技术方案提供的任一种平面波导光路器件中的波导结构包括芯层和包层，且芯层的折射率是大于包层的折射率的以取得光线传输的效果；一种可能实现的方式中，芯层的折射率与包层的折射率之差为0.35％，例如，芯层选择掺杂氧化硅，而包层选择氧化硅。
第二方面，本申请还提供一种光连接转换器，该光连接转换器包括光纤以及如上述技术方案提供的任一种平面波导光路器件，该光纤固定于一个平面波导光路器件的直波导端；在使用时，将该平面波导光路器件的分段波导端与硅光芯片上的光栅耦合对接，实现无源耦合。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件的结构示意图；
图2a和图2b为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件使用状态示意图；
图3为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中波导结构的结构示意图；
图4a和图4b为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中波导结构两个角度的结构示意图；
图5a至图5c为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件内光场分布仿真示意图；
图6为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中锥形波导的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中波导结构其中一个角度的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中锥形波导的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中锥形波导的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中分段波导的结构示意图；
图11为图10中分段波导等效的实体结构的等效波导的结构示意图；
图12为本申请实施例提供的一种平面波导光路器件中分段波导的结构示意图；
图13为传输模场直径对平面波导光路器件与硅光芯片耦合效率影响的曲线图；
图14为传输模场直径对平面波导光路器件与硅光芯片耦合损耗影响的曲线图；
图15为本申请实施例提供的一种光转换器件的结构示意图；
图16为本申请实施例提供的另一种光转换器件的结构示意图。
附图标记：
100-光连接转换器；10-平面波导光路器件；20-光纤；1-波导结构；11-直波导；12-锥形波导；13-分段波导；131-光栅周期；1311-实体区；1312-间隔区；2-光栅。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
首先介绍一下本申请的应用场景，在硅光芯片的无源耦合封装中，硅光芯片上形成有光栅，通过该光栅与光纤耦合，这种方式难以批量生产导致成本较高，且目前的光纤无法做到高密度耦合。因此，本申请实施例提供一种平面波导光路器件，将这种平面波导光路器件与光纤结合后，可以与硅光芯片的光栅实现无源耦合，可以满足无源耦合对接的容差要求，还可以将硅光芯片的光输入通道设计得更加紧凑，实现高密度耦合。
以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。
在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
请参照图1所示的本申请实施例提供的一种平面波导光路器件10的结构示意图，该平面波导光路器件10包括用于传输光电信号的波导结构1，该波导结构1包括依次连接的直波导11、锥形波导12以及分段波导13；请继续参照图1所示出的平面波导光路器件10的结构，直波导11的径向大小较小，而分段波导13的径向大小较大，锥形波导12连接于直波导11与分段波导13之间，锥形波导12用于连接直波导11一端的尺寸与直波导11的尺寸相匹配，锥形波导12用于连接分段波导13一端的尺寸与分段波导13的尺寸相匹配，整个锥形波导12的截面尺寸自直波导11指向分段波导13逐渐增大。需要说明的是，此处的尺寸相匹配指的是：若二者端面形状相同，则二者的端面尺寸完全相同；若二者端面形状不同，则二者的端面尺寸以能够取得尽可能匹配度高的方式配合，以取得较好的耦合效果。举例说明，当锥形波导12用于连接分段波导13一端的端面形状为圆形，而分段波导13朝向锥形波导12一端的端面形状为矩形，则锥形波导12端面的直径可以以与分段波导13的长度相同的方式实现。
使用时，该平面波导光路器件10中的波导结构1可以连接耦合光纤20和硅光芯片30，具体地，请参照图2a和图2b所示的两种使用状态示意图，直波导11远离锥形波导12的一端与光纤20连接，此处直波导11的模场直径与光纤20的模场直径相匹配；而分段波导13远离直波导11的一端则与硅光芯片30对接，具体地，在硅光芯片30上形成有面积较大的光栅2，分段波导13与光栅2耦合对接；通过该波导结构1可以将硅光芯片30传递而来的电信号转换为光学信号后传递到光纤20，或者将光纤20传递而来的光学信号转换为电信号通过光栅2传递到硅光芯片，起到光电转换的效果。需要说明的是，此处的光纤20为单模光纤。在使用时，可以将平面波导光路器件10与光纤20预先耦合粘接，加工形成一个单独的结构，然后将这个单独的结构与硅光芯片30的光栅2实现无源耦合对接。
光线在波导器件中的传递与波导器件的模场直径息息相关，在光线自直波导11用于对接光纤20的一端向分段波导13用于对接硅光芯片30的一端传递时，直波导11的模场直径小于分段波导13的模场直径，锥形波导12则可以将直波导11一端的较小的模场直径扩大至分段波导13一端较大的传输模场，从而将光纤20输出的光斑尺寸自直波导11指向分段波导13调整扩大至接近硅光芯片30一端接收的光斑尺寸，进而可以增加光纤20与硅光芯片30之间的耦合容差，以满足无源耦合的要求。
具体地，本申请实施例中的波导结构1包括芯层和芯层外的包层，且芯层的折射率是大于包层的折射率的以取得光线传输的效果，芯层与包层之间的折射率差可以约束波导器件传输的光场；一种可能实现的方式中，芯层的折射率与包层的折射率之差为0.35％，例如，芯层选择掺杂氧化硅，而包层选择氧化硅。
请参照图3所示的波导结构1的具体结构，在光线自直波导11传输通过锥形波导12时，光场可以随锥形波导12的形状变化对传输模场沿设定方向进行扩束；此处，可以将锥形波导12设计为缓变形结构，从而使得光场在锥形波导12中可以实现绝热传输，保持单模状态，尽可能防止光场发生泄漏。
而分段波导13包括有多个光栅周期131，多个光栅周期131线性阵列；每个光栅周期131，包括实体区1311和间隔区1312；如图3所示，对于一个光栅周期131，实体区1311相对靠近分段波导13，而间隔区1312相对靠近直波导11；沿该分段波导13连接锥形波导12的一端指向其远离锥形波导12的一端，设定该光栅周期131之前设有一个光栅周期131、之后也设有一个光栅周期131，则该光栅周期131间隔区1312与前一个光栅周期131的实体区1311相邻，其实体区1311则与后一个光栅周期131的间隔区1312相邻。其中，实体区1311的结构与直波导11或锥形波导12的结构类似，都是包括芯层以及芯层外的包层，而间隔区1312则为均匀光介质对传输的光场无约束，光场在间隔区1312为各向同性的发散传播。因此，分段波导13可以对传输模场在垂直于分段波导13延伸方向的面上进行扩束。
本申请实施例中的锥形波导12沿直波导11指向分段波导13的方向渐变，以实现对光线传输模场的扩束，其具体的结构渐变方式可以有多种实现方式，以下将通过具体的实施方式做以详细介绍。
方式一
设定锥形波导12沿直波导11指向分段波导13的方向为z方向，锥形波导12任一个横截面由垂直于z方向的第一方向和第二方向定义，第一方向设定为x方向，第二方向设定为y方向。沿锥形波导12的延伸方向，锥形波导12第一方向的尺寸逐渐增大(如图4a所示锥形波导12沿x方向的尺寸变化)，锥形波导12第二方向的尺寸不变(如图4b所示锥形波导12沿y方向的尺寸变化)，其中，第一方向垂直于第二方向，且第一方向和第二方向均垂直于锥形波导12的延伸方向，这种结构的锥形波导12对光线的传输模场进行线性扩大。
对于具有图4a和图4b所示出的锥形波导12的平面波导光路器件10，光线自直波导11的一端传输至分段波导13过程中，直波导11内光场的分布可以参照图5a所示；光线自直波导11传输经过锥形波导12后，锥形波导12用于连接分段波导13一端内光场的分布可以参照图5b所示，相较于图5a，光场在图示水平方向(相当于锥形波导12的x方向)实现了扩大，其竖直方向(相当于锥形波导12的y方向)几乎没有变化；光线进一步经过分段波导13的传输后，分段波导13用于对接硅光芯片30一端内光场的分布可以参照图5c所示，相较于图5b，光场在图示竖直方向(相当于锥形波导12的y方向)实现了扩大，使得最终图5b所示的光场可以与硅光芯片30的光栅2相匹配。
示例性地，请参照图6所示的一种可能的锥形波导12，锥形波导12垂直于延伸方向的横截面为矩形，锥形波导12用于连接直波导11的一端A，第一方向(即图6所示x方向)的尺寸为a1，第二方向(即图6所示的y方向)的尺寸为b1；锥形波导12用于连接分段波导13的一端B，第一方向(即图6所示的x方向)的尺寸为a2，第二方向(即图6所示的y方向)的尺寸为b2；其中，a1＝a2，而b1＜b2，沿锥形波导12的延伸方向(即图6所示的z方向)，锥形波导12第一方向的尺寸逐渐增大、第二方向的尺寸不变；在这种结构的锥形波导12中，传输模场的扩束仅在第一方向(即图6所示的x方向)进行，相当于线性扩束(沿x方向单向扩束)。
方式二
设定锥形波导12沿直波导11指向分段波导13的方向为z方向，锥形波导12任一个横截面由垂直于z方向的第一方向和第二方向定义，第一方向设定为x方向，第二方向设定为y方向。沿锥形波导12的延伸方向，锥形波导12第一方向的尺寸逐渐增大(该锥形波导12该视角的结构与方式一种的锥形波导12该视角的结构相同，因此可以参照图4a所示)，与方式一不同的是，该锥形波导12第二方向的尺寸也是逐渐增大的(如图7所示的锥形波导12沿y方向的尺寸变化)；其中，与方式一类似，此处的第一方向垂直于第二方向，且第一方向和第二方向均垂直于锥形波导12的延伸方向，这种结构的锥形波导12对光线的传输模场进行面性扩大。
结合附图5a至图5c，对于具有图7所示出的锥形波导12的平面波导光路器件10(该锥形波导12另一角度的结构可以参照图4a)，光线自直波导11的一端传输至分段波导13过程中，直波导11内光场的分布可以参照图5a所示；光线自直波导11传输经过锥形波导12后，锥形波导12用于连接分段波导13一端内光场的分布可以参照图5c所示，相较于图5a，光场在图示水平方向(相当于锥形波导12的x方向)实现了扩大，在图示竖直方向(相当于锥形波导12的y方向)也实现了扩大；光线进一步经过分段波导13的传输后，使得最终光场可以与硅光芯片30的光栅2相匹配。
示例性，请参照图8所示的一种可能的锥形波导12，锥形波导12的横截面为矩形，锥形波导12用于连接直波导11的一端A，第一方向(即图8所示x方向)的尺寸为a1，第二方向(即图8所示的y方向)的尺寸为b1；锥形波导12用于连接分段波导13的一端B，第一方向(即图8所示的x方向)的尺寸为a2，第二方向(即图8所示的y方向)的尺寸为b2；其中，a1＜a2，且b1＜b2，沿锥形波导12的延伸方向(即图8所示的z方向)，锥形波导12第一方向的尺寸逐渐增大、第二方向的尺寸逐渐增大；在这种结构的锥形波导12中，传输模场的扩束在第一方向(即图8所示的x方向)和第二方向(即图8所示y方向)同时进行，相当于面性扩束(同时沿x方向、y方向扩束)。
当然，上述实施方式仅是示例性说明锥形波导12的结构，并不用于限定锥形波导12的具体结构。而且，上述实施方式中，锥形波导12沿延伸方向的外形线以直线的形式进行示例，可以理解的是，锥形波导12沿延伸方向的外形线还可以以曲线的形式实现，这种结构可以参照图9所示的一种锥形波导12的结构。请参照图9，该锥形波导12垂直于延伸方向的横截面以矩形示出，沿该锥形波导12的延伸方向(即图9所示的z方向)，锥形波导12第一方向(即图9中所示x方向)的尺寸和第二方向(即图9中所示y方向)的尺寸均进行了扩大；该锥形波导12用于连接直波导11的一端A指向用于连接分段波导13的一端B的外形线呈曲线。此外，如果锥形波导12的第一方向和第二方向符合椭圆形的长半轴和短半轴的对应关系，则锥形波导12的横截面为椭圆形；进一步地，当锥形波导12第一方向和第二方向的长度相等，则锥形波导12的横截面为圆形。
关于分段波导13的具体结构，请参照图10所示例的结构，该分段波导13包括有多个光栅周期131，多个光栅周期131线性阵列；每个光栅周期131，包括实体区1311和间隔区1312，且每个光栅周期131中的实体区1311的长度相等；对于任意一个光栅周期131，间隔区1312占整个光栅周期131长度的比值为占空比，沿直波导11指向分段波导13的方向，光栅周期131的占空比逐渐增大。
本申请实施例中分段波导13中任意两个光栅周期131的长度可以是相等的，则在实体区1311相当的前提下，分段波导13中每个光栅周期131的占空比是恒定的；任意两个实体区1311之间的间隔区1312也可以是如图10所示为渐变的，因此，这种结构中光栅周期131的占空比是随光栅周期131在分段波导13的所处的位置变化的。
请参照图10，该分段波导13任意一个光栅周期131的占空比可以通过以下公式计算：
P1/PT＝(nc 2-n2)/(nc 2-ncl 2)
其中，PT为该光栅周期131的长度，P1为间隔区311的长度，n为该光栅周期131的折射率，nc为分段波导13芯层的折射率，ncl为分段波导13的包层的折射率。
而上述光栅周期131的折射率计算，可以如图11所示，将该分段波导13等效为一个折射率渐变的实心结构的等效波导13’(其阴影渐变表示折射率渐变)，分段波导13中要求计算折射率的光栅周期131对应位于该等效波导13’的z处；则该光栅周期131的折射率可以通过以下公式计算：
n＝nc+(nq-nc)×(z/Lt)α
其中，Lt为等效波导13’的长度(相当于分段波导13的长度)，nq是等效波导13’在Lt位置的折射率，z为该光栅周期131的实体区1311距离锥形波导12的距离，α为等效波导13’的折射率随z变化的指数。可以理解的是，当此处的α＝1时，该光栅周期131的折射率为线性变化。在这种分段波导13中，通过控制每个光栅周期131占空比的变化可以控制传输模场的扩束幅度。
至于分段波导13中各个实体区1311的具体结构，在平行于分段波导13长度方向上的形状可以为椭圆形(如图12所示)，当然也可以为梯形、平行四边形或其他形状，此处不再列举示出。
针对上述实施方式提供的平面波导光路器件10，对其进行分析模拟可以验证该平面波导光路器件10中的波导结构1可以提高光纤20与硅光芯片30的光栅2之间的耦合效率以及耦合容差。具体地，以图1所示出的平面波导光路器件10为例，设定波导结构1的直波导11一端的传输模场直径为10μm，而分段波导13一端的传输模场直径为至少20μm，通过仿真计算可以得到如图13所示的传输模场对平面波导光路器件10与硅光芯片30的光栅2的耦合效率影响的变化图，其中横坐标表示传输模场的直径，纵坐标表示耦合效率，可以看出，当平面波导光路器件10用于对接硅光芯片30一端的传输模场直径在0-10μm范围内时(相当于直波导11的传输模场直径)，平面波导光路器件10与光栅2的耦合效率基本不超过60％；当平面波导光路器件10用于对接硅光芯片30一端的传输模场直径在10-20μm范围内时(相当于锥形波导12的传输模场直径)，平面波导光路器件10与光栅2的耦合效率提升至65％以上；当平面波导光路器件10用于对接硅光芯片30一端的传输模场直径在大于20μm后(相当于分段模场3的传输模场直径)，平面波导光路器件10与光栅2的耦合效率可以提升至92％。
平面波导光路器件10的模场经过上述波导结构1改变后，光纤20与硅光芯片30之间的对接容差也可以得到增大，请参照图14所示的不同尺寸传输模场直径所对应的平面波导光路器件10与硅光芯片30上的光栅2之间的耦合损耗，其横坐标表示耦合容差，纵坐标表示耦合损耗，可以看出，对于20μm传输模场(即经过平面波导光路器件10扩大后的传输模场尺寸)，其1dB耦合损耗的耦合容差约为±4.9μm，可以满足光纤20与硅光芯片30之间的无源耦合。
基于同样的发明思路，本申请实施例还提供一种光连接转换器100，如图15所示，该光连接转换器100包括光纤20以及上述任一种平面波导光路器件10，此处的光纤20可以通过粘接、焊接等方式固定于平面波导光路器件10中波导结构1的直波导11一端，在光纤20与硅光芯片30的光栅2耦合时，将平面波导光路器件10的分段波导13一端与硅光芯片30的光栅2耦合(可以参照图2a或图2b所示的配合状态)，可以对光线的传输模场进行转换，从而实现光纤20与硅光芯片30之间的无源耦合。
上述光纤20是单模光纤，当多个光纤20组成光纤阵列，平面波导光路器件10可以对应设置有多个波导结构1，每个光纤20对应一个波导结构1，此时光连接转换器100可以以图16中的结构示出。每个波导结构1对应连接一个光纤20，多个波导结构1远离光纤20一侧中任意两个波导结构1之间的间距为m(m可以为20-50μm)，多个光纤20中任意两个光纤之间的间距为n(n可以为127-250μm)，此处的波导结构1设计为弯曲结构，可以将波导结构1的间距自n转换至m，在该平面波导光路器件10与硅光芯片30对接时，在硅光芯片30的输入端(即用于对接波导结构1直波导11的光栅2)设计上，可以有效减少光栅2所占面积，使得硅光芯片30可以支持更多通道的耦合，实现高密度的耦合。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种平面波导光路器件，其特征在于，包括波导结构，所述波导结构包括依次连接的直波导、锥形波导以及分段波导；
所述直波导用于对接光纤，所述分段波导用于对接硅光芯片的光栅；所述锥形波导用于连接所述直波导的一端的尺寸与所述直波导尺寸相匹配，所述锥形波导用于连接所述分段波导的一端的尺寸与所述分段波导尺寸相匹配；
所述锥形波导的截面尺寸自所述直波导指向所述分段波导逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的平面波导光路器件，其特征在于，沿所述直波导指向所述分段波导的方向，所述锥形波导第一方向的宽度逐渐增大，所述锥形波导第二方向的宽度不变；
所述第一方向垂直于所述第二方向，且所述第一方向和所述第二方向均垂直于所述锥形波导的延伸方向。
3.根据权利要求1所述的平面波导光路器件，其特征在于，沿所述直波导指向所述分段波导的方向，所述锥形波导第一方向的宽度逐渐增大，所述锥形波导第二方向的宽度逐渐增大；
所述第一方向垂直于所述第二方向，且所述第一方向和所述第二方向均垂直于所述锥形波导的延伸方向。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的平面波导光路器件，其特征在于，所述锥形波导的边缘为直线或曲线。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的平面波导光路器件，其特征在于，所述分段波导包括多个光栅周期，每个所述光栅周期包括实体区和间隔区；
任意一个所述光栅周期中，所述实体区靠近所述分段波导，所述间隔区靠近所述直波导。
6.根据权利要求5所述的平面波导光路器件，其特征在于，每个所述光栅周期的实体区长度相等，且沿所述直波导指向所述分段波导的方向，所述光栅周期的占空比逐渐增大；所述占空比为一个所述光栅周期的间隔区与光栅周期的长度之比；
任意一个所述光栅周期的占空比为：
P1/PT＝(nc 2-n2)/(nc 2-ncl 2)
其中，PT为该所述光栅周期的宽度，P1为所述间隔区的宽度，nc为所述分段波导芯层的折射率，n为该所述光栅周期的折射率，ncl为所述分段波导的波导包层的折射率。
7.根据权利要求6所述的平面波导光路器件，其特征在于，将所述分段波导等效为一个折射率渐变的实心结构的等效波导，所述光栅周期的折射率为：
n＝nc+(nq-nc)×(z/Lt)α
其中，Lt为所述等效波导的长度，nq为所述等效波导在Lt位置的折射率，z为所述光栅周期距离锥形波导的距离，α为所述等效波导的折射率随z变化的指数。
8.根据权利要求6所述的平面波导光路器件，其特征在于，所述实体区在平行于所述分段波导长度方向上的截面形状为椭圆形、梯形或平行四边形。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的平面波导光路器件，其特征在于，所述波导结构的芯层的折射率大于包层的折射率且二者的折射率之差为0.35％。
10.一种光连接转换器，其特征在于，包括光纤以及如权利要求1-9中任一种所述的平面波导光路器件，所述光纤固定于所述波导结构的直波导一端。
CN202010402033.4A 2020-05-13 2020-05-13 平面波导光路器件及光连接转换器 Pending CN113671626A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010402033.4A CN113671626A (zh) 2020-05-13 2020-05-13 平面波导光路器件及光连接转换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010402033.4A CN113671626A (zh) 2020-05-13 2020-05-13 平面波导光路器件及光连接转换器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113671626A true CN113671626A (zh) 2021-11-19

Family

ID=78536884

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010402033.4A Pending CN113671626A (zh) 2020-05-13 2020-05-13 平面波导光路器件及光连接转换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113671626A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115185040A (zh) * 2022-09-09 2022-10-14 之江实验室 一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5544268A (en) * 1994-09-09 1996-08-06 Deacon Research Display panel with electrically-controlled waveguide-routing
US6892004B1 (en) * 2002-01-21 2005-05-10 Guomin Yu Optical coupling arrangement having low coupling loss and high production yield
US8660391B1 (en) * 2011-09-30 2014-02-25 Aurrion, Inc. Heterogeneous waveguide integrated optical isolator and circulator utilizing one or more optical grating couplers
CN105277489A (zh) * 2014-07-23 2016-01-27 英飞凌科技股份有限公司 使用耦合结构的感测系统和方法
US20170168236A1 (en) * 2014-07-08 2017-06-15 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Silicon Photonic Device, Optical Polarisation Beam Coupler and Optical Waveguide Coupler
US9746608B1 (en) * 2014-12-11 2017-08-29 Partow Technologies, Llc. Integrated optical assembly apparatus and integrated fabrication method for coupling optical energy

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5544268A (en) * 1994-09-09 1996-08-06 Deacon Research Display panel with electrically-controlled waveguide-routing
US6892004B1 (en) * 2002-01-21 2005-05-10 Guomin Yu Optical coupling arrangement having low coupling loss and high production yield
US8660391B1 (en) * 2011-09-30 2014-02-25 Aurrion, Inc. Heterogeneous waveguide integrated optical isolator and circulator utilizing one or more optical grating couplers
US20170168236A1 (en) * 2014-07-08 2017-06-15 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Silicon Photonic Device, Optical Polarisation Beam Coupler and Optical Waveguide Coupler
CN105277489A (zh) * 2014-07-23 2016-01-27 英飞凌科技股份有限公司 使用耦合结构的感测系统和方法
US9746608B1 (en) * 2014-12-11 2017-08-29 Partow Technologies, Llc. Integrated optical assembly apparatus and integrated fabrication method for coupling optical energy

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115185040A (zh) * 2022-09-09 2022-10-14 之江实验室 一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备
CN115185040B (zh) * 2022-09-09 2022-12-13 之江实验室 一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108549128B (zh) 空芯反谐振光子晶体光纤耦合器及其应用
US4768854A (en) Optical fiber distribution network including nondestructive taps and method using same
US7099535B2 (en) Small mode-field fiber lens
JP2016197248A (ja) マルチコアファイバへの低損失接続のための技術およびデバイス
JPH04333808A (ja) 光半導体モジュール
JPH02163708A (ja) モード・フィールド変更器および光学装置
Yeh et al. A new scheme of conical-wedge-shaped fiber endface for coupling between high-power laser diodes and single-mode fibers
US9164235B1 (en) Dual tip optical coupler
CN101216577A (zh) 光子晶体光纤的耦合方法及其耦合装置
US6567583B2 (en) Mode converter and method
CN113671626A (zh) 平面波导光路器件及光连接转换器
Shiraishi et al. A new lensed-fiber configuration employing cascaded GI-fiber chips
JP2002169043A (ja) 光モジュール
JP3403327B2 (ja) 界分布変換光ファイバおよびその界分布変換光ファイバを用いたレーザダイオードモジュール
US20040151431A1 (en) Lensed fiber having small form factor and method of making the same
CN104051937A (zh) 一种高功率多芯光纤激光器
WO2018105712A1 (ja) スポットサイズ変換器、及びその製造方法
TWI396876B (zh) Variable splitting ratio fiber coupler and its manufacturing method
CN202956503U (zh) 一种带有波长相关损耗补偿的可调节光衰减器
US20020015560A1 (en) Coupling system between an optical fibre and an optical device
CN112713490A (zh) 一种中红外波段连续全光纤振荡器
JP2000304965A (ja) 端部レンズ付きファイバ
Shiraishi et al. A lensed GIO fiber with a long working distance for the coupling between laser diodes with elliptical fields and single-mode fibers
JP2002072007A (ja) 光分岐結合器，分岐光ファイバ及び単芯双方向光伝送装置
CN201252545Y (zh) 基于倏逝场的光纤光功率监测器

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
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211119

RJ01 Rejection of invention patent application after publication