CN114265148A

CN114265148A - 耦合器

Info

Publication number: CN114265148A
Application number: CN202111623682.8A
Authority: CN
Inventors: 刘敏; 陈代高; 肖希; 王磊
Original assignee: Wuhan Optical Valley Information Optoelectronic Innovation Center Co Ltd
Current assignee: Wuhan Optical Valley Information Optoelectronic Innovation Center Co Ltd
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114265148B

Abstract

公开了一种耦合器，包括第一波导、模式转换结构和覆盖层。其中，模式转换结构沿波导方向依次包括1至m阶耦合区，第i阶耦合区包括中间功能层和对称地位于中间功能层两侧的i对功能层；中间功能层中包括i+1个等间距的基本耦合单元，i对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离中间功能层的方向依次递减1，第m阶耦合区包括中间功能层和位于中间功能层两侧的m对或m‑1对功能层，m对或m‑1对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离中间功能层的方向依次递减1，第i阶中的基本耦合单元以穿插的方式与下一阶中的基本耦合单元进行耦合，基本耦合单元为纳米级至微米级尺寸。i和m均为正整数，且1≤i≤m‑1，m大于或等于3。

Description

耦合器

技术领域

本发明涉及光子集成器件领域，具体来讲，涉及一种耦合器。

背景技术

在光子集成器件领域中，光信号在光波导和光纤之间的耦合交互过程非常重要。一般情况下普通光波导横截面尺寸为亚微米量级，而单模光纤纤芯直径尺寸为微米量级，尺寸存在很大差异，产生强烈的模式不匹配，这种模式失配现象会引入大量耦合损耗。

行业内普遍采用耦合器来解决上述问题，耦合器是实现光子集成器件领域耦合的重要无源器件，目前通过横向优化耦合器，可以降低模式不匹配所导致耦合效率低的影响，但是光纤具有中心对称的结构特点，上述横向优化的耦合器仍然存在模式失配损耗较大、耦合效率较低的问题。

因此，有必要提出一种带宽大、模式失配损耗小，耦合效率高的耦合器。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少部分，本发明实施例提供了一种带宽大、模式失配损耗小，耦合效率高的耦合器。

本发明的耦合器包括：第一波导、模式转换结构和覆盖层，其中，

所述第一波导和所述模式转换结构沿波导方向依次位于所述覆盖层中；

所述第一波导配置为耦合至所述模式转换结构，并且所述第一波导沿所述波导方向具有中心对称结构，其对称轴为主对称轴；

所述模式转换结构沿所述波导方向依次包括1至m阶耦合区，其中，

在第i阶耦合区中：包括1个中间功能层和对称地位于所述中间功能层两侧的i对功能层；所述中间功能层所在的平面与所述第一波导所在的平面共面；所述中间功能层中包括i+1个等间距的基本耦合单元，所述i对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1个，其中1≤i≤m-1；

在第m阶耦合区中：包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m对或m-1对功能层，所述m对或m-1对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1；

所述第i阶中的基本耦合单元以穿插的方式与下一阶中的基本耦合单元进行耦合；其中，所述基本耦合单元为纳米级至微米级尺寸，且i和m均为正整数，且m大于或等于3。

上述方案中，在第i阶耦合区中，所有的基本耦合单元以所述中间功能层所在的平面为镜像的金字塔形排列。

上述方案中，m＝3。

上述方案中，所述第一波导沿其长度方向依次具有横截面尺寸不变的直波导部和斜波导部，所述直波导部具有第一和第二端部，所述第一端部暴露在所述覆盖层表面，所述第二端部与所述斜波导部底部重合。

上述方案中，所述第一波导的直波导部的横截面为方形或方形圆形，相应地所述第一波导的斜波导部包括楔形、棱锥或圆锥。

上述方案中，每个基本耦合单元沿其长度方向依次具有第一波导部、第二波导部和第三波导部，其中，所述第二波导部为横截面尺寸不变的直波导部，且第一波导部和第三波导部为斜波导部，所述第二波导部具有第三端部和第四端部，所述第三端部与所述第一波导部的斜波导部底部重合，所述第四端部与所述第三波导部的斜波导部底部重合。

上述方案中，所述每个基本耦合单元的第二波导部的横截面为圆形或方形，相应地所述第一波导部和第三波导部为圆锥或棱锥。

上述方案中，所述第一波导的斜波导部位于第1阶耦合区的中间功能层的2个基本耦合单元的第一波导部中间的间隙中，且所述第i阶耦合区的每个基本耦合单元的第三波导部位于下一阶耦合区的每个基本耦合单元的第一波导部中间的间隙中。

上述方案中，第i阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸小于或等于下一阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸。

上述方案中，所述覆盖结构的折射率小于所述第一波导的折射率。

本发明通过在耦合器中设计纳米级至微米级尺寸的模式转换层且其中的基本耦合单元的排列方式，形成了一种特殊超材料，能够有效减小单模光纤和光波导尺寸差异带来的模式失配损耗。模式转换层中基本耦合单元分布灵活，且结构参数形式多样，能够根据耦合光纤的有效折射率分布情况，调整各耦合区基本耦合单元的宽度等结构参数，提高耦合器与光纤之间模式的匹配程度，大幅提升耦合效率。因此，本发明基于超材料的耦合器，能够有效减小模式失配损耗，提升耦合器的光耦合能力，实现高耦合效率、大带宽出射。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种耦合器的立体示意图；

图2为本发明实施例提供的一种耦合器的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种耦合器中的各层的示意图；

图4(a)部分为本发明实施例提供的耦合器中入射波导的示意图；图4(b)部分示出了入射波导包括楔形的情况；图4(c)部分示出了入射波导的横截面为方形的情况；图4(d)部分示出了入射波导的横截面为圆形的情况；

图5(a)部分为本发明实施例提供的耦合器中基本耦合单元的示意图；图5(b)部分示出了基本耦合单元包括楔形的情况；图5(c)部分示出了基本耦合单元的横截面为方形的情况；图5(d)部分示出了基本耦合单元的横截面为圆形的情况；

图6为本发明实施例提供的一种耦合器的第一阶耦合区在图2中l至a方向的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种耦合器的第二阶耦合区在图2中m至b方向的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种耦合器的第三阶耦合区在图2中n-c方向的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有耦合器中存在的模式失配损耗较大、耦合效率较低的问题，本发明实施例提供了提出一种耦合器，包括：

第一波导、模式转换结构和覆盖层，其中，

在一些实施例中，在第i阶耦合区中，所有的基本耦合单元以所述主对称轴为中心对称阵列排列。

在本发明的耦合器中，m大于或等于3，即，模式转换结构沿波导方向依次包括的耦合区阶数至少为3。

在上述方案中，可以理解的是，本发明的耦合器可划分为数量为m阶的耦合区，对于这m阶的耦合区，可划分为最后一阶耦合区(第m阶耦合区)和之前的阶的耦合区(第i阶耦合区，1≤i≤m-1)情况。

为便于描述，在第i阶耦合区(1≤i≤m-1)中，可以划分为多层功能层，该多层功能层包括1个中间功能层和对称地位于中间功能层两侧的i对功能层；中间功能层所在的平面与第一波导所在的平面共面；中间功能层中包括i+1个等间距的基本耦合单元，所述i对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1个。

例如，当本发明的耦合器包括m＝5阶耦合区的情况下，当i＝3时，即对于第3阶耦合区，其包括1个中间功能层和对称地位于中间功能层两侧的3对功能层，即共有(2i+1，即2×3+1＝7)层。中间功能层中包括i+1个，即(3+1)＝4个等间距的基本耦合单元，对于中间功能层两侧的任一侧，基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1个。即，在该第3阶耦合区中，所有的功能层自上而下的基本耦合单元的分布数量为1、2、3、4、3、2、1，总数为(i+1)²，即(3+1)²＝16。

当i为其他数量时，其情况可依此类推。

在第m阶耦合区中：包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m对或m-1对功能层，m对或m-1对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1。

这里，例如，当耦合器包括m＝4阶耦合区的情况下，即第4阶耦合区作为最后一阶耦合区时，在第4阶耦合区中包括：1个中间功能层和位于中间功能层两侧的4对(m，m＝4)或3对(m-1，m＝4)功能层。

即，在最后一阶耦合区中，由于m对或m-1对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离中间功能层的方向依次递减1，因此，最远离中间功能层的基本耦合单元的数量为1或2。

可以理解的是，当第m阶耦合区中包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m对功能层时，最远离中间功能层的基本耦合单元的数量为1。而当第m阶耦合区中包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m-1对功能层时，最远离中间功能层的基本耦合单元的数量为2。

根据一个具体实施例，例如，当第m(m＝4)阶耦合区包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m对功能层时，总层数为2m+1＝9层，在该第m(m＝4)阶耦合区中，所有的功能层自上而下的基本耦合单元的分布数量为1、2、3、4、5、4、3、2、1，总数为(m+1)²，即(4+1)²＝25。

根据另一个具体实施例，例如，当第m(m＝4)阶耦合区包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m-1对功能层时，该阶耦合区的所有的功能层自上而下的基本耦合单元的分布数量为2、3、4、5、4、3、2，总数为(m+1)²-2，即(4+1)²-2＝23。

由于最后一阶耦合区中的最远离中间功能层的两层中的1个基本耦合单元不需要与后续部件进行耦合，因此，最后一阶耦合区中的最远离中间功能层的两层中的1个基本耦合单元可以存在，也不可不存在，因此，本发明的耦合器中的模式转换结构存在上述两种情况。

在以上描述的包括第i阶和第m阶耦合区的多个耦合区中，第i阶中的基本耦合单元以穿插的方式与下一阶中的基本耦合单元进行耦合。可以理解的是，第一波导耦合至模式转换结构，而在模式转换结构中，从第一阶耦合区依次耦合至最后一耦合区。这里，以穿插的方式进行耦合是指，第i阶中的任一基本耦合单元的一个端部间隔地位于下一阶耦合区的两个基本耦合单元的各自的端部之间。换句话说，第i阶耦合区的任一基本耦合单元均能对应下一阶耦合区的两个基本耦合单元，由此进行耦合。例如，第一阶耦合区的任一基本耦合单元的一个端部间隔地位于第二阶耦合区的两个基本耦合单元的端部之间，依此类推。

在一个实施例中，在第i阶耦合区中，所有的基本耦合单元以所述中间功能层所在的平面为镜像的金字塔形排列。

这里，由于在第i阶耦合区中所有的基本耦合单元的数量在中间功能层的任一侧功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1个，因此在中间功能层的任一侧，基本耦合单元的分布为金字塔形。对于中间功能层的两侧，基本耦合单元的分布为以中间功能层的平面镜像(或对称)的两个金字塔形。

可以理解的是，当第m阶耦合区中包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m对功能层时，基本耦合单元的分布也为以中间功能层的平面镜像(或对称)的两个金字塔形。

而当第m阶耦合区中包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m-1对功能层时，基本耦合单元的分布也为以中间功能层的平面镜像(或对称)的两个顶部缺失的金字塔形。

在一些实施例中，第一波导沿其长度方向依次具有横截面尺寸不变的直波导部和斜波导部，直波导部具有第一和第二端部，第一端部暴露在所述覆盖层表面，第二端部与所述斜波导部底部重合。

这里，可以结合图4(a)部分，图4(a)部分为本发明实施例的第一波导100的示例图，其中直波导M具有第一和第二端部，斜波导部N具有底部和锥部，直波导部的第二端部与斜波导部底部重合，由此形成一个整体。而直波导部的第一端部暴露在所述覆盖层表面，用于提供入射的光进行波导的窗口。

在一些实施例中，第一波导100的直波导部的横截面为圆形或方形，相应地所述第一波导100的斜波导部为圆锥或棱锥。

这里，可参考图4(b)部分至4(c)部分，图4(b)部分示出了第一波导100的斜波导部为楔形的情况。图4(c)部分示出了第一波导100的斜波导部为四棱锥的情况，相应地，第一波导100的直波导部的横截面为四边形，具体地为矩形，更具体地为正方形。

图4(d)部分示出了第一波导100的斜波导部为圆锥的情况，相应地，第一波导100的直波导部的横截面为圆形。

在一些实施例中，每个基本耦合单元沿其长度方向依次具有第一波导部、第二波导部和第三波导部，其中，第二波导部为横截面尺寸不变的直波导部，且第一波导部和第三波导部为斜波导部，所述第二波导部具有第三端部和第四端部，第三端部与所述第一波导部的斜波导部底部重合，所述第四端部与所述第三波导部的斜波导部底部重合。

这里，可参考图5(a)部分，每个基本耦合单元C_i-j-k沿其长度方向依次具有第一波导部X、第二波导部Y和第三波导部Z，第二波导部Y为横截面尺寸不变的直波导部，第一波导部X和第三波导部Z为斜波导部，第二波导部Y具有第三端部和第四端部，第三端部与第一波导部X的斜波导部底部重合，第四端部与第三波导部Z的斜波导部底部重合。

在一些实施例中，每个基本耦合单元的第二波导部的横截面为方形或圆形，相应地所述第一波导部和第三波导部包括楔形、棱锥或圆锥。

这里，可参考图5(b)部分至图5(d)部分，图5(b)部分示出了每个基本耦合单元的第一波导部X和第三波导部Z为楔形的情况，图5(c)部分示出了每个基本耦合单元的第一波导部X和第三波导部Z为棱锥的情况，相应地，第一波导部X和第三波导部Z可以为楔形或棱锥。

图5(d)部分示出了每个基本耦合单元的第二波导部Y的截面为圆形的情况，相应地第一波导部X和第三波导部Z为圆锥。

在一些实施例中，第一波导的斜波导部位于第1阶耦合区的中间功能层的2个基本耦合单元的第一波导部中间的间隙中，且所述第i阶耦合区的每个基本耦合单元的第三波导部位于下一阶耦合区的每个基本耦合单元的第一波导部中间的间隙中。

在一些实施例中，第i阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸小于或等于下一阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸。

由上述分析可知下一阶耦合区的各基本耦合单元的数量远大于前一阶耦合区的各基本耦合单元的数量，同时，由于受到物理空间的限制，因此，第i阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸小于或等于下一阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸。

在一个实施例中，m＝3。

本发明人发现，耦合区的阶数优选为m＝3，这是因为当m例如为2时，即本发明的耦合器只有两阶耦合区的情况下，耦合效率达不到设定要求。而当m例如为3以上时，耦合的制造要求过高，不适合量产。

以下将结合附图以m＝3的情况为例，来描述本发明耦合器的结构。需要强调的是，以下描述仅仅以m＝3为示例来描述本发明的耦合器，并不用以限制本发明。此外，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

图1示出了m＝3时，本发明耦合器的立体示意图。

请参考图1，本发明提供了一种耦合器10，包括：

入射波导100、模式转换结构200和覆盖结构300，其中，覆盖结构300将入射波导100和模式转换结构200包覆起来，以起到固定支撑以及保护作用。

以下将分别介绍组成本发明实施例耦合器的三个部分。

在本发明的实施例中，入射波导100可由直波导M和斜波导N构成，可参考图4(a)部分。

本实施例的耦合器10的入射波导100可以具有不同的形状，其形状与其后描述的200中的基本耦合单元相匹配。

在一些实施例中，直波导M的垂直于波导方向的横截面可以为方形，对应地，与之相连接的斜波导N可以为楔形波导。其一个方向的视图可参考图4(b)部分。

在一些实施例中，直波导M的垂直于波导方向的横截面可以为方形，对应地，与之相连接的斜波导N为四棱锥。可参考图4(c)部分。

在一些实施例中，直波导M的垂直于波导方向的横截面可以为圆形，对应地，与之相连接的斜波导N为圆锥。可参考图4(d)部分。

对于入射波导100的材料，可以包括硅、氮化硅、硅锗合金或III-V族合金等材料。

本发明实施例中的耦合器中的入射波导100用于将光线导入后续部件，例如本发明实施例中模式转换结构200中。

对于该模式转换结构200，其布置可参考图1，并且模式转换结构中的俯视图可参考图2，模式转换结构中各层的示意图可参考图3，模式转换结构中的每一阶耦合区的基本耦合单元的排列方式可参考图6至图8。

由上文所述可知，在第i阶耦合区中：包括1个中间功能层和对称地位于中间功能层两侧的i对功能层；中间功能层所在的平面与第一波导所在的平面共面；中间功能层中包括i+1个等间距的基本耦合单元，所述i对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离中间功能层的方向依次递减1个，其中1≤i≤m-1。

因此在该实施例中，在m＝3的前提下，1≤i≤2，即i＝1或2。

因此，在第i＝1阶耦合区中，包括1个中间功能层和对称地位于中间功能层两侧的i＝1对功能层，即总共包括3个功能层。对于中间功能层，其包括i+1＝2(i＝1)个等间距的基本耦合单元，而i(i＝1)对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离中间功能层的方向依次递减1个，即，i(i＝1)对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量由2递减至1个，所有的3个功能层自上而下的基本耦合单元的分布数量依次为1、2、1。

类似地，在第i＝2阶耦合区中，包括1个中间功能层和对称地位于中间功能层两侧的i＝2对功能层，即总共包括2i+1＝5(i＝2)个功能层。对于中间功能层，其包括i+1＝3(i＝2)个等间距的基本耦合单元，而i(i＝2)对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离中间功能层的方向依次递减1个，即，i(i＝2)对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量由3依次递减至1个。即，所有的5个功能层自上而下的基本耦合单元的分布数量为1、2、3、2、1。

对于最后一阶耦合区，在第3阶耦合区中：包括1个中间功能层和位于所述中间功能层两侧的m(m＝3)对或m-1＝2(m＝3)对功能层，3对或2对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1。图1所示的实施例中，第3阶耦合区采取中间功能层两侧具有2对功能层的方案。

由于基本耦合单元具有纳米级至微米级尺寸，以上述方式进行排列的基本耦合单元所形成的模式转换结构是一种超材料。

超材料是近年来发展起来的对电磁波(光是电磁波的一种形式)起调制作用的一种新型人工材料，基本原理是人为设计材料的微结构，让这样的微结构具有特定的电磁特性，从而由多个数量的微结构组成的材料宏观上可具有所需要的电磁功能。与传统材料技术根据自然界中已有材料的天然性质来开发电磁利用途径的传统材料技术不同，超材料技术是根据需要来人为设计材料的性质并制造材料。超材料一般是由一定数量的人造微结构附在具有一定力学、电磁学的基板上，这些具有特定图案和材质的微结构会对经过其身的特定频段的电磁波产生调制作用。

本发明实施例的耦合器的核心在于使用的模式转换结构200为纳米级至微米级尺寸，并且以本发明耦合器中模式转换结构中基本耦合单元的排列方式进行排列的模式转换结构是一种特殊的超材料，能够有效减小单模光纤和光波导尺寸差异带来的模式失配损耗。超材料模式转换层中基本耦合单元分布灵活，且结构参数形式多样，能够根据耦合光纤的有效折射率分布情况，调整各耦合区基本耦合单元的宽度等结构参数，提高耦合器与光纤之间模式的匹配程度，大幅提升耦合效率。因此，本发明基于超材料的耦合器，可能够有效减小模式失配损耗，提升耦合器的光耦合能力，实现高耦合效率、大带宽出射。

参考图1，该模式转换结构200包括多个基本耦合单元C_i-j-k，由于多个基本耦合单元C_i-j-k具有所示的特定的排列方式，因此具有超材料的性质。

以下将详细说明具有超材料的性质的多个基本耦合单元的排列方式。

由于本发明实施例的模式转换结构为三维结构，因此，为清晰可见，可将该三维结构从两个方向上维度进行描述。

结合图1和图2，在波导方向上，即，图1中的Y方向上，模式转换结构包括多阶耦合区a-a、b-b、c-c，可以理解的是，入射的波导经过多阶耦合区后与后续的器件耦合，例如与光纤进行耦合。

模式转换结构200的耦合区至少包括三阶。例如模式转换三维结构200可包括三阶耦合区。也可以包括三阶以上耦合区，例如四阶、五阶耦合区以更多阶的耦合区。

在另一维度上，即，在沿X方向的视图上，该模式转换结构200包括多个功能层L₁、L₂、L₃、L₄、L₅。该功能层的数量与耦合区的阶数相关。在模式转换结构200的耦合区至少包括三阶的情况下，该模式转换结构200至少包括五层。

在本发明的一个实施例中，模式转换结构200的耦合区包括第一阶耦合区、第二阶耦合区和第三阶耦合区，且模式转换结构包括第一功能层L₁、对称地位于所述第一功能层两侧的第二功能层L₂和第三功能层L₃、对称地位于所述第一功能层两侧的第四功能层L₄和第五功能层L₅。

在本发明的上述实施例中，结合图2、图3和图6，在本发明的模式转换结构200中的第一阶耦合区(图2中a处)中：第一功能层L₁包括用于与入射波导100耦合的两个基本耦合单元C_1-1-1和C_1-1-2，第二功能层L₂和第三功能层L₃中各自分别包括一个基本耦合单元C_1-2-1和C_1-3-1；第四功能层L₄和第五功能层L₅中不包括基本耦合单元，因此在图6中未示出第四功能层L₄和第五功能层L₅。

在本发明的上述实施例中，结合图2、图3和图7，在本发明的模式转换结构200中的第二阶耦合区(图2中b处)中：第一功能层L₁包括用于与第一阶耦合区a-a中的两个基本耦合单元C_1-1-1和C_1-1-2穿插耦合的三个基本耦合单元C_2-1-1、C_2-1-2和C_2-1-3，第二功能层L₂和第三功能层L₃中各自分别包括与第一阶耦合区a-a中的一个基本耦合单元C_1-2-1和C_1-3-1穿插耦合的两个基本耦合单元C_2-2-1和C_2-2-2以及C_2-3-1和C_2-3-2，第四功能层L₄和第五功能层L₅中各自包括一个基本耦合单元C_2-4-1和C_2-5-1。

在本发明的上述实施例中，结合图2、图3和图8，在本发明的模式转换结构200中的第三阶耦合区(图2中c处)中：第一功能层L₁包括用于与第二阶耦合区中的三个基本耦合单元C_2-1-1、C_2-1-2和C_2-1-3穿插耦合的四个基本耦合单元C_3-1-1、C_3-1-2、C_3-1-3和C_3-1-4，第二功能层L₂和第三功能层L₃中各自包括与第二阶耦合区b-b中的两个基本耦合单元穿插耦合C_2-2-1和C_2-2-2以及C_2-3-1和C_2-3-2的三个基本耦合单元C_3-2-1、C_3-2-2和C_3-2-3以及C_3-3-1、C_3-3-2和C_3-3-3，第四功能层L₄和第五功能层L₅中各自包括与所述第二阶耦合区b-b的一个基本耦合单元C_2-4-1和C_2-5-1穿插耦合的两个基本耦合单元C_3-4-1和C_3-4-2以及C_3-5-1和C_3-5-2。

可以理解，本发明的模式转换结构200包括上述a、b、c处对应的三阶耦合区。其中，c对应的耦合区作为第三阶耦合区，即最后一阶耦合区，用于与待与本发明的耦合器相耦合的光纤相匹配。

在本发明的耦合器之中，也可以包括比上述三阶更多阶的耦合器，当然，对应包括比上述五层更多层的功能层。上述实施例仅仅为本发明的耦合器的一个示例，并不用于限定本发明的范围。

实际应用中，由于最后一阶耦合区用于与待与本发明的耦合器相耦合的光纤相匹配，因此，最后一阶耦合区所包括的功能层的层数也就该与待耦合光纤的尺寸相匹配。

对于上述基本耦合单元C_i-j-k，其可包括第一波导部X、第二波导部Y和第三波导部Z，其中，所述第二波导部Y为直波导，且第一波导部X和第三波导部Z为斜波导。结合图5，图5(a)为本发明实施例中基本耦合单元C_i-j-k的示意图。

基本耦合单元C_i-j-k的横截面可以具有不同的形状，其形状与以上描述的入射波导100的形状相匹配。

在一些实施例中，基本耦合单元C_i-j-k的直波导Y沿垂直于基本耦合单元C_i-j-k的横截面为矩形，斜波导X或Z沿垂直于基本耦合单元C_i-j-k的横截面为四棱锥。

在一些实施例中，基本耦合单元C_i-j-k的直波导Y沿垂直于基本耦合单元C_i-j-k的横截面为圆形，斜波导X或Z沿垂直于基本耦合单元C_i-j-k的横截面为圆锥。

可以理解的是，基本耦合单元C_i-j-k的形状与上述入射波导100的形状相匹配。两者的斜波导部分的形状一致时，能够进行较好地匹配，从而获得较好的耦合效率。

在一些实施例中，基本耦合单元C_i-j-k的尺寸(可理解为垂直于基本耦合单元的对于横截面)为纳米级至微米级。

基本耦合单元C_i-j-k的材料，可以包括硅、氮化硅、硅锗合金或III-V族化合物等材料。

实际应用中，不同阶的耦合区和不同阶的功能层中的基本耦合单元C_i-j-k的尺寸可以相同，也可以不同。

不同阶的耦合区和不同阶的功能层中的基本耦合单元C_i-j-k的尺寸相同时，阶数较大的耦合区中多个功能层包括的基本耦合单元C_i-j-k的数量越大，这时阶数较大的耦合区中多个功能层所占的横截面越大，最终导致耦合器10的尺寸过大。此外，对于同一阶的耦合区中，多个功能层的基本耦合单元C_i-j-k的尺寸相同时，该阶耦合区中的多个功能层所占的的横截面越大，最终也会导致耦合器10的尺寸过大。

在一些实施例，不同阶的耦合区和不同功能层中的基本耦合单元C_i-j-k的尺寸也可以不同，具体而言，基本耦合单元C_i-j-k的尺寸随耦合区的阶数增大而减小。在一些实施例，基本耦合单元C_i-j-k的尺寸沿远离第一功能层的方向依次减小。如此，在阶数较大的耦合区能够容纳更多的基本耦合单元，能够有效进行耦合。

除了入射波导100和由超材料构成的模式转换三维结构200之外，本发明的耦合器10还包括覆盖入射波导100和模式转换三维结构200的覆盖结构300，如图1所示，覆盖结构300起到固定支撑并保护上述两者的作用。

在一些实施例中，覆盖结构300可以包括硅的氧化物，例如二氧化硅。

在一些实施例中，入射波导100可以包括硅、硅的衍生物和三五族材料，例如硅、氮化硅、磷化铟等。

在本发明实施例的中耦合器10中的覆盖结构300的折射率小于入射波导100的折射率，耦合器10中的覆盖结构300的折射率小于模式转换三维结构200的折射率。如此配置能够将传输的光信号模场约束在光波导内，并通过模式转换三维结构200实现模场扩大，减小与外部器件耦合时的模式失配损耗，提高耦合效率。本发明实施例的耦合器包括入射波导；由超材料构成的模式转换三维结构；覆盖结构，其中，模式转换三维结构中包括的多个基本耦合单元形成的多阶耦合区，多阶耦合区中的每一个包括多个功能层。本发明通过设计上述基于超材料的耦合器，通过设计三维超材料模式转换层，有效减小单模光纤和光波导尺寸差异带来的模式失配损耗。超材料模式转换层基本耦合单元分布灵活，且结构参数形式多样，能够根据耦合光纤的有效折射率分布情况，调整各耦合区基本耦合单元的宽度等结构参数，提高耦合器与光纤之间模式的匹配程度，大幅提升耦合效率。本发明基于超材料的耦合器，可有效减小模式失配损耗，提升耦合器的光耦合能力，实现高耦合效率、大带宽出射。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耦合器，其特征在于，包括第一波导、模式转换结构和覆盖层，其中，

在第i阶耦合区中：包括1个中间功能层和对称地位于所述中间功能层两侧的i对功能层；所述中间功能层所在的平面与所述第一波导所在的平面共面；所述中间功能层中包括i+1个等间距的基本耦合单元，所述i对功能层中的任一个功能层中的基本耦合单元的数量沿远离所述中间功能层的方向依次递减1，其中1≤i≤m-1；

2.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，在第i阶耦合区中，所有的基本耦合单元以所述中间功能层所在的平面为对称面镜像地呈金字塔形排列。

3.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，m＝3。

4.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述第一波导沿其长度方向依次具有横截面尺寸不变的直波导部和斜波导部，所述直波导部具有第一和第二端部，所述第一端部暴露在所述覆盖层表面，所述第二端部与所述斜波导部底部重合。

5.根据权利要求4所述的耦合器，其特征在于，所述第一波导的直波导部的横截面为方形或方形圆形，相应地所述第一波导的斜波导部包括楔形、棱锥或圆锥。

6.根据权利要求3所述的耦合器，其特征在于，每个基本耦合单元沿其长度方向依次具有第一波导部、第二波导部和第三波导部，其中，所述第二波导部为横截面尺寸不变的直波导部，且第一波导部和第三波导部为斜波导部，所述第二波导部具有第三端部和第四端部，所述第三端部与所述第一波导部的斜波导部底部重合，所述第四端部与所述第三波导部的斜波导部底部重合。

7.根据权利要求6所述的耦合器，其特征在于，所述每个基本耦合单元的第二波导部的横截面为方形或圆形方形，相应地所述第一波导部和第三波导部包括楔形、棱锥或圆锥。

8.根据权利要求6所述的耦合器，其特征在于，所述第一波导的斜波导部位于第1阶耦合区的中间功能层的2个基本耦合单元的第一波导部中间的间隙中，且所述第i阶耦合区的每个基本耦合单元的第三波导部位于下一阶耦合区的每个基本耦合单元的第一波导部中间的间隙中。

9.根据权利要求6所述的耦合器，其特征在于，第i阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸小于或等于下一阶耦合区的各基本耦合单元的直波导部的横截面尺寸。

10.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述覆盖结构的折射率小于所述第一波导的折射率。