CN114545551A - 一种聚合物波导和电子设备 - Google Patents

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CN114545551A CN202011360138.4A CN202011360138A CN114545551A CN 114545551 A CN114545551 A CN 114545551A CN 202011360138 A CN202011360138 A CN 202011360138A CN 114545551 A CN114545551 A CN 114545551A
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王国栋
缪桦
姚腾飞
李永凯
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Abstract

本申请提供了一种聚合物波导和电子设备，该聚合物波导的一端形成有输入部，输入部用于对接第一光纤或第一光子器件，以接收由输入的光信号；聚合物波导的另一端形成有输出部，输出部用于对接第二光纤或第一光子器件，以将输入部接收到的光信号输出到第二光纤或第二光子器件；其中，输入部和输出部的截面尺寸沿聚合物波导的延伸方向呈渐变设置。本申请提供的聚合物波导两端的截面尺寸能够根据与其对接的光纤或光子器件的截面尺寸进行对应设置，因而能够尽可能的减小聚合物波导与相应光纤或光子器件的模场分布在大小和形状上的差异，以使其模场匹配较好，耦合损耗小，耦合效率也因此较高。

Description

一种聚合物波导和电子设备
技术领域
本申请涉及光互连的技术领域，具体是涉及一种聚合物波导和电子设备。
背景技术
目前，光互连技术可以解决现有电互连技术所面临的性能瓶颈。光电器件间的高效耦合封装是有机光电背板的关键技术之一。不论采用何种封装方式，都不可避免地存在由于技术不完善及环境因素变化而造成的位置失调，从而引起较大的耦合损耗。而大的失调容差能够允许光学耦合系统在封装时出现较大的位置失调，因而可以采用结构简单、定位精度不太高的低成本封装技术。
其中，光波导与其他有源/无源器件的高效耦合集成技术是光波导互连应用的关键技术。合适的耦合结构设计，可以获得尽可能大的输出功率，有利于提高信息的传输距离和系统的信噪比。光波导插入损耗包括波导的传输损耗及光波导和光电器件之间的耦合损耗。而耦合损耗主要包括菲涅耳反射损耗(端面反射引起的损耗)以及光子器件与波导间的模场失配引起的损耗。其中模场失配引起的损耗是总耦合损耗的主要构成部分，因为光子器件与波导间的光束能量转移是通过二者间的模场匹配来完成的。
然而，在传统的集成光学器件中，制作的聚合物波导多为矩形波导，当其与光子器件如圆形光纤耦合时，由于二者模场分布在大小和形状上的差异，导致模场匹配差，耦合损耗大，耦合效率低。
发明内容
本申请提供了一种聚合物波导和电子设备，以解决现有的聚合物波导多为矩形波导，当其与光子器件如光纤耦合时，由于二者模场分布在大小和形状上的差异较大，导致模场匹配差，耦合损耗大，耦合效率低的问题。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种聚合物波导，其中，该聚合物波导的一端形成有输入部，输入部用于对接第一光纤或第一光子器件，以接收由第一光纤或第一光子器件输入的光信号；聚合物波导的另一端形成有输出部，输出部用于对接第二光纤或第二光子器件，以将输入部接收到的光信号输出到第二光纤或第二光子器件；其中，输入部和输出部的截面尺寸沿聚合物波导的延伸方向呈渐变设置。
其中，聚合物波导呈部分圆锥或椭圆锥结构设置。
其中，聚合物波导对应的圆弧角度为0.001-1弧度。
其中，输入部和输出部的截面尺寸沿光信号在聚合物波导中的传输方向呈逐渐增大设置。
其中，输入部和输出部的截面尺寸沿光信号在聚合物波导中的传输方向呈逐渐减小设置。
其中，聚合物波导的输入部和输出部之间还形成有传输部，传输部的截面尺寸沿聚合物波导的延伸方向呈均等设置，且输入部和输出部分别与传输部对接处的截面尺寸与传输部的截面尺寸相等。
其中，传输部的长度为0-100厘米。
其中，输入部和输出部呈部分圆锥或椭圆锥结构设置，且其对应圆弧角度为0.02-1弧度。
其中，聚合物波导还包括芯层和包层，芯层包括输入部和输出部，且包层包覆芯层。
为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种电子设备，其中，该电子设备包括依次连接的第一光纤或第一光子器件，聚合物波导以及第二光纤或第二光子器件，以能够由第一光纤或第一光子器件通过聚合物波导向第二光纤或第二光子器件传输光信号，其中，聚合物波导为如上任一项所述的聚合物波导。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供的聚合物波导的一端形成有输入部，输入部用于对接第一光纤或第一光子器件，以接收由光纤或第一光子器件输入的光信号，且其另一端形成有输出部，该输出部用于对接第二光纤或光子器件，以将输入部接收到的光信号输出给第二光纤或第二光子器件，且输入部和输出部的截面尺寸沿聚合物波导的延伸方向呈渐变设置，以能够根据与其对接的光纤或光子器件的截面尺寸来对应设置输入部和输出部的截面尺寸，因而能够尽可能的减小聚合物波导与相应光纤或光子器件的模场分布在大小和形状上的差异，以使其模场匹配较好，耦合损耗小，耦合效率也因此较高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请聚合物波导第一实施方式的结构示意图；
图2是圆锥形聚合物波导对应尺寸参数的示意图；
图3是本申请聚合物波导第二实施方式的结构示意图；
图4是本申请聚合物波导第三实施方式的结构示意图；
图5是本申请聚合物波导第四实施方式的结构示意图；
图6是本申请聚合物波导第五实施方式的结构示意图；
图7是本申请电子设备一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参阅图1，其中，图1是本申请聚合物波导第一实施方式的结构示意图。
在本实施方式中，该聚合物波导10是一种基于高透光性的聚合物制作的一种导光介质，以用于传输光信号。具体地，该聚合物波导10的一端形成有输入部11，而其另一端形成有输出部12，且该聚合物波导10的输入部11能够与第一光纤或第一光子器件实现对接，以接收由该第一光纤或第一光子器件输入的光信号，并将该光信号经由聚合物波导10的输出部12输出给对接于输出部12的第二光纤或第二光子器件，以完成光信号的传输。
其中，该第一光纤或第一光子器件指的是可以传输或者直接生成光信号的光子器件中的任一种，第一光纤以能够获取如光导芯片等光子器件生成的光信号，并将相应的光信号经由聚合物波导10传输给第二光纤或光子器件器件，以通过该第二光纤或第二光子器件对该光信号进行再次传输或处理。
其中，该输入部11和输出部12的截面尺寸沿聚合物波导10的延伸方向呈渐变设置，比如，逐渐增大或逐渐减小，且该输入部11的截面尺寸及变化趋势具体由第一光纤或第一光子器件与其对接部分的截面尺寸决定，而该输出部12的截面尺寸及变化趋势具体由第二光纤或第二光子器件与其对接部分的截面尺寸决定，本申请对此不做限定。
可理解的是，因该聚合物波导10的截面尺寸呈渐变变化，其输入部11能够通过与光信号输入端的第一光纤或第一光子器件的截面尺寸相对应设置，以更有利于将光纤或者VESEL(红外激光)输入的光信号耦合入聚合物波导10的通道内；而其输出部12也能够通过与光信号处理端的第二光纤或第二光子器件的截面尺寸相对应设置，以更有利于将相应的光信号耦合输出给第二光纤或第二光子器件，从而能够显著地提高聚合物波导10与其他光电器件的耦合对位公差，进而大幅降低耦合损耗。
可选地，第一光子器件为硅基光调制器、微环谐振器、光子带隙器件以及光电芯片等任一合理的电子器件中的一种，本申请对此不做限定。
可选地，第二光子器件为硅基光调制器、微环谐振器、光子带隙器件以及光电芯片等任一合理的电子器件中的一种，本申请对此不做限定。
可选地，聚合物波导10呈部分圆锥或椭圆锥结构设置，而在其他实施例中，该聚合物波导10还可以呈其他近圆形图样所对应的部分锥形结构设置，本申请对此不做限定。
具体地，在本实施方式中，该聚合物波导10为一尺寸沿光信号传输方向逐渐减小的圆锥形聚合物波导，也即其输入部11具有较大的截面尺寸，以使该聚合物波导10芯层的输入部11接收外部信号的端面尺寸大于第一光纤芯径的面积或输入的光斑面积，从而能够确保对光信号具有较高的接收效率；而其输出部12设置制作为较小截面尺寸，也即其输出部12输出到外部的端面尺寸小于第二光纤芯径的面积，或由输出部12输出形成的光斑尺寸小于耦合接收器件的有效接收面积，从而能够确保光信号的高输出效率。
其中，该圆锥形聚合物波导10可以通过微孔直写、3D打印等方式，并以调节走线速度、控制出胶量来进行制作。且通过该方法制得的圆锥形聚合物波导10，可以增大波导与耦合器件的对位公差，提高二者间的模场匹配性，以实现较高的耦合效率。
可选地，聚合物波导10为阶跃型波导，或渐变型波导。其中，优选渐变型波导。
可选地，聚合物波导10是采用硅氧烷类、环氧树脂类、聚酰亚胺类及丙烯酸酯类聚合物等任一合理的材料中的一种或几种制作形成，本申请对此不做限定。
在一个具体的实施例中，当聚合物波导10的输入部11旨在与50微米芯径的多模光纤耦合，且其输出部12与标准单模光纤(芯径为9-10微米)耦合时，则该聚合物波导10的截面尺寸沿着光信号的传输方向波导截面尺寸逐渐减小。
且该聚合物波导10为部分圆锥形结构，如图2所示，图2是圆锥形聚合物波导对应尺寸参数的示意图，该θ角为圆锥形聚合物波导对应的圆弧角度，而d为圆锥形聚合物波导标注位置处的截面直径。
其中，该聚合物波导10的圆弧角度为0.001-1弧度，圆弧渐变长度为100微米-10厘米，输出部12端部的截面直径为5-10微米，输入部11端部的截面直径为50-60微米。
请继续参阅图3，图3是本申请聚合物波导第二实施方式的结构示意图。
在本实施方式中，该聚合物波导30的输入部31和输出部32的截面尺寸沿光信号在聚合物波导30中的传输方向呈逐渐增大设置。
可选地。该聚合物波导30对应的圆弧角度为0.001-1弧度。
在一个具体的实施例中，该聚合物波导30呈部分圆锥形结构设置，且该聚合物波导30的输入部31旨在与标准50微米芯径的多模第一光纤耦合，其输出部32与62.5微米芯径多模第二光纤或相应耦合器件耦合，则该聚合物波导30的截面尺寸沿着光信号的传输方向波导截面尺寸逐渐增大。且该聚合物波导30的圆弧角度为0.001-1弧度，圆弧渐变长度为100微米-10厘米，输出部32端部截面直径为62.5-72.5微米，输入部31端部截面直径为40-50微米。
在一个具体的实施例中，该聚合物波导30呈部分圆锥形结构设置，且聚合物波导30的输入部31旨在与标准单模光纤耦合，其输出部32与50微米芯径多模第二光纤或相应耦合器件耦合时，则该聚合物波导30的截面尺寸沿着光信号的传输方向波导截面尺寸逐渐增大。
其中，该聚合物波导30的圆弧角度为0.001-1弧度，圆弧渐变长度为100微米-10厘米；输出部32端部截面直径为40-50微米；输入部31端部截面直径为10-15微米。
请继续参阅图4，图4是本申请聚合物波导第三实施方式的结构示意图。
在本实施方式中，该聚合物波导40的输入部41和输出部42的截面尺寸沿光信号在聚合物波导40中的传输方向呈逐渐减小设置，且该聚合物波导40的输入部41旨在与硅光子芯片耦合，而其输出部42与标准单模光纤耦合。
其中，该聚合物波导40呈部分圆锥形结构设置，且该聚合物波导30的圆弧角度为0.001-1弧度，圆弧渐变长度为10微米-1厘米；输出部42端部截面直径为5-10微米；输入部41端部截面直径为10nm-500nm。
可选地，该聚合物波导40还可以与任一光子器件，诸如硅基光调制器、微环谐振器、光子带隙器件等任一合理的器件中的一种进行耦合，本申请对此不做限定。
请继续参阅图5，图5是本申请聚合物波导第四实施方式的结构示意图。
在本实施方式中，聚合物波导50的输入部51和输出部52之间还形成有传输部53，且该传输部53的截面尺寸沿聚合物波导50的延伸方向呈均等设置，而输入部51和输出部52分别与传输部53对接处的截面尺寸与传输部53的截面尺寸相等。
在一个具体的实施例中，该聚合物波导50的输入部51和输出部52均呈部分圆锥形结构设置，且其传输部53为圆柱形结构，以在聚合物波导50的输入部51和输出部52旨在与具有相同芯径的标准单模光纤耦合时，则该聚合物波导50的输入部51和输出部52的截面尺寸沿光信号的传输方向逐渐减少。
其中，该聚合物波导50的输入部51和输出部52的圆弧角度为0.02-1弧度，而其圆弧渐变长度为10-1000微米；输入部51端部的截面直径为10-15微米；输出部52端部的截面直径为5-10微米；传输部53的长度为0-100厘米，且其直径为9-10微米。
在另一实施例中，该聚合物波导50的输入部51和输出部52均呈部分圆锥形结构设置，且其传输部53为圆柱形结构，以在聚合物波导50的输入部51和输出部52旨在与两端具有相同50微米芯径的标准多模光纤或相应耦合器件耦合时，则该聚合物波导50的输入部51和输出部52的截面尺寸沿光信号的传输方向逐渐减少。
其中，该聚合物波导50能够将硅光子芯片中的光成功导入到单模光纤或者相应耦合器件中，且其输入部51和输出部52的圆弧角度为0.02-1弧度，而其圆弧渐变长度为40-2000微米；输入部51端部的截面直径为50-60微米；输出部52端部的截面直径为40-50微米；传输部53的长度为0-100厘米，且其直径为50-62.5微米。
请继续参阅图6，图6是本申请聚合物波导第五实施方式的结构示意图。
在本实施方式中，聚合物波导6包括芯层61和包层62，其中，该芯层61包括输入部和输出部，以用于接收并传输相应的光信号，而包层62用于包覆芯层61，以对芯层61进行防护。
可选地，芯层61是采用硅氧烷类、环氧树脂类、聚酰亚胺类及丙烯酸酯类聚合物等任一合理的材料中一种或者几种制作形成，本申请对此不做限定。
可选地，包层62的厚度为1-100微米。
基于总的发明构思，本申请还提供了一种电子设备，请参阅图7，图7是本申请电子设备一实施方式的结构示意图。
在本实施方式中，该电子设备70包括依次连接的第一光纤71、聚合物波导72以及第二光纤73，以能够由第一光纤71通过聚合物波导72向第二光纤73传输相应的光信号，其中，该聚合物波导72可以是如上任一项所述的聚合物波导，在此不再赘述。
在另一实施例中，该第一光纤71还可以是第一光子器件，如光导芯片或硅基光调制器等，以将其生成的光信号，经由聚合物波导72传输给第二光纤73，而第二光纤73还可以是第二光子器件，诸如硅基光调制器、微环谐振器、光子带隙器件等任一合理的器件中的一种，以能够对接收到的该光信号再次进行传输或处理，本申请对此不做限定。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供的聚合物波导的一端形成有输入部，输入部用于对接第一光纤或第一光子器件，以接收由光纤或第一光子器件输入的光信号，且其另一端形成有输出部，该输出部用于对接第二光纤或光子器件，以将输入部接收到的光信号输出给第二光纤或第二光子器件，且输入部和输出部的截面尺寸沿聚合物波导的延伸方向呈渐变设置，以能够根据与其对接的光纤或光子器件的截面尺寸来对应设置输入部和输出部的截面尺寸，因而能够尽可能的减小聚合物波导与相应光纤或光子器件的模场分布在大小和形状上的差异，以使其模场匹配较好，耦合损耗小，耦合效率也因此较高。
以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种聚合物波导，其特征在于，
所述聚合物波导的一端形成有输入部，所述输入部用于对接第一光纤或第一光子器件，以接收由所述第一光纤或所述第一光子器件输入的光信号；
所述聚合物波导的另一端形成有输出部，所述输出部用于对接第二光纤或第二光子器件，以将所述输入部接收到的所述光信号输出到所述第二光纤或所述第二光子器件；
其中，所述输入部和所述输出部的截面尺寸沿所述聚合物波导的延伸方向呈渐变设置。
2.根据权利要求1所述的聚合物波导，其特征在于，
所述聚合物波导呈部分圆锥或椭圆锥结构设置。
3.根据权利要求2所述的聚合物波导，其特征在于，
所述聚合物波导对应的圆弧角度为0.001-1弧度。
4.根据权利要求1所述的聚合物波导，其特征在于，
所述输入部和所述输出部的截面尺寸沿所述光信号在所述聚合物波导中的传输方向呈逐渐增大设置。
5.根据权利要求1所述的聚合物波导，其特征在于，
所述输入部和所述输出部的截面尺寸沿所述光信号在所述聚合物波导中的传输方向呈逐渐减小设置。
6.根据权利要求1所述的聚合物波导，其特征在于，
所述聚合物波导的所述输入部和所述输出部之间还形成有传输部，所述传输部的截面尺寸沿所述聚合物波导的延伸方向呈均等设置，且所述输入部和所述输出部分别与所述传输部对接处的截面尺寸与所述传输部的截面尺寸相等。
7.根据权利要求6所述的聚合物波导，其特征在于，
所述传输部的长度为0-100厘米。
8.根据权利要求6所述的聚合物波导，其特征在于，
所述输入部和所述输出部呈部分圆锥或椭圆锥结构设置，且其对应圆弧角度为0.02-1弧度。
9.根据权利要求1所述的聚合物波导，其特征在于，
所述聚合物波导还包括芯层和包层，所述芯层包括所述输入部和所述输出部，且所述包层包覆所述芯层。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括依次连接的第一光纤或第一光子器件，聚合物波导以及第二光纤或第二光子器件，以能够由所述第一光纤或所述第一光子器件通过所述聚合物波导向所述第二光纤或所述第二光子器件传输光信号，其中，所述聚合物波导为如权利要求1-9中任一项所述的聚合物波导。
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