CN114839722B - 一种异构多模波导耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构多模波导耦合器，属于光电子通信器件领域。基于端面耦合方案，利用强导少模光纤以及片上多级绝热倒锥结构，实现少模光纤与片上多模波导之间多个导模的直接耦合转换，具有低损耗低串扰的特点。其中强导少模光纤可以对光纤模式形成更强的约束，允许通过拉锥等方式有效减小光斑尺寸而不会影响内部LP模式纯度，而片上多级绝热倒锥结构则利用模式演变原理，可以将少模光纤内多个LP模式耦合演变成片上多模波导内的波导模式。本发明实现了少模光纤链路与片上多模系统之间的多模耦合，允许将模分复用技术应用于光纤‑芯片光互连系统中，对光互连系统传输容量的进一步提升以及多模光子学、光互连等领域的应用具有重大意义。

Description

一种异构多模波导耦合器

技术领域

本发明属于光电子通信器件领域，更具体地，涉及一种异构多模波导耦合器。

背景技术

面对大数据时代日益增长的容量需求，如何进一步提升通信链路的传输容量成为亟需解决的热点问题，而光场多维度资源的复用技术作为一种有前途的突破技术，近年来引起了人们广泛的关注。传统的波分复用技术利用多个波长进行复用传输以提高通信链路的信道数目以及通信容量，而时分复用、偏振复用以及高级调制格式等技术，在过去几十年内也获得了飞速的发展，不断推动着现代通信网络的发展变革。随着现有光场维度资源的开发利用已接近极限，为解决现有单模光纤通信网络的容量瓶颈，模分复用技术利用多模光纤/波导中的多个导模实现空间复用，为未来通信系统容量的进一步增加提供了可能。

尽管模分复用技术在少模光纤链路以及片上多模处理系统中逐渐发展完善，但对于光通信、光互连等应用而言，光纤与芯片之间的互连仍然具有较大的挑战，主要体现在传统的耦合方案只适用于单模系统，片上多模波导与少模光纤内部的多个导模无法直接耦合互连。因此，目前的方案主要依赖于模式(解)复用器的实现，通过将片上多模波导以及少模光纤中的高阶模式解复用成基模然后再进行相互耦合。尽管片上集成的模式(解)复用器已较为成熟，但针对少模光纤的模式(解)复用处理仍然存在较大的挑战，其实现通常需要复杂的自由空间光学装置或者全光纤模式选择耦合器，而基于片上光栅阵列的集成方案则会引入过量的插入损耗，严重限制了少模光纤通信与片上光互连处理等的进一步发展。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种异构多模波导耦合器，其目的在于突破现有光纤与芯片之间的光互连仅适用于单模系统的局限性，目标是基于端面耦合方案，实现少模光纤与片上多模波导之间多个导模的直接耦合转换，从而将模分复用技术与光纤-芯片光互连系统相结合，进一步提高光互连系统的传输容量。

因此，为实现片上多模系统与少模光纤链路的互连通信，在此发明中将提供一种异构多模波导耦合器，可以实现片上多模波导与少模光纤中多个导模的直接耦合转换。

本发明提供的一种异构多模波导耦合器，其设计实现基于端面耦合方案，利用异构多模波导将传统少模光纤链路与片上多模系统进行连接，并完成光纤-芯片之间多个模式的直接耦合转换。该异构多模波导耦合器由过渡的强导少模光纤以及片上多级绝热缓变倒锥结构构成，少模光纤内部多个LP模式先通过强导少模光纤低损耗地耦合到片上端面耦合结构中的第二芯层辅助耦合波导中，然后再通过片上第一芯层波导结构演变成多模波导内的高阶模式。

进一步地，所述强导少模光纤起到过渡连接的作用，其设计芯径尺寸与构成传统少模光纤链路的一般少模光纤相当，因此可以利用熔融焊接等方式实现低损耗连接。另一方面，其较大的纤芯包层折射率差可以对光纤模式形成更强的约束力，从而允许对其进行拉锥制成锥形光纤，在不造成内部高阶LP模式泄露的情况下有效降低减小出射光斑尺寸，减小光纤与芯片耦合中的模式失配。

更进一步地，所述强导少模光纤的纤芯与包层折射率差大于1％，在不造成高阶LP模式泄露的前提下，仿真确定其纤芯直径至少可以拉锥到6μm，因此为实现模斑匹配，芯片端面耦合结构中用以辅助耦合的第二芯层波导的尺寸也应该与之相当。同时，为保证少模光纤中不同偏振态的LP模式可以直接耦合到第二芯层波导中，第二芯层波导的横截面设计为正方形，具有良好的结构对称性，可以支持与光纤中LP模式类似的模式。

另一方面，片上第一芯层波导由第二芯层波导所覆盖，其中第二芯层波导通常由聚合物、氮氧化硅、富硅氧化物或者氮化硅等材料构成，其折射率介于第一芯层波导以及上掩埋层之间，因此可以实现输入光从第二芯层波导到第一芯层波导的过渡耦合。而多级绝热缓变倒锥结构则利用模式演变原理，通过计算波导模式的有效折射率以及偏振分量随波导宽度的变化关系，从而确定各级倒锥结构的位置，并对各级倒锥的长度进行参数扫描，从而控制少模光纤输入耦合到第二芯层波导中的多个类LP模式到片上多模波导中高阶模式的逐步演变。

进一步地，第一芯层波导的尖端宽度由工艺制造条件允许的最小波导尺寸来确定，以实现第二芯层波导到第一芯层波导的低损耗耦合连接，而末端波导宽度则通过分析该宽度波导支持的波导模式来确定。同时，为使第一芯层波导能稳定支持所需要的几个高阶波导模式，选择其波导高度为340nm，可以更好地同时支持两个偏振的多个高阶模式。

更进一步地，为使在多级绝热缓变倒锥结构中能够实现低串扰的模式演变，通过分析不同第二芯层波导尺寸下模式有效折射率以及偏振分量的变化关系，确定第二芯层波导尺寸在6×6μm²及以下，此时第二芯层波导支持的模式数较少，各个模式之间的有效折射率差也较大，更容易在较小的器件尺寸下实现对应模式的高效低串扰的演变。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、传统光纤与芯片的互连无论是基于垂直耦合方案还是端面耦合方案都只针对基模，一些针对高阶模式的耦合也存在模式数目较少、耦合损耗较大等问题。相比之下，本发明提出并设计一种异构多模波导耦合器，可以实现少模光纤与片上多模波导中多个导模的直接耦合转换，具有低损耗、低串扰的特点。

2、本发明提出的异构多模波导耦合器是基于成熟的端面耦合方案，包括用于模式耦合的过渡强导少模光纤以及用于模式演变的多级绝热缓变倒锥结构。其中强导少模光纤纤芯包层折射率差大于1％，而用于辅助耦合的第二芯层波导可以由聚合物、氮氧化硅、富硅氧化物或者氮化硅等众多材料构成，其尺寸也不超过6×6μm²，工艺方面具有较高的可行性。

3、本发明提出的异构多模波导耦合器，采用的过渡强导少模光纤的纤芯尺寸与一般常用的弱导少模光纤相同，因此可以通过熔融焊接的方式进行低损耗连接，从而实现传统少模光纤链路以及片上多模系统的光互连，具有较多的应用场景。

4、本发明提出的异构波导耦合器可以对传统少模光纤中6个LP模式进行耦合转换，同时该设计方法具有一定的可扩展性，可以通过调整其设计参数应用于更多模式，进一步扩展到传统多模光纤链路与片上多模系统的直接耦合，从而将模式复用技术引入光纤-芯片光互连系统中，进一步提高光互连系统的传输容量。

附图说明

图1是本发明提供的直接耦合的少模光纤内部6个LP模式与片上多模波导中不同偏振6个模式的光场图；

图2是本发明提供的用来实现光纤-芯片中多个高阶模式耦合的异构多模波导耦合器的结构示意图；

图3是本发明提供的过渡强导少模光纤的截面和折射率分布示意图，以及其内部支持的6个LP模式的光场图；

图4是本发明提供的片上多级绝热缓变倒锥波导的截面示意图以及其尖端和末端分别支持的不同偏振6个模式的光场图；

图5是本发明提供的片上多级绝热缓变倒锥波导中各个模式有效折射率及横电偏振分量随波导宽度的变化关系；

图6是本发明提供的片上多级绝热缓变倒锥波导中实现模式演变的传播光场仿真结果。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种异构多模波导耦合器，其主要功能是解决少模光纤与片上多模波导的多个导模的模场失配问题，实现少模光纤与片上多模波导中多个导模的直接耦合转换，其中少模光纤中支持的6个LP模式以及片上多模波导中的6个横电或者横磁模式如图1所示。

如图2所示，本发明提供了异构多模波导耦合器的结构示意图，主要包括过渡强导少模光纤以及片上多级绝热缓变倒锥波导，其中1、2分别是过渡强导少模光纤的纤芯与包层，用来连接传统少模弱导少模光纤实现过渡耦合，片上采用的是端面耦合结构，包括硅衬底3，衬底上的掩埋层4，掩埋层包括二氧化硅绝缘层以及二氧化硅包层，5作为第一芯层多级绝热缓变倒锥结构，与片上多模波导6相连接，7则作为第二芯层辅助耦合波导，覆盖在第一芯层波导上方。

本发明提供的一种异构多模波导耦合器，其中一种具体实施方式为：

过渡强导少模光纤一端通过熔融焊接的方式与传统弱导少模光纤相连接，从而使其兼容应用于传统少模光纤链路，另一端则通过拉锥的方式制成透镜光纤，从而减小出射光斑尺寸，使其更好地与片上波导结构进行匹配耦合。因此，过渡强导少模光纤的设计首先使其纤芯尺寸与传统弱导少模光纤相当，可以实现低损耗的熔融焊接，另一方面其纤芯与包层的折射率差则需要保证光纤拉锥到较小尺寸时仍不会造成内部高阶LP模式的泄露。图3给出了过渡强导少模光纤的截面和折射率分布示意图，其纤芯尺寸被拉锥到直径3μm，通过计算不同折射率差下其支持的导模，确定其纤芯包层折射率差大于4％，此时其内部支持的6个LP模式的光场图如图3所示，高阶LP模式仍然被有效约束在纤芯中，不会泄漏到包层。随着对拉锥后纤芯尺寸要求降低的同时，需要的纤芯包层折射率差也随着减小，在纤芯直径为6μm的情况下，纤芯包层折射率差大于1％即可满足要求。

片上多级绝热缓变倒锥结构包括用于模式耦合的第二芯层波导以及用于模式演变的第一芯层波导，其中第二芯层波导覆盖在第一芯层波导结构上方，横截面设计为正方形，具有良好的结构对称性，可以支持与光纤中LP模式类似的模式，同时其尺寸与少模光纤出射光斑相当，可以作为辅助波导实现低损耗过渡耦合。第二芯层波导用于辅助耦合，其折射率介于第一芯层波导以及掩埋层之间，因此可以由聚合物、氮氧化硅、富硅氧化物或者氮化硅等材料构成，考虑到工艺条件等多个因素，本实施例中采用的是SU8材料。

少模光纤内部多个LP模式首先直接耦合到第二芯层波导中，然后再通过第一芯层波导多级绝热缓变倒锥结构，演变成片上多模波导内的高阶模式。图4给出了多级绝热缓变倒锥波导的截面示意图以及其尖端和末端分别支持的不同偏振6个模式的光场图。第一芯层波导材料为硅，为保证第二芯层波导到第一芯层波导的低损耗耦合连接，其尖端宽度应当尽量小，选为工艺制造条件允许的最小波导尺寸60nm，而末端波导宽度则通过计算该宽度下波导模式来确定。这里为使第一芯层波导能稳定支持所需要的几个高阶波导模式，选择硅波导高度为340nm，可以更好地同时支持两个偏振的多个高阶模式。通过选择硅波导末端宽度为1.2μm，计算得到其支持的双偏振共6个模式具有最大的有效折射率。

多级绝热缓变耦合结构的设计则是利用模式演变的原理，将尖端输入的6个类LP模式耦合转换成硅基多模波导中的6个高阶横电模式与横磁模式。为使在多级绝热缓变倒锥结构中能够实现低串扰的模式演变，通过分析如图5所示的不同硅波导尺寸下模式有效折射率以及偏振分量的变化关系，确定各级倒锥结构的宽度变化范围，并通过EME仿真求解各级倒锥结构的最小长度，从而实现低低串扰的模式演变。

图6中给出了硅基多级绝热缓变倒锥波导中实现模式演变的传播光场仿真结果，在3×3μm²SU8波导的辅助耦合下，通过总长度为2100μm共12级绝热缓变倒锥结构将硅波导从60nm扩宽到1.2μm，得到6个输入类LP模式到多模波导输出6个高阶横电模式或横磁模式的高效演变，模式串扰小于-25dB。同时，第二芯层辅助耦合波导的尺寸允许更大，应当尽量控制在6×6μm²及以下，此时第二芯层波导支持的模式数较少，各个模式之间的有效折射率差也较大，更容易在较小的器件尺寸下实现对应模式的高效低串扰的演变。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种异构多模波导耦合器，其特征在于，包括强导少模光纤和片上端面耦合结构，所述片上端面耦合结构由下至上依次包括衬底、掩埋层以及芯层，所述芯层包括由多级绝热倒锥结构和多模波导连接组成的第一芯层以及覆盖在第一芯层上方的作为辅助耦合波导的第二芯层；

所述强导少模光纤一端通过熔融焊接的方式与传统弱导少模光纤相连接，从而使其兼容应用于传统少模光纤链路，另一端则通过拉锥的方式制成透镜光纤，从而减小出射光斑尺寸，使其更好地与片上端面耦合结构进行匹配耦合；所述强导少模光纤和所述弱导少模光纤的纤芯尺寸范围相同；所述弱导少模光纤内部多个LP模式先通过所述强导少模光纤低损耗地耦合到片上端面耦合结构中的第二芯层辅助耦合波导中，然后再通过片上第一芯层中的多级绝热倒锥结构演变成多模波导内的高阶模式，实现少模光纤与多模波导之间多个模式的直接耦合转换；

当所述强导少模光纤的纤芯尺寸被拉锥到直径3 μm，通过计算不同折射率差下其支持的导模，确定所述强导少模光纤的纤芯包层折射率差大于4%，当所述强导少模光纤的纤芯尺寸被拉锥到直径6 μm时所述强导少模光纤的纤芯包层折射率差大于1%；

第二芯层辅助耦合波导的横截面设计为正方形，且第二芯层辅助耦合波导尺寸在6 ×6 μm²及以下；

多级绝热倒锥结构利用模式演变原理，通过计算波导模式的有效折射率以及偏振分量随波导宽度的变化关系，从而确定各级倒锥结构的位置，并对各级倒锥的长度进行参数扫描，从而控制少模光纤输入耦合到第二芯层辅助耦合波导中的多个LP模式到片上多模波导中高阶模式的逐步演变。

2.根据权利要求1所述的异构多模波导耦合器，其特征在于，所述第二芯层的折射率介于第一芯层的多模波导和掩埋层之间。

3.根据权利要求1所述的异构多模波导耦合器，其特征在于，所述多级绝热倒锥结构由多个具有不同长度以及宽度变化范围的分段波导组成，通过定义每个分段波导的宽度形成不均匀的宽度变化。

4.根据权利要求1所述的异构多模波导耦合器，其特征在于，所述第一芯层的高度为340nm。

5.根据权利要求1所述的异构多模波导耦合器，其特征在于，所述第一芯层材料为硅，第二芯层材料为聚合物、氮氧化硅、富硅氧化物或者氮化硅。