CN114966966B - 一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器，包括一个耦合器主体和两个辅助波导，耦合器主体由五段宽度变化率不同的锥形波导组成，将该耦合器用于氮化硅单模波导与二氧化硅单模波导耦合，耦合效率可达92.3％，此外在耦合器主体的末端两侧对称地设置两个辅助波导，耦合效率可达96％以上，对准耦合误差容限超过1.3μm，相比于光栅耦合器具有耦合效率高、偏振损耗低、工作带宽大的优点；相比于传统倒锥形耦合器，通过应用非线性结构大大减少了耦合器尺寸，提高了器件的集成度，具有体积小、误差容限高的特点，可以应用在不同尺寸光器件集成中。

Description

一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器
技术领域
本发明涉及通信光器件技术领域，尤其涉及一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器。
背景技术
应用于不同光器件之间的耦合器又称为模斑转换器，其作用是将不同尺寸光器件的光模场进行变化，达到模场匹配，从而实现器件之间的高效耦合。
随着高速光通信领域的飞速发展，光器件的集成度越来越高，对于不同光器件，如波导与激光器、波导与探测器、波导与波导之间的耦合要求也越来越高。人们通过在不同器件之间放置耦合器来实现高效耦合。
然而随着光器件集成度的提升，耦合器不仅需要具备很高的耦合效率，同时也需要更小的尺寸。此外耦合器同样需要拥有更宽的工作带宽、更大的制造误差容限和更低的偏振损耗，从而实现在不同应用场景的高效率耦合。
目前主要的耦合器分为两种，一种是光栅耦合器，另一种是端面耦合器。光栅耦合器具有加工方便，误差容限大等优点，但耦合效率相对较低，同时工作带宽较低，偏振相关损耗较大。端面耦合器具有更高的耦合效率，更宽的工作带宽和更低的偏振相关性。然而，传统的端面耦合器通常使用但倒锥结构实现，如图1所示。光从横截面较大一端进入倒锥结构，随着横截面减小，该结构的有效折射率降低，对光波限制也变小，光波逐渐散射至包层中，从而达到了扩大模斑尺寸的目的。为保证更高的耦合效率，其横截面变化率通常很低，因此耦合器的长度会很长，同时很小的横截面变化率也会使制造更为困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器，通过非线性锥形结构缩短了耦合器尺寸，同时通过辅助波导进一步提升了耦合器在较宽工作带宽的耦合效率，同时降低了其偏振损耗。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器，包括一个耦合器主体和两个辅助波导；所述的耦合器主体由五段宽度变化率不同的锥形波导组成，所述的耦合器主体由输入端到输出端的宽度依次减小，第一段锥形波导的初始宽度W1为1μm～2.5μm，与其连接的波导相适应，第五段锥形波导的末端宽度Wt为0.2μm，五段锥形波导的长度分别为：第一段锥形波导长度L1＝5±0.5μm、第二段锥形波导长度L2＝4±0.4μm、第三段锥形波导长度L3＝6±0.6μm、第四段锥形波导长度L4＝36±0.36μm、第五段锥形波导长度L5＝40±0.4μm；两个辅助波导对称地设置在耦合器主体第五段锥形波导的两侧，辅助波导的厚度与中间的耦合器主体相同，辅助波导的宽度设置为Ws＝0.2μm，长度与第五段锥形波导长度L5相同，辅助波导与第五段锥形波导的间距为Wd＝0.5μm。
进一步地，第一段锥形波导的初始宽度W1＝2.5μm，第二段锥形波导的初始宽度W2＝2.05μm，第三段锥形波导的初始宽度W3＝1.55μm，第四段锥形波导的初始宽度W4＝1.05μm，第五段锥形波导的初始宽度W5＝0.55μm进一步地，所述的耦合器主体和辅助波导均采用氮化硅材料制成。
进一步地，所述的耦合器主体外部裹有二氧化硅包层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器，耦合器主体由五段宽度变化率不同的锥形波导组成，将该耦合器用于氮化硅单模波导与二氧化硅单模波导耦合，耦合效率可达92.3％，此外在耦合器主体的末端两侧对称地设置两个辅助波导，耦合效率可达96％以上，对准耦合误差容限超过1.3μm，相比于光栅耦合器具有耦合效率高、偏振损耗低、工作带宽大的优点；相比于传统倒锥形耦合器，通过应用非线性结构大大减少了耦合器尺寸，提高了器件的集成度，具有体积小、误差容限高的特点，可以应用在不同尺寸光器件集成中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的基于倒锥形结构的端面耦合器结构示意图。
图2为本发明实施例提供的氮化硅波导有效折射率随宽度变化图。
图3为本发明实施例提供的耦合器主体的立体图。
图4为本发明实施例提供的耦合器主体的俯视图。
图5为本发明实施例提供的基于辅助波导的非线性锥形耦合器的俯视图。
图6为本发明实施例提供的器件耦合的俯视图。
图7为本发明实施例提供的基于辅助波导的非线性锥形耦合器在TE，TM偏振态的耦合损耗。
图8为本发明实施例提供的对准误差与耦合效率的关系。
附图标记说明：
1、第一段锥形波导，2、第二段锥形波导，3、第三段锥形波导，4、第四段锥形波导，5、第五段锥形波导，6、耦合器主体，7、辅助波导。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。本文使用的术语“耦合”是指任意连接、耦合、链接等，以及“光耦合”是指使得光线从一个元件被传递至另一元件的耦合。这种“耦合”装置并非必须直接连接至另一个，可通过操纵或修改这种信号的中间部件或装置被分离。同样，本文使用的术语“直接耦合”或“直接光耦合”是指没有中间装置比如光纤而允许光线从一个元件被传递至另一元件的任意光连接。
本发明的目的是如何通过优化耦合器，达成不同光器件之间的高效耦合，同时使耦合器具有小体积、高误差容限、高工作带宽和低偏振相关损耗。
基于此目的，本发明首先对器件的有效折射率进行研究，发现器件的有效折射率会随着器件宽度的变化而变化。然而，有效折射率的变化率并不是恒定的，在不同宽度范围内，其变化率也不同，我们以氮化硅波导为例进行仿真，氮化硅波导宽度取值范围从0.1μm至3.0μm，仿真结果如图2所示。
由图2可以看到，当宽度较小时，有效折射率随宽度变化较为剧烈，而在宽度较大时则相反。为了避免宽度变化而导致的有效折射率突变，在宽度较窄的部分需要缓慢变化波导的横截面器，而在宽度较宽的地方不需要这么做。
基于此特性，本发明将耦合器设计为由五段宽度变化率不同的波导组成的锥形结构，如图3和图4所示。耦合器周围有二氧化硅包层(图中未画出)。所述的耦合器主体采用氮化硅材料制成。
具体而言，本发明提出的基于辅助波导的非线性锥形耦合器，包括一个耦合器主体6和两个辅助波导7；所述的耦合器主体6由五段宽度变化率不同的锥形波导组成，如果是3段或4段优化调整起来不够灵活，六段以上引入参数过多，很难得到最优参数。所述的耦合器主体6由输入端到输出端的宽度依次减小，第一段锥形波导1的初始宽度为W1与其连接的波导相适应，一般为1μm-2.5μm，以连接了一个宽度同为2.5um的波导为例，第一段锥形波导1的初始宽度W1＝2.5μm，第二段锥形波导2的初始宽度W2＝2.05μm，第三段锥形波导3的初始宽度W3＝1.55μm，第四段锥形波导4的初始宽度W4＝1.05μm，第五段锥形波导5的初始宽度W5＝0.55μm，第五段锥形波导5的末端宽度Wt为0.2μm，前3段由于宽度较宽，因此长度也更短，后两段宽度较窄，长度相应增加，五段锥形波导的长度分别为L1＝5μm、L2＝4μm、L3＝6μm、L4＝36μm、L5＝40μm，总长度91μm。每段锥形波导的长度值通过仿真软件优化得到，误差在上下百分之十。
将该耦合器用与氮化硅单模波导与二氧化硅单模波导耦合，耦合效率可达92.3％，而如果使用传统倒锥形耦合器达到相同的耦合效率则至少需要200μm的长度。通过应用非线性结构大大减少了耦合器尺寸，提高了器件的集成度。
在确定耦合器的主体结构后，本发明又在耦合器主体6末端设置了两个辅助波导7，以进一步提升耦合器的性能。所述的辅助波导采用氮化硅材料制成。加入辅助波导的模型俯视图如图5所示。两个辅助波导7对称地设置在耦合器主体6的第五段锥形波导5的两侧，辅助波导7的厚度与中间的耦合器主体6相同，高于或低于都会造成模场失配，完全一致的话耦合效率最高。在本实例中辅助波导7的宽度设置为Ws＝0.2μm，辅助波导7的长度与第五段锥形波导5的长度L5相同，辅助波导可以收集主波导泄露的光波。长于第五段波导对性能提升不大，短于主波导会无法收集泄露光波，从而降低耦合效率。辅助波导7与第五段锥形波导5的间距为Wd＝0.5μm。宽于此间距会使得辅助波导集光能力减弱，窄于此间距会增加工艺制造难度。以上参数的最优值均可从仿真软件优化得到。
加入辅助波导后，我们对耦合器在TE、TM偏振态，1270nm-1330nm波段进行了仿真。本实施例将4.5μm×4.5μm的二氧化硅波导和一个2μm×0.5μm的氮化硅波导通过上述加入辅助波导的耦合器进行耦合，耦合示意图如图6所示，所得结果如图7所示。从图7中可以看出器件在TE、TM偏振态下都有着很高的耦合效率，其中，TE偏振态下偶合效率可达96.5％，TM偏振态下耦合效率可达96％。不加辅助波导TE偏振态为92％，TM偏振态为88％。
此外，本发明实施例还对耦合器的对准误差容限进行了仿真，所得结果如图8所示。从图8可以看出，器件的对准耦合误差容限超过1.3μm，这对于实际的器件制造来说很有帮助。
本发明提出了一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器，相比于光栅耦合器具有耦合效率高、偏振损耗低、工作带宽大的优点。相比于传统倒锥形耦合器具有体积小、误差容限高的特点，可以应用在不同尺寸光器件集成中。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于辅助波导的非线性锥形耦合器，其特征在于，包括一个耦合器主体和两个辅助波导；所述的耦合器主体由五段宽度变化率不同的锥形波导组成，所述的耦合器主体由输入端到输出端的宽度依次减小，第一段锥形波导的初始宽度W1＝2.5μm，第二段锥形波导的初始宽度W2＝2.05μm，第三段锥形波导的初始宽度W3＝1.55μm，第四段锥形波导的初始宽度W4＝1.05μm，第五段锥形波导的初始宽度W5＝0.55μm，第五段锥形波导的末端宽度Wt为0.2μm，五段锥形波导的长度分别为：第一段锥形波导长度L1＝5±0.5μm、第二段锥形波导长度L2＝4±0.4μm、第三段锥形波导长度L3＝6±0.6μm、第四段锥形波导长度L4＝36±0.36μm、第五段锥形波导长度L5＝40±0.4μm；两个辅助波导对称地设置在耦合器主体第五段锥形波导的两侧，辅助波导的厚度与中间的耦合器主体相同，辅助波导的宽度设置为Ws＝0.2μm，长度与第五段锥形波导长度L5相同，辅助波导与第五段锥形波导的间距为Wd＝0.5μm。
2.根据权利要求1所述的基于辅助波导的非线性锥形耦合器，其特征在于，所述的耦合器主体和辅助波导均采用氮化硅材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于辅助波导的非线性锥形耦合器，其特征在于，所述的耦合器主体外部裹有二氧化硅包层。
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