CN115951452A - 一种基于多相位面的多模波导耦合器 - Google Patents

一种基于多相位面的多模波导耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多相位面的多模波导耦合器，属于光电子通信器件领域。结合双光子聚合飞秒激光加工技术，利用多相位面和微透镜结构，实现多模光纤支持的模式与片上多模波导支持的模式之间的耦合转换，具有低损耗低串扰的特点。本发明实现了实现多模光纤支持的模式与片上多模波导支持的模式之间的耦合转换，突破模分复用技术难以运用在光纤‑芯片光互连系统的限制，促进了光互连系统传输容量的进一步提升。

Description

一种基于多相位面的多模波导耦合器
技术领域
本发明属于光电子通信器件领域，更具体地，涉及一种基于多相位面的多模波导耦合器。
背景技术
随着互联网数据需求的不断增长，不断有新的通信技术被快速研发推进，包括各种高级调制格式、各种信号复用技术和各种数字信号处理算法。每一次的技术革新都会促进容量的大规模提升，但随着单模光纤迅速接近其容量极限，当前技术对于频率/波长、幅度/相位、时间等维度资源的运用已接近极限。因此，空分复用技术，作为解决新的“容量危机”最有潜力的技术方案之一，正在被广泛研究。空分复用是指利用横向空间维度建立多个数据信道实现数据并行传输。空分复用技术可以分为两种：其一是在同一介质空间内采用多个正交的空间模式实现共线传输，即模分复用。模式之间由于相互正交的特性而可以实现信道分离，因而可以通过增加复用的模式数目来提升系统的通信容量；其二是利用空间位置互不重叠的多路信号实现并行传输，例如多芯光纤传输。由于每个信道所占用的空间位置互不干扰，通过增加单位面积上的空间信道数目可以提高系统的通信容量。模分复用系统中各部分节点所用的关键器件设计是研究重点，如模式转换和复用器是光通信和光互连的核心器件，实现模分复用系统中模式转换和复用这些重要功能。模式转换即实现不同模式间的相互转换，模式复用则将多个正交的不同模式合束在一起。
对于如今光通信、光互连应用而言，光纤与芯片之间的互连是其中的研究重点。而模分复用技术在光纤-芯片光互连中应用仍然是一个巨大挑战，其中多芯光纤与片上多模波导之间的模式耦合便是需要解决的重点。片上多模波导为方形波导，且波导尺寸与光纤尺寸存在很大差异，因而硅基集成器件激发的模式与光纤支持的模式有很大区别，存在很大的模场匹配的问题，往往会引入较大的耦合损耗。常见的光纤-芯片光互连器件包括自由空间光器件和全光纤型器件和硅基集成器件。其中自由空间光器件尺寸庞大，与光纤耦合过程中往往会引入较大的插入损耗，而且随着复用的模式数量的增加，系统的复杂性、尺寸也会随之大大增加，同时也会引入更大的插入损耗。全光纤器件能实现光纤与芯片系统之间的单模系统互连，但多模光纤支持的模式与多模波导支持的模式具有较大差异，无法直接耦合互连，而其中需要的模式转换很难通过全光纤器件实现。而硅基集成器件方案一般通过片上垂直光栅阵列实现模式转换和耦合，但该垂直耦合方案往往会引入较大的耦合损耗，且还具有一定的波长敏感性和偏振敏感性。这些方案均有各式各样的缺陷，严重限制了模分复用技术在光纤-片上光互连系统中的进一步发展。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于多相位面的多模波导耦合器，其目的在于突破模分复用技术难以运用在光纤-芯片光互连系统的限制，目标是通过基于多相位面的多模波导耦合器的端面耦合方案，实现多模光纤支持的模式与片上多模波导支持的模式之间的耦合转换，从而推进模分复用技术在光纤-芯片光互连系统中的运用，进一步提高光互连系统的传输容量。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多相位面的多模波导耦合器，可以实现多模光纤支持的模式与片上多模波导支持的模式之间的耦合转换。
本发明提供一种基于多相位面的多模波导耦合器，包括多相位面和微透镜，多相位面包括多层相位板，多相位面的输入端面与多模光纤对准耦合，将多模光纤中传输的光束的模式进行转换，输出端面与微透镜的输入端对准耦合，微透镜实现光束缩束功能，微透镜的输出端与片上多模波导对准耦合，将缩束后的光束对应耦合至片上多模波导中，多模光纤支持的多个模式通过多相位面转换以及微透镜缩束后与对应片上多模波导中的高阶模式进行耦合匹配。
进一步地，所述多相位面的输入端面与多模光纤对准耦合后，多相位面与多模光纤端面互相固定装配，所述微透镜的输入端与多相位面的输出端面对准耦合后，微透镜再与多相位面固定装配在一起，所述微透镜的输出端与片上多模波导对准耦合后，微透镜最终与片上多模波导固定装配在一起。
进一步地，所述多相位面与微透镜可以通过EBL工艺或光刻工艺或飞秒激光直写技术制备。
进一步地，所述多相位面包括N层上下对准堆叠的相位板，相位板尺寸与多芯光纤激发的光束模场尺寸相匹配，每层相位板包括m×m个像素点，像素点尺寸与数量由加工工艺决定，每个像素点实现0至2π的相位调制，各相位板之间存在一定间距。所述多相位面的各相位板相位结构与各相位板之间间距经由光学衍射神经网络算法计算确定。N包括3，4，5，6；m≥50，为正整数。
进一步地，所述微透镜尺寸与所述多相位面转换的模式模场尺寸相匹配，所述微透镜焦距经过设计使得缩束后的模场尺寸与片上多模波导尺寸相匹配。
进一步地，所述多相位面及微透镜可通过双光子聚合飞秒激光直写技术在聚合物中进行制备，通过该技术可直接在各结构边缘制备支柱进行装配固定，包括将多相位面内各相位面以一定间距固定耦合在一起，将所述多相位面固定装配在多模光纤端面上，将所述微透镜固定装配在所述多相位面上，所述微透镜与片上多模波导再固定装配在一起。
进一步地，所述耦合器将多模光纤支持的6个LP模式LP01x，LP01y，
Figure BDA0004031878620000041
和
Figure BDA0004031878620000042
对应转换耦合成片上多模波导支持的6个高阶模式TE0，TM0，TE1，TM1，TE2和TM2。
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、本发明提出的基于多相位面的多模波导耦合器突破模分复用技术难以运用在光纤-芯片光互连系统的限制，实现多模光纤支持的模式与片上多模波导支持的模式之间的耦合转换。
2、本发明提出的基于多相位面的多模波导耦合器通过双光子聚合飞秒激光直写技术在聚合物中进行制备，该技术加工精度高，且具有极大的灵活性，除了加工出多相位和微透镜，还能同时实现多相位面和微透镜与多模光纤和片上多模波导的直接固定装配。
3、本发明提出的基于多相位面的多模波导耦合器，其中多相位面基于光学衍射神经网络算法来设计，能实现多模式的高效率模式转换，微透镜能调整传输模式的尺寸，有效提高与片上多模波导的耦合效率。整体器件具有转换模式数量多、耦合损耗低、串扰低等优点。
4、本发明提出的基于多相位面的多模波导耦合器具有较强的可扩展性，通过调整多相位面和微透镜的设计，该耦合器能适用于数量更多、更多样性、更复杂的模式耦合转换，进一步推进模分复用技术在光纤-芯片光互连系统的应用。
附图说明
图1是本发明提供的基于多相位面的多模波导耦合器示意图；
图2是本发明提供的多模光纤支持的6个LP模式光场图及片上多模波导支持的6个高阶模式光场图；
图3是本发明提供的多相位面示意图。
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。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，其主要功能是解决模分复用技术难以运用在光纤-芯片光互连系统的问题，实现多模光纤与片上多模波导中多个导模的直接耦合转换。
本发明提供一种基于多相位面的多模波导耦合器，包括多相位面和微透镜，多相位面包括多层相位板，多相位面的输入端面与多模光纤对准耦合，将多模光纤中传输的光束的模式进行转换，输出端面与微透镜的输入端对准耦合，微透镜实现光束缩束功能，微透镜的输出端与片上多模波导对准耦合，将缩束后的光束对应耦合至片上多模波导中，多模光纤支持的多个模式通过多相位面转换以及微透镜缩束后与对应片上多模波导中的高阶模式进行耦合匹配。
具体地，所述多相位面的输入端面与多模光纤对准耦合后，多相位面与多模光纤端面互相固定装配，所述微透镜的输入端与多相位面的输出端面对准耦合后，微透镜再与多相位面固定装配在一起，所述微透镜的输出端与片上多模波导对准耦合后，微透镜最终与片上多模波导固定装配在一起。
具体地，所述多相位面与微透镜可以通过EBL工艺或光刻工艺或飞秒激光直写技术制备。
具体地，所述多相位面包括N层上下对准堆叠的相位板，相位板尺寸与多芯光纤激发的光束模场尺寸相匹配，每层相位板包括m×m个像素点，像素点尺寸与数量由加工工艺决定，每个像素点实现0至2π的相位调制，各相位板之间存在一定间距。所述多相位面各相位板相位结构与各相位板之间间距经由光学衍射神经网络算法计算确定。N包括3，4，5，6；m≥50，为正整数。
具体地，所述微透镜尺寸与所述多相位面转换的模式模场尺寸相匹配，所述微透镜焦距经过设计使得缩束后的模场尺寸与片上多模波导尺寸相匹配。
具体地，所述多相位面及微透镜可通过双光子聚合飞秒激光直写技术在聚合物中进行制备，通过该技术可直接在各结构边缘制备支柱进行装配固定，包括将多相位面内各相位面以一定间距固定耦合在一起，将所述多相位面固定装配在多模光纤端面上，将所述微透镜固定装配在所述多相位面上，所述微透镜与片上多模波导再固定装配在一起。
具体地，所述耦合器将多模光纤支持的6个LP模式LP01x，LP01y，
Figure BDA0004031878620000061
Figure BDA0004031878620000062
和
Figure BDA0004031878620000063
对应转换耦合成片上多模波导支持的6个高阶模式TE0，TM0，TE1，TM1，TE2和TM2。
下面结合图1-图3对本发明进行详尽的说明。
实施例
本发明提供的一种基于多相位面的多模波导耦合器通过双光子聚合飞秒激光直写技术在聚合物中进行制备。图1所示为基于多相位面的多模波导耦合器结构示意图，其中1为多模光纤，2为多相位面，3为微透镜，最右侧为片上硅基结构，包括硅衬底6，衬底上的掩埋层4和片上多模波导5，掩埋层4包括二氧化硅绝缘层以及二氧化硅包层，片上多模波导5为硅波导。多相位面结构一边与多模光纤对准耦合，另一边与微透镜对准耦合，微透镜另一边与片上多模波导对准耦合。
这里使用的多模光纤为支持包括双偏振共6个LP模式LP01x，LP01y，
Figure BDA0004031878620000064
和
Figure BDA0004031878620000065
的多模光纤，多模光纤直径约为14.8μm。片上多模波导为高度340nm，宽度1.2μm的硅波导，其包层材料为二氧化硅，该片上多模波导支持双偏振共6个横电或者横磁模式TE0，1M0，TE1，TM1，TE2和TM2。图2所示为多模光纤支持的6个LP模式光场图及片上多模波导支持的6个高阶模式光场图。
在确定多模光纤和片上多模波导的参数之后，便可以设计多相位面和微透镜。多相位面结构如图3所示，所述多相位面包括4层上下对准堆叠的相位板，相位板有效尺寸为160μm×160μm。根据双光子聚合加工工艺，像素点尺寸设置为1.6μm×1.6μm，每层相位板包括100×100个像素点。聚合物折射率在1550nm波长下约为1.5，双光子聚合加工工艺纵向加工精度约为100μm，每个像素点的高度为0至3.1μm取值，分为32阶，可实现0至2π的相位调制。各相位板之间间距设置为60μm。
多相位面各相位面相位结构由光学衍射神经网络算法结合光束传输法计算确定。通过光束传输法设置仿真空间，从多芯光纤出射的6个模式光场通过多相位面和微透镜后传输至片上多模波导处，转换成片上多模波导支持的6个高阶模式，结合光学衍射神经网络算法计算得到该光学系统中的各个优化参数，包括多相位面各层相位板相位结构，微透镜尺寸、焦距，以及多芯光纤、多相位面、微透镜和片上多芯波导的相对位置。
首先根据计算结果在多芯光纤端面上覆盖聚合物后，通过双光子聚合飞秒激光直写技术在聚合物内设计好的相对位置处分别刻写固化多相位面和微透镜，并在各结构边缘制备支柱将上述结构固定装配在多芯光纤端面上。将未固化聚合物去除后便得到制备好的多芯光纤端面上的基于多相位面的多模波导耦合器。然后将结合耦合器的多芯光纤与片上多芯波导一同固定在玻璃衬底上，耦合对准后覆盖上聚合物，通过双光子聚合飞秒激光直写技术将多芯光纤与片上多芯波导固定在玻璃衬底上。去除掉多余聚合物后便得到通过基于多相位面的多模波导耦合器实现的光纤-片上光互连系统。
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 (8)

1.一种基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，包括多相位面和微透镜，所述多相位面包括多层相位板，所述多相位面的输入端面与多模光纤对准耦合，将多模光纤中传输的光束的模式进行转换，输出端面与所述微透镜的输入端对准耦合，所述微透镜用于光束缩束，所述微透镜的输出端与片上多模波导对准耦合，将缩束后的光束对应耦合至片上多模波导中，多模光纤支持的多个模式通过所述多相位面和微透镜后耦合转换成对应片上多模波导中的高阶模式。
2.根据权利要求1所述的基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，所述多相位面的输入端面与多模光纤对准耦合后，多相位面与多模光纤端面互相固定装配，所述微透镜的输入端与多相位面的输出端面对准耦合后，微透镜再与多相位面固定装配，所述微透镜的输出端与片上多模波导对准耦合后，微透镜最终与片上多模波导固定装配。
3.根据权利要求1所述的基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，所述多相位面与微透镜通过EBL工艺或光刻工艺或飞秒激光直写技术制备。
4.根据权利要求1所述的基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，所述多相位面包括N层上下对准堆叠的相位板，相位板尺寸与多芯光纤激发的光束模场尺寸相匹配，每层相位板包括m×m个像素点，像素点尺寸与数量由加工工艺决定，每个像素点实现0至2π的相位调制，各相位板之间存在预设间距；其中，N＝3，4，5，6；m≥50，m为正整数。
5.根据权利要求4所述的基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，所述多相位面的各相位板相位结构与各相位板之间间距经由光学衍射神经网络算法计算确定。
6.根据权利要求1所述的基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，所述微透镜尺寸与所述多相位面转换的模式模场尺寸相匹配，所述微透镜焦距经过设计使得缩束后的模场尺寸与片上多模波导尺寸相匹配。
7.根据权利要求1所述的基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，所述多相位面及微透镜通过双光子聚合飞秒激光直写技术在聚合物中进行制备，实现在各结构边缘制备支柱进行装配固定，包括将多相位面内各相位面以预设间距固定耦合在一起，将所述多相位面固定装配在多模光纤端面上，将所述微透镜固定装配在所述多相位面上，所述微透镜与片上多模波导再固定装配在一起。
8.根据权利要求1所述的基于多相位面的多模波导耦合器，其特征在于，所述耦合器将多模光纤支持的6个LP模式LP01x，LP01y，
Figure FDA0004031878610000021
和
Figure FDA0004031878610000022
对应转换耦合成片上多模波导支持的6个高阶模式TE0，TM0，TE1，TM1，TE2和TM2。
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