CN118091839A - 一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器及其传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波导结构的波导‑光纤模斑转换器及其传输方法，属于信息技术领域。本发明在光波导芯片边缘采用多波导结构，能够做到波导与光纤的耦合效率达到95％以上；容差大，在偏差5微米左右的范围内，依然能够保持较高的耦合效率；大大降低了耦合工艺的难度，此结构除了应用在光纤耦合领域，通过改变多波导的位置组合，还能用于增益芯片等其他形状的模式光斑的耦合，并且也能够有95％以上的耦合效率；本发明在光传输波导阶段采用了多段波导结构，将传输波导通过计算设计成多段的锥形波导结构，在保证效率的同时进一步缩小了器件的整体尺寸，尺寸能够缩小到66微米左右，能够做到大规模集成，降低了成本。

Description

一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器及其传输方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，具体涉及一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器及其传输方法。

背景技术

光子集成技术已经高速发展了十几年，虽然目前仍处于初级发展阶段，但是成为主流发展趋势已成必然。随着全球互联新时代的开启，越来越多的大数据应用被开发，导致数据流量出现爆发式增长，这对通讯系统底层设备的带宽、损耗、容量和成本等方面都提出了严峻挑战。光子集成技术可以将实现不同功能的光学元件集成到一个芯片上，相比于传统的独立光电处理方式，光子集成技术可以极大地减小了底层互连系统的尺寸和功耗，在降低光、电路复杂程度的同时，还大幅度地提高了系统的可靠性。实现光子集成关键核心技术的突破是提升国家国际竞争力的关键之一，光子集成技术也将在未来迎来更为快速的发展。光子集成的载体材料丰富多样，主要包括铌酸锂薄膜、聚合物、光学玻璃、绝缘体上的硅以及氮化硅薄膜，其中硅基光子集成技术最为成熟，硅基器件具有光吸收损耗低的优势，此外，硅基器件的制作工艺与半导体工艺高度兼容，目前在硅平台上已经取得了许多实质性的成功。铌酸锂具有优异的电光、非线性、声光、压电、光折变和弹光特性，常常被用于制作电光调制器。氮化硅作为最通用的商用集成光子平台之一，波导传播损耗可低至0.1dB/m。硅、铌酸锂和氮化硅都具有很强的折射率对比度，基于这些材料制作的光波导的模式尺寸通常都是亚微米级别，比普通单模光纤的模式尺寸小几百倍，因此当这些纳米波导的模式与光纤模式耦合时会发生严重的模式失配，从而极大地增加了光纤到器件的耦合损耗。不断探索降低这种耦合损耗的有效方法对光子集成技术的发展至关重要。

目前，波导与单模光纤耦合大多采用两种办法，一种是利用光栅耦合，光栅耦合器具有较大的模式轮廓，但其带宽有限，并且通常与偏振相关；第二种边缘耦合，带宽较宽，极化相关损耗小。

与光栅耦合相比较，采用边缘耦合器能够取得更高的效率，但是目前边缘耦合器还存在着一些问题，比如尺寸较大、存在分立器件(透镜)、结构复杂制作难度大、耦合效率不够高、容差不够大等，所以仍需探索更高效率、更高容差的模斑转换器。

目前，已经有一些方法被证实可用于解决模式不匹配的问题，典型的方法是反锥波导，或称纳米锥波导，将波导锥度减小到非常小的尺寸，使光几乎不被波导引导，波导的倐逝场变大。这种方法可以通过亚波长结构或者刀边结构来实现。此外，还可以将一个纳米锥波导连接到一个更大的波导，然后再连接到光纤上，这种波导可以采用聚合物或者无机材料如SiON或者氧化物等制成。

现有的方案，主要存在以下不足：

(1)直接将波导锥度减小到非常小的尺寸，结构简单，但是为了保证插入损耗低，需要较大的尺寸；并且此结构不够灵活，当面对不同尺寸的模式光斑时，利用相同的原理无法达到较高的耦合效率。

(2)将一个纳米锥波导连接到一个更大的波导，然后再连接到光纤上，能够取得较高的耦合效率，但是采用聚合物结构较复杂，成本高，不利于大规模集成；并且此结构容忍度较差，仍然存在较大难度的耦合工艺。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器及其传输方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器，包括四根波导结构，分别为第一波导(1)、第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)；第二波导(2)位于第一波导(1)的正侧方，第三波导(3)位于第一波导(1)的正斜侧方，第四波导(4)位于第一波导(1)的正上方；

第一波导(1)采用分段式结构，被配置为用于传输光，并对传输模式光斑进行整形；

第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)，均被配置为用于对传输模式光斑进行整形。

优选地，第一波导(1)为四段式结构，分别为第五波导(101)、第六波导(102)、第七波导(103)、第八波导(104)；

第五波导(101)，被配置为用于传输光；

第六波导(102)、第七波导(103)、第八波导(104)，均被配置为用于传输光，对光斑进行整形。

优选地，该转换器还设置有第一耦合点和第二耦合点；光在第一耦合点处传输模式光斑迅速变大，在第二耦合点处与光纤完成耦合。

此外，本发明还提到一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器的传输方法，该方法采用如上所述的多波导结构的波导-光纤模斑转换器，具体包括如下步骤：

步骤1：光在第一波导(1)中的第五波导(101)进行传输，依次经过第六波导(102)、第七波导(103)，到达第一耦合点；

步骤2：光逐渐向第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)中扩散；

步骤3：经过第八波导(104)、第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)的传输，传输模式光斑被整形，逐渐向圆形光斑变化；

步骤4：最终到达第二耦合点处，与光纤耦合出光。

本发明所带来的有益技术效果：

(1)本发明放弃了传统的需要分立器件的耦合器，在光波导芯片边缘采用多波导结构，系统简单，稳定性强，并且耦合效率高，能够做到波导与光纤的耦合效率达到95％以上；容差大，在偏差5微米左右的范围内，依然能够保持较高的耦合效率；大大降低了耦合工艺的难度，此结构除了应用在光纤耦合领域，通过改变多波导的位置组合，还能用于增益芯片等其他形状的模式光斑的耦合，并且也能够有95％以上的耦合效率。

(2)本发明在光传输波导阶段采用了多段波导结构，将传输波导通过计算设计成多段的锥形波导结构，在保证效率的同时进一步缩小了器件的整体尺寸，尺寸能够缩小到66微米左右，能够做到大规模集成，降低了成本。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为第一耦合点模式光斑示意图；

图3为第二耦合点模式光斑示意图；

其中，1-第一波导；101-第五波导；102-第六波导；103-第七波导；104-第八波导；2-第二波导；201-第一耦合点；3-第三波导；301-第二耦合点；4-第四波导。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明的模板转换器结构如图1所示：

(1)整体器件包括四根波导结构，其中，第一波导1将光传输至此模板转换器，为了缩小整个器件的尺寸，将第一波导1制作成四段式结构，分别为第五波导101、第六波导102、第七波导103、第八波导104，波导101的主要作用是传输光，而第六波导102、第七波导103、第八波导104除了传输光以外，还有对光斑整形的作用；

(2)第二波导2、第三波导3、第四波导4分别位于第一波导1的正侧方、正斜侧方、正上方，主要作用是对传输模式光斑整形，达到与光纤圆形光斑差不多的尺寸大小；

(3)光在第一耦合点201处模式光斑迅速变大，在第二耦合点301处与光纤完成耦合。

本发明光在器件中的传输过程如下：

首先，光在第五波导101进行传输，依次经过第六波导102、第七波导103，到达第一耦合点201，此时光逐渐向第二波导2、第三波导3、第四波导4中扩散，随后经过第八波导104、第二波导2、第三波导3、第四波导4的传输，模式光斑被整形，逐渐向圆形光斑变化，最终到达第二耦合点301处，最后与光纤耦合出光。

以氮化硅材料的波导为例，此模板转换器结构包括第一波导1、第二波导2、第三波导3、第四波导4，均为氮化硅波导，其中第一波导1采用分段结构，分为第五波导101、第六波导102、第七波导103、第八波导104。第五波导101宽度为800nm，厚度为250nm；第六波导102、第七波导103、第八波导104为锥形结构波导，第六波导102厚度为250nm，两个端面宽度分别为800nm和500nm，长度为5μm；第七波导103厚度为250nm，两个端面宽度分别为500nm和300nm，长度为11μm；第八波导104厚度为250nm，两个端面宽度分别为300nm和250nm，长度为50μm。

第二波导2、第三波导3、第四波导4均为锥形结构，锥形方向与第八波导104相反。第二波导2、第三波导3、第四波导4厚度均为250nm，长度均为50μm，两个端面宽度均为250nm和80nm。

第二波导2、第三波导3中心位置相距2μm，第三波导3与波导4中心位置相距2μm，第一波导1与第二波导2和第四波导4中心位置均相距2μm。

首先，光在第五波导101进行传输，依次经过第六波导102和第七波导103，到达第一耦合点201，此时光逐渐向第二波导2、第三波导3、第四波导4中扩散，此时模式光斑如图2所示。随后经过第八波导104、第二波导2、第三波导3、第四波导4的传输，模式光斑被整形，逐渐向圆形光斑变化，最终到达第二耦合点301处，此时模式光斑如图3所示，最后与光纤耦合出光。

本发明提供了一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器，来改善波导与光纤的耦合性能。通过在传输波导附近增加另外三根传输波导作为模式光斑整形波导，将在波导中传输的模式光斑尺寸放大，来达到与光纤模斑尺寸相近，增加耦合效率。对于尺寸问题，本发明将传输波导采用四段式锥形波导结构，将尺寸缩小。

本发明的尺寸缩小设计，也是关键点和保护点之一。通过采用分段式结构，将传输波导分成四段，依据线性函数，将波导设计成锥形结构，来缩小整个模板转换器的尺寸大小。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器，其特征在于：包括四根波导结构，分别为第一波导(1)、第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)；第二波导(2)位于第一波导(1)的正侧方，第三波导(3)位于第一波导(1)的正斜侧方，第四波导(4)位于第一波导(1)的正上方；

第一波导(1)采用分段式结构，被配置为用于传输光，并对传输模式光斑进行整形；

第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)，均被配置为用于对传输模式光斑进行整形。

2.根据权利要求1所述的多波导结构的波导-光纤模斑转换器，其特征在于：第一波导(1)为四段式结构，分别为第五波导(101)、第六波导(102)、第七波导(103)、第八波导(104)；

第五波导(101)，被配置为用于传输光；

第六波导(102)、第七波导(103)、第八波导(104)，均被配置为用于传输光，对光斑进行整形。

3.根据权利要求2所述的多波导结构的波导-光纤模斑转换器，其特征在于：该转换器还设置有第一耦合点和第二耦合点；光在第一耦合点处传输模式光斑迅速变大，在第二耦合点处与光纤完成耦合。

4.一种多波导结构的波导-光纤模斑转换器的传输方法，其特征在于：采用如权利要求3所述的多波导结构的波导-光纤模斑转换器，具体包括如下步骤：

步骤1：光在第五波导(101)进行传输，依次经过第六波导(102)、第七波导(103)，到达第一耦合点；

步骤2：光逐渐向第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)中扩散；

步骤3：经过第八波导(104)、第二波导(2)、第三波导(3)、第四波导(4)的传输，传输模式光斑被整形，逐渐向圆形光斑变化；

步骤4：最终到达第二耦合点处，与光纤耦合出光。