CN1212529C - 平面光波导与光纤的低损耗连接方法 - Google Patents

Abstract

平面光波导与光纤的低损耗连接方法，其特征是在单模波导尾端采用具有二分支结构波导与光纤连接，当光从单模波导传到分支波导，并沿着分支波导结构传输时，其模斑逐渐转变为与光纤本征模斑匹配，降低光波导与光纤对接的耦合损耗。本发明的优点在于：在不增加额外工艺处理的情况下，可以有效降低掩埋型波导与光纤的耦合损耗，并且偏振依赖损耗低，对工艺有着较好的容差特性；可以广泛应用于光集成波导器件与光纤的连接。

Description

平面光波导与光纤的低损耗连接方法

                          技术领域

本发明涉及光波导与光纤的连接方法。

                          背景技术

光集成器件在光通信等信息处理中有着重要的应用。在众多构成光集成器件的材料与波导结构中，以二氧化硅波导材料为代表的光波导有着广泛的应用。在简单结构的器件中，波导芯层与覆层折射率差很小，属于弱限制波导，因此波导截面尺寸较大，与光纤连接的损耗较小。而随着光集成器件的日趋复杂，由于芯片尺寸等因素的制约，一般提高了波导的芯层折射率与覆层折射率差，为了保持单模波导，同时需要缩减波导的截面尺寸，这就造成波导与光纤对接的耦合损耗增加。

                          发明内容

本发明目的是提供一种平面光波导与光纤的连接方法，以降低光波导与光纤对接的耦合损耗。

为达上述目的，本发明的技术解决方案是：采用将单模波导的与光纤相连接一端分开呈Y型结构的分支波导，波导分支处为尖角，该Y型分支波导的分支长度L在500μm～1000μm，分支波导的宽度h_x与分支端的间距S的确定过程如下：

按公式(1)计算在不同分支波导宽度h_x和间距S下的耦合损耗，

$L_s=-10\log 10\left[\frac{{|\∫\∫E(x,y)F(x,y)\mathrm{dxdy}|}^2}{\∫\∫{\left|E(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}\∫\∫{\left|F(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}}\right]---\left(1\right)$

式中E(x，y)和F(x，y)分别是波导与光纤的模场分布，得到不同h_x和S数值下的耦合损耗等值线图，从等值线图选出耦合损耗最小时对应的分支波导宽度h_x与分支端的间距S，h_x的计算取值范围在最小工艺能达到的波导宽度与一半的单模波导宽度h_x0之间，S的计算取值范围在最小工艺能达到的波导端距与单模波导宽度h_x0之间。

当因制作工艺造成波导分支处的尖角无法实现时，可采用另一技术解决方案：在单模波导与光纤相连接的一端接入一个具有分支的多模干涉波导区(A)，多模干涉波导区的长度为Lm，单模波导与多模干涉波导区相连端宽度为W_t，多模干涉波导宽度为W_m，分支波导顶端宽度为W_i，各参数确定过程如下：

多模干涉波导区的长度按公式(2)确定，

$L_m=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_e^{\left(0\right)}-n_e^{\left(2\right)})}---\left(2\right)$

式中λ是输入波长，n_e ⁽⁰⁾和n_e ⁽²⁾是多模干涉区的基模与二阶模的等效折射率；

参数W_t，W_m及W_i的确定采用优化算法，参数选取的范围如下，

W_m的范围按式(3)选取： $\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\sqrt{n_{\mathrm{co}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}}\&le;W_m<\frac{2\mathrm{\&lambda;}}{\sqrt{n_{\mathrm{co}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}}---\left(3\right)$

式中n_cl和n_co分别是波导的覆层与芯层的折射率；

设W_m取值范围为[W₁，W₂]，则Wt的范围是[h_x0，W₂]，W_i的范围是[h_x0，W₂/2]，然后按式(4)定义目标函数，

$P=-10\log 10\left[\frac{{|\&Integral;\&Integral;e_1\left(x\right)e_2\left(x\right)\mathrm{dx}|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|e_1\left(x\right)\right|}^2\mathrm{dx}\&Integral;\&Integral;{\left|e_2\left(x\right)\right|}^2\mathrm{dx}}\right]---\left(4\right)$

公式(4)中e₁(x)是光场传输到多模干涉区端面时的光场分布，e₂(x)是不同分支波导顶端宽度下的对称超模分布，计算P达到最小所对应的单模波导与多模干涉波导区相连端宽度W_t，多模干涉波导宽度W_m和分支波导顶端宽度W_i。

本发明由于采用分支结构波导与光纤连接，当光从单模波导传到分支波导，并沿着分支波导结构传输时，其模斑逐渐转变为与光纤本征模斑匹配，而达到降低耦合损耗的目的。

本发明的优点在于：在不增加额外工艺处理的情况下，可以有效降低平面波导与光纤的耦合损耗，并且偏振依赖损耗低，对工艺有着较好的容差特性；可以广泛应用于各种类型光集成波导器件与光纤的连接。

                         附图说明

图1是平面光波导与光纤的一种连接示意图，其中图a)是连接示意图，图b)单模波导的横截面，图C)是两分支波导的端面；

图2是平面光波导与光纤的另一种连接示意图；

图3是不同分支波导宽度与波导间距数值下的耦合损耗等值线图，其中图a)波导折射率差Δ＝0.75％，图b)波导折射率差Δ＝1.5％。

                         具体实施方式

下面以掩埋型波导为例，具体说明实施方式。图1所示的具体连接方法，在单模波导的与光纤相连接一端，采用将单模波导分开逐渐变成两根有一定间距和宽度的波导而呈Y型结构分支波导，波导分支处为尖角α。假设原单模波导的宽度和高度分别为h_x0和h_yo，那么分支结构波导的参数有：分支波导长度L，分支波导宽度h_x和分支端的间距s。

对于分支波导长度L，只要保证光场在传输过程中是缓变即可，一般在500μm～1000μm。而分支波导宽度h_x和分支端的间距s的合理选取与波导与光纤的耦合损耗有着直接关系。其确定过程如下：

按公式(1)计算光波导与光纤耦合损耗，

$L_s=-10\log 10\left[\frac{{|\&Integral;\&Integral;E(x,y)F(x,y)\mathrm{dxdy}|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|E(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}\&Integral;\&Integral;{\left|F(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}}\right]---\left(1\right)$

公式中E(x，y)和F(x，y)分别是波导与光纤的模场分布。该模场分布可以通过有限差分法求得。因此，我们可以做由分支波导的宽度h_x和间距s的构成的参数空间的扫描，即计算在不同分支波导宽度和间距s下的耦合损耗。h_x的计算取值范围在最小工艺能达到的波导宽度与一半的单模波导宽度h_x0(即h_x0/2)之间，S的计算取值范围在最小工艺能达到的波导端距与单模波导宽度h_x0(h_x0即可)之间。那么在这个范围内可以计算两个参数不同数值下的耦合损耗而得到耦合损耗等值线图(如图3a和3b)。从等值线图可以选出耦合损耗最小时对应的分支波导间距与分支波导宽度，从而完成分支波导结构参数的确定过程。

当因制作工艺造成波导分支处的尖角α无法实现时，可采用如图2所示的连接方法，在单模波导与光纤相连接的一端接入一个具有分支的多模干涉波导区(A)。多模干涉波导区的长度为Lm，单模波导与多模干涉波导区相连端宽度为W_t，多模干涉波导宽度为W_m，分支波导顶端宽度为W_i，对于多模干涉区Lm，W_t，W_m及W_i4个参数的确定过程如下：多模干涉区的长度Lm由按公式(2)确定，

$L_m=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2(n_e^{\left(0\right)}-n_e^{\left(2\right)})}---\left(2\right)$

式中λ是输入波长，n_e ⁽⁰⁾和n_e ⁽²⁾是多模干涉区的基模与二阶模的等效折射率。至于其他三个参数，单模波导与多模干涉波导区相连端宽度W_t，多模干涉波导宽度W_m以及分支波导顶端宽度W_i，其确定过程采用优化算法(如遗传算法)来确定。以遗传算法为例，在参数确定过程中，首先需要给定参数选取的范围。多模干涉区的宽度W_m，取保证该区存在2个到4本征模式，因此其宽度范围为：

$\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\sqrt{n_{\mathrm{co}}^2}-n_{\mathrm{cl}}^2}\&le;W_m<\frac{2\mathrm{\&lambda;}}{\sqrt{n_{\mathrm{co}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}}---\left(3\right)$

式中n_cl和n_co分别是波导的覆层与芯层的折射率。因此根据公式(3)多模干涉区的宽度取值范围设为[W₁，W₂]，那么单模波导与多模干涉波导区相连端宽度W_t的范围是[h_x0，W₂]，分支波导顶端宽度W_i的范围是[h_x0，W₂/2]，在参数范围确定之后，需要定义目标函数，其目标函数定义如下，

$P=-10\log 10\left[\frac{{|\&Integral;\&Integral;e_1\left(x\right)e_2\left(x\right)\mathrm{dx}|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|e_1\left(x\right)\right|}^2\mathrm{dx}\&Integral;\&Integral;{\left|e_2\left(x\right)\right|}^2\mathrm{dx}}\right]---\left(4\right)$

公式中e₁(x)是光场传输到多模干涉区端面时的光场分布，e₂(x)是不同分支波导顶端宽度下的对称超模分布。在计算过程中，考虑到计算量的问题，故用了等效折射率法将原先的三维结构等效到二维结构。那么遗传算法的优化目标即是公式(4)中P达到最小。而至于遗传算法，在优化设计领域内是一个通用的算法，故在此不做计算过程的展开阐述。而三个参数W_t，W_m，W_i的具体数值，即当遗传算法给出P最小时对应的参数即是。

试验表面，采用本发明的Y-型分支波导结构的方法，平面光波导与光纤的耦合损耗能有效的降低。参见图3，以波导覆层折射率1.455为例，波导折射率差分别为Δ＝0.75％(单模波导截面尺寸4.4μm×4.4μm)以及Δ＝1.5％(单模波导截面尺寸3.1μm×3.1μm)，如果直接用单模波导与光纤对接，则响应的耦合损耗分别为0.74dB和2.1dB。如果采用Y-型分支波导的方法，则对于Δ＝0.75％而言，当h_x＝1.5μm，s＝2.0μm时耦合损耗为0.09dB；对于Δ＝1.5％，当h_x＝0.8μm，s＝2.8μm时耦合损耗为0.14dB。相对于单模波导与光纤的直接连接，耦合损耗有了明显的降低。

而如果考虑波导最小间距的话，那么对于Δ＝1.5％，取波导最小间距为1.7μm(实际工艺确定的)，那么多模干涉区的优化设计结果为W_t＝6.2μm，W_m＝11.5μm，W_i＝5.2μμm，L_m＝97.2μm，整体的连接损耗(包括分支顶端损耗以及与光纤的连接损耗)0.33dB。对于Δ＝0.75％，波导最小间距为2.0μm，那么多模干涉区的结构参数W_t＝10μm，W_m＝17.7μm，W_i＝8.5μm，L_m＝220.4μm，得到的最小损耗为0.17dB。同样相对与单模波导与光纤的直接对接，耦合损耗有了明显的降低。

Claims (2)

1.平面光波导与光纤的连接方法，其特征在于将单模波导的与光纤相连接一端分开呈Y型结构的分支波导，分支波导的宽度h_x与分支端的间距S的确定过程如下：

按公式(1)计算在不同分支波导宽度h_x和间距S下的耦合损耗，

$L_s=-10\log 10\left[\frac{{|\&Integral;\&Integral;E(x,y)F(x,y)\mathrm{dxdy}|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|E(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}\&Integral;\&Integral;{\left|F(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}}\right]-------\left(1\right)$

式中E(x，y)和F(x，y)分别是波导与光纤的模场分布，得到不同h_x和S数值下的耦合损耗等值线图，从等值线图选出耦合损耗最小时对应的分支波导宽度h_x与分支端的间距S，h_x的计算取值范围在最小工艺能达到的波导宽度与一半的单模波导宽度h_x0之间，S的计算取值范围在最小工艺能达到的波导端距与单模波导宽度h_x0之间。

2.平面光波导与光纤的连接方法，其特征是在单模波导与光纤相连接的一端接入一个具有分支的多模干涉波导区(A)，多模干涉波导区的长度为Lm，单模波导与多模干涉波导区相连端宽度为W_t，多模干涉波导宽度为W_m，分支波导顶端宽度为W_i，各参数确定过程如下：

多模干涉波导区的长度按公式(2)确定，

$L_m=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2(n_e^{\left(0\right)}-n_e^{\left(2\right)})}---------\left(2\right)$

式中λ是输入波长，n_e ⁽⁰⁾和n_e ⁽²⁾是多模干涉区的基模与二阶模的等效折射率；

参数W_t，W_m及W_i的确定采用优化算法，参数选取的范围如下，

W_m的范围按式(3)选取： $\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\sqrt{n_{\mathrm{co}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}}\&le;W_m<\frac{2\mathrm{\&lambda;}}{\sqrt{n_{\mathrm{co}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}}-------\left(3\right)$

式中n_cl和n_co分别是波导的覆层与芯层的折射率；

设W_m取值范围为[W₁，W₂]，则W_t的范围是[h_x0，W₂]，W_t的范围是[h_x0，W₂/2]，然后按式(4)定义目标函数，

$P=-10\log 10\left[\frac{{|\&Integral;\&Integral;e_1\left(x\right)e_2\left(x\right)\mathrm{dx}|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|e_1\right|}^2\mathrm{dx}\&Integral;\&Integral;{\left|e_2\left(x\right)\right|}^2\mathrm{dx}}\right]$

公式(4)中e₁(x)是光场传输到多模干涉区端面时的光场分布，e₂(x)是不同分支波导顶端宽度下的对称超模分布，计算P达到最小所对应的单模波导与多模干涉波导区相连端宽度W_t，多模干涉波导宽度W_m和分支波导顶端宽度W_i。

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