CN114397730A - 一种用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，由输入波导、多模波导干涉区、两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构构成，光波从输入波导进入多模波导干涉区，利用自映像效应使输入光波在输出波导截面上产生多个像，分束后的光波在输出波导中传播，输出波导通过抛物线形倒锥结构的横截面逐渐减小，使几个输出波导的光波扩散至包层中，以便和大尺寸波导耦合。与传统的单倒锥形耦合器相比，本发明采用了双悬臂抛物线形倒锥结构，提升了对准容差，可将较小尺寸波导传输光的小模场转化为大模场，从而高效耦合至较大尺寸波导中，同时抛物线形倒锥结构所在包层悬空，避免了衬底泄露，减小了光信号传输时的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成技术领域，尤其涉及一种用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构。
背景技术
随着全球信息化进程不断加快，光通信速率不断加快，同时器件集成度变高，各种分立器件被统一集中在小尺寸芯片上，并在发射端和接收端与光纤耦合。
然而，不同材料的波导，如硅波导、氮化硅波导、二氧化硅波导、单模光纤等尺寸差异很大，硅材料波导宽度通常为几百纳米，氮化硅材料波导宽度为2um左右，二氧化硅材料阵列波导光栅的输入输出波导宽度为4um左右，而单模光纤的直径为8-10um。因此，不同波导间如果直接对准耦合会产生较大的模场失配损耗，损害光信号的传输，降低器件间的耦合效率。
因此，不同尺寸波导间耦合需要耦合器解决因尺寸差异大而产生的模场失配问题。对于此类问题，人们提出了许多耦合器结构来提升器件耦合效率，其中主要的耦合方案为基于水平耦合的倒锥波导耦合器。
传统的倒锥形波导耦合器具有对波长、偏振不敏感，体积较小等优势。但对准容差较小，同时耦合过程中光波会从包层泄露至硅衬底中，在一定程度上降低了耦合效率。
发明内容
本发明针对传统的倒锥形波导耦合器对准容差较小，同时耦合过程中光波会从包层泄露至硅衬底中导致耦合效率低的技术问题，提出一种基于MMI(Multi-ModeInterference多模干涉分束器)的双悬臂倒锥模斑转换结构，实现在较高对准容差的情况下实现不同尺寸波导的高效耦合。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的一种用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，由输入波导、多模波导干涉区、两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构构成，光波从输入波导进入多模波导干涉区，利用自映像效应使输入光波在输出波导截面上产生多个像，分束后的光波在输出波导中传播，输出波导通过抛物线形倒锥结构的横截面逐渐减小，使几个输出波导的光波扩散至包层中，以便和大尺寸波导耦合。
进一步地，所述的输入波导为小尺寸单模波导。
进一步地，所述的输入波导为硅波导、氮化硅波导或掺杂型二氧化硅波导。
进一步地，所述的包层材料为二氧化硅。
进一步地，所述的包层下方设置有衬底。
进一步地，所述的衬底材料为硅。
进一步地，所述的衬底对应两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构处被挖空，形成衬底与包层间隙。
进一步地，所述的包层对应两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构处的两侧被挖空，形成包层空隙。
进一步地，所述的大尺寸波导为单模光纤。
本发明还提供了一种波导耦合器，包括上述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构和波导耦合器，与传统的单倒锥形耦合器相比，本发明采用了双悬臂抛物线形倒锥结构，提升了对准容差，可将较小尺寸波导传输光的小模场转化为大模场，从而高效耦合至较大尺寸波导中，同时抛物线形倒锥结构所在包层悬空，避免了衬底泄露，减小了光信号传输时的损耗。
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为本发明实施例提供的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构的立体图；
图2为本发明实施例提供的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构的主视图；
图3为本发明实施例提供的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构的侧视剖视图；
图4为本发明实施例提供的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构的俯视图；
图5为本发明实施例提供的抛物线形状倒锥结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，本发明实施例提供了一种用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构9，由输入波导1、多模波导干涉区2、两个输出波导3以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构4构成，光波从输入波导1进入多模波导干涉区2，利用自映像效应使输入光波在输出波导3截面上产生多个像，从而达到光波分束的目的。分束后的光波在输出波导3中传播，输出波导3通过抛物线形倒锥结构4的横截面逐渐减小，波导的有效折射率减小，对光波的限制能力减弱，使几个输出波导的光波扩散至包层中，从而达到模斑尺寸扩大的目的，以便和大尺寸波导耦合。
其中，所述的输入波导1为小尺寸单模波导。具体地，所述的输入波导1为硅波导、氮化硅波导或掺杂型二氧化硅波导等。
输入波导1的长度，输出波导3的前端长度范围300um-2000um之间，抛物线形倒锥结构4的长度不小于200um，在200um-2000um之间，从而使宽度变化较为缓慢，达到降低损耗的目的。
自映像效应的物理过程为：单模输入波导中的光波进入多模波导区时，由于二者宽度的差异导致绝热特性被破坏，从而激发出多模波导所支持的各阶导模，由于这些模式在多模波导中的传播常数不同而产生相位差，使得这些模式在多模波导的特定位置满足一定的相位关系而发生干涉，在截面上产生输入光波的一个或多个像，从而达到光波分束的目的。
本发明的倒锥结构采用抛物线形状，如图5所示，倒锥结构的两边由两个抛物线方程决定。上下宽度分别为WOUT和WIN，其中WOUT为倒锥形结构的末端宽度，WIN为倒锥形结构的起始端宽度。抛物线方程y＝a(x-m)2的常数a，m可根据WIN和WOUT的数值自行调节，目的是通过调节参数使模型性能达到最好。是由于随着波导宽度变化，其有效折射率并非线性变化，不同宽度区间有效折射率随波导宽度变化率不同，如果采取线性倒锥结构，在部分区间会造成有波导有效折射率变化过快，从而产生额外损耗。仿真结果表明，使用线性倒锥结构功率耦合效率为93.5％，损耗为6.5％，抛物线型倒锥结构效率为95.4％，损耗为4.6％。而抛物线形倒锥结构在有效折射率对宽度变化较为敏感的区间变化较慢，不敏感区间变化较快，在保证器件长度不增加的同时降低了光传输损耗。
在双悬臂倒锥模斑转换结构9的外部，覆盖有折射率低于本结构的包层5，具体地，所述的包层5材料为二氧化硅。
由于光波是从两个倒锥结构中泄露至包层的，因此调整双悬臂之间的间距也可以控制输出光斑的尺寸。因此单独一个倒锥结构的误差对整个器件耦合的影响也小于传统的单倒锥结构耦合器，整个结构相比于传统模型误差容差更高。
如图1-4所示，本发明还提供了一种波导耦合器，包括上述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构9、包层5和衬底6。
其中，所述的衬底6设置在包层5的下方。具体地，所述的衬底6材料为硅。
在光波散射至包层过程中，部分光波能量会泄露至包层下方硅衬底，从而产生衬底泄露损耗。因此，本发明实施例中的硅衬底对应两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构处被挖空，其余位置硅衬底不改变，形成衬底与包层间隙7。
同时，所述的包层对应两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构处的两侧被挖空，形成包层空隙8，从而保证了光波尽可能集中扩散到中间包层的区域，减少了光波的衬底泄露损耗。中间包层区域的尺寸应和需要耦合的大尺寸波导相近，从而使转换的大模场匹配耦合的波导。具体地，所述的大尺寸波导例如为光纤。
和传统的单倒锥形耦合器相比，本发明采用了双悬臂倒锥结构，提升了对准容差，同时倒锥结构所在包层悬空，避免了衬底泄露，减小了光信号传输时的损耗。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例、电子设备实施例、计算机可读存储介质实施例和计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特殊进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，由输入波导、多模波导干涉区、两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构构成，光波从输入波导进入多模波导干涉区，利用自映像效应使输入光波在输出波导截面上产生多个像，分束后的光波在输出波导中传播，输出波导通过抛物线形倒锥结构的横截面逐渐减小，使几个输出波导的光波扩散至包层中，以便和大尺寸波导耦合。
2.根据权利要求1所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的输入波导为小尺寸单模波导。
3.根据权利要求1所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的输入波导为硅波导、氮化硅波导或掺杂型二氧化硅波导。
4.根据权利要求1所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的包层材料为二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的包层下方设置有衬底。
6.根据权利要求5所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的衬底材料为硅。
7.根据权利要求5所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的衬底对应两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构处被挖空，形成衬底与包层间隙。
8.根据权利要求5所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的包层对应两个输出波导以及输出波导后端的抛物线形倒锥结构处的两侧被挖空，形成包层空隙。
9.根据权利要求1所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构，其特征在于，所述的大尺寸波导为单模光纤。
10.一种波导耦合器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的用于波导耦合的双悬臂倒锥模斑转换结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220426 |