CN115993690A - 单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***及优化方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，包括：光芯片波导、单模光纤和双透镜；双透镜设于光芯片波导和单模光纤之间，用于将从所述单模光纤射出的光耦汇聚耦合进所述光芯片波导。该双透镜高效耦合***具有结构简单、可靠性高、调整装配简便、容差大、成本低等特点，可满足有高效率单模光纤到光芯片耦合要求的光通讯、光纤通信、微波光子学等相关科研与工业生产等领域的要求。
Description
技术领域
本公开涉及光通信与光探测器件及光模块技术领域，尤其涉及一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***及优化方法。
背景技术
宽带通信的需求和大数据信息激增都促使着无线通信和数据处理带宽、速率的不断提升。基于低损耗光纤技术的高带宽电光调制器、光电转换器件的光载无线通信***正受到学术界和工业界的广泛关注。
由于采用面入射方案的传统光电探测器无法实现光信号群速度与电信号相速度匹配，因此芯片带宽受限。采用边入射波导结构方案的新型器件设计，可以提高饱和功率的同时还可以提升光探测器的带宽，而提高带宽需要光纤和芯片边入射波导之间高效耦合。除了带宽指标，光响应度是另一重要指标，而提高光响应度只能通过提高光耦合效率来解决。但是，光电子芯片的高集成特性，导致光子芯片波导的尺寸与现有光通讯用光纤严重模式失配，导致了耦合损耗巨大的问题。
现有的单模光纤的纤芯直径通常为8微米，波导端面尺寸通常为800nm，前者是后者的10倍左右。光纤到芯片波导的耦合损耗导致光电子芯片在性能上和许多应用上受到了限制。尽管为了降低光纤-芯片的耦合损耗，已有一些方案被提出。但是，同时兼具低成本、高效率、高容差耦合方式，仍然是长期以来业界需要解决的难题。微米级多光学组件对准组装困难，根据现有组装设备、检测设备和工艺技术，微米级多光学组件的对准组装是目前的重大难题之一。为了提高光子芯片的性能，不仅要考虑指标的先进性，还要考虑工艺的可行性(包括原材料、元器件、工艺设备、检测设备的可用程度)和质量可靠性等。因此，高效率、简单结构的光纤-芯片波导间光耦合技术成为光通信芯片性能提升和应用推广的一项至关重要的关键技术。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***及优化方法，以解决上述技术问题。
本公开的一个方面提供了一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，包括：光芯片波导、单模光纤和双透镜；所述双透镜设于所述光芯片波导和所述单模光纤之间，用于将从所述单模光纤射出的光耦汇聚耦合进所述光芯片波导。
可选地，所述双透镜的透镜尺寸包括：w＝0.6mm，h∈(0.94～1.5)mm，t∈(0.54～1)mm，w表示透镜的宽度，h表示透镜的高度，t表示透镜的厚度；所述双透镜中透镜之间的距离Δx∈(5～10)mm；所述双透镜的对准距离ΔXcoupling∈(0.1～0.5)μm。
可选地，所述单模光纤的数值孔径为0.13，所述双透镜的数值孔径与所述单模光纤的数值孔径匹配，所述光芯片波导的数值孔径为0.9558。
可选地，所述光芯片波导、所述光纤和所述双透镜的模场匹配。
可选地，所述单模光纤满足条件：θ≤2arcsinNA，其中，θ表示单模光纤的远场发散角，NA表示所述单模光纤的数值孔径。
可选地，所述双透镜的工作波长为1550nm。
可选地，在所述双透镜高效耦合***中，距离轴心半径距离3～4μm的范围内，从所述单模光纤射出的光的能量分布比率大于90％。
可选地，所述双透镜中的两个透镜固定在底座上。
可选地，所述单模光纤为型号为SMF-28。
本公开的另一方面提供了一种优化方法，应用于如第一方面任意一项所述的单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，其特征在于，包括：构建双透镜的模型，设置评价函数，所述评价函数为双透镜的聚焦图像大小的均方根函数，所述均方根函数与所述双透镜的操作数相关；迭代优化所述模型，优化所述双透镜的参数，矫正所述双透镜的球差、慧差和像散，直至所述评价函数的数值满足预设条件，所述参数包括所述双透镜中每个透镜的曲率半径、厚度以及孔径和所述双透镜的间距；基于优化后的所述参数制备和设置所述双透镜。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开提供了一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，能实现光纤与光子芯片波导之间的高效耦合，具有结构简单、可靠性高、调整装配简便、容差大、成本低等特点，可满足有高效率单模光纤到光芯片耦合要求的光通讯、光纤通信、微波光子学等相关科研与工业生产等领域的要求。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***的示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***入射角度分别为0°、0.001°、0.002°和0.004°的点列图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***的能量比率分布图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***的示意图。
如图1所示，本公开实施例提供的一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，包括：光芯片波导、单模光纤和双透镜。其中，所述双透镜设于所述光芯片波导和所述单模光纤之间，用于将从所述单模光纤射出的光耦汇聚耦合进所述光芯片波导。为了提高***的耦合效率，应尽量减小汇聚光斑的尺寸。采用双合透镜设计的准直器具有结构简单、光能损失小、能减小光斑半径的特点，便于实现高精密高效耦合。
在本实施例中，双透镜的透镜尺寸包括：w＝0.6mm，h∈(0.94～1.5)mm，t∈(0.54～1)mm，w表示透镜的宽度，h表示透镜的高度，t表示透镜的厚度；所述双透镜中透镜之间的距离Δx∈(5～10)mm；所述双透镜的对准距离ΔXcoupling∈(0.1～0.5)μm。
单模光纤的数值孔径NA通常在0.1量级，但是可以在0.05-0.4之间变化。这里根据常用成熟单模光纤为例，由于单模光纤传输条件依赖于光纤芯径与数值孔径，结合成熟市场调研，在本实施例中，选择美国康宁公司单模光纤SMF-28作为目标光纤。光纤数值孔径NA1＝0.13；双透镜与单模光纤的数值孔径0.13进行匹配。芯片波导模式数值孔径，由InGaAsP材料有效介电常数按照11.49计算，NA2＝3.24/3.389＝0.9558。
将光束耦合进芯片波导，应尽量满足模场匹配或交叠积分最大外，还应满足远场发散角的数值孔径匹配条件：θ≤2arcsinNA，其中，θ表示单模光纤的远场发散角，NA表示所述单模光纤的数值孔径。。为了提高***的耦合效率，应尽量减小汇聚光斑的尺寸。
该单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***适用于单波长1550nm的光信号。
在本实施例中，所述双透镜中的两个透镜固定在底座上。该结构没有运动部件，结构紧凑，不易受错位影响。
本公开实施例另一方面提供了一种优化方法，应用于如图1所示的所述的单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，包括S1～S3。
S1，构建双透镜的模型，设置评价函数，所述评价函数为双透镜的聚焦图像大小的均方根函数，所述均方根函数与所述双透镜的操作数相关。
S2，迭代优化所述模型，优化所述双透镜的参数，矫正所述双透镜的球差、慧差和像散，直至所述评价函数的数值满足预设条件，所述参数包括所述双透镜中每个透镜的曲率半径、厚度以及孔径和所述双透镜的间距。
S3，基于优化后的所述参数制备和设置所述双透镜。
由于慧差的存在，经过小孔径单模光纤的光束被准直聚焦而在芯片波导端面处形成具有一定半径大小的弥散斑。因此，设置相应的评价函数和操作数对球差、慧差(操作数COMA)和像散进行校正。优化后得到***最佳模型参数，满足使用要求。
在优化过程中，可以使用软件分析菜单Spot Diagram分析评价***成像和会聚光束质量，得到不同视场下的RMS半径、几何(GEO)半径值，通过这些值分析***的成像质量，值越小成像质量越好，耦合效率也越高。
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***入射角度分别为0°、0.001°、0.002°和0.004°的点列图。
如图2所示，基于本公开实施例提供的单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，当视场角不为0时，存在可见的彗差，但其能量基本处于直径为0.5μm圆型区域内所表示的衍射极限范围内。
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***的能量比率分布图。
如图3所示，在所述双透镜高效耦合***中，距离轴心半径距离3～4μm的范围内，从所述单模光纤射出的光的能量分布比率大于90％。
基于图示数据可知，本公开实施例提供的透镜组耦合***的光能损失小，容差相对较大，便于实现高精密高效耦合。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，其特征在于，包括：
光芯片波导、单模光纤和双透镜；
所述双透镜设于所述光芯片波导和所述单模光纤之间，用于将从所述单模光纤射出的光耦汇聚耦合进所述光芯片波导。
2.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，所述双透镜的透镜尺寸包括：w＝0.6mm，h∈(0.94～1.5)mm，t∈(0.54～1)mm，w表示透镜的宽度，h表示透镜的高度，t表示透镜的厚度；
所述双透镜中透镜之间的距离Δx∈(5～10)mm；
所述双透镜的对准距离ΔXcoupling∈(0.10.5)μm。
3.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，所述单模光纤的数值孔径为0.13，所述双透镜的数值孔径与所述单模光纤的数值孔径匹配，所述光芯片波导的数值孔径为0.9558。
4.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，所述光芯片波导、所述光纤和所述双透镜的模场匹配。
5.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，所述单模光纤满足条件：θ≤2arcsinNA，其中，θ表示单模光纤的远场发散角，NA表示所述单模光纤的数值孔径。
6.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，所述双透镜高效耦合***的工作波长为1550nm。
7.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，在所述双透镜高效耦合***中，距离轴心半径距离3～4μm的范围内，从所述单模光纤射出的光的能量分布比率大于90％。
8.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，所述双透镜中的两个透镜固定在底座上。
9.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合***，其特征在于，所述单模光纤为型号为SMF-28。
10.一种优化方法，应用于如权利要求1至9任意一项所述的单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合***，其特征在于，包括：
构建双透镜的模型，设置评价函数，所述评价函数为双透镜的聚焦图像大小的均方根函数，所述均方根函数与所述双透镜的操作数相关；
迭代优化所述模型，优化所述双透镜的参数，矫正所述双透镜的球差、慧差和像散，直至所述评价函数的数值满足预设条件，所述参数包括所述双透镜中每个透镜的曲率半径、厚度以及孔径和所述双透镜的间距；
基于优化后的所述参数制备和设置所述双透镜。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117761844A (zh) * | 2023-11-30 | 2024-03-26 | 武汉华工正源光子技术有限公司 | 光引擎、光模块及适用于光芯片耦合的光学***和fa结构 |
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Legal Events
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