RU2712985C1

RU2712985C1 - Устройство модового конвертера

Info

Publication number: RU2712985C1
Application number: RU2019115173A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Андреевич Ковалев; Игорь Константинович Корепанов; Сергей Владимирович Кузьмин; Андрей Петрович Онуфриенко; Владимир Васильевич Светиков
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-02-03

Abstract

Изобретение относится к устройству модового конвертера для соединения оптического волокна с канальным волноводом планарного оптического кристалла (PLC) в виде интегрального элемента ввода света из оптоволокна в канальный волновод и наоборот. Устройство модового конвертера содержит оптическое волокно, которое соединяется с канальным волноводом планарного оптического кристалла посредством серии волноводных сегментов одинаковой высоты и прямоугольного сечения с плавно уменьшающейся шириной и плавно увеличивающимся шагом размещения, а также прямоугольного сечения с плавно уменьшающейся шириной и плавно увеличивающимся шагом размещения. При этом волноводные сегменты и конусный сегмент размещаются интегрально с планарным оптическим кристаллом и обеспечивают эффективный ввод света в канальный волновод планарного оптического кристалла при гораздо более короткой длине элемента ввода, чем это требуется для обычного адиабатически расширяющегося конусного элемента ввода света, а также других сегментированных элементов ввода. Технический результат – соединение оптоволокна с планарным оптическим кристаллом с улучшенными характеристиками в плане компактности и простоты изготовления. 4 ил.

Description

Устройство модового конвертера относится в целом к оптическим волноводам с канальной структурой, которые представляют собой волноводы с прямоугольным сечением с показателем преломления n1, окруженные со всех сторон средой с меньшим показателем преломления n2 (n1>n2). В частности, изобретение относится к устройству оптических волноводов с канальной структурой с низкими потерями связи между оптическими волноводами с канальной структурой и оптическим волокном.

Элемент связи, передающий оптические волны между волоконным световодом, используемым для передачи сигналов на большие расстояния и волноводом, входящим в состав оптической интегральной схемы является одним из ключевых элементов интегральных оптических систем. Основными характеристиками любого элемента связи является его эффективность, компактность, удобство юстировки. Эффективность сопряжения, как правило, определяется частью общей энергии оптического пучка, введенного в волновод или выведенного из него. Кроме того, ее можно определить, исходя из потерь сопряжения (в дБ). Эффективность сопряжения очень сильно зависит от согласования между полями оптического пучка и волновой моды.

Если оптический волновод с канальной структурой связывают с обычным оптическим волокном (например, со стандартным одномодовым оптическим волокном типа SMF 28 со слабо ограниченной оптической модой), появляются большие потери связи между оптическим волноводом с планарной структурой и обычным оптическим волокном. В данном случае под потерями связи между оптическим волноводом с планарной структурой и оптическим волокном следует понимать потери электромагнитной энергии на соединении между оптическим волноводом с планарной структурой и оптическим волокном, где происходит передача электромагнитной энергии между оптическим волокном и оптическим волноводом с планарной структурой. Эти потери связи обусловлены тем, что оптическая мода оптического волновода с планарной структурой ограничена в большей степени, чем оптическая мода обычного оптического волокна, то есть ширина на половине боковой высоты оптической моды в оптическом волноводе с планарной структурой меньше ширины на половине боковой высоты оптической моды в известном оптическом волокне.

В работе продемонстрирован пример классического торцевого соединения между оптическим волноводом с канальной структурой (с сердечником - «кором» и оболочкой - «кладдингом»), и обычным одномодовым оптическим волокном /1/.

Обычное оптическое волокно имеет сердечник, который передает электромагнитную энергию вдоль оптического волокна и который окружен оболочкой. Оптическая мода оптического волновода с канальной структурой является более ограниченной, чем оптическая мода обычного оптического волокна и это приводит к большим потерям связи между оптическим волноводом с канальной структурой и обычным оптическим волокном. Эти потери можно рассчитать на основании интеграла перекрытия между двумя оптическими модами Ein и Eout, где Ein является пространственным распределением электрического поля в оптическом волноводе с пространственным распределением электрического поля в оптическом волноводе с канальной структурой, a Eout является пространственным распределением электрического поля в оптическом волокне.

Таким образом, если оптическая мода волновода с канальной структурой имеет профиль, намного отличающийся от профиля оптической моды обычного оптического волокна (что можно оценить путем сравнения значений ширины на половине высоты оптических мод), интеграл перекрытия является очень небольшим, как и электромагнитная энергия, передаваемая между оптическим волокном и оптическим волноводом с канальной структурой.

Традиционный подход к этой проблеме состоит в том, чтобы снабдить планарный волновод увеличенным концевым элементом для приема света из оптоволокна и постепенно (адиабатически) сужать сердцевину волновода в латеральном направлении до оптимального размера одномодового канального волновода /2/.

Латеральный конус (тейпер) находится в той же плоскости, что и оптическая схема. Этот подход снижает потери сопряжения, но, к сожалению, такое тейпирование неэффективно для компактных планарных оптических кристаллов с большой разностью показателей преломления сердечника и оболочки (высококонтрастных), и, кроме того, этот подход предполагает значительную длину латерального конуса.

Конструкция реализует двухмерное сужение мод путем введения промежутков между сегментами волноводов. В результате эффективный коэффициент преломления сегментированного волновода постепенно уменьшается и свет плавно перетекает из волокна в планарный оптический кристалл. Этот подход очень эффективен в снижении потерь сопряжения. Однако для высококонтрастных волноводов толщина сердечника мала по сравнению с сердечником волокна, поэтому согласование мод через двумерные сегментированные участки, трудноосуществимо.

В патенте США оптическое волокно соединяется с планарным волноводом через серию планарных волноводных сегментов с увеличенным поперечным сечением и сегмент с конусным поперечным сечением /3/. Комбинация разнесенных сегментов и конического сегмента обеспечивает эффективное связывание волновода (без потерь) с волокном на более короткой длине участка соединения, чем требуется для обычного адиабатического связывания. Однако подобный подход требует использование теневой маски, существенного усложнения технологии изготовления оптических элементов. Патент США взят за прототип.

Задача данного изобретения - создание модового конвертера для соединения оптоволокна с планарным оптическим кристаллом с улучшенными характеристиками в плане компактности и простоты изготовления.

Изобретение относится к устройству модового конвертера для соединения оптического волокна с канальным волноводом (модовый конвертер) в виде интегрального элемента ввода света из оптоволокна в канальный волновод и наоборот, отличающийся тем, что в соответствии с изобретением оптическое волокно соединяется с канальным волноводом планарного оптического кристалла через серию волноводных сегментов волноводом пленарного оптического кристалла через серию волноводных сегментов одинаковой высоты и прямоугольного сечения с плавно уменьшающейся шириной и плавно увеличивающимся шагом размещения и сегмент конусообразного сечения, размещенного непосредственно под волноводными сегментами прямоугольного сечения с плавно уменьшающейся шириной и плавно увеличивающимся шагом размещения, причем, волноводные сегменты и конусный сегмент, размещаются на одном кристалле с планарным оптическим кристаллом.

Длина и ширина сегментов уменьшается по направлению к пленарному оптическому кристаллу при фиксированном зазоре, поэтому эффективный индекс показателя преломления сегментированного слоя уменьшается по направлению к планарному оптическому кристаллу. Следовательно, свет, двигаясь от волокна в сегментированный волновод, плавно перетекает в низлежащий конусообразный слой «кора» с высоким показателем преломления, который находится в одной плоскости с канальным волноводом оптического кристалла (PLC). Конечная ширина конусного участка (около планарного оптического кристалла) может сужаться до одномодового размера волновода. Таким образом, свет через конусообразный сегмент с минимальными потерями входит в планарный оптический кристалл.

На фиг. 1а (вид сбоку) и фиг. 1б (вид сверху) представлена структурамодового конвертера, где:

1А, 1В, 1С - участки сегментированного волновода;

2 - конусообразный сегмент

3 - оболочка («кладдинг») канального волновода

4 - сердечник оптоволокна

PLC - планарный оптический кристалл.

На фиг. 2 представлена структурамодового конвертера - результат моделирования.

На фиг. 3 представлена структура соединения оптоволокна с канальным волноводом без использования модового конвертера,

где:

5 - сердечник канального волновода - «кор»

6 - оптическое волокно

7 - оболочка оптоволокна.

На фиг. 4 представлена структура двумерного модового конвертера,

где:

8 - расширенный концевой элемент канального волновода.

планарного оптического кристалла на кремниевой подложке (возможна кварцевая подложка), следует последовательность операций изготовления сегментированного участка.

В целом, технологический цикл изготовления данного модового конвертера может быть выглядеть следующим образом:

- на кремниевой пластине формируется нижний буферный слой, как правило, окислением (на обе стороны пластины, что дает минимальное искривление пластины) с последующим отжигом (SiO2).

- осаждается слой кора (оксинитрид - SiON) с более высокий показателем преломления, используя техники плазменного осаждения из паровой фазы (PECVD) или химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении (LPCVD), с последующим отжигом.

- формируется канальный оптический волновод, используя фотолитографию через маску хрома и последующим реактивным ионным травлением.

- напыляется слой хрома, проводится фотолитография и хром химически вытравливается по рисунку, обратному к будущему сегментированному волноводу.

- осаждается слой «сегментированного волновода» (техника PECVD или LPCVD) (оксинитрид - SiON1)

- с помощью фотолитографии с использованием маски хрома и последующего реактивного ионного травления слоя оксинитрида вытравливаются сегменты, при этом стоп-слоем для предотвращения перетрава низлежащего основного кора является слой хрома. Размер элементов сегментов может варьироваться от 1 до 30 мкм, что легко может быть достигнуто с использованием контактной печати. Возможен вариант с фиксированной длиной сегментов и увеличивающимся зазором между ними, но технологически, при использовании реактивного ионного травления предпочтителен вариант с фиксированным зазором.

- химически удаляется слой хрома, селективно к низлежащему слою кора.

- проводится осаждение верхнего буферного слоя (SiO2, БФСС) и финальный отжиг готовой структуры.

Важно, что при вытравливании сегментов с использованием стоп-слоя хрома и последующему химическому удалению хрома основной слой оксинитрида - «кора» подвергается минимальному воздействию. При обычном плазмохимическом травлении (реактивном ионном травлении) вышележащего слоя неизбежны перетравы или недотравы, а также шероховатая структура травленой поверхности низлежащего слоя (в данном случае кора), что неизбежно вызывает дополнительные входные потери. Выбор хрома как материала стоп-слоя обусловлен возможностью селективного травления волноводных диэлектрических слоев по отношению к хрому, а также возможностью селективного химического удаления хрома по отношению к низлежащему диэлектрическому слою оксинитрида (SiON).

Для решения проблем юстировки канального волновода с одномодовым волокном при использовании стыкового соединения с торцом волновода могут быть использованы методы V-образных или U-образных канавок в кремнии, вытравливаемых жидкостным или плазменным способом на концах оптического кристалла, с последующей укладкой волокон в них.

Компоновка модового конвертера предполагает использование трехслойного подхода, содержащего сердечники («коры») 1(1А, 1В, 1С) и 2, с коэффициентами преломления n1 и n2 соответственно и буферный слой («кладдинг») 3, с коэффициентом преломления n3. Причем, n2>n1>n3. Свет от волоконного сердечника 4 проходит в канальный волновод прямоугольного сечения. Элемент ввода использует три сегмента переменной длины с фиксированным зазором и плавно уменьшающейся шириной для соединения оптоволокна через сердечник 1 до сердечника 2. Ближний к волокну сегмент 1С предпочтительно имеет коэффициент преломления и поперечное сечение, сопоставимое с сердцевиной 4 волокна, и обеспечивает начальное соединение с сердечником волокна.

Представленная структура данного устройства - результат моделирования, при котором высота сегментированных участков составила 8 мкм, ширина первого, ближайшего к оптоволокну сегмента - 8 мкм, ширина последнего (третьего) сегмента - 3 мкм. Размеры канального волновода оптического кристалла: высота 3 мкм, ширина 3 мкм. Общая длина модового конвертера составила 100 мкм.

(n1-n2)/n1 × 100%=3%,

где n1, n2 - соответственно коэффициент преломления сердечника («кора») и оболочки (буферного слоя - «кладдинга») канального волновода оптического кристалла

Расчеты показывают, что потери сопряжения с одномодовым оптоволокном SMF28 не должны превышать 0,2 dB, то есть при сопоставимых потерях связи длина модового конвертера данной конструкции примерно в три раза короче, чем у аналогов.

В данном примере размеры, количество сегментов и, в частности, толщины сегментов, могут быть оптимизированы с помощью трехмерной компьютерной программы с конечно-разностным распространением пучка (FD-BPM), в которой используются стандартные методы моделирования волноводов и оптимизации устройств.

Таким образом, используя данную конструкцию модового конвертера можно создать улучшенный вариант ввода света из оптического волокна в канальный волновод и наоборот с точки зрения компактности, простоты и разработанности технологии изготовления.

Источники информации.

1. Хансперджер Р. «Интегральная оптика: теория и технология», Москва: Мир, 1985

2. "Analysis of Periodically Segmented", Z. Weissman and I. Hendel, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 13, NO. 10, OCTOBER 1995.

3. Патент США: US 2005/0152648 - прототип

Claims

Устройство модового конвертера, содержащее интегральный элемент ввода света из оптоволокна в канальный волновод планарного оптического кристалла и наоборот, отличающееся тем, что оптическое волокно соединено с канальным волноводом планарного оптического кристалла посредством серии волноводных сегментов одинаковой высоты и прямоугольного сечения с плавно уменьшающейся шириной и плавно увеличивающимся шагом размещения, а также посредством сегмента конусообразного сечения, размещенного непосредственно под волноводными сегментами прямоугольного сечения, с плавно уменьшающейся шириной и плавно увеличивающимся шагом размещения, причем волноводные сегменты и сегмент конусообразного сечения размещены интегрально с планарным оптическим кристаллом.