一種硅基三維疊加型光纖耦合結構制造技術

本發明專利技術涉及一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，其結構基于硅襯底，包括二維模斑轉換器（1），周期性結構（2）和周期性結構（2）與脊波導組成的凹槽（3）構成。本發明專利技術一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，具有耦合效率高，耦合方法獨特，突破現有的單純縱向耦合的局限，從而實現高效的三維疊加耦合，可以廣泛應用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及集成光電子器件
，是一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，該耦合結構利用光纖和波導疊加的形式耦合，可以有效降低光纖和波導的耦合損耗。具有廣泛應用于光通信以及平面光波光路互聯的前景。
技術介紹
隨著硅基材料在集成光子學領域的不斷發展，人們對硅光子器件也提出了更高的要求。硅基(SOI)波導結構具有對光的更好的約束作用，從而得到了廣泛的應用。一般硅基光波導的尺寸大都在亞微米量級，折射率在3. 5左右，然而標準的單模光纖的尺寸大都在8到10微米左右，折射率僅為1. 45左右。如此大的尺寸和折射率差必然引入輻射模和背反射，給光纖和波導耦合帶來巨大的耦合損耗。在實際應用中，標準的光纖跟亞微米尺寸的SOI波導直接縱向耦合的損耗大于10dB，從而給SOI波導器件的廣泛應用帶來一定困難。目前的SOI光波導耦合方式大都是縱向型的直接對準耦合。耦合方法一般為楔形光波導耦合，光柵耦合，折射率漸變波導耦合等。實際應用最廣泛的是楔形光波導耦合器。 然而當波導尺寸為亞微米的時候，這種耦合器帶來很大的耦合損耗。而且當這種耦合器和光纖連接的時候，需要精密的對準儀器，給耦合封裝帶來巨大成本。另一種采用光柵結構的耦合器，偏振無關，耦合損耗可以達到3dB以下，但是它的帶寬卻很低，不能滿足光通信的要求。由此可見縱向耦合具有很大的局限性，從而限制了耦合效率的提高。在此背景下我們專利技術了硅基三維疊加型光纖耦合結構，本專利技術采用疊加耦合的方式，使對準方式變得簡單，耦合效率得到提高；突破了現有的單純縱向型耦合的方法。
技術實現思路
技術問題該專利技術提供一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，整個結構制作在硅基光波導器件上，由二維模斑轉換器，周期性結構和其與脊波導組成的凹槽結構構成。和其他耦合器相比，具有耦合方式簡單，耦合效率高，易于對準，可以使單模光纖和硅基光波導很好的耦合，可以廣泛應用于平面光波光路的耦合封裝中。技術方案本專利技術目的在于提供一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，整個結構制作在硅基光波導器件上，和其他耦合器相比，具有耦合方式簡單，耦合效率高，易于對準，可以使單模光纖和硅基光波導很好的耦合，可以廣泛應用于平面光波光路的耦合封裝中。本專利技術是一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，其結構基于硅襯底，由二維模斑轉換器，周期性結構和其與脊波導組成的凹槽結構構成。兩側的周期性結構可以對C波段的光通信光波有很好的橫向約束能力，凹槽內的硅波導層可以和斜楔型光纖耦合，脊波導的脊端面可以和斜楔型光纖的端面耦合，二維的模斑轉換器為可以將模斑半徑從大尺寸轉換為波導尺寸。這樣可以最大限度的將通信光波耦合進波導內。為了達到上述目的本專利技術的解決方案是一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，其結構基于硅襯底，包括二維模斑轉換器，周期性結構，及其與脊波導組成的凹槽。周期性結構為可以為光子帶隙結構、布拉格波導結構；周期性結構可以很好的約束光通信的C波段，其折射率和硅的折射率相同；凹槽的深度可以變換以達到最大的耦合效率，本專利技術的凹槽深度為脊波導脊高；凹槽內平面為硅材料平面。光場通過斜楔型光纖和硅基光波導進行耦合，其耦合包括①凹槽內和硅層疊加的耦合；②斜楔型光纖和脊波導的端面耦合；而且周期結構可以很好的約束耦合波；這樣可以將光波很好的耦合進波導，從而達到較高的耦合效率。二維模斑轉換器的結構為普通的模斑轉換器，其器件參數如附圖所示，光從大端進入，寬度為6um，從小端口出射，其直徑為0. 5um，總長度為lOOum。本專利技術對于TM模，二維模斑轉換器的模式轉換損耗低于0. 5dB。凹槽部分利用的是波導和斜楔型光纖的疊加耦合，根據仿真得到耦合長度，可以實現最大限度的耦合；在斜楔型光纖和脊波導的端面進行直接耦合，斜楔型光纖經過專門處理可以和脊波導端面高效耦合。對TM模來說，由仿真結果模場失配損耗僅為1.6dB?？梢姳緦＠夹g一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，具有耦合效率高，耦合方法獨特， 突破現有的單純縱向耦合的局限，從而實現高效的三維疊加耦合，可以廣泛應用等特點。附圖說明下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明。圖1是一種硅基三維疊加型光纖耦合結構示意圖2是二維模斑轉換器示意圖3是脊波導結構示意圖4是斜楔型光纖結構示意圖5是斜楔型光纖和硅基波導耦合示意圖6是硅基三維疊加型光纖耦合結構模型；圖7是硅基三維疊加型光纖耦合結構傳輸模式；(a)輸入端的模式圖；(b)傳輸 220um后的模式圖；(c)傳輸300um后的模式圖；(d)傳輸350um后的模式圖。具體實施方式為進一步說明本專利技術的內容及特點，下面結合附圖對本專利技術作進一步說明。本專利技術提供一種硅基三維疊加型光纖耦合結構。如附圖1所示，本專利技術有以下3部分二維模斑轉換器，周期結構，及凹槽；而且周期性結構可以為光子帶隙結構或者布拉格波導結構等等；圖1所示為周期型結構為光子帶隙結構的示意圖。二維模斑轉換器如附圖2，折射率為硅的折射率3. 5，大端寬度為6um，小端寬度為0. 5um，總長度為IOOum ；本專利技術應用于硅基光波導器件，且脊波導的結構示意圖如附圖3 ；本專利技術中Hl為5um，hl為30nm，脊寬為0. 5um ；凹槽的上端面到襯底的高度即hi 為30nm ；本專利技術通過二維模斑轉換器與光波導器件直接相連。本專利技術中斜楔型光纖結構示意圖如圖4 ；斜楔型光纖是將普通單模光纖經過處理后得到的；其中D為普通單模光纖的包層直徑125um，d為普通單模光纖的芯徑8到IOum ； h即為硅基波導的脊高，L為耦合長度；本專利技術中的斜楔型光纖也就是將普通淡漠光纖削掉如圖4所示的楔角得到。圖5為斜楔型光纖和硅基光波導耦合時的剖面圖；其中各個符號對應于前面所述的符號；如圖5所示，在使用時，將斜楔型光纖長度為L的耦合面直接搭在凹槽內；斜楔型光纖和凹槽內的硅層可以完成最大效率的耦合，將光場耦合進脊波導；在耦合的同時，本專利技術通過周期結構可以有效阻止輻射損耗；同時在斜楔型光纖的尾端面和脊波導的入射端面還可以進行直接耦合，這樣可以將光場最大限度的耦合進光波導，從而大大提高耦合效率。圖6為硅基三維疊加型光纖耦合結構模型；對應于圖1所示結構。圖7為硅基三維疊加型光纖耦合結構傳輸模式；(a)輸入端的模式圖；(b)傳輸 220um后的模式圖；(c)傳輸300um后的模式圖；(d)傳輸350um后的模式圖；從傳輸過程可以看出模式是變化的，在傳輸300um后模式趨于穩定，而且損耗非常小，小于0. 45dB?？梢姳緦＠夹g一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，具有耦合效率高，耦合方法獨特，突破現有的單純縱向耦合的局限，從而實現高效的三維疊加耦合。權利要求1.一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，其結構基于硅襯底，包括二維模斑轉換器(1)， 周期性結構(2)和周期性結構(2)與脊波導組成的凹槽(3)構成。2.根據權利要求1所述的一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，其特征在于周期性結構 (2)為可以為光子帶隙結構、布拉格波導結構；其折射率和硅的折射率相同。3.根據權利要求1所述的一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，其特征在于凹槽(3)深度為脊波導脊高；凹槽(3)內平面為硅材料平面。全文摘要本專利技術涉及一種硅基三維疊加型光纖耦合結構，其結構基于硅襯底，包括二維模斑轉換器(1)，周期性結構(2)和周期性結構(2)與脊波導組成的凹槽(3)構成。本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫小菡，蔣衛鋒，許大信，柏寧豐，劉旭，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：