一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器
技术领域
本发明属于光通信
技术领域
，具体涉及一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器。背景技术
在多媒体、大数据时代背景下的通信技术发展迅速，传统的电-电互连已经难以满足高速率、大容量通信的发展需求。近年来，采用光子集成技术研发的光通信系统以其低能耗、大带宽、低延迟等优势成为研究的热点。利用不同类型材料的电光特性、波导芯层和包层的高折射率差，实现高集成度的片上光-光互联、电光调制、光/电或电/光转换等成为研究的关键问题。光纤与波导芯片之间的高效耦合是光集成的关键技术之一，是所有光集成模块面临的共性问题。氮化硅材料在近红外和可见光波长范围内具有较低的吸收损耗，在光波导器件中应用较广泛，而氮化硅波导器件模斑一般在微纳米尺寸，光纤的模斑一般在微米尺寸，波导与光纤直接对准耦合会产生较大的模场失配损耗。850nm(纳米)波段作为光通信的常用波段之一，如何实现光纤与波导芯片的高效耦合也是我们需要解决的问题。光栅耦合(垂直耦合)和端面耦合(水平耦合)是光子集成芯片模斑转换器常用的两种方式，光栅耦合器通常具有有限的带宽和较高的偏振相关性。与光栅耦合器相比，端面耦合器拥有更大的带宽和更低的偏振相关性。
发明内容
本发明的目的是提供一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器，解决了现有技术中在850nm波段存在的光纤与波导耦合效率较低的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器，包括下包层，下包层的上端面依次覆有三端口Y分支下包层和SU-8锥形结构，三端口Y分支下包层的上端面覆有波导组件，波导组件的一侧连接SU-8锥形结构、另一侧连接波导组，波导组件的上端面对应三端口Y分支下包层覆有三端口Y分支上包层；
其中，沿下包层的长度方向：下包层和SU-8锥形结构形成第一级模斑转换模块，下包层、三端口Y分支下包层以及三端口Y分支上包层、通过与波导组件和波导组分别依次形成第二级模斑转换模块和第三级模斑转换模块，光纤与波导耦合模斑转换器的整体结构一体成型；
在光纤传输的光场进入光纤与波导耦合模斑转换器的情形下，第一级模斑转换模块、第二级模斑转换模块以及第三级模斑转换模块对光场进行过渡压缩，转换为单模后输出。
本发明的特点还在于，
波导组件包括第一弯曲波导、直波导以及第二弯曲波导，第一弯曲波导和第二弯曲波导对应直波导排布为Y型，Y型的开口端与SU-8锥形结构连接，Y型的聚拢端连接波导组。
第一弯曲波导、直波导、第二弯曲波导以及波导组的材料均采用氮化硅。
波导组包括连接Y型的聚拢端依次设置的第一波导和第二波导，第一波导设置为梯形结构，梯形结构的下底连接Y型的聚拢端，梯形结构的上底连接第二波导，第二波导设置为矩形结构。
SU-8锥形结构为棱台结构，棱台结构的上底与Y型的开口端连接。
下包层、三端口Y分支下包层以及三端口Y分支上包层的材料均采用二氧化硅。
三端口Y分支上包层的厚度尺寸大于三端口Y分支下包层的厚度尺寸。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器，输入波导为SU-8绝热锥形结构，厚度和宽度在光信号传输方向上逐渐减小，以实现与氮化硅作为波导芯层的三端口Y分支结构模场匹配，最后光信号经过三端口Y分支单模输出，完成模斑的转换。通过对SU-8锥形结构进行简单的物理切割可实现与不同模斑尺寸的光纤匹配，有效提高了光纤与波导的耦合效率，且灵活性较强。
附图说明
图1是本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器的结构示意图；
图2是本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器中的细节示意图；
图3是本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器的俯视示意图；
图4是本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器中光纤与模斑转换器横向对准容差曲线图；
图5是本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器中光纤与模斑转换器纵向对准容差曲线图。
图中，1.下包层、2.三端口Y分支下包层、3.SU-8锥形结构、4.第一弯曲波导、5.直波导、6.第二弯曲波导、7.第一波导、8.第二波导、9.三端口Y分支上包层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器进行详细说明。
如图1图2和图3所示，一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器，包括下包层1、SU-8锥形结构3，三端口Y分支下包层2、三端口Y的分支波导以及三端口Y分支上包层9；其中，三端口Y分支波导分别由第一弯曲波导4、直波导5、第二弯曲波导6、梯型的第一波导7以及矩形的第二波导8组成。SU-8锥形结构3上包层为空气，设置为棱台，通过对此棱台在传输方向上进行垂直和水平方向上尺寸的绝热压缩，实现与三端口Y分支波导端面光场的匹配，经过三端口Y分支波导中的第一弯曲波导4、直波导5、第二弯曲波导6以及梯形的第一波导7进行光场的传输和压缩，最后经过矩形的第二波导8单模输出。
本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器的结构构造以及工作原理为：在二氧化硅下包层上采用SU-8材料加工锥形结构，SU-8锥形结构3为第一级模斑转换模块，将光纤传输的光场高效耦合到SU-8锥形结构3中，通过对SU-8锥形结构3在光场传输方向上垂直和水平方向尺寸的逐渐减小，完成模斑的尺寸从大到小的转换；
采用二氧化硅的下包层1上再覆一层作为三端口Y分支的薄二氧化硅层的下包层2，第二级模斑转换模块的第一弯曲波导4、直波导5、第二弯曲波导6采用氮化硅材料制作、以及三端口Y分支上包层对应在其上设置的三端口Y分支上包层9,首先对SU-8锥形结构3输出的光场能量进行匹配，再通过将第一弯曲波导4、直波导5、第二弯曲波导6在光场传输方向逐渐合并，完成光场能量的过渡和光斑尺寸的压缩；
第一波导7和第二波导8采用氮化硅材料，将波导沿光场传输方向上水平方向的尺寸绝热地减小到单模尺寸，完成对第二级模斑转换模块输出的光场从多模到单模的转换，最后通过氮化硅矩形的第二波导8单模输出。
下面通过具体的实施例对本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器进行进一步详细说明。
实施例
采用850nm波长下直径为2.5μm(微米)的高斯透镜光束代替锥形透镜光纤出射的光场，下包层1、三端口Y分支下包层2以及三端口Y分支上包层9材料为二氧化硅，折射率为1.453；输入波导为SU-8锥形结构3，折射率为1.577，三端口Y分支波导材料为氮化硅，折射率为1.993；
下包层1厚度为3μm，三端口Y分支下包层2厚度为0.15μm，三端口Y分支上包层9厚度为2μm。SU-8锥形结构3长度为160μm,与光纤对接端面厚度和宽度均为3.4μm，与三端口Y分支波导连接端面厚度和宽度分别为0.8μm和2.1μm。第一弯曲波导4、直波导5、以及第二弯曲波导6的厚度均为0.3μm，宽度均为0.18μm,三端口Y分支输入端面处分支波导间隔均为0.57μm,长度均为27μm。第一波导7与第一弯曲波导4、直波导5、以及第二弯曲波导6连接端面宽度为0.54μm,与第二波导8连接端面宽度为0.45μm，第二波导8宽度为0.45μm。光纤与波导在850nm波长的TE偏振态和TM偏振态横向和纵向对准容差曲线图如图4和图5所示；可以看到在水平方向上TE偏振态和TM偏振态1dB横向对准容差范围约为±300nm，在垂直方向TE偏振态1dB纵向对准容差范围约为-400nm～+300nm，TM偏振态1dB纵向对准容差范围约为-400～+200nm。
本发明一种850nm波段的光纤与波导耦合模斑转换器，针对目前850nm波段存在的光纤与波导耦合效率较低的问题，设计了一种850nm波段模斑的转换器，提高了光纤与波导芯片的耦合效率，且本转换器的灵活性较和适应性较强，适合推广使用。
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