一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器

1.本发明涉及通信光器件技术领域，尤其涉及一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器。


背景技术：

2.随着高速光通信领域的飞速发展，光器件的集成度越来越高，对于不同光器件的耦合要求也越来越高。由于器件之间尺寸差异较大，因此将其直接相连会产生较大的模场失配问题，从而造成较大的光传输损耗。为了解决该问题，我们通常使用耦合器来提升器件耦合效率。
3.对于耦合器，我们不仅要求其有着较高的耦合效率，较低的损耗，较小的体积，较大的误差容限，同时应对于波长和偏振态不敏感，以保证其可以再较宽波段和不同光偏振态工作。
4.目前最为常见的耦合器有光栅耦合器和端面耦合器。光栅耦合器具有加工方便，误差容限大等优点，但耦合效率相对较低，同时对波长、偏振态较为敏感。而端面耦合器耦合效率较高，对波长、偏振态也不敏感。但传统的单倒锥端面耦合器尺寸较长，而且由于倒锥结构横截面积很小，因此误差容限很小，加工难度较大。


技术实现要素：

5.本发明依据阵列波导光栅(awg)与边入式光电探测器(pd)进行耦合的应用场景，的目的是提供一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明提供一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器，由第一波导和第二波导级联组成；在第一波导上引入一个高度为h的脊波导；所述的脊波导和第一波导的端面平齐，形成耦合器的初始输入端面，初始输入端面与awg输出波导的尺寸完全匹配；所述脊波导的长度与第一波导长度相等，脊波导的宽度由初始输入端面向其输出端面逐渐减小，脊波导在第一波导上的投影为等腰梯形；所述第二波导采用由波导输入端面向波导输出端面三维减缩的正锥型结构，第二波导输入端面与第一波导输出端面的尺寸相匹配，第二波导的输出端面与光电探测器的脊波导尺寸完全匹配，第一波导、第二波导和脊波导呈现双阶梯结构。
8.进一步地，初始输入端面的高度h和宽度w均为4.5μm。
9.进一步地，第一波导长度l1的取值范围是400-1000μm。
10.进一步地，脊波导的输出端面的宽度w
rib
的取值范围是0.25-0.75μm。
11.进一步地，第二波导的输出端面宽度w
t
＝2μm，高度h
t
＝1.048μm。
12.进一步地，第二波导的长度l2取值范围是500-1000μm。
13.进一步地，脊波导高度h的取值范围为1-3μm。
14.进一步地，awg输出波导的结构为对称波导，矩形波导芯层为4.5
×
4.5μm的埋入型
波导。
15.进一步地，awg输出波导的包层和芯层的材料都为二氧化硅，其中芯层使用的是掺杂高折射率二氧化硅，二者的折射率差为δn＝1.5％。
16.进一步地，awg输出波导通过耦合器耦合至光电探测器的脊波导中心部分，光电探测器的脊波导中心部分尺寸为2μm
×
1.048μm、高度为0.204μm，下层波导的高度为0.884μm。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
18.本发明提供的一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器，体积小、损耗低、误差容限高，可以实现不同尺寸的awg波导和光电探测器波导的高效耦合。耦合器的耦合损耗仅为0.159db，同时尺寸较短，只有900μm，还具有较大的误差容限，1db误差容限超过1500nm。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术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。
20.图1为本发明实施例提供的阵列波导光栅输出波导横截面示意图。
21.图2为本发明实施例提供的光电探测器脊波导的结构示意图。
22.图3为本发明实施例提供的基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器的结构示意图。
23.图4为本发明实施例提供的基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器主视图。
24.图5为本发明实施例提供的基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器的侧视图。
25.图6为本发明实施例提供的基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器的俯视图。
26.图7为本发明实施例提供的基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器在te，tm偏振态的耦合损耗。
27.图8为本发明实施例提供的基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器的对准容差分析。
28.附图标记说明：
29.1、第一波导，2、第二波导，3、脊波导。
具体实施方式
30.为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。本文使用的术语“耦合”是指任意连接、耦合、链接等，以及“光耦合”是指使得光线从一个元件被传递至另一元件的耦合。这种“耦合”装置并非必须直接连接至另一个，可通过操纵或修改这种信号的中间部件或装置被分离。同样，本文使用的术语“直接耦合”或“直接光耦合”是指没有中间装置比如光纤而允许光线从一个元件被传递至另一元件的任意光连接。
31.本发明所涉及的awg输出波导的尺寸为4.5
×
4.5μm，而边入式探测器的波导耦合层为单模脊波导，尺寸为2
×
1.048μm，二者存在较大的尺寸差异，如果直接对准会造成模场失配，从而产生较大的耦合损耗。因此如何让不同尺寸的波导高效耦合是实现光器件集成的关键问题。
32.本发明的目的是如何通过优化耦合器，达成不同尺寸波导间的耦合，尤其是光接
收系统中awg输出波导和边入式光电探测器之间的高效耦合。
33.本发明的awg输出波导的结构为对称波导，矩形波导芯层为4.5
×
4.5μm的埋入型波导。awg输出波导的包层和芯层的材料都为二氧化硅，其中芯层使用的是掺杂高折射率二氧化硅，二者的折射率差为δn＝1.5％。awg输出波导横截面示意图如图1所示。
34.本发明的波导型探测器的波导耦合层为脊形波导结构，awg输出波导通过耦合器耦合至光电探测器的脊波导中心部分，光电探测器的脊波导中心部分尺寸为2μm
×
1.048μm、高度为0.204μm，光电探测器的高度为0.884μm。结构如图2所示。
35.为了解决awg输出波导与光电探测器脊波导二者模场不匹配的问题，本发明提供一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器，如图3所示，耦合器由第一波导1和第二波导2级联组成。
36.在第一波导1上引入一个高度为h的脊波导3；脊波导3高度h的取值范围为1-3μm。
37.所述的脊波导3和第一波导1的端面平齐，形成耦合器的初始输入端面，初始输入端面与awg输出波导的尺寸完全匹配；初始输入端面的高度h和宽度w均为4.5μm。
38.所述脊波导3的长度与第一波导1长度相等，第一波导1长度l1的取值范围是400-1000μm。取值范围最小值由仿真得出，如果取值小于400μm，耦合效率会有减小，大于1000μm则器件体积过大，影响器件集成度。脊波导3的宽度由初始输入端面向其输出端面逐渐减小，从最初的4.5μm缩小至wrib，脊波导的输出端面的宽度w
rib
的取值范围是0.25-0.75μm。取值范围大于0.75μm会影响器件的耦合效率，小于0.25μm会增加器件的加工难度。脊波导在第一波导上的投影为等腰梯形。相比弧形等结构，该结构加工难度大大减小，提高了器件成品率。该结构的目的是通过缩短脊波导的宽度，将光波逐渐压缩至下方第一波导中。脊波导的高度决定了第一波导结构对光波纵向模场的压缩程度。如果h值较小则纵向压缩程度低，h值较大则对模场纵向压缩程度较高，但较高的脊波导也会使器件制造较为困难。h的取值范围通常为1-3μm。优选2μm。
39.所述第二波导2采用由波导输入端面向波导输出端面三维减缩的正锥型结构，第二波导2通过在宽度和高度的逐渐缩减，压缩光波的横向与纵向模场尺寸。第二波导的长度l2取值范围是500-1000μm。取值范围最小值由仿真得出，如果取值小于500μm，耦合效率会有减小，大于1000μm则器件体积过大，影响器件集成度。第二波导2输入端面与第一波导1输出端面的尺寸相匹配，第二波导2的输出端面与光电探测器的脊波导尺寸完全匹配，第二波导的输出端面宽度w
t
＝2μm，高度h
t
＝1.048μm。第一波导1、第二波导2和脊波导3呈现双阶梯结构。
40.本发明提供一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器的主视图、侧视图、俯视图如图4、5、6所示。
41.在本发明优选的实施例中，我们将耦合器的各参数分别设置为：w＝4.5μm，h＝4.5μm，h＝2μm，w
rib
＝0.75μm，w
t
＝2μm，h
t
＝1.048μm，l1＝400μm，l2＝500μm。
42.确定参数后，我们对耦合器的各项性能进行了仿真，仿真结果如下所示。
43.图7为耦合器在te，tm偏振态，1270-1550nm波段的耦合损耗仿真结果。可以看出，该器件的最小损耗只有0.159db，同时在整个波段的不同偏振态都有着良好的性能，最大耦合损耗也仅有0.228db。而如果不使用耦合器，将awg输出波导和光电探测器脊波导直接相连，耦合损耗高达1.36db以上。
44.此外，本发明还对器件的对准容差进行了分析，结果如图8所示。从仿真结果可知，模型的1db对准容差超过1500nm。高对准容差降低了器件加工难度，可以更好地应用于光集成领域中。
45.本发明提供的一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器，体积小、损耗低、误差容限高，可以实现不同尺寸的awg波导和光电探测器波导的高效耦合。耦合器的耦合损耗仅为0.159db，同时尺寸较短，只有900μm，还具有较大的误差容限，1db误差容限超过1500nm。
46.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。