[实用新型]一种硅基三维叠加型光纤耦合结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及集成光电子器件技术领域，是一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，该耦合结构利用光纤和波导叠加的形式耦合，可以有效降低光纤和波导的耦合损耗。具有广泛应用于光通信以及平面光波光路互联的前景。 

背景技术

随着硅基材料在集成光子学领域的不断发展，人们对硅光子器件也提出了更高的要求。硅基（SOI）波导结构具有对光的更好的约束作用，从而得到了广泛的应用。一般硅基光波导的尺寸大都在亚微米量级，折射率在3.5左右，然而标准的单模光纤的尺寸大都在8到10微米左右，折射率仅为1.45左右。如此大的尺寸和折射率差必然引入辐射模和背反射，给光纤和波导耦合带来巨大的耦合损耗。在实际应用中，标准的光纤跟亚微米尺寸的SOI波导直接纵向耦合的损耗大于10dB，从而给SOI波导器件的广泛应用带来一定困难。 

目前的SOI光波导耦合方式大都是纵向型的直接对准耦合。耦合方法一般为楔形光波导耦合，光栅耦合，折射率渐变波导耦合等。实际应用最广泛的是楔形光波导耦合器。然而当波导尺寸为亚微米的时候，这种耦合器带来很大的耦合损耗。而且当这种耦合器和光纤连接的时候，需要精密的对准仪器，给耦合封装带来巨大成本。另一种采用光栅结构的耦合器，偏振无关，耦合损耗可以达到3dB以下，但是它的带宽却很低，不能满足光通信的要求。由此可见纵向耦合具有很大的局限性，从而限制了耦合效率的提高。 

在此背景下我们实用新型了硅基三维叠加型光纤耦合结构，本实用新型采用叠加耦合的方式，使对准方式变得简单，耦合效率得到提高；突破了现有的单纯纵向型耦合的方法。 

实用新型内容

技术问题：该实用新型提供一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，整个结构制作在硅基光波导器件上，由二维模斑转换器，周期性结构，其与脊波导组成的凹槽结构和凹槽内的多列并排光栅构成。和其他耦合器相比，具有耦合方式简单，耦合效率高，易于对准，可以使单模光纤和硅基光波导很好的耦合，可以广泛应用于平面光波光路的耦合封装中。 

技术方案：本实用新型目的在于提供一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，整个结构制作在硅基光波导器件上，和其他耦合器相比，具有耦合方式简单，耦合效率高，易于对准，可以使单模光纤和硅基光波导很好的耦合，可以广泛应用于平面光波光路的耦合封装中。 

本实用新型是一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其结构基于硅衬底，由二维模斑转换器，周期性结构，其与脊波导组成的凹槽结构和凹槽内的多列并排光栅构成。两侧的周期性结构可以对C波段的光通信光波有很好的横向约束能力，凹槽内的多列并排光栅可以和斜楔型光纤耦合，脊波导的脊端面可以和斜楔型光纤的端面耦合，二维的模斑转换器为可以将模斑半径从大尺寸转换为波导尺寸。这样可以最大限度的将通信光波耦合进波导内。 

为了达到上述目的本实用新型的解决方案是： 

一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，其结构基于硅衬底，包括二维模斑转换器、周期 性结构、周期性结构与脊波导组成的凹槽以及凹槽内的多列并排光栅。周期性结构为可以为光子带隙结构、布拉格波导结构；周期性结构可以很好的约束光通信的C波段，其折射率和硅的折射率相同；凹槽的深度可以变换以达到最大的耦合效率，多列并排光栅可以进一步提高耦合效率。本实用新型的凹槽深度为脊波导脊高；凹槽内多列并排光栅为硅材料平面，即凹槽内平面为硅材料平面。 

光场通过斜楔型光纤和硅基光波导进行耦合，其耦合包括：①凹槽内多列并排光栅和硅层叠加的耦合；②斜楔型光纤和脊波导的端面耦合；而且周期结构可以很好的约束耦合波；这样可以将光波很好的耦合进波导，从而达到较高的耦合效率。 

二维模斑转换器的结构为普通的模斑转换器，其器件参数如附图所示，光从大端进入，宽度为6um，从小端口出射，其直径为0.5um，总长度为100um。本实用新型对于TM模，二维模斑转换器的模式转换损耗低于0.5dB。 

凹槽部分利用的是波导光栅和斜楔型光纤的叠加耦合，根据仿真得到耦合长度，可以实现最大限度的耦合；在斜楔型光纤和脊波导的端面进行直接耦合，斜楔型光纤经过专门处理可以和脊波导端面高效耦合。对TM模来说，由仿真结果模场失配损耗仅为1.6dB。 

可见本实用新型一种硅基三维叠加型光纤耦合结构，具有耦合效率高，耦合方法独特，突破现有的单纯纵向耦合的局限，从而实现高效的三维叠加耦合，可以广泛应用等特点。 

附图说明

图1是一种硅基三维叠加型光纤耦合结构示意图； 

图2是二维模斑转换器示意图； 

图3是脊波导结构示意图；