[发明专利]一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构

说明书

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，具体是一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构。

背景技术

光纤耦合是光集成器件封装中的一个重要问题。小波导截面使高折射率波导器件更为紧凑。然而，这也导致光纤和高折射率波导巨大的模场尺寸失配，从而导致高耦合损耗。

相比于拉锥光纤，标准光纤的光斑尺寸较大，价格便宜，是行业的首选。使用垂直光栅耦合器，是常用的光纤端面到高折射率光子芯片的耦合方案，这种方案有强烈的波长和偏振依赖性。使用倒锥形耦合器是另一种方案，这种方案避免了波长和偏振依赖性，光首先从光纤耦合到一个低折射率波导，然后从低折射率波导耦合到高折射率倒锥耦合器，其中低折射波导在光纤一端需要有较大的模场尺寸，在高折射率倒锥耦合器一段需要有较小的模场尺寸。

目前，低折射率波导在光纤端面一般采用加厚的膜层实现，如二级低折射率波导或聚合物波导，这些实现方式在制作芯片时需要增加额外的制作工艺，可能影响其他波导的性能，最终带来芯片良品率的降低。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构，提高耦合效率，在不增加原有的芯片工艺的基础上，降低工艺复杂度，提高芯片成品率。

为达到以上目的，本发明采取一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构，包括倒锥耦合器、渐变波导和直波导，渐变波导的宽端与光纤对准，渐变波导的窄端与直波导的一端连接，倒锥耦合器设置于直波导内，渐变波导靠近光纤的部分包覆在第一匹配液中，渐变波导靠近倒锥耦合器的部分和直波导均包覆在第二匹配液中，渐变波导位于第一匹配液和第二匹配液之间的部分，全部包覆在过渡匹配液中，所述渐变波导和直波导的折射率均为n_g，第一匹配液的折射率为n₁，第二匹配液的折射率为n₂，过渡匹配液的折射率为n_i，且1.4≤n_g≤2.2，0.97n_g≤n₁≤n_g，1≤n₂≤0.98n₁，n₂<n_i<n₁。

在上述技术方案的基础上，所述渐变波导和直波导材料相同，均为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或环氧树脂聚合物。

在上述技术方案的基础上，所述渐变波导和直波导的材料为二氧化硅，第一匹配液的折射率n₁为1.44，第二匹配液的折射率n₂为1.38，过渡匹配液n_i的折射率为1.42。

在上述技术方案的基础上，所述渐变波导的宽端和窄端均为方形波导口。

在上述技术方案的基础上，所述渐变波导宽端的宽度大于4微米、小于10微米，高度大于4微米、小于10微米。

在上述技术方案的基础上，所述渐变波导窄端的宽度与直波导的端口宽度相同，宽度为2微米至4微米，高度大于4微米、小于10微米。

在上述技术方案的基础上，所述直波导与渐变波导连接处，到倒锥耦合器位于直波导内的端部之间的距离为2微米。

在上述技术方案的基础上，所述第一匹配液在长度方向的垂直距离为渐变波导长度的10％，第二匹配液在长度方向的垂直距离为直波导的长度加上渐变波导长度的50％到70％。

本发明的有益效果在于：渐变波导和直波导均为低折射率波导，倒锥耦合器为高折射率倒锥耦合器，在低折射率波导的不同区域采用不同折射率的匹配液，实现低折射率波导在不同区域的模场尺寸变化，提高耦合效率，不增加原有的芯片工艺，降低工艺复杂度，提高芯片成品率。

附图说明

图1为本发明光纤与高折射率波导之间的耦合结构的俯视图；

图2为本发明光纤与高折射率波导之间的耦合结构的侧视图；

图3为第一匹配液的折射率和光纤到渐变波导之间的耦合损耗的关系示意图；

图4为第二匹配液的折射率和渐变波导至倒锥耦合器之间的耦合损耗的关系示意图。

附图标记：

1-渐变波导，2-直波导，3-倒锥耦合器，4-第一匹配液，5-过渡匹配液，6-第二匹配液。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。