[发明专利]用于耦合具有相异模场直径的波导的方法和相关设备、部件与系统

说明书

优先权申请

本申请根据35U.S.C§119要求2014年8月15日提交的美国临时申请序列号第62/037,747号的优先权权益，所述申请的内容是本申请的基础并且以全文引用方式并入本文中。

背景技术

当具有约10um的MFD的单模光纤必须连接至具有次波长横截面的高折射率波导(例如，0.2x0.5um Si线)时，具有极为相异的模场直径(MFD)的波导的耦合是光纤至芯片连接性的关键问题。当前的耦合解决方案包括例如由倒转锥体辅助的对接耦合、由衍射光栅辅助的垂直耦合；角抛光光栅辅助的耦合、对接耦合和迅衰耦合的组合、侧抛光光纤的光纤芯部和平面波导在单独基板上的迅衰耦合(侧抛光光纤和平面波导是分离的输入/输出端口)。这些方法的问题可包括有限的耦合效率(约1.5dB)和/或低的机械强度。

发明内容

实施方案包括耦合器设计，其中条带高折射率波导被制造在侧抛光光纤的包层的平坦表面上。通过适当地选择波导和光纤的参数，可在那些极为相异的波导之间实现强迅衰耦合，其中耦合效率的理论极限接近100％。高折射率波导借助于常规锥体连接至光学芯片。一件侧抛光光纤和芯片形成平面整体单元并具有高机械强度。

在这个实施方案中，在具有抛光包层的单模或少模光纤的芯部中传播的信号借助于迅衰耦合转变到在光纤包层的平坦表面上制造的高折射率波导。与对接耦合对比，有效耦合的条件不是就高模场重叠来说的模分布的相似性，而是相位匹配条件，即模的有效折射率的相等性。

具有相对大模场直径(MDF)的光纤芯部到具有小MFD的给定(预定义)波导(如光学芯片的高折射率波导)的耦合是在若干步骤中实现。第一步骤是来自输入波导的信号到沉积于侧抛光光纤包层的平坦表面上的辅助高折射率波导的迅衰同方向耦合；这种波导的横向尺寸被选择来以便满足相位匹配条件，并且长度被选择来实现最大耦合效率。为实现高的耦合效率，要符合装置的参数(几何参数、光波长和所有芯部和包层的折射率)之间的某一关系。在本发明ID中，我们确定了满足这些关系的参数的值。其他步骤用于将这个辅助波导连接至光学芯片上的波导。为有助于这些步骤，使用常规锥体。在所建议实施方案中的一个中，光纤的芯模可被耦合至辅助高折射率波导的非基模。在这种情况下，非基模通过迅衰耦合或如同绝热缩减(adiabatic tapering)的其他模转换技术而转换至基模。

所建议方法的优点如下：高耦合效率(<1.5dB耦合损耗，理论效率极限是100％)；较高机械强度；新功能的可能性：输入光纤的给定模到输出波导的选择性耦合(多路分解)；通过施加电场和/或机械应力对耦合进行电光和/或机械控制。

其他特征和优点将在以下的详述中阐述，并且在部分程度上，本领域的技术人员将根据所述描述而容易明白所述其他特征和优点，或通过实践如本文(包括以下的详述、权利要求书以及附图)所述的实施方案来认识所述其他特征和优点。

应理解，前述一般描述和以下详述提出了实施方案，并且意图提供用于理解本公开的本质和特性的概述或构架。附图被包括来提供进一步的理解，并被并入本说明书中而构成本说明书的一部分。附图例示各种实施方案，并与本说明书一起用于解释所公开概念的原理和操作。

附图说明

图1：根据一个实施方案的迅衰耦合器的示意图：W1-输入波导，例如，单模或少模光纤的芯部；W2-单模输出波导，例如，芯片上的条带高折射率单模波导。W2’-具有基模的有效折射率的辅助波导，所述有效折射率等于W1的输入模的有效折射率。波导W2’和W2由倒转锥体连接。

图2：根据另一实施方案的迅衰耦合器的示意图：W1-输入波导，例如，单模或少模光纤的芯部。W2-单模输出波导，例如，芯片上的条带高折射率波导。W2’-具有一阶或更高阶模的有效折射率的辅助波导，所述有效折射率等于W1的输入模的有效折射率。W2”-具有一阶或更高阶模的有效折射率的辅助波导，所述有效折射率等于W2的基模的有效折射率。波导W2’和W2”由倒转锥体连接。步骤1：W1的模到W2’的一阶或更高阶模的迅衰耦合；步骤2：W2’的一阶或更高阶模到W2”的模的转换，W2”的横截面的尺寸使得所转换模的有效折射率等于输出波导W2的基模的有效折射率；步骤3-W2”中引导的模到W2的基模的迅衰耦合。