[发明专利]波导到光纤三维聚合物垂直耦合器

说明书

本发明公开了一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，包括波导（1）、波导外延聚合物耦合波导结构（2）、聚合物三维波导（3）、聚合物光场模式转换器（4）、聚合物三维支撑结构（5）；其中所述波导（1）、波导外延聚合物耦合波导结构（2）、聚合物三维波导（3）、聚合物光场模式转换器（4）依次连接，波导外延聚合物耦合波导结构（2）的一端平行于水平面，聚合物光场模式转换器（4）的另一端平行于垂直面；所述聚合物三维支撑结构（5）与聚合物光场模式转换器（4）连接并支撑固定。本发明使得光模式能在波导与单模光纤之间进行低损耗、大波长带宽的耦合，并与CMOS工艺高度兼容。

技术领域

本发明涉及光通信网路领域，更具体地，涉及一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器。

背景技术

随着在以光为载体的光通信网路中，硅基光子器件以其低成本、低损耗、高集成度等特点制成的集成光路代替了传统的集成电路成为通信网络的主导部分之一；与此同时，光纤也由于其大带宽、低损耗等优点已成为最主要的光信息传输介质。然而由于集成光路所使用的波导结构通常是高折射率材料（如硅n~3.3，铌酸锂n~2.5），而光纤所用介质材料为低折射率材料（n~1.44），它们之间光模式的有效折射率差别较大，导致光从集成光路传播到光纤的过程中有较大损耗。目前现有的垂直耦合方案有光栅耦合器和弯折悬臂梁耦合器两种。光栅耦合器通常耦合损耗较高（大于3dB），如若想提高耦合效率则需要加入金属反射层，导致与传统CMOS工艺不兼容，并且波长带宽较低（1dB带宽小于50nm）无法满足波分复用场景。弯折悬臂梁耦合器由于不便于进行外延加工，因此硅波导模式体积较小，需要采用特殊处理过的光纤以减小耦合损耗，常见的处理为拉锥光纤或透镜光纤，对光纤的要求过于局限。

发明内容

本发明的目的是解决现有的波导到光纤垂直耦合器不能同时满足低损耗、大带宽、CMOS兼容和单模光纤模式匹配的要求，设计一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，包括波导、波导外延聚合物耦合波导结构、聚合物三维波导、聚合物光场模式转换器、聚合物三维支撑结构；其中所述波导、波导外延聚合物耦合波导结构、聚合物三维波导、聚合物光场模式转换器依次连接，波导外延聚合物耦合波导结构的一端平行于水平面，聚合物光场模式转换器的另一端平行于垂直面；所述聚合物三维支撑结构与聚合物光场模式转换器连接并支撑固定。本发明中波导外延聚合物耦合波导结构功能是与集成光路上已有的波导（如硅波导、SU8波导、铌酸锂波导等）进行对接外延，使波导光模式进入耦合器；聚合物三维波导作用是将光模式从水平方向传播低损耗地转换为垂直方向传播；聚合物光场模式转换器作用为将已有的光模式体积变换到能与单模光纤匹配的大小，从而达到高效耦合的目的；聚合物三维支撑结构作用是加强三维结构稳定性，减小重力及其他因素扰动带来的损耗波动。

优选的是，所述波导外延聚合物耦合波导结构、聚合物三维波导、聚合物光场模式转换器、聚合物三维支撑结构的组合材料为包括SU8光刻胶、IP-L光刻胶、IP-D光刻胶、IP-S光刻胶、AZ光刻胶中的一种或多种。本发明所涉及使用的聚合物材料包含但不限于在通信波段（10000nm~1700nm）表现为透明（即光吸收率低于1%）的光刻胶。

优选的是，所述波导外延聚合物耦合波导结构的长度小于450微米。

优选的是，所述波导1包括硅波导、SU8波导、铌酸锂波导中的一种。

优选的是，所述硅波导为宽度渐变型波导，宽度为80纳米~500纳米，厚度小于220纳米，长度小于300微米。

优选的是，所述铌酸锂波导为宽度渐变型波导，由两层组成，上层宽度由100纳米~1000纳米，厚度小于250纳米，长度小于150微米；下层宽度由50纳米~10000纳米，厚度小于350纳米，长度小于300微米。

优选的是，所述聚合物三维波导为垂直型欧拉弯曲结构。