[发明专利]一种基于长周期光栅的模斑转换器

说明书

本发明公开了一种基于长周期光栅的模斑转换器，应用于光通信和光波导器件领域，实现光波模式模斑尺寸的转换，本发明的模斑转换器包括：基底、缓冲层、高折射率波导芯、长周期光栅和低折射率上包层条形波导；所述缓冲层的一面与基底固定连接，其另一相对面与高折射率波导芯的一面固定连接；所述高折射率波导芯的另一相对面用于刻蚀，得到长周期光栅；所述高折射率波导芯的另一相对面和长周期光栅均与低折射率上包层条形波导固定连接；本发明解决了传统的纳米光子波导端面耦合模斑转换器结构复杂、制作难度大、技术成本高和长期稳定性差的问题。

技术领域

本发明涉及光通信和光波导器件领域，具体涉及一种基于长周期光栅的模斑转换器。

背景技术

光通信技术为信息社会的构建提供了强大的技术支撑，而光波导器件则是实现光通信技术的必不可少的核心元器件，多年来，不同功能的光波导器件为光通信向更大容量、更加灵活、以及更加可靠的技术演进起着至关重要的作用。而近10年来兴起的硅光子技术与及铌酸锂薄膜光子技术则更是被视为推动光通信技术进一步发展的两大关键技术。但上述两种光子芯片的波导尺寸都较小，其波导的厚度与宽度通常都小于1微米，常称为微纳波导。当对这些光子芯片进行封装时，微纳波导与单模光纤(纤芯直径大约8微米)存在的较大的尺寸差异将导致较大的模场失配损耗，阻碍了芯片的实用化。解决这一问题的两种主流的办法是采用垂直耦合的光栅耦合器和采用端面耦合的模斑转换器。垂直光栅耦合器采用亚波长周期性结构，将光从几乎垂直放置在芯片平面上方的光纤耦合进/出芯片，并提供了相对宽松的对准容差。模斑转换器则通过匹配光束尺寸，绝热地增大光束直径以便将光信号自光纤耦合进/出芯片。尽管垂直光栅耦合器具有相对宽松的对准容差，但其带宽较窄，偏振相关损耗大，且会大幅增加芯片封装高度。而已报道的端面耦合模斑转换器也有许多不足的地方，比如都需要高精度的制作工艺以实现低至几十纳米的波导尖锥，部分工作甚至需要制作双层尖锥以实现高的耦合效率，存在锥形尖端的制作难度大，对准容差小，长期使用过程中容易因材料热膨胀导致较大的对准偏差，使得耦合效率下降。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于长周期光栅的模斑转换器解决了传统的纳米光子波导端面耦合模斑转换器结构复杂、制作难度大、技术成本高和长期稳定性差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于长周期光栅的模斑转换器，包括：基底、缓冲层、高折射率波导芯、长周期光栅和低折射率上包层条形波导；

所述缓冲层的一面与基底固定连接，其另一相对面与高折射率波导芯的一面固定连接；所述高折射率波导芯的另一相对面用于刻蚀，得到长周期光栅；所述高折射率波导芯的另一相对面和长周期光栅均与低折射率上包层条形波导固定连接。

进一步地，高折射率波导芯的类型包括：单模波导和多模波导，其结构的类型包括：脊型波导结构和矩形波导结构。

进一步地，刻蚀的工艺包括：电感耦合等离子体工艺。

进一步地，低折射率上包层条形波导的类型包括：单模波导和多模波导。

进一步地，低折射率上包层条形波导使用的材料的类型包括：折射率可调谐的氮氧化硅材料和固定折射率的聚合物材料。

上述进一步方案的有益效果为：这里条形上包层采用低折射率材料制作，例如折射率可调谐的氮氧化硅材料或固定折射率的聚合物材料，其支持的模场尺寸可优化到与单模光纤或高数值孔径光纤十分匹配，从而实现条形上包层波导与光纤间较高的耦合效率。

进一步地，长周期光栅包括：多个光刻栅体和多个凹槽；所述光刻栅体和凹槽的数量相同，并交叉成周期排列，一个光刻栅体和其相邻的一个凹槽构成一个周期。