[发明专利]一种异构多模波导耦合器

说明书

本发明公开了一种异构多模波导耦合器，属于光电子通信器件领域。基于端面耦合方案，利用强导少模光纤以及片上多级绝热倒锥结构，实现少模光纤与片上多模波导之间多个导模的直接耦合转换，具有低损耗低串扰的特点。其中强导少模光纤可以对光纤模式形成更强的约束，允许通过拉锥等方式有效减小光斑尺寸而不会影响内部LP模式纯度，而片上多级绝热倒锥结构则利用模式演变原理，可以将少模光纤内多个LP模式耦合演变成片上多模波导内的波导模式。本发明实现了少模光纤链路与片上多模系统之间的多模耦合，允许将模分复用技术应用于光纤‑芯片光互连系统中，对光互连系统传输容量的进一步提升以及多模光子学、光互连等领域的应用具有重大意义。

技术领域

本发明属于光电子通信器件领域，更具体地，涉及一种异构多模波导耦合器。

背景技术

面对大数据时代日益增长的容量需求，如何进一步提升通信链路的传输容量成为亟需解决的热点问题，而光场多维度资源的复用技术作为一种有前途的突破技术，近年来引起了人们广泛的关注。传统的波分复用技术利用多个波长进行复用传输以提高通信链路的信道数目以及通信容量，而时分复用、偏振复用以及高级调制格式等技术，在过去几十年内也获得了飞速的发展，不断推动着现代通信网络的发展变革。随着现有光场维度资源的开发利用已接近极限，为解决现有单模光纤通信网络的容量瓶颈，模分复用技术利用多模光纤/波导中的多个导模实现空间复用，为未来通信系统容量的进一步增加提供了可能。

尽管模分复用技术在少模光纤链路以及片上多模处理系统中逐渐发展完善，但对于光通信、光互连等应用而言，光纤与芯片之间的互连仍然具有较大的挑战，主要体现在传统的耦合方案只适用于单模系统，片上多模波导与少模光纤内部的多个导模无法直接耦合互连。因此，目前的方案主要依赖于模式(解)复用器的实现，通过将片上多模波导以及少模光纤中的高阶模式解复用成基模然后再进行相互耦合。尽管片上集成的模式(解)复用器已较为成熟，但针对少模光纤的模式(解)复用处理仍然存在较大的挑战，其实现通常需要复杂的自由空间光学装置或者全光纤模式选择耦合器，而基于片上光栅阵列的集成方案则会引入过量的插入损耗，严重限制了少模光纤通信与片上光互连处理等的进一步发展。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种异构多模波导耦合器，其目的在于突破现有光纤与芯片之间的光互连仅适用于单模系统的局限性，目标是基于端面耦合方案，实现少模光纤与片上多模波导之间多个导模的直接耦合转换，从而将模分复用技术与光纤-芯片光互连系统相结合，进一步提高光互连系统的传输容量。

因此，为实现片上多模系统与少模光纤链路的互连通信，在此发明中将提供一种异构多模波导耦合器，可以实现片上多模波导与少模光纤中多个导模的直接耦合转换。

本发明提供的一种异构多模波导耦合器，其设计实现基于端面耦合方案，利用异构多模波导将传统少模光纤链路与片上多模系统进行连接，并完成光纤-芯片之间多个模式的直接耦合转换。该异构多模波导耦合器由过渡的强导少模光纤以及片上多级绝热缓变倒锥结构构成，少模光纤内部多个LP模式先通过强导少模光纤低损耗地耦合到片上端面耦合结构中的第二芯层辅助耦合波导中，然后再通过片上第一芯层波导结构演变成多模波导内的高阶模式。

进一步地，所述强导少模光纤起到过渡连接的作用，其设计芯径尺寸与构成传统少模光纤链路的一般少模光纤相当，因此可以利用熔融焊接等方式实现低损耗连接。另一方面，其较大的纤芯包层折射率差可以对光纤模式形成更强的约束力，从而允许对其进行拉锥制成锥形光纤，在不造成内部高阶LP模式泄露的情况下有效降低减小出射光斑尺寸，减小光纤与芯片耦合中的模式失配。

更进一步地，所述强导少模光纤的纤芯与包层折射率差大于1％，在不造成高阶LP模式泄露的前提下，仿真确定其纤芯直径至少可以拉锥到6μm，因此为实现模斑匹配，芯片端面耦合结构中用以辅助耦合的第二芯层波导的尺寸也应该与之相当。同时，为保证少模光纤中不同偏振态的LP模式可以直接耦合到第二芯层波导中，第二芯层波导的横截面设计为正方形，具有良好的结构对称性，可以支持与光纤中LP模式类似的模式。