[发明专利]一种基于半导体纳米线介导的光纤-芯片耦合结构

说明书

本发明公开了一种基于半导体纳米线介导的光纤‑芯片耦合结构，基于绝热耦合方法，将由标准光纤一端拉成锥形微纳光纤和高折射率的直径渐变半导体纳米线较细端连接耦合形成复合结构，缝隙由少量聚合物填充，并用此复合结构中直径渐变半导体纳米线较粗端和芯片上的锥形硅波导贴合耦合，从而实现高耦合效率、宽带宽、偏振不敏感的标准光纤和片上集成光波导之间的双向耦合。利用该方法可以实现高耦合效率、宽带宽、偏振不敏感的标准光纤和片上集成光波导之间的双向耦合，整个耦合结构稳定，该耦合结构适用于光纤和各种片上器件的耦合，利于实现传统光学器件和片上光学器件的集成。

技术领域

本发明属于纳米光子学、集成光学研究领域，涉及一种光纤和片上集成光波导耦合的技术，特别涉及一种基于半导体纳米线介导的光纤-芯片耦合结构。

背景技术

实现传统光学器件和片上光学器件的集成对于集成光子学领域中的许多应用具有重要意义，例如光信息处理、光存储、量子计算和通信等。但由于标准光纤和片上集成光波导之间的基模尺寸和有效折射率通常有较大的失配(在1550nm波长处，单模石英标准光纤的基模尺寸直径约为10μm，而典型的片上集成硅波导的基模尺寸直径通常小于1μm)，实现标准光纤和片上集成光学波导及器件的高效耦合成为集成光子学领域中的一大挑战。目前，常用的耦合方法包括端面耦合、光栅耦合和绝热耦合。端面耦合是最直接的耦合方法，光束从芯片侧面耦合进出波导，为了匹配模场实现高效耦合，通常将芯片上单模波导的模场通过模斑转换器进行扩大，使用锥形透镜光纤，或在界面处使用离散微透镜。这种方法通常具有效率高、带宽宽的优点，但通常需要严格的模场匹配，导致对准容差较小。此外，为了减小损耗，耦合界面需要精细的抛光，这增加了制备的复杂性。并且耦合波导和光纤在端面水平耦合，因此耦合波导只能分布在芯片的边缘，这不利于片上多光学器件的集成。光栅耦合的方法基于布拉格衍射效应，与端面耦合相比，耦合器位置更加灵活，光纤与光栅结构之间的对准容差更大。但为了实现高耦合效率和宽带宽，通常需要设计复杂的光栅结构，例如添加金属背反射器部分、沉积多晶硅层和设计切趾光栅等，同时光栅耦合器通常有强偏振相关性。绝热耦合是一种基于倏逝场的耦合方式，通过锥形光纤或光子引线和波导间的倏逝场耦合获得光纤和芯片之间的高效率传输。这种方法可以实现高耦合效率、宽带宽的耦合，并且对光偏振不敏感。然而，由于锥形光纤的有效折射率较低，为了实现光纤芯片高效率耦合，耦合过程通常在硅波导悬空或耦合区衬底去除的情况下进行，以防止能量泄漏到衬底，这给操作带来了困难也降低了耦合结构的稳定性。光子引线耦合基于3D打印技术通过双光子光刻原位制造聚合物波导，然而由于该方法基于聚合物波导，通常不耐高温、长期稳定性差并且有相对较大的表面粗糙度，难以实用。因此如何实现高耦合效率、宽带宽、偏振不敏感，并且稳定的标准光纤和芯片上集成光波导之间的耦合结构是目前本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于半导体纳米线介导的光纤-芯片耦合结构，本发明基于绝热耦合方法，将由标准光纤一端拉成锥形微纳光纤和高折射率的直径渐变半导体纳米线较细端连接耦合形成复合结构，缝隙由少量聚合物填充，并用此复合结构中直径渐变半导体纳米线较粗端和芯片上的锥形硅波导贴合耦合，从而实现高耦合效率、宽带宽、偏振不敏感的标准光纤和片上集成光波导之间的双向耦合。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

本发明公开了一种基于半导体纳米线介导的光纤-芯片耦合结构，包括由标准光纤一端拉成的锥形微纳光纤、中间介导的直径渐变的半导体纳米线、粘合锥形微纳光纤和直径渐变的半导体纳米线的聚合物和芯片上的锥形硅波导。将直径渐变半导体纳米线的较细端连接耦合由标准光纤一端拉成的锥形微纳光纤并形成复合结构，连接处缝隙填充少量聚合物，直径渐变半导体纳米线较粗端与芯片上的锥形硅波导贴合耦合。从而实现高耦合效率、宽带宽、偏振不敏感的标准光纤和片上集成光波导之间的双向耦合。

作为进一步地改进，本发明由标准光纤一端拉成锥形微纳光纤的锥度变化缓慢，满足绝热条件，其端头处的锥角在10度以内，采用热拉制方法制备。