專利名稱：一種用于半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)耦合器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元器件，具體地說(shuō)涉及一種用于半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)耦合器
-H-· I I心片。
背景技術(shù)：
在光纖通信系統(tǒng)中，發(fā)射源與光纖之間耦合，并把兩者同軸封裝，構(gòu)成用量最大的 電光轉(zhuǎn)換器件，耦合效率是該電光轉(zhuǎn)換器件的重要性能指標(biāo)。半導(dǎo)體激光器是常用的發(fā)射 源，由于端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器輸出的激光在垂直方向的發(fā)散角(通常約為30 40°，即 圖1所示X方向)與水平方向的發(fā)散角(通常約為6 10 °，即圖1所示Y方向)差別很大， 與光纖的模場(chǎng)失配嚴(yán)重，因而直接耦合效率不高，通常的做法是，在端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器 的輸出端和光纖之間放置準(zhǔn)直/會(huì)聚裝置(大多采用球透鏡、非球面鏡或自聚焦透鏡)，將 端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的輸出光會(huì)聚到光纖，或由光纖接頭定位的端面，實(shí)現(xiàn)激光器與光 纖的耦合。圖2所示的是一種典型的耦合方案，端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1的輸出光經(jīng)過(guò)柱 透鏡2準(zhǔn)直之后，減小X方向的發(fā)散角，再經(jīng)過(guò)凸透鏡3聚焦進(jìn)入光纖4。柱透鏡2、凸透鏡 3是主要的耦合器件，端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1、柱透鏡2、凸透鏡3以及光纖4同軸。這種 有透鏡的同軸耦合，因?yàn)橛型哥R等多個(gè)分立的光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且成本高。圖3表示了一種采用K+/Ag+兩次摻雜平面光波導(dǎo)芯片7實(shí)現(xiàn)端面發(fā)射半導(dǎo)體激光 器與光纖耦合的方案，K+/Ag+兩次摻雜平面光波導(dǎo)芯片7上的光波導(dǎo)包括兩部分，Ag+摻雜 波導(dǎo)5和K+摻雜波導(dǎo)6。端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1的輸出光以端面耦合的方式進(jìn)入Ag+摻 雜波導(dǎo)5，在Ag+摻雜波導(dǎo)5尾端通過(guò)錐形區(qū)過(guò)渡到K+摻雜波導(dǎo)6中，K+摻雜波導(dǎo)以端面耦 合的方式與光纖4連接。端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1、Ag+摻雜波導(dǎo)5、K+摻雜波導(dǎo)6以及光 纖4同軸，Ag+摻雜波導(dǎo)5的尺寸與端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1的尺寸匹配，K+摻雜波導(dǎo)6的 尺寸與光纖4的芯層尺寸匹配。這種利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合器，減小了分立元件帶來(lái)的對(duì)準(zhǔn) 的復(fù)雜性。但一方面K+/Ag+兩次摻雜平面光波導(dǎo)芯片7制作復(fù)雜，另一方面端面發(fā)射半導(dǎo) 體激光器1的X方向發(fā)散角過(guò)大，其輸出光場(chǎng)與Ag+摻雜波導(dǎo)5匹配程度不高，限制了耦合 效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)耦合器芯片，是用于提高端 面發(fā)射半導(dǎo)體激光器與光纖耦合效率的波導(dǎo)耦合器件。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是耦合器芯片為一次摻雜光波導(dǎo)芯片；沿著Z方向，一次摻雜光波導(dǎo)芯片上的光波 導(dǎo)由擴(kuò)張段波導(dǎo)和收縮段波導(dǎo)順次連接構(gòu)成。所述的擴(kuò)張段波導(dǎo)輸入端寬度，即在X方向上的尺寸與端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的 尺寸相匹配；擴(kuò)張段波導(dǎo)輪廓線斜率起始端與光束經(jīng)折射后的X方向發(fā)散角正切值相等； 擴(kuò)張段波導(dǎo)輪廓線斜率沿著Z方向緩慢變小，在末端減小至零。
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所述的收縮段波導(dǎo)的輪廓線為連續(xù)收縮曲線，起始端寬度與擴(kuò)張段波導(dǎo)末端寬度 一致，收縮段波導(dǎo)末端寬度與光纖芯層相匹配。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明利用截面緩變的光波導(dǎo)的導(dǎo)波特性，通過(guò)逐步改變輸出光束的發(fā)散角和模 場(chǎng)尺寸，實(shí)現(xiàn)更高效率的耦合。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，易于裝配等特點(diǎn)。


圖1是端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的輸出光束。圖2是現(xiàn)有的基于分立透鏡的端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)方案。圖3是現(xiàn)有的采用K+/Ag+兩次摻雜平面光波導(dǎo)芯片的端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器光纖 耦合器件示意圖。圖4是本發(fā)明的端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器通過(guò)一次摻雜光波導(dǎo)芯片與光纖耦合的 示意圖。圖中1、端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器；2、柱透鏡；3、凸透鏡；4、光纖；5、Ag+摻雜波導(dǎo)； 6、K+摻雜波導(dǎo)；7、K+/Ag+兩次摻雜平面光波導(dǎo)芯片；8、一次摻雜光波導(dǎo)芯片；9、擴(kuò)張段波 導(dǎo)；10、收縮段波導(dǎo)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖4所示，本發(fā)明通過(guò)一次摻雜光波導(dǎo)芯片8實(shí)現(xiàn)端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1與 光纖4的耦合。其中一次摻雜光波導(dǎo)芯片8上的光波導(dǎo)在Y方向上的尺寸與光纖4的尺寸匹配。 沿著Z方向，一次摻雜光波導(dǎo)芯片8上的光波導(dǎo)由擴(kuò)張段波導(dǎo)9和收縮段波導(dǎo)10順次連接 構(gòu)成。擴(kuò)張段波導(dǎo)9輸入端寬度(在X方向上的尺寸)與端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1的尺寸 相匹配；擴(kuò)張段波導(dǎo)9輪廓線斜率起始端與光束經(jīng)折射后的X方向發(fā)散角正切值相等；擴(kuò) 張段波導(dǎo)9輪廓線斜率沿著Z方向緩慢變小，在末端減小至零。收縮段波導(dǎo)10的輪廓線為 連續(xù)收縮曲線，起始端寬度與擴(kuò)張段波導(dǎo)9末端寬度一致。收縮段波導(dǎo)10末端寬度與光纖 4芯層相匹配。圖4表示了這種光波導(dǎo)芯片用于端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1和光纖4的耦合結(jié)構(gòu)。 從端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光進(jìn)入一次摻雜光波導(dǎo)芯片8，擴(kuò)張段波導(dǎo)9起始端在 幾何形狀上與端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1的輸出光在X方向上的發(fā)散角相匹配，所以一次摻 雜光波導(dǎo)芯片8與端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1有較高的耦合效率。端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1 的輸出光經(jīng)過(guò)擴(kuò)張段波導(dǎo)9逐步減小發(fā)散角，再進(jìn)入收縮段波導(dǎo)10，逐步收縮模場(chǎng)尺寸至 與光纖4的芯層尺寸相匹配，再以端面耦合的方式進(jìn)入光纖4，實(shí)現(xiàn)端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器 1與光纖4的耦合。一次摻雜光波導(dǎo)芯片8采用離子交換技術(shù)在玻璃基上制作而成。具體制作過(guò)程如下(1)準(zhǔn)備圓形雙面拋光玻璃基片?；睆?0 100mm，厚度1. 0 2. 0mm，所用 材料為BK7玻璃。
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(2)掩膜板的設(shè)計(jì)與制作。掩膜板版圖結(jié)構(gòu)擴(kuò)張段波導(dǎo)9入口處波導(dǎo)寬度2μπι， 始端傾斜角13°，擴(kuò)張段波導(dǎo)9末端寬度100 μ m;收縮段波導(dǎo)10采用錐形結(jié)構(gòu)，始端寬度 100 μ m，末端寬度8 μ m，錐形區(qū)波導(dǎo)的收縮速度1/100。(3)掩膜制作。用標(biāo)準(zhǔn)的微細(xì)加工工藝在玻璃基片上制作鋁掩膜，掩膜厚度 200nm lOOOnm。(4)離子交換。離子交換熔鹽成分為NaNO3和AgNO3的混合物(AgNO3含量Iwt % )； 交換溫度為400°C，交換時(shí)間為2小時(shí)，交換后自然冷卻。(5)玻璃基片的清洗，劃片，斷面研磨、拋光，獲得耦合器芯片。(6)耦合器芯片與端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器1和光纖的裝配。上述具體實(shí)施方式
用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
權(quán)利要求
一種用于半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)耦合器芯片，其特征在于耦合器芯片為一次摻雜光波導(dǎo)芯片(8)；沿著Z方向，一次摻雜光波導(dǎo)芯片(8)上的光波導(dǎo)由擴(kuò)張段波導(dǎo)(9)和收縮段波導(dǎo)(10)順次連接構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)耦合器芯片，其特征在于所 述的擴(kuò)張段波導(dǎo)(9)輸入端寬度，即在X方向上的尺寸與端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(1)的尺 寸相匹配；擴(kuò)張段波導(dǎo)(9)輪廓線斜率起始端與光束經(jīng)折射后的X方向發(fā)散角正切值相等； 擴(kuò)張段波導(dǎo)(9)輪廓線斜率沿著Z方向緩慢變小，在末端減小至零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)耦合器芯片，其特征在于所 述的收縮段波導(dǎo)(10)的輪廓線為連續(xù)收縮曲線，起始端寬度與擴(kuò)張段波導(dǎo)(9)末端寬度一 致，收縮段波導(dǎo)(10)末端寬度與光纖(4)芯層相匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)耦合器芯片。耦合器芯片為一次摻雜光波導(dǎo)芯片；沿著Z方向，一次摻雜光波導(dǎo)芯片上的光波導(dǎo)由擴(kuò)張段波導(dǎo)和收縮段波導(dǎo)順次連接構(gòu)成。本發(fā)明利用截面緩變的光波導(dǎo)的導(dǎo)波特性，通過(guò)逐步改變輸出光束的發(fā)散角和模場(chǎng)尺寸，實(shí)現(xiàn)更高效率的耦合。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，易于裝配等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/42GK101907754SQ20101022486
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者周強(qiáng), 李宇波, 楊建義, 江曉清, 王明華, 鄭斌, 郝寅雷 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)