專利名稱：光子芯片與光纖的耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子芯片與光纖的耦合方式。特別是涉及一種用于光學(xué)特殊波導(dǎo)芯片的采用透鏡光纖或分立光學(xué)透鏡/透鏡組來進行模場轉(zhuǎn)換的光子芯片與光纖的耦合方法。
背景技術(shù)：
平面集成光電路(PIC)技術(shù)使光子能在波導(dǎo)材料中傳輸，很大程度上與光子在光纖中的傳輸相類似。這種技術(shù)以其易于規(guī)?；?、自動化生產(chǎn)，穩(wěn)定性好、易于集成等諸多特點、在價格和性能方面都更有優(yōu)勢等諸多特點，被認為是光通信產(chǎn)業(yè)的明日之星，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。并且，性能要求越高時，PIC技術(shù)的優(yōu)越性越明顯。一旦掌握了 PIC的結(jié)構(gòu)和工藝，就可以大規(guī)模、低成本地制造非常復(fù)雜的器件。Pic有源及無源器件在光通信領(lǐng) 域的應(yīng)用現(xiàn)狀正是Pic技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀的真實市場反映，目前廣泛大規(guī)模商用的PIC型元器件中，主要有激光器、探測器、光功率分配器、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)復(fù)用器/解復(fù)用器、光濾波器、光衰減器、光開關(guān)、調(diào)制/解調(diào)器、雙向三波器件和雙波器件等各種功能的器件。集成光波導(dǎo)器件一般在六種材料上制作，它們是鈮酸鋰(LiNb03)、III - V族半導(dǎo)體化合物、二氧化娃(Si02)、S0I (Silicon-on-Insulator,絕緣體上娃)、聚合物(Polymer)和玻璃。鈮酸鋰波導(dǎo)是通過在鈮酸鋰晶體上擴散Ti離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴散型；InP波導(dǎo)以InP為襯底和下包層，以InGaAsP為芯層，以InP或者InP/空氣為上包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋脊形或者脊形；二氧化硅波導(dǎo)以硅片為襯底，以不同摻雜的Si02材料為芯層和包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形；S0I波導(dǎo)是在SOI基片上制作，襯底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、Si02、Si和空氣，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊形；聚合物波導(dǎo)以硅片為襯底，以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形；玻璃波導(dǎo)是通過在玻璃材料上擴散Ag離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴散型。光電子器件的集成有單片集成和混合集成兩種。目前集成光電子器件處于初級階段，對集成器件的研究就顯得更加具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，很多公司已經(jīng)減少了單片集成的研發(fā)投入，宣稱混合集成是最好的方案，他們認為沒有一種材料能為每種產(chǎn)品都提供最佳的性能，這也決定了要混合使用各種材料，使各項功能都由最匹配的材料實現(xiàn)。PLC技術(shù)為混合集成提供了可靠的平臺，可以將諸如激光器、探測器、OEIC (光電集成)與各類無源PLC器件集成到一起，使器件內(nèi)部光路集成化、光學(xué)分立元件減少，其優(yōu)點是功能豐富、體積小、速度高、提高了穩(wěn)定度與可靠度，提高了光器件產(chǎn)品的封裝合格率，降低了器件生產(chǎn)成本。同時混合集成技術(shù)的研究也必將為更高度的光電集成提供技術(shù)基礎(chǔ)，從而在下一代通信系統(tǒng)中扮演重要角色。小型化、集成化是光電子器件的兩個重要發(fā)展方向，這種小型化、集成的光子芯片要求波導(dǎo)采用高折射率差、小尺寸截面，波導(dǎo)導(dǎo)模的模場較小、并且分布可能不規(guī)則。光纖通信系統(tǒng)普遍采用的標準單模光纖的模場直徑較大，為10. 4微米。如果這種標準單模光纖直接與光子芯片耦合，由于模場失配而帶來較大的附加損耗，從而使器件的插入損耗無法滿足商用要求。在電子技術(shù)領(lǐng)域，分立器件發(fā)展為集成電路的歷史改變了電子產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式。同樣，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，目前單一形式的各類光學(xué)元件走向未來集成光學(xué)之路，也將大大改變當(dāng)前傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀，對軍事及民用信息系統(tǒng)的開發(fā)產(chǎn)生深遠影響。平面光波導(dǎo)器件集成了固體物理、材料學(xué)、波 導(dǎo)光學(xué)和微細加工等學(xué)科的前沿成果，采用半導(dǎo)體工藝制作平面光波導(dǎo)芯片，將傳統(tǒng)分立光學(xué)元件的功能集成到同一光學(xué)襯底，實現(xiàn)光信號的分束/合束、轉(zhuǎn)換、光濾波等功能，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、抗干擾能力強、性能一致性好、穩(wěn)定可靠，便于自動化批量生產(chǎn)等突出優(yōu)勢，是目前光電子器件發(fā)展的前沿研究課題。光子波導(dǎo)芯片采用材料生長、光刻、刻蝕、擴散等半導(dǎo)體工藝制作，波導(dǎo)截面主要有矩形、脊形、擴散型等，如圖I、圖2、圖3所示，其模場形狀通常為圓形或不規(guī)則的橢圓，如圖4、圖5所示。在C波段，單模光纖的模場直徑為10. 4微米的圓形光斑，而通常情況下，光子芯片波導(dǎo)的模場更小，例如只有幾個2、3微米、甚至是亞微米量級，并且如果為脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其模場分布為非規(guī)則的幾何形狀，x、y方向上的模場大小不一樣。如果不采用特殊的模場轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)光纖與光子芯片的耦合，則由于模場失配而帶來較大的附加損耗。若只考慮模場失配，單模光纖直接與光子芯片耦合時的耦合效率n可表示為
權(quán)利要求
1.一種光子芯片與光纖的耦合方法，包括有光子芯片，分別設(shè)置在光子芯片的輸入端和輸出端的單模輸入光纖和單模輸出光纖，其特征在于，所述的光子芯片與所述的單模輸入光纖和單模輸出光纖之間分別設(shè)置有模場轉(zhuǎn)換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的模場轉(zhuǎn)換器是采用熔融拉錐的方法分別在單模輸入光纖和單模輸出光纖的與光子芯片相耦合的一端拉錐形成的錐形體結(jié)構(gòu)的熔融拉錐光纖，其中，所述錐形體結(jié)構(gòu)的錐頂為平面，由該平面所形成的芯徑小于該熔融拉錐光纖與所述單模輸入光纖和單模輸出光纖相連接處的芯徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的模場轉(zhuǎn)換器是透鏡光纖，所述的透鏡光纖是一體形成在單模輸入光纖和單模輸出光纖的與光子芯片相耦合的一端，所述的透鏡光纖與光子芯片相耦合的一端為錐形球面、楔形柱面、拋物面，該端的芯徑小于該透鏡光纖與所述單模輸入光纖和單模輸出光纖相連接處的芯徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的光子芯片與所述的單模輸入光纖之間設(shè)置的模場轉(zhuǎn)換器是采用熔融拉錐的方法在單模輸入光纖與光子芯片相耦合的一端拉錐形成的錐形體結(jié)構(gòu)的熔融拉錐光纖，其中，所述錐形體結(jié)構(gòu)的錐頂為平面，由該平面所形成的芯徑小于該熔融拉錐光纖與所述單模輸入光纖相連接處的芯徑；所述的光子芯片與所述的單模輸出光纖之間設(shè)置的場轉(zhuǎn)換器是透鏡光纖，所述的透鏡光纖是一體形成在單模輸出光纖的與光子芯片相耦合的一端，所述的透鏡光纖與光子芯片相耦合的一端為錐形球面、楔形柱面、拋物面，該端的芯徑小于該透鏡光纖與所述單模輸入光纖和單模輸出光纖相連接處的芯徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的光子芯片與所述的單模輸入光纖之間設(shè)置的模場轉(zhuǎn)換器是透鏡光纖，所述的透鏡光纖是一體形成在單模輸出光纖的與光子芯片相耦合的一端，所述的透鏡光纖與光子芯片相耦合的一端為錐形球面、楔形柱面、拋物面，該端的芯徑小于該透鏡光纖與所述單模輸入光纖和單模輸出光纖相連接處的芯徑；所述的光子芯片與所述的單模輸出光纖之間設(shè)置的場轉(zhuǎn)換器是采用熔融拉錐的方法在單模輸入光纖與光子芯片相耦合的一端拉錐形成的錐形體結(jié)構(gòu)的熔融拉錐光纖所述錐形體結(jié)構(gòu)的錐頂為平面，由該平面所形成的芯徑小于該熔融拉錐光纖與所述單模輸入光纖相連接處的芯徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的模場轉(zhuǎn)換器的與光子芯片相耦合端的錐度角為O到180°內(nèi)的任意角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的模場轉(zhuǎn)換器是由N個透鏡組成的透鏡組，其中N是大于等于I的整數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的模場轉(zhuǎn)換器是由與光子芯片相耦合的分立透鏡和與所述的分立透鏡相接的球形透鏡光纖構(gòu)成，所述的球形透鏡光纖的另一端連接單模輸入光纖/單模輸出光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4或5或7或8所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的光子芯片、熔融拉錐光纖、透鏡光纖以及透鏡的端面具有設(shè)定的傾斜角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子芯片與光纖的耦合方法，其特征在于，所述的光子芯片是采用光子集成技術(shù)制作，波導(dǎo)材料是鈮酸鋰、III - V族半導(dǎo)體化合物、二氧化硅、SOI、聚合物和玻璃中的一種。
全文摘要
一種光子芯片與光纖的耦合方法，包括有光子芯片，分別設(shè)置在光子芯片的輸入端和輸出端的單模輸入光纖和單模輸出光纖，所述的光子芯片與所述的單模輸入光纖和單模輸出光纖之間分別設(shè)置有模場轉(zhuǎn)換器。所述的模場轉(zhuǎn)換器是采用熔融拉錐光纖、透鏡光纖、透鏡組。本發(fā)明采用輸入/輸出光纖+熔融拉錐光纖或透鏡光纖或透鏡組與光子芯片耦合，光子芯片是光子集成波導(dǎo)芯片，從而解決波導(dǎo)芯片與光纖的模場失配問題。具有如下特點采用熔融拉錐光纖、透鏡光纖或透鏡組能方便可行地實現(xiàn)任意形狀、較小模場直徑的模場轉(zhuǎn)換。
文檔編號G02B6/255GK102866461SQ20121037938
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者馬衛(wèi)東, 周天宏, 江雄 申請人:武漢光迅科技股份有限公司