[實用新型]一種偏振不敏感型模斑轉換器

有效

• 申請號: 201921401442.1
• 申請日: 2019-08-27
• 公開（公告）號: CN210572857U
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 蔣衛鋒;苗金燁;李濤
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14;G02B6/126
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本實用新型公開了一種偏振不敏感型模斑轉換器，能實現硅納米波導和光纖之間的偏振不敏感高效耦合。通過基于多層相位匹配波導的定向耦合器結構實現底層硅納米波導與上層多層波導之間的橫電模和橫磁模的高效模式耦合與能量轉換。引入模式過渡器實現橫磁模無損耗轉換，進而實現底層橫磁模與橫電模獨立耦合。通過偏振合束器將耦合至上層多層波導中的橫電模與橫磁模進行合并，進而與光纖實現偏振不敏感耦合。本實用新型具有耦合性強、工藝成熟、CMOS工藝兼容性高的進步，可實現批量化制造，其生產效率較高，具有顯著的競爭優勢。

技術領域

本實用新型涉及光通信器件，尤其涉及一種偏振不敏感型模斑轉換器。

背景技術

得益于高折射率對比度和互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)兼容的制造工藝，硅光子學(silicon photonics)是大規模光子集成電路(photonic integrated circuits，PICs)的一個有吸引力的平臺。利用成熟的CMOS工藝，基于絕緣體上硅(SOI)的硅光子學，可以為我們提供一個低成本、高集成度的光子平臺。目前，由于缺乏高效的硅激光器和高性能的調制器，硅光子學的廣泛應用受到了限制。此外，硅納米波導和光纖之間的耦合是一難題。硅納米波導典型尺寸為0.2μm²，單模光纖(single-mode fibre，SMF)的典型尺寸為80μm²，尺寸和模式差異巨大，從而耦合很難。

為了解決耦合問題，業界提出了多種實現單一偏振的方案，比如一維光柵、倒錐形、二維或三維錐形、透鏡和錐形光纖；但是由于硅納米波導具有偏振依賴問題，需要偏振不敏感耦合結構；目前已經報道了各種實現偏振不敏感的方案，如一維和二維光柵耦合器、帶或不帶高分子聚合物覆層倒置錐體、多級錐體和垂直彎曲的硅納米波導(siliconnanowire)等結構。

但是這些方案仍然存在著一些問題，一維和二維光柵耦合器可以有效地耦合橫電模(Transverse Electric，TE)和橫磁模(Transverse Magnetic，TM)之間的偏振，但是它需要一個相對復雜的優化，并且一維光柵和二維光柵都存在固有的耦合效率和帶寬之間的權衡問題；使用倒置錐體將硅NW模式轉換為聚合物波導的模式，與透鏡光纖的模式相匹配，需要將帶或不帶聚合物覆層的硅錐體逐漸變細到具有納米尺寸寬度的超窄尖端，但是為實現耦合倒錐面需要拋光；使用雙級錐體，可以提供偏振不敏感(polarization-independent，PI)和波長不敏感的模式轉換，也可以與CMOS工藝兼容，但是錐形長度較長，耦合損耗較大且制作工藝復雜；PI象鼻型耦合器將硅納米波導的端面垂直彎曲，彎曲曲率為幾微米級。雖然這種垂直耦合器在晶片級測試和集成芯片表面光學元件方面都有很好的應用前景，但垂直彎曲硅芯的制造則更具挑戰性。

實用新型內容

實用新型目的：為了解決現有技術存在的問題，本實用新型的目的是提供一種偏振不敏感型模斑轉換器，通過基于多層相位匹配波導的定向耦合器結構實現底層硅納米波導與上層多層波導之間的橫電模和橫磁模的高效模式耦合與能量轉換，進而實現了硅納米波導和光纖之間的偏振不敏感高效耦合。

技術方案：一種偏振不敏感型模斑轉換器，包括襯底層，在襯底層上設有下包層，在下包層上設有前錐形后錐形的模式過渡器，所述模式過渡器包括與TE匹配的硅納米波導、用于過渡TM模式的硅錐形過渡波導以及與TM匹配的硅納米波導，所述與TE匹配的硅納米波導的長度為TE模的耦合長度，所述與TM匹配的硅納米波導的長度為TM模的耦合長度；在與TE匹配的硅納米波導上設有TE模匹配多層波導，在與TM匹配的硅納米波導上設有TM模匹配多層波導，所述TM模匹配多層波導將TM模耦合到TE模匹配多層波導中，所述TE模匹配多層波導將TE模和TM模同時耦合到光纖中，所述光纖與TE模匹配多層波導中心對準；在TE模匹配多層波導和TM模匹配多層波導上設有上覆蓋層。