[發明專利]基于光纖錐的光波導耦合方法

在審

• 申請號: 202010104893.X
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111367019A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 程亞;林錦添;周俊霞;高仁宏
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G02B6/30
• 分類號: G02B6/30
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

一種基于光纖錐的光波導耦合方法，包括：根據光波導的模場分布，設計模場匹配的光纖錐尺寸；制備所需尺寸的光纖錐；將陣列化分布的光纖錐與光波導陣列耦合、封裝。本發明適用耦合的波導，包括光波導以及光波導器件；波導的材料種類，包括但不限于鈮酸鋰波導、硅基波導、熔融石英波導等；光波導的幾何構型，包括但不限于脊型波導、圓形波導、條形波導等。該方法可達到的最高耦合效率為90%以上，具有低損耗耦合的特點。

技術領域

本發明涉及光波導的高效耦合，特別是一種基于光纖錐的光波導高效耦合方法。

背景技術

通信系統信息傳輸容量的拓展，顯著推動了大數據、數據中心、無人駕駛等高技術的發展。這些應用需求又反過來要求通信系統具有更高速率、更低損耗、更小時延的性能。要達到如此理想的性能，技術革新的關鍵在于光器件的創新。

光波導，一般由折射率較低的包層，裹著折射率較高的纖芯組成，利用光的全內反射將光子約束在光波導內進行傳輸、操控。光波導對光子具有強的空間束縛能力，是構建光子芯片的重要基本單元(參見文獻1：R.Nagarajan,et al.,IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics Vol.11,P 50-65,2005)。它既可極大增加光與物質的相互作用，又可實現光子回路的大規模集成。它在通信網絡、集成光學、非線性光學、傳感和集成量子信息技術等領域，有著重要的應用和良好的發展前景。

其中，如何將光高效耦合到光波導中，特別是與標準光纖兼容的光波導網絡的耦合效率，直接決定了光波導的信息、能量傳遞與處理效率。由于標準光纖的模場分布通常與光波導的模場分布不一致，這導致了光纖與光波導以及光波導器件的高損耗耦合。目前，為了將光束從光纖高效地耦合到光波導中，常用的做法是在光波導上精細加工布拉格光柵結構，這是一種比較容易操作的耦合方式，通常需要在波導底面加工一層金屬反射膜(參見文獻2：D.Taillaert,et al.,Optics Letters Vol.29,P 2749-2751,2004；參加文獻3：D.Taillaert,et al.Japanese Journal of Applied Physics,Vol.45,P 6071,2006)；另外一種做法，是在光波導入射端附近制作模場轉換結構，實現波導導波模場與光纖模場的匹配(參見文獻4：T.Shoji,et al.,Electronics Letters,Vol.38,P 1669-1670,2002)。這兩種方法都存在耦合效率較低的問題。發展一種更高效的光波導耦合方法，成為了提高光電子集成技術應用水平的迫切需求。

本耦合方法旨在實現光纖與光波導之間低損耗、高效率的耦合，推動相關高技術產業的發展。利用高透射率、尺寸可以精確控制的光纖錐(參見文獻5：Y.Xu,et al.,Opt.Express Vol.25,P 10434-10440,2017；參見文獻6：Y.Kang,et al.,IEEE PhotonicsTechnology Letters,Vol.32,P 219-222,2020)，實現模場從標準光纖到與光波導模式模場匹配的模場之間的絕熱過渡，并耦合到光波導里面去，最終實現集成、封裝。

發明內容

本發明的目的旨在克服現有的光纖與光波導耦合損耗比較大的不足，提供一種基于光纖錐的光波導高效耦合方法。該方法既可實現單根光纖錐與光波導的高效耦合，也可實現陣列化分布的光纖錐與波導陣列的高效耦合、封裝，滿足光纖與光波導器件高效耦合的應用需求。所適用耦合的光波導包括光波導以及光波導器件；波導的材料包括但不限于鈮酸鋰波導、熔融石英波導、二氧化硅波導和硅基波導；波導的幾何構型，包括但不限于脊型波導、圓形波導和條形波導等。

本發明的基本思路是：

根據光波導傳輸模式的模場分布，設計和制備與其模場分布盡可能一致的光纖錐，就可利用光纖錐模場的絕熱變換能力，實現將作為信息和能量載體的光子從光纖經過光纖錐高效地耦合到光波導中。

實現本發明目的的具體技術方案是：