[發明專利]一種多層結構的模斑轉換器及其實現方法

有效

• 申請號: 202011514218.0
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112596161B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 王丹
• 申請（專利權）人: 成都市加朗星科技有限公司
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14;G02B6/13;G02B6/122;G02B6/12
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 周永宏

本發明公開一種多層結構的模斑轉換器及其實現方法，本發明的模斑轉換器包括：基底、位于基底上的緩沖層、位于緩沖層上的復合波導；所述復合波導從下到上依次為：具有垂直方向的多層階梯結構的第一折射率層、與該多層階梯結構匹配的第二折射率層，所述匹配具體為在多層階梯結構部分的第一折射率層與第二折射率層厚度互補；采用本發明的模斑轉換器，可以實現同時制作模斑轉換器與光子芯片功能區。

技術領域

本發明屬于光子芯片領域，特別涉及一種模斑轉換器技術。

背景技術

光子芯片指集成了各種復雜光波導結構，如馬赫-曾德爾干涉儀，定向耦合器，陣列波導光柵，微環等的芯片。這些芯片可利用絕緣體上硅(SOI)，氮化硅，薄膜鈮酸鋰等多種功能材料制作，并具備多種功能，如濾波、調制，分束，開關等。它們在光通信、光傳感與光信息處理等領域具有重要應用，是這些領域的關鍵器件之一。近年來，隨著來自5G、光通信主干網與接入網，以及數據中心的需求的迅速增加，光子技術得到了迅速發展。目前，基于硅光子技術的調制器已在數據中心得到了應用，基于氮化硅光子技術的光延遲與光濾波等相關的光學信息處理的光子芯片則廣受關注，而基于薄膜鈮酸鋰光子技術的光調制與光頻梳相關的光子芯片更是異軍突起，成為近幾年來的研究熱點。

上述這些光子芯片都有一個共同的特點，那就是其中的所涉及的波導尺寸都較小，其波導的厚度與寬度通常都小于1微米，常稱為微納波導。這些微納波導的模場與單模光纖(纖芯直徑大約8微米)的模場存在較大的失配，導致這些光子芯片在與單模光纖耦合以實現光信號的輸入/輸出時存在較大的模場失配損耗，阻礙了芯片的實用化。為了解決這一問題，研究人員提出了兩種主流的辦法，其一是采用光柵耦合器，其二是采用模斑(或模尺寸)轉換器。模斑轉換器制作于光子芯片的輸入/輸出波導處，在輸入端其模場與光纖模場匹配，在輸出端模場則與光子芯片的微納波導模場匹配，從而實現光纖模場到微納波導模場的轉換，增大了耦合效率。與光柵轉換器相比，模斑轉換器可以實現更高的耦合效率，更低的偏振相關損耗，且更簡單的芯片的封裝技術，是實現高效的光纖與微納結構的光波導耦合的主要方式。當前，已有多種模斑轉換器的設計與實驗工作的報道，這些模斑轉換器基本都是基于放置于轉換器中心的水平錐形結構的波導實現。根據錐形波導相對于光纖的位置分為兩大類，其一是倒錐形的模斑轉換器，其二是正錐形型的模斑轉換器。倒錐形模斑轉換器的連接光纖的一端(輸入端)寬度較窄，連接微納芯片功能區的一端(輸出端)寬度較寬，而正錐形的模斑轉換器則相反，即是其輸入端寬度較寬，然后逐漸變窄，直到等于微納芯片功能區波導寬度。在原理上，為實現較高的耦合效率，倒錐形模斑轉換器的輸入端錐形波導寬度應盡可能窄，通常要求至少應小于200納米，而且應放置于模斑轉換器中心，然而這一波導寬度及放置位置的實現對工藝技術提出了極其高的要求，需要精度較高的二次對版、光刻這一工藝技術，這導致器件成品率較低，增加了芯片的成本。相比較而言，正錐形模斑轉換器則無需制作窄至200納米的波導，但仍對轉換器錐形波導放置的對稱性有較高的要求，因此工藝難度雖然有所降低，但依然需要高精度二次對版與光刻技術，同樣增加了器件的成本，此外，目前報道的正錐形模斑轉換器的耦合效率普遍不如倒錐形模斑轉換器。

最后需要指出的是，已報道的模斑轉換器大多應用于硅光子芯片，在目前新興的薄膜鈮酸鋰光子芯片領域，相關的模斑轉換器的研究還較少，尚未有適合批量化生產的模斑轉換器研制成功，極大地阻礙了相關研究與產業的發展。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提出一種多層結構的模斑轉換器及其實現方法，將難以制作的水平方向的寬度較窄的倒錐形結構轉換為較易制作的豎直方向的多層波導結構，在實現高效率耦合的同時，極大地降低了工藝制作的難度。

本發明采用的技術方案為：一種多層結構的模斑轉換器，包括：基底、位于基底上的緩沖層、位于緩沖層上的復合波導；所述復合波導從下到上依次為：具有垂直方向的多層階梯結構的第一折射率層、與該多層階梯結構匹配的第二折射率層，所述匹配具體為在多層階梯結構部分的第一折射率層與第二折射率層厚度互補。