[發明專利]一種異構多模波導耦合器

在審

• 申請號: 202210470924.2
• 申請日: 2022-04-28
• 公開（公告）號: CN114839722A
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 王健;曹曉平
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 徐美琳

本發明公開了一種異構多模波導耦合器，屬于光電子通信器件領域。基于端面耦合方案，利用強導少模光纖以及片上多級絕熱倒錐結構，實現少模光纖與片上多模波導之間多個導模的直接耦合轉換，具有低損耗低串擾的特點。其中強導少模光纖可以對光纖模式形成更強的約束，允許通過拉錐等方式有效減小光斑尺寸而不會影響內部LP模式純度，而片上多級絕熱倒錐結構則利用模式演變原理，可以將少模光纖內多個LP模式耦合演變成片上多模波導內的波導模式。本發明實現了少模光纖鏈路與片上多模系統之間的多模耦合，允許將模分復用技術應用于光纖?芯片光互連系統中，對光互連系統傳輸容量的進一步提升以及多模光子學、光互連等領域的應用具有重大意義。

技術領域

本發明屬于光電子通信器件領域，更具體地，涉及一種異構多模波導耦合器。

背景技術

面對大數據時代日益增長的容量需求，如何進一步提升通信鏈路的傳輸容量成為亟需解決的熱點問題，而光場多維度資源的復用技術作為一種有前途的突破技術，近年來引起了人們廣泛的關注。傳統的波分復用技術利用多個波長進行復用傳輸以提高通信鏈路的信道數目以及通信容量，而時分復用、偏振復用以及高級調制格式等技術，在過去幾十年內也獲得了飛速的發展，不斷推動著現代通信網絡的發展變革。隨著現有光場維度資源的開發利用已接近極限，為解決現有單模光纖通信網絡的容量瓶頸，模分復用技術利用多模光纖/波導中的多個導模實現空間復用，為未來通信系統容量的進一步增加提供了可能。

盡管模分復用技術在少模光纖鏈路以及片上多模處理系統中逐漸發展完善，但對于光通信、光互連等應用而言，光纖與芯片之間的互連仍然具有較大的挑戰，主要體現在傳統的耦合方案只適用于單模系統，片上多模波導與少模光纖內部的多個導模無法直接耦合互連。因此，目前的方案主要依賴于模式(解)復用器的實現，通過將片上多模波導以及少模光纖中的高階模式解復用成基模然后再進行相互耦合。盡管片上集成的模式(解)復用器已較為成熟，但針對少模光纖的模式(解)復用處理仍然存在較大的挑戰，其實現通常需要復雜的自由空間光學裝置或者全光纖模式選擇耦合器，而基于片上光柵陣列的集成方案則會引入過量的插入損耗，嚴重限制了少模光纖通信與片上光互連處理等的進一步發展。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供一種異構多模波導耦合器，其目的在于突破現有光纖與芯片之間的光互連僅適用于單模系統的局限性，目標是基于端面耦合方案，實現少模光纖與片上多模波導之間多個導模的直接耦合轉換，從而將模分復用技術與光纖-芯片光互連系統相結合，進一步提高光互連系統的傳輸容量。

因此，為實現片上多模系統與少模光纖鏈路的互連通信，在此發明中將提供一種異構多模波導耦合器，可以實現片上多模波導與少模光纖中多個導模的直接耦合轉換。

本發明提供的一種異構多模波導耦合器，其設計實現基于端面耦合方案，利用異構多模波導將傳統少模光纖鏈路與片上多模系統進行連接，并完成光纖-芯片之間多個模式的直接耦合轉換。該異構多模波導耦合器由過渡的強導少模光纖以及片上多級絕熱緩變倒錐結構構成，少模光纖內部多個LP模式先通過強導少模光纖低損耗地耦合到片上端面耦合結構中的第二芯層輔助耦合波導中，然后再通過片上第一芯層波導結構演變成多模波導內的高階模式。

進一步地，所述強導少模光纖起到過渡連接的作用，其設計芯徑尺寸與構成傳統少模光纖鏈路的一般少模光纖相當，因此可以利用熔融焊接等方式實現低損耗連接。另一方面，其較大的纖芯包層折射率差可以對光纖模式形成更強的約束力，從而允許對其進行拉錐制成錐形光纖，在不造成內部高階LP模式泄露的情況下有效降低減小出射光斑尺寸，減小光纖與芯片耦合中的模式失配。

更進一步地，所述強導少模光纖的纖芯與包層折射率差大于1％，在不造成高階LP模式泄露的前提下，仿真確定其纖芯直徑至少可以拉錐到6μm，因此為實現模斑匹配，芯片端面耦合結構中用以輔助耦合的第二芯層波導的尺寸也應該與之相當。同時，為保證少模光纖中不同偏振態的LP模式可以直接耦合到第二芯層波導中，第二芯層波導的橫截面設計為正方形，具有良好的結構對稱性，可以支持與光纖中LP模式類似的模式。