模斑转换器及其制备方法

技术领域

本公开涉及集成光学技术领域，尤其涉及一种模斑转换器及其制备方法。

背景技术

随着高速率、大容量光通信技术的成熟和逐渐实用化，对光集成器件的研制和开发的需求提议剧增。各类光集成器件实用化的关键技术之一是实现光波导和光纤的有效耦合。脊形光波导由于在传输特性和制作工艺方面具有的优越性，使其在光集成器件中得到广泛的应用。由于脊形光波导和单模光纤横截面的形状和尺寸存在很大的差异，折射率也相差很大，使得单模光纤和脊形光波导连接耦合时存在着严重的模场失配。特别是在半导体光量子阱器件中，为了保证单模传输，脊形光波导横截面一般只有1μm左右。因此，如果单模光纤和脊形光波导直接耦合，损耗会很高。而现有的耦合方案可能存在背反射和模式失配损失等问题。

发明内容

鉴于上述技术问题，本公开提供一种模斑转换器及其制备方法，用于至少部分解决现有单模光纤和脊形光波导直接耦合损耗高，且现有耦合方式存在背反射和模式失配损失的技术问题。

本公开第一方面提供一种模斑转换器，用于耦合光纤与光电探测器芯片，包括：衬底；脊形波导，形成于衬底上，脊形波导包括沿平行于衬底表面方向依次连接的脊形单模波导、锥型渐变脊波导以及拓宽脊波导；其中，拓宽脊波导用于连接光纤，匹配光纤的模场；锥型渐变脊波导用于对光纤输出的光波的模斑进行放大并集中传输光波；脊形单模波导用于将模斑转换后的光波耦合到光电探测器芯片。

根据本公开的实施例，锥型渐变脊波导延伸进入拓宽脊波导。

根据本公开的实施例，锥型渐变脊波导延伸进入拓宽脊波导中三分之一到二分之一的位置。

根据本公开的实施例，沿脊形单模波导指向拓宽脊波导的方向，锥型渐变脊波导的高度与宽度线性渐变变小，形成横向锥型渐变脊波导。

根据本公开的实施例，衬底的材料为InP，锥型渐变脊波导采用不同组分的In

根据本公开的实施例，衬底的厚度为300μm～400μm，衬底的厚，锥型渐变脊波导的厚度小于等于1μm。

根据本公开的实施例，锥型渐变脊波导的宽度与脊形单模波导的宽度不同。

根据本公开的实施例，脊形波导的脊高和脊宽由脊形波导的反射系数确定。

根据本公开的实施例，模斑转换器为绝热结构。

本公开第二方面提供一种模斑转换器的制备方法，用于制备如权利要求1-9任一项的模斑转换器，制备方法包括：确定一衬底；在衬底上制备脊形波导，其中，脊形波导包括沿平行于衬底表面方向依次连接的脊形单模波导、锥型渐变脊波导以及拓宽脊波导；

拓宽脊波导用于连接光纤，匹配光纤的模场；锥型渐变脊波导用于对光纤输出的光波的模斑进行放大并集中传输光波；脊形单模波导用于将模斑转换后的光波耦合到光电探测器芯片。

根据本公开实施例提供的模斑转换器及其制备方法，至少具备以下有益效果；

将脊形波导设置为依次连接的脊形单模波导、锥型渐变脊波导以及拓宽脊波导，通过拓宽脊波导匹配光纤的模场，通过锥型渐变脊波导用于对所述光纤输出的光波的模斑进行放大并集中传输光波，与光纤对接时竖直方向具备很好的尺寸匹配，提高了耦合效率、准和容差、传输效率，能够极大地降低单模光纤与脊形单模波导直接耦合的损耗。

进一步地，脊形单模波导和拓宽脊波导的材料为InGaAsP，锥型渐变脊波导采用不同组分的In

进一步地，锥型渐变脊波导延伸进入拓宽脊波导，更好地限制光波使其不至于弥散在空气中，同时避免在实际工艺中由于抛光过程而损坏高折射率锥型渐变脊波导的尖端。

进一步地，锥型渐变脊波导的宽度与能够进一步脊形单模波导的宽度不同，能够进一步降低耦合损耗。

此外，脊形波导整体为垂直锥型，可以通过线宽控制局部光学剂量，具备高模转换效率，可高达98％以上。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的结构图。

图2A示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的俯视图。

图2B示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的左视图。

图2C示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的右视图。

图3示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的转换效率与锥型渐变脊波导长度的关系曲线图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本公开中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本公开的限制。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

图1示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的结构图。

如图1所示，该模斑转换器用于耦合光纤与光电探测器芯片，例如可以包括衬底1以及形成在衬底1上的脊形波导2，脊形波导2包括沿平行于衬底1表面方向依次连接的拓宽脊波导21、锥型渐变脊波导22以及脊形单模波导23。其中：

拓宽脊波导21用于连接光纤，匹配光纤的模场。锥型渐变脊波导22用于对光纤输出的光波的模斑进行放大并集中传输光波。脊形单模波导23用于将模斑转换后的光波耦合到光电探测器芯片。

具体地，拓宽脊波导21和锥型渐变脊波导22是整个模斑转换器结构核心区域，用于实现单模光纤与光电探测器芯片的高效耦合且损耗小。光波在锥型渐变脊波导22中高度集中传输并进行模斑转换，一方面便于模场与单模光纤模场的高度耦合匹配，另一方面模斑变大与脊形单模波导23耦合传输光束到高速探测器芯片中。光传输方向为输入端到输出端，光波从拓宽脊波导21进入锥型渐变脊波导22后其模斑半径逐渐地增大。

在本公开实施例中，衬底1的材料可以为InP，例如可以采用n掺杂的InP(n-InP)衬底。

在本公开实施例中，拓宽脊波导21和脊形单模波导22的材料可以为InGaAsP，锥型渐变脊波导23高度与宽度线性渐变变化，锥型渐变脊波导23高度与宽度线性渐变的趋势具体可以为：沿脊形单模波导指向拓宽脊波导的方向，锥型渐变脊波导的高度与宽度线性渐变变小，形成横向锥型渐变脊波导。

锥型渐变脊波导23采用不同组分的In

进一步地，衬底的厚度为300μm～400μm，锥型渐变脊波导的厚度小于等于1μm。通过尺寸的设计以降低耦合损耗。

在本公开实施中，锥型渐变脊波导22可以延伸进入拓宽脊波导21。优选地，锥型渐变脊波导22延伸进入拓宽脊波导21中三分之一到二分之一的位置。通过延伸结构和延伸尺寸的设计，更好地限制光波使其不至于弥散在空气中，将光波从光纤导引进入高折射率的锥型渐变脊波导22，并且，能够避免了在实际工艺中由于抛光过程而损坏高折射率的锥型渐变脊波导22的尖端。

在本公开实施例中，锥型渐变脊波导的宽度与脊形单模波导的宽度不同，能够进一步降低耦合损耗。

在本公开实施例中，模斑转换器为绝热结构，以避免模斑转换器遭受背反射，增大损耗。

在本公开是实施例中，脊形波导的脊高、脊宽、脊长等由脊形波导的反射系数确定。

图2A示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的俯视图，图2B示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的左视图。图2C示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的右视图。

如图2A-图2C所示，可以结合耦合损耗最小设计理论使整个模斑转换器尺寸(脊高H1、脊高H2、脊宽W1、脊宽W2、脊长L)小，耦合效率高。

示例性地，图2B-图2C给出了脊形波导的端面模型，在脊高由150nm逐渐变化到600nm的过程中，端面耦合损耗α

脊高H1对端面耦合损耗α

确定了脊高H1之后，影响端面耦合损耗α

α

α

计算TE偏振态对应的拓宽脊波导21截面与光纤截面间的端面耦合损耗α

例如，选择1550nm的输入光波长，标准单模光纤的直径一般为6微米至10微米，随着拓宽脊波导21的宽度W2的增加，端面耦合损耗α

影响传输损耗的参数主要为锥型渐变脊波导22的长度L，由于结构复杂性和边界条件的限制，在研究光纤和脊形单模波导连接耦合的问题采用快速准确的数值模拟方法，根据麦克斯韦方程：

给定输入场E(x，y，z)＝0得出z＞0空间场的分布，进而可以得到锥型渐变脊波导22的长度L。

锥型渐变脊波导22的渐变范围确定方式可以为：提取散射参数，输入信号为a1和a2，输出信号为b1和b2，根据

确定锥型渐变脊波导22的波导长度。

图3示意性示出了根据本公开实施例的模斑转换器的转换效率与锥型渐变脊波导长度的关系曲线图。

如图3所示，模斑转换器的转换效率η大于98％，尤其在锥型渐变脊波导22的波导长度为20微米左右，模斑转换器的转换效率η达到最大，散射参数趋近于1，传输损耗较小。

基于上述设置的模斑转换器，该模斑转换器对TE偏振光在x方向的对准公差为±1.2μm，y方向的对准公差为±1.5μm；对TM偏振光在x方向的对准公差为±1.1μm，y方向的对准公差为±1.5μm。

基于同一发明构思，本公开实施例还提供模斑转换器的制备方法，用于上述模斑转换器，制备方法包括：确定一衬底。在衬底上制备脊形波导，其中，脊形波导包括沿平行于衬底表面方向依次连接的脊形单模波导、锥型渐变脊波导以及拓宽脊波导。拓宽脊波导用于连接光纤，匹配光纤的模场，锥型渐变脊波导用于对光纤输出的光波的模斑进行放大并集中传输光波。脊形单模波导用于将模斑转换后的光波耦合到光电探测器芯片。

需要说明的是，本公开实施例提供的制备方法实施例部分与模斑转换器实施例部分具体的实施细节与带来的技术效果相同，此处不再赘述。

综上所述，本公开实施例提供的模斑转换器，锥型渐变脊波导可以同时在水平和垂直两个方向上对其中传输的光波进行约束，输入端拓宽脊波导脊形端面与单模光纤直接耦合，拓宽脊波导端面模场与单模光纤模场匹配度高，损耗小。锥型渐变脊波导延伸进入拓宽脊波导中，光能量传输进锥型渐变脊波导，高折射率锥型渐变结构能将光传输高集成度，提高了光的传输效率。高度集成的光波进入脊形单模波导中传输给高速光电探测器芯片，传输损耗非常小，有效解决了单模光纤和波导耦合的高损耗以及传输损耗问题。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。