[发明专利]光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置

说明书

一种光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置，该方法包括：在衬底(21)上设置定位槽(23)，其中，该衬底(21)上还设置有第一光波导(22)，该第一光波导的一端具有宽度逐渐减小的倒锥形结构(22a)，且该倒锥形结构(22a)的锥尖与该定位槽(23)的中心线平行；将一端具有直径逐渐减小的光纤锥结构(24a)的单模光纤(24)水平固定于该定位槽(23)内，以使得该单模光纤(24)的具有光纤锥结构(24a)的一端沿着靠近该第一光波导的方向伸出该定位槽(23)外；根据该第一光波导(22)的位置和该单模光纤(24)的位置，在该衬底上设置第二光波导(25)，以使得该第二光波导(25)分别与该第一光波导(22)和该单模光纤光纤(24)耦合。所提供的光波导与单模光纤的耦合方法，能够降低对耦合设备的对准精度要求和生产成本。

技术领域

本发明实施例涉及通信领域，并且更具体地，涉及光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置。

背景技术

随着高速信息化技术的发展，集成光学器件正逐渐取代传统的微光学器件，成为未来光通信、光计算和光传感等领域的核心结构单元。以硅波导(Silicon Waveguide)为例，由于芯层硅和包层二氧化硅之间存在的高折射率差，使得基于绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)材料的硅波导对传输光场有着极强的束缚作用，在单模条件下硅波导具有很小的截面尺寸，从而可以实现小型化和高集成密度的光子器件；同时，SOI制作工艺具有与传统互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS)工艺兼容，能够实现光子器件和电子器件集成的优点。因此，SOI材料已成为制备集成光波导器件的主要材料，有着广泛的应用前景。

对于集成光波导器件来说，一个关键问题是光信号的输入与输出以实现器件与片外光学系统的通信，特别是对于目前硅的发光效率未达到实用要求时，需要利用光纤从光波导外部引入光源。然而，由于集成光波导对光场具有强束缚能力，单模传输时其模斑尺寸约在百纳米量级且其模场形状通常为椭圆形；而普通单模光纤对光场束缚能力较弱，单模传输时其模斑尺寸一般约为10μm且其模场形状为圆形。在这种情况下，当集成光波导和单模光纤直接耦合时，两者不仅在模斑尺寸上存在着巨大的差异，其模场形状也严重失配，同时耦合时两者界面间的折射率差也会引入额外的菲涅耳反射(Fresnel Reflection)损耗，因此两者直接耦合时效率十分低下，通常不超过10％，显然无法满足商用需求。因此，发展一种具有高耦合效率、简单有效、低设备要求和封装成本的集成光波导和单模光纤之间的输入输出耦合方法，对于集成光波导器件的实用化具有十分重要的现实意义。

倒锥模斑转换法(Inverted Taper-Based Spot-Size Converter Method)是一种常用的横向耦合方法，如图1所示，该耦合方法的原理是利用在硅波导120末端设置的宽度逐渐减小的倒锥形结构121将硅波导120的小尺寸模斑放大，并通过在该硅波导120的倒锥形结构121处设置包裹该倒锥形结构121的低折射率波导130，使得硅波导120中的模场逐渐脱离硅波导120的限制而转移到低折射率波导130中，从而扩大传输光的模场尺寸使其与单模光纤的模场尺寸靠近；然后，在衬底110的上表面的与该硅波导120相对的一侧设置V形槽150，并将圆柱形的单模光纤140固定于该定位槽150中，以使得该单模光纤140的一端表面与该低折射率波导130的一端表面接触，且该单模光纤140的中心线与该低折射率波导130的中心线精确对准。