[发明专利]一种用于矩芯少模光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器

说明书

本发明提供了一种用于矩芯少模光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器，包括模式耦合器、第一模式尺寸变换器以及第二模式尺寸变换器，所述模式耦合器输出端口与第一模式尺寸变换器输入端口连接，所述第一模式尺寸变换器输出端口与第二模式尺寸变换器输入端口连接，所述模式耦合器在空气或折射率匹配液中的一种与矩芯少模光纤对接，所述第一模式尺寸变换器与模式耦合器对接，所述第二模式尺寸变换器与第一模式尺寸变换器对接。本发明实现了矩芯少模光纤中的各阶本征模式的光信号转换为芯片上多模硅波导中的各阶本征模式的光信号，并且保证模式透明与偏振透明，实现了少模光纤与芯片之间低损耗、多模式、大容量信号传输。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于矩芯少模光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器。

背景技术

随着“大数据”时代的日常生活对数据的吞吐量和传输速度的要求日益增长，光纤通信中能够有效提升通信容量的模分复用技术，成为了下一代通信网络发展的热门方向。近年来，硅基光子集成芯片不断发展，并且在光纤通信系统中被广泛应用。矩芯少模光纤中的各阶本征模式与硅基光子芯片中传输的各阶本征模式具有较高的“相似度”，具有实现模分复用的硅基光子芯片-光纤传输链路的潜力。

然而，由于硅基光子芯片与光纤截面具有较大的尺寸差异，两者之间的本征模场尺寸与分布严重失配，直接连接将会导致较大的损耗。因此如何设计和优化硅基芯片上的耦合器件，满足芯片与各种不同尺寸、支持不同模式数量的矩芯少模光纤高效耦合，成为了一个新的研究方向。

针对上述问题的思考，人们设计和提出了各类耦合方案，其中应用最广泛的两类是二维光栅耦合器和倒锥波导形波导耦合器。二维光栅耦合器基于光纤与芯片的垂直耦合设计，这类方案对上硅层刻蚀一个二维折射率周期分布的结构使得光纤中的不同模式在芯片表面发生衍射，使其改变传播方向并耦合进片上波导。这类方案支持的模式数量有限，具有较强的波长选择性，限制了其在多维复用光纤通信系统中的应用。另一类倒锥形波导耦合器，属于模斑分集方案，通过两个分支接收LP01，LP11模式的能量，具有大带宽，偏振无关，低损耗的优点，但是这个方案支持的模式数量有限。

发明内容

本发明旨在提供一种用于矩芯少模光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，以解决矩芯少模光纤与硅基光子芯片因为尺寸差异难以实现各阶本征模式耦合的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明的提供了一种用于矩芯少模光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器，包括模式耦合器、第一模式尺寸变换器以及第二模式尺寸变换器，所述模式耦合器输出端口与第一模式尺寸变换器输入端口连接，所述第一模式尺寸变换器输出端口与第二模式尺寸变换器输入端口连接，所述模式耦合器在空气或折射率匹配液中的一种与矩芯少模光纤对接，使得各阶本征模式与模式耦合器的对应的本征模式对准，用于收集矩芯少模光纤中的各阶本征模式，所述第一模式尺寸变换器与模式耦合器对接，用于将模式耦合器所收集到的各阶本征模式进行尺寸压缩并输入第二模式尺寸变换器，所述第二模式尺寸变换器与第一模式尺寸变换器对接，用于将第一模式尺寸变换器输出的各阶模式进一步尺寸压缩并输入片上的多模波导中。

作为本发明进一步的方案，所述模式耦合器包括矩形硅波导阵列以及二氧化硅包层，使得其各阶本征模式与矩芯少模光纤中的模式对应并具有最大的重叠积分和耦合效率。

作为本发明进一步的方案，所述第一模式尺寸变换器包括锥形硅波导阵列以及二氧化硅包层，使得对应的各阶本征模式尺寸压缩变小。

作为本发明进一步的方案，所述第二模式尺寸变换器包括锥形多模硅波导以及二氧化硅包层，使得对应的各阶本征模式尺寸进一步压缩并最终输入到多模波导中。

作为本发明进一步的方案，所述二氧化硅包层包括二氧化硅下包层与二氧化硅上包层，所述二氧化硅下包层厚度为2μm，所述二氧化硅上包层厚度为3μm。