[发明专利]一种用于激发少模光纤高阶模式的光栅耦合器

说明书

本发明公开了一种用于激发少模光纤高阶模式的光栅耦合器，包括SOI基底，SOI基底的上面是波导芯层，波导芯层具有多个刻槽，按照光栅耦合器能激发少模光纤中的LP₁₁a模式、LP_11b模式和LP_21b模式，刻槽的布局是沿着光传播方向将多个刻槽分为距离为D₁的两组或是沿着波导芯层上表面垂直于光传播方向将多个刻槽按照左右两侧分为距离为D₂的两组或是综合上述两种刻槽的分布，其中D₁和D₂均使得光栅耦合器衍射出来的光场的相位差为π。本发明光栅耦合器用于实现激发少模光纤中的LP₁₁a模式、LP_11b模式和LP_21b模式，在刻槽形成过程中只需要进行一次电子束刻蚀即可实现，大大减少了加工的复杂性，易于加工制造。

技术领域

本发明涉及一种硅基光子学以及芯片级光互连技术，它属于集成光学和微纳光学领域。

背景技术

基于硅光子集成的光通信、光互联和光传感等新兴信息技术展现出构建新型信息硬件的发展趋势，正成为新一代信息系统和网络的重要基础。对于硅光子集成芯片而言，不可忽视的一个关键问题就是光信号的输入和输出。尤其是硅作为间接带隙材料，发光效率还没能达到使用要求，现有技术需要从光子芯片外部引入独立光源或者采用片上混合集成的光增益材料。因此，光子集成芯片在片内和片外都需要高效率、大带宽、易于集成的光耦合结构。常用的两种耦合方式一般采用端面水平耦合结构或者片上垂直耦合结构。相比于其他各种光耦合器，光栅耦合器利用片上光波导的垂直衍射光场实现芯片上的光信号输入与输出，具有易于在片上测试、不需要晶圆或芯片预处理、也没有严格的空间限制等优点名册和功能为硅基光子集成领域的研究热点。传统光栅耦合器只能实现芯片与单模光纤的高效率传输，这就大大限制了信息的传输量。然而，现在需要传输的信息量越来越大，已经接近了单模光纤信息传输的理论极限。空分复用技术被提出用来提高单根光纤的信息传输量。空分复用技术不仅包括单根多芯光纤实现增加传输信息量，也可以通过增加单根光纤中传输的模式数来增加信息传输量。但是这两种方式都涉及到光如何从芯片上耦合进和耦合出的问题。2011年，C.Doerr等人用带有多个可控制相位的输入/输出波导的圆形一维光栅耦合器实现了多模光纤中环形模式的激发^[1]。这种方法不仅需要精确控制输入光信号的振幅和相位还需要较大尺寸芯片，这给加工和控制带来了很大困难。公开号为US20160266316A1，其公开日为2016年9月15号的专利文献中设计了一种《Device forcoupling a plurality of different fibre modes》，设计了一种可实现多个光纤模式激发的片上光栅耦合器结构。但是某些模式的激发需要从波导中打入高阶模式，因此需要额外的波导模式转化器，增加了结构的复杂性。

[参考文献]

[1]C.R.Doerr et al.ECOC,pp.Th-13,2011。

发明内容

由于先前报道的用于激发少模光纤中高阶模式的光栅耦合器具有复杂的结构，对加工要求高，针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种易于加工的具有模式转换功能的光栅耦合器。基于本结构的设计，可以激发少模光纤中的LP₁₁a模式、LP_11b模式、LP_21b模式，这是目前结构最简单的能够激发少模光纤多个模式的光栅耦合器。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于激发少模光纤高阶模式的光栅耦合器，包括SOI基底，所述SOI基底的上面是波导芯层，所述SOI基底的氧化层厚度为2微米，所述波导芯层具有多个刻槽，按照光栅耦合器能激发少模光纤中的LP₁₁a模式、LP_11b模式和LP_21b模式，所述刻槽的布局有以下三种情形：