[发明专利]一种离子交换玻璃基表面型分段式模斑转换器

说明书

一种离子交换玻璃基表面型分段式模斑转换器，这种模斑转换器由n段(n≥2)玻璃基锥形波导芯片依次级联而成；每一段玻璃基锥形波导芯片均由玻璃基板(100)及其内部的表面型锥形离子掺杂区(102)构成；第n段玻璃基锥形波导芯片中的表面型锥形离子掺杂区(102)粗端的横截面尺寸与第n‑1段玻璃基锥形波导芯片中的表面型锥形离子掺杂区(102)细端的横截面尺寸相匹配，第n段玻璃基锥形波导芯片中的表面型锥形离子掺杂区(102)细端作为模斑转换器的输出端。本发明可以实现更大幅度的模斑尺寸转换，提高器件性能，并进一步降低设计和制作的难度。

技术领域

本发明涉及一种离子交换玻璃基表面型分段式模斑转换器，属于集成光学、光电子学领域。

背景技术

自从1969年美国贝尔实验室的Miller博士提出“集成光学”的概念以来，集成光学的理论与技术得到了快速发展。一些集成光学器件，譬如半导体激光器、光分路器、光调制器和光开关等，已经广泛应用于光通信、光传感、光计算和光互连等诸多领域，尤其是这种器件在光互连方面的应用，推进了微电子技术的快速发展。

SOI(Silicon On Insulator)材料的芯层与包层之间的折射率差大，光限制能力强，因此采用SOI材料可以实现更小的器件尺寸，实现大规模的光器件集成。因此，硅基集成光电子器件成了当前微电子和集成光学领域的研究热点之一。

光纤与SOI波导的耦合问题是影响硅基光子学发展和应用的关键问题。单模光纤的芯径一般为8～10μm，而SOI波导的尺寸一般为450nm×220nm，因此光在光纤中传输时的模斑尺寸和在SOI波导中传输时的模斑尺寸相差悬殊，这种巨大的模场失配导致从光纤到SOI波导的端面耦合损耗高达20dB以上。虽然可以采用光栅耦合的方式实现光纤与硅光子芯片之间的耦合，但这种耦合方式的工作带宽受到限制，并对输入光的偏振方向敏感。相比之下，端面耦合可以获得更高的耦合效率，并在工作带宽和偏振敏感性上更具优势，被研究者认为是解决光纤与硅光芯片之间高效耦合问题的一种有潜力的方案。为了降低光纤与SOI波导的端面耦合损耗，研究者们在端面耦合技术上进行了大量的研究工作。

光纤与SOI波导的端面耦合需要通过模斑转换器(SSC，Spot Size Converters)来降低耦合损耗。模斑转换器是一种可以实现模场形状转换和/或尺寸缩放的器件。常见的模斑转换器一般需要通过一段锥形波导来实现模场的平滑过渡以降低损耗，锥形波导的结构需要满足绝热过渡条件。迄今研究者们提出了各种结构的硅基模斑转换器，包括：三维锥形模斑转换器(Holly R,Hingerl K等，2006年)、双层锥形模斑转换器(Daoxin Dai,SailingHe等，2006年)、倒锥形模斑转换器(Pavel Cheben等，2010年)、梯度折射率透镜型模斑转换器(Qian Wang，Yingyan Huang等，2010年)等，并且在离子交换玻璃基模斑转换器的设计和制作方面也进行了一些研究。

法国的Teem Photonics公司推出了一款离子交换玻璃基模斑转换器产品(https://www.teemphotonics.com/integrated-optics/waft-inte rface-products/)，如图1所示。这种模斑转换器采用玻璃基离子交换光波导技术制作，具有工艺简单、成本低的独特优势。通过控制波导形成过程中离子交换窗口的形状，在玻璃基板(100)中获得掩埋型锥形离子掺杂区(101)，实现模斑转换功能。这种模斑转换器可将模斑尺寸从输入端的10.8×10μm²缩减到输出端的4.1×3.1μm²，插入损耗在1.0dB以下，可以显著降低光纤与SOI波导的耦合难度。