[发明专利]一种波导边缘集成耦合器及其制备方法

权利要求书

1.一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，该耦合器包括PIC器件平台(1)、SOI波导结构(2)和硅微透镜(3)；所述硅微透镜(3)与所述SOI波导结构(2)为同一衬底集成于PIC器件平台(1)；所述硅微透镜(3)位于SOI波导结构(2)的出光端面边缘；光线在所述PIC器件平台(1)经所述SOI波导结构(2)出射，所述硅微透镜(3)对光束进行模斑转换，改变光线轨迹并限制光线入射纤芯的角度，然后光线经空间传播后入射单模光纤(4)纤芯。

2.根据权利要求1所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述SOI结构(2)包括衬底层(2a)、氧化埋层(2b)、脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)；所述衬底层(2a)、氧化埋层(2b)、脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)自下而上依次堆叠；所述衬底层(2a)材料为Si，所述氧化埋层(2b)材料为SiO₂，所述脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)材料为Si；所述脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)之上能够存在其他材料的覆层。

3.根据权利要求2所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述SOI波导结构(2)采用单模传输方式；所述脊波导外脊层(2c)厚度d、脊波导内脊层(2d)厚度h满足单模条件，即d＝γ×h，γ0.5；所述SOI波导结构(2)的整体长度大于SOI波导的稳定单模长度；所述SOI波导的稳定单模长度是指光线经过SOI波导结构(2)传输，最终传输并参与耦合的光模式为稳定的单模模式或者基模模式时，此时SOI波导结构(2)的长度。

4.根据权利要求2所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述硅微透镜(3)与所述SOI波导结构(2)出光端面之间的间隔为D₁，D₁取值≥0μm且≤所述硅微透镜(3)的焦距长度；所述硅微透镜(3)与所述脊波导内脊层(2d)的对准形式为中心对准，所述硅微透镜(3)面形为非球，材料为Si。

5.根据权利要求1所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述硅微透镜(3)端面与所述单模光纤(4)端面均有增透处理，以减小波导出射光束经空气入射纤芯的菲涅尔反射损失，使得该损失不超过1％。

6.根据权利要求1所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述硅微透镜(3)端面与所述单模光纤(4)端面的近场耦合距离不超过100μm，并且耦合距离D₂满足：0≤D₂≤|d_out±Z_R|的设计容限，式中d_out为像方腰斑位置与透镜的距离，Z_R为像方高斯光束的瑞利距离，Z_R＝πw₀′²/4λ，w₀′为像方束腰直径大小，λ为光波长。

7.一种波导边缘集成耦合器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设计并仿真采用单模传输的SOI波导结构，根据SOI波导的结构参数得到波导出射光的模式特性；

步骤二、根据单模光纤参数及近场耦合距离要求对硅微透镜的结构参数进行设计，通过理论计算和数值模拟得到出射光的高斯光束参数；

步骤三、将耦合器整体结构与单模光纤进行联合仿真，得到理论耦合效率；

步骤四、根据步骤一和步骤二中得出的SOI波导结构、硅微透镜结构的理论设计参数完成耦合结构制作；经实际的有源测试结果对所述设计参数进行调试优化以得到相应的耦合效率和满足实际耦合需求的错位容限，并根据优化后的SOI波导的结构参数和硅微透镜的结构参数制备具体PIC平台的波导边缘集成耦合器。

8.根据权利要求7所述的一种波导边缘集成耦合器的制备方法，其特征在于，步骤一中所述SOI波导的结构参数包括衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层各层的厚度与使用的材料；所述波导出射光的模式特性包括偏振、能量分布、光斑尺寸。