[发明专利]一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器

说明书

本发明公开了一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器，由第一波导和第二波导级联组成；在第一波导上引入脊波导；脊波导和第一波导的端面平齐，形成耦合器的初始输入端面，初始输入端面与AWG输出波导的尺寸完全匹配；脊波导的长度与第一波导长度相等，脊波导的宽度由初始输入端面向其输出端面逐渐减小，脊波导在第一波导上的投影为等腰梯形；第二波导采用由波导输入端面向波导输出端面三维减缩的正锥型结构，第二波导输入端面与第一波导输出端面的尺寸相匹配，第二波导的输出端面与光电探测器的脊波导尺寸完全匹配，第一波导、第二波导和脊波导呈现双阶梯结构。本发明的耦合器，体积小、损耗低、误差容限高，可以实现不同尺寸的波导的高效耦合。

技术领域

本发明涉及通信光器件技术领域，尤其涉及一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器。

背景技术

随着高速光通信领域的飞速发展，光器件的集成度越来越高，对于不同光器件的耦合要求也越来越高。由于器件之间尺寸差异较大，因此将其直接相连会产生较大的模场失配问题，从而造成较大的光传输损耗。为了解决该问题，我们通常使用耦合器来提升器件耦合效率。

对于耦合器，我们不仅要求其有着较高的耦合效率，较低的损耗，较小的体积，较大的误差容限，同时应对于波长和偏振态不敏感，以保证其可以再较宽波段和不同光偏振态工作。

目前最为常见的耦合器有光栅耦合器和端面耦合器。光栅耦合器具有加工方便，误差容限大等优点，但耦合效率相对较低，同时对波长、偏振态较为敏感。而端面耦合器耦合效率较高，对波长、偏振态也不敏感。但传统的单倒锥端面耦合器尺寸较长，而且由于倒锥结构横截面积很小，因此误差容限很小，加工难度较大。

发明内容

本发明依据阵列波导光栅(AWG)与边入式光电探测器(PD)进行耦合的应用场景，的目的是提供一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器，由第一波导和第二波导级联组成；在第一波导上引入一个高度为h的脊波导；所述的脊波导和第一波导的端面平齐，形成耦合器的初始输入端面，初始输入端面与AWG输出波导的尺寸完全匹配；所述脊波导的长度与第一波导长度相等，脊波导的宽度由初始输入端面向其输出端面逐渐减小，脊波导在第一波导上的投影为等腰梯形；所述第二波导采用由波导输入端面向波导输出端面三维减缩的正锥型结构，第二波导输入端面与第一波导输出端面的尺寸相匹配，第二波导的输出端面与光电探测器的脊波导尺寸完全匹配，第一波导、第二波导和脊波导呈现双阶梯结构。

进一步地，初始输入端面的高度H和宽度W均为4.5μm。

进一步地，第一波导长度L₁的取值范围是400-1000μm。

进一步地，脊波导的输出端面的宽度W_rib的取值范围是0.25-0.75μm。

进一步地，第二波导的输出端面宽度W_t＝2μm，高度H_t＝1.048μm。

进一步地，第二波导的长度L₂取值范围是500-1000μm。

进一步地，脊波导高度h的取值范围为1-3μm。

进一步地，AWG输出波导的结构为对称波导，矩形波导芯层为4.5×4.5μm的埋入型波导。

进一步地，AWG输出波导的包层和芯层的材料都为二氧化硅，其中芯层使用的是掺杂高折射率二氧化硅，二者的折射率差为Δn＝1.5％。

进一步地，AWG输出波导通过耦合器耦合至光电探测器的脊波导中心部分，光电探测器的脊波导中心部分尺寸为2μm×1.048μm、高度为0.204μm，下层波导的高度为0.884μm。