一种混合集成的多模波导耦合器制造技术

本发明专利技术公开了一种混合集成的多模波导耦合器，属于光电子通信器件领域。该耦合器包括模式复用三维集成波导、模式解复用器和单模阵列连接器，用于实现多模波导和少模光纤中多个模式的耦合转换。其中模式解复用器，可以将多模波导中高阶模式转化为不同通道的基模，进一步通过单模阵列连接器耦合到模式复用三维集成波导，最后利用模式复用三维集成波导将基模复用成少模光纤中对应的模式。该混合集成的多模波导耦合器可以实现多模波导和少模光纤之间多个模式的耦合转换，具有兼容偏振复用、工艺简单、耦合效率高等特点，满足多模式的光纤通信和片上通信等领域的实际需求。通信和片上通信等领域的实际需求。通信和片上通信等领域的实际需求。

【技术实现步骤摘要】
一种混合集成的多模波导耦合器


[0001]本专利技术属于光互连通信领域，更具体地，涉及一种混合集成的多模波导耦合器。

技术介绍

[0002]先进多路复用技术可以同时传输多路信号，对于满足日益增长的大容量光互连需求具有重要意义。光场具有多个物理维度资源，可以用来实现各种各样的多路复用技术，展示了光通信超大容量的可行性，如利用波长维度的波分复用(WDM)、利用时间维度的时分复用(TDM)、利用偏振维度的偏振分复用(PDM)、利用幅度和相位维度的高级调制格式等。在过去的几十年里，以上各种多路复用技术获得了快速的发展，不断推动光通信网络传输容量的提高。但是现有的光场维度资源也将面临开发利用接近极限的问题。同时，为了解决单模光纤通信网络中预测到的“容量瓶颈”，模分复用(MDM)利用多模波导/光纤中不同的空间正交模式同时传输不同信号，极大地提高了光通信系统的容量。
[0003]对于基于光纤的光通信网络，模分复用技术成为进一步提高光纤通信传输能力的有效途径。单模多芯光纤(MCF)、多模光纤(MMF)以及它们的少模多芯光纤(FM
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MCF)的混合组合已经证明了超高容量数据传输。其中，由于少模光纤(FMF)可以避免传统的多模光纤(MMF)控制高阶模式的困难，基于少模光纤的弱耦合MDM技术引起了广泛关注。此外，通过将空间模式并行维度引入硅光子集成电路(PIC)，模分复用可以显着扩展片上互连的通信密度，并且在多模光通信中也具有巨大潜力。对于片上模分复用系统，集成模式(解)复用器是实现导模高效转换、激发和(解)复用的关键器件。硅光子学被认为是最优秀的集成光子平台之一，因为它具有强光限制、小尺寸和成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容技术等独特优势。目前硅基模式(解)复用器也可以通过成熟的制造技术制造，例如绝热耦合器、非对称Y型结、非对称定向耦合器(ADC)和逆向设计光子芯片。尽管在芯片级或基于光纤的MDM技术方面已有大量工作，但由于多模波导和少模光纤模式在尺寸和形状上的不匹配，高效的多模耦合器作为连接片上多模波导和少模光纤的桥梁，仍然是一项具有挑战性的任务。
[0004]为了克服上述挑战，一些用来实现多模波导和少模光纤耦合的集成方案已经被提出，可以分为垂直耦合方案和端面耦合方案。对于垂直耦合方案，二维光栅耦合器是一种常见的器件，因为它具有较大的工艺容差和较小的占地面积。然而，光栅的特殊缺陷，即有限的带宽和大的插入损耗，极大地限制了二维光栅耦合器的应用。相比之下，端面耦合方案理论上具有更宽的工作带宽、更低的耦合损耗和更紧凑的封装。据报道，具有1
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3分离器的三尖倒锥形结构可实现的高效四模式耦合，具有较大的工作带宽范围，然而耦合模式的数量在理论上是难以增加的。此外，基于异质波导的多级倒锥形耦合器可以实现了六导模的直接耦合，但其波长敏感性阻碍了其进一步应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种混合集成的多模波导耦合器，旨在解决多模波导和少模光纤的耦合问题，使用了模式复用三维集成波导，对于多模光通
信具有重要的意义。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种混合集成的多模波导耦合器，包括依次连接的模式解复用器、单模阵列连接器和模式复用三维集成波导，用于实现多模波导和少模光纤中多个模式的耦合转换。其中模式解复用器一端连接多模的硅基波导，可以将多模波导中高阶模式转化为不同通道的基模，进一步通过单模阵列连接器耦合到模式复用三维集成波导，最后利用模式复用三维集成波导的输出端口连接少模光纤，将基模复用成少模光纤中对应的模式。
[0007]作为优选地，模式复用三维集成波导采用飞秒激光直写技术，加工于玻璃、晶体和光学陶瓷等透明材料芯片，用于实现模式的复用，并将模式耦合进少模光纤。
[0008]进一步地，模式解复用器可采用非对称Y分支结构，逆向设计结构或非对称定向耦合结构，用于将多模波导中的多个模式解复用为不同通道的基模。优选地，非对称定向耦合结构包括多模耦合波导、单模耦合波导、输入多模直波导、输出多模直波导，单模输入弯曲波导和单模输出s型波导；单模输入弯曲波导、多模耦合波导和单模输出s型波导依次连接，输入多模直波导、单模耦合波导和输出多模直波导依次连接，并与单模输入弯曲波导、多模耦合波导和单模输出s型波导保持预设间距。
[0009]进一步地，单模阵列连接器可以采用条形波导倒锥结构或狭缝波导倒锥结构，可以实现横电基模和横磁基模的高效耦合。
[0010]进一步地，模式解复用器和模式复用三维集成波导是偏振无关时，该多模波导耦合器可以实现多模波导和少模光纤中任意偏振的同一阶模式耦合转换。
[0011]进一步地，模式解复用器和模式复用三维集成波导是偏振相关时，该多模波导耦合器可以实现多模波导和少模光纤中不同偏振的不同模式对应的耦合转换。
[0012]进一步地，模式复用三维集成波导包括单模输入波导、三维过渡区域耦合波导和少模输出波导。首先单模锥形输入波导为锥形波导，采用线性等间隔排列，然后缓慢地转变为三角排布，再采用绝热缓变的方式经过三维过渡区域耦合波导进行功率耦合和分配，最后复用成少模光纤中不同的模式，并耦合到少模光纤。
[0013]进一步地，模式解复用器件可以在硅基平台上加工，偏振相关的模式解复用器的硅波导厚度为220nm，偏振无关的模式解复用器的硅波导厚度大于220nm。
[0014]进一步地，多模波导耦合器可以实现多模波导和少模光纤中6个或者10个，甚至更多模式的对应耦合转化，所述的6个模式包括多模波导中的TE0，TM0，TE1，TM1，TE2，TM2模式和少模光纤中的LP
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模式；所述的10个模式包括多模波导中的TE0，TM0，TE1，TM1，TE2，TM2，TE3，TM3，TE4，TM4模式和少模光纤中的LP
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模式。
[0015]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0016]1.本专利技术所提出的一种混合集成的多模波导耦合器，使用了模式复用三维集成波导作为少模光纤模式的复用器，该波导采用飞秒激光加工技术加工于玻璃、晶体或者光学陶瓷，损耗低、串扰低、工艺简单，成本低，可以批量生产；而且现有的硅基器件加工技术成熟。因此，该混合集成的多模耦合器对于工厂批量生产具有较高的可行性。
[0017]2.已报道的多模波导和少模光纤耦合器无论是采用垂直耦合方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合集成的多模波导耦合器，其特征在于，包括模式解复用器(Ⅰ)、单模阵列连接器(Ⅱ)和模式复用三维集成波导(Ⅲ)依次连接用于实现多模波导和少模光纤的连接耦合；所述模式解复用器(Ⅰ)，一端连接多模波导，用于将多模波导中高阶模式耦合转换成基模；所述单模阵列连接器(Ⅱ)用于连接模式解复用器(Ⅰ)的单模输出波导和模式复用三维集成波导(Ⅲ)的单模输入波导，实现基模的传输；所述模式复用三维集成波导(Ⅲ)，输出端口连接少模光纤，用于实现模式复用，将基模激发成少模光纤中对应的高阶模式。2.根据权利要求1所述的一种混合集成的多模波导耦合器，其特征在于，所述模式复用三维集成波导(Ⅲ)采用飞秒激光直写技术，加工于透明材料，用于实现模式，将不同通道的基模复用成少模光纤中的多个模式。3.根据权利要求1所述的一种混合集成的多模波导耦合器，其特征在于，所述模式解复用器(Ⅰ)采用非对称Y分支结构、逆向设计结构或非对称定向耦合结构，用于将多模波导中的多个模式解复用为不同通道的基模。4.根据权利要求1所述的一种混合集成的多模波导耦合器，其特征在于，所述的单模阵列连接器(Ⅱ)采用条形波导倒锥结构或狭缝波导倒锥结构。5.根据权利要求1所述的一种混合集成的多模波导耦合器，其特征在于，所述的模式解复用器(Ⅰ)和模式复用三维集成波导(Ⅲ)是偏振无关时，所述多模波导耦合器实现多模波导和少模光纤中任意偏振的同一阶模式耦合转换。6.根据权利要求1所述的一种混合集成的多模波导耦合器，其特征在于，所述的模式解复用器(Ⅰ)和模式复用三维集成波导(Ⅲ)是偏振相关时，所述多模波导耦合器实现多模波导和少模光纤中不同偏振的不同模式对应的耦合转换。7.根据权利要求1或2所述的一种混合集成的多模波导耦合器，其特征在于，所述的模式复用三维集成波导(Ⅲ)包括单模输入波导、三维过渡区域耦合波导和少模输出波导；所述单模输入波导采用线性等间隔排列，所述三维过渡区域耦合波导采用绝热缓变的方式进行功率的耦合和分配；所述少模输出波导的端口尺寸和少模光纤尺寸匹配。8.根据权利要求1或3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，李康，蔡丞坤，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：