光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置制造方法及图纸

一种光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置，该方法包括：在衬底(21)上设置定位槽(23)，其中，该衬底(21)上还设置有第一光波导(22)，该第一光波导的一端具有宽度逐渐减小的倒锥形结构(22a)，且该倒锥形结构(22a)的锥尖与该定位槽(23)的中心线平行；将一端具有直径逐渐减小的光纤锥结构(24a)的单模光纤(24)水平固定于该定位槽(23)内，以使得该单模光纤(24)的具有光纤锥结构(24a)的一端沿着靠近该第一光波导的方向伸出该定位槽(23)外；根据该第一光波导(22)的位置和该单模光纤(24)的位置，在该衬底上设置第二光波导(25)，以使得该第二光波导(25)分别与该第一光波导(22)和该单模光纤光纤(24)耦合。所提供的光波导与单模光纤的耦合方法，能够降低对耦合设备的对准精度要求和生产成本。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置
本专利技术实施例涉及通信领域，并且更具体地，涉及光波导与单模光纤的耦合方法和耦合装置。
技术介绍
随着高速信息化技术的发展，集成光学器件正逐渐取代传统的微光学器件，成为未来光通信、光计算和光传感等领域的核心结构单元。以硅波导(SiliconWaveguide)为例，由于芯层硅和包层二氧化硅之间存在的高折射率差，使得基于绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)材料的硅波导对传输光场有着极强的束缚作用，在单模条件下硅波导具有很小的截面尺寸，从而可以实现小型化和高集成密度的光子器件；同时，SOI制作工艺具有与传统互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor，CMOS)工艺兼容，能够实现光子器件和电子器件集成的优点。因此，SOI材料已成为制备集成光波导器件的主要材料，有着广泛的应用前景。对于集成光波导器件来说，一个关键问题是光信号的输入与输出以实现器件与片外光学系统的通信，特别是对于目前硅的发光效率未达到实用要求时，需要利用光纤从光波导外部引入光源。然而，由于集成光波导对光场具有强束缚能力，单模传输时其模斑尺寸约在百纳米量级且其模场形状通常为椭圆形；而普通单模光纤对光场束缚能力较弱，单模传输时其模斑尺寸一般约为10μm且其模场形状为圆形。在这种情况下，当集成光波导和单模光纤直接耦合时，两者不仅在模斑尺寸上存在着巨大的差异，其模场形状也严重失配，同时耦合时两者界面间的折射率差也会引入额外的菲涅耳反射(FresnelReflection)损耗，因此两者直接耦合时效率十分低下，通常不超过10％，显然无法满足商用需求。因此，发展一种具有高耦合效率、简单有效、低设备要求和封装成本的集成光波导和单模光纤之间的输入输出耦合方法，对于集成光波导器件的实用化具有十分重要的现实意义。倒锥模斑转换法(InvertedTaper-BasedSpot-SizeConverterMethod)是一种常用的横向耦合方法，如图1所示，该耦合方法的原理是利用在硅波导120末端设置的宽度逐渐减小的倒锥形结构121将硅波导120的小尺寸模斑放大，并通过在该硅波导120的倒锥形结构121处设置包裹该倒锥形结构121的低折射率波导130，使得硅波导120中的模场逐渐脱离硅波导120的限制而转移到低折射率波导130中，从而扩大传输光的模场尺寸使其与单模光纤的模场尺寸靠近；然后，在衬底110的上表面的与该硅波导120相对的一侧设置V形槽150，并将圆柱形的单模光纤140固定于该定位槽150中，以使得该单模光纤140的一端表面与该低折射率波导130的一端表面接触，且该单模光纤140的中心线与该低折射率波导130的中心线精确对准。该倒锥模斑转换法具有较高的耦合效率和宽带耦合特性，同时耦合效率对传输光的偏振也不敏感。然而，该耦合方法具有如下缺点：第一，由于利用倒锥形结构扩大后的硅波导的模场直径仍然相对较小(约3μm)，因此，单模光纤和低折射率波导之间仍然需要精确的对准，例如，如果单模光纤采用端头直径为3μm的透镜光纤，则单模光纤和低折射率波导的1dB失调容差约为±0.3μm，可以看出该耦合方法对封装设备的精度要求非常高；第二，由于该耦合方法的高对准精度要求，这种耦合方式通常需要有源耦合来确保耦合效率，这样增加了耦合的复杂度；第三，为了提高耦合效率，通常需要对低折射率光波导端面进行抛光处理，并且需要在该低折射率光波导的端面镀减反膜(Anti-ReflectionFilm)或在低折射率光波导端面和光纤端头之间添加折射率匹配液(RefractiveIndexMatchingLiquids)以减少端面菲涅耳反射；第四，由于该耦合方法需要很高的对准精度，该方法较难实现光波导与光纤阵列的耦合，不适合具有高密度输入输出接口光芯片的耦合封装。综上所述，如何在保证光波导与单模光纤的耦合效率的基础上降低对对准精度的要求，从而降低耦合对设备的要求和封装成本，并且能够实现单模光纤阵列的耦合是本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种光波导与单模光纤的耦合方法及光波导-单模光纤耦合装置，能够降低对耦合设备的对准精度要求和生成成本。第一方面，提供了一种光波导与单模光纤的耦合方法，包括：在衬底上设置定位槽，其中，该衬底上还设置有第一光波导，该第一光波导的一端具有宽度逐渐减小的倒锥形结构，且该倒锥形结构的通过锥尖的中心线与该定位槽的中心线平行；将一端具有直径逐渐减小的光纤锥结构的单模光纤固定于该定位槽内，其中，该单模光纤的具有光纤锥结构的一端与该第一光波导的具有倒锥形结构的一端相对设置；根据该第一光波导的位置和该单模光纤的位置，在该衬底上设置第二光波导，以使得该第二光波导位于该第一光波导与该单模光纤之间，该第二光波导通过该第一光波导的具有倒锥形结构的一端与该第一光波导光耦合，且该第二光波导通过该单模光纤的具有光纤锥结构的一端与该单模光纤光耦合。结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，该根据该第一光波导的位置和该单模光纤的位置，在该衬底上设置第二光波导，以使得该第二光波导位于该第一光波导与该单模光纤之间，该第二光波导通过该第一光波导的具有倒锥形结构的一端与该第一光波导光耦合，且该第二光波导通过该单模光纤的具有光纤锥结构的一端与该单模光纤光耦合，包括：根据该第一光波导的位置和该单模光纤的位置，在该衬底上设置第二光波导，以使得该第一光波导的具有倒锥形结构的一端和该单模光纤的具有光纤锥结构的一端均包埋于该第二光波导内。结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，该根据该第一光波导的位置和该单模光纤的位置，在该衬底上设置第二光波导，以使得该第二光波导位于该第一光波导与该单模光纤之间，该第二光波导通过该第一光波导的具有倒锥形结构的一端与该第一光波导光耦合，且该第二光波导通过该单模光纤的具有光纤锥结构的一端与该单模光纤光耦合，包括：根据该第一光波导的位置和该单模光纤的位置，在该衬底上设置第二光波导，以使得该第一光波导的具有倒锥形结构的一端包埋于该第二光波导内且该单模光纤的具有光纤锥结构的一端与该第二光波导通过倏逝场光耦合。结合第一方面或结合第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，该根据该第一光波导的位置和该单模光纤的位置，在该衬底上设置第二光波导，包括：确定该单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和该第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置；根据该单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和该第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置，确定该第二光波导在该衬底上的路径；根据该第二光波导在该衬底上的路径，在该衬底上设置该第二光波导。结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，该根据该单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和该第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置，确定该第二光波导在该衬底上的路径，包括：根据该单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和该第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置，确定所有可能的路径中耗损最小的路径；将该损耗最小的路径作为该第二光波导在该衬底上的路径。结合第一方面的第三种或第四种本文档来自技高网...

【技术保护点】
PCT国内申请，权利要求书已公开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光波导与单模光纤的耦合方法，其特征在于，包括：在衬底上设置定位槽，其中，所述衬底上还设置有第一光波导，所述第一光波导的一端具有宽度逐渐减小的倒锥形结构，且所述倒锥形结构的通过锥尖的中心线与所述定位槽的中心线平行；将一端具有直径逐渐减小的光纤锥结构的单模光纤固定于所述定位槽内，使得所述第一光波导与所述单模光纤的中心线平行，其中，所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端与所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端相对设置；根据所述第一光波导的位置和所述单模光纤的位置，在所述衬底上设置第二光波导，以使得所述第二光波导位于所述第一光波导与所述单模光纤之间，所述第二光波导通过所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端与所述第一光波导光耦合，且所述第二光波导通过所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端与所述单模光纤光耦合。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一光波导的位置和所述单模光纤的位置，在所述衬底上设置第二光波导，以使得所述第二光波导位于所述第一光波导与所述单模光纤之间，所述第二光波导通过所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端与所述第一光波导光耦合，且所述第二光波导通过所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端与所述单模光纤光耦合，包括：根据所述第一光波导的位置和所述单模光纤的位置，在所述衬底上设置第二光波导，以使得所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端和所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端均包埋于所述第二光波导内。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一光波导的位置和所述单模光纤的位置，在所述衬底上设置第二光波导，以使得所述第二光波导位于所述第一光波导与所述单模光纤之间，所述第二光波导通过所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端与所述第一光波导光耦合，且所述第二光波导通过所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端与所述单模光纤光耦合，包括：根据所述第一光波导的位置和所述单模光纤的位置，在所述衬底上设置第二光波导，以使得所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端包埋于所述第二光波导内，且所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端与所述第二光波导通过倏逝场光耦合。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一光波导的位置和所述单模光纤的位置，在所述衬底上设置第二光波导，包括：确定所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置；根据所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置，确定所述第二光波导在所述衬底上的路径；根据所述第二光波导在所述衬底上的路径，在所述衬底上设置所述第二光波导。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置，确定所述第二光波导在所述衬底上的路径，包括：根据所述单模光纤的具有光纤锥结构的一端的端头位置和所述第一光波导的具有倒锥形结构的一端的端头位置，确定所有可能的路径中耗损最小的路径；将所述损耗最小的路径作为所述第二光波导在所述衬底上的路径。6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二光波导在所述衬底上的路径，在所述衬底上设置所述第二光波导，包括：在所述衬底上旋涂一层紫外光敏感聚合物材料；采用紫外激光沿着所述第二光波导在所述衬底上的路径直写所述紫外光敏感聚合物材料，以形成所述第二光波导。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王攀，张灿，郝沁汾，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44