基于光纤锥的光波导耦合方法技术

一种基于光纤锥的光波导耦合方法，包括：根据光波导的模场分布，设计模场匹配的光纤锥尺寸；制备所需尺寸的光纤锥；将阵列化分布的光纤锥与光波导阵列耦合、封装。本发明专利技术适用耦合的波导，包括光波导以及光波导器件；波导的材料种类，包括但不限于铌酸锂波导、硅基波导、熔融石英波导等；光波导的几何构型，包括但不限于脊型波导、圆形波导、条形波导等。该方法可达到的最高耦合效率为90%以上，具有低损耗耦合的特点。

Optical waveguide coupling method based on fiber taper

【技术实现步骤摘要】
基于光纤锥的光波导耦合方法
本专利技术涉及光波导的高效耦合，特别是一种基于光纤锥的光波导高效耦合方法。
技术介绍
通信系统信息传输容量的拓展，显著推动了大数据、数据中心、无人驾驶等高技术的发展。这些应用需求又反过来要求通信系统具有更高速率、更低损耗、更小时延的性能。要达到如此理想的性能，技术革新的关键在于光器件的创新。光波导，一般由折射率较低的包层，裹着折射率较高的纤芯组成，利用光的全内反射将光子约束在光波导内进行传输、操控。光波导对光子具有强的空间束缚能力，是构建光子芯片的重要基本单元(参见文献1：R.Nagarajan,etal.,IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronicsVol.11,P50-65,2005)。它既可极大增加光与物质的相互作用，又可实现光子回路的大规模集成。它在通信网络、集成光学、非线性光学、传感和集成量子信息技术等领域，有着重要的应用和良好的发展前景。其中，如何将光高效耦合到光波导中，特别是与标准光纤兼容的光波导网络的耦合效率，直接决定了光波导的信息、能量传递与处理效率。由于标准光纤的模场分布通常与光波导的模场分布不一致，这导致了光纤与光波导以及光波导器件的高损耗耦合。目前，为了将光束从光纤高效地耦合到光波导中，常用的做法是在光波导上精细加工布拉格光栅结构，这是一种比较容易操作的耦合方式，通常需要在波导底面加工一层金属反射膜(参见文献2：D.Taillaert,etal.,OpticsLettersVol.29,P2749-2751,2004；参加文献3：D.Taillaert,etal.JapaneseJournalofAppliedPhysics,Vol.45,P6071,2006)；另外一种做法，是在光波导入射端附近制作模场转换结构，实现波导导波模场与光纤模场的匹配(参见文献4：T.Shoji,etal.,ElectronicsLetters,Vol.38,P1669-1670,2002)。这两种方法都存在耦合效率较低的问题。发展一种更高效的光波导耦合方法，成为了提高光电子集成技术应用水平的迫切需求。本耦合方法旨在实现光纤与光波导之间低损耗、高效率的耦合，推动相关高技术产业的发展。利用高透射率、尺寸可以精确控制的光纤锥(参见文献5：Y.Xu,etal.,Opt.ExpressVol.25,P10434-10440,2017；参见文献6：Y.Kang,etal.,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Vol.32,P219-222,2020)，实现模场从标准光纤到与光波导模式模场匹配的模场之间的绝热过渡，并耦合到光波导里面去，最终实现集成、封装。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有的光纤与光波导耦合损耗比较大的不足，提供一种基于光纤锥的光波导高效耦合方法。该方法既可实现单根光纤锥与光波导的高效耦合，也可实现阵列化分布的光纤锥与波导阵列的高效耦合、封装，满足光纤与光波导器件高效耦合的应用需求。所适用耦合的光波导包括光波导以及光波导器件；波导的材料包括但不限于铌酸锂波导、熔融石英波导、二氧化硅波导和硅基波导；波导的几何构型，包括但不限于脊型波导、圆形波导和条形波导等。本专利技术的基本思路是：根据光波导传输模式的模场分布，设计和制备与其模场分布尽可能一致的光纤锥，就可利用光纤锥模场的绝热变换能力，实现将作为信息和能量载体的光子从光纤经过光纤锥高效地耦合到光波导中。实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种基于光纤锥的光波导耦合方法，仅对光波导入射端耦合时，该方法包括以下具体步骤：步骤1：将入射光耦合到第一单根或阵列化排布的光纤锥；步骤2：将第一单根或阵列化排布的光纤锥耦合到衬底上单根或阵列化排布的光波导的入射端，在所述光波导的输出端通过透镜、物镜或光纤透镜收集出射光，由光功率计测试出射光的功率；步骤3：调节每根所述第一光纤锥末端与每根所述光波导入射端之间的相对位置，使得测试到的所述光波导输出端的输出功率最大；步骤4：将所述第一光纤锥与所述光波导入射端的位置固定并封装，组成便携式的光波导器件；其中：所述入射光的偏振态为：水平偏振或竖直偏振；所述第一光纤锥的末端的模场分布与光波导的模场分布匹配；所述调节每根所述第一光纤锥末端与每根所述光波导入射端之间的相对位置，具体为：调节每根所述第一光纤锥末端与每根所述光波导入射端的横向位置，使得所述第一光纤锥与所述光波导的模场分布在横向方向上具有最大的空间重叠，再调节纵向位置，使得所述第一光纤锥的末端正好接触到所述光波导的入射端面。一种基于光纤锥的光波导耦合方法，对光波导入射端和输出端都耦合时，该方法包括以下具体步骤：步骤1：将入射光耦合到第一单根或阵列化排布的光纤锥；步骤2：将第一单根或阵列化排布的光纤锥耦合到衬底上单根或阵列化排布的光波导的入射端，在所述光波导的输出端通过透镜、物镜或光纤透镜收集出射光，由光功率计测试出射光的功率；步骤3：调节每根所述第一光纤锥末端与每根所述光波导入射端之间的相对位置，使得测试到的所述光波导输出端的输出功率最大，并将其位置固定；步骤4：将透镜、物镜或光纤透镜撤去，采用第二单根或阵列化排布的光纤锥，收集出射光，由光功率计测试出射光的功率；步骤5：调节每根所述第二光纤锥末端与每根所述光波导输出端之间的相对位置，使得所述第二光纤锥的输出功率最大，将其位置固定；步骤6：将所述第一光纤锥和所述第二光纤锥与所述光波导封装，组成便携式的光波导器件；其中：所述入射光的偏振态为：水平偏振或竖直偏振；所述第一光纤锥和第二光纤锥末端的模场分布与光波导的模场分布匹配；所述调节每根所述第一光纤锥末端与每根所述光波导入射端之间的相对位置，具体为：调节每根所述第一光纤锥末端与每根所述光波导入射端的横向位置，使得所述第一光纤锥与所述光波导的模场分布在横向方向上具有最大的空间重叠，再调节纵向位置，使得所述第一光纤锥的末端正好接触到所述光波导的入射端面；所述调节每根所述第二光纤锥末端与每根所述光波导输出端之间的相对位置，具体为：调节每根所述第二光纤锥与每根所述光波导出射端的横向位置，使得所述第二光纤锥与所述光波导的模场分布在横向方向上具有最大的空间重叠，再调节纵向位置，使得所述第二光纤锥的尖端正好接触到所述光波导的输出端面。所述光波导入射端和输出端通过镀介质减反膜减少端口的菲涅尔散射损耗。所述第一光纤锥和第二光纤锥，其透射率为99％-100％。所述封装为：将第一光纤锥和第二光纤锥的外部由套管裹着，套管与所述光纤锥之间填充折射率为1.2～1.43的紫外胶，经紫外光固化，再将套管端面与光波导的入射端用紫外胶固化形成一个整体并固定在固体板上。本专利技术将显著降低光纤与集成光波导回路的耦合损耗，明显提高集成光子芯片对光信息传输效率和处理速度，推动新一代光电子技术的发展。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤锥的光波导耦合方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：/n步骤1：将入射光（1）耦合到第一单根或阵列化排布的光纤锥（2）；/n步骤2：将第一单根或阵列化排布的光纤锥（2）耦合到衬底（4）上单根或阵列化排布的光波导（3）的入射端，在所述光波导（3）的输出端通过透镜、物镜或光纤透镜（5）收集出射光，由光功率计（6）测试出射光的功率；/n步骤3：调节每根所述第一光纤锥（2）末端（13）与每根所述光波导（3）入射端之间的相对位置，使得测试到的所述光波导（3）输出端的输出功率最大；/n步骤4：将所述第一光纤锥（2）与所述光波导（3）入射端的位置固定并封装，组成便携式的光波导器件（7）；/n其中：/n所述入射光（1）的偏振态为：水平偏振或竖直偏振；/n所述第一光纤锥（2）的末端（13）的模场分布与光波导（3）的模场分布匹配；/n所述调节每根所述第一光纤锥（2）末端（13）与每根所述光波导（3）入射端之间的相对位置，具体为：调节每根所述第一光纤锥（2）末端与每根所述光波导（3）入射端的横向位置，使得所述第一光纤锥（2）与所述光波导（3）的模场分布在横向方向上具有最大的空间重叠，再调节纵向位置，使得所述第一光纤锥（2）的末端（13）正好接触到所述光波导（3）的入射端面。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤锥的光波导耦合方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：将入射光（1）耦合到第一单根或阵列化排布的光纤锥（2）；
步骤2：将第一单根或阵列化排布的光纤锥（2）耦合到衬底（4）上单根或阵列化排布的光波导（3）的入射端，在所述光波导（3）的输出端通过透镜、物镜或光纤透镜（5）收集出射光，由光功率计（6）测试出射光的功率；
步骤3：调节每根所述第一光纤锥（2）末端（13）与每根所述光波导（3）入射端之间的相对位置，使得测试到的所述光波导（3）输出端的输出功率最大；
步骤4：将所述第一光纤锥（2）与所述光波导（3）入射端的位置固定并封装，组成便携式的光波导器件（7）；
其中：
所述入射光（1）的偏振态为：水平偏振或竖直偏振；
所述第一光纤锥（2）的末端（13）的模场分布与光波导（3）的模场分布匹配；
所述调节每根所述第一光纤锥（2）末端（13）与每根所述光波导（3）入射端之间的相对位置，具体为：调节每根所述第一光纤锥（2）末端与每根所述光波导（3）入射端的横向位置，使得所述第一光纤锥（2）与所述光波导（3）的模场分布在横向方向上具有最大的空间重叠，再调节纵向位置，使得所述第一光纤锥（2）的末端（13）正好接触到所述光波导（3）的入射端面。


2.一种基于光纤锥的光波导耦合方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：将入射光（1）耦合到第一单根或阵列化排布的光纤锥（2）；
步骤2：将第一单根或阵列化排布的光纤锥（2）耦合到衬底（4）上单根或阵列化排布的光波导（3）的入射端，在所述光波导（3）的输出端通过透镜、物镜或光纤透镜（5）收集出射光，由光功率计（6）测试出射光的功率；
步骤3：调节每根所述第一光纤锥（2）末端（13）与每根所述光波导（3）入射端之间的相对位置，使得测试到的所述光波导（3）输出端的输出功率最大，并将其位置固定；
步骤4：将透镜、物镜或光纤透镜（5）撤去，采用第二单根或阵列化排布的光纤锥（8），收集出射光...

【专利技术属性】
技术研发人员：程亚，林锦添，周俊霞，高仁宏，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31