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        談硅光耦合中的模場匹配

        光纖在線編輯部  2019-09-23 14:25:30  文章來源:綜合整理  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

        導讀:本文主要探討光纖與硅光波導耦合中模場匹配。

        9/23/2019,近年來,光通信網絡在容量更大、速率更高的方向上不斷發展,以及大型數據中心的規模建設,對現有的光設備或者器件來說,性能和成本已經不能應對更高速率、更大容量的數據處理。硅光子器件在低成本、高集成度、更高互聯密度等方面,比現有通信技術更有優勢,能夠滿足未來光網絡、數據中心的新需求。因此,越來越多的公司已經進入硅光領域。 

            本文主要探討光纖與硅光波導耦合中模場匹配。最常用的單模光纖纖芯直徑約9um,大多數無源器件中主要使用光纖準直器進行耦合,通常準直器輸出的高斯光束束腰直徑約300um~400um,只要兩個準直器能夠互相匹配,就可以很容易進行耦合調試。但是在硅光子器件中寬度只有0.3~0.5um,如圖1所示的脊形光波導,波導寬度只有0.5um。


            從物理尺寸上對比,單模的光纖的9um纖芯與寬度為0.5um的波導在幾何尺寸上巨大差別造成了模場的嚴重失配,也就是說單模光纖傳輸的光信號難以耦合進波導中。但是可以通過設計不同結構、不同材質的光耦合器件,使片上硅波導的光模場同單模光纖的光模場耦合相匹配,達到最優的光耦合效率。通常使用SSC(spot size converter)耦合以及光柵耦合兩種方式。本文我們使用SSC模斑變換器作為波導端面耦合器。端面耦合是應用端面耦合器,使光信號直接在硅基波導的橫截面和光纖的橫截面直接相耦合。端面耦合器的優點在于耦合效率較高,而且能夠在不改變光路的情況下進行對準。如圖3所示,使用SSC可以將硅光波導0.5um的光模場擴束到3um左右,但是與單模光纖9um的纖芯直徑還是存在較大的差距,仍然存在很大的模場失配,耦合損耗大,無法滿足要求。

        圖3 SSC模斑變換器與單模光纖耦合

            再者,我們進一步對光纖進行處理,將單模光纖的輸出模場收縮,使之與SSC模場相匹配。如何實現將單模光纖模場收束?一種是將單模光纖進行拉錐處理,將光纖纖芯拉細,或者通過精密研磨,將光纖加工成錐形透鏡光纖;還有一種就是在單模光纖后面續接一段細芯光纖。


             若不考慮制作工藝難度及加工效率,錐形透鏡光纖的耦合效率會比單模光纖熔接細纖芯光纖的耦合效率高。制作錐形透鏡光纖需要精密的設備,嚴格的工藝控制,制作效率不高,通常還需要對錐尖進行曲率加工,才能形成類似聚焦透鏡的作用,綜合制作工藝難度、效率、人工成本,對于光器件廠商來說可能不是很好的選擇。因此,直接使用單模光纖熔接小模場直徑的光纖,雖然也會存在熔接損耗,但是通過一些特殊的工藝處理,也可以將熔接損耗降到極低,這樣的的處理方式,穩定性好,工藝簡單,生產效率高,或許可以成為器件廠商更好的選擇。

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            光越科技是一家專業研發、生產和銷售光無源器件的高科技公司,產品廣泛應用于光纖通信、量子通信、激光傳感、激光醫療、激光加工、激光雷達等光電子及先進制造領域。光越科技在基礎光纖處理、微光學器件、保偏光纖器件、集成光學器件、高功率光器件、功能模塊的設計、研發、生產及應用上累積的豐富經驗,具備產品自主創新能力,目前已申請五十幾項專利,同時可以為客戶提供特殊定制化產品及產品應用方案。光越科技研發及生產的保偏器件光學性能優異,尤其是行業領先的偏振消光比達到30dB以上,成為量子通信、相干通信、光纖傳感、慣性導航系統等高端應用領域的重要元件;中高功率激光輸出頭能承受峰值功率達到百兆瓦的量級、連續功率達到萬瓦級別,產品高耐用性及技術先進性深受客戶歡迎;高功率隔離器提供承受500W功率的產品,在工業激光加工中可以更好的保護大功率激光源;專業光纖處理技術,如透鏡光纖、光纖擴束、光纖收束等為5G光通信、數據中心、硅光子等領域應用蓄力;耦合器產品系列已覆蓋單模光纖、保偏光纖、多模光纖多種類型,具有優良的環境穩定性、低附加損耗及優良的偏振特性;新開發的隔離器、環形器豐富了產品線,從標準封裝到緊湊封裝、從單模、多模到保偏及其他特種光纖、從可見光波段到2100nm,成為國內磁光產品最齊全的廠家,滿足多樣化的市場需求。光越科技通過不斷精研創新,注重市場需求,設計研發更多優質產品。
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