谈硅光耦合中的模场匹配

9/23/2019，近年来，光通信网络在容量更大、速率更高的方向上不断发展，以及大型数据中心的规模建设，对现有的光设备或者器件来说，性能和成本已经不能应对更高速率、更大容量的数据处理。硅光子器件在低成本、高集成度、更高互联密度等方面，比现有通信技术更有优势，能够满足未来光网络、数据中心的新需求。因此，越来越多的公司已经进入硅光领域。 

    本文主要探讨光纤与硅光波导耦合中模场匹配。最常用的单模光纤纤芯直径约9um，大多数无源器件中主要使用光纤准直器进行耦合，通常准直器输出的高斯光束束腰直径约300um~400um，只要两个准直器能够互相匹配，就可以很容易进行耦合调试。但是在硅光子器件中宽度只有0.3~0.5um，如图1所示的脊形光波导，波导宽度只有0.5um。


    从物理尺寸上对比,单模的光纤的9um纤芯与宽度为0.5um的波导在几何尺寸上巨大差别造成了模场的严重失配，也就是说单模光纤传输的光信号难以耦合进波导中。但是可以通过设计不同结构、不同材质的光耦合器件，使片上硅波导的光模场同单模光纤的光模场耦合相匹配，达到最优的光耦合效率。通常使用SSC（spot size converter）耦合以及光栅耦合两种方式。本文我们使用SSC模斑变换器作为波导端面耦合器。端面耦合是应用端面耦合器，使光信号直接在硅基波导的横截面和光纤的横截面直接相耦合。端面耦合器的优点在于耦合效率较高，而且能够在不改变光路的情况下进行对准。如图3所示，使用SSC可以将硅光波导0.5um的光模场扩束到3um左右，但是与单模光纤9um的纤芯直径还是存在较大的差距，仍然存在很大的模场失配，耦合损耗大，无法满足要求。

图3 SSC模斑变换器与单模光纤耦合
    再者，我们进一步对光纤进行处理，将单模光纤的输出模场收缩，使之与SSC模场相匹配。如何实现将单模光纤模场收束？一种是将单模光纤进行拉锥处理，将光纤纤芯拉细，或者通过精密研磨，将光纤加工成锥形透镜光纤；还有一种就是在单模光纤后面续接一段细芯光纤。


     若不考虑制作工艺难度及加工效率，锥形透镜光纤的耦合效率会比单模光纤熔接细纤芯光纤的耦合效率高。制作锥形透镜光纤需要精密的设备，严格的工艺控制，制作效率不高，通常还需要对锥尖进行曲率加工，才能形成类似聚焦透镜的作用，综合制作工艺难度、效率、人工成本，对于光器件厂商来说可能不是很好的选择。因此，直接使用单模光纤熔接小模场直径的光纤，虽然也会存在熔接损耗，但是通过一些特殊的工艺处理，也可以将熔接损耗降到极低，这样的的处理方式，稳定性好，工艺简单，生产效率高，或许可以成为器件厂商更好的选择。

关于光越科技
    光越科技是一家专业研发、生产和销售光无源器件的高科技公司，产品广泛应用于光纤通信、量子通信、激光传感、激光医疗、激光加工、激光雷达等光电子及先进制造领域。光越科技在基础光纤处理、微光学器件、保偏光纤器件、集成光学器件、高功率光器件、功能模块的设计、研发、生产及应用上累积的丰富经验，具备产品自主创新能力，目前已申请五十几项专利，同时可以为客户提供特殊定制化产品及产品应用方案。光越科技研发及生产的保偏器件光学性能优异，尤其是行业领先的偏振消光比达到30dB以上，成为量子通信、相干通信、光纤传感、惯性导航系统等高端应用领域的重要元件；中高功率激光输出头能承受峰值功率达到百兆瓦的量级、连续功率达到万瓦级别，产品高耐用性及技术先进性深受客户欢迎；高功率隔离器提供承受500W功率的产品，在工业激光加工中可以更好的保护大功率激光源；专业光纤处理技术，如透镜光纤、光纤扩束、光纤收束等为5G光通信、数据中心、硅光子等领域应用蓄力；耦合器产品系列已覆盖单模光纤、保偏光纤、多模光纤多种类型，具有优良的环境稳定性、低附加损耗及优良的偏振特性；新开发的隔离器、环形器丰富了产品线，从标准封装到紧凑封装、从单模、多模到保偏及其他特种光纤、从可见光波段到2100nm，成为国内磁光产品最齐全的厂家，满足多样化的市场需求。光越科技通过不断精研创新，注重市场需求，设计研发更多优质产品。