硅光学习-5- 波导与光纤的耦合

由于硅光波导的尺寸很小，而单模光纤的尺寸相对大很多（芯径尺寸约8~10um），将光波导与单模光纤连接时，由于模式不匹配会导致较大的耦合损耗。因此，为了实现模式的匹配通常会采用模式尺寸转换器（spot-size conversion，SSC）或光栅耦合器的方案。

1、端面波导结构：

在2002年的文献1中就已提出一种高效的模斑尺寸转换器（SSC），其采用反向绝热的波导锥形结构。如图1所示，该转换器具有双芯结构，由硅taper和氧化硅基波导组成。在典型的1550nm波长红外光设计中，锥体的尖端最终应小于100 nm，氧化硅基波导尺寸为：3μm2，与包层的折射率差为2.5%。在这样的双芯结构中，从硅波导尖端泄漏的光被氧化硅基的波导捕获，将模式进行了放大后传输，这大大提高了波导与光纤的光耦合效率。

图1、光斑尺寸转换器示意图[1]

图2显示了400nm×200nm硅光波导与3μm2的氧化硅基波导之间的模式转换效率。

图2、不同几taper尺寸的光斑尺寸转换效率

从图中可以看出，一个200μm长、80 nm尖端的taper在TE/TM两种极化下都会产生约0.1 dB的转换损耗。更短更宽的taper则会导致耦合效率降低。由于氧化硅基波导（3μm2）与高数值孔径（NA，模式尺寸4.3um）光纤之间的耦合损耗约为0.1 dB，通过应用热膨胀芯（thermally expanded core，TEC）技术，高NA光纤和普通单模光纤的转换损耗可以降低到约0.1 dB。因此，光波导和单模光纤之间，总耦合损耗小于0.5 dB[3]。

2、光栅耦合器：

此外，还有可以进行垂直耦合的光栅耦合器结构[2]，对于该结构，计算出光波导和普通单模光纤之间的耦合效率为−5至−3dB。

图3、光栅耦合器在光波导与光纤之间的耦合原理以及仿真耦合效率结果[2]