单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合系统及优化方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115993690A(43)申请公布日2023.04.21(21)申请号202310167915.0(22)申请日2023.02.27(71)申请人雄安创新研究院地址071899河北省保定市雄县朱各庄镇陈台村美泉世界温泉假日酒店105室(72)发明人刘杰涛陶冶王梦宾卢娟付孟博张薇祝宁华宋国峰(74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021专利代理师周天宇(51)Int.Cl.G02B6/42(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图2页(54)发明名称单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合系统及优化方法(57)摘要本公开实施例提供了一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合系统，包括：光芯片波导、单模光纤和双透镜；双透镜设于光芯片波导和单模光纤之间，用于将从所述单模光纤射出的光耦汇聚耦合进所述光芯片波导。该双透镜高效耦合系统具有结构简单、可靠性高、调整装配简便、容差大、成本低等特点，可满足有高效率单模光纤到光芯片耦合要求的光通讯、光纤通信、微波光子学等相关科研与工业生产等领域的要求。CN115993690ACN115993690A权利要求书1/1页1.一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合系统，其特征在于，包括：光芯片波导、单模光纤和双透镜；所述双透镜设于所述光芯片波导和所述单模光纤之间，用于将从所述单模光纤射出的光耦汇聚耦合进所述光芯片波导。2.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，所述双透镜的透镜尺寸包括：w＝0.6mm，h∈(0.94～1.5)mm，t∈(0.54～1)mm，w表示透镜的宽度，h表示透镜的高度，t表示透镜的厚度；所述双透镜中透镜之间的距离Δx∈(5～10)mm；所述双透镜的对准距离ΔXcoupling∈(0.10.5)μm。3.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，所述单模光纤的数值孔径为0.13，所述双透镜的数值孔径与所述单模光纤的数值孔径匹配，所述光芯片波导的数值孔径为0.9558。4.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，所述光芯片波导、所述光纤和所述双透镜的模场匹配。5.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，所述单模光纤满足条件：θ≤2arcsinNA，其中，θ表示单模光纤的远场发散角，NA表示所述单模光纤的数值孔径。6.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，所述双透镜高效耦合系统的工作波长为1550nm。7.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，在所述双透镜高效耦合系统中，距离轴心半径距离3～4μm的范围内，从所述单模光纤射出的光的能量分布比率大于90％。8.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，所述双透镜中的两个透镜固定在底座上。9.根据权利要求1所述的双透镜高效耦合系统，其特征在于，所述单模光纤为型号为SMF‑28。10.一种优化方法，应用于如权利要求1至9任意一项所述的单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合系统，其特征在于，包括：构建双透镜的模型，设置评价函数，所述评价函数为双透镜的聚焦图像大小的均方根函数，所述均方根函数与所述双透镜的操作数相关；迭代优化所述模型，优化所述双透镜的参数，矫正所述双透镜的球差、慧差和像散，直至所述评价函数的数值满足预设条件，所述参数包括所述双透镜中每个透镜的曲率半径、厚度以及孔径和所述双透镜的间距；基于优化后的所述参数制备和设置所述双透镜。2CN115993690A说明书1/4页单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合系统及优化方法技术领域[0001]本公开涉及光通信与光探测器件及光模块技术领域，尤其涉及一种单模光纤到光芯片波导的双透镜高效耦合系统及优化方法。背景技术[0002]宽带通信的需求和大数据信息激增都促使着无线通信和数据处理带宽、速率的不断提升。基于低损耗光纤技术的高带宽电光调制器、光电转换器件的光载无线通信系统正受到学术界和工业界的广泛关注。[0003]由于采用面入射方案的传统光电探测器无法实现光信号群速度与电信号相速度匹配，因此芯片带宽受限。采用边入射波导结构方案的新型器件设计，可以提高饱和功率的同时还可以提升光探测器的带宽，而提高带宽需要光纤和芯片边入射波导之间高效耦合。除了带宽指标，光响应度是另一重要指标，而提高光响应度只能通过提高光耦合效率来解决。但是，光电子芯片的高集成特性，导致光子芯片波导的尺寸与现有光通讯用光纤严重模式失配，导致了耦合损耗巨大的问题。[0004]现有的单模光纤的纤芯直径通常为8微米，波导端面尺寸通常为800nm，前者是后者的10倍左右。光纤到芯片波导的耦合损耗导致光电子芯片在性能上和许多应用上受到了限制。尽管为了降低光纤‑芯片的耦合损耗，已有一些方案被