【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及集成光子學領域，具體涉及一種基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器及其制備方法。
技術介紹
1、隨著互聯網和新一代信息技術的迅猛發展，人工智能、物聯網、云計算等新興技術對數據傳輸的要求日益提高，迎來了超高速、超大容量、超遠距離、多數據處理等復雜傳輸需求的挑戰。在這個背景下，作為通信系統重要組成部分的光纖通信系統迫切需要升級以適應未來的通信發展趨勢。
2、傳統的光通信系統存在信息處理能力有限、傳輸損耗高、集成度受限等缺陷，基于光子芯片集成的光通信系統通過在單一芯片上集成光源、光調制、信號處理和檢測等功能，提高了集成度和數據處理的性能。為應對超高速、超遠距離的復雜傳輸需求，將光纖通信系統與光子芯片集成的通信系統相結合既具備超高速、超遠距離的優勢，又能達到超大容量和多數據處理的需求，是光通信系統未來發展的趨勢。
3、隨著光纖通信技術和集成光子學的快速發展，光纖與波導芯的耦合技術在光通信系統中起著至關重要的作用。光纖是長距離光信號傳輸的關鍵載體，而波導則廣泛應用于集成光子器件和芯片中。在光纖通信與光波導通信相結合的通信系統中，需要將光纖中的光信號高效地耦合到波導芯中，或將波導中的光信號高效地引出到光纖中。但由于光纖與波導的模式場大小和傳播特性通常存在差異，耦合效率往往受到影響。
4、現有的波導與光纖的耦合技術包括端面耦合法、光柵耦合法、空間光路耦合法等，其中端面耦合法和空間光路耦合法因需要光纖芯與波導芯對準和相匹配的問題，會存在對準精度要求高、插入損耗大的缺點，光柵耦合法存在制作過程復雜
技術實現思路
1、為了克服現有技術存在的不足，本專利技術提供了一種基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器。
2、本專利技術的第二個目的是提供了一種基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器的制備方法。
3、本專利技術解決上述技術問題的技術方案是：
4、一種基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，包括襯底、設置在襯底上的波導包層以及設置在所述波導包層內的單模光纖芯和少模波導芯，其中，
5、所述單模光纖芯和所述少模波導芯位于同一平面內，且兩者平行設置；
6、當所述單模光纖芯和所述少模波導芯滿足相位匹配條件時，即所述單模光纖芯的基模lp01與所述少模波導芯的emn模式的有效折射率相同，且所述少模波導芯與所述單模光纖芯之間的間隔g與耦合長度相匹配時，所述單模光纖芯的基模lp01耦合并轉化為所述少模波導芯的emn模式從該少模波導芯輸出，實現單模光纖芯的基模的光信號耦合并轉化為少模波導芯的emn模的光信號。
7、優選的，所述少模波導芯與所述單模光纖芯的耦合長度lc為：
8、
9、式中，k為耦合系數。
10、優選的，所述波導包層包括波導上包層和波導下包層。
11、優選的，所述襯底為硅基襯底。
12、一種基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器的制備方法，包括以下步驟：
13、步驟s1：對單模光纖進行腐蝕、拉錐、光刻處理；
14、步驟s2：對硅基襯底的表面進行處理以確保其光潔平整，并將包層材料涂敷到硅基襯底上作為波導下包層；
15、步驟s3：在波導下包層的表面覆膜，并在薄膜表面涂覆一層少模波導光刻膠，采用低轉速將少模波導光刻膠在硅基襯底的表面鋪開，接著采用高轉速促使少模波導光刻膠揮發以達到預定厚度；
16、步驟s4：將旋涂好少模波導光刻膠的硅基襯底放入掩膜光刻裝置的設備艙中，按設計的少模波導圖形文件對少模波導光刻膠進行掩膜光刻；
17、步驟s5：得到的硅基襯底放入顯影液中，除去未暴露在紫外光下的部分少模波導光刻膠，進行顯影后定影；
18、步驟s6：將步驟s1中的單模光纖芯放置在硅基襯底中與少模波導芯同一平面上并固定，所述少模波導芯與所述單模光纖芯之間的間隔控制為g；
19、步驟s7：在少模波導芯和波導下包層的表面制備一層波導上包層。
20、優選的，在步驟s1中，對單模光纖進行處理的步驟為：
21、步驟s101：采用酒精對單模光纖進行清潔處理，將單模光纖浸入腐蝕劑中，觀察單模光纖包層的腐蝕狀況并控制腐蝕時間，以確保單模光纖芯不會被過度腐蝕以及單模光纖包層被完全腐蝕；
22、步驟s102：使用中和劑中和腐蝕劑，并使用清水清洗腐蝕后的單模光纖，接著用干燥的氮氣吹干單模光纖芯；
23、步驟s103：將腐蝕后的單模光纖芯放置在光纖拉錐機上，根據單模光纖設計需求制定拉錐參數，使用顯微鏡觀察單模光纖芯的拉錐過程，以確保錐形的均勻性和精確性；
24、步驟s104：將拉錐后的單模光纖固定在操作臺上，使用加熱器對單模光纖芯進行加熱，使其軟化；使用彎曲模具將單模光纖芯彎曲成預定形狀后，停止加熱并冷卻單模光纖；
25、步驟s105：使用顯微鏡檢查彎曲部分的單模光纖芯，以確保該單模光纖芯沒有裂紋、過度拉伸或變形。
26、優選的，在步驟s1中，單模光纖芯的拉錐角度為為0.5度至3度；拉錐光纖的腰區直徑為5微米至20微米，單模光纖芯的彎曲半徑為30毫米至50毫米。
27、本專利技術與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
28、1、本專利技術的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器通過將經過腐蝕、拉錐的單模光纖芯與少模波導芯放置在同一平面形成定向耦合器，實現單模光纖的光信號耦合并轉化為少模波導的光信號的功能；此外，本專利技術的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器可以將單模光纖的基模耦合并轉化為少模波導的任意模式，而且本專利技術的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器具備設計靈活、穩定性強、插入損耗低的特點。
29、2、本專利技術的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器具有結構穩定性強、設計靈活、可擴展性強等特點；通過控制少模波導的結構(寬、高)、材料及少模波導芯與單模光纖芯之間的間隔等變量，可以滿足單模光纖芯的基模lp01與少模波導芯的任意一個emn模式相位匹配條件，實現單模光纖的基模lp0耦合并轉化為少模波導芯的任意一個emn模式的功能。
30、3、本專利技術的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器還具備耦合效率高、精度要求低的特性，可以在集成光子學與光纖光學相結合的應用領域得到廣泛應用。
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1.一種基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，包括襯底、設置在襯底上的波導包層以及設置在所述波導包層內的單模光纖芯和少模波導芯，其中，
2.根據權利要求1所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，所述少模波導芯與所述單模光纖芯的耦合長度Lc為：
3.根據權利要求2所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，所述波導包層包括波導上包層和波導下包層。
4.根據權利要求3所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，所述襯底為硅基襯底。
5.一種用于權利要求4所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟S1中，對單模光纖進行處理的步驟為：
7.根據權利要求6所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟S1中，單模光纖芯的拉錐角度為為0.5度至3度；拉錐光纖的腰區直徑為5微米至20微米，單模光纖芯的彎曲
...【技術特征摘要】
1.一種基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，包括襯底、設置在襯底上的波導包層以及設置在所述波導包層內的單模光纖芯和少模波導芯，其中，
2.根據權利要求1所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，所述少模波導芯與所述單模光纖芯的耦合長度lc為：
3.根據權利要求2所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，所述波導包層包括波導上包層和波導下包層。
4.根據權利要求3所述的基于單模光纖與任意波導耦合的定向耦合器，其特征在于，所述...
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