CN101556356A - 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光栅耦合器,由上至下依次包括上包层、光栅层、波导层和下包层,所述光栅层采用二元闪耀光栅,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。本发明所提供的二元闪耀光栅耦合器可以获得高的耦合效率,实现完全垂直耦合,而且制备容易;通过调节光栅参数,实现入射光按照不同偏振态或者波长分别耦合进不同的波导中,为偏振分束和波分复用等提供有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及光通信和光互连领域,特别是涉及一种光波导的耦合结构。
背景技术
随着光电子技术的发展,光电子器件的尺寸越来越小,特别是硅基光电子学的发展,更多的光电子功能器件被集成在同一芯片上。但是同时,小的尺寸也给系统的耦合和对准带来很大的困难。一般来说,SOI(绝缘体上硅)集成光波导截面尺寸比普通单模光纤小几十倍,即使拉锥光纤也无法克服如此巨大的模场失配。单模光纤和单模SOI纳米波导间直接端对端的耦合损耗大于26dB,这是我们无法接受的。目前,硅基波导器件,如调制器、分束器等都取得了巨大的发展,但系统对外的耦合问题始终是一个严峻的挑战。
通常的端面耦合方法有三维锥形结构,多层锥形结构和倒锥形结构等。但这些结构的制备非常困难,而且制作容差小,还需要侧面抛光,耦合封装困难,不适应大规模集成光路的发展。光栅耦合器作为一种面耦合器成为这方面研究的热点。它可以在系统的任何地方实现信号的上载下载,大大增强了系统的灵活性。但由于普通对称光栅耦合效率的局限性,必须采用倾斜入射的方法。垂直耦合在集成光路的应用方面具有更大的吸引力,它能大大加强系统的灵活性和降低对准封装难度。一般的垂直耦合方案有闪耀光栅,倾斜光栅。但是这些光栅制备困难,与传统CMOS工艺不兼容,无法进行大规模批量生产。另外还有许多改进的方案,但都会存在耦合带宽过窄,加工困难,耦合长度过大,角度带宽太小等种种问题。而且,由于SOI光波导中TE和TM两偏振模有效折射率的巨大差异,实现偏振无关的耦合还存在困难。
对于集成光电器件的测试,目前实验室较为常用的耦合方法为“拉锥光纤”或“磨锥光纤”直接与光波导端面耦合。这种方法仍无法解决厚度上的巨大差异,耦合效率非常低。而且耦合对震动和高度方向上的变化非常敏感,需要很好的环境条件和花费长时间的对准工作。因此,亟需一种有效的简单易做的高性能耦合方案。
发明内容
为了克服现有技术中存在的光电子器件的耦合难题,本发明的目的是提供一种纳米光波导的光栅耦合器,特别是提供一种应用于偏振分束、波长滤波、波分复用等的多层光栅耦合结构。
为达到上述目的,本发明的技术方案提供一种光栅耦合器,由上至下依次包括上包层、光栅层、波导层和下包层,所述光栅层采用二元闪耀光栅。
其中,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。
其中,所述光栅层在波导层之上。
其中,所述光栅层全部在波导层之中或者部分在波导层之中。
其中,所述波导层的折射率大于上包层和下包层的折射率。
其中,所述光栅层所用的材料与所述波导层所用的材料相同或者不同。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长。
其中,所述上包层为空气。
本发明还提供一种多层光栅耦合结构,由上至下依次包括上包层、上光栅层、上波导层、隔离层、下光栅层、下波导层和下包层,所述上、下光栅层采用二元闪耀光栅。
所述隔离层的折射率小于上、下波导层的折射率。
其中,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。
其中,所述光栅层在波导层之上。
其中,所述光栅层全部在波导层之中或者部分在波导层之中。
其中,所述波导层的折射率大于上包层和下包层的折射率。
其中,所述光栅层所用的材料与所述波导层所用的材料相同或者不同。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长。
其中,所述上包层为空气。
本发明所提供的光栅耦合器利用二元闪耀光栅结构,获得高的耦合效率,实现完全垂直耦合,而且宽度可调、等高度的二元闪耀光栅结构,在器件的制备上比普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅容易,制备工艺与CMOS兼容;输入光源可以放置在样片表面任何地方,且不需要对输入端面的解理,抛光;通过调制每个子周期的光栅宽度,实现入射光按照不同偏振态或者波长分别耦合进不同的波导中,为偏振分束,波长滤波,波分复用/解复用提供有效途径。
附图说明
图1是本发明实施例的一种光栅耦合器结构示意图;
图2是本发明实施例的一种光栅耦合器中的二元闪耀光栅的结构示意图;
图3是本发明实施例的一种多层光栅耦合结构的示意图。
其中,1:输入光;2:上包层;3:光栅层;4:波导层;5:下包层;6:隔离层;7-10:不同波长或不同偏振态的光波。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种二元闪耀光栅耦合器,其结构主要包括波导上包层、光栅层、波导层和下包层(也叫衬底层)。来自光纤或半导体激光器的输出光从上包层(或下包层)射入光栅表面,在光栅衍射的作用下光被耦合进光栅下面的光波导中。
闪耀光栅能够将衍射光闪耀到某一衍射级上,大大提高光栅的衍射效率。二元闪耀光栅是一种亚波长光栅,这种光栅的周期小于光波长,它不产生衍射波,只有零级后向反射光和零级透射光,通过改变光栅结构,可以调制透射波和反射波的相位和振幅。二元闪耀光栅结构是一种光栅宽度调制的等高度光栅,因此在器件的制备上比普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅容易,而且与传统的CMOS工艺兼容。二元闪耀光栅的原理是基于亚波长光栅的等效介质膜理论:亚波长光栅可以等效为一定厚度的均匀介质,其等效折射率是光栅占空比f的函数(如公式1所示)。因此,通过调制光栅的占空比可以实现闪耀光栅的效果。
另外,二元闪耀光栅的等效折射率分布与入射光的偏振态有关。利用该特点,可以实现高消光比的偏振耦合,将不同偏振态的入射光耦合到不同的波导中去。而且,利用双向耦合或多层耦合的方法还可以实现波长的路由,将不同波长的光波耦合到不同的波导中去。
如图1所示,本发明实施例提供的光栅耦合结构,由上而下依次包括上包层2、光栅层3、波导层4以及下包层5,所述光栅采用二元闪耀光栅,可以是一维二元闪耀光栅或者二维二元闪耀光栅。输入光1可以是来自于光纤或者半导体激光器,由上包层2输入所述光栅耦合器,也可以根据不同的需要从下包层5输入,利用光栅的反射特性将光耦合进波导中。所述光栅层3的材料可以与波导材料相同也可以不同,根据需要可以改变光栅与波导的位置关系,图中当h1=0时表示光栅在波导中,h2=0时表示光栅在波导上面,h1≠0,h2≠0表示光栅一部分在波导中,一部分在波导上。波导层4的折射率大于上包层2和下包层5的折射率。所述上包层2可以为空气。
图2是本发明实施例的光栅耦合器的二元闪耀光栅的剖面示意图。所述二元闪耀光栅的光栅周期是T,满足光栅耦合的布拉格条件。每个周期内又分为若干个子周期,子周期为Λ,子周期的大小小于入射波波长。每个子周期的光栅宽度不一致,分别为w1,w2,w3……。通过调制每个子周期的光栅宽度来实现其等效折射率的调制,从而获得闪耀光栅的性能。
如图3所示为本发明实施例提供的一种多层光栅耦合结构示意图。所述多层光栅耦合结构由上而下依次包括上包层2、上、下光栅层3、上、下波导层4、下包层5以及隔离层6。所述所述隔离层6的折射率小于上、下波导层4的折射率。输入光1可以是来自于光纤或者半导体激光器,由上包层2输入所述光栅耦合器,也可以根据不同的需要从下包层5输入,利用光栅的反射特性将光耦合进波导中。所述上、下光栅层3采用二元闪耀光栅,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。所述光栅层3可以全部在波导层4之上,可以全部在波导层4之中或者部分在波导层4之中。所述波导层4的折射率大于上包层2和下包层5的折射率。所述光栅层3所用的材料与所述波导层4所用的材料相同或者不同。所述光栅层3的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。所述光栅层3的每个光栅子周期的大小均小于入射光1的波长。所述上包层2可以为空气。由于不同偏振态或者不同波长的光波7、8、9和10的耦合条件不同,表现在二元闪耀光栅上就是各子周期内光栅宽度不同,通过优化设计光栅参数可以实现将入射光1按照不同偏振态或者不同波长分开耦合进不同的波导中。所述多层耦合结构可以在耦合的同时实现偏振分束、波长滤波、波分复用等功能。
本发明所提供的光栅耦合器,利用二元闪耀光栅结构可以获得高的耦合效率,实现完全垂直耦合,而且宽度可调、等高度的二元闪耀光栅结构,在器件的制备上比普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅容易,制备工艺与CMOS兼容;输入光源可以放置在样片表面任何地方,且不需要对输入端面的解理,抛光;通过调制每个子周期的光栅宽度,实现入射光按照不同偏振态或者波长分别耦合进不同的波导中,为偏振分束,波长滤波,波分复用/解复用提供有效途径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1、一种光栅耦合器,由上至下依次包括上包层、光栅层、波导层和下包层,其特征在于,所述光栅层采用二元闪耀光栅。
2、如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。
3、如权利要求2所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层完全位于波导层之上。
4、如权利要求2所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层全部位于波导层之中或者部分位于波导层之中。
5、如权利要求3或4所述的光栅耦合器,其特征在于,所述波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率。
6、如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层所用的材料与所述波导层所用的材料相同或者不同。
7、如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。
8、如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长。
9、如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述上包层为空气。
10、一种多层光栅耦合结构,由上至下依次包括上包层、上光栅层、上波导层、隔离层、下光栅层、下波导层和下包层,其特征在于,所述上、下光栅层采用二元闪耀光栅。
11、如权利要求10所述的多层光栅耦合结构,其特征在于,所述隔离层的折射率小于上、下波导层的折射率。
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