CN103837937A - 棱镜-光栅光波导耦合器及光波导设备 - Google Patents

Abstract

一种棱镜-光栅光波导耦合器及具有该光波导耦合器的光波导设备，该光波导耦合器包括棱镜、制作在平面波导上的光栅和模式转换器，可将自由空间入射光耦合到平面波导，并转换为脊型波导模式。棱镜为分立元件，与光栅之间留有空气间隙，使自由空间入射光在棱镜底面全发射产生消逝场。光栅制作在平面波导上，通过衍射对消逝场产生扰动，将光能量耦合进平面波导中。模式转换器具有由宽渐窄的脊型部分，将耦合进来的波导模式转化为脊型波导中的波导模式。该光波导耦合器能够有效地将自由空间的光耦合到SOI等高折射率光波导中，有效解决脊型波导的耦合和模式转换问题，兼具棱镜耦合器和光栅耦合器的优点，适用范围广，且制作简单、加工方便。

Description

棱镜-光栅光波导耦合器及光波导设备

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，特别是涉及一种棱镜-光栅光波导耦合器和具有该棱镜-光栅光波导耦合器的光波导设备。

背景技术

上个世纪，人类步入电子信息化，以计算机、微电子和通信技术为主的信息技术在军事、科研、教育、生活等各个领域中都得到了广泛应用。到了上世纪七十年代，低损耗光纤的出现使光通信技术飞速发展，光纤成了各种应用领域中的理想传输介质，替代了以前的大部分传输介质。但是随着光通信的发展，传统的光学设备笨重庞大，已无法适应光通信的进一步发展的需要。研究人员提出将微电子和光电子技术相结合，在集成电路芯片间及芯片内部引入集成光路，实现光电器件的一体化集成，充分发挥硅基微电子技术高集成密度、易批量化生产、价格低廉等先进成熟的工艺优势以及光子极高带宽、高抗干扰性和超快传输速率的优势，因而诞生了硅基光电子学这门新的学科。

绝缘体上硅SOI(silicon-on-insulator)是在硅基光电子学高度发展的基础上出现的一种独具优势且能突破体硅技术和硅集成电路技术发展瓶颈的新型技术材料。SOI材料具有高速、低压、低功耗、耐高温等优点，是解决超大规模集成电路功耗危机的关键技术。更重要的是，由于SOI材料的折射率差很大，对光的限制性很强，因而导波性能好，传输损耗低，器件尺寸小，并且与标准的CMOS工艺完全兼容。加之目前SOI制备技术成熟多样，成本低廉，关于这种材料的技术受到众多研究者的密切关注和广泛研究。

到目前为止，能够将自由空间的光耦合到光波导中的耦合器有很多种，其中最常用的是棱镜耦合器和光栅耦合器。棱镜耦合器结构简单，耦合效率高，使用方便，灵活性强，但是棱镜耦合要求棱镜的折射率必须高于光波导材料的折射率，否则入射光根本无法通过棱镜耦合器激励起相应的光波导模式。光栅耦合器应用广泛，既可用于光纤与光波导的耦合，也可实现自由空间光到光波导的耦合。相较于棱镜耦合器，光栅耦合器表面平整，体积小，而且不受光波导材料折射率的限制，适用于各种材料制成的光波导。但是对于光波导材料折射率很高的光波导，往往要求光栅的周期很短，这对光栅本身的制作增加了技术难度，甚至目前的光栅制作技术很难达到要求。

对于绝缘体上硅SOI材料制成的光波导，其光波导层是折射率相当高的Si（n=3.47）制成的顶硅层。找到一种棱镜材料的折射率高于硅是非常困难的，显然棱镜耦合器是不适用的。若采用光栅耦合器则需要将光栅的周期制作得很短，从光栅制作技术上来说又是难以实现的。因此，SOI等高折射率光波导的耦合器研制和模式激励是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种棱镜-光栅光波导耦合器，能够将自由空间光有效地耦合到绝缘体上硅（SOI）光波导或者其他高折射率光波导中的光波导耦合器，使得棱镜材料不受光波导材料折射率限制，并降低光栅的制作难度，同时兼有棱镜耦合器和光栅耦合器的优点。

另一目的是提供一种具有所述棱镜-光栅光波导耦合器的光波导设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种棱镜-光栅光波导耦合器，包括依次设置在光传输路径上的棱镜、制作在平面波导上的光栅、以及模式转换器，所述棱镜与所述光栅之间留有用于形成消逝场的空气间隙，所述平面波导和所述模式转换器形成在预先选定的高折射率光波导材料上，

所述棱镜的折射率与所述光栅的光栅周期的设置满足于下式所设定的条件：

$n_{\mathrm{off}}=\mathrm{\γ}\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}+n_{p}2\mathrm{in}{\mathrm{\θ}}_p$

其中，n_off＝β_m/k₀为m阶光波导模式的有效折射率，β_m为光波导的m阶光波导模式传播常数，k₀＝2π/λ为入射光在自由空间的传播矢量；γ为光栅的衍射级数，γ为任意整数；n_p为棱镜的折射率；λ为自由空间入射光在真空中的波长；Λ为光栅周期；θ_p为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面与法线的夹角，其中 ${\mathrm{\θ}}_p\≥{\mathrm{\θ}}_p^c,{\mathrm{\θ}}_p^c=\arcsin (1/n_p)$ 为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面的全反射临界角；

制作有光栅的平面波导、模式转换器和脊型波导沿着光传输路径形成在所述光波导材料上并依次连接，所述模式转换器包括脊宽沿波导光传播方向由宽渐窄的脊型部分，所述模式转换器的脊型部分的两端分别连接所述平面波导和所述脊型波导，所述模式转换器将耦合进来的波导模式转化为所述脊型波导中的波导模式。

本文中所称的高折射率光波导材料可以根据实际要求具体选择，并不限制光波导材料的类型。

进一步地：

所述模式转换器与所述制作有光栅的平面波导连接的一端的脊宽等于所述平面波导的宽度，与所述脊型波导连接的另一端脊宽等于所述脊型波导的脊宽。

所述由宽渐窄的脊型部分为锥形。

所述模式转换器和所述脊型波导的脊型区域的横截面均为矩形，且所述模式转换器的脊型部分与所述脊型波导的内、外脊的高度对应相等。

所述高折射率光波导材料为绝缘体上硅。

所述光栅的面积小于所述平面波导的面积。

所述平面波导上所述光栅与所述模式转换器之间留有预定的空白区域。

所述棱镜在所述光栅的上方，所述光波导的光传输路径沿水平方向延伸，所述棱镜的光入射侧面在所述光栅上的投影的长度方向与所述光传输路径一致。

所述有效折射率取0阶光波导模式的有效折射率，所述衍射级数取1。

一种光波导设备，包括所述的棱镜-光栅光波导耦合器。

本发明的有益技术效果：

本发明提出了一种棱镜-光栅光波导耦合器，通过使棱镜的折射率与光栅的光栅周期的设置满足设定条件，在棱镜侧面入射光的入射角满足棱镜内部入射光在棱镜-空气界面发生全反射的条件下，在棱镜与光栅的空气间隙里形成消逝场，通过倏逝波向光栅传递光能量，传递到光栅的倏逝波借助光栅的衍射作用与光波导中对应的光波导模式相位匹配，激励起相应的光波导模式。通过将平面波导、模式转换器和脊型波导沿着光传输路径形成在光波导材料上并依次连接，并将光栅形成在平面波导上，而模式转换器通过其由宽渐窄的脊型部分将平面波导中的波导模式转化为脊型波导中的波导模式，能够有效地将光栅传递的光耦合到SOI等高折射率光波导中，消除了棱镜材料选择受光波导材料折射率的限制，降低了制作加工光栅的难度，甚至不需要制作短周期光栅，普通的光栅刻划技术即可满足要求。这种棱镜-光栅耦合器不仅适用于SOI光波导的耦合，也可用在其他高折射率光波导的耦合。本发明的棱镜-光栅耦合器兼具棱镜耦合器和光栅耦合器的优点，结构简单，操作方面，灵活性强，不受材料限制，适用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中光波导和光栅部分的结构示意图；

图3为本发明实施例中模式转换器的硅顶层的结构示意图；

图4为本发明实施例中棱镜-光栅光波导耦合器的光路与原理图；

图5为本发明实施例中脊型波导的横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1、图2和图4，根据本发明的实施例，一种棱镜-光栅光波导耦合器包括依次设置在光传输路径上的棱镜2与光栅3，棱镜2与光栅3之间留有用于形成消逝场的空气间隙，光栅3形成在光波导4上，且棱镜2的折射率与光栅3的光栅周期的设置满足于下式所设定的条件：

$n_{\mathrm{off}}=\mathrm{\γ}\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}+n_p\sin {\mathrm{\θ}}_p$

其中，n_off＝β_m/k₀为m阶光波导模式的有效折射率，β_m为光波导的m阶光波导模式传播常数，k₀＝2π/λ为入射光1在自由空间的传播矢量；γ为光栅3的衍射级数，γ为任意整数；n_p为棱镜的折射率；λ为自由空间入射光在真空中的波长；Λ为光栅周期；θ_p为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面与法线的夹角，其中 ${\mathrm{\θ}}_p\≥{\mathrm{\θ}}_p^c,{\mathrm{\θ}}_p^c=\arcsin (1/n_p)$ 为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面的全反射临界角。

光波导可以是面向绝缘体上硅（SOI）光波导，也可以是其他类型的高折射率材料光波导。

如图1至图5所示，在一种具体实施例中，具有棱镜-光栅光波导耦合器的光波导包括棱镜2、光栅3、平面波导4、模式转换器5和脊型波导6。自由空间入射光1从棱镜2的一个侧面入射，棱镜2在光栅3的上方，光栅3制作在平面波导4上，平面波导4、模式转换器5和脊型波导6依次连接。棱镜2与光栅3之间留有空气间隙。

在优选实施例中，平面波导4、模式转换器5和脊型波导6都是在同一绝缘体上硅（SOI）材料上制成，绝缘体上硅（SOI）包括硅基层7、绝缘层8和硅顶层9三层结构，截面整体上呈长方形，绝缘层8制作在硅基7上，硅顶层9制作在绝缘层8上。光栅3制作在平面波导4的硅顶层9上。平面波导4、模式转换器5和脊型波导6三者共用同一层的硅基层7、绝缘层8、硅顶层9，被依次制作在一条导波光传输路径上。

在优选实施例中，如图1-3以及图5所示，光栅3形成在平面波导4上，脊型波导6具有突起于外脊上的长条形内脊，模式转换器5具有由宽渐窄的脊型部分，脊型部分宽的一端与平面波导4相连且宽度相等，窄的一端与脊型波导6的长条形内脊相连且宽度相等，模式转换器5将平面波导4中的波导模式转化为脊型波导6中的波导模式。优选的，模式转换器5的由宽渐窄的脊型部分的形状为锥形。通过由宽渐窄的脊型部分，模式转换器5可有效地将平面波导4中的波导模式转化为脊型波导6中的波导模式。优选的，模式转换器5的脊型部分与脊型波导6的内、外脊的高度对应相等。

在优选实施例中，光栅3的面积小于平面波导4的面积。使光栅的面积小于平面波导的面积，有利于在波导耦合的过程中有效地激励平面波导的波导模式。由于光栅是制作在平面波导上，使光栅的面积小于平面波导的面积，不仅更有利于加工，而且还可以降低甚至忽略光栅对平面波导的有效折射率及其波导模式的影响。较佳的，平面波导4的硅顶层9在靠近模式转换器5的一端留有空白区域。

如图1和图4所示，棱镜2在光栅3的上方，光波导4的光传输路径沿水平方向延伸，棱镜2的光入射侧面在光栅3上的投影的长度方向与光传输路径即β方向一致，自由空间入射光1从棱镜2的一个侧面入射后，经折射后到达棱镜2底面做全反射。

本发明所依据的基本原理如下：

在高折射率光波导的情况下，棱镜耦合的困难在于难以获得更高折射率的棱镜，而光栅耦合的困难在于难以制作短周期的光栅。研究发现，如果在棱镜和光波导之间的缝隙中，以光栅为中间耦合部件，将会使这些困难得以缓和，同时兼有棱镜耦合器和光栅耦合器两者的优点。具体来说，假设棱镜的折射率为n_p，自由空间入射光在真空中的波长为λ，光栅周期为Λ，自由空间入射光与棱镜侧面的法线夹角为α，棱镜内入射光与棱镜-空气界面的法线的夹角为θ_p（常被称为同步角），棱镜-光栅耦合器的光路传输路径如图4所示。自由空间入射光从棱镜的侧面入射，经棱镜的一次折射后到达棱镜底面。根据折射定律，棱镜内部入射光在棱镜-空气界面的全反射临界角

当

时，棱镜内部入射光在棱镜-空气界面发生全反射，并在棱镜与光栅的空气间隙里形成消逝场，棱镜内部入射光会通过倏逝波向光栅和光波导传递光能量，当倏逝波传递到光栅时，光栅的衍射作用会对该倏逝波产生扰动，而当使得倏逝波与光波导中某一光波导模式相位匹配时，就能激励起相应的光波导模式。棱镜-光栅耦合的相位匹配条件为：

${\mathrm{\β}}_m=\mathrm{\γ}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}+k_0{n}_p\sin {\mathrm{\θ}}_p$

其中β_m为光波导的m阶光波导模式传播常数，k₀＝2π/λ为入射光在自由空间的传播矢量，γ为光栅的衍射级数（γ=0，±1，±2，…）。

根据有效折射率的定义n_off＝β_m/k₀，可以由上述相位匹配条件计算出m阶光波导模式的有效折射率为：

$n_{\mathrm{off}}=\mathrm{\γ}\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}+n_{p}2\mathrm{in}{\mathrm{\θ}}_p$

由此可见，只要选择合适的棱镜折射率n_p，自由空间入射光波长λ，光栅周期Λ和同步角θ_p就可以在光波导中激励起相应的光波导模式，即将自由空间中的光耦合到光波导中去。

因此，可以制作出一种适于耦合SOI光波导或其他高折射率光波导的棱镜-光栅耦合器，具体方式如下。

首先，根据已知目标SOI光波导或其他高折射率光波导的材料组成、尺寸结构参数以及入射光波长λ，通过数值的方法求解麦克斯韦方程组和波动方程计算出光波导模式阶数以及各阶模的理论有效折射率n_eff。或者直接采用光学软件利用光束传播法（BPM）或时域有限差分法（FDTD）仿真模拟目标光波导的有效折射率n_eff。

然后，根据有效折射率和棱镜-光栅耦合的相位匹配条件，确定合适的棱镜材料（棱镜折射率n_p）和光栅周期Λ。光栅的衍射级数一般取γ＝+1。

在优选的实施例中，可以根据上述的光波导结构尺寸设计合适的模式转换器和平面波导的相关尺寸参数，并参考光栅耦合器的尺寸确定光栅的占空比、面积、宽度等其他参数，根据上述确定的尺寸可以制作光波导部分，包括脊形光波导、模式转换器和平面波导，并在平面波导的顶层硅上加工出选定尺寸的光栅，使其具有相应的光栅周期Λ。这部分的制作是本领域技术人员根据常规技术手段就能实现的。

另外，还可以采用合适的夹具加持棱镜和光波导部分，引入入射光，调整设备使同步角θ_p逐渐改变，直到想要的光波导模式被激励。

示例一

SOI脊形光波导的材料结构示意图如图5所示，制作在硅基底上的中间绝缘层为SiO₂层8，SiO₂层8的折射率为1.462，厚度为0.2μm。硅顶层制作在绝缘层上，Si的折射率为3.476。脊型波导的外脊高h=5.5μm，内脊高H=8.5μm，光波导宽10μm，脊宽4μm。平面波导的硅顶层厚度H=8.5μm，光波导宽10μm。

设定入射光在真空中的波长为λ＝1550nm。在Rsoft软件中利用BeamProP模块对该平面波导进行仿真计算得0阶导模的有效折射率为n_eff=3.4742。选择棱镜的材料折射率为n_p＝2.1，则有

仅考虑光栅的一级衍射，即光栅衍射级数取为γ＝+1。又要求则可以根据上述数据、同步角θ_p的角度范围和棱镜-光栅耦合的相位匹配条件求得光栅周期Λ的可取值范围为[0.62646512μm，1.127928977μm）。在这个范围内选取光栅周期Λ=1μm，则对应的同步角θ_p=66.3889°。

可以利用光刻工艺制作上述尺寸的在同一片SOI片上光刻出脊型波导和模式转换器，并在一端留空白不刻蚀，作为平面波导。在平面波导的硅顶层上制作出周期Λ=1μm的光栅，光栅区域的其他参数参照光栅耦合器的参数即可。

可以用棱镜、光波导夹具夹持各个组件，并安装在一台三维精密旋转台上，转动旋转台，使棱镜内入射光的同步角θ_p在66.3889°附近精密扫描，直到激发光波导模式并将光耦合到光波导中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,包括依次设置在光传输路径上的棱镜、制作在平面波导上的光栅、以及模式转换器，所述棱镜与所述光栅之间留有用于形成消逝场的空气间隙，所述平面波导和所述模式转换器形成在预先选定的高折射率光波导材料上，

所述棱镜的折射率与所述光栅的光栅周期的设置满足于下式所设定的条件：

$n_{\mathrm{off}}=\mathrm{\γ}\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}+n_{p}2\mathrm{in}{\mathrm{\θ}}_p$

其中，n_off＝β_m/k₀为m阶光波导模式的有效折射率，β_m为光波导的m阶光波导模式传播常数，k₀＝2π/λ为入射光在自由空间的传播矢量；γ为光栅的衍射级数，γ为任意整数；n_p为棱镜的折射率；λ为自由空间入射光在真空中的波长；Λ为光栅周期；θ_p为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面与法线的夹角，其中 ${\mathrm{\θ}}_p\≥{\mathrm{\θ}}_p^c,{\mathrm{\θ}}_p^c=\arcsin (1/n_p)$ 为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面的全反射临界角；

制作有光栅的平面波导、模式转换器和脊型波导沿着光传输路径形成在所述光波导材料上并依次连接，所述模式转换器包括脊宽沿波导光传播方向由宽渐窄的脊型部分，所述模式转换器的脊型部分的两端分别连接所述平面波导和所述脊型波导，所述模式转换器将耦合进来的波导模式转化为所述脊型波导中的波导模式。

2.如权利要求1所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述模式转换器的脊型部分与所述制作有光栅的平面波导相连的一端的脊宽等于所述平面波导的宽度，与所述脊型波导相连的另一端的脊宽等于所述脊型波导的脊宽。

3.如权利要求1所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述由宽渐窄的脊型部分为锥形。

4.如权利要求1所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述模式转换器和所述脊型波导的脊型区域的横截面均为矩形，且所述模式转换器的脊型部分与所述脊型波导的内、外脊的高度对应相等。

5.如权利要求1所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述高折射率光波导材料为绝缘体上硅。

6.如权利要求1所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述光栅的面积小于所述平面波导的面积。

7.如权利要求6所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述平面波导上所述光栅与所述模式转换器之间留有预定的空白区域。

8.如权利要求1至7任一项所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述棱镜在所述光栅的上方，所述光波导的光传输路径沿水平方向延伸，所述棱镜的光入射侧面在所述光栅上的投影的长度方向与所述光传输路径一致。

9.如权利要求1至7任一项所述的棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,所述有效折射率取0阶光波导模式的有效折射率，所述衍射级数取1。

10.一种光波导设备，其特征在于,包括权利要求1至9任一项所述的棱镜-光栅光波导耦合器。

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