CN103869425B - 光耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光耦合装置，其包括一个基底、一个形成于该基底上的平板光波导、一个形成于该平板光波导上的介质光栅、一个平行于该介质光栅设置于该介质光栅上的调制电极及两个平行于该介质光栅设置于该平板光波导上且分别位于该介质光栅两侧的地电极。该平板光波导用于与一个激光光源对接以接收该激光光源发出的激光束。该介质光栅沿平行于该激光束的入射方向设置，并与该平板光波导构成一个衍射型光波导透镜以会聚该激光束。该调制电极与该两个地电极之间用于加载调制电场以通过电光效应改变该平板光波导的折射率从而改变该衍射型光波导透镜的焦距。如此，可以有效地将该激光束会聚入一个光学组件。

Description

光耦合装置
技术领域
本发明涉及集成光学装置，特别涉及一种光耦合装置。
背景技术
在集成光学里，光源与光学组件的耦合需要考虑的问题有：虽然集成光学普遍采用方向性较佳的激光作为光源，然而激光发出的光束仍具有一定的发散角，如果直接让光源与光学组件对接，光束中的发散光线将无法进入光学组件，光利用率低。因此，如何将光源耦合至光学组件以使发散的光束会聚入光学组件以提高光利用率是一个重要课题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可提高光利用率的光耦合装置。
一种光耦合装置，其包括一个基底、一个形成于该基底上的平板光波导、一个形成于该平板光波导上的介质光栅、一个平行于该介质光栅设置于该介质光栅上的调制电极及两个平行于该介质光栅设置于该平板光波导上且分别位于该介质光栅两侧的地电极。该平板光波导用于与一个激光光源对接以接收该激光光源发出的激光束。该介质光栅沿平行于该激光束的入射方向设置，并与该平板光波导构成一个衍射型光波导透镜(diffractivewaveguide lens)以会聚该激光束。该调制电极与该两个地电极之间用于加载调制电场以通过电光效应改变该平板光波导的折射率从而改变该衍射型光波导透镜的焦距。
根据集成光学理论，该介质光栅与该平板光波导构成加载型光波导(strip/grating loaded waveguide)，该平板光波导加载该介质光栅的部分的等效折射率变大。如此，通过合理设置该介质光栅的结构，例如设置成啁啾光栅(chirped grating)便可构成一个啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜。而该调制电极与该两个地电极之间加载调制电场从而通过电光效应改变该平板光波导的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜的焦距，有效地将该激光束会聚入光学组件。
附图说明
图1为本发明较佳实施方式的光耦合装置的立体示意图。
图2为图1的光耦合装置沿线II-II的剖面示意图。
图3为图1的光电耦合装置的介质光栅的平面示意图。
主要元件符号说明
光耦合装置 10
基底 110
第一顶面 111
第一侧面 112
平板光波导 120
第二顶面 121
第二侧面 122
介质光栅 130
第三顶面 131
介质部分 132
调制电极 141
地电极 142
缓冲层 150
激光光源 20
激光束 21
光学组件 30
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式的光耦合装置10，其包括一个基底110、一个形成于该基底110上的平板光波导120、一个形成于该平板光波导120上的介质光栅130、一个平行于该介质光栅130设置于该介质光栅130上的调制电极141及两个平行于该介质光栅130设置于该平板光波导120上且分别位于该介质光栅130两侧的地电极142。该平板光波导120用于与一个激光光源20对接以接收该激光光源20发出的激光束21。该介质光栅130沿平行于该激光束21的入射方向设置，并与该平板光波导120构成一个衍射型光波导透镜以会聚该激光束21。该调制电极141与该两个地电极142之间用于加载调制电场以通过电光效应改变该平板光波导120的折射率从而改变该衍射型光波导透镜的焦距。
根据集成光学理论，该介质光栅130与该平板光波导120构成加载型光波导，该平板光波导120加载该介质光栅130的部分的等效折射率变大。如此，通过合理设置该介质光栅130的结构，例如设置成啁啾光栅便可构成一个啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜。而该调制电极141与该两个地电极142之间加载该调制电场从而通过电光效应改变该平板光波导120的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜的焦距，有效的将该激光束21会聚入光学组件30(例如条状光波导)。另外，以该平板光波导120的高度方向为x轴，宽度方向为y轴，深度方向(即平行于该介质光栅130的方向)为z轴建立坐标系，则该调制电极141与该两个地电极142如此设置可以使得该调制电场穿过该激光束21的部分基本平行于x轴方向，而根据平板光波导的波动方程分析，可知，该激光束的横电波仅有沿y轴方向的电场分量Ey，而横磁波仅有沿x轴方向的电场分量Ex及沿z轴方向的电场分量Ez，因此，该调制电场可以有效地作用于横磁波，调制横磁波。
该基底110基本呈矩形，并包括一个第一顶面111及一个与该第一顶面111连接的第一侧面112。由于铌酸锂(LiNbO3)晶体(LN)具有较高的反应速度，而且考虑到铌酸锂扩散金属钛(单质)可以形成折射率渐变型的加载光波导，因此，该基底110的材料采用铌酸锂晶体。
该平板光波导120同样呈矩形，位于该第一顶面111上，并包括一个与该第一顶面111相背的第二顶面121及一个与该第二顶面121连接且与该第一侧面112共面的第二侧面122。该平板光波导120在铌酸锂中扩散入金属钛(单质)而形成。如此，在加载该介质光栅130后，该平板光波导120的折射率发生渐变，是产生啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜的有利条件。
该介质光栅130位于该第二顶面121上，且包括与该第二顶面121相背的第三顶面131。该介质光栅130同样采用铌酸锂中扩散入金属钛的材料制成。该介质光栅130可以是一个啁啾光栅。具体的，该介质光栅130包括多个矩形的、平行设置的介质部分132，该多个介质部分132垂直于该第一侧面112与该第二侧面122设置，且高度基本相同。该多个介质部分132的数目为奇数，并关于一个对称轴O对称分布，且沿该对称轴O到远离该对称轴O的方向，该介质部分132的宽度越来越小，而相邻两个该介质部分132的间隙也越来越小。
请参阅图3，本实施方式中，以该介质光栅130的宽度方向为x轴，该对称轴O与x轴的相交点为原点，沿该对称轴O到远离该对称轴O的方向为x轴正向，以该激光束21在x处与原点处的相位差为y轴，根据平板光波导波动理论可得：其中x＞0。该介质部分132的第n个边界xn满足如下条件：其中，n为正整数，yn＝nπ(为构成该衍射型光波导透镜)，a及k为常数与该衍射型光波导透镜的焦距相关。如此，可推得：而x＜0的情况，即该对称轴O左边的该介质部分132的边界可通过对称性获得。
该调制电场横穿该平板光波导120，从而可以进一步改变该平板光波导120的等效折射率，等效地改变啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜的折光能力(即焦距)，从而可以耦合以各种距离设置的该激光光源20及该光学组件30。该调制电极141与该两个地电极142的长度及高度大于或者等于该介质光栅130的长度及高度，本实施方式中该调制电极141与该两个地电极142的长度等于该将该介质光栅130的长度。另外，该调制电极141的宽度略小于或等于该介质光栅130的宽度。
优选地，为了防止光波被该调制电极141与该两个地电极142所吸收，可以在该介质光栅130及该平板光波导120上对应该调制电极141与该两个地电极142的位置先形成一层缓冲层150，再在该缓冲层150上形成该调制电极141与该两个地电极142。该缓冲层150采用二氧化硅制成。
制作该光耦合装置10时，先提供一个包括该第三顶面131的铌酸锂毛坯(图未示)，在该第三顶面131镀上金属钛(单质)然后高温将金属钛扩散入该铌酸锂毛坯以形成用于制作该平板光波导120及该介质光栅130的扩散有金属钛的铌酸锂部分，而没有扩散有金属钛的铌酸锂部分即为该基底110，然后在第三顶面131上蚀刻至该平板光波导120(即该第二顶面121)以形成该介质光栅130及该平板光波导120。然后在该介质光栅130及该基底110上对应该调制电极141与该两个地电极142的位置镀上该缓冲层150及该调制电极141与该两个地电极142。
总之，本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种光耦合装置，其包括一个基底、一个形成于该基底上的平板光波导、一个形成于该平板光波导上的介质光栅、一个平行于该介质光栅设置于该介质光栅上并覆盖该介质光栅的调制电极及两个平行于该介质光栅设置于该平板光波导上且分别位于该介质光栅两侧的地电极；该平板光波导用于与一个激光光源对接以接收该激光光源发出的激光束；该介质光栅沿平行于该激光束的入射方向设置，并与该平板光波导构成一个衍射型光波导透镜以会聚该激光束；该调制电极与该两个地电极之间用于加载调制电场以通过电光效应改变该平板光波导的折射率从而改变该衍射型光波导透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该基底采用铌酸锂晶体制成。
3.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该平板光波导在铌酸锂中扩散入金属钛单质而形成。
4.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该介质光栅在铌酸锂中扩散入金属钛单质而形成。
5.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该基底呈矩形，并包括一个第一顶面及一个与该第一顶面连接的第一侧面；该平板光波导呈矩形，位于该第一顶面上，并包括一个与该第一顶面相背的第二顶面及一个与该第二顶面连接且与该第一侧面共面的第二侧面；将该介质光栅设置于该第二顶面上，并包括一个与该第二顶面相背的第三顶面；该光耦合装置通过在一个包括该第三顶面的铌酸锂毛坯的该第三顶面镀上金属钛单质，然后高温将金属钛扩散入该铌酸锂毛坯以形成用于制作该平板光波导及该介质光栅的扩散有金属钛的铌酸锂部分，而没有扩散有金属钛的铌酸锂部分即为该基底，然后在第三顶面上蚀刻至该第二顶面以形成该介质光栅及该平板光波导。
6.如权利要求5所述的光耦合装置，其特征在于，该介质光栅是一个啁啾光栅。
7.如权利要求6所述的光耦合装置，其特征在于，该介质光栅包括多个矩形的、平行设置的介质部分，该多个介质部分垂直于该第一侧面与该第二侧面设置，且高度基本相同；该多个介质部分的数目为奇数，并关于一个对称轴对称分布，且沿该对称轴到远离该对称轴的方向，该介质部分的宽度越来越小，而相邻两个该介质部分的间隙也越来越小。
8.如权利要求7所述的光耦合装置，其特征在于，以该介质光栅的宽度方向为x轴，该对称轴与x轴的相交点为原点，沿该对称轴到远离该对称轴的方向为x轴正向，该介质部分的第n个边界xn满足如下条件：其中，xn＞0，n为正整数，a及k为常数且与该衍射型光波导透镜的焦距相关。
9.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该调制电极与该两个地电极的长度大于或者等于该介质光栅的长度。
10.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该调制电极的宽度略小于该介质光栅的宽度。
11.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该光耦合装置还包括一个设置于该介质光栅与该调制电极及该基底与该两个地电极之间的缓冲层，用于防止光波被该调制电极与该两个地电极所吸收。
12.如权利要求11所述的光耦合装置，其特征在于，该缓冲层采用二氧化硅制成。
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