CN103885137B - 光耦合装置 - Google Patents

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Abstract

一种光耦合装置，其包括一基底、一平板光波导、一介质光栅、一对第一电极及一对第二电极。该基底包括一顶面及一底面。该平板光波导形成于该顶面上，该介质光栅形成于该平板光波导上，该对第一电极包括位于该介质光栅两侧的一第一调制电极及一第一地电极。该第二电极包括一覆盖于该介质光栅上的第二调制电极及一设置于该底面的第二地电极。该平板光波导用于与一激光光源对接以接收该激光光源发出的激光束。该介质光栅与该平板光波导构成一衍射型光波导透镜以会聚该激光束。该对第一电极用于加载第一调制电场以改变平板光波导相对于激光束中的横电波的折射率。该对第二电极用于加载第二调制电场以改变平板光波导相对于激光束中的横磁波的折射率。

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，光源与光学元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元件对接，光束中的发散光线将无法进入光学元件，光利用率低。因此，如何将光源耦合至光学元件以使发散的光束会聚入光学元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、一个平板光波导、一个介质光栅、一对条状的第一电极及一对条状的第二电极。该基底包括一个顶面及一个与该顶面相背的底面。该平板光波导形成于该顶面上，该介质光栅形成于该平板光波导上，该对第一电极位于该光波导上且包括一个第一调制电极及一个第一地电极。该第一调制电极及该第一地电极位于该介质光栅两侧。该第二电极包括一个覆盖于该介质光栅上的第二调制电极及一个设置于该底面与该第二调制电极相背的第二地电极。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(diffractive waveguide lens)以会聚该激光束。该对第一电极用于加载第一调制电场以通过电光效应改变平板光波导相对于激光束中的横电波(transverse electric wave)的折射率。该对第二电极用于加载第二调制电场以通过电光效应改变平板光波导相对于激光束中的横磁波(transverse magnetic wave)的折射率。
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。而该对第一电极及第二电极可以分别加载第一、第二调制电场从而分别改变横电波及横磁波相对于该平板光波导的折射率，从而有效的将该横电波及横磁波会聚入光学元件。
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为本发明较佳实施方式的光耦合装置的分解示意图。
图3为图1的光耦合装置沿线III-III的剖面示意图。
图4为图1所示的光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
顶面 111
侧面 112
底面 113
平板光波导 120
介质光栅 130
第一电极 140
第一调制电极 141
第一地电极 142
第二电极 150
第二调制电极 151
第二地电极 152
缓冲层 160
对称轴 O
激光光源 20
激光束 21
光学元件 30
第一调制电场 E1
第二调制电场 E2
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至图3，本发明较佳实施方式的光耦合装置10包括一个基底110、一个平板光波导120、一个介质光栅130、一对第一电极140及一对第二电极150。
该基底110基本呈矩形，并包括一个顶面111、一个与该顶面111连接的侧面112及一个与该顶面111相背的底面113。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通过向该顶面111镀上金属钛后高温将金属钛扩散入该基底110而形成。在本实施方式中，对应该基底110的形状，该平板光波导120为矩形，该顶面111即为该平板光波导120的顶面，该侧面112为该平板光波导120的侧面。
该介质光栅130通过蚀刻该平板光波导120的顶面(即该顶面111)而形成，因此材料也为扩散有金属钛的铌酸锂晶体。该介质光栅130可以是一个啁啾光栅。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。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131，该多个介质部分131垂直于该侧面112设置，且高度基本相同。该多个介质部分131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131的宽度越来越小，而相邻两个该介质部分131的间隙也越来越小。
该对第一电极140设置于该平板光波导120上且包括一个第一调制电极141及一个第一地电极142。该第一调制电极141及该第一地电极平行设置于该介质光栅130的两侧。
该对第二电极150包括一个第二调制电极151及一个第二地电极152。该第二调制电极151覆盖于该介质光栅130上，该第二地电极152设置于该底面113上且与该第二调制电极151相背。
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。该对第一电极140用于加载第一调制电场E1以通过电光效应改变该平板光波导120的相对于该激光束21中横电波(transverse electricwave)的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜相对于横电波的焦距。
该对第二电极150用于加载第二调制电场E2以通过电光效应改变该平板光波导120的相对于该激光束21中横磁波(transverse magnetic wave)的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜相对于横磁波的焦距。
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。而该对第一电极140可以加载第一调制电场E1从而通过电光效应改变该平板光波导120相对于横电波的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜相对于横电波的焦距，有效的将该激光束21中的横电波会聚入一个光学元件30。而该对第二电极150可以加载第二调制电场E2从而通过电光效应改变该平板光波导120相对于横磁波的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜相对于横磁波的焦距，有效的将该激光束21中的横磁波会聚入该光学元件30。
请参阅图4，本实施方式中，该介质光栅130的宽度方向为x轴，该对称轴O于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，则该介质光栅130的第n个边界xn满足如下条件：其中，n为正整数，yn＝nπ，a及k为常数与该衍射型光波导透镜的焦距相关。而x＜0的情况，即该对称轴O左边的该介质光栅130的边界可通过对称性获得。
该对第一电极140在加载第一调制电场E1后产生的极间电场于大致平行于该顶面111的方向将横穿该平板光波导120，该对第二电极150在加载第二调制电场E2后产生的极间电场于大致垂直于该顶面111的方向将横穿该平板光波导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及该光学元件30。该对第一电极140的长度及高度大于或者等于该介质光栅130的长度及高度，本实施方式中该对第一电极140的长度及高度等于该介质光栅130的长度及高度。
该激光光源20采用分布式反馈激光器(distributed feedback laser，DFB)，其属于侧面发射的半导体激光器，可以通过芯片焊接(die bond)方式将发光的侧面直接焊接到该侧面112上，以使该激光束21沿该对称轴O入射。当然，该激光光源20也可以采用其他类型激光光源，并通过其他方式设置，只要保证其可沿该对称轴O出射该激光束21即可。
该光学元件30可以为条状光波导、光纤或者分光器(splitter)。本实施方式中，该光学元件30为条状光波导。
优选地，为了防止光波被该第二调制电极151吸收，可以在该介质光栅130上先形成一层缓冲层160，再在该缓冲层160上形成该第二调制电极151，即该缓冲层160设置于该介质光栅130与第二调制电极151之间。该缓冲层160采用二氧化硅制成。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 (9)

1.一种光耦合装置，其包括一个基底、一个平板光波导、一个介质光栅、一对条状的第一电极及一对条状的第二电极；该基底包括一个顶面及一个与该顶面相背的底面；该平板光波导形成于该顶面上，该介质光栅形成于该平板光波导上，该对第一电极位于该光波导上且包括一个第一调制电极及一个第一地电极；该第一调制电极及该第一地电极位于该介质光栅两侧；该第二电极包括一个覆盖于该介质光栅上的第二调制电极及一个设置于该底面与该第二调制电极相背的第二地电极；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；该对第一电极用于加载第一调制电场以通过电光效应改变平板光波导相对于激光束中的横电波的折射率；该对第二电极用于加载第二调制电场以通过电光效应改变平板光波导相对于激光束中的横磁波的折射率。
2.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设置于该介质光栅与该第二调制电极之间的缓冲层，该缓冲层用来防止光波被该第二调制电极所吸收。
3.如权利要求2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。
4.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该基底的材料采用铌酸锂晶体。
5.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，该基底基本呈矩形，还包括一个与该顶面连接的侧面，该平板光波导通过向该顶面镀上金属钛后高温将金属钛扩散入该基底而形成；该平板光波导为矩形，该顶面即为该平板光波导的顶面，该侧面为该平板光波导的侧面。
6.如权利要求5所述的光耦合装置，其特征在于，该介质光栅通过蚀刻该平板光波导的顶面而形成。
7.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，其包括多个矩形的、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，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，以该激光束在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，则该介质光栅的第n个边界xn满足如下条件：其中，n为正整数，yn＝nπ，a及k为常数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，该对第一电极的长度及高度大于或者等于该介质光栅的长度及高度。
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