CN105511028A - 光波导透镜 - Google Patents

Abstract

一种光波导透镜，用于汇聚一光源发出的光束，包括一基底以及依次设置于该基底上的一平板波导和一介质光栅，该介质光栅包括一第一光栅阵列和一第二光栅阵列，该第一、第二光栅阵列均包括间隔、平行排列的若干条状薄膜，该第一光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第一波导透镜段，该第二光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第二波导透镜段，该光源发出的发散光束依次穿过第一、第二波导透镜段后被汇聚成聚焦光束。本发明中，该光源发出的发散光束依次穿过第一、第二波导透镜段后被汇聚成聚焦光束，这无疑会提升光线的耦合效率；同时，将平板波导和介质光栅集成于一基底上，实现了器件的微型化，方便后续的封装。

Description

光波导透镜

技术领域

本发明涉及集成光学，尤其涉及一种具有光束汇聚能力的光波导透镜。

背景技术

在集成光学中，为了实现光学器件的微型化，通常采用微距光耦合的方式来实现光源与光学器件（比如光纤）之间的光传输。但是，由于光源具有发散性，采用微距光耦合的方式会使得部分光线不能耦合进入到光学器件中，进而降低光耦合效率。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种具有光束汇聚能力的光波导透镜。

一种光波导透镜，用于汇聚一光源发出的光束，包括一基底以及依次设置于该基底上的一平板波导和一介质光栅，该介质光栅包括一第一光栅阵列和一第二光栅阵列，该第一、第二光栅阵列均包括间隔、平行排列的若干条状薄膜，该第一光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第一波导透镜段，该第二光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第二波导透镜段，该光源发出的发散光束依次穿过第一、第二波导透镜段后被汇聚成聚焦光束。

与现有技术相比，本发明中的光波导透镜中该第一光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第一波导透镜段，该第二光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第二波导透镜段，该光源发出的发散光束依次穿过第一、第二波导透镜段后被汇聚成聚焦光束，这无疑会提升光线的耦合效率；同时，将平板波导和介质光栅集成于一基底上，实现了器件的微型化，方便后续的封装。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式的光波导透镜的立体示意图。

图2为图1的光波导透镜沿直线II-II的剖面示意图。

图3为图1的光波导透镜的介质光栅的折射率-相位分布示意图。

图4为图1的光波导透镜沿直线IV-IV的剖面示意图。

主要元件符号说明

光波导透镜	1
		基底	10
平板波导	12
		介质光栅	13
电极	14
		第一波导透镜段	15
第二波导透镜段	16
		光源	20
顶面	101
		第一侧面	121
第二侧面	122
		第一光栅阵列	131
第二光栅阵列	132
		条状薄膜	133
光轴	O’

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，本发明实施例的光波导透镜1，用于汇聚一光源20发出的光束，包括一基底10、依次形成于该基底10上的一平板波导12和一介质光栅13、以及设置于该平板波导12上且位于该介质光栅13外侧的一对电极14。该介质光栅13包括一第一光栅阵列131和一第二光栅阵列132，该第一、第二光栅阵列131、132均包括平行、间隔排布的若干条状薄膜133。该第一光栅阵列131及其下方的平板波导12共同构成一第一波导透镜段15。该第二光栅阵列132及其下方的平板波导12共同构成一第二波导透镜段16。该光源20发出且射入到该光波导透镜1中的发散光束依次穿过第一、第二波导透镜段15、16后被汇聚成聚焦光束。该对电极14用于加载一调制电压以通过电光效应改变该平板波导12的折射率从而改变该第二波导透镜段16的焦距。

该基底10大致呈一立方体构造。该平板波导12形成于该基底10的一顶面101上。该基底10由铌酸锂()晶体构成，该平板波导12通过向该基底10的顶面101扩散钛金属形成。该介质光栅13通过向该平板波导12的顶部溅镀若干条状薄膜133形成。在本实施例中，铌酸锂晶体的折射率为2.3，该扩散有钛金属的铌酸锂晶体的折射率为2.35，条状薄膜133是由折射率大于2.4的材质构成，比如铬、硒。换句话说，该平板波导12的折射率大于该基底10的折射率，该介质光栅13的折射率大于该平板波导12的折射率。

该光波导透镜1的制造方法包括如下步骤：首先，在基底10的整个顶面101上溅镀钛金属薄膜，厚度约700-900nm；接着，将溅镀了钛金属薄膜的基底10放入高温炉中，在炉温1050℃下烘烤3个小时，使得钛金属薄膜扩散到基底10内而形成平板波导12；再通过溅镀的方式于平板波导12的顶部形成若干条状薄膜133。

该平板波导12亦为一立方体构造。该平板波导12具有相对设置的第一侧面121和第二侧面122。该光源20贴设于该第一侧面121上，该光源20发出的发散光束由第一侧面121射入到该平板波导12中，光束依次穿过第一、第二波导透镜段15、16后由第二侧面122射出。该光源20具有一光轴O’，该光轴O’的延伸方向与平板波导12的长度方向平行。在本实施例中，该光源20为一分布式回馈激光器(distributedfeedbacklaser,DFB)并通过焊接的方式固定于该第一侧面121上。可选地，该光源20可为一发光二极管(lightemittingdiode,LED)。

根据集成光学理论，该介质光栅13与该平板波导12构成载入型光波导，该平板波导12载入该介质光栅13的部分的等效折射率变大。如此，通过合理设置该介质光栅13的结构，例如设置成啁啾光栅便可构成一啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜段。

该介质光栅13可以是一啁啾光栅。该第一、第二光栅阵列131、132的多个条状薄膜133对称排布于该光源20光轴O’的两侧，每一条状薄膜133沿该平板波导12的长度方向（图1的前后方向）延伸。自该光源20的光轴O’朝向该平板波导12宽度方向（图1的左右方向）的两侧，该条状薄膜133的宽度逐渐变窄，相邻两条状薄膜133的间距也逐渐变小。该第一、第二光栅阵列131、132中均具有相同数量的条状薄膜133，且该第一、第二光栅阵列131、132中对应位置处的条状薄膜133相互对齐。在本实施例中，该第一、第二光栅阵列131、132中该条状薄膜133的数量均为7，且该第一、第二光栅阵列131、132中位于其中间部分的一条状薄膜133沿该光源20的光轴O’延伸。

请一并参阅图3，该对电极14对称排布于该光源20的光轴O’的相对两侧。该对电极14位于该第二光栅阵列132的外围。该对电极14在通电条件下会产生电场，该平板波导12的有效折射率在电场的作用下会发生变化，进而改变第二波导透镜段16的焦距。该对电极14的长度及高度分别等于或大于该第二光栅阵列132的长度及高度。可选择地，该对电极14亦可设置在第一光栅阵列131的相对两侧以调制该第一波导透镜段15的焦距。

请参阅图4，定义一“oxy”平面坐标系，该原点“o”代表该光源20的光轴O’与该平板波导12的宽度方向的交点，该“x”轴代表该平板波导12的宽度方向，该“y”轴代表在距光轴O’为x米处的光束相较于光轴O’处的光束所产生的相位差，根据平板波导波动理论可得，该第一、第二光栅阵列131、132中第个条状薄膜133的位置-相位关系满足如下条件：

，

其中，为正整数，代表沿着x轴方向第n条状薄膜133的边界位置，该轴代表第n条状薄膜133处的光束相较于光轴O’处的光束所产生的相位差，，，e均为常数，及与该第一、第二波导透镜段15、16的焦距相关。

当第n条状薄膜133处的相位还满足如下条件时，该第一、第二波导透镜段15、16均为一衍射型光波导，该第一、第二波导透镜段15、16对该光源20发出的发散光束均具有汇聚作用：

，

此时，位于该光轴O’等距离处的两个第n条状薄膜133之间的相位差为2。当该光源20发出的发散光束穿过该第一波导透镜段15后汇聚成平行光束，平行光束穿过该第二波导透镜段16后被汇聚成聚焦光束。

当条状薄膜133的相位同时满足公式和时，位于该光轴O’两侧的第一、第二光栅阵列131、132中的每一条状薄膜133的位置由满足公式的数值唯一确定，其中。

而的情况，即该光轴O’另一侧（图1左侧）的该多个条状薄膜133的边界可通过对称性获得。

在本发明实施例中，该光波导透镜1中的该第一光栅阵列131及其下方的平板波导12共同构成一第一波导透镜段15，该第二光栅阵列132及其下方的平板波导12共同构成一第二波导透镜段16，该光源20发出的发散光束依次穿过第一、第二波导透镜段15、16后被汇聚成聚焦光束，这有效提升了光源20与其他光学元件（比如光纤）的耦合效率；同时，将平板波导12和介质光栅13集成于一基底10上，实现了器件的微型化，方便后续的封装；再者，通过该对电极14可以控制该第二波导透镜段16的焦距，进一步缩短了该光源20与其他光学元件的耦合距离，而且在平行光束部分进行光电调变，调变起来较汇聚光束或发散光束更容易实现。

Claims (10)

1.一种光波导透镜，用于汇聚一光源发出的光束，包括一基底以及依次设置于该基底上的一平板波导和一介质光栅，其特征在于：该介质光栅包括一第一光栅阵列和一第二光栅阵列，该第一、第二光栅阵列均包括间隔、平行排列的若干条状薄膜，该第一光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第一波导透镜段，该第二光栅阵列及其下方的平板波导共同构成一第二波导透镜段，该光源发出的发散光束依次穿过第一、第二波导透镜段后被汇聚成聚焦光束。

2.如权利要求1所述的光波导透镜，其特征在于，该光源发出的发散光束穿过该第一波导透镜段后变成平行光束，该平行光束穿过第二波导透镜段后变成聚焦光束。

3.如权利要求2所述的光波导透镜，其特征在于，该平板波导具有相对设置第一侧面和第二侧面，该光源发出的发散光束由该平板波导的第一侧面射入到该平板波导中，光束依次穿过第一、第二波导透镜段，最后由该平板波导的第二侧面射出。

4.如权利要求3所述的光波导透镜，其特征在于，该平板波导为一立方体构造，该光源面向该平板波导的第一侧面设置，该光源具有一光轴O’，该光轴O’的延伸方向与平板波导的长度方向平行，该第一、第二光栅阵列的多个条状薄膜对称排布于该光源光轴O’的两侧且沿着该平板波导的长度方向延伸，自该光源的光轴O’朝向该平板波导宽度方向的两侧，条状薄膜的宽度逐渐变窄，相邻两条状薄膜的间距也逐渐变小。

5.如权利要求4所述的光波导透镜，其特征在于，定义一“oxy”平面坐标系，该原点“o”代表该光源的光轴O’与该平板波导的宽度方向的交点，该“x”轴代表该平板波导的宽度方向，该“y”轴代表在距光轴O’为“x”处的光束相较于光轴O’处的光束所产生的相位差，位于该光轴O’两侧的第一、第二光栅阵列中的每一条状薄膜的位置均由同时满足公式和的值确定，其中，代表沿着“x”轴方向第n条状薄膜的边界位置，该轴代表第n条状薄膜处的光束相较于光轴O’处的光束所产生的相位差，a，k，e均为常数。

6.如权利要求5所述的光波导透镜，其特征在于，该第一、第二光栅阵列中均具有数量相等的条状薄膜，且该第一、第二光栅阵列中对应位置处的条状薄膜相互对齐。

7.如权利要求4所述的光波导透镜，其特征在于，还包括对称排布于该光源的光轴O’两侧的一对电极，该对电极设置于该平板波导上并位于该第二光栅阵列的外围，该对电极在通电条件下产生电场，该平板波导的有效折射率在电场的作用下会发生变化，进而改变第二波导透镜段的焦距。

8.如权利要求2所述的光波导透镜，其特征在于，该基材为铌酸锂晶体。

9.如权利要求2所述的光波导透镜，其特征在于，该平板波导为钛掺杂铌酸锂晶体。

10.如权利要求8所述的光波导透镜，其特征在于，该介质光栅的折射率大于该平板波导的折射率。