CN114740572A - 一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器 - Google Patents
一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，包括自下而上依次设置的衬底波导模块和光栅模块，光栅模块包括多个非对称光栅结构，且多个非对称光栅结构依次排布；其中，每个非对称光栅结构包括至少两个光栅凸脊和至少两个光栅凹槽，且光栅凸脊和光栅凹槽的数目相等，且至少两个光栅凸脊的宽度不相等和/或至少两个光栅凹槽的宽度不相等；每个光栅凸脊包括至少一个光栅层，且相邻光栅层的折射率不同。本发明具有垂直入射、高效率、宽带等优势，相比于基于倾斜光栅设计的耦合器更加易于加工，衍射效率更高，带宽更大，且具有充足的制造容差，用于构建高性能的平板集成光学系统，在AR、光计算等领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及衍射光学元件领域，具体地，涉及一种用于平板集成光学系统的高效率宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器。
背景技术
近年来，随着人工智能的快速发展，为了解决后摩尔定律时代传统电子处理器在算力和能效方面遇到的障碍和挑战，光计算技术以其潜在的巨大算力和能效比优势再次受到学术界和工业界的广泛关注。由于集成光计算方案只能实现矢量矩阵乘法运算，因此，其算力存在明显上限。与集成光计算方案相比，三维互连光计算方案可以直接处理输入的二维光信号(尤其是图像信号)，而无需传统的光电/电光转换。此外，三维互连光计算方案可以充分利用光学固有的海量并行性，利用三维空间维度直接实现二维矩阵和二维矩阵的乘加运算，因此其具有巨大的算力优势。通过平板集成式光学系统可以实现三维互连光计算方案的有效集成，即把给定的自由空间光计算系统倾斜并折叠成平面集成光计算系统。此外，这种平板集成式光学系统具有良好的机械稳定性和鲁棒性，并能很好地保护光路免受气流干扰，且整个系统的体积可以大幅减小并和标准CMOS工艺兼容，近年来发展迅速的AR眼镜就是典型的平板集成式光学系统。因此，在该集成解决方案中，将外部光信号高效耦合到平板波导中是实现三维集成光电智能系统的重要前提。
一般来说，耦合方案主要分为两类：端面耦合器和表面耦合器。端面耦合器的主要缺点是难以进行大规模高效耦合，如64×64、128×128和256×256路输入信号变成一维信号后规模分别为4096，16384和65536。表面耦合器主要通过亚波长光栅等人工微纳结构实现耦合，通过衍射改变透射光的角度，以满足衬底波导全内反射的条件。与传统的纳米波导光栅耦合器相比，用于平板集成式光学系统的光栅耦合器为设计人员提供了更大的设计自由度，并且可以获得更高的耦合效率。
目前，用于平板集成式光学系统的光栅耦合器主要采用闪耀光栅或倾斜光栅实现。利用闪耀光栅是实现透射光偏转最直接的选择，然而，由于其周期较大，偏转角通常比较小，耦合效率也不是很高(通常为84％)。由倾斜光栅实现的耦合器通常工作在共振域，因此可以实现更高的耦合效率。然而，倾斜光栅需要特殊的蚀刻工艺和特殊设计的设备进行加工。因此，精确控制光栅脊的倾斜角度并不容易。目前，制作这些倾斜光栅仍然具有挑战性，尤其是当倾斜角度较大时。实际制造的倾斜光栅典型耦合效率最大约为90％。此外，倾斜光栅由于其倾斜的光栅脊，也不适合利用纳米压印技术进行大规模复制。
目前，大多数传统的光栅耦合器通常是基于单脊光栅结构进行设计的。与单脊光栅相比，多脊结构提供了更大的设计自由度，因此，多脊光栅往往具有更高的性能。由于光栅脊的数目增加会减小特征线宽和深宽比，因此，从工艺可实现的角度上，拥有两个光栅脊结构的双脊光栅在过去几十年中得到了广泛的研究，并设计用于实现各种滤光片、偏振器和分束器等。2006年，Laakkonen等人理论上设计了一种双脊光栅，其负一级透射光以大于全反射角的角度被偏转(在先技术1：J.Opt.Soc.Am.A.23，3156-3161(2006))。然而，该结构在TE偏振入射光情况下的深宽比(定义为刻蚀深度与特征尺寸之比)大于7.8，在TM偏振光入射情况下的深宽比大于16，这在实际加工中具有挑战性。2010年，Iizuka等人理论证明了一种双脊光栅耦合器在垂直入射条件下且入射波长为600nm时的理论衍射效率高达96.9％，负一级偏转角度为50°(在先技术2：Opt.Lett.35，3973-3975(2010))。然而，这种耦合器的特征尺寸(最小线宽)仅为35nm，深宽比大于8，因此，这种光栅结构的制造非常具有挑战性。2014年，Matsui等人重新优化设计了工作在640nm波长下且周期为580nm的双脊光栅耦合器(在先技术3：Opt.Express.22，25362-25370(2014))。其特征尺寸增加到60nm，深宽比降低到3.8，然而，其负一级理论衍射效率约为88.9％，实际衍射效率仅为70％。
发明内容
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种用于平板集成光学系统的高效率宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，包括：衬底波导模块；设置于衬底波导模块上方的光栅模块；其中，所述光栅模块和所述衬底波导模块直接连接，所述光栅模块包括多个非对称光栅结构，所述多个非对称光栅结构依次排布；
进一步地，所述每一个非对称光栅结构都包括至少两个光栅凸脊和至少两个光栅凹槽，所述设置于同一个非对称光栅结构中的光栅凸脊和光栅凹槽的数目相等，所述设置于同一个非对称光栅结构中的至少两个光栅凸脊的宽度不相等和/或至少两个光栅凹槽的宽度不相等，所述光栅凸脊包括至少一个光栅层。
进一步地，沿着垂直于所述衬底波导模块的方向，所述非对称光栅结构的光栅凸脊的光栅层中远离所述衬底波导模块的光栅层为第一光栅层，设置于所述第一光栅层下方的光栅层为第二光栅层，设置于第二光栅层下方的光栅层为第三光栅层，以此类推，最后和所述衬底波导模块直接连接的光栅层为第n光栅层，其中n≥1。
进一步地，按照从左至右的顺序在所述非对称光栅结构中的光栅凸脊分别为第一光栅凸脊，第二光栅凸脊，以此类推，直到第k光栅凸脊，按照从左至右的顺序在所述非对称光栅结构中的光栅凹槽分别为第一光栅凹槽，第二光栅凹槽，以此类推，直到第k光栅凹槽，其中k≥1。
进一步地，所述非对称光栅结构中的光栅凸脊和光栅凹槽包括但不限于一维光栅结构，二维光栅结构，光子晶体结构以及各类超表面、超材料等人工微纳结构。
进一步地，所述多脊光栅耦合器可以是透射式光栅耦合器，也可以是反射式光栅耦合器。
进一步地，所述非对称光栅结构中的光栅凸脊和光栅凹槽的横截面形状包括但不限于矩形、梯形、纺锤形、三角形等，所述非对称光栅结构中的光栅凸脊和光栅凹槽的形状包括但不限于正方体、长方体、圆台、棱柱、四面体等。
进一步地，所述光栅凸脊的材料包括但不限于介质材料，化合物材料、金属及其氧化物材料、有机物材料及其组合或掺杂材料等，所述光栅凸脊的材料包括但不限于空气、介质材料，化合物材料、金属及其氧化物材料、有机物材料及其组合或掺杂材料等，所述衬底波导模块的材料包括但不限于介质材料，化合物材料、金属及其氧化物材料、有机物材料及其组合或掺杂材料等。
进一步地，所述光栅层中任意相邻的光栅层的折射率不同，所述光栅层的折射率大于或等于所述衬底波导模块折射率。
进一步地，所述多脊光栅耦合器可以工作于TE偏振条件下，也可以工作在TM偏振条件下，还可以工作于混合偏振条件下。
进一步地，所述多脊光栅耦合器允许入射光垂直于衬底波导方向入射，也可以允许入射光以一定角度入射；其中所述入射光的入射方向可以是正入射，也可以是背入射。
进一步地，所述多级光栅耦合器可以实现入射光变为偏转特定角度的透射光或者是反射光，所述透射光或者是所述反射光包含至少三个透射级次；
其中，所述透射级次和反射级次以所述衬底波导模块的法线方向为中心按照偏转角度增大的顺序依次为零级、正负一级、正负二级，以此类推，直到正负m级，其中m≥1；
其中，所述零级透射光或所述零级反射光垂直于所述衬底波导模块的表面出射，所述非零级透射光或者所述非零级反射光在所述衬底波导模块中以大于所述衬底波导模块和空气界面临界角的角度进行传导。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1)具有非对称光栅结构允许完美的垂直光纤耦合，从而减少对准和封装的困难，减少对光纤角度依赖性和允许更密集的集成。
2)衍射效率高于一般光栅耦合器，特定优化的衍射级次的衍射角大于衬底波导模块和空气界面发生全内反射条件时的临界角。
3)与倾斜光栅结构相比，本发明提出的多脊光栅耦合器的制造工艺兼容标准的互补金属氧化物半导体技术，也更适合通过标准纳米压印技术进行大规模复制。
4)本发明提出的多脊光栅耦合器有望实现三维互连光计算方案的集成，而这种平面集成的光电智能计算系统将在全光信息处理中发挥重要作用，同时这种多脊光栅耦合器有望在AR/VR光学引擎中提升AR/VR系统的整体性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要说明的是，构成本申请一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是一种TE偏振波垂直入射条件下在C和C+L波段的透射式的一维双脊矩形光栅耦合器的结构示意图。其中，10是光栅模块，20是衬底波导模块，101是非对称光栅结构，101a是非对称光栅结构的第一光栅凸脊，101a1是非对称光栅结构的第一光栅凸脊的第一光栅层，101a2是非对称光栅结构的第一光栅凸脊的第二光栅层，101b是非对称光栅结构的第二光栅凸脊，101b1是非对称光栅结构的第二光栅凸脊的第一光栅层，101b2是非对称光栅结构的第二光栅凸脊的第二光栅层，101c是第一光栅凹槽，101d是第二光栅凹槽，201是入射光，202是反射光，203是正一级透射光，204是零级透射光，205是负一级透射光。
图2是TE偏振波垂直入射条件下在C波段透射式的正一级透射光、零级透射光和负一级透射光的衍射效率随波长的变化关系图。
图3是TE偏振波垂直入射条件下在C+L波段透射式的正一级透射光、零级透射光和负一级透射光的衍射效率随波长的变化关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图，对本发明上述实施例提供的技术方案进一步详细描述如下。
为了实现三维互连光学系统的高效率集成，并避免倾斜光栅加工难和闪耀光栅效率低的问题，本发明提出了一种用于平板集成光学系统的高效率宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器。
图1是一种TE偏振波垂直入射条件下在c和C+L波段透射式的一维双脊矩形光栅耦合器的结构示意图，包括光栅模块10，衬底波导模块20，非对称光栅结构101，非对称光栅结构的第一光栅凸脊101a，非对称光栅结构的第一光栅凸脊的第一光栅层101a1，第二光栅层101a2，非对称光栅结构的第二光栅凸脊101b，非对称光栅结构的第二光栅凸脊的第一光栅层101b1，非对称光栅结构的第二光栅凸脊的第二光栅层101b2，第一光栅凹槽101c，第二光栅凹槽101d，入射光201，反射光202，正一级透射光203，零级透射光204，负一级透射光205。
如图1所示，TE偏振波垂直入射条件下在C和C+L波段透射式的一维双脊矩形光栅耦合器包括衬底波导模块20；设置于衬底波导模块上方的光栅模块10；其中，所述光栅模块10和所述衬底波导模块20直接连接，所述光栅模块10包括多个非对称光栅结构101，所述多个非对称光栅结构101依次排布；每一个非对称光栅结构101都包括至少两个光栅凸脊101a、101b和至少两个光栅凹槽101c、101d，所述设置于同一个非对称光栅结构101中的光栅凸脊101a、101和光栅凹槽101c、101d的数目相等，所述设置于同一个非对称光栅结构101中的至少两个光栅凸脊101a、101b的宽度不相等和/或至少两个光栅凹槽101c、101d的宽度不相等，光栅凸脊101a、101b包括至少一个光栅层101a1、101a2；101b1、101b2。
作为一优选实施例，如图1所示，具体地，沿着垂直于所述衬底波导模块20的方向，所述非对称光栅结构101的光栅凸脊101a、101b的光栅层中远离所述衬底波导模块的光栅层为第一光栅层101a1，101b1，设置于所述第一光栅层101a1，101b1下方的光栅层为第二光栅层101a2、101b2。
按照从左至右的顺序在所述非对称光栅结构101中的光栅凸脊101a、101b分别为第一光栅凸脊101a，第二光栅凸脊101b，按照从左至右的顺序在所述非对称光栅结构中的光栅凹槽101c、101d分别为第一光栅凹槽101c，第二光栅凹槽101d。
非对称光栅结构101中的光栅凸脊101a、101b和光栅凹槽101c、101d是一维光栅结构。
所述非对称光栅结构101中的光栅凸脊101a、101b和光栅凹槽101c、101d的横截面形状为矩形，所述非对称光栅结构中101的光栅凸脊101a、101b和光栅凹槽101c、101d的形状为长方体。
所述光栅凸脊101a、101b的第一光栅层101a1、101b1的材料为Si，所述光栅凸脊101a、101b的第二光栅层101a2、101b2的材料为SiO2，所述光栅凸脊101c、101d的材料为空气，所述衬底波导模块20的材料为SiO2。
作为一优选实施例，如图1所示，具体地，所述光栅凹槽101c、101d折射率小于所述光栅凸脊101a、101b中光栅层101a1、101a2、101b1、101b2的折射率的最小值，所述光栅层101a1、101a2、101b1、101b2中任意相邻的光栅层101a1和101a2、101b1和101b2的折射率不同，所述第一光栅层101a1、101b1的折射率大于所述衬底波导模块20折射率，所述第二光栅层101a2、101b2的折射率等于所述衬底波导模块20折射率。
作为一优选实施例，如图1所示，具体地，所述多脊光栅耦合器工作于TE偏振条件下。
所述多脊光栅耦合器允许入射光201垂直于衬底波导方向入射，也可以允许入射光201以一定角度入射。
所述多级光栅耦合器可以实现入射光201变为偏转特定角度的透射光203，204，205，所述透射光203，204，205包含三个透射级次203，204，205；其中，所述透射级次203，204，205以衬底波导法线方向为中心按照偏转角度增大的顺序依次为零级204、正一级203、负一级205；进一步地，所述正负一级透射级次203、205的在C和C+L波段的偏转角度分别为46.24°～47.59°和46.24°～50.05°，大于衬底波导模块和空气界面发生全反射时的临界角，从而允许所述正负一级透射级次203、205在所述衬底波导模块中传播。
图2是TE偏振波垂直入射条件下在C波段的正一级透射光、零级透射光和负一级透射光的衍射效率随波长的变化关系图。如图2所示，TE偏振波垂直入射条件下在C波段的负一级透射光的平均衍射效率高达97.3％以上，这说明本发明提出的非对称多脊光栅耦合器具有很高衍射效率。
图3是TE偏振波垂直入射条件下在C+L波段透射式的正一级透射光、零级透射光和负一级透射光的衍射效率随波长的变化关系图。如图3所示，TE偏振波垂直入射条件下在C+L波段的负一级透射光的平均衍射效率高达92.8％以上，这说明本发明提出的非对称多脊光栅耦合器具有很高衍射效率。
表1是TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下透射式的一维双脊矩形光栅耦合器的结构设计参数列表。表1中h1是光栅凸脊101a、101b的第一光栅层101a1、101b1的厚度，h2是光栅凸脊101a、101b的第二光栅层101a2、101b2的厚度，x1是在非对称光栅结构101中归一化的第一光栅凹槽101c的左端点位置，x2是在非对称光栅结构101中归一化的第一光栅凹槽101c的右端点位置，x3是在非对称光栅结构101中归一化的第二光栅凹槽101d的左端点位置，Λ是一个非对称光栅结构101的长度，
是透射负一级205的衍射效率，
是透射正一级203的衍射效率，n1是光栅凸脊101a、101b的第一光栅层101a1、101b1的折射率，n2是光栅凸脊101a、101b的第二光栅层101a2、101b2的折射率，n衬底是衬底波导模块20的折射率。
表1
如表1所示，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的平均衍射效率分别为97.3％、92.8％，相比于其他类型光栅耦合器，本发明提出的多脊光栅耦合器具有更高的衍射效率；进一步地，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的深宽比分别为4.22、4.12，相比于其他类型光栅耦合器，本发明提出的多脊光栅耦合器具有更小的深宽比，基于现有的CMOS工艺可以进行大规模制造，对工艺要求比较小，容易实现。
表2是TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下的透射式的一维双脊矩形光栅耦合器的结构设计参数列表。表2中Δh1是光栅凸脊101a、101b的第一光栅层101a1、101b1的厚度的容差范围，Δh2是光栅凸脊101a、101b的第二光栅层101a2、101b2的厚度的容差范围，Δx1是在非对称光栅结构101中归一化的光栅凹槽101c的左端点位置的容差范围，Δx2是在非对称光栅结构101中归一化的光栅凹槽101c的右端点位置的容差范围，Δx3是在非对称光栅结构101中归一化的光栅凹槽101d的左端点位置的容差范围，ΔΛ是一个非对称光栅结构101的长度的容差范围。
表2
如表2所示，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的平均衍射效率分别为97.3％、92.8％、93.5％、93.1％、96.4％，相比于其他类型光栅耦合器，本发明提出的多脊光栅耦合器具有更高的衍射效率；进一步地，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的深宽比分别为4.22、4.12、6.25、6.19、6.8，相比于其他类型光栅耦合器，本发明提出的多脊光栅耦合器具有更小的深宽比，基于现有的CMOS工艺可以进行大规模制造，对工艺要求比较小，容易实现。
表2是TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L波段下透射式的一维双脊矩形光栅耦合器的结构容差参数列表。作为一些优选实施例，如表2所示，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的第一光栅层101a1、101b1的厚度h1的容差范围分别为17nm、14nm，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的第二光栅层101a2、101b2的厚度h2的容差范围分别为255nm、265nm，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的转折点的位置x1、x2、x3的容差范围分别为30nm、15nm、13nm和30nm、13nm、12nm，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的非对称光栅结构101的周期Λ容差范围分别为50nm、35nm，上述容差分析表明相比于其他类型光栅耦合器，本发明提出的多脊光栅耦合器具有更大的容差范围，因此，对设计、工艺、以及实际使用中留有较大余量，实际衍射效率和理论衍射效率的差值较小，可以最大程度上实现高的实际衍射效率效果。
表3是TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下反射式的一维双脊矩形光栅耦合器的结构设计参数列表。表3中h1是第一光栅层的厚度，h2是第二光栅层的厚度，h3是第三光栅层的厚度，x1是在非对称光栅结构中归一化的第一光栅凹槽的左端点的位置，x2是在非对称光栅结构中归一化的第一光栅凹槽的右端点的位置，x3是在非对称光栅结构中归一化的第二光栅凹槽的左端点的位置，Λ是一个非对称光栅结构的长度，
是反射负一级次的衍射效率，
是反射正一级次的衍射效率，n1是第一光栅层的折射率，n2是第二光栅层的折射率，n3是第三光栅层的折射率，n衬底是衬底波导的折射率。
表3
如表3所示，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的平均衍射效率分别为92％、90％、91.7％、84.6％、88.7％，相比于其他类型光栅耦合器，本发明提出的多脊光栅耦合器具有更高的衍射效率；进一步地，TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L、R、G、B波段下的一维双脊矩形光栅耦合器的深宽比分别为8.43、8.43、10.4、6.19、7.6。
上述优选实施例充分证明了本发明提出的多脊光栅耦合器具有非对称光栅结构允许完美的垂直光纤耦合，从而减少对准和封装的困难，减少对光纤角度依赖性和允许更密集的集成。上述模拟结果表明本发明提出的多脊光栅耦合器具有很高的衍射效率和充足的制造容差，可以通过标准电子束光刻技术结合等离子体干法刻蚀技术制造。与倾斜光栅结构相比，本发明提出的多脊光栅耦合器的制造工艺易于兼容标准的互补金属氧化物半导体技术。此外，本发明提出的多脊光栅也更适合通过标准纳米压印技术进行大规模复制。综上所述，本发明提出的多脊光栅耦合器有望实现三维互连光计算方案的集成，而这种平面集成的光电智能计算系统将在全光信息处理中发挥重要作用，同时也有望在AR/VR光学引擎中提升AR/VR系统的整体性能。
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。
需要说明的是，以上公布的TE偏振波垂直入射条件下在C、C+L段、R、G、B波段下的一维双脊矩形光栅耦合器，仅代表本发明的几种具体实施例，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本专利所提出的具体实施细节和代表性装置做出若干不具创造性的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的普通技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在如此详细地描述本申请的发明并且参考其优选实施例之后，将显而易见的是在不脱离在所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下修改和变化是可能的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，包括：
衬底波导模块；
光栅模块，设置于所述的衬底波导模块上，由周期性排布的非对称光栅结构构成；
非对称光栅结构，由至少两个光栅凸脊和至少两个光栅凹槽构成，且每个非对称光栅结构中光栅凸脊和光栅凹槽的数目相等，每个非对称光栅结构中的至少两个光栅凸脊的宽度不相等和/或至少两个光栅凹槽的宽度不相等，所述光栅凸脊包括至少一个光栅层。
2.根据权利要求1所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，将入射光变为偏转特定角度的至少包含三个透射级次的透射光，或者至少包含三个反射级次的反射光；
所述的透射级次和反射级次以所述衬底波导模块的法线方向为中心按照偏转角度增大的顺序依次为零级、正负一级、正负二级，以此类推，直到正负m级，其中m≥1；
所述的零级透射光或所述零级反射光垂直于所述衬底波导模块的表面出射，所述非零级透射光或者所述非零级反射光在所述衬底波导模块中以大于所述衬底波导模块和空气界面临界角的角度进行传导。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，沿着垂直于所述衬底波导模块的方向，所述非对称光栅结构的光栅凸脊的光栅层中远离所述衬底波导模块的光栅层为第一光栅层，设置于所述第一光栅层下方的光栅层为第二光栅层，设置于第二光栅层下方的光栅层为第三光栅层，以此类推，最后和所述衬底波导模块直接连接的光栅层为第n光栅层，其中n≥1。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，按照从左至右的顺序在所述非对称光栅结构中的光栅凸脊分别为第一光栅凸脊，第二光栅凸脊，以此类推，直到第k光栅凸脊；按照从左至右的顺序在所述非对称光栅结构中的光栅凹槽分别为第一光栅凹槽，第二光栅凹槽，以此类推，直到第k光栅凹槽，其中k≥1。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，所述非对称光栅结构中的光栅凸脊和光栅凹槽为一维光栅结构、二维光栅结构、光子晶体结构以及各类超表面、超材料等人工微纳结构。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，所述多脊光栅耦合器是透射式光栅耦合器，或反射式光栅耦合器。
7.根据权利要求1-5任一所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，所述非对称光栅结构中的光栅凸脊和光栅凹槽的横截面形状为矩形、梯形、纺锤形或三角形，所述非对称光栅结构中的光栅凸脊和光栅凹槽的形状为正方体、长方体、圆台、棱柱或四面体。
8.根据权利要求1-5任一所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，所述光栅凸脊的材料为介质材料，化合物材料、金属及其氧化物材料、有机物材料及其组合或掺杂材料等，所述光栅凸脊的材料为空气、介质材料，化合物材料、金属及其氧化物材料、有机物材料及其组合或掺杂材料，所述衬底波导模块的材料为介质材料，化合物材料、金属及其氧化物材料、有机物材料及其组合或掺杂材料。
9.根据权利要求1-5任一所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，所述光栅层中任意相邻的光栅层的折射率不同，所述光栅层的折射率大于或等于所述衬底波导模块折射率。
10.根据权利要求1或2所述的一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，所述多脊光栅耦合器在TE偏振、TM偏振或混合偏振条件下工作。
11.根据权利要求1或2所述的一种用于平板集成光学系统的高效率宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器，其特征在于，所述多脊光栅耦合器允许入射光垂直于衬底波导方向入射，也可以允许入射光以一定角度入射；其中所述入射光的入射方向可以是正入射，也可以是背入射。
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