CN116819689B - 光栅耦合器、光栅耦合反馈控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光栅耦合器、光栅耦合反馈控制系统及其控制方法。该光栅耦合器包括硅基衬底、形成于硅基衬底上的金属反射层、形成于金属反射层上的第一氧化层、形成于第一氧化层上的光栅、形成于光栅上的第二氧化层、以及形成于第二氧化层上的扭转向列液晶透镜，扭转向列液晶透镜包括扭转向列液晶层及位于扭转向列液晶层相对两侧的电极，其中，通过在扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加不同的外部电压，使扭转向列液晶层中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而用于调节通过光纤入射至光栅耦合器的入射光的偏振态。本申请能够方便地调节入射光的偏振态。
Description
技术领域
本申请涉及硅基光电子芯片技术领域，尤其涉及一种光栅耦合器、光栅耦合反馈控制系统及其控制方法。
背景技术
从PC+（Personal Computer，个人电脑）互联网时代发展至移动+社交媒体时代，到将来的AI+（Artificial Intelligence，人工智能）大数据时代，不断增长和多样化的系统需求推动着许多技术的发展。在摩尔定律步伐放缓的大背景下，应用于光子计算的光子芯片被提出用于替代传统的电子芯片。光子芯片具有低损耗、高带宽等优势。受限于设备以及制作工艺，直接对芯片上的光学端口以及电学端口进行封装已逐渐难以实现，必须使用外部激光源并与PIC（Photonic Integrated Circuit，光子集成电路）进行间接耦合或者直接耦合。耦合方式有光栅耦合、边缘耦合、倏逝耦合等。而光栅耦合器因为其在片上设计位置的自由性以及成熟的技术，被广泛应用。
然而，光栅耦合器对输入光的偏振特性具有非常高的敏感度，而通常光纤被用作片上光栅耦合器的外部输入光源，光纤中的光具有偏振不确定性，因此，总是需要人为地调控从光纤中输出光的偏振态。另外，即使已经调节好的偏振态也会受到工作环境中因光纤状态改变而导致的偏振态的变化。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光栅耦合器、光栅耦合反馈控制系统及其控制方法，能够方便地调节入射光的偏振态。
本申请的一个方面提供一种光栅耦合器。所述光栅耦合器包括硅基衬底、形成于所述硅基衬底上的金属反射层、形成于所述金属反射层上的第一氧化层、形成于所述第一氧化层上的光栅、形成于所述光栅上的第二氧化层、以及形成于所述第二氧化层上的扭转向列液晶透镜，所述扭转向列液晶透镜包括扭转向列液晶层及位于所述扭转向列液晶层相对两侧的电极，其中，通过在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加不同的外部电压，使所述扭转向列液晶层中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而用于调节通过光纤入射至所述光栅耦合器的入射光的偏振态。
进一步地，所述光栅耦合器还包括覆盖于所述扭转向列液晶透镜上的第三氧化层。
进一步地，所述光栅耦合器为垂直光栅耦合器。
本申请实施例的光栅耦合器通过在光栅所在区域的上方使用扭转向列液晶透镜，扭转向列液晶透镜在外加电场的影响下可以精确控制扭转向列液晶层中液晶分子在不同有序分子构型之间的重新排列，从而可以改变入射光的偏振状态，对于偏振光状态的调制可以达到亚毫秒级。
本申请的另一个方面提供一种光栅耦合反馈控制系统。所述光栅耦合反馈控制系统包括光栅耦合器、输出波导、分光器件、功率探测器、上位机以及电压源，所述光栅耦合器包括光栅及扭转向列液晶透镜，所述扭转向列液晶透镜包括扭转向列液晶层及位于所述扭转向列液晶层相对两侧的电极，其中，通过光纤将入射光射入所述扭转向列液晶透镜，并经过所述扭转向列液晶层后入射至所述光栅，经所述光栅的衍射作用后被耦合至所述输出波导；所述分光器件用于将所述输出波导的输出光以预定的分光比分光到所述功率探测器中；所述功率探测器与所述上位机互联，用于将测得的功率反馈至所述上位机；所述上位机用于基于测得的所述功率生成电压源指令信号给所述电压源；所述电压源用于基于所述电压源指令信号，在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加对应的电压，用以使所述扭转向列液晶层中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而调节所述入射光的偏振态。
进一步地，所述分光器件包括定向耦合器。
进一步地，所述预定的分光比为90：10。
进一步地，所述光栅耦合反馈控制系统还包括模斑转换器，所述光栅耦合器通过所述模斑转换器耦合至所述输出波导，用于实现大模斑到小模斑的模斑转化。
本申请的又一个方面提供一种光栅耦合反馈控制方法。所述方法包括：通过光纤将入射光射入光栅耦合器中的扭转向列液晶透镜，所述扭转向列液晶透镜包括扭转向列液晶层及位于所述扭转向列液晶层相对两侧的电极；入射光经过所述扭转向列液晶层后入射至所述光栅；入射光经所述光栅的衍射作用后被耦合至输出波导；通过分光器件将所述输出波导的输出光以预定的分光比分光到功率探测器中；基于所述功率探测器测得的功率生成电压源指令信号给电压源；以及响应于所述电压源指令信号，所述电压源在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加对应的电压，以使所述扭转向列液晶层中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而调节所述入射光的偏振态。
进一步地，对于未知偏振态的入射光，所述方法还包括：在入射光耦合进入所述光栅耦合器后，控制所述电压源在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加连续变化的电压，以实现对所述入射光的偏振态的的遍历调制；记录电压连续变化过程中所述功率探测器检测到的最大功率值对应的电压值；及将所述电压值重新赋值给所述电压源，以实现对任意偏振态的入射光的偏振校准。
进一步地，对于已经调节好偏振态的入射光，所述方法还包括：获取所述功率探测器记录的分光所得的理论功率值及所述功率探测器测得的实际功率值；及基于所述功率探测器的所述理论功率值及所述实际功率值之间的差值来调整所述电压源施加至所述电极上的电压值，以对外界环境扰动产生的偏振带来的耦合效率漂移进行补偿。
本申请实施例的光栅耦合反馈控制系统及其控制方法通过使用扭转向列液晶透镜，可以通过电调控的手段改变结构特性，达到改变入射光偏振状态的效果。并在输出波导处进行分光，部分光以一定的分光比例被分光进入功率探测器用于检测光栅耦合器的传输效率，实时反馈光栅耦合器的耦合效率情况，由此调节扭转向列液晶层相对两侧的电极施加的电压，通过改变扭转向列液晶层中液晶分子构型来调控入射光的偏振态，以此保持高传输效率的光栅耦合，实现了入射光的偏振态的自动调节，确保了光栅耦合器对入射光的偏振态的无关性。
附图说明
图1为本申请一个实施例的带有扭转向列液晶透镜的光栅耦合器以及光纤的侧视图。
图2为本申请一个实施例的光栅耦合反馈控制系统的示意性框图。
图3为本申请一个实施例的光栅耦合器、定向耦合器以及功率探测器的俯视图。
图4为本申请一个实施例的光栅耦合反馈控制方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请提供了一种带有扭转向列液晶透镜16（Twist Nematic Liquid Crystal，TN LC）的光栅耦合器10。图1揭示了本申请一个实施例的带有扭转向列液晶透镜16的光栅耦合器10以及光纤的侧视图。如图1所示，本申请一个实施例的光栅耦合器10为一种垂直光栅耦合器，其包括硅基衬底11、形成于硅基衬底11上的金属反射层12、形成于金属反射层12上的第一氧化层13、形成于第一氧化层13上的光栅14、形成于光栅14上的第二氧化层15、以及形成于第二氧化层15上的扭转向列液晶透镜16。
扭转向列液晶透镜16包括扭转向列液晶层161及位于扭转向列液晶层161相对两侧的电极162。其中，位于扭转向列液晶层161相对两侧的电极162可以连接到外部的电压源80，通过电压源80在扭转向列液晶层161相对两侧的电极162上施加不同的外部电压，可以使扭转向列液晶层161中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而用于调节通过光纤20入射至光栅耦合器10的入射光的偏振态。
在一些实施例中，本申请的光栅耦合器10还包括覆盖于扭转向列液晶透镜16上的第三氧化层17。
在一个可选的实施例中，光栅耦合器10可以针对O波段或C波段的TE（TransverseElectric，横向电场）偏振设计。
本申请实施例的光栅耦合器10通过在光栅14所在区域的上方使用扭转向列液晶透镜16，扭转向列液晶透镜16在外加电场的影响下可以精确控制扭转向列液晶层161中液晶分子在不同有序分子构型之间的重新排列，从而可以改变入射光的偏振状态，对于偏振光状态的调制可以达到亚毫秒级。
本申请还提供了一种光栅耦合反馈控制系统100。图2揭示了本申请一个实施例的光栅耦合反馈控制系统100的示意性框图，图3揭示了本申请一个实施例的光栅耦合器10、定向耦合器以及功率探测器60的俯视图。结合参照图2和图3所示，本申请一个实施例的光栅耦合反馈控制系统100包括光栅耦合器10、输出波导40、分光器件50、功率探测器60、上位机70以及电压源80。光栅耦合器10包括光栅14及扭转向列液晶透镜16，扭转向列液晶透镜16包括扭转向列液晶层161及位于扭转向列液晶层161相对两侧的电极162。
其中，外部激光源通过光纤20将入射光射入扭转向列液晶透镜16，并经过扭转向列液晶透镜16的扭转向列液晶层161后入射至光栅14，经光栅14的衍射作用后被耦合至输出波导40。光纤20例如可以使用标准单模光纤。
分光器件50可以用于将输出波导40的输出光以预定的分光比分光到功率探测器60中。在一个可选的实施例中，分光器件50可以包括定向耦合器。可选地，预定的分光比为90：10，其中，10%的光进入到功率探测器60中，以此监测前面的光栅耦合器10的耦合效率；剩余的90%从输出波导40中输出，从而，既不会对从输出波导40中最终输出的光效率造成较大的影响，同时也可以对光栅耦合器10的耦合效率进行实时监测。耦合效率的计算公式是，其中，Pin是输入功率，即从光纤20进入扭转向列液晶层161的入射光的功率；Pout是输出功率，即从输出波导40最终输出的出射光的功率。
功率探测器60与上位机70互联，可以将测得的功率反馈至上位机70。
上位机70可以基于功率探测器60测得的功率，经过计算生成电压源指令信号给电压源80。
电压源80可以基于上位机70所给出的电压源指令信号，在扭转向列液晶层161相对两侧的电极162上施加对应的电压，用以使扭转向列液晶层161中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而可以调节入射光的偏振态。
本申请实施例的光栅耦合反馈控制系统100通过在光栅14所在区域的上方使用扭转向列液晶透镜16，可以通过电调控的手段改变结构特性，达到改变入射光偏振状态的效果。并在输出波导40处进行分光，部分光以一定的分光比例被分光进入功率探测器60用于检测光栅耦合器10的传输效率。功率探测器60与上位机70互联，实时反馈光栅耦合器10的耦合效率情况，由此计算出给定扭转向列液晶层161相对两侧的电极162的调控电压，通过改变扭转向列液晶层161中液晶分子构型来调控入射光的偏振态，以此保持高传输效率的光栅耦合，实现了入射光的偏振态的自动调节，确保了光栅耦合器10对入射光的偏振态的无关性。
在一些实施例中，本申请的光栅耦合反馈控制系统100还可以包括模斑转换器（taper）30。光栅耦合器10可以通过模斑转换器30耦合至输出波导40，从而可以用来实现大模斑到小模斑的模斑转化。
本申请还提供了一种光栅耦合反馈控制方法。图4揭示了本申请一个实施例的光栅耦合反馈控制方法的流程图。如图4并结合参照图2所示，本申请一个实施例的光栅耦合反馈控制方法可以包括步骤S11至步骤S16。
在步骤S11中，通过光纤20将入射光射入光栅耦合器10中的扭转向列液晶透镜16，扭转向列液晶透镜16包括扭转向列液晶层161及位于扭转向列液晶层161相对两侧的电极162。
在步骤S12中，入射光经过扭转向列液晶层161后入射至光栅14。
在步骤S13中，入射光经光栅14的衍射作用后被耦合至输出波导40。
在步骤S14中，通过分光器件50将输出波导40的输出光以预定的分光比分光到功率探测器60中。
在步骤S15中，基于功率探测器60测得的功率生成电压源指令信号给电压源80。
在步骤S16中，响应于电压源指令信号，电压源80在扭转向列液晶层161相对两侧的电极162上施加对应的电压，以使扭转向列液晶层161中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而调节入射光的偏振态。
在一些实施例中，对于未知偏振态的入射光，本申请的光栅耦合反馈控制方法还可以进一步包括步骤S21至步骤S23。
在步骤S21中，在入射光耦合进入光栅耦合器10后，控制电压源80在扭转向列液晶层161相对两侧的电极162上施加连续变化的电压，以实现对入射光的偏振态的的遍历调制。
在步骤S22中，记录电压连续变化过程中功率探测器60检测到的最大功率值对应的电压值。
在步骤S23中，将电压值重新赋值给电压源80，以实现对任意偏振态的入射光的偏振校准。
上述过程实现了任意偏振态输入的光的偏振校准，来进行最大效率的光栅14耦合。
因此，本申请实施例的光栅耦合反馈控制方法对于未知偏振态的入射光，通过在扭转向列液晶层161相对两侧的电极162上施加连续变化的电压，遍历入射光的偏振状态，并通过反馈给例如上位机70检测到的功率变化，找到最佳耦合功率的偏振状态并保持，由此实现对任意偏振态输入的入射光都具有最高耦合效率。
在一些实施例中，对于已经调节好偏振态的入射光，本申请的光栅耦合反馈控制方法还可以进一步包括步骤S31至步骤S32。
在步骤S31中，获取功率探测器60记录的分光所得的理论功率值及功率探测器60测得的实际功率值。
在步骤S32中，基于功率探测器60的理论功率值及实际功率值之间的差值来调整电压源80施加至电极162上的电压值，以对外界环境扰动产生的偏振带来的耦合效率漂移进行补偿。
上述过程补偿了环境因素造成的入射光的偏振态漂移，实现了一个稳定的入射偏振态的维护。
本申请实施例的光栅耦合反馈控制系统100及其方法能够取得以下的有益技术效果：
本申请通过提供带有扭转向列液晶透镜16的光栅耦合器10，通过扭转向列液晶透镜16的扭转向列液晶层161对偏振态的调控作用以及反馈机制实时监测了耦合效率并改变入射到光栅耦合器10的偏振状态，通过电调控改变扭转向列液晶层161中液晶分子的结构旋转入射光的偏振态，可以最终实现让入射光始终以TE模式进入光栅耦合器10。因为通常光栅耦合器10都是针对TE模式设计的，所以，此时可以在输出端获得最大的输出功率，或者也可以通过反馈机制让入射光的偏振状态始终保持初始状态。
以上对本申请实施例所提供的光栅耦合器、光栅耦合反馈控制系统及其控制方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的光栅耦合器、光栅耦合反馈控制系统及其控制方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (6)
1.一种光栅耦合反馈控制系统，其特征在于：包括光栅耦合器、输出波导、分光器件、功率探测器、上位机以及电压源，所述光栅耦合器包括光栅及扭转向列液晶透镜，所述扭转向列液晶透镜包括扭转向列液晶层及位于所述扭转向列液晶层相对两侧的电极，其中，
通过光纤将入射光射入所述扭转向列液晶透镜，并经过所述扭转向列液晶层后入射至所述光栅，经所述光栅的衍射作用后被耦合至所述输出波导；
所述分光器件用于将所述输出波导的输出光以预定的分光比分光到所述功率探测器中；
所述功率探测器与所述上位机互联，用于将测得的功率反馈至所述上位机；
所述上位机用于基于测得的所述功率生成电压源指令信号给所述电压源；
所述电压源用于基于所述电压源指令信号，在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加对应的电压，用以使所述扭转向列液晶层中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而调节所述入射光的偏振态，
其中，当未知偏振态的入射光耦合进入所述光栅耦合器后，所述上位机还用于控制所述电压源在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加连续变化的电压，以实现对所述入射光的偏振态的的遍历调制；记录电压连续变化过程中所述功率探测器检测到的最大功率值对应的电压值；及将所述电压值重新赋值给所述电压源，以实现对任意偏振态的入射光的偏振校准。
2.如权利要求1所述的光栅耦合反馈控制系统，其特征在于：所述分光器件包括定向耦合器。
3.如权利要求1所述的光栅耦合反馈控制系统，其特征在于：所述预定的分光比为90：10。
4.如权利要求1所述的光栅耦合反馈控制系统，其特征在于：还包括模斑转换器，所述光栅耦合器通过所述模斑转换器耦合至所述输出波导，用于实现大模斑到小模斑的模斑转化。
5.一种光栅耦合反馈控制方法，其特征在于：包括：
通过光纤将入射光射入光栅耦合器中的扭转向列液晶透镜，所述扭转向列液晶透镜包括扭转向列液晶层及位于所述扭转向列液晶层相对两侧的电极；
入射光经过所述扭转向列液晶层后入射至所述光栅；
入射光经所述光栅的衍射作用后被耦合至输出波导；
通过分光器件将所述输出波导的输出光以预定的分光比分光到功率探测器中；
基于所述功率探测器测得的功率生成电压源指令信号给电压源；以及
响应于所述电压源指令信号，所述电压源在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加对应的电压，以使所述扭转向列液晶层中的液晶分子重新排列，旋光性消逝，进而调节所述入射光的偏振态，
所述方法还包括：当未知偏振态的入射光耦合进入所述光栅耦合器后，控制所述电压源在所述扭转向列液晶层相对两侧的电极上施加连续变化的电压，以实现对所述入射光的偏振态的的遍历调制；记录电压连续变化过程中所述功率探测器检测到的最大功率值对应的电压值；及将所述电压值重新赋值给所述电压源，以实现对任意偏振态的入射光的偏振校准。
6.如权利要求5所述的光栅耦合反馈控制方法，其特征在于：对于已经调节好偏振态的入射光，所述方法还包括：
获取所述功率探测器记录的分光所得的理论功率值及所述功率探测器测得的实际功率值；及
基于所述功率探测器的所述理论功率值及所述实际功率值之间的差值来调整所述电压源施加至所述电极上的电压值，以对外界环境扰动产生的偏振带来的耦合效率漂移进行补偿。
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2023
- 2023-08-30 CN CN202311107072.1A patent/CN116819689B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| T型结构微纳尺度偏振无关光栅耦合器;光学与光电技术(04);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116819689A (zh) | 2023-09-29 |
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