CN117250690B - 一种片上波导集成的光场聚焦方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种片上波导集成的光场聚焦方法与装置。所述装置包括：基底、矩形波导模块、环形波导模块和光栅模块；所述基底表面刻蚀所述矩形波导模块和所述环形波导模块；所述矩形波导模块，用于传导激光，将所述激光分为多路激光；所述环形波导模块，用于接收所述多路激光，将所述多路激光衍射为环形光场；所述光栅模块，用于响应于所述环形光场，通过所述光栅模块中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦。采用本方法和装置，克服了现有光场聚焦方案不易于片上大规模集成的缺点。并兼容现有的硅光生产工艺，减小体积以及尺寸，降低成本，实现量产，同时具有更大的焦距选择范围。
Description
技术领域
本申请涉及硅基光电子芯片领域，具体而言，涉及一种片上波导集成的光场聚焦方法与装置。
背景技术
光场聚焦是指将激光光束在空间处一点汇聚以产生梯度光场，梯度光场则是一种光矢量场的光强分布形式，在该分布型式下的光场能够以力的方式捕获微小粒子。该方案不仅是各类光镊系统的核心技术，也广泛应用于激光加工、生物医学传感、光波角动量特性探究、微流控等领域。然而片上梯度光场的获得则具有较大的难度。
为了获得近表面梯度光场，通常可以通过以下三种方法进行实现：
（1）使用高数值孔径透镜来产生稳定的梯度光场，但是这类方案的体积较大且成本昂贵，而使用锥形透镜光纤的改进方案仍然不适用于大规模片上集成。
（2）依靠平面光子器件的倏逝波产生梯度光场，该方案可以适用于大规模片上集成，但是其倏逝场过短的衰减长度（数百纳米）决定该方案仅能在芯片近表面进行二维粒子操作。
（3）使用3D打印聚合物自由曲面产生聚焦光场，聚焦光场可以使激光光束在空间处一点汇聚，进而产生梯度光场。该方案光场可调控度较高，但是由于聚合物自由曲面无法兼容现有硅光生产工艺，难以大规模生产。
针对相关技术中产生梯度光场或聚焦光场的方法中存在成本较高、聚焦距离较短、无法量产的问题，目前还没有提出有效的解决方案。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种片上波导集成的光场聚焦方法与装置。
第一方面，本申请提供了一种片上波导集成的光场聚焦装置。所述装置包括：
基底、矩形波导模块、环形波导模块和光栅模块。
所述基底表面刻蚀所述矩形波导模块、所述环形波导模块和所述光栅模块；
所述矩形波导模块，用于传导激光，将所述激光分为多路激光；其中，所述多路激光环绕所述环形波导模块均匀分布；
所述环形波导模块，用于接收所述多路激光，将所述多路激光衍射为环形光场；
所述光栅模块，用于响应于所述环形光场，通过所述光栅模块中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦；其中，所述圆形光栅阵列是由聚焦型光栅耦合器围绕所述环形光场的中心360°旋转而成。
在其中一个实施例中，所述基底的波导折射率大于包层折射率。
在其中一个实施例中，所述基底的材料兼容微纳加工工艺，所述材料包含SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅）、氮化硅、氧化硅、III-V族化合物、磷酸锂、聚合物等。
在其中一个实施例中，所述矩形波导模块由外矩形波导单元、锥形波导单元、内矩形波导单元组成；
所述外矩形波导单元将所述激光分为多路激光，所述多路激光入射到所述锥形波导单元；
所述锥形波导单元的尖端连接所述外矩形波导单元，底端连接所述内矩形波导单元，所述锥形波导单元用于将外矩形波导单元入射的所述多路激光逐渐扩束，并传导至所述内矩形波导单元；
所述内矩形波导单元，连接所述环形波导模块，用于将经所述锥形波导单元扩束的所述多路激光入射到所述环形波导模块。
在其中一个实施例中，通过分光耦合器将所述激光分成两份分别进入单独的外矩形波导单元，并多次重复上述分光过程，最终将所述激光分为多路激光。
在其中一个实施例中，所述环形光场通过所述圆形光栅阵列后，以预设角度向上衍射，成为所述衍射光场，所述预设角度根据所述聚焦型光栅耦合器确定。
在其中一个实施例中，所述衍射光场以暗场聚焦的形式在自由空间聚焦；所述自由空间位于所述光栅模块中心位置的上方。
在其中一个实施例中，所述聚焦型光栅耦合器为啁啾光栅耦合器，所述啁啾光栅耦合器未刻蚀部分的宽度由所述光栅模块中心由外向内递减。
第二方面，本申请还提供了一种片上波导集成的光场聚焦方法，应用于片上波导集成的光场聚焦装置，所述装置包括基底、刻蚀于所述基底表面的矩形波导模块、环形波导模块和光栅模块；所述方法包括：
所述矩形波导模块传导激光，并将所述激光分为多路激光；其中，所述多路激光环绕所述环形波导模块均匀分布；
所述环形波导模块接收所述多路激光，并将所述多路激光衍射为环形光场；
所述光栅模块响应于所述环形光场，通过所述光栅模块中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦；其中，所述圆形光栅阵列是由聚焦型光栅耦合器围绕所述环形光场的中心360°旋转而成。
第三方面，本申请还提供了一种片上光镊系统，所述系统包括激光源、耦合设备、探测设备、以及如上述第一方面所述的片上波导集成的光场聚焦装置。
上述片上波导集成的光场聚焦方法与装置，与现有技术相比，有益效果如下：
所述基底表面刻蚀所述矩形波导模块、所述环形波导模块和所述光栅模块，兼容现有的硅光生产工艺，减小体积以及尺寸，降低成本，实现量产；所述光栅模块，用于响应于所述环形光场，通过所述光栅模块中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦，同时具有更大的焦距选择范围。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1展示本申请一个实施例中片上波导集成的光场聚焦装置的结构框图；
图2展示本申请一个实施例中矩形波导模块的分布图；
图3为图2中A处的局部放大图；
图4展示本申请一个实施例中圆形光栅阵列的结构示意图；
图5展示本申请一个实施例中啁啾光栅耦合器的结构示意图；
图6展示本申请一个实施例中片上波导集成的光场聚焦方法的流程示意图；
图7展示本申请一个实施例中片上光镊系统的结构框图；
图8展示本申请优选实施例中片上波导集成的光场聚焦装置的结构示意图；
图9展示本申请优选实施例中波导层光场的分布图；
图10展示本申请优选实施例中聚焦光场的分布图；
图11展示本申请优选实施例中聚焦光斑的尺寸图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。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，还可以做出若干变化和改进。在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种片上波导集成的光场聚焦装置100，包括：基底110、矩形波导模块120、环形波导模块130和光栅模块140，其中：
所述基底110表面刻蚀所述矩形波导模块120、所述环形波导模块130和所述光栅模块140；
所述矩形波导模块120，用于传导激光，将所述激光分为多路激光；其中，所述多路激光可以是不同波长或相位，环绕所述环形波导模块130均匀分布；
所述环形波导模块130，用于接收所述多路激光，将所述多路激光衍射为环形光场；
所述光栅模块140，用于响应于所述环形光场，通过所述光栅模块140中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦；其中，所述圆形光栅阵列是由聚焦型光栅耦合器围绕所述环形光场的中心360°旋转而成。
所述基底110表面刻蚀所述矩形波导模块120、所述环形波导模块130和所述光栅模块140，兼容现有的硅光生产工艺，减小体积以及尺寸，降低成本，实现量产；所述光栅模块140，用于响应于所述环形光场，通过所述光栅模块140中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦，同时具有更大的焦距选择范围。
在一个实施例中，所述基底的波导折射率大于包层折射率。
基底折射率的差异使光信号的能量近乎无损耗的到达非常远的接收端，更易于大规模集成。
在一个实施例中，所述基底的材料兼容现有微纳加工工艺，所述材料包括但不限于SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅）、氮化硅、氧化硅、III-V族化合物、磷酸锂、聚合物等。比如，基底可以使用SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅）结构，由底部硅层、中间较薄的氧化硅层与顶部220nm厚更薄硅层组成。所有微纳结构，即所述矩形波导模块、所述环形波导模块和所述光栅模块，均刻蚀于顶部硅层。
基底材料与现有的微纳加工工艺兼容，保证了本申请方案可以大规模集成。
在一个实施例中，如图2和图3所示，所述矩形波导模块由外矩形波导单元210、锥形波导单元220、内矩形波导单元230组成；
所述外矩形波导单元210将所述激光分为多路激光，所述多路激光入射到所述锥形波导单元220；
如图3所示，所述锥形波导单元220的尖端连接所述外矩形波导单元210，底端连接所述内矩形波导单元230，所述锥形波导单元220用于将沿外矩形波导单元210传输的多路光场扩束到沿内矩形波导单元230传输的光场；
所述内矩形波导单元230，连接所述环形波导模块240，用于将所述多路激光入射到所述环形波导模块240。
应当注意，外矩形波导单元210、锥形波导单元220和内矩形波导单元230的尺寸并不仅为图3所示的尺寸大小关系，满足外矩形波导单元210的宽度小于内矩形波导单元230的宽度即可，实际装置中的矩形波导模块中各单元尺寸大小关系可以根据实际需要调整。同时，此过程的锥形波导可以为绝热锥形波导，以减少光传输过程中的能量损耗。
这一过程将沿外矩形波导单元210传输的较小模场过渡为沿内矩形波导单元230传输的较大模场，从而能够以近环形分布的光场沿波导层进入所述环形波导模块240。
在一个实施例中，通过分光耦合器将所述激光分成两份分别进入单独的外矩形波导单元，并多次重复上述分光过程，最终将所述激光分为多路激光。
在一个实施例中，所述衍射光场以暗场聚焦的形式在自由空间聚焦；所述自由空间位于所述光栅模块中心位置的上方。
由暗场聚焦原理，向上衍射的环形光束在聚焦时，不同水平方向的光场相互叠加抵消，极大缩小了最终聚焦光场的光斑尺寸，最终获得聚焦光场光斑的半高全宽为2.1um，接近衍射极限。
在一个实施例中，所述聚焦型光栅耦合器为啁啾光栅耦合器，所述啁啾光栅耦合器未刻蚀部分的宽度由所述光栅模块中心由外向内递减。
如图4所示，沿所述光栅模块中心由外向内的方向，所述圆形光栅阵列330的刻蚀宽度递增，也即所述啁啾光栅耦合器未刻蚀部分的宽度递减；
如图5所示，所述环形光场410在经过所述啁啾型光栅耦合器400后，变为衍射光场420；沿所述环形光场410向透射光场430的方向，所述啁啾型光栅耦合器400中凹下去的部分的宽度不断递增，也即刻蚀部分的宽度递增，也即所述啁啾光栅耦合器未刻蚀部分的宽度递减。
在一个实施例中，如图5所示，所述环形光场410经所述圆形光栅阵列后会以一定角度向上衍射生成衍射光场420，同时会在透射方向和衬底（也即基底）方向生成透射光场430和泄漏光场440。
合理设置光栅参数，如刻蚀深度、占空比和线性因子等，可以调整衍射光场420的占比，进而获得不同的光栅耦合效率和衍射角度，最终的聚焦光场也不同。
基于同样的发明构思，如图6所示，本申请还提供了一种片上波导集成的光场聚焦方法，应用于片上波导集成的光场聚焦装置，所述装置包括基底、刻蚀于所述基底表面的矩形波导模块、环形波导模块和光栅模块；
在一个实施例中，所述方法包括：
步骤S510，激光源产生保偏激光，入射到基底上的矩形波导模块；
步骤S520，所述矩形波导模块传导激光，并将所述激光分为多路激光；其中，所述多路激光环绕所述环形波导模块均匀分布；
步骤S530，所述环形波导模块接收所述多路激光，并将所述多路激光衍射为环形光场；
步骤S540，所述光栅模块响应于所述环形光场，通过所述光栅模块中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦；其中，所述圆形光栅阵列是由聚焦型光栅耦合器围绕所述环形光场的中心360°旋转而成。
所述片上波导集成的光场聚焦装置不仅可以应用于各类光镊系统，也可以广泛应用于激光加工、生物医学传感、光波角动量特性探究、微流控等需要聚焦光场或者梯度光场的领域。
基于同样的发明构思，如图7所示，本申请还提供了一种片上光镊系统，所述系统包括激光源、耦合设备、探测设备、以及如上述任一实施例所述的片上波导集成的光场聚焦装置。
在一个实施例中，激光源产生保偏激光，耦合装置用于将激光器产生的保偏激光耦合至芯片波导中，并经由上述片上波导集成的光场聚焦方法产生暗场聚焦形式的聚焦光场。探测设备用以观察和测量光镊系统操纵的物体的位置和动态行为。
下面，结合图8优选实施例中片上波导集成的光场聚焦装置的结构示意图，对于本申请装置进行更加详细的说明。
本申请聚焦装置包含SOI基底610、矩形波导阵列620、环形波导阵列630、圆形光栅阵列640、聚焦光场650；整体光场聚焦方法是在SOI基底610上刻蚀波导及非周期结构将波导层的光场衍射并聚焦到特定位置，所有微纳结构（矩形波导阵列620、环形波导阵列630、圆形光栅阵列640）均刻蚀在SOI顶部220nm厚硅层；矩形波导阵列620是由一根矩形波导均分为16根矩形波导围绕环形波导阵列630构成，每根波导角度均匀围绕在环形波导阵列630外侧。将激光源产生的特定偏振态的激光均分为16份入射到环形波导阵列630中。16路矩形波导传输进来的光场将在环形波导阵列630中扩散、重叠，最终产生环形光场并向内部圆形光栅阵列640辐射；在圆形光栅阵列640中传输的光通过亚波长非周期结构后将以一定角度衍射到自由空间中，在近芯片表面形成环形聚焦光场，最终衍射光将以暗场聚焦方式汇聚在芯片上空间中心。
以下对优选实施例装置的各部分进行详细说明。
在优选实施例中，基底610包含所有波导折射率大于包层折射率的芯片，包括但不限于硅、氮化硅、氧化硅、III-V族化合物、磷酸锂、聚合物等材料。在优选实施例中，芯片使用SOI（Silicon-On-Insulator）绝缘体上硅结构，由底部硅层与中间较薄的氧化硅层与顶部220nm厚更薄硅层组成，所有微纳结构均刻蚀于顶部硅层。
在优选实施例中，矩形波导阵列620由外矩形波导，锥形波导，内矩形波导组成。半导体激光器产生的激光经过偏振控制器后输出TE偏振态激光进入外矩形波导，波导宽度0.5um，耦合器22将光1：1分成两份分别进入单独的外矩形波导，通过设计版图分布重复上一过程，最终获得16路围绕中心等长度、等角度分布的外矩形波导。随后外矩形波导通过绝热锥形波导过渡到内矩形波导中，内矩形波导宽度7um，这一过程的目的是将沿常规外矩形波导传输的较小尺寸模场过渡为内矩形波导传输的较大模场，从而能够以近环形分布的光场沿波导层进入环形波导，其光场分布参考图9；其中所有矩形波导均刻蚀在SOI芯片顶部硅层，刻蚀深度220nm。
16路矩形波导传输进来的光场将在环形波导阵列630中扩散、重叠，最终产生环形光场。此后，环形波导阵列630将环形光场传输至圆形光栅阵列640外端，至此沿波导层传输的光场开始由光栅结构衍射到自由空间中。优选实施例中圆形光栅阵列640是由聚焦型光栅耦合器围绕圆心旋转360°而成。输入光场经光栅耦合器后会以一定角度向上衍射生成衍射光场，同时会在透射方向和衬底方向生成透射光场和泄漏光场，合理设置光栅参数，如刻蚀深度、占空比和线性因子等，可以将衍射光场的占比最大化，获得最大的光栅耦合效率。
优选实施例中使用的光栅耦合器主要是利用的光的衍射原理，将微小尺寸波导中传输的光，通过亚波长周期或非周期结构以一定角度衍射到自由空间中，其入射光与衍射光波矢满足布拉格条件：。
其中kg为入射波矢，k0为衍射波矢，Λ是光栅周期，θ为衍射角度，根据第一布拉格条件，光栅周期可以表示为：。
λc是入射光波长，neff是光栅有效折射率：。
其中F是光栅周期占空比，n0、ne分别是原硅层与刻蚀后硅层的有效折射率。由（3）式易得光栅的衍射角度主要取决于刻蚀深度以及占空比。
本申请使用啁啾聚焦光栅结构，光栅刻蚀部分宽度由环形光场中心外向环形光场中心内递增，啁啾光栅占空比应为：。
其中F是光栅占空比，F0是初始光栅占空比，这项一般是由最小线宽值确定，优选实施例为80nm；R是线性偏移因子；Z是光传输距离。光栅的耦合效率主要由刻蚀深度与线性偏移因子R决定，本申请实施例通过FDTD软件进行二维参数扫描，确定啁啾光栅最佳的刻蚀深度与R分别是130nm和30000，最终获得39°衍射光束，耦合效率为54%。
由圆形光栅阵列640衍射出的环形光束以39°倾角在芯片上空间向内聚焦，可参考图10聚焦光场的分布图和图11聚焦光斑的尺寸图，衍射光场最终在圆心顶部25um处聚焦。合理调整刻蚀深度与R，聚焦范围可以是圆形光栅阵列640正上方10um到100um的自由空间，且不同焦距对应不同的耦合效率及梯度光场光斑尺寸。由光栅衍射出的倾斜光束具有水平和垂直两个方向的矢量，类似暗场聚焦原理，倾斜环形光束在汇聚时，不同水平方向的光场相互叠加抵消，极大缩小了最终聚焦光场的光斑尺寸，最终获得聚焦光场光斑的半高全宽为2.1um，接近衍射极限。本申请实施例所演示的聚焦光场方案成功在芯片表面25um处聚焦，克服了现有技术方案的近场聚焦问题；基于SOI结构的硅基芯片能够依托现有成熟的半导体加工技术低成本成产；整体的无源结构使其能够被大规模地集成。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种片上波导集成的光场聚焦装置，其特征在于，所述装置包括基底、矩形波导模块、环形波导模块和光栅模块；
所述基底表面刻蚀所述矩形波导模块、所述环形波导和所述光栅模块；
所述矩形波导模块，用于传导激光，将所述激光分为多路激光；其中，所述多路激光环绕所述环形波导模块均匀分布；
所述环形波导模块，用于接收所述多路激光，将所述多路激光衍射为环形光场；
所述光栅模块，用于响应于所述环形光场，通过所述光栅模块中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦；其中，所述圆形光栅阵列是由聚焦型光栅耦合器围绕所述环形光场的中心360°旋转而成；
所述聚焦型光栅耦合器为啁啾光栅耦合器，所述啁啾光栅耦合器未刻蚀部分的宽度由所述光栅模块中心由外向内递减；所述衍射光场以暗场聚焦的形式在自由空间聚焦；所述自由空间位于所述光栅模块中心位置的上方。
2.根据权利要求1所述的片上波导集成的光场聚焦装置，其特征在于，所述基底的波导折射率大于包层折射率。
3.根据权利要求2所述的片上波导集成的光场聚焦装置，其特征在于，所述基底的材料兼容微纳加工工艺，所述材料包含SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅）、氮化硅、氧化硅、III-V族化合物、磷酸锂、聚合物。
4.根据权利要求1所述的片上波导集成的光场聚焦装置，其特征在于，所述矩形波导模块由外矩形波导单元、锥形波导单元、内矩形波导单元组成；
所述外矩形波导单元将所述激光分为多路激光，所述多路激光入射到所述锥形波导单元；
所述锥形波导单元的尖端连接所述外矩形波导单元，底端连接所述内矩形波导单元，所述锥形波导单元用于将外矩形波导单元入射的所述多路激光逐渐扩束，并传导至所述内矩形波导单元；
所述内矩形波导单元，连接所述环形波导模块，用于将经所述锥形波导单元扩束的所述多路激光入射到所述环形波导模块。
5.根据权利要求4所述的片上波导集成的光场聚焦装置，其特征在于，通过分光耦合器将所述激光逐步分为多路激光。
6.根据权利要求1所述的片上波导集成的光场聚焦装置，其特征在于，所述环形光场通过所述圆形光栅阵列后，以预设角度向上衍射，成为所述衍射光场，所述预设角度根据所述聚焦型光栅耦合器确定。
7.一种片上波导集成的光场聚焦方法，其特征在于，所述方法应用于片上波导集成的光场聚焦装置，所述装置包括基底、刻蚀于所述基底表面的矩形波导模块、环形波导模块和光栅模块；所述方法包括：
所述矩形波导模块传导激光，并将所述激光分为多路激光；其中，所述多路激光环绕所述环形波导模块均匀分布；
所述环形波导模块接收所述多路激光，并将所述多路激光衍射为环形光场；
所述光栅模块响应于所述环形光场，通过所述光栅模块中的圆形光栅阵列，将所述环形光场衍射，成为衍射光场，最终所述衍射光场聚焦；其中，所述圆形光栅阵列是由聚焦型光栅耦合器围绕所述环形光场的中心360°旋转而成；
所述聚焦型光栅耦合器为啁啾光栅耦合器，所述啁啾光栅耦合器未刻蚀部分的宽度由所述光栅模块中心由外向内递减；所述衍射光场以暗场聚焦的形式在自由空间聚焦；所述自由空间位于所述光栅模块中心位置的上方。
8.一种片上光镊系统，其特征在于，所述系统包括激光源、耦合设备、探测设备、以及如权利要求1至6任一项所述的片上波导集成的光场聚焦装置。
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