TWI572914B - 光耦合裝置 - Google Patents

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Description

光耦合裝置
本發明涉及集成光學裝置，特別涉及一種光耦合裝置。
在集成光學裏，光源與光學元件之耦合需要考慮之問題有：雖然集成光學普遍採用方向性較佳之鐳射作為光源，然而鐳射發出之光束仍具有一定之發散角，如果直接讓光源與光學元件對接，光束中之發散光線將無法進入光學元件，光利用率低。因此，如何將光源耦合至光學元件以使發散之光束會聚入光學元件以提高光利用率是一個重要課題。
有鑒於此，有必要提供一種能夠提高光利用率之光耦合裝置。
一種光耦合裝置，其包括一個基底、一個形成於所述基底上之平板光波導及一個形成於所述平板光波導上之介質光柵薄膜。所述平板光波導用於與一個鐳射光源對接以接收所述鐳射光源發出之發散之雷射光束，所述介質光柵薄膜包括一個第一介質光柵及一個與所述第一介質光柵間隔設置之第二介質光柵。所述第一介質光柵位於所述鐳射光源之出射光路並用於將所述發散之雷射光束彙聚為平行之雷射光束。所述第二介質光柵位於所述第一介質光柵之出射光路並用於彙聚所述平行雷射光束並將彙聚之所述平行光束耦合至一光學元件。
根據集成光學理論，所述第一介質光柵及第二介質光柵例如均設置成啁啾光柵(chirped grating)，進一步根據所述鐳射光源與光學元件之間之相對位置，合理設置第一介質光柵及第二介質光柵之結構從而使鐳射光源發出之雷射光束耦合至所述光學元件。
10‧‧‧光耦合裝置
110‧‧‧基底
111‧‧‧頂面
112‧‧‧側面
120‧‧‧平板光波導
130‧‧‧介質光柵薄膜
131‧‧‧第一介質光柵
1311‧‧‧第一矩形凸條
1312‧‧‧第二矩形凸條
O‧‧‧第一對稱軸
132‧‧‧第二介質光柵
1321‧‧‧第三矩形凸條
1322‧‧‧第四矩形凸條
A‧‧‧第二對稱軸
133‧‧‧矩形凹槽
20‧‧‧鐳射光源
21‧‧‧雷射光束
30‧‧‧光學元件
圖1為本發明提供之光耦合裝置之結構示意圖。
圖2為圖1之光耦合裝置沿線II-II之剖面示意圖。
圖3為圖1中之第一介質光柵之平面示意圖。
請參閱圖1及圖2，本發明實施方式提供之光耦合裝置10包括一個基底110、一個形成於所述基底110上之平板光波導120及一個形成於所述平板光波導120上之介質光柵薄膜130。
所述基底110基本呈矩形，並包括一個頂面111及一個與所述頂面111垂直連接之側面112。考慮到鈮酸鋰擴散金屬鈦(單質)可以形成折射率漸變型之載入光波導，因此，所述基底110之材料採用鈮酸鋰晶體。在其他實施方式中，所述基底110也可以是陶瓷或塑膠等材料，通過半導體制程在陶瓷或塑膠的基底110上形成半導體材料如二氧化矽、矽等材料從而形成的所述平板光波導120。
所述平板光波導120通過向所述頂面111鍍上金屬鈦後高溫將金屬鈦擴散入所述基底110而形成。在本實施方式中，對應所述基底110之形狀，所述平板光波導120為矩形，所述頂面111即為所述平板光波導120之頂面，所述側面112即為所述平板光波導120之 側面。所述平板光波導120用於與一個鐳射光源20對接以接收所述鐳射光源20發出之雷射光束21。
所述介質光柵薄膜130通過在所述頂面111上通過濺射鍍膜、蒸鍍或塗布一層高折射率材料膜而形成，所述高折射率材料可二氧化矽、二氧化矽摻硼或磷之混合物或有機化合物。本實施方式中，所述介質光柵薄膜130為塗布於所述頂面111上之有機化合物，且通過在所述有機化合物之介質光柵薄膜130上採用黃光蝕刻(黃光微影)工藝蝕刻從而形成一個第一介質光柵131及一個與所述第一介質光柵間隔設置之第二介質光柵132。
本實施方式中，所述第一介質光柵131為一個啁啾光柵。所述第一介質光柵131包括一個位於中間之第一矩形凸條1311及多個對稱分佈於所述第一矩形凸條1311兩側之第二矩形凸條1312，所述第一矩形凸條1311及所述第二矩形凸條1312之數量之和為奇數，所述第一矩形凸條1311與多個第二矩形凸條1312互相平行間隔設置，所述第一矩形凸條1311之寬度大於每個第二矩形凸條1312之寬度，且從所述第一矩形凸條1311到遠離所述第一矩形凸條1311之方向，所述多個第二矩形凸條1312之寬度越來越小，而所述第二矩形凸條1312與第一矩形凸條1311及相鄰兩個第二矩形凸條1312之間之間隙也越來越小。
請參閱圖3，本實施方式中，所述第一矩形凸條1311包括一個與所述平板光波導120相背的矩形上表面。該第一矩形凸條1311的矩形上表面包括兩條長邊及兩條寬邊。以所述第一矩形凸條1311的矩形上表面的兩條寬邊的中心點的連線作為第一對稱軸O，所述第一介質光柵131的的矩形上表面的其中一條寬邊的延伸方向 為x軸，所述第一對稱軸O與x軸之相交點為原點，沿所述第一對稱軸O到遠離所述第一對稱軸O之方向為x軸正向，以所述雷射光束21在x處與原點處之相位差為y軸，根據平板光波導波動理論可得：，其中x>0，則所述第介質光柵131之第n個邊界x n 滿足如下條件：其中，n為正整數，y n =nπ，a及k為常數與所述衍射型光波導透鏡之焦距相關。如此，可推得：。而x<0之情況，即所述第一對稱軸O左邊之所述第一介質光柵1311之邊界可通過對稱性獲得。
請再次參閱圖1，所述第二介質光柵132結構與所述第一介質光柵131之結構完全相同，也為一個啁啾光柵且關於一個第二對稱軸A對稱。所述第二介質光柵132包括一個位於中間之第三矩形凸條1321及多個對稱分佈於所述第三矩形凸條1321兩側之第四矩形凸條1322，所述第三矩形凸條1321及所述第四矩形凸條1322之數量之和為奇數，所述第三矩形凸條1321與多個第四矩形凸條1322互相平行間隔設置，所述第三矩形凸條1321之寬度大於每個第四矩形凸條1322之寬度，且從所述第三矩形凸條1321到遠離所述第三矩形凸條1321之方向，所述多個第四矩形凸條1322之寬度越來越小，而所述第四矩形凸條1322與第三矩形凸條1321及相鄰兩個第四矩形凸條1322之間之間隙也越來越小。
所述第一介質光柵131及所述第二介質光柵132之間開設有一個矩形凹槽133。所述矩形凹槽133之寬度即所述第一介質光柵131與所述第二介質光柵132之間之距離。所述第一對稱軸O對準所述第二對稱軸A。每一個第二矩形凸條1312對準對應一個第四矩形凸條1322。
所述鐳射光源20採用分散式回饋雷射器(distributed feedback laser,DFB)，其屬於側面發射之半導體雷射器，可以通過晶片焊接(die bond)方式將發光之側面直接焊接到所述側面112上，且所述鐳射光源20之中心軸對準所述第一對稱軸O入射。當然，所述鐳射光源20也可以採用其他類型鐳射光源，並通過其他方式設置。所述第一介質光柵131位於所述鐳射光源之出射光路。所述第二介質光柵132位所述第一介質光柵131之出射光路。
所述光耦合裝置10還進一步包括一設置於所述第二介質光柵132之出光光路上之光學元件30所述，所述光學元件30之中心軸對準所述第三矩形凸條1321之中心軸，如此所述第一矩形凸條1311、所述第二矩形凸條1312、所述第三矩形凸條1321及所述第四矩形凸條1322均平行於所述鐳射光源20及所述光學元件30之中心軸之連線設置。所述光學元件30可以為條狀光波導、光纖或者分光器(splitter)。本實施方式中，所述光學元件30為條狀光波導。
使用時，所述鐳射光源20發出發散之雷射光束並將發散之雷射光束投向所述第一介質光柵131。所述第一介質光柵131將所述發散之雷射光束彙聚為平行之雷射光束。所述第二介質光柵132位彙聚所述平行雷射光束並將彙聚之所述平行光束耦合至所述光學元件30。
根據集成光學理論，根據所述鐳射光源20與光學元件30之間之相對位置，合理設置第一介質光柵131及第二介質光柵132之結構、所述第一介質光柵131相對於鐳射光源20之位置以及第二介質光柵132相對於所述光學元件30之位置，從而使鐳射光源20發出之雷射光束耦合至所述光學元件30。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧光耦合裝置
110‧‧‧基底
111‧‧‧頂面
112‧‧‧側面
120‧‧‧平板光波導
130‧‧‧介質光柵薄膜
131‧‧‧第一介質光柵
1311‧‧‧第一矩形凸條
1312‧‧‧第二矩形凸條
O‧‧‧第一對稱軸
132‧‧‧第二介質光柵
1321‧‧‧第三矩形凸條
1322‧‧‧第四矩形凸條
A‧‧‧第二對稱軸
133‧‧‧矩形凹槽
20‧‧‧鐳射光源
30‧‧‧光學元件

Claims (9)

  1. 一種光耦合裝置，其包括一個基底、一個形成於所述基底上之平板光波導及一個形成於所述平板光波導上之介質光柵薄膜；所述平板光波導用於與一個鐳射光源對接以接收所述鐳射光源發出之發散之雷射光束，所述介質光柵薄膜包括一個第一介質光柵及一個與所述第一介質光柵間隔設置之第二介質光柵；所述第一介質光柵位於所述鐳射光源之出射光路並用於將所述發散之雷射光束彙聚為平行之雷射光束；所述第二介質光柵位於所述第一介質光柵之出射光路並用於彙聚所述平行之雷射光束並將彙聚之所述平行光束耦合至一光學元件，所述第一介質光柵是一個啁啾光柵，所述第一介質光柵包括一個位於中間之第一矩形凸條及多個對稱分佈於所述第一矩形凸條兩側之第二矩形凸條，所述第一矩形凸條包括一個與所述平板光波導相背的矩形上表面，所述矩形上表面包括兩條長邊及兩條寬邊，以所述矩形上表面的兩條寬邊的中心點的連線作為第一對稱軸，所述第二介質光柵之結構與第一介質光柵之結構相同且關於一個第二對稱軸對稱，所述第二對稱軸對準所述第一對稱軸設置。
  2. 如請求項1所述之光耦合裝置，其中所述第一矩形凸條及所述第二條形之數量之和為奇數，所述第一矩形凸條與多個第二矩形凸條均為矩形且互相平行設置，所述第一矩形凸條之寬度大於每個第二矩形凸條之寬度，且從所述第一矩形凸條到遠離所述第一矩形凸條之方向，所述多個第二矩形凸條之寬度越來越小，而所述第二矩形凸條與第一矩形凸條及相鄰兩個第二矩形凸條之間之間隙也越來越小。
  3. 如請求項2所述之光耦合裝置，其中，以所述矩形上表面的其中一條寬邊的延伸方向為x軸，所述第一對稱軸與x軸之相交點為原點，沿所述 第一對稱軸到遠離所述第一對稱軸之方向為x軸正向，以所述雷射光束在x處與原點處之相位差為y軸，根據平板光波導波動理論可得：，其中x>0，則所述第一介質光柵之第n個邊界x n 滿足如下條件：，其中，n為正整數，y n =nπ，a及k為常數與所述衍射型光波導透鏡之焦距相關。
  4. 如請求項3所述之光耦合裝置，其中，所述第二介質光柵包括一個位於中間之第三矩形凸條及多個對稱分佈於所述第三矩形凸條兩側之第四矩形凸條。
  5. 如請求項4所述之光耦合裝置，其中，所述第一矩形凸條、所述第二矩形凸條、所述第三矩形凸條及所述第四矩形凸條均平行於所述鐳射光源及所述光學元件之中心軸之連線設置。
  6. 如請求項1所述之光耦合裝置，其中，所述第一介質光柵及所述第二介質光柵之間開設有一個矩形凹槽。
  7. 如請求項1所述之光耦合裝置，其中，所述基底之材料採用鈮酸鋰晶體。
  8. 如請求項7所述之光耦合裝置，其中，所述基底呈矩形，並包括一個頂面及一個與所述頂面垂直連接之側面，所述平板光波導通過向所述頂面鍍上金屬鈦後高溫將金屬鈦擴散入所述基底而形成，所述平板光波導為矩形，所述頂面即為所述平板光波導之頂面，所述側面為所述平板光波導之側面。
  9. 如請求項8所述之光耦合裝置，其中，所述介質光柵薄膜通過從所述平板光波導之頂面塗布上一層高折射率材料膜並採用黃光蝕刻工藝蝕刻所述 高折射率材料膜而形成所述第一介質光柵及所述第二介質光柵。
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