TWI572920B - 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，光源與光學元件的耦合需要考慮的問題有：雖然集成光學普遍採用方向性較佳的鐳射作為光源，然而鐳射發出的光束仍具有一定的發散角，如果直接讓光源與光學元件對接，光束中的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的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，有必要提供一種可提高光利用率的光耦合裝置。
一種光耦合裝置，其包括一個基底、一個形成於該基底上的平板光波導、一個形成於該平板光波導上的介質光柵及一對設置於該平板光波導上且位於該介質光柵兩側的電極。該平板光波導用於與一個鐳射光源對接以接收該鐳射光源發出的雷射光束。該介質光柵沿平行於該雷射光束的入射方向設置，並與該平板光波導構成一個繞射型光波導透鏡(diffractive waveguide lens)以會聚該雷射光束。該對電極用於載入調製電場以通過電光效應改變該平板光波導的折射率從而改變該繞射型光波導透鏡的焦距。
根據集成光學理論，該介質光柵與該平板光波導構成載入型光波 導(strip/grating loaded waveguide)，該平板光波導載入該介質光柵的部分的等效折射率變大。如此，通過合理設置該介質光柵的結構，例如設置成啁啾光柵(chirped grating)便可構成一個啁啾光柵類型的繞射型光波導透鏡。而該對電極可以載入調製電場從而通過電光效應改變該平板光波導的折射率，從而改變該繞射型光波導透鏡的焦距，有效的將該雷射光束會聚入光學元件。
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
131‧‧‧介質部分
140‧‧‧電極
O‧‧‧對稱軸
20‧‧‧鐳射光源
21‧‧‧雷射光束
30‧‧‧光學元件
圖1為本發明較佳實施方式的光耦合裝置的立體示意圖。
圖2為圖1的光耦合裝置沿線II-II的剖面示意圖。
圖3為圖1的光電耦合裝置的介質光柵的平面示意圖。
請參閱圖1及圖2，本發明較佳實施方式的光耦合裝置10包括一個基底110、一個形成於該基底110上的平板光波導120、一個形成於該平板光波導120上的介質光柵130及一對設置於該平板光波導120上且平行設置於該介質光柵130兩側的電極140。該平板光波導120用於與一個鐳射光源20對接以接收該鐳射光源20發出的雷射光束21。該介質光柵130沿平行於該雷射光束21的入射方向設置，並與該平板光波導120構成一個繞射型光波導透鏡以會聚該雷射光束21。該對電極140用於載入調製電場以通過電光效應改變該平板光波導120的折射率從而改變該繞射型光波導透鏡的焦距。
根據集成光學理論，該介質光柵130與該平板光波導120構成載入型光波導，該平板光波導120載入該介質光柵130的部分的等效折 射率變大。如此，通過合理設置該介質光柵130的結構，例如設置成啁啾光柵便可構成一個啁啾光柵類型的繞射型光波導透鏡。而該對電極140可以載入調製電場從而通過電光效應改變該平板光波導120的折射率，從而改變該繞射型光波導透鏡的焦距，有效的將該雷射光束21會聚入一個光學元件30。
該基底110基本呈矩形，並包括一個頂面111及一個與該頂面111連接的側面112。由於鈮酸鋰(LiNbO3)晶體(LN)具有較高的反應速度，而且考慮到鈮酸鋰擴散金屬鈦(單質)可以形成折射率漸變型的載入光波導，因此，該基底110的材料採用鈮酸鋰晶體。
該平板光波導120通過向該頂面111鍍上金屬鈦後高溫將金屬鈦擴散入該基底110而形成。如此，在載入該介質光柵130後，該平板光波導120的折射率發生漸變，是產生啁啾光柵類型的繞射型光波導透鏡的有利條件。在本實施方式中，對應該基底110的形狀，該平板光波導120為矩形，該頂面111即為該平板光波導120的頂面，該側面112為該平板光波導120的側面。
該介質光柵130通過從該平板光波導120的頂面(即該頂面111)蝕刻該平板光波導120而形成，因此材料也為擴散有金屬鈦的鈮酸鋰晶體。該介質光柵130可以是一個啁啾光柵。具體的，該介質光柵130包括多個矩形的、平行設置的介質部分131，該多個介質部分131垂直於該側面112設置，且高度基本相同。該多個介質部分131的數目為奇數，並關於一個對稱軸O對稱分佈，且沿該對稱軸O到遠離該對稱軸O的方向，該介質部分131的寬度越來越小，而相鄰兩個該介質部分131的間隙也越來越小。
請參閱圖3，本實施方式中，以該介質光柵130的寬度方向為x 軸，該對稱軸O與x軸的相交點為原點，沿該對稱軸O到遠離該對稱軸O的方向為x軸正向，以該雷射光束21在x處與原點處的相位差為y軸，根據平板光波導波動理論可得： ，其中x>0。該介質部分131的第n 個邊界x n 滿足如下條件：，其中，n 為正整數，y n =nπ(為構成該繞射型光波導透鏡)，α及k為常數與該繞射型光波導透鏡的焦距相關。如此，可推得： 。而x<0的情況，即該對稱軸O左邊的該 介質部分131。
該對電極140在載入調製電場後產生的極間電場將橫穿該平板光波導120，從而可以進一步改變該平板光波導120的等效折射率，等效地改變啁啾光柵類型的繞射型光波導透鏡的折光能力(即焦距)，從而可以耦合以各種距離設置的該鐳射光源10及該光學元件30。該對電極140的長度及高度大於或者等於該介質光柵130的長度，本實施方式中該對電極140的長度及高度等於該將該介質光柵130的長度及高度。
該鐳射光源20採用分散式回饋雷射器(distributed feedback laser,DFB)，其屬於側面發射的半導體雷射器，可以通過晶片焊接(die bond)方式將發光的側面直接焊接到該側面112上，以使該雷射光束21沿該對稱軸O入射。當然，該鐳射光源20也可以 採用其他類型鐳射光源，並通過其他方式設置，只要保證其可沿該對稱軸O出射該雷射光束21即可。
該光學元件30可以為條狀光波導、光纖或者分光器(splitter)。本實施方式中，該光學元件30為條狀光波導。
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
131‧‧‧介質部分
140‧‧‧電極
O‧‧‧對稱軸
20‧‧‧鐳射光源
30‧‧‧光學元件

Claims (6)

  1. 一種光耦合裝置，其包括一個基底、一個形成於該基底上的平板光波導、一個形成於該平板光波導上的介質光柵及一對設置於該平板光波導上且位於該介質光柵兩側的電極；該平板光波導用於與一個鐳射光源對接以接收該鐳射光源發出的雷射光束；該介質光柵沿平行於該雷射光束的入射方向設置，並與該平板光波導構成一個繞射型光波導透鏡以會聚該雷射光束；該對電極用於載入調製電場以通過電光效應改變該平板光波導的折射率從而改變該繞射型光波導透鏡的焦距，該介質光柵是一個啁啾光柵，其包括多個矩形的、平行設置的介質部分，該多個介質部分的數目為奇數，並關於一個對稱軸對稱分佈，以該介質光柵的寬度方向為x軸，該對稱軸與x軸的相交點為原點，沿該對稱軸到遠離該對稱軸的方向為x軸正向，該介質部分的第n個邊界xx n 滿足如下條件： ，其中，x n >0，n為正整數，α及k為 常數且與該繞射型光波導透鏡的焦距相關。
  2. 如請求項1所述的光耦合裝置，其中，該基底的材料採用鈮酸鋰晶體。
  3. 如請求項1所述的光耦合裝置，其中，該基底基本呈矩形，並包括一個頂面及一個與該頂面連接的側面，該平板光波導通過向該頂面鍍上金屬鈦後高溫將金屬鈦擴散入該基底而形成；該平板光波導為矩形，該頂面即為該平板光波導的頂面，該側面為該平板光波導的側面。
  4. 如請求項3所述的光耦合裝置，其中，該介質光柵通過從該平板光波導的頂面蝕刻該平板光波導而形成。
  5. 如請求項3所述的光耦合裝置，其中，該多個介質部分垂直於該側面設置，且高度基本相同；沿該對稱軸到遠離該對稱軸的方向，該介質部分的寬度越來越小，而相鄰兩個該介質部分的間隙也越來越小。
  6. 如請求項1所述的光耦合裝置，其中，該對電極的長度及高度大於或者等於該介質光柵的長度，本實施方式中該對電極的長度及高度等於該介質光柵的長度及高度。
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