TWI578041B - 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，有必要提供一種可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、一個平板光波導、一個介質光柵、一對條狀之第一電極及一對條狀之第二電極。該基底包括一個頂面及一個與該頂面相背之底面。該平板光波導形成於該頂面上，該介質光柵形成於該平板光波導上，該對第一電極位於該光波導上且包括一個第一調製電極及一個第一地電極。該第一調製電極及該第一地電極位於該介質光柵兩側。該第二電極包括一個覆蓋於該介質光柵上之第二調製電極及一個設置於該底面與該第二調製電極相背之第二地電極。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之雷射光束。該介質光柵沿平行 於該雷射光束之入射方向設置，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。該對第一電極用於載入第一調製電場以通過電光效應改變平板光波導相對於雷射光束中之橫電波(transverse electric wave)之折射率。該對第二電極用於載入第二調製電場以通過電光效應改變平板光波導相對於雷射光束中之橫磁波(transverse magnetic wave)之折射率。
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之部分之等效折射率變大。如此，通過合理設置該介質光柵之結構，例如設置成啁啾光柵(chirped grating)便可構成一個啁啾光柵類型之繞射型光波導透鏡。而該對第一電極及第二電極可以分別載入第一、第二調製電場從而分別改變橫電波及橫磁波相對於該平板光波導之折射率，從而有效之將該橫電波及橫磁波會聚入光學元件。
10‧‧‧光耦合裝置
110‧‧‧基底
111‧‧‧頂面
112‧‧‧側面
113‧‧‧底面
120‧‧‧平板光波導
130‧‧‧介質光柵
140‧‧‧第一電極
141‧‧‧第一調製電極
142‧‧‧第一地電極
150‧‧‧第二電極
151‧‧‧第二調製電極
152‧‧‧第二地電極
160‧‧‧緩衝層
O‧‧‧對稱軸
20‧‧‧鐳射光源
21‧‧‧雷射光束
30‧‧‧光學元件
E1‧‧‧第一調製電場
E2‧‧‧第二調製電場
圖1為本發明較佳實施方式之光耦合裝置之立體示意圖。
圖2為本發明較佳實施方式之光耦合裝置之分解示意圖。
圖3為圖1之光耦合裝置沿線III-III之剖面示意圖。
圖4為圖1所示之光耦合裝置之介質光柵之平面示意圖。
請參閱圖1至圖3，本發明較佳實施方式之光耦合裝置10包括一個基底110、一個平板光波導120、一個介質光柵130、一對第一電 極140及一對第二電極150。
該基底110基本呈矩形，並包括一個頂面111、一個與該頂面111連接之側面112及一個與該頂面111相背之底面113。由於鈮酸鋰(LiNbO3)晶體(LN)具有較高之反應速度，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之載入光波導，因此，該基底110之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。在本實施方式中，對應該基底110之形狀，該平板光波導120為矩形，該頂面111即為該平板光波導120之頂面，該側面112為該平板光波導120之側面。
該介質光柵130通過蝕刻該平板光波導120之頂面(即該頂面111)而形成，因此材料也為擴散有金屬鈦之鈮酸鋰晶體。該介質光柵130可以是一個啁啾光柵。在載入該介質光柵130後，該平板光波導120之折射率發生漸變，是產生啁啾光柵類型之繞射型光波導透鏡之有利條件。具體之，該介質光柵130包括多個矩形之、平行設置之介質部分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之數目為奇數，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之方向，該介質部分131之寬度越來越小，而相鄰兩個該介質部分131之間隙也越來越小。
該對第一電極140設置於該平板光波導120上且包括一個第一調製電極141及一個第一地電極142。該第一調製電極141及該第一地電極平行設置於該介質光柵130之兩側。
該對第二電極150包括一個第二調製電極151及一個第二地電極152。該第二調製電極151覆蓋於該介質光柵130上，該第二地電極152設置於該底面113上且與該第二調製電極151相背。
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發出之雷射光束21。該介質光柵130沿平行於該雷射光束21之入射方向設置，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。該對第一電極140用於載入第一調製電場E1以通過電光效應改變該平板光波導120之相對於該雷射光束21中橫電波(transverse electric wave)之折射率，從而改變該繞射型光波導透鏡相對於橫電波之焦距。
該對第二電極150用於載入第二調製電場E2以通過電光效應改變該平板光波導120之相對於該雷射光束21中橫磁波(transverse magnetic wave)之折射率，從而改變該繞射型光波導透鏡相對於橫磁波之焦距。
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之部分之等效折射率變大。如此，通過合理設置該介質光柵130之結構，例如設置成啁啾光柵便可構成一個啁啾光柵類型之繞射型光波導透鏡。而該對第一電極140可以載入第一調製電場E1從而通過電光效應改變該平板光波導120相對於橫電波之折射率，從而改變該繞射型光波導透鏡相對於橫電波之焦距，有效之將該雷射光束21中之橫電波會聚入一個光學元件30。而該對第二電極150可以載入第二調製電場E2從而通過電光效應改變該平板光波導120相對於橫磁波之折射率，從而改變該繞射型光波導透鏡相對於橫磁波之焦 距，有效之將該雷射光束21中之橫磁波會聚入該光學元件30。
請參閱圖4，本實施方式中，該介質光柵130之寬度方向為x軸，該對稱軸O於x軸之相交點為原點，沿該對稱軸O到遠離該對稱軸O之方向為x軸正向，以該雷射光束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，則該介質光柵130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為常數與該繞射型光波導透鏡之焦距相關。而x<0之情況，即該對稱軸O左邊之該介質光柵130之邊界可通過對稱性獲得。
該對第一電極140在載入第一調製電場E1後產生之極間電場於大致平行於該頂面111之方向將橫穿該平板光波導120，該對第二電極150在載入第二調製電場E2後產生之極間電場於大致垂直於該頂面111之方向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之等效折射率，等效地改變啁啾光柵類型之繞射型光波導透鏡之折光能力(即焦距)，從而可以耦合以各種距離設置之該鐳射光源20及該光學元件30。該對第一電極140之長度及高度大於或者等於該介質光柵130之長度及高度，本實施方式中該對第一電極140之長度及高度等於該介質光柵130之長度及高度。
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。
優選地，為了防止光波被該地第二調製電極151吸收，可以在該介質光柵130上先形成一層緩衝層160，再在該緩衝層160上形成該第二調製電極151，即該緩衝層160設置於該介質光柵130與第二調製電極151之間。該緩衝層160採用二氧化矽製成。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
112‧‧‧側面
120‧‧‧平板光波導
140‧‧‧第一電極
141‧‧‧第一調製電極
142‧‧‧第一地電極
151‧‧‧第二調製電極
160‧‧‧緩衝層
20‧‧‧鐳射光源
21‧‧‧雷射光束
30‧‧‧光學元件

Claims (9)

  1. 一種光耦合裝置，其包括一個基底、一個平板光波導、一個介質光柵、一對條狀之第一電極及一對條狀之第二電極；該基底包括一個頂面及一個與該頂面相背之底面；該平板光波導形成於該頂面上，該介質光柵形成於該平板光波導上，該對第一電極位於該光波導上且包括一個第一調製電極及一個第一地電極；該第一調製電極及該第一地電極位於該介質光柵兩側；該第二電極包括一個覆蓋於該介質光柵上之第二調製電極及一個設置於該底面與該第二調製電極相背之第二地電極；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之雷射光束；該介質光柵沿平行於該雷射光束之入射方向設置，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；該對第一電極用於載入第一調製電場以通過電光效應改變平板光波導相對於雷射光束中之橫電波之折射率；該對第二電極用於載入第二調製電場以通過電光效應改變平板光波導相對於雷射光束中之橫磁波之折射率。
  2. 如請求項1所述之光耦合裝置，其中，該光耦合裝置還包括設置於該介質光柵與該第二調製電極之間之緩衝層，該緩衝層用來防止光波被該第二調製電極所吸收。
  3. 如請求項2所述之光耦合裝置，其中，該緩衝層採用二氧化矽製成。
  4. 如請求項1所述之光耦合裝置，其中，該基底之材料採用鈮酸鋰晶體。
  5. 如請求項1所述之光耦合裝置，其中，該基底基本呈矩形，還包括一個與該頂面連接之側面，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之頂面，該側面為該平板光波導之側面。
  6. 如請求項5所述之光耦合裝置，其中，該介質光柵通過蝕刻該平板光波導之頂面而形成。
  7. 如請求項5所述之光耦合裝置，其中，該介質光柵是一個啁啾光柵，其包括多個矩形之、平行設置之介質部分，該多個介質部分垂直於該側面設置，且高度基本相同；該多個介質部分之數目為奇數，並關於一個對稱軸對稱分佈，且沿該對稱軸到遠離該對稱軸之方向，該介質部分之寬度越來越小，而相鄰兩個該介質部分之間隙也越來越小。
  8. 如請求項7所述之光耦合裝置，其中，該介質光柵之寬度方向為x軸，該對稱軸與x軸之相交點為原點，沿該對稱軸到遠離該對稱軸之方向為x軸正向，以該雷射光束在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，則該 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為常數與該繞射型光波導透鏡之焦距相關。
  9. 如請求項1所述之光耦合裝置，其中，該對第一電極之長度及高度大於或者等於該介質光柵之長度及高度。
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