CN101556356B - 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 - Google Patents
一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101556356B CN101556356B CN2009100820103A CN200910082010A CN101556356B CN 101556356 B CN101556356 B CN 101556356B CN 2009100820103 A CN2009100820103 A CN 2009100820103A CN 200910082010 A CN200910082010 A CN 200910082010A CN 101556356 B CN101556356 B CN 101556356B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grating
- layer
- binary blazed
- ducting
- coupler
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种光栅耦合器,由上至下依次包括上包层、光栅层、波导层和下包层,所述光栅层采用二元闪耀光栅,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。本发明所提供的二元闪耀光栅耦合器可以获得高的耦合效率,实现完全垂直耦合,而且制备容易;通过调节光栅参数,实现入射光按照不同偏振态或者波长分别耦合进不同的波导中,为偏振分束和波分复用等提供有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及光通信和光互连领域,特别是涉及一种光波导的耦合结构。
背景技术
随着光电子技术的发展,光电子器件的尺寸越来越小,特别是硅基光电子学的发展,更多的光电子功能器件被集成在同一芯片上。但是同时,小的尺寸也给***的耦合和对准带来很大的困难。一般来说,SOI(绝缘体上硅)集成光波导截面尺寸比普通单模光纤小几十倍,即使拉锥光纤也无法克服如此巨大的模场失配。单模光纤和单模SOI纳米波导间直接端对端的耦合损耗大于26dB,这是我们无法接受的。目前,硅基波导器件,如调制器、分束器等都取得了巨大的发展,但***对外的耦合问题始终是一个严峻的挑战。
通常的端面耦合方法有三维锥形结构,多层锥形结构和倒锥形结构等。但这些结构的制备非常困难,而且制作容差小,还需要侧面抛光,耦合封装困难,不适应大规模集成光路的发展。光栅耦合器作为一种面耦合器成为这方面研究的热点。它可以在***的任何地方实现信号的上载下载,大大增强了***的灵活性。但由于普通对称光栅耦合效率的局限性,必须采用倾斜入射的方法。垂直耦合在集成光路的应用方面具有更大的吸引力,它能大大加强***的灵活性和降低对准封装难度。一般的垂直耦合方案有闪耀光栅,倾斜光栅。但是这些光栅制备困难,与传统CMOS工艺不兼容,无法进行大规模批量生产。另外还有许多改进的方案,但都会存在耦合带宽过窄,加工困难,耦合长度过大,角度带宽太小等种种问题。而且,由于SOI光波导中TE和TM两偏振模有效折射率的巨大差异,实现偏振无关的耦合还存在困难。
对于集成光电器件的测试,目前实验室较为常用的耦合方法为“拉锥光纤”或“磨锥光纤”直接与光波导端面耦合。这种方法仍无法解决厚度上的巨大差异,耦合效率非常低。而且耦合对震动和高度方向上的变化非常敏感,需要很好的环境条件和花费长时间的对准工作。因此,亟需一种有效的简单易做的高性能耦合方案。
发明内容
为了克服现有技术中存在的光电子器件的耦合难题,本发明的目的是提供一种纳米光波导的光栅耦合器,特别是提供一种应用于偏振分束、波长滤波、波分复用等的多层光栅耦合结构。
为达到上述目的,本发明的技术方案提供一种光栅耦合器,由上至下依次包括上包层、光栅层、波导层和下包层,所述光栅层采用二元闪耀光栅,所述光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长,所述光栅层和所述波导层集成在一起。
其中,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。
其中,所述光栅层在波导层之上。
其中,所述光栅层全部在波导层之中或者部分在波导层之中。
其中,所述波导层的折射率大于上包层和下包层的折射率。
其中,所述光栅层所用的材料与所述波导层所用的材料相同或者不同。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长。
其中,所述上包层为空气。
本发明还提供一种多层光栅耦合结构,由上至下依次包括上包层、上光栅层、上波导层、隔离层、下光栅层、下波导层和下包层,所述上、下光栅层采用二元闪耀光栅。
所述隔离层的折射率小于上、下波导层的折射率。
其中,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。
其中,所述光栅层在波导层之上。
其中,所述光栅层全部在波导层之中或者部分在波导层之中。
其中,所述波导层的折射率大于上包层和下包层的折射率。
其中,所述光栅层所用的材料与所述波导层所用的材料相同或者不同。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。
其中,所述光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长。
其中,所述上包层为空气。
本发明所提供的光栅耦合器利用二元闪耀光栅结构,获得高的耦合效率,实现完全垂直耦合,而且宽度可调、等高度的二元闪耀光栅结构,在器件的制备上比普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅容易,制备工艺与CMOS兼容;输入光源可以放置在样片表面任何地方,且不需要对输入端面的解理,抛光;通过调制每个子周期的光栅宽度,实现入射光按照不同偏振态或者波长分别耦合进不同的波导中,为偏振分束,波长滤波,波分复用/解复用提供有效途径。
附图说明
图1是本发明实施例的一种光栅耦合器结构示意图;
图2是本发明实施例的一种光栅耦合器中的二元闪耀光栅的结构示意图;
图3是本发明实施例的一种多层光栅耦合结构的示意图。
其中,1:输入光;2:上包层;3:光栅层;4:波导层;5:下包层;6:隔离层;7-10:不同波长或不同偏振态的光波。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种二元闪耀光栅耦合器,其结构主要包括波导上包层、光栅层、波导层和下包层(也叫衬底层)。来自光纤或半导体激光器的输出光从上包层(或下包层)射入光栅表面,在光栅衍射的作用下光被耦合进光栅下面的光波导中。
闪耀光栅能够将衍射光闪耀到某一衍射级上,大大提高光栅的衍射效率。二元闪耀光栅是一种亚波长光栅,这种光栅的周期小于光波长,它不产生衍射波,只有零级后向反射光和零级透射光,通过改变光栅结构,可以调制透射波和反射波的相位和振幅。二元闪耀光栅结构是一种光栅宽度调制的等高度光栅,因此在器件的制备上比普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅容易,而且与传统的CMOS工艺兼容。二元闪耀光栅的原理是基于亚波长光栅的等效介质膜理论:亚波长光栅可以等效为一定厚度的均匀介质,其等效折射率是光栅占空比f的函数(如公式1所示)。因此,通过调制光栅的占空比可以实现闪耀光栅的效果。
另外,二元闪耀光栅的等效折射率分布与入射光的偏振态有关。利用该特点,可以实现高消光比的偏振耦合,将不同偏振态的入射光耦合到不同的波导中去。而且,利用双向耦合或多层耦合的方法还可以实现波长的路由,将不同波长的光波耦合到不同的波导中去。
如图1所示,本发明实施例提供的光栅耦合结构,由上而下依次包括上包层2、光栅层3、波导层4以及下包层5,所述光栅采用二元闪耀光栅,可以是一维二元闪耀光栅或者二维二元闪耀光栅。输入光1可以是来自于光纤或者半导体激光器,由上包层2输入所述光栅耦合 器,也可以根据不同的需要从下包层5输入,利用光栅的反射特性将光耦合进波导中。所述光栅层3的材料可以与波导材料相同也可以不同,根据需要可以改变光栅与波导的位置关系,图中当h1=0时表示光栅在波导中,h2=0时表示光栅在波导上面,h1≠0,h2≠0表示光栅一部分在波导中,一部分在波导上。波导层4的折射率大于上包层2和下包层5的折射率。所述上包层2可以为空气。
图2是本发明实施例的光栅耦合器的二元闪耀光栅的剖面示意图。所述二元闪耀光栅的光栅周期是T,满足光栅耦合的布拉格条件。每个周期内又分为若干个子周期,子周期为Λ,子周期的大小小于入射波波长。每个子周期的光栅宽度不一致,分别为w1,w2,w3……。通过调制每个子周期的光栅宽度来实现其等效折射率的调制,从而获得闪耀光栅的性能。
如图3所示为本发明实施例提供的一种多层光栅耦合结构示意图。所述多层光栅耦合结构由上而下依次包括上包层2、上、下光栅层3、上、下波导层4、下包层5以及隔离层6。所述所述隔离层6的折射率小于上、下波导层4的折射率。输入光1可以是来自于光纤或者半导体激光器,由上包层2输入所述光栅耦合器,也可以根据不同的需要从下包层5输入,利用光栅的反射特性将光耦合进波导中。所述上、下光栅层3采用二元闪耀光栅,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。所述光栅层3可以全部在波导层4之上,可以全部在波导层4之中或者部分在波导层4之中。所述波导层4的折射率大于上包层2和下包层5的折射率。所述光栅层3所用的材料与所述波导层4所用的材料相同或者不同。所述光栅层3的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。所述光栅层3的每个光栅子周期的大小均小于入射光1的波长。所述上包层2可以为空气。由于不同偏振态或者不同波长的光波7、8、9和10的耦合条件不同,表现在二元闪耀光栅上就是各子周期内光栅宽度不同,通过优化设计光栅参 数可以实现将入射光1按照不同偏振态或者不同波长分开耦合进不同的波导中。所述多层耦合结构可以在耦合的同时实现偏振分束、波长滤波、波分复用等功能。
本发明所提供的光栅耦合器,利用二元闪耀光栅结构可以获得高的耦合效率,实现完全垂直耦合,而且宽度可调、等高度的二元闪耀光栅结构,在器件的制备上比普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅容易,制备工艺与CMOS兼容;输入光源可以放置在样片表面任何地方,且不需要对输入端面的解理,抛光;通过调制每个子周期的光栅宽度,实现入射光按照不同偏振态或者波长分别耦合进不同的波导中,为偏振分束,波长滤波,波分复用/解复用提供有效途径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多层光栅耦合结构,由上至下依次包括上包层、上光栅层、上波导层、隔离层、下光栅层、下波导层和下包层,其特征在于,所述上、下光栅层采用二元闪耀光栅,所述光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长,所述光栅层和所述波导层集成在一起;所述隔离层的折射率小于上、下波导层的折射率。
2.如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。
3.如权利要求2所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层完全位于波导层之上。
4.如权利要求2所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层全部位于波导层之中或者部分位于波导层之中。
5.如权利要求3或4所述的光栅耦合器,其特征在于,所述波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率。
6.如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层所用的材料与所述波导层所用的材料相同或者不同。
7.如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述光栅层的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。
8.如权利要求1所述的光栅耦合器,其特征在于,所述上包层为空气。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2009100820103A CN101556356B (zh) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2009100820103A CN101556356B (zh) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101556356A CN101556356A (zh) | 2009-10-14 |
CN101556356B true CN101556356B (zh) | 2011-10-19 |
Family
ID=41174533
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN2009100820103A Active CN101556356B (zh) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN101556356B (zh) |
Families Citing this family (33)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101915965B (zh) * | 2010-08-23 | 2013-11-06 | 清华大学 | 光栅耦合器及其封装结构 |
CN102478686B (zh) * | 2010-11-26 | 2014-09-10 | 成都锐华光电技术有限责任公司 | 光栅耦合器及其与光纤的耦合结构和封装结构 |
US20140314374A1 (en) * | 2011-10-21 | 2014-10-23 | David A. Fattal | Grating couplers with deep-groove non-uniform gratings |
CN102385109B (zh) * | 2011-10-28 | 2015-08-19 | 上海华虹宏力半导体制造有限公司 | 光波导耦合结构的制作方法 |
CN102402019A (zh) * | 2011-12-14 | 2012-04-04 | 北京大学 | 基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器 |
CN102692682B (zh) * | 2012-06-12 | 2013-07-17 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 一种光栅耦合器及其制作方法 |
CN104241755A (zh) * | 2014-03-04 | 2014-12-24 | 上海大学 | 一种基于表面波带阻滤波器的多方向分波器 |
CN103901563B (zh) * | 2014-03-31 | 2016-07-13 | 北京工业大学 | 一种折射率可调的光栅耦合器及其制作方法 |
CN104090333A (zh) * | 2014-06-23 | 2014-10-08 | 天津工业大学 | 一种二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用 |
WO2016197376A1 (zh) * | 2015-06-11 | 2016-12-15 | 华为技术有限公司 | 一种光栅耦合器及制备方法 |
IL295566B2 (en) | 2015-06-15 | 2024-01-01 | Magic Leap Inc | Display system with optical components for coupling multiple light streams |
US11231544B2 (en) | 2015-11-06 | 2022-01-25 | Magic Leap, Inc. | Metasurfaces for redirecting light and methods for fabricating |
KR102603675B1 (ko) | 2016-05-06 | 2023-11-16 | 매직 립, 인코포레이티드 | 광을 재지향시키기 위한 비대칭 격자들을 가진 메타표면들 및 제조를 위한 방법들 |
CN105759351B (zh) * | 2016-05-17 | 2019-09-03 | 东南大学 | 一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器 |
WO2018112101A1 (en) | 2016-12-14 | 2018-06-21 | Magic Leap, Inc. | Patterning of liquid crystals using soft-imprint replication of surface alignment patterns |
CN114200562A (zh) | 2017-01-27 | 2022-03-18 | 奇跃公司 | 由具有不同取向的纳米梁的超表面形成的衍射光栅 |
IL268115B2 (en) | 2017-01-27 | 2024-01-01 | Magic Leap Inc | Anti-reflective coatings for cell surfaces |
CN107315223B (zh) * | 2017-07-14 | 2019-11-15 | 上海交通大学 | 集偏振滤波器和层间均等耦合器的光互联器件 |
CN107238979B (zh) * | 2017-08-11 | 2020-04-10 | 京东方科技集团股份有限公司 | 导光组件及制备方法、背光模组以及显示装置 |
US10469195B2 (en) * | 2017-10-12 | 2019-11-05 | Luxtera, Inc. | Method and system for eliminating polarization dependence for 45 degree incidence MUX/DEMUX designs |
CN108279461B (zh) * | 2018-03-09 | 2023-04-21 | 天津工业大学 | 偏振无关的三维集成双层光栅耦合器 |
CN108508536A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-09-07 | 武汉中科锐择光电科技有限公司 | 一种全光纤偏振光分束器 |
JP7000990B2 (ja) * | 2018-05-23 | 2022-01-19 | 株式会社豊田中央研究所 | 偏波ダイバーシティフェーズドアレイグレーティング及び偏波ダイバーシティフェーズドアレイグレーティングを用いたレーザレーダ |
CN111290077B (zh) * | 2018-12-06 | 2023-01-24 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 双层隔离层的soi衬底 |
CN109856718B (zh) * | 2018-12-31 | 2023-11-10 | 苏州大学 | 低偏振度二维二元闪耀光栅 |
CN110068889A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-30 | 浙江大学 | 一种硅基人工微结构超表面波导耦合器 |
US11719885B2 (en) * | 2020-10-14 | 2023-08-08 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Apparatus for optical coupling and system for communication |
CN113933941B (zh) * | 2021-10-25 | 2022-11-25 | 上海交通大学 | 一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器及制备方法 |
CN114200582A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-03-18 | 电子科技大学 | Soi基双向收集光垂直光栅耦合器及工作方法 |
CN114859467B (zh) * | 2022-04-11 | 2023-02-17 | 上海交通大学 | 基于反向二元闪耀光栅的滤波器及制造方法 |
CN114924413A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-08-19 | 歌尔光学科技有限公司 | 光波导结构、光波导结构的制备方法及头戴显示设备 |
CN115201970B (zh) * | 2022-07-13 | 2023-10-20 | 北京摩尔芯光半导体技术有限公司 | 具有光栅耦合器的硅基光学芯片 |
CN115407456A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-11-29 | 西安交通大学 | 一种双层偏振无关光栅耦合器 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1326558A (zh) * | 1998-02-20 | 2001-12-12 | 康宁股份有限公司 | 可调谐的光学添加/去除多路复用器 |
CN1479878A (zh) * | 2000-11-27 | 2004-03-03 | �����ι�˾ | 集成光学多路复用器和多路分解器 |
CN101308234A (zh) * | 2008-06-30 | 2008-11-19 | 重庆大学 | 基于mems闪耀光栅的波分复用器/解复用器 |
-
2009
- 2009-04-17 CN CN2009100820103A patent/CN101556356B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1326558A (zh) * | 1998-02-20 | 2001-12-12 | 康宁股份有限公司 | 可调谐的光学添加/去除多路复用器 |
CN1479878A (zh) * | 2000-11-27 | 2004-03-03 | �����ι�˾ | 集成光学多路复用器和多路分解器 |
CN101308234A (zh) * | 2008-06-30 | 2008-11-19 | 重庆大学 | 基于mems闪耀光栅的波分复用器/解复用器 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
US6,445,502B1 2002.09.03 |
US7,289,700B1 2007.10.30 |
周慧君 王取泉.闪耀光栅的二元近似结构.《光学与光电技术》.2005,第3卷(第3期),引言部分. * |
王勇.波导光栅耦合器设计及其光全息聚合制作的初步研究.《山东大学 硕士学位论文》.2008,正文第28页第3段及附图4.1. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101556356A (zh) | 2009-10-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101556356B (zh) | 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 | |
Marchetti et al. | Coupling strategies for silicon photonics integrated chips | |
CN107003478B (zh) | 光耦合装置 | |
US8699836B2 (en) | Optical coupler | |
EP1446687B1 (en) | Optical junction apparatus and methods employing optical power transverse-transfer | |
CN101359071B (zh) | 光耦合器件 | |
KR102313684B1 (ko) | 광 결합기 | |
CN111175896A (zh) | 一种大带宽的高效率光栅耦合器 | |
US7454101B2 (en) | Tunable optical dispersion compensators | |
CN103345022A (zh) | 一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器 | |
CA3073803A1 (en) | Method and apparatus for self-alignment connection of optical fiber to waveguide of photonic integrated circuit | |
CN101833172B (zh) | 一种偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件 | |
CN108717237A (zh) | 一种基于d型双芯光纤的多层石墨烯多输出方式的调制器 | |
CN113885137B (zh) | 基于片上超透镜结构的波长解复用器件 | |
CN107533197A (zh) | 一种偏振旋转器及光信号处理方法 | |
CN112630886B (zh) | 端面耦合器及其制造方法 | |
CN113848609A (zh) | 光子集成耦合结构、光子集成器件 | |
CN112596155B (zh) | 一种基于lnoi材料的低***损耗端面耦合器 | |
Han | 1D photonic crystals: principles and applications in silicon photonics | |
Lindenmann et al. | Photonic waveguide bonds–a novel concept for chip-to-chip interconnects | |
CN101825745B (zh) | 利用微流体注入技术且波长可调的二维光子晶体解复用器 | |
CN110989102A (zh) | 基于vcsel阵列混合集成和光纤垂直封装的硅基wdm光发送装置 | |
JP2003232932A (ja) | 光遅延線およびその製造方法 | |
WO2020105412A1 (ja) | 光接続構造およびその製造方法 | |
CN115373159A (zh) | 硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |