CN101556356B - 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 - Google Patents

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

一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用

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。

$n_{\mathrm{eff}}=\left\{\begin{array}{cc}{n}_{\mathrm{TE}}^{\left(1\right)}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TE}}^{\left(1\right)}}=\sqrt{{{\mathrm{fn}}_1}^2+(1-f){n_2}^2}& \left(\mathrm{TEMode}\right)\\ n_{\mathrm{TM}}^{\left(1\right)}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TM}}^{\left(1\right)}}=\sqrt{\frac{1}{f\frac{1}{{n_1}^2}+(1-f)\frac{1}{{n_2}^2}}}& \left(\mathrm{TMMode}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

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。

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