CN109001857B - 一种提高能量传输效率的改进型平板光波导阵列结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高能量传输效率的改进型平板光波导阵列结构，包括：衬底层、布拉格反射层和光波导阵列层；布拉格反射层设置于衬底层之上，光波导阵列层设置于布拉格反射层之上；其中，布拉格反射层包括第一折射率层和第二折射率层，其中，第一折射率层的数量为P+1个，第二折射率层的数量为P个，且每两个第一折射率层之间设置一个第二折射率层，P为大于0的自然数。本发明的平面光波导阵列结构在原始平面光波导阵列结构的基础上加入了布拉格反射层，改善了因GaAs芯层和GaAlAs包层之间折射率差较小导致的光场局域性较差的问题，将光场更好地局限在光波导阵列中，减小了平板光波导阵列结构光束能量传输的损耗，提高了光束能量利用效率。
Description
技术领域
本发明属于光学相控阵技术领域，具体涉及一种提高能量传输效率的改进型平板光波导阵列结构。
背景技术
光学相控阵技术，利用工作材料的电光/热光/声光等特性，实现光束指向的非机械控制，在激光雷达、激光制导、激光显示等军用及民用领域具有广阔的应用前景，近年来成为光束扫描研究的热点。制造光波导阵列的电光材料主要有LiNbO3、液晶、GaAs、电光陶瓷等。其中基于GaAs/GaAlAs材料的平板波导光学相控阵具有响应速度快、扫描范围大、驱动电压低、电路控制简单等显著优点，成为光学相控阵的研究热点。
但是，由于GaAs/GaAlAs波导结构是通过Al组分来改变材料折射率，折射率的可调控范围很小。导致波导芯层与包层之间的折射率差较小，因而对光场的局域性较差，结果不仅会导致相邻波导阵元间光场耦合较强，而且会导致大量光能量漏向衬底中，影响了光能的利用效率。限制了GaAs/GaAlAs光学相控阵的发展。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种提高能量传输效率的改进型平板光波导阵列结构。
本发明的一个实施例提供了一种提高能量传输效率的改进型平板光波导阵列结构，包括：衬底层、布拉格反射层和光波导阵列层；
所述布拉格反射层设置于所述衬底层之上，所述光波导阵列层设置于所述布拉格反射层之上；其中，所述布拉格反射层包括第一折射率层和第二折射率层，其中，所述第一折射率层的数量为P+1个，所述第二折射率层的数量为P个，且每两个所述第一折射率层之间设置一个所述第二折射率层，P为大于0的自然数。
在本发明的一个实施例中，所述第一折射率层的折射率大于所述第二折射率层的折射率。
在本发明的一个实施例中，所述第一折射率层的厚度满足公式hH＝λ0/(4nH)，同时所述第二折射率层的厚度满足公式hL＝λ0/(4nL)，其中，hH为第一折射率层的厚度，hL为第二折射率层的厚度，λ0为入射光束的波长，nH为第一折射率层的折射率，nL为第二折射率层的折射率。
在本发明的一个实施例中，所述第一折射率层的材料为GaxAlyAs，所述第二折射率层的材料为GaaAlbAs，其中，x>a，y<b，x+y＝1，a+b＝1。
在本发明的一个实施例中，所述光波导阵列层包括波导包层和波导芯层，其中，所述波导包层的数量为e+1个，所述波导芯层的数量为e个，且每两个所述波导包层之间设置一个所述波导芯层，e为大于0的自然数。
在本发明的一个实施例中，所述波导包层的材料为GacAldAs，其中，c+d＝1。
在本发明的一个实施例中，所述波导芯层的材料为GaAs。
在本发明的一个实施例中，所述衬底层的材料为GaAs。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的改进型平板光波导阵列结构在普通平板光波导阵列结构的基础上加入了布拉格反射层，改善了因第一光波导包层、光波导芯层和第二光波导包层之间折射率差较小导致的光场局域性较差问题，缓解了光束漏入衬底层的问题，提高了光束能量利用效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种改进型平板光波导阵列结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种改进型平板光波导阵列结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种改进型平板光波导阵列结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的改进型平板光波导阵列结构的仿真结果示意图；
图5为现有技术提供的一种平板光波导阵列结构的仿真结果示意图；
图6为本发明实施例提供的改进型平板光波导阵列结构效果对比示意图；
图7为现有技术提供的一种平板光波导结构垂直于传播方向的光场振幅分布示意图；
图8为本发明实施例提供的一种改进型平板光波导阵列结构垂直于传播方向的光场振幅分布示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种改进型光波导阵列结构的结构示意图。本发明实施例提供的改进型光波导阵列结构包括：衬底层1、布拉格反射层2和光波导阵列层3；
所述布拉格反射层2设置于所述衬底层1之上，所述光波导阵列层3设置于所述布拉格反射层2之上；其中，所述布拉格反射层2包括第一折射率层21和第二折射率层22，其中，所述第一折射率层21的数量为k+1个，所述第二折射率层22的数量为k个，且每两个所述第一折射率层21之间设置一个所述第二折射率层22，k为大于0的自然数。
本实施例改进了平板光波导阵列结构，通过在衬底层与光波导阵列层增加布拉格反射层的方法，减小了因光波导阵列层结构导致的光束向衬底层泄露的问题，从而提高了光束能量的利用效率。
优选地，衬底层1采用的材料为GaAs。
具体地，布拉格反射层2包括第一折射率层21和第二折射率层22，其中，第一折射率层21的数量为P+1个，第二折射率层22的数量为P个，P+1个第一折射率层21依次位于衬底层1上，且每两个第一折射率层21之间均设置一个第二折射率层22，P为大于0的自然数。
具体地，P+1个第一折射率层21和P个第二折射率层22交替设置于衬底层1上，交替设置的第一层为第一折射率层21，即与衬底层1相邻的第一层为第一折射率层21，交替设置的最后一层也为第一折射率层21，即与光波导阵列层3相邻的为第一折射率层21。
第一折射率层21的折射率大于第二折射率层22的折射率，第一折射率层21的材料为GaxAlyAs，第二折射率层22的材料为GaaAlbAs，其中，x>a，y<b，x+y＝1，a+b＝1。
将第一折射率层21记为H，将第二折射率层22记为L，将一组第一折射率层21和第二折射率层22记为增反结构层，一组第一折射率层21和第二折射率层22即为一个第一折射率层21和位于该第一折射率层21上的一个第二折射率层22组成，一个增反结构层可以记为一个HL，则增反结构层的个数为P个，则布拉格反射层2可以表示为(HL)PH。
假设每组增反结构层的厚度为k，其等效折射率为n1，出射介质G的折射率为n2，光由折射率为n0的入射介质A入射到单个增反结构层的反射率R可以表示为：
通过计算可以得到当布拉格反射层2的结构为(P+1)时(P为增反结构层的个数，1为位于光波导阵列层3下面的第一折射率层21)，布拉格反射层2的折射率为：
其中，nP+1为布拉格反射层2的折射率，nH为第一折射率层21的折射率，nL为第二折射率层22的折射率，nG为衬底层1的折射率；
布拉格反射层2的反射率为：
其中，RP+1为布拉格反射层2的反射率，nP+1为布拉格反射层2的折射率，nA为波导包层31的折射率。
布拉格反射层2的厚度可以根据具体入射光束的波长、布拉格反射层2的第一折射率层21的折射率和第二折射率层22的折射率进行确定；
具体地，第一折射率层21的厚度满足公式hH＝λ0/(4nH)，同时第二折射率层22的厚度满足公式hL＝λ0/(4nL)，其中，hH为第一折射率层21的厚度，hL为第二折射率层22的厚度，λ0为入射光束的波长，nH为第一折射率层21的折射率，nL为第二折射率层22的折射率。特别地，光波导阵列层3的厚度比布拉格反射层2的厚度大一到两个数量级；
光波导阵列层3包括波导包层31和波导芯层32，其中，波导包层31的数量为e+1个，波导芯层32的数量为e个，e+1个波导包层31依次位于衬底层1上，且每两个波导包层31之间均设置一个波导芯层32，e为大于0的自然数。
具体地，e+1个波导包层31和e个波导芯层32交替设置于布拉格反射层2上，交替设置的第一层为波导包层31，即与布拉格反射层2相邻的第一层为波导包层31，交替设置的最后一层也为波导包层31，即与布拉格反射层2相邻的为波导包层31。
其中，在改进型平板光波导阵列结构的最后一层设置一个波导包层31可以使得入射光的能量保存在波导芯层32内进行传播，以防入射光耦合到空气中；
请参加图2，图2为本发明实施例提供的另一种改进型平板光波导阵列结构的结构示意图，波导包层31可以作为改进型平板光波导阵列结构的电极层，因此可以在波导包层31上设置引脚。
优选地，波导包层31的材料均为GacAldAs，其中，c+d＝1，波导包层31具有折射率低和导电性好的特点，把光限制在波导层；
优选地，波导芯层32的材料为GaAs，波导芯层32具备电光系数高、光学损耗低、折射率高的特点，作为光束的传输通道；
波导芯层32的厚度可以表示为：
其中，表示波导芯层32的厚度，na为波导芯层32的折射率，nb为除最高层的波导包层31的折射率，nc为最高层的波导包层31的折射率，m表示光纤内传播光的阶数，当m＝0时，对应求出单模传输时波导芯层32的厚度的下限，当m＝1时，对应求出单模传输时波导芯层32的厚度的上限，当波导芯层厚度时，从而保证入射光束在光波导阵列层3是单模传输。
通过可以求出某一光波导阵列层3对应的波导芯层32的最大厚度，从而保证入射光束是单模传输。
当衬底层1和光波导阵列层3的折射率都大于或小于布拉格反射层2的折射率时，若衬底层1和光波导阵列层3中相继两光束的相位差等于π，则对应波长的反射光将获得最强烈的反射，所以入射光在每一组增反结构层上都获得强烈的反射，而经过周期排列增反结构层的反射之后，入射光能量的99％被反射回去。
为了更好的说明本实施例提供的改进型平板光波导阵列结构，本实施例以具体选用的衬底层1、布拉格反射层2和光波导阵列层3的对应的材料和对应的折射率，具体说明本实施例的改进型平板光波导阵列结构；
衬底层1的材料选用GaAs，其折射率nG＝3.5213，第一折射率层21的材料选用Ga0.8Al0.2As，其折射率nH＝3.3244，第二折射率层22的材料选用Ga0.3Al0.7As，其折射率nL＝3.0439，波导包层31的材料选用Ga0.9Al0.1As，其折射率nA＝3.4411；
代入下式中
通过计算得到当P取70时，反射率R为0.9909，即增反结构层为70组时，光入射到单个增反结构的反射率近似为1，可视为全反射，从而可以达到抑制平板光波导阵列结构中的光场能量向衬底或空气中泄露。
本实施例的改进型平板光波导阵列结构可以由化学气相沉淀方法制备。首先生长衬底层1，之后在衬底层1上生长布拉格反射层2，最后在布拉格反射层2上生长光波导阵列层3。
仿真结果比较：
请参见图3，图3为本发明实施例提供的又一种改进型平板光波导阵列结构的结构示意图。该改进型平板光波导阵列结构作为仿真模型，其中，x方向为改进型平板光波导阵列结构的宽度方向，y方向为改进型平板光波导阵列结构的高度方向，z方向为改进型平板光波导阵列结构的传播方向。
设定平板光波导的传播方向z的长度为40μm，从-20μm到20μm。在本仿真模型中，利用波长为1.55μm的光束在该仿真模型中传播，通过仿真软件进行模拟；
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种改进型平板光波导阵列结构的仿真结果示意图。通过仿真软件(Lumerical，光学分析软件)得到波长为1.55μm的光束在本实施例的改进型平板光波导阵列结构中的传播结果。从传播结果中可以得出在利用本实施例的改进型平板光波导阵列结构时，光束在传播时能够更好的被约束在光波导阵列层中，而衬底层中几乎不存在泄露的光束能量。
请参见图5，图5为现有技术提供的一种平板光波导阵列结构的仿真结果示意图。具体地，该波长为1.55μm的光束在现有技术提供的一种提高能量传输效率的平板光波导阵列结构中平行于传播方向进行传播，从传播结果中能够明显得出光束能量向衬底层泄露。
请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种改进型平板光波导阵列结构效果对比示意图。在建模过程中，分别在传播方向上的-15μm，-10μm，-5μm，0μm，5μm，10μm，15μm，20μm处设置监视器，得到在相应位置处光场能量与入射能量的比值，从而得到本实施例的改进型平板光波导阵列结构的传输效率随传输距离的变化趋势，以及现有技术中的一种提高能量传输效率的平板光波导阵列结构的传输效率随传输距离的变化趋势。从对比结果中可以得出在相同波长的光束且经过同样传输距离的条件下，现有技术的平板光波导的光束的传播效率的衰减速度明显快于本实施例的改进型平板光波导阵列结构的传播效率的衰减速度。
再通过以下公式计算光能量的传输损耗：
其中，η为传输损耗，L是传播距离，Iout是出射光强度，Iin是入射光强度。
具体地，L＝40μm，现有技术的平板光波导阵列结构对应的本实施例的改进型平板光波导阵列结构对应的从而可以得到现有技术的平板光波导阵列结构的传输损耗是：18.88dB/cm，本实施例的改进型平板光波导阵列结构的传输损耗是1.102dB/cm。本实施的改进型平板光波导阵列结构的传输损耗相较于现有技术的平板光波导阵列结构的传输损耗减小了近20倍。
请同时参见图7和图8，图7为现有技术提供的一种光波导结构垂直于传播方向的光场振幅分布示意图，图8为本发明实施例提供的一种改进型平板光波导阵列结构垂直于传播方向的光场振幅分布示意图。本实施例的改进型平板光波导阵列结构相比较于现有技术的平板光波导阵列结构，当光束传播至某一确定位置时，本实施例的改进型平板光波导阵列结构在该位置时的光束能量更大，这说明经过相同的传输距离，本实施例的改进型平板光波导阵列结构的传输损耗更小。
本实施例的平面光波导结构在原始平面光波导结构的基础上加入了匹配波导中传播模式光的布拉格反射层，改善了因GaAs芯层和GaAlAs包层之间折射率差较小导致的光场局域性较差的问题，从而使得光束在光波导阵列层中能够稳定传输，并将光束能量更好地局限在光波导阵列层中，缓解了光束漏入衬底层的问题，从而减小了平板光波导阵列结构光束能量传输的损耗，提高了光束能量利用效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种提高能量传输效率的改进型平板光波导阵列结构，其特征在于，包括：衬底层(1)、布拉格反射层(2)和光波导阵列层(3)；
所述布拉格反射层(2)设置于所述衬底层(1)之上，所述光波导阵列层(3)设置于所述布拉格反射层(2)之上；其中，所述布拉格反射层(2)包括第一折射率层(21)和第二折射率层(22)，其中，所述第一折射率层(21)的数量为P+1个，所述第二折射率层(22)的数量为P个，且每两个所述第一折射率层(21)之间设置一个所述第二折射率层(22)，P为大于0的自然数；
所述光波导阵列层(3)包括波导包层(31)和波导芯层(32)，其中，所述波导包层(31)的数量为e+1个，所述波导芯层(32)的数量为e个，且每两个所述波导包层(31)之间设置一个所述波导芯层(32)，e为大于0的自然数。
2.如权利要求1所述的改进型平板光波导阵列结构，其特征在于，所述第一折射率层(21)的折射率大于所述第二折射率层(22)的折射率。
3.如权利要求1所述的改进型平板光波导阵列结构，其特征在于，所述第一折射率层(21)的厚度满足公式hH＝λ0/(4nH)，同时所述第二折射率层(22)的厚度满足公式hL＝λ0/(4nL)，其中，hH为第一折射率层(21)的厚度，hL为第二折射率层(22)的厚度，λ0为入射光束的波长，nH为第一折射率层(21)的折射率，nL为第二折射率层(22)的折射率。
4.如权利要求1所述的改进型平板光波导阵列结构，其特征在于，所述第一折射率层(21)的材料为GaxAlyAs，所述第二折射率层(22)的材料为GaaAlbAs，其中，x>a，y<b，x+y＝1，a+b＝1。
5.如权利要求1所述的改进型平板光波导阵列结构，其特征在于，所述波导包层(31)的材料为GacAldAs，其中，c+d＝1。
6.如权利要求1所述的改进型平板光波导阵列结构，其特征在于，所述波导芯层(32)的材料为GaAs。
7.如权利要求1所述的改进型平板光波导阵列结构，其特征在于，所述衬底层(1)的材料为GaAs。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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