CN116299873A - 一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，包括以下步骤：S1：由二维结构单元与均匀介质组成超表面结构，光纤固定角度入射，将入射光照射到超表面结构上，S2：通过二维结构单元引入相位突变，使入射光产生偏折角θi；S3：将经超表面偏折后的光，以角度θi入射在光栅耦合器的收光口，利用光栅的衍射效应，改变光场的传播方向，使得外部光纤的光耦合到波导，本发明利用超表面结构调节入射光使其不同波长入射到光栅收光口的角度都满足光栅最佳耦合角提高光栅的耦合效率和工作带宽。

Description

一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法。
背景技术
在大数据时代，传统的电互连受限于电子的物理特性已经不能满足数据传输日益膨胀的需求，而光信号传输由其传输速度快、损耗低以及工作带宽大于电子传输的优势正式称为新一代信息传输方式，而硅基集成芯片以其独特的优势承担着集成光通讯中***中的重要作用，此外，光纤耦合器是耦合光纤中的光信号到硅基芯片中传输的重要光学元件，扮演着光信号在两种介质中传输的桥梁作用，光栅耦合器由于其无需抛光，没有严格的空间限制，对准容差大，加工要求相对简单，***设计的较为灵活性，且与CMOS工艺兼容性强且适合大规模集成等优势被各界广泛关注，随着研究工作的不断深入以及制备工艺技术的日益成熟，光栅耦合器的耦合效率、工作波长、偏振模式等特性将会不断提升，可以预期高效率、大带宽、垂直耦合的光栅耦合器将会沿着实用化的方向迅速发展并趋向成熟,成为硅基光子集成领域中不可或缺的关键单元。
超表面可以实现对电磁波的任意调控，通过单元结构的设计和排列，在均匀介质表面引入相位突变，从而实现对光场的调控使一定带宽范围内的入射光均能以所需角度出射，这些梯度相位超表面在光学尺度上很薄，因此光不会在结构内部长时间传播，所以在散射和相位突变问题上受到的影响较小，并且超表面为光的传播和波前提供更大的灵活性，此外，超表面结构采用标准的标刻技术，电子束曝光以及刻蚀等成熟的加工工艺，与CMOS工艺兼容，易于片上集成，所以利用超表面结构对光场调控与硅基集成芯片结合可以为提高耦合效率、增大光学带宽、降低偏振敏感性等方面提供新思路，促进光通信的进一步发展。
中国专利CN113835155A采用光栅耦合器和超透镜实现了自由空间光和光子芯片光栅耦合，但是没有涉及利用超表面结构是实现光纤与光栅耦合器的耦合效率与光学带宽提高方面的内容，但由于受到衍射条件的限制，其耦合谱线是呈抛物线状的，一般1dB带宽只有几十纳米左右，这对光传输容量有着较大的约束效果，此外，特定波长下，光栅耦合器仅对一定角度入射的光具有高效耦合特性，同一光栅耦合器的高效耦合的角度随波长变化而变化，所以不同工作波长需要相应入射角才能实现光的高效耦合。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，包括以下步骤：S1：由二维结构单元与均匀介质组成超表面结构，光纤固定角度入射，将入射光照射到超表面结构上，S2：通过二维结构单元引入相位突变，使入射光产生偏折角θi；S3：将经超表面偏折后的光，以角度θi入射在光栅耦合器的收光口，利用光栅的衍射效应，改变光场的传播方向，使得外部光纤的光耦合到波导。
本发明一个较佳实施例中，步骤S1中的二维结构单元为工字形的二维结构单元。
本发明一个较佳实施例中，步骤S1中入射光从空气垂直入射到超表面结构上。
本发明一个较佳实施例中，步骤S2中偏折角
Figure SMS_1
其中λ为波长，p为二维结构单元组成的超表面结构的周期。
本发明一个较佳实施例中，所述二维结构单元，能够在不同波长下，满足相位0～2π均匀分布。
本发明还提供了一种光栅耦合器结构，包括单模光纤，光栅耦合器以及条形波导，其特征在于，还包括二维结构单元和均匀介质组成的能够实现异常偏折的超表面结构，能够通过二维结构单元引入不同的相位突变，实现对入射光的调控，使其产生一个偏折角。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
本发明利用超表面结构调节入射光使其不同波长入射到光栅收光口的角度都满足光栅最佳耦合角，消除光纤与波导之间的波矢失配造成的工作带宽有限的问题，且可以通过对超表面单元结构的调节实现以最佳入射角入射的问题，使光栅耦合器对不同的入射光都有最佳的入射角，使其光纤波矢与波导中的波矢之间的匹配，得到最佳耦合效率，由于每个波长都有最大的耦合效率，所以工作带宽也相应的可以提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的优选实施例的光栅耦合结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的光栅耦合器中超表面结构单元示意图；
图3是本发明的优选实施例的光栅耦合器原理示意图；
图4是本发明的优选实施例的工作流程示意图意图；
图5是本发明的优选实施例的光栅耦合结构示意图；
图中：S101、光纤；S102、二维结构单元；S103、均匀介质；S104、光栅耦合器；S105、波导；6、；7、；8、；9、；10、；11、；12、；13、；14、；15、；16、；17、；18、；19、；20、。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明中超表面即二维的超材料，是由亚波长尺度的超构单元构成的人工微结构阵列。通过对超构单元电磁特性和空间排列序的有效人工构造，超构表面能以超薄、平面可集成的独特几何构型在亚波长空间尺度上实现对光场多维度的灵活操控。
异常偏折：不同于传统斯涅尔定律中入射角和折射角的正弦之比为一常数，通过调节超构表面可以实现任意角度的折射角。
如图4所示一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，包括以下步骤：由二维结构单元与均匀介质组成超表面结构，光纤固定角度入射，将入射光照射到超表面结构上，通过二维结构单元引入相位突变，使入射光产生偏折角θi；将经超表面偏折后的光，以角度θi入射在光栅耦合器的收光口，利用光栅的衍射效应，改变光场的传播方向，使得外部光纤的光耦合到波导。
适配于上述方法的一种光栅耦合器结构，包括单模光纤，光栅耦合器以及条形波导，还包括二维结构单元和均匀介质组成的能够实现异常偏折的超表面结构，能够通过二维结构单元引入不同的相位突变，实现对入射光的调控，使其产生一个偏折角。
实施例一
如图1所示为一种利用超构表面实现光栅耦合效率和工作带宽的光栅耦合器结构，该结构包括一个单模光纤(S101),一个二维结构单元(S102)和均匀介质(S103)组成的可实现异常偏折的超表面结构，一个光栅耦合器(S104)以及一个条形波导(S105)，垂直于超表面的光纤(S101)将光照射到由二维结构单元(S102)和均匀介质(S103)组成的超表面上，通过调节由两个交叉“工”字形结构组成的如图2所示的结构单元的相关参数，如两个“工”字的交叉角α，小单元旋转角β，“工”字的宽度w1、w2、以及长度L1、L2，选择出一组单元结构组成超表面结构的一个周期P，使其在λ1～λn的不同波长下，可以满足相位0～2π均匀分布。
根据广义斯涅耳定律，当光从空气垂直入射到超表面器件，超表面器件利用结构单元引入不同的相位突变，实现对入射光的调控，使其产生一个偏折角为
Figure SMS_2
经过超表面偏折的光以一定角度θi入射到光栅耦合器(S104)，利用光栅的衍射效应，改变光场的传播方向，使得外部光纤的光耦合到波导(S105)中。
如图3所示，对于拥有均匀周期Λ的光栅耦合器(S104)，在k空间中，为入射角为θg的波矢提供了倒格矢，用于补偿光纤(S101)中的波矢与波导(S105)中的波矢之间的失配，光纤入射光的倾斜角为
Figure SMS_3
找出满足θi＝θg的超表面结构单元，可以使光栅耦合器对不同的入射光都有最佳的入射角，使其光纤波矢与波导中的波矢之间的匹配，得到最佳耦合效率，由于每个波长都有最大的耦合效率，所以工作带宽也相应的可以提高。
实施例二
前提为所设超标目结构对TE\TM模式的偏振不敏感，则采用如图5所示结构，两个完全垂直的光栅耦合器超表面正下方，使TE、TM模式的波都可以被耦合进波导，进而提高耦合效率。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (6)

1.一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：由二维结构单元与均匀介质组成超表面结构，光纤固定角度入射，将入射光照射到超表面结构上，
S2：通过二维结构单元引入相位突变，使入射光产生偏折角θi；
S3：将经超表面偏折后的光，以角度θi入射在光栅耦合器的收光口，利用光栅的衍射效应，改变光场的传播方向，使得外部光纤的光耦合到波导。
2.根据权利要求1所述的一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，其特征在于：步骤S1中的二维结构单元为工字形的二维结构单元。
3.根据权利要求1所述的一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，其特征在于：步骤S1中入射光从空气垂直入射到超表面结构上。
4.根据权利要求1所述的一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，其特征在于：步骤S2中偏折角
Figure FDA0003972892690000011
其中λ为波长，p为二维结构单元组成的超表面结构的周期。
5.根据权利要求1所述的一种提高光栅耦合器耦合效率及工作带宽的方法，其特征在于：所述二维结构单元，能够在不同波长下，满足相位0～2π均匀分布。
6.一种光栅耦合器结构，包括单模光纤，光栅耦合器以及条形波导，其特征在于，还包括二维结构单元和均匀介质组成的能够实现异常偏折的超表面结构，能够通过二维结构单元引入不同的相位突变，实现对入射光的调控，使其产生一个偏折角。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116594125A (zh) * 2023-07-18 2023-08-15 中天通信技术有限公司 硅光芯片耦合器、光模块及硅光芯片耦合器的加工方法
CN116594125B (zh) * 2023-07-18 2023-10-31 中天通信技术有限公司 硅光芯片耦合器、光模块及硅光芯片耦合器的加工方法

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