專利名稱：一種光柵耦合器及其在偏振和波長分束上的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信和光互連領(lǐng)域，特別是涉及一種光波導的耦合 結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光電子器件的尺寸越來越小，特別是硅 基光電子學的發(fā)展，更多的光電子功能器件被集成在同一芯片上。但 是同時，小的尺寸也給系統(tǒng)的耦合和對準帶來很大的困難。 一般來說，
SOI (絕緣體上硅)集成光波導截面尺寸比普通單模光纖小幾十倍，
即使拉錐光纖也無法克服如此巨大的模場失配。單模光纖和單模soi
納米波導間直接端對端的耦合損耗大于26dB，這是我們無法接受的。 目前，硅基波導器件，如調(diào)制器、分東器等都取得了巨大的發(fā)展，但 系統(tǒng)對外的耦合問題始終是 一 個嚴峻的挑戰(zhàn)。
通常的端面耦合方法有三維錐形結(jié)構(gòu)，多層錐形結(jié)構(gòu)和倒錐形結(jié) 構(gòu)等。但這些結(jié)構(gòu)的制備非常困難，而且制作容差小，還需要側(cè)面拋 光，耦合封裝困難，不適應(yīng)大規(guī)模集成光路的發(fā)展。光柵耦合器作為 一種面耦合器成為這方面研究的熱點。它可以在系統(tǒng)的任何地方實現(xiàn) 信號的上載下載，大大增強了系統(tǒng)的靈活性。但由于普通對稱光柵耦 合效率的局限性，必須釆用傾斜入射的方法。垂直耦合在集成光路的 應(yīng)用方面具有更大的吸引力，它能大大加強系統(tǒng)的靈活性和降低對準 封裝難度。 一般的垂直耦合方案有閃耀光柵，傾斜光柵。但是這些光 柵制備困難，與傳統(tǒng)CMOS工藝不兼容，無法進行大規(guī)模批量生產(chǎn)。 另外還有許多改進的方案，但都會存在耦合帶寬過窄，加工困難，耦 合長度過大，角度帶寬太小等種種問題。而且，由于SOI光波導中 TE和TM兩偏振模有效折射率的巨大差異，實現(xiàn)偏振無關(guān)的耦合還存在困難。
對于集成光電器件的測試，目前實驗室較為常用的耦合方法為 "拉錐光纖"或"磨錐光纖"直接與光波導端面耦合。這種方法仍無 法解決厚度上的巨大差異，耦合效率非常低。而且耦合對震動和高度 方向上的變化非常敏感，需要很好的環(huán)境條件和花費長時間的對準工 作。因此，亟需一種有效的簡單易做的高性能耦合方案。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的光電子器件的耦合難題，本發(fā)明的目 的是提供一種納米光波導的光柵耦合器，特別是提供一種應(yīng)用于偏振 分束、波長濾波、波分復用等的多層光柵耦合結(jié)構(gòu)。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種光柵耦合器，由上 至下依次包括上包層、光柵層、波導層和下包層，所述光柵層釆用二 元閃耀光柵。
其中，所述二元閃耀光柵為一維二元閃耀光柵或二維二元閃耀光 其中，所述光柵層在波導層之上。
其中，所述光柵層全部在波導層之中或者部分在波導層之中。 其中，所述波導層的折射率大于上包層和下包層的折射率。 其中，所述光柵層所用的材料與所述波導層所用的材料相同或者 不同。
其中，所述光柵層的每個光柵子周期內(nèi)的光柵寬度不一致。 其中，所述光柵層的每個光柵子周期的大小均小于入射光波長。 其中，所述上包層為空氣。
本發(fā)明還提供一種多層光柵耦合結(jié)構(gòu)，由上至下依次包括上包 層、上光柵層、上波導層、隔離層、下光柵層、下波導層和下包層， 所述上、下光柵層釆用二元閃耀光柵。
所述隔離層的折射率小于上、下波導層的折射率。其中，所述二元閃耀光柵為一維二元閃耀光柵或二維二元閃耀光微。
其中，所述光柵層在波導層之上。 其中，所述光柵層全部在波導層之中或者部分在波導層之中。 其中，所述波導層的折射率大于上包層和下包層的折射率。 其中，所述光柵層所用的材料與所述波導層所用的材料相同或者 不同。
其中，所述光柵層的每個光柵子周期內(nèi)的光柵寬度不一致。 其中，所述光柵層的每個光柵子周期的大小均小于入射光波長。 其中，所述上包層為空氣。
本發(fā)明所提供的光柵耦合器利用二元閃耀光柵結(jié)構(gòu)，獲得高的耦 合效率，實現(xiàn)完全垂直耦合，而且寬度可調(diào)、等高度的二元閃耀光柵 結(jié)構(gòu)，在器件的制備上比普通的鋸齒狀閃耀光柵或階梯光柵容易，制
備工藝與CMOS兼容；輸入光源可以放置在樣片表面任何地方，且 不需要對輸入端面的解理，拋光；通過調(diào)制每個子周期的光柵寬度， 實現(xiàn)入射光按照不同偏振態(tài)或者波長分別耦合進不同的波導中，為偏 振分東，波長濾波，波分復用/解復用提供有效途徑。


圖l是本發(fā)明實施例的 一種光柵耦合器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例的一種光柵耦合器中的二元閃耀光柵的結(jié)構(gòu) 示意圖3是本發(fā)明實施例的一種多層光柵耦合結(jié)構(gòu)的示意圖。 其中，1:輸入光；2:上包層；3:光柵層；4:波導層；5:下 包層；6:隔離層；7-10:不同波長或不同偏振態(tài)的光波。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細 描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明提供一種二元閃耀光柵耦合器，其結(jié)構(gòu)主要包括波導上包 層、光柵層、波導層和下包層(也叫襯底層)。來自光纖或半導體激 光器的輸出光從上包層(或下包層)射入光柵表面，在光柵衍射的作 用下光被耦合進光柵下面的光波導中。
閃耀光柵能夠?qū)⒀苌涔忾W耀到某一衍射級上，大大提高光柵的衍 射效率。二元閃耀光柵是一種亞波長光柵，這種光柵的周期小于光波 長，它不產(chǎn)生衍射波，只有零級后向反射光和零級透射光，通過改變 光柵結(jié)構(gòu)，可以調(diào)制透射波和反射波的相位和振幅。二元閃耀光柵結(jié) 構(gòu)是一種光柵寬度調(diào)制的等高度光柵，因此在器件的制備上比普通的 鋸齒狀閃耀光柵或階梯光柵容易，而且與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容。
二元閃耀光柵的原理是基于亞波長光柵的等效介質(zhì)膜理論亞波長光 柵可以等效為一定厚度的均勻介質(zhì)，其等效折射率是光柵占空比f的 函數(shù)(如公式l所示)。因此，通過調(diào)制光柵的占空比可以實現(xiàn)閃耀 光柵的效果。
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另外，二元閃耀光柵的等效折射率分布與入射光的偏振態(tài)有關(guān)。 利用該特點，可以實現(xiàn)高消光比的偏振耦合，將不同偏振態(tài)的入射光 耦合到不同的波導中去。而且，利用雙向耦合或多層耦合的方法還可 以實現(xiàn)波長的路由，將不同波長的光波耦合到不同的波導中去。
如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的光柵耦合結(jié)構(gòu)，由上而下依次
包括上包層2、光柵層3、波導層4以及下包層5，所述光柵釆用二元閃 耀光柵，可以是一維二元閃耀光柵或者二維二元閃耀光柵。輸入光l 可以是來自于光纖或者半導體激光器，由上包層2輸入所述光柵耦合器，也可以根據(jù)不同的需要從下包層5輸入，利用光柵的反射特性將 光耦合進波導中。所述光柵層3的材料可以與波導材料相同也可以不 同，根據(jù)需要可以改變光柵與波導的位置關(guān)系，圖中當h!-0時表示
光柵在波導中，112 = 0時表示光柵在波導上面，h#0, h^0表示光柵一 部分在波導中， 一部分在波導上。波導層4的折射率大于上包層2和下 包層5的折射率。所述上包層2可以為空氣。
圖2是本發(fā)明實施例的光柵耦合器的二元閃耀光柵的剖面示意 圖。所述二元閃耀光柵的光柵周期是T,滿足光柵耦合的布拉格條件。 每個周期內(nèi)又分為若干個子周期，子周期為A，子周期的大小小于入 射波波長。每個子周期的光柵寬度不一致，分別為Wp w2, w3……。 通過調(diào)制每個子周期的光柵寬度來實現(xiàn)其等效折射率的調(diào)制，從而獲 得閃耀光柵的性能。
如圖3所示為本發(fā)明實施例提供的一種多層光柵耦合結(jié)構(gòu)示意 圖。所述多層光柵耦合結(jié)構(gòu)由上而下依次包括上包層2、上、下光柵 層3、上、下波導層4、下包層5以及隔離層6。所述所述隔離層6 的折射率小于上、下波導層4的折射率。輸入光l可以是來自于光纖 或者半導體激光器，由上包層2輸入所述光柵耦合器，也可以根據(jù)不 同的需要從下包層5輸入，利用光柵的反射特性將光耦合進波導中。 所述上、下光柵層3釆用二元閃耀光柵，所述二元閃耀光柵為一維二 元閃耀光柵或二維二元閃耀光柵。所述光柵層3可以全部在波導層4 之上，可以全部在波導層4之中或者部分在波導層4之中。所述波導 層4的折射率大于上包層2和下包層5的折射率。所述光柵層3所用 的材料與所述波導層4所用的材料相同或者不同。所述光柵層3的每 個光柵子周期內(nèi)的光柵寬度不一致。所述光柵層3的每個光柵子周期 的大小均小于入射光1的波長。所述上包層2可以為空氣。由于不同 偏振態(tài)或者不同波長的光波7、 8、 9和10的耦合條件不同，表現(xiàn)在 二元閃耀光柵上就是各子周期內(nèi)光柵寬度不同，通過優(yōu)化設(shè)計光柵參數(shù)可以實現(xiàn)將入射光1按照不同偏振態(tài)或者不同波長分開耦合進不 同的波導中。所述多層耦合結(jié)構(gòu)可以在耦合的同時實現(xiàn)偏振分東、波 長濾波、波分復用等功能。
本發(fā)明所提供的光柵耦合器，利用二元閃耀光柵結(jié)構(gòu)可以獲得高 的耦合效率，實現(xiàn)完全垂直耦合，而且寬度可調(diào)、等高度的二元閃耀 光柵結(jié)構(gòu)，在器件的制備上比普通的鋸齒狀閃耀光柵或階梯光柵容
易，制備工藝與CMOS兼容；輸入光源可以放置在樣片表面任何地 方，且不需要對輸入端面的解理，拋光；通過調(diào)制每個子周期的光柵 寬度，實現(xiàn)入射光按照不同偏振態(tài)或者波長分別耦合進不同的波導 中，為偏振分束，波長濾波，波分復用/解復用提供有效途徑。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種光柵耦合器，由上至下依次包括上包層、光柵層、波導層和下包層，其特征在于，所述光柵層采用二元閃耀光柵。
2、 如權(quán)利要求1所述的光柵耦合器，其特征在于，所述二元閃 耀光柵為一維二元閃耀光柵或二維二元閃耀光柵。
3、 如權(quán)利要求2所述的光柵耦合器，其特征在于，所述光柵層 完全位于波導層之上。
4、 如權(quán)利要求2所述的光柵耦合器，其特征在于，所述光柵層 全部位于波導層之中或者部分位于波導層之中。
5、 如權(quán)利要求3或4所述的光柵耦合器，其特征在于，所述波 導層的折射率大于所述上包層和下包層的折射率。
6、 如權(quán)利要求1所述的光柵耦合器，其特征在于，所述光柵層 所用的材料與所述波導層所用的材料相同或者不同。
7、 如權(quán)利要求1所述的光柵耦合器，其特征在于，所述光柵層 的每個光柵子周期內(nèi)的光柵寬度不一致。
8、 如權(quán)利要求1所述的光柵耦合器，其特征在于，所述光柵層 的每個光柵子周期的大小均小于入射光波長。
9、 如權(quán)利要求1所述的光柵耦合器，其特征在于，所述上包層 為空氣。
10、 一種多層光柵耦合結(jié)構(gòu)，由上至下依次包括上包層、上光柵 層、上波導層、隔離層、下光柵層、下波導層和下包層，其特征在于， 所述上、下光柵層釆用二元閃耀光柵。
11、 如權(quán)利要求IO所述的多層光柵耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述隔離層的折射率小于上、下波導層的折射率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光柵耦合器，由上至下依次包括上包層、光柵層、波導層和下包層，所述光柵層采用二元閃耀光柵，所述二元閃耀光柵為一維二元閃耀光柵或二維二元閃耀光柵。本發(fā)明所提供的二元閃耀光柵耦合器可以獲得高的耦合效率，實現(xiàn)完全垂直耦合，而且制備容易；通過調(diào)節(jié)光柵參數(shù)，實現(xiàn)入射光按照不同偏振態(tài)或者波長分別耦合進不同的波導中，為偏振分束和波分復用等提供有效途徑。
文檔編號G02B6/34GK101556356SQ200910082010
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者馮俊波, 周治平 申請人:北京大學