一種光耦合波導(dǎo)的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種設(shè)計(jì)包括周期衍射光柵的多模波導(dǎo)的方法。該方法旨在對(duì)耦合到這樣的波導(dǎo)中的入射光束的耦合效率進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明還涉及通過(guò)所公開(kāi)的方法獲得的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]用于導(dǎo)光的大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)方案目前關(guān)注的是單模波導(dǎo)。實(shí)際上，僅當(dāng)零階模沿筆直路徑透射到波導(dǎo)中時(shí)，這樣的波導(dǎo)使得光透射更容易。耦合效率對(duì)應(yīng)于兩個(gè)光學(xué)元件之間的光功率轉(zhuǎn)移的效率。例如，轉(zhuǎn)移可以發(fā)生在諸如發(fā)光二極管(Light EmittingD1de, LED)之類的有源元件與諸如光導(dǎo)纖維之類的無(wú)源元件之間，或者在諸如兩個(gè)光導(dǎo)纖維之類的兩個(gè)無(wú)源元件之間。耦合效率通常被表達(dá)為輸入功率(即來(lái)自一個(gè)元件的可用功率)與轉(zhuǎn)移到其他元件的功率的轉(zhuǎn)換為百分比的比率。為了保存功率并且增加便攜設(shè)備的電池壽命，耦合效率是關(guān)鍵因素并且必須被保持得盡量高。通常假設(shè)光柵耦合到多模波導(dǎo)具有本質(zhì)上很低的效率，正如Destouches等人于2007年在《光學(xué)快報(bào)》，15卷，
25刊，16870 - 16879 頁(yè)中的 “Efficient and tolerant resonant grating coupler formultimode optical interconnect1ns (用于多模光學(xué)互連的高效和容錯(cuò)諧振光柵f禹合器)”所述。甚至在獲得反射光柵的高稱合效率的出版物中，Janyce Franc等人發(fā)表在微光學(xué)，VCSEL 中的“High efficiency diffract1n grating coupler for multimodeoptical interconnect (多模光學(xué)互連的高效率衍射光柵稱合器)”和H.Thienpont,M.R.Taghizadeh, P.Van Daele, J.Mohr 在 Proc.0f SPIE, 6185 卷所編輯的 PhotonicInterconnects I1:Fabricat1n, Packaging, and Integrat1n (光學(xué)互聯(lián) I1:制造、封裝和集成)中說(shuō)明“通常相信光柵耦合到多模光導(dǎo)具有極低的效率。除非鏡像光柵板被安裝在與入射束輸入側(cè)相對(duì)的多模波導(dǎo)側(cè)處，否則低效率就是實(shí)際情況”。
[0003]僅有少量用于耦合光的多模波導(dǎo)的替代技術(shù)方案得到了研究，這是因?yàn)樗褂玫牟牧虾馨嘿F并且操縱非常復(fù)雜。為了將光輸入波導(dǎo)或?qū)⒐廨敵霾▽?dǎo)，這樣的波導(dǎo)包括耦合光柵。接觸到這樣的輸入光柵的輸入光束可以被I禹合到波導(dǎo)中，這使得輸入光束在波導(dǎo)內(nèi)傳播并隨后通過(guò)提供輸出光束的輸出光柵而向外耦合。當(dāng)波導(dǎo)的內(nèi)層的介電指數(shù)大于周圍層的介電指數(shù)時(shí)，通過(guò)全內(nèi)反射而將光限制在波導(dǎo)的內(nèi)層。
[0004]例如，專利申請(qǐng)US2010/0277803說(shuō)明了一種包括輸入耦合光柵和輸出耦合光柵的多模波導(dǎo)。輸入光柵和輸出光柵為衍射兀件，該衍射兀件的光柵周期為P，P例如在w/2至w的范圍內(nèi)，其中w為光的可見(jiàn)波長(zhǎng)。為了獲得高透射效率，輸入光柵必須為傾斜光柵，該傾斜光柵包含坡度比豎直更加陡峭的表面一假定光柵平均表面為水平的。這產(chǎn)生了大批量生產(chǎn)很困難并且昂貴的結(jié)構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)的表面壓紋無(wú)法生產(chǎn)該結(jié)構(gòu)。另外，設(shè)備適用于耦合來(lái)自發(fā)射偏振光的小型顯不器的光。
[0005]最近的進(jìn)展已經(jīng)顯示，通過(guò)將光柵與薄波導(dǎo)結(jié)合能夠獲得光柵衍射效率的增強(qiáng)，薄波導(dǎo)的寬度通常為輸入耦合光的一個(gè)或兩個(gè)波長(zhǎng)。這些技術(shù)通過(guò)建立波導(dǎo)中的漏模的諧振效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)衍射效率，漏模的諧振效應(yīng)通過(guò)使用波導(dǎo)中的光柵的輸入耦合光和在該波導(dǎo)內(nèi)引導(dǎo)的反射束的輸出耦合部分之間的相消干涉效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在文件US 6219478和WO2005103771中對(duì)通過(guò)使用這些諧振效應(yīng)得到的該衍射效率增強(qiáng)的原理進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)輸入耦合光和部分輸出耦合光的干涉效應(yīng)的基本性質(zhì)，用于增強(qiáng)衍射效應(yīng)的波導(dǎo)的厚度很小并且必須小于時(shí)間相干性，陽(yáng)光的時(shí)間相干性通常為I μ m并且典型的白光燈的時(shí)間相干性為1.5μπι。這些文件中公開(kāi)的設(shè)備不適于要求燈泡波導(dǎo)的厚度通常厚于ΙΟμπι的應(yīng)用，諸如要求圖像傳輸情況下的厚度為零點(diǎn)幾毫米的應(yīng)用。通常大于I μ m的波導(dǎo)厚度需要非常特殊的光源，諸如具有高度時(shí)間相干性的激光器。同樣，在US 6219478和WO 2005103771中說(shuō)明的設(shè)備基本上為完全覆蓋薄波導(dǎo)的光柵，并且由此不允許大于幾微米的圖像或光點(diǎn)的率禹合和去稱合，這是因?yàn)椴▽?dǎo)中的輸入稱合光的第一反射將被照射到輸入稱合光柵上。
[0006]在高密度光電子集成電路領(lǐng)域中完成了增強(qiáng)多模波導(dǎo)中的輸入耦合光的效率的類似發(fā)展，諸如L.Zhu等人于2012年在Proc.0f SPIE，8270卷，82700L-1中的“NovelHigh Efficiency Vertical to In-plane Optical Coupler(新型高效率豎直面內(nèi)光學(xué)率禹合器)”所述。在此，這些進(jìn)展示出了使用光柵的高效率光耦合的波導(dǎo)厚度通常被限制到I μ m0
[0007]在不使用對(duì)包括正弦形狀的輸入耦合光柵的多模波導(dǎo)進(jìn)行說(shuō)明的文件US2005/002611中所述的波導(dǎo)的諧振效應(yīng)的情況下，試圖實(shí)現(xiàn)對(duì)大于幾微米的圖像或光點(diǎn)進(jìn)行輸入耦合和輸出耦合的設(shè)備。輸入光柵能夠以低于40%的效率耦合偏振光，并且需要使用偏振旋轉(zhuǎn)器以保證光被耦合到波導(dǎo)中，并且不存在第一反射。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因而，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是以極高效率將光耦合到多模波導(dǎo)中，例如體透明材料中，同時(shí)對(duì)波導(dǎo)形狀施加某些約束以相容于大批量生產(chǎn)制造技術(shù)。申請(qǐng)人已經(jīng)確定，如果波導(dǎo)中的耦合光的波前能夠沿著不同于零階的特別衍射階傳播，則能夠?qū)崿F(xiàn)入射光束高效耦合到多模波導(dǎo)中。在本發(fā)明中，多模波導(dǎo)由諸如玻璃片、聚合物薄片或類似物之類的透明光學(xué)薄片或薄板組成，多模波導(dǎo)的表面的一側(cè)或者兩側(cè)處具有將入射光束耦合到波導(dǎo)中的光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)。耦合結(jié)構(gòu)是周期性的并因而產(chǎn)生入射光束的衍射。如果僅一階衍射和/或負(fù)的一階衍射被耦合到波導(dǎo)中，則實(shí)現(xiàn)光束到波導(dǎo)中的高效耦合。替代性地，二階衍射和負(fù)的二階衍射也能夠被用于高效耦合。通常，耦合的衍射階的強(qiáng)度為波導(dǎo)中的其他剩余階的至少10倍。已經(jīng)示出了，盡管波導(dǎo)通常厚于10 μ m并且典型厚度有可能為一毫米，然而在合適的條件下，光能夠以80%或者更多的極高效率被耦合到多模波導(dǎo)中。與現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的相反，本發(fā)明的耦合原理并不基于諧振效應(yīng)。因而，用于將光輸入耦合到波導(dǎo)中的光柵的長(zhǎng)度(D)使得波導(dǎo)內(nèi)的第一反射光束入射到輸入耦合光柵的區(qū)域外。因而，在多模波導(dǎo)的一個(gè)頂部表面上沿衍射束的方向測(cè)量得到的輸入耦合光柵的長(zhǎng)度(D)與多模波導(dǎo)的厚度(WT)相關(guān)，并與波導(dǎo)表面法向和所述多模波導(dǎo)內(nèi)的所述光束之間的角度β相關(guān)，長(zhǎng)度(D)由以下不等式限定:
[0009]D ^ 2.WT.tan β
[0010]該不等式示出，與上述現(xiàn)有技術(shù)相反，耦合到光柵上的入射光與波導(dǎo)內(nèi)的光束產(chǎn)生的任何部分反射光束之間不實(shí)現(xiàn)干涉。由于不需要任何干涉，光柵厚度能夠遠(yuǎn)大于入射光的時(shí)間相干性長(zhǎng)度而不會(huì)降低耦合效率。耦合效率是最為重要的，這是因?yàn)樗c集成有波導(dǎo)的設(shè)備的功耗直接相關(guān)；高效率降低了所需的光學(xué)輸入功率并因此降低了整體功耗。因?yàn)閮H一個(gè)衍射階能夠在波導(dǎo)中傳播，所以光的波前在透明介質(zhì)中被極高效地衍射并且不存在沒(méi)有衍射的透射。這使得可以高效地在波導(dǎo)中傳輸相干激光束和/或傳播大于幾微米的完整圖像或光斑。這使得還可以從波導(dǎo)的各個(gè)部分收集光并且將光集中在波導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。替代性地，光還能夠通過(guò)波導(dǎo)以預(yù)定方式分布。
[0011]為此，本發(fā)明說(shuō)明了一種方法，以獲得應(yīng)用到多模波導(dǎo)上的光柵的物理特性。結(jié)構(gòu)參數(shù)與光學(xué)響應(yīng)、即結(jié)構(gòu)參數(shù)與進(jìn)入波導(dǎo)的耦合效率之間的關(guān)系不具有數(shù)學(xué)封閉形式。該關(guān)系是光學(xué)和通信領(lǐng)域中眾所周知的，并且能夠使用商用光學(xué)軟件包來(lái)進(jìn)行計(jì)算，例如，光柵解算器開(kāi)發(fā)(Grating Solver Development)公司的GSolver。這些包所使用的背景方程能夠在以下科學(xué)出版物中找到:M.G.Moharan^PT.K.Gaylord于1982年10月在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)雜志，第 72 卷,第 10 期,第 1292-1385 頁(yè)發(fā)表的“Diffract1n analysis of dielectricsurface-relief gratings (介電表面浮雕光柵的衍射分析)”。光學(xué)響應(yīng)的計(jì)算能夠被認(rèn)為是本發(fā)明范圍內(nèi)的黑匣子。輸入光柵的每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)到波導(dǎo)中的光透射都有影響。為了將圖像透射到波導(dǎo)中，一個(gè)衍射階相對(duì)于其他衍射階占主要地位。例如，能夠?qū)階衍射進(jìn)行優(yōu)化，以使得I階衍射的功率超出其他(正)衍射階的10倍以上。如果超過(guò)一個(gè)階被透射，那么波前變化，并且透射的圖像質(zhì)量下降。具有不同符號(hào)的衍射階例如+1階和-1階衍射沒(méi)有干涉，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诓▽?dǎo)中被耦合到相反方向。
[0012]因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種根據(jù)權(quán)利要求1的構(gòu)造光耦合系統(tǒng)的方法以及能夠使用這樣的方法獲得的設(shè)備。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的波導(dǎo)的橫向局部視圖；
[0014]圖2為示出了在波導(dǎo)上雕刻的不同形狀的波導(dǎo)的橫向局部視圖；
[0015]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的矩形形狀的波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施例的局部透視圖；
[0016]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的斜切形狀的波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施例的局部透視圖；