[发明专利]一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用

说明书

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，小的尺寸也给系统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，但系统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。它可以在系统的任何地方实现信号的上载下载，大大增强了系统的灵活性。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，它能大大加强系统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。