[发明专利]棱镜-光栅光波导耦合器及光波导设备

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，特别是涉及一种棱镜-光栅光波导耦合器和具有该棱镜-光栅光波导耦合器的光波导设备。

背景技术

上个世纪，人类步入电子信息化，以计算机、微电子和通信技术为主的信息技术在军事、科研、教育、生活等各个领域中都得到了广泛应用。到了上世纪七十年代，低损耗光纤的出现使光通信技术飞速发展，光纤成了各种应用领域中的理想传输介质，替代了以前的大部分传输介质。但是随着光通信的发展，传统的光学设备笨重庞大，已无法适应光通信的进一步发展的需要。研究人员提出将微电子和光电子技术相结合，在集成电路芯片间及芯片内部引入集成光路，实现光电器件的一体化集成，充分发挥硅基微电子技术高集成密度、易批量化生产、价格低廉等先进成熟的工艺优势以及光子极高带宽、高抗干扰性和超快传输速率的优势，因而诞生了硅基光电子学这门新的学科。

绝缘体上硅SOI(silicon-on-insulator)是在硅基光电子学高度发展的基础上出现的一种独具优势且能突破体硅技术和硅集成电路技术发展瓶颈的新型技术材料。SOI材料具有高速、低压、低功耗、耐高温等优点，是解决超大规模集成电路功耗危机的关键技术。更重要的是，由于SOI材料的折射率差很大，对光的限制性很强，因而导波性能好，传输损耗低，器件尺寸小，并且与标准的CMOS工艺完全兼容。加之目前SOI制备技术成熟多样，成本低廉，关于这种材料的技术受到众多研究者的密切关注和广泛研究。

到目前为止，能够将自由空间的光耦合到光波导中的耦合器有很多种，其中最常用的是棱镜耦合器和光栅耦合器。棱镜耦合器结构简单，耦合效率高，使用方便，灵活性强，但是棱镜耦合要求棱镜的折射率必须高于光波导材料的折射率，否则入射光根本无法通过棱镜耦合器激励起相应的光波导模式。光栅耦合器应用广泛，既可用于光纤与光波导的耦合，也可实现自由空间光到光波导的耦合。相较于棱镜耦合器，光栅耦合器表面平整，体积小，而且不受光波导材料折射率的限制，适用于各种材料制成的光波导。但是对于光波导材料折射率很高的光波导，往往要求光栅的周期很短，这对光栅本身的制作增加了技术难度，甚至目前的光栅制作技术很难达到要求。

对于绝缘体上硅SOI材料制成的光波导，其光波导层是折射率相当高的Si（n=3.47）制成的顶硅层。找到一种棱镜材料的折射率高于硅是非常困难的，显然棱镜耦合器是不适用的。若采用光栅耦合器则需要将光栅的周期制作得很短，从光栅制作技术上来说又是难以实现的。因此，SOI等高折射率光波导的耦合器研制和模式激励是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种棱镜-光栅光波导耦合器，能够将自由空间光有效地耦合到绝缘体上硅（SOI）光波导或者其他高折射率光波导中的光波导耦合器，使得棱镜材料不受光波导材料折射率限制，并降低光栅的制作难度，同时兼有棱镜耦合器和光栅耦合器的优点。

另一目的是提供一种具有所述棱镜-光栅光波导耦合器的光波导设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种棱镜-光栅光波导耦合器，包括依次设置在光传输路径上的棱镜、制作在平面波导上的光栅、以及模式转换器，所述棱镜与所述光栅之间留有用于形成消逝场的空气间隙，所述平面波导和所述模式转换器形成在预先选定的高折射率光波导材料上，

所述棱镜的折射率与所述光栅的光栅周期的设置满足于下式所设定的条件：

noff=γλΛ+np2inθp]]>