[发明专利]一种光栅型广角耦合器

说明书

本发明公开了一种光栅型广角耦合器，从底层到顶层依次包括衬底层、绝缘层、波导层，其中波导层设有光栅耦合区，所述的光栅耦合区为刻深相同、宽度随机非均匀的光栅线条结构；所述光栅线条结构的优化步骤如下：１）将光栅耦合区划分为一串等高等宽的独立小方块；２）随机产生若干组初始光栅耦合器；３）计算初始光栅耦合器在空气中形成的远场场强分布；４）计算目标函数FOM；５）FOM符合要求或优化次数已到则结束；否则选取较优的解产生新的光栅耦合器，及若干组随机初始光栅耦合器进入步骤３）继续执行优化步骤。本发明具有对耦合角度不敏感的特性，可将不同传播角度的空间光信号直接耦合进平面光波导或光纤中，所优化出的结构，简单易制备。

技术领域

本发明涉及光波导耦合领域，特别是一种对耦合角度不敏感的集成光栅型耦合器，具有广角耦合的特性。

背景技术

光栅耦合器作为光波导信号输入输出的重要实现方式之一，具有体积小、效率高、易于封装等特点，被广泛应用于平面光学系统中。近些年，在国内外研究人员的共同努力下，光栅耦合器的耦合效率得到了很大提升，然而在这些研究中大部分光栅耦合角度都是单一固定的，其应用范围仅局限于光纤与波导之间或接收端与发射端相对固定的场合，而对于能够广角耦合的器件却鲜有研究。

广角耦合可以摆脱固定的耦合角度，使接收端与发射端实现分离，也即是在移动过程中也能直接收发信号，而这正是搭建移动光通信网络的重要一环，而且因为是光信号直接收发，这样的系统将有可能绕过光电转换系统实现纯光的移动通信网络。此外，光信号在空间传播的过程中会出现角度发散、强度减弱的问题而不易被收集探测，解决这个问题往往需要复杂的透镜组合及精密的准直系统，而使用广角耦合器则可以直接将发散的空间光信号收集进波导中，再进入集成芯片系统中或进入光纤中等等。然而由于光栅耦合角度对于结构参数十分敏感，跟周期、占空比、刻槽深度等都有关，在通常的光栅耦合器设计思路中，无论是周期的、准周期的、还是渐变周期的光栅都难以实现广角耦合。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光栅型广角耦合器，通过打破光栅周期和占空比对光栅耦合角度的限制，采用随机的宽度非均匀的光栅线条，通过迭代算法自动化实现结构的设计与优化。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

一种光栅型广角耦合器，从底层到顶层依次包括衬底层、绝缘层、波导层，其中波导层设有光栅耦合区，所述的光栅耦合区为刻深相同、宽度随机非均匀的光栅线条结构；所述光栅线条结构的优化步骤如下：

１）将光栅耦合区划分为一串等高等宽的独立小方块；

２）随机产生若干组初始光栅耦合器；

３）计算初始光栅耦合器在空气中形成的远场场强分布；

４）计算目标函数FOM；

５）FOM符合要求或优化次数已到则结束；否则选取较优的解产生新的光栅耦合器，及若干组随机初始光栅耦合器进入步骤３）继续执行优化步骤；

所述目标函数FOM为目标耦合角度区间远场场强积分与归一化远场场强积分的乘积的最大值，表达式为：

，

其中E_far代表远场场强，max(E_far)是远场场强的最大值，A则代表远场辐射角区间。

所述光栅线条结构的优化步骤如下：