一種光耦合波導的優化方法技術

本發明專利技術涉及一種用于構造光耦合系統的方法，其中，光柵被制造在多模波導的表面上并且限定了波導針對入射光束的入口，所述光柵包括重復圖案。光柵由一組參數進行限定，該組參數包括：分隔兩個相鄰圖案的光柵周期(P)，圖案的最高點和最低點之間的光柵深度(d)，入射光相對于波導的入射角均值(θ)。該方法包括對該組參數進行優化以獲得優化的第二組參數的步驟，從而使在入射光的給定波長下，對于非偏振光，獲得的入射光進入所述波導的一階衍射或二階衍射的透射效率(Ce)超過35％，或對于偏振光，獲得的所述透射效率超過50％。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種設計包括周期衍射光柵的多模波導的方法。該方法旨在對耦合到這樣的波導中的入射光束的耦合效率進行優化。本專利技術還涉及通過所公開的方法獲得的設備。
技術介紹
用于導光的大多數現有技術方案目前關注的是單模波導。實際上，僅當零階模沿筆直路徑透射到波導中時，這樣的波導使得光透射更容易。耦合效率對應于兩個光學元件之間的光功率轉移的效率。例如，轉移可以發生在諸如發光二極管(Light EmittingD1de, LED)之類的有源元件與諸如光導纖維之類的無源元件之間，或者在諸如兩個光導纖維之類的兩個無源元件之間。耦合效率通常被表達為輸入功率(即來自一個元件的可用功率)與轉移到其他元件的功率的轉換為百分比的比率。為了保存功率并且增加便攜設備的電池壽命，耦合效率是關鍵因素并且必須被保持得盡量高。通常假設光柵耦合到多模波導具有本質上很低的效率，正如Destouches等人于2007年在《光學快報》，15卷，25刊，16870 - 16879 頁中的 “Efficient and tolerant resonant grating coupler formultimode optical interconnect1ns (用于多模光學互連的高效和容錯諧振光柵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等人發表在微光學，VCSEL 中的“High efficiency diffract1n grating coupler for multimodeoptical interconnect (多模光學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 (光學互聯 I1:制造、封裝和集成)中說明“通常相信光柵耦合到多模光導具有極低的效率。除非鏡像光柵板被安裝在與入射束輸入側相對的多模波導側處，否則低效率就是實際情況”。僅有少量用于耦合光的多模波導的替代技術方案得到了研究，這是因為所使用的材料很昂貴并且操縱非常復雜。為了將光輸入波導或將光輸出波導，這樣的波導包括耦合光柵。接觸到這樣的輸入光柵的輸入光束可以被I禹合到波導中，這使得輸入光束在波導內傳播并隨后通過提供輸出光束的輸出光柵而向外耦合。當波導的內層的介電指數大于周圍層的介電指數時，通過全內反射而將光限制在波導的內層。例如，專利申請US2010/0277803說明了一種包括輸入耦合光柵和輸出耦合光柵的多模波導。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，其中w為光的可見波長。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。這產生了大批量生產很困難并且昂貴的結構；標準的表面壓紋無法生產該結構。另外，設備適用于耦合來自發射偏振光的小型顯不器的光。最近的進展已經顯示，通過將光柵與薄波導結合能夠獲得光柵衍射效率的增強，薄波導的寬度通常為輸入耦合光的一個或兩個波長。這些技術通過建立波導中的漏模的諧振效應來增強衍射效率，漏模的諧振效應通過使用波導中的光柵的輸入耦合光和在該波導內引導的反射束的輸出耦合部分之間的相消干涉效應來實現。在文件US 6219478和WO2005103771中對通過使用這些諧振效應得到的該衍射效率增強的原理進行說明。根據輸入耦合光和部分輸出耦合光的干涉效應的基本性質，用于增強衍射效應的波導的厚度很小并且必須小于時間相干性，陽光的時間相干性通常為I μ m并且典型的白光燈的時間相干性為1.5μπι。這些文件中公開的設備不適于要求燈泡波導的厚度通常厚于ΙΟμπι的應用，諸如要求圖像傳輸情況下的厚度為零點幾毫米的應用。通常大于I μ m的波導厚度需要非常特殊的光源，諸如具有高度時間相干性的激光器。同樣，在US 6219478和WO 2005103771中說明的設備基本上為完全覆蓋薄波導的光柵，并且由此不允許大于幾微米的圖像或光點的率禹合和去稱合，這是因為波導中的輸入稱合光的第一反射將被照射到輸入稱合光柵上。在高密度光電子集成電路領域中完成了增強多模波導中的輸入耦合光的效率的類似發展，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光學率禹合器)”所述。在此，這些進展示出了使用光柵的高效率光耦合的波導厚度通常被限制到I μ m0在不使用對包括正弦形狀的輸入耦合光柵的多模波導進行說明的文件US2005/002611中所述的波導的諧振效應的情況下，試圖實現對大于幾微米的圖像或光點進行輸入耦合和輸出耦合的設備。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器以保證光被耦合到波導中，并且不存在第一反射。
技術實現思路
因而，本專利技術的一個目標是以極高效率將光耦合到多模波導中，例如體透明材料中，同時對波導形狀施加某些約束以相容于大批量生產制造技術。申請人已經確定，如果波導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，則能夠實現入射光束高效耦合到多模波導中。在本專利技術中，多模波導由諸如玻璃片、聚合物薄片或類似物之類的透明光學薄片或薄板組成，多模波導的表面的一側或者兩側處具有將入射光束耦合到波導中的光學耦合結構。耦合結構是周期性的并因而產生入射光束的衍射。如果僅一階衍射和/或負的一階衍射被耦合到波導中，則實現光束到波導中的高效耦合。替代性地，二階衍射和負的二階衍射也能夠被用于高效耦合。通常，耦合的衍射階的強度為波導中的其他剩余階的至少10倍。已經示出了，盡管波導通常厚于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中。與現有技術中公開的相反，本專利技術的耦合原理并不基于諧振效應。因而，用于將光輸入耦合到波導中的光柵的長度(D)使得波導內的第一反射光束入射到輸入耦合光柵的區域外。因而，在多模波導的一個頂部表面上沿衍射束的方向測量得到的輸入耦合光柵的長度(D)與多模波導的厚度(WT)相關，并與波導表面法向和所述多模波導內的所述光束之間的角度β相關，長度(D)由以下不等式限定:D ^ 2.WT.tan β該不等式示出，與上述現有技術相反，耦合到光柵上的入射光與波導內的光束產生的任何部分反射光束之間不實現干涉。由于不需要任何干涉，光柵厚度能夠遠大于入射光的時間相干性長度而不會降低耦合效率。耦合效率是最為重要的，這是因為它與集成有波導的設備的功耗直接相關；高效率降低了所需的光學輸入功率并因此降低了整體功耗。因為僅一個衍射階能夠在波導中傳播，所以光的波前在透明介質中被極高效地衍射并且不存在沒有衍射的透射。這使得可以高效地在波導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的各個部分收集光并且將光集中在波本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于構造光耦合系統的方法，其中，在多模波導的表面上制造光柵，所述光柵限定了所述波導針對入射光束的入口，所述光柵包括重復圖案，所述方法包括選擇第一組參數的步驟，所述第一組參數包括：所述波導透射的所述入射光的波長分布，所述入射光的偏振或非偏振性質，所述入射光相對于所述波導的入射角標準差，所述圖案的形狀，所述圖案的形狀被設計為其局部表面法向(Ns)相對于所述多模波導的表面的平均法向(N)成一角度(α)，所述角度(α)在所述形狀表面的任何位置都介于α＝?90°和α＝90°之間，所述波導周圍的介質的折射指數(n1)，波導折射指數(n3)，所述光柵由第二組參數限定，所述第二組參數包括：分隔兩個相鄰圖案的光柵周期(P)，所述圖案的最高點和最低點之間的光柵深度(d)，所述入射光相對于所述波導的入射角均值(θ)，所述方法包括對所述第二組參數進行優化以獲得優化的第二組參數的步驟，所述優化步驟被執行使得在所述入射光的給定波長下，對于非偏振光，獲得的所述入射光越過所述光柵進入所述波導的一階衍射或二階衍射的透射效率(Ce)超過35％，或對于偏振光，獲得的所述透射效率超過50％，所述光柵的長度(D)在所述波導的一個表面上沿衍射束的方向進行測量，所述長度(D)與所述波導的厚度(WT)相關并且與所述波導表面法向和所述波導內的光束之間的角度β相關，所述長度(D)由以下不等式限定：D≤2·WT·tanβ所述方法包括根據所選擇的第一組參數和所述優化的第二組參數在所述多模波導的表面上制造光柵的步驟。...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：奧馬爾·斯庫利，大衛·皮雷斯，紀堯姆·巴塞，馬丁·斯塔爾德，
申請(專利權)人：瑞士CSEM電子顯微技術研發中心，
類型：發明
國別省市：瑞士;CH