[发明专利]一种光耦合波导的优化方法

说明书

本发明涉及一种用于构造光耦合系统的方法，其中，光栅被制造在多模波导的表面上并且限定了波导针对入射光束的入口，所述光栅包括重复图案。光栅由一组参数进行限定，该组参数包括：分隔两个相邻图案的光栅周期(P)，图案的最高点和最低点之间的光栅深度(d)，入射光相对于波导的入射角均值(θ)。该方法包括对该组参数进行优化以获得优化的第二组参数的步骤，从而使在入射光的给定波长下，对于非偏振光，获得的入射光进入所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率(Ce)超过35％，或对于偏振光，获得的所述透射效率超过50％。

技术领域

本发明涉及一种设计包括周期衍射光栅的多模波导的方法。该方法旨在对耦合到这样的波导中的入射光束的耦合效率进行优化。本发明还涉及通过所公开的方法获得的设备。

背景技术

用于导光的大多数现有技术方案目前关注的是单模波导。实际上，仅当零阶模沿笔直路径透射到波导中时，这样的波导使得光透射更容易。耦合效率对应于两个光学元件之间的光功率转移的效率。例如，转移可以发生在诸如发光二极管(Light EmittingDiode，LED)之类的有源元件与诸如光导纤维之类的无源元件之间，或者在诸如两个光导纤维之类的两个无源元件之间。耦合效率通常被表达为输入功率(即来自一个元件的可用功率)与转移到其他元件的功率的转换为百分比的比率。为了保存功率并且增加便携设备的电池寿命，耦合效率是关键因素并且必须被保持得尽量高。通常假设光栅耦合到多模波导具有本质上很低的效率，正如Destouches等人于2007年在《光学快报》，15卷，25刊，16870–16879页中的“Efficient and tolerant resonant grating coupler for multimodeoptical interconnections(用于多模光学互连的高效和容错谐振光栅耦合器)”所述。甚至在获得反射光栅的高耦合效率的出版物中，Janyce Franc等人发表在微光学，VCSEL中的“High efficiency diffraction grating coupler for multimode opticalinterconnect(多模光学互连的高效率衍射光栅耦合器)”和H.Thienpont，M.R.Taghizadeh，P.Van Daele，J.Mohr在Proc.of SPIE，6185卷所编辑的PhotonicInterconnects II:Fabrication,Packaging,and Integration(光学互联II：制造、封装和集成)中说明“通常相信光栅耦合到多模光导具有极低的效率。除非镜像光栅板被安装在与入射束输入侧相对的多模波导侧处，否则低效率就是实际情况”。

仅有少量用于耦合光的多模波导的替代技术方案得到了研究，这是因为所使用的材料很昂贵并且操纵非常复杂。为了将光输入波导或将光输出波导，这样的波导包括耦合光栅。接触到这样的输入光栅的输入光束可以被耦合到波导中，这使得输入光束在波导内传播并随后通过提供输出光束的输出光栅而向外耦合。当波导的内层的介电指数大于周围层的介电指数时，通过全内反射而将光限制在波导的内层。

例如，专利申请US2010/0277803说明了一种包括输入耦合光栅和输出耦合光栅的多模波导。输入光栅和输出光栅为衍射元件，该衍射元件的光栅周期为P，P例如在w/2至w的范围内，其中w为光的可见波长。为了获得高透射效率，输入光栅必须为倾斜光栅，该倾斜光栅包含坡度比竖直更加陡峭的表面——假定光栅平均表面为水平的。这产生了大批量生产很困难并且昂贵的结构；标准的表面压纹无法生产该结构。另外，设备适用于耦合来自发射偏振光的小型显示器的光。