[实用新型]一种梯度折射率波导装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种梯度折射率波导装置。

背景技术

渐变折射率波导(也称作GRIN波导或GRIN透镜)具有在一个或多个维度聚焦光的能力。GRIN透镜这种透镜属性可以用来耦合两个模斑尺寸相差较大的波导。例如，如图1a、图2a、图3a、图4a、图5所示，可以用于光纤1和更小尺寸波导之间的耦合。GRIN透镜也可以用于大发散角光源(比如图5所示的半导体激光器4发射的光)的准直和再聚焦。在这种应用中GRIN透镜的功能类似一个成像光学元件。

图3是利用单片集成GRIN透镜进行光纤到PLC光波导耦合的示意图。这里假设光波导与光纤在尺寸上有非常大的差别，这种情况下如果光纤直接和PLC光波导耦合，将会有比较高的光能损失。如图3a是耦合的纵向截面图，GRIN的折射率在垂直方向变化(按照图中的坐标定义是y方向)。右边的图3b是垂直方向上(图中坐标轴定义的Y方向)GRIN透镜的折射率分布。折射率分布呈抛物线型，折射率最高的部分在GRIN的中心，远离中心折射率逐渐降低。折射率绝对值和折射率的变化量取决于输出光斑的尺寸、GRIN的长度、光纤所需的光斑的大小。GRIN和波导都被包围在包层材料中，通常包层材料的折射率比GRIN和波导的折射率都要小，其折射率是固定的。光束通过光纤的输出端进入GRIN透镜的输入端，光束在GRIN透镜内汇聚，GRIN透镜输出的光束尺寸满足光波导所需的光斑尺寸。在这个例子中通过选择合适的GRIN长度尺寸和折射率分布可以实现最佳的耦合效率。

图4a是GRIN透镜的俯视图。GRIN的折射率在横向(图中定义的x轴方向)上并不改变。也就是说，在任意的y位置，GRIN内的折射率是沿x方向均匀(参见图4b)。GRIN透镜的宽度选取到与光纤模斑最佳匹配。一旦光在垂直方向会聚到GRIN透镜末端的波导中，可以进一步将波导的宽度渐变到任意需要的宽度。

图3至4中梯度GRIN透镜被用作聚焦透镜。GRIN透镜把从光纤输出的光会聚成较小尺寸的光斑与光波导匹配。同一个GRIN透镜折射率分布也可以用作成像元件。

图5是GRIN透镜将激光出射的发散光束耦合到波导的示意图。在这种情况下，从激光器发出的光为高度发散。GRIN在这里的作用是捕获这个发散光束并重新调整光束尺寸到能和PLC波导高效耦合。这里提到的成像GRIN透镜与前面的聚焦GRIN透镜具有相同的折射率分布，唯一的差别是长度。

传统商用的GRIN透镜采用体材料和离子交换技术，这类体材料制作的GRIN透镜是分立的光学元件，因此当这类GRIN透镜与其他分立光学元件同时使用时需要额外的封装，操作以及成本。例如使用分立GRIN透镜进行平面光波导(PLC)和光纤的耦合时，GRIN透镜必须同时与PLC和光纤达到微米量级的精确光学对准，并且元件间的连接材料必须可靠，稳定、透明，至少十年不能失效。

图1a和图1b中所示的是现有技术。现有技术所公开的制作方法中，波导层仅限定于整个结构的最底层。这是一个次优的结构，仅仅能作为一个准直透镜使用。它不能作为成像透镜对激光器波导进行耦合。为了使GRIN结构处于最优状态，波导层应该放在整个层状结构的最中间。图2a和图2b中所示的是传统GRIN，这类GRIN是一个分立元件不能集成到芯片上，被称为传统的块状GRIN。这种GRIN的制作方法与本实用新型不同，一般使用离子交换等技术。

如图1b中所示的为现有技术的GRIN透镜。该GRIN透镜生长为一个较厚的层状结构，该层状结构的生长过程中材料的组分随厚度不同而不同。一旦整个层状结构生长(或沉积)完成，对整个层状结构进行光刻和刻蚀。

同样光刻和刻蚀较厚的层状结构也存在一些缺点。刻蚀较厚的层状结构会使工艺的保真度下降，波导的轮廓变差，精度降低，边缘的粗糙度加大；并且这种工艺制作过程中需要对材料参数进行在线监测(比如监控折射率相对位置的关系)，如果参数精度不够，就不能达到最佳的结果。

发明内容

为了解决现有技术的波导装置中的GRIN透镜无法进行逐层光刻和刻蚀导致保真度下降，波导的轮廓变差，精度降低的技术问题，本实用新型提供一种梯度折射率波导装置及其制备方法。

本实用新型的技术解决方案：

一种梯度折射率波导装置，包括GRIN透镜以及包层，其特殊之处在于：所述GRIN透镜包括衬底、波导层和至少两个GRIN层，最底层的GRIN层沉积在衬底上，所述波导层位于任意相邻的两个GRIN层之间，所述包层包裹在GRIN透镜外侧，由最顶层的GRIN层或最底层的GRIN层向波导层的折射率逐渐变大。