一种光耦合波导的优化方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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 EmittingD1de, 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 formultimode optical interconnect1ns (用于多模光学互连的高效和容错谐振光栅f禹合器)”所述。甚至在获得反射光栅的高稱合效率的出版物中，Janyce Franc等人发表在微光学，VCSEL 中的“High efficiency diffract1n grating coupler for multimodeoptical interconnect (多模光学互连的高效率衍射光栅稱合器)”和H.Thienpont,M.R.Taghizadeh, P.Van Daele, J.Mohr 在 Proc.0f SPIE, 6185 卷所编辑的 PhotonicInterconnects I1:Fabricat1n, Packaging, and Integrat1n (光学互联 I1: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”。
[0003]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I禹合到波导中，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。
[0004]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兀件，该衍射兀件的光栅周期为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一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不器的光。
[0005]最近的进展已经显示，通过将光栅与薄波导结合能够获得光栅衍射效率的增强，薄波导的宽度通常为输入耦合光的一个或两个波长。这些技术通过建立波导中的漏模的谐振效应来增强衍射效率，漏模的谐振效应通过使用波导中的光栅的输入耦合光和在该波导内引导的反射束的输出耦合部分之间的相消干涉效应来实现。在文件US 6219478和WO2005103771中对通过使用这些谐振效应得到的该衍射效率增强的原理进行说明。根据输入耦合光和部分输出耦合光的干涉效应的基本性质，用于增强衍射效应的波导的厚度很小并且必须小于时间相干性，阳光的时间相干性通常为I μ m并且典型的白光灯的时间相干性为1.5μπι。这些文件中公开的设备不适于要求灯泡波导的厚度通常厚于ΙΟμπι的应用，诸如要求图像传输情况下的厚度为零点几毫米的应用。通常大于I μ m的波导厚度需要非常特殊的光源，诸如具有高度时间相干性的激光器。同样，在US 6219478和WO 2005103771中说明的设备基本上为完全覆盖薄波导的光栅，并且由此不允许大于几微米的图像或光点的率禹合和去稱合，这是因为波导中的输入稱合光的第一反射将被照射到输入稱合光栅上。
[0006]在高密度光电子集成电路领域中完成了增强多模波导中的输入耦合光的效率的类似发展，诸如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(新型高效率竖直面内光学率禹合器)”所述。在此，这些进展示出了使用光栅的高效率光耦合的波导厚度通常被限制到I μ m0
[0007]在不使用对包括正弦形状的输入耦合光栅的多模波导进行说明的文件US2005/002611中所述的波导的谐振效应的情况下，试图实现对大于几微米的图像或光点进行输入耦合和输出耦合的设备。输入光栅能够以低于40%的效率耦合偏振光，并且需要使用偏振旋转器以保证光被耦合到波导中，并且不存在第一反射。
【发明内容】
[0008]因而，本发明的一个目标是以极高效率将光耦合到多模波导中，例如体透明材料中，同时对波导形状施加某些约束以相容于大批量生产制造技术。申请人已经确定，如果波导中的耦合光的波前能够沿着不同于零阶的特别衍射阶传播，则能够实现入射光束高效耦合到多模波导中。在本发明中，多模波导由诸如玻璃片、聚合物薄片或类似物之类的透明光学薄片或薄板组成，多模波导的表面的一侧或者两侧处具有将入射光束耦合到波导中的光学耦合结构。耦合结构是周期性的并因而产生入射光束的衍射。如果仅一阶衍射和/或负的一阶衍射被耦合到波导中，则实现光束到波导中的高效耦合。替代性地，二阶衍射和负的二阶衍射也能够被用于高效耦合。通常，耦合的衍射阶的强度为波导中的其他剩余阶的至少10倍。已经示出了，尽管波导通常厚于10 μ m并且典型厚度有可能为一毫米，然而在合适的条件下，光能够以80%或者更多的极高效率被耦合到多模波导中。与现有技术中公开的相反，本发明的耦合原理并不基于谐振效应。因而，用于将光输入耦合到波导中的光栅的长度(D)使得波导内的第一反射光束入射到输入耦合光栅的区域外。因而，在多模波导的一个顶部表面上沿衍射束的方向测量得到的输入耦合光栅的长度(D)与多模波导的厚度(WT)相关，并与波导表面法向和所述多模波导内的所述光束之间的角度β相关，长度(D)由以下不等式限定:
[0009]D ^ 2.WT.tan β
[0010]该不等式示出，与上述现有技术相反，耦合到光栅上的入射光与波导内的光束产生的任何部分反射光束之间不实现干涉。由于不需要任何干涉，光栅厚度能够远大于入射光的时间相干性长度而不会降低耦合效率。耦合效率是最为重要的，这是因为它与集成有波导的设备的功耗直接相关；高效率降低了所需的光学输入功率并因此降低了整体功耗。因为仅一个衍射阶能够在波导中传播，所以光的波前在透明介质中被极高效地衍射并且不存在没有衍射的透射。这使得可以高效地在波导中传输相干激光束和/或传播大于几微米的完整图像或光斑。这使得还可以从波导的各个部分收集光并且将光集中在波导的一个或多个区域。替代性地，光还能够通过波导以预定方式分布。
[0011]为此，本发明说明了一种方法，以获得应用到多模波导上的光栅的物理特性。结构参数与光学响应、即结构参数与进入波导的耦合效率之间的关系不具有数学封闭形式。该关系是光学和通信领域中众所周知的，并且能够使用商用光学软件包来进行计算，例如，光栅解算器开发(Grating Solver Development)公司的GSolver。这些包所使用的背景方程能够在以下科学出版物中找到:M.G.Moharan^PT.K.Gaylord于1982年10月在美国光学学会杂志，第 72 卷,第 10 期,第 1292-1385 页发表的“Diffract1n analysis of dielectricsurface-relief gratings (介电表面浮雕光栅的衍射分析)”。光学响应的计算能够被认为是本发明范围内的黑匣子。输入光栅的每个结构参数对到波导中的光透射都有影响。为了将图像透射到波导中，一个衍射阶相对于其他衍射阶占主要地位。例如，能够对I阶衍射进行优化，以使得I阶衍射的功率超出其他(正)衍射阶的10倍以上。如果超过一个阶被透射，那么波前变化，并且透射的图像质量下降。具有不同符号的衍射阶例如+1阶和-1阶衍射没有干涉，这是因为它们在波导中被耦合到相反方向。
[0012]因此，本发明设计一种根据权利要求1的构造光耦合系统的方法以及能够使用这样的方法获得的设备。
【附图说明】
[0013]图1为根据本发明的一个实施例的波导的横向局部视图；
[0014]图2为示出了在波导上雕刻的不同形状的波导的横向局部视图；
[0015]图3示出了根据本发明的矩形形状的波导的一个实施例的局部透视图；
[0016]图4示出了根据本发明的斜切形状的波导的一个实施例的局部透视图；