波导光栅耦合器

¹1996-07-29收稿;1996-08-20定稿º本刊通讯编委
第18卷第2期
半 导 体 光 电
Vol.18No.2
1997年4月
Semico nductor Optoelectro nics
A pr.1997
波导光栅耦合器
¹
袁纵横 刘永智º
庞 涛
(电子科技大学,成都610054)
摘 要: 介绍了近几年国外波导光栅耦合器的研究和应用情况,重点介绍了光栅参数和波导结构对波导光栅耦合器输入耦合效率的影响以及光栅耦合器在光盘读出头、传感器、光谱分析等方面的应用。

关键词: 光波导 波导光栅 耦合器中图法分类号:TN814.6TN622
Waveguide grating photocoupler
Y U AN Zhongheng L IU Yongzhi PAN G T ao
(University of Electronic Science and Technology,C hengdu 610054,CHN)
Abstract:Recent advances in research and applications of waveguide grating photo -coupler are presented,w ith the emphasis on the effect of g rating parameters and w aveg -uide structure on the input coupling efficiency of w aveguide grating photocoupler.Its ap -plications in optical disk pickup,sensor,and spectrum analysis,etc,are also described.
Keywords:Optical Waveguide,Waveguide Grating ,Photocoupler
1 概述
波导光栅器件在集成光路中有许多应用[1~3],可作偏转器、模式转换器、波分复用器、滤波器、启偏器、耦合器等。

波导光栅作为输入、输出耦合器与棱镜耦合器相比,有表面平整,不受折射率限制,体积小,对机械振动和温度变化不敏感等优点。

因此,在光信息处理、光学计算等方面得到了广泛的应用。

然而,波导光栅耦合器的耦合效率低限制了
它的应用范围。

要进一步地扩展其应用,关
键的问题是要提高波导光栅耦合器的耦合效率。

许多研究者在这方面做了大量的工作,早期的研究在理论上有了格林函数法,模耦合理论和模匹配方法,在实验上有粒子束刻蚀技术和全息光刻技术。

近年来的研究主要是运用已有的理论和方法来改进各种结构的波导光栅耦合器的效率等参数。

如选择光栅的槽形,深度的变化,应用不同波导结构等[4~9]。

在应用方面,波导光栅耦合器在激光光盘读出头,传感器,光谱分析方面有了很大进展[10~14]。

本文将就近几年国内外对波导光栅耦合器的研究作一简单介绍。

2 波导光栅耦合器的基本结构及原理
图1为光栅耦合器的基本结构,n 1,n 2
和n 3分别为包层、波导和衬底的折射率。

光栅上的输入光与光栅作用产生衍射输出光。

入射光矢量为K _
i ,光栅光矢量K _
+及衍射光矢量K _
out 三者间满足Bragg 条件
K _
i +K
_
+
=K _
out
(1)
对于输入耦合(如图1所示),设入射光由空气一侧以入射角为H i 入射,式(1)变为
K 0sin H i +K +=K m
(2)
式中,K 0=
2P K n 0(空气n 0=1),K m =2P
K
N m ,N m 为波导中的m 阶模的有效折射率。

K +=q 2P
+,为光栅常数,+为光栅周期,K 为入射光波长,q 为衍射级次,q =?1、?2、,。

只有满足Bragg 条件的光才能有效地耦合进波导,
或者从波导耦合出去。

图1 光栅耦合器的基本结构
F ig.1 Basic configurations of grating photocoupler
波导光栅耦合器的效果用耦合效率来表示,即用输出光强与输入光强比值来表示。

由耦合波理论,把输入光波与输出光波看作彼此通过光栅耦合的一对波,其耦合方程为
d C i
d Z =K i d exp (i $Z)C d
d C d
d Z
=K di ex p (i $Z )C i (3)
式中C i ,C d 分别表示输入、输出光波振幅,K id ,K di 为两光波彼此耦合的系数,K id =K di ,$=K +-(K out +K i )表示对Bragg 条件的偏离。

光栅耦合效率可表示为
G =
C d
C i
2
(4)
G 与光栅的几何参量(槽形、周期、槽深)及波导结构有关。

作为输入耦合器时,入射光经光栅衍射一部分进入波导,另一部分返回包层。

进入波导的光除在波导中激励导模外,还要通过衬底泄漏出去和再次耦合进入包层。

因此,基本结构的耦合器耦合效率是比较低的。

3 波导光栅几何参数、波导结构
对G 的影响
[4~9,15、16]
对光栅耦合器的研究主要集中在如何提高耦合效率及应用上。

影响耦合效率有光栅几何参数及波导的结构,下面从这两方面进行讨论。

3.1 光栅槽形、周期、深度对G 的影响
很多人对光栅的槽形进行了研究,其中,Masaji Tomita 利用在边界上均方差最小的模匹配方法和微扰理论系统研究了常见三种槽形:(矩形、三角和正弦形)的波导光栅。

图2表示三种槽形的光栅耦合器结构。

对波导厚度(d )在0.2K 0<d < 1.6K 0,槽深(h )在0.02K 0<h <0.12K 0范围内的三种光栅进行研究表明,在D 1=D 2时,矩形光栅的最高,三角形光栅的次之,正弦形光栅的G 最小。

矩形光栅和三角形光栅的耦合器在D 1/D 取某一值时,其输入耦合效率最大,接近10%。

由于波导光栅耦合器的输入耦合效率和输出耦合效率是不一样的。

所以作输入耦合时,选矩形光栅较好。

保持D 1不变,则耦合效率随周期(D )增大而增大,达到最大值后又随D 增大而减小。

93
第18卷第2期 袁纵横等: 波导光栅耦合器
(a))三角形;(b))矩形;(c))正弦形
图2 三种槽形的光栅耦合器Fig.2 T hr ee types o f g rating photocouplers (a))T riangular g rooves;(b))Rectang ular g rooves;
(c))Sinusoidal grooves
波导光在光栅区耦合出去,电场沿传播方向指数衰减,其耦合出的光束也是指数型的。

因此不论作为耦合输入还是输出均可通过改变光栅槽深度的变化来改变输出光的分布或使输入光束形状与其匹配。

从而得到大的输入耦合效率。

对等深度光栅(如图3),波导光在光栅区电场振幅是衰减的
d A (Z)
d Z =-A A (Z)(5)B (Z )为输出光与A (Z )成正比,即
B(Z)=B A (Z)(6)其中,A ,B 都与h 有关,当槽浅时(h <
+10
)A =ah 2
, B =bh (7)
常数a ,b 可由曲线数字拟合得到。

解得h(Z)=
B (Z )
b[1-(1-A
2e )Q
Z
Z 0
B 2N (Z )d Z]
1/2
(8)
式中,A e 为光栅区末端的导波光的电场值,
而
B N (Z )=(b 2
a 1-A 2e 2
)-1/2B(Z)(9)
式(8)表明槽深(h )随Z 的变化与输出光束形状有关。

可根据所需的B (Z )来确定光栅
深度函数:h (Z ),或者在作输入耦合时,由入射光束形状确定h (Z ),以得到大的输入耦合效率。

文献[5]中用离子刻蚀方法作出了输出为高斯光束、槽深可变的波导光栅耦合器,通过实验表明理论和实验吻合很好。

图3 平板波导光栅耦合器
F ig.3 Planar waveguide grating photocoupler
光栅长度对耦合效率的影响由John C 等[14]进行了研究。

实验和理论结果均表明:(1)随光栅长度增加,输入耦合效率增大,达
到一定值后耦合效率又随光栅长度增加而下降;(2)输入耦合的角半宽度随光栅长度增加缓慢下降。

3.2 波导结构对G 的影响
入射光由光栅耦合进波导后,一部分要从衬底泄漏出去,使G 减小。

从改进波导结构着手,即可找出减少衬底泄漏的办法。

文献[6、7、15]报道,主要有采用双波纹波导,改变衬底结构和采用劈形波导等方法。

在波导和包层界面以及波导和衬底界面各制作一个光栅就形成了双光栅波导耦合器。

如图4,两光栅有一相对相移($Z ),当$Z 适当时,由第一光栅耦合进的光再与第二光栅作用后绝大部分光将返回波导,大大减少了由衬底的泄漏,从而提高了耦合效率。

采用这种方法输出耦合效率可达90%,输入耦合效率接近80%。

适当选取波导厚度和光栅参数还可输出偏振光。

94 半 导 体 光 电 1997年4月
图4 双光栅波导耦合器
Fig.4 Waveguide coupler w ith double g ratings
减少衬底的泄漏的另一种方法是在衬底上制作多层介质反射膜。

如图5所示,n B 是缓冲层的折射率,d H ,d L 分别为高低折射率层的厚度,由n H ,n L 交替构成的H 、L 、H 、L 、,多层介质膜,增大了反射。

文献[6]
报
图5 多层介质膜波导结构
F ig.5Scheme of multiple-layer dielectric waveguide
道了一个9层的情况,n H =2.38,n L =1.46,在波长425nm ~600nm 内,衬底反射率高于90%。

理论与实验表明,反射率与缓冲层厚度,n H ,n L 及层数有关。

光栅和劈形波导均可用于光耦合。

通常光栅耦合的效率低,而劈形耦合器利用光在劈形区每反射一次,其反射角就减小一些。

这样,在衬底一侧,当入射角小于全内反射的临界角时,光便进入衬底。

若衬底透明,则光
最后折射出波导。

这种耦合方式可在衬底一
侧获得70%左右的耦合效率。

缺点是发散角大,作输入耦合器困难。

将光栅和劈形波导结合起来,形成混合耦合器[10]
后将具有两
者优点,图6是这种耦合器的结构图。

这种耦合器既可用作输出耦合又可用作输入耦合,且其耦合输入光谱(或角度)半宽度可通过改变劈形角(A )而改变,文献[7]中报道的最大半角度为2b ,是不用劈形波导的光栅耦合器的4.3倍。

改变劈形的方向可使耦合的
半宽度减小。

图6 混合耦合器F ig.6 hybr id gr at ing coupler
以上的各种光栅可用全息光刻技术,或
电子束描画技术制作。

对于掩埋型光栅可先在衬底上制作光栅,然后再用波导制作技术,在光栅上制作波导。

对于槽深可变的光栅只须让刻蚀的离子束先通过一可移动的窄缝后,入射在涂了光刻胶的波导上,窄缝在每一槽上停留的时间,就决定了对应槽的深度,这
样就可制作槽深可变的光栅。

4 波导光栅耦合器的应用
由于平板波导光栅耦合器在减小元件体积和重量,降低光学系统价格方面有独特的作用,因此,它在通信、传感、光谱分析、全息术等方面均有广泛的应用。

其基本的应用在文献[1~3]中作了全面介绍。

在此仅就近年来较突出的应用如激光光盘读出头、传感及光谱分析等进行介绍。

95
第18卷第2期 袁纵横等: 波导光栅耦合器
4.1 作光盘读出头[12、
14]通常在读出头上使用光栅耦合器,要用聚焦光栅或啁啾光栅。

但这些光栅制作困难且成本高,掩盖了使用光栅耦合器的优点。

T homas A 等[14]提出了一种不使用聚焦光栅和啁啾光栅而使用通常的光栅耦合器来读出光盘信号的方法。

将劈形波导和光栅结合制作的波导光栅耦合器,具有增加或减少角敏感性的作用。

将两种劈形的光栅耦合器集成在同一衬底上,就构成了一种新的读出头。

其结构如图7所示。

由光盘返回的光束射到耦合器上,
被跟踪耦合器和聚焦耦合器
图7 双向光栅耦合器Fig.7 Bidirectional grating coupler
耦合进波导并朝两相反方向传播,一边到达对光束发射角不敏感的跟踪探测器,另一边到达对发散角敏感的聚焦探测器。

这种双向光栅耦合器光盘读出头的元件数量减少了,并减小了体积,也减小了瞄准的困难。

劈形波导光栅耦合器比聚焦光栅耦合器和啁啾光栅耦合器都易于制造。

4.2 传感器和光谱分析
[10、11、13]
光栅传感器具有体积小、稳定可靠、反应灵敏等特点。

可用来测量溶液组分浓度,气体组分等。

图8是一种用于液体或气体的传
感器结构。

S 为衬底层,F 为波导层,PB 为
保护缓冲层,使待测样品只集中在光栅区,D
为探测器,P .为导波功率。

图8 输入光栅耦合传感器
F ig.8 Scheme of input g rating coupler sensor
激光束p 以A 的入射角射在光栅上,满足耦合条件,N =n 0sin A +q
K
+
的光栅耦合进波导。

导波光的功率由光电探测器探测。

式中,N 是导模的有效折射率,n 0是空气折射率。

K
+
,+,q 含义与前面的相同。

显然,P .与样品(C)的浓度、组分、吸收特性等有关,所以通过测量P .就可测出样品的浓度、组分、吸收特性等。

实用中,常将传感器和探测器放在一转动平台上,通过转动平台调整A ,这样使用更方便。

在利用光栅耦合器对样品进行光谱分析方面,D.S.Goldman 等设计了一种用于化学分析的光谱仪。

其结构如图9。

图中n 3为波导折射率,n 1,n 2分别为样品和衬底折射率。

n 2>n 3,n 2>n 1。

入射的多波长光通过衬底投射在第一光栅上,由光栅衍射后进入波导,导波在传播过程中通过和样品接触的波导区时,各波长的光均受样品的影响。

导波光到达第二光栅后,被光栅衍射耦合出来,由探测器阵列所接收。

探测到的各波长光强的变化就反映了样品的吸收光谱情况,这样就可测出样品的吸收光谱,从而可进行光谱分析。

这种光谱仪小巧紧凑,无运动部件,可靠性高。

若使用光纤来传输光,光源和探测器都能与化学环境隔开一段距离,从而对有害的化学样品进行遥测。

要使这种光谱仪获得更多的应用,还
96 半 导 体 光 电 1997年4月
要进一步提高光栅的耦合效率和降低波导损耗。

要对高折射的样品进行测量,还需要高
折射率的波导材料。

图9 平板波导光谱仪
Fig.9Scheme of planar w aveg uid spectrometer
5 结语
随着波导光栅耦合效率的提高以及制作技术的进一步完善,波导光栅耦合器在各个领域的应用范围和深度都会大大增加。

如在信息处理和计算机方面,会做出更好的光盘读出头;在光谱分析方面,可制作出更好的光谱分析仪。

总之,光栅耦合器有着广泛的应用前景,但也有大量的工作要做。

参 考 文 献
1 刘永智.集成光(声)栅器件的近期研究与应用前
景.半导体光电,1987;8(2):24~31
2 许政权,金国良.光栅器件在集成光路中的应用.
光学技术,1988(2):21~27
3 Suhara T ,N ishihara H.I ntegrated optics compo -nents and devices using periodic structures.IEEE J.Quantum Electr on.,1986;22(6):845~867
4 T omita M.A nalyses of grating couplers with var-i
ous g roove shapes.IEICE T rans.,1991;E74(9):2827~2838
5 Bates K A ,Li L ,Roncone R L et al.Gaussian
beams from variable groo ve depth g rating couplers in planar waveguides.A ppl.Opt.,1993;32(12):2112~2116
6 Roncone R L ,L i L ,Bates K A et al.Design and
fabricat ion o f a sing le leakage -channel g rating
coupler.A ppl.Opt.,1993;32(24):4522~45287 Strasser T A,W ei Y H,Gupta M C.G rating cou -pler acceptance desig n utilizing a taper ed w av e -guide structure.Appl.Opt.,1993;32(30):6006~6017
8 Jones M L,K enan R P,V erber C M.Rectangular char acteristic gratings for waveguide input and out -put coupling.Appl.O pt.,1995;34(20):4149~4158
9 Brazas J C,L i L.A nalysis of input -grating cou -plers having finite lengths.Appl.O pt.,1995;34(19):3786~3792
10 Seely J F ,Br own C M.M ultilayer-coated g rating
spectr ometer operating in the extreme-ultr av iolet region and based o n the Seya -namioka mount.A ppl.Opt.,1993;32(31):6288~629311 Goldman D S,White P L ,Anheier N C.M iniatu
-rized spectrometer employing planar waveguides and grating couplers for chemical analysis.Appl.Opt.,1990;29(31):4583~4589
12 G eh B,Dorsel A.Integrated optical grating scale
r eadout employing a double grating.A pll.Opt.,1992;31(25):5241~5245
13 Nellen M ,T iefenthaler K,Lukosz W.Integ rated
optical input grating couplers as biochemical sen -sors.Senso rs and A ctuato rs,1988;15:285~29514 Strasser T A,Gupta M C.Integ rat ed optic g rating
-coupler-based optical head.A ppl.O pt.,1993;32(36):7454~7461
15 Av rutsky I A ,Svakhin A S,Sychugov V A.High
-efficiency single-or der w av eguide g rating cou -pler.Opt.Lett.,1990;15(24):1446~144816 A mitai Y ,Erteza I A,Goodman J W.R ecursive
design of a holographic focusing grating coupler.A ppl.Opt.,1991;30(27):3886~3889
袁纵横 男,1957年7月生,1987年于成都电子科
技大学研究生毕业。

现为电子科技大学物理电子学与光电子学专业博士生,研究方向为波导光
栅及半导体激光器。

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