棱镜-光栅光波导耦合器及光波导设备

摘要

一种棱镜-光栅光波导耦合器及具有该光波导耦合器的光波导设备，该光波导耦合器包括棱镜、制作在平面波导上的光栅和模式转换器，可将自由空间入射光耦合到平面波导，并转换为脊型波导模式。棱镜为分立元件，与光栅之间留有空气间隙，使自由空间入射光在棱镜底面全发射产生消逝场。光栅制作在平面波导上，通过衍射对消逝场产生扰动，将光能量耦合进平面波导中。模式转换器具有由宽渐窄的脊型部分，将耦合进来的波导模式转化为脊型波导中的波导模式。该光波导耦合器能够有效地将自由空间的光耦合到SOI等高折射率光波导中，有效解决脊型波导的耦合和模式转换问题，兼具棱镜耦合器和光栅耦合器的优点，适用范围广，且制作简单、加工方便。

主权项

1.一种棱镜-光栅光波导耦合器，其特征在于,包括依次设置在光传输路径上的棱镜、制作在平面波导上的光栅、以及模式转换器，所述棱镜与所述光栅之间留有用于形成消逝场的空气间隙，所述平面波导和所述模式转换器形成在预先选定的高折射率光波导材料上，所述棱镜的折射率与所述光栅的光栅周期的设置满足于下式所设定的条件：$n_{\mathrm{off}}=\gamma \frac{\lambda }{\Lambda }+n_{p}2\mathrm{in}{\theta }_p$其中，n_off＝β_m/k₀为m阶光波导模式的有效折射率，β_m为光波导的m阶光波导模式传播常数，k₀＝2π/λ为入射光在自由空间的传播矢量；γ为光栅的衍射级数，γ为任意整数；n_p为棱镜的折射率；λ为自由空间入射光在真空中的波长；Λ为光栅周期；θ_p为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面与法线的夹角，其中${\theta }_p\ge {\theta }_p^c,{\theta }_p^c=\arcsin (1/n_p)$为棱镜内部入射光在棱镜-空气界面的全反射临界角；制作有光栅的平面波导、模式转换器和脊型波导沿着光传输路径形成在所述光波导材料上并依次连接，所述模式转换器包括脊宽沿波导光传播方向由宽渐窄的脊型部分，所述模式转换器的脊型部分的两端分别连接所述平面波导和所述脊型波导，所述模式转换器将耦合进来的波导模式转化为所述脊型波导中的波导模式。