申请/专利权人：宁波东立创芯光电科技有限公司

申请日：2017-12-21

公开（公告）日：2020-03-31

公开（公告）号：CN108037564B

主分类号：G02B6/125(20060101)

分类号：G02B6/125(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.03.31#授权;2018.06.08#实质审查的生效;2018.05.15#公开

摘要：本发明属于光子波导器件技术领域，具体涉及一种散射光偏转器。散射光偏转器包括分布在光学芯片内的反射单元，反射单元由高折射率材料和低折射率材料呈周期性结构或准周期性结构交替布置构成。本发明解决了现有的光学芯片中存在散射光串扰的技术问题。本发明利用不同折射率的材料制作得到了具有高低折射率呈交替的周期性或准周期性结构的反射单元，将反射单元设置在光学芯片的的波导周围时，可以对未能耦合进入波导回路的散射光进行反射或者使其偏转远离波导回路，从而有效地将散射光排除在探测器的采集范围之外，避免其对需要采集的信号光产生干扰。

主权项：1.一种散射光偏转器，其特征在于：包括分布在光学芯片内的反射单元，所述反射单元由高折射率材料和低折射率材料呈周期性结构或准周期性结构交替布置构成；当反射单位为一维变化结构时，其周期变化方向为单一方向，即为沿着光线在波导芯层中的传播方向；当反射单元为二维变化结构时，其沿着光线在波导芯层中的传播方向和垂直于光线在波导芯层中的传播方向分布，可以为折射率交替变化的弧形或者为由圆孔或圆柱构成的二维阵列式网格结构；所述光学芯片包括自下向上依次设置的基底层、下包层、波导芯层和上包层；所述反射单元设置在上包层、下包层或者波导芯层内，或者所述反射单元设置在上包层、下包层以及波导芯层内任两层或任三层或全部层中。

全文数据：散射光偏转器技术领域[0001]本发明属于光子波导器件技术领域，具体涉及一种散射光偏转器。背景技术[0002]在最新一代的光子波导器件中，或者称为光学芯片，激光器1、光纤2以及探测器3均可以直接与光学芯片4相连参见图1。由激光器1或者光纤2发出的光线进入输入波导5,输入波导5携带光波信号进入光学芯片的波导回路6,波导回路6处理光学信号然后将全部或者部分信号通过输出波导7传输至一个或多个探测器3。[0003]如图2所示，由于激光器1或者光纤无法与光波导进行完美耦合，部分光线将进入光波导以外的芯片中，这部分光被称作散射光10。散射光10不受光波导的限制，可以在光学芯片4中以任意方向传播。一部分散射光可能进入探测器3,而这部分未经光学回路处理的散射光将在探测器3上对预期的（经过波导回路处理的）光信号产生干扰。这种千扰现象我们称为“串扰”，串扰将会降低光学芯片乃至整个光学系统的性能。发明内容[0004]本发明的目的是提供一种散射光偏转器，解决了现有的光学芯片中存在散射光串扰的技术问题。[0005]本发明的技术解决方案是:一种散射光偏转器，其特殊之处在于:包括分布在光学芯片内的反射单元，所述反射单元由高折射率材料和低折射率材料呈周期性结构或准周期性结构交替布置构成。[0006]进一步地，上述反射单元具有固定的折射率变化周期。[0007]进一步地，上述反射单元的折射率变化周期缓慢变化即折射率变化具有准周期特性。[0008]进一步地，上述反射单元包括多个具有不同折射率变化周期的反射模块，所述反射模块内部的折射率变化周期是固定的。[0009]较为优选地，上述反射单元的周期变化方向为单一方向或者同时沿多个方向。[0010]较为优选地，上述反射单元为一维变化结构或者二维变化结构。[0011]进一步地，上述波导为输入波导和或输出波导。[0012]进一步地，上述光学芯片包括自下向上依次设置的基底层、下包层、波导芯层和上包层，所述反射单元设置在上包层、下包层或者波导芯层内。[0013]进一步地，上述光学芯片包括自下向上依次设置的基底层、下包层、波导芯层和上包层，所述上包层、下包层以及波导芯层内均设置有反射单元。[0014]本发明的有益效果在于:本发明利用不同折射率的材料制作得到了具有高低折射率呈交替的周期性或准周期性结构的反射单元，将反射单元设置在光学芯片的的波导周围时，可以对未能耦合进入波导回路的散射光进行反射或者使其偏转远离波导回路，从而有效地将散射光排除在探测器的采集范围之外，避免其对需要采集的信号光产生干扰。附图说明[0015]图1为光子波导器件的原理示意图。[0016]图2为散射光串扰现象示意图。[0017]图3为本发明散射光偏转器的实施例一原理示意图。[0018]图4为本发明散射光偏转器的实施例二原理示意图。[0019]图5为本发明散射光偏转器的实施例三原理示意图。[0020]图6为本发明散射光偏转器的实施例四原理示意图。[0021]图7为本发明散射光偏转器的实施例五原理示意图。[0022]图8为本发明在多层级光学芯片中的单层分布示意图（侧面视图）。[0023]图9为本发明在多层级光学芯片中的多层分布示意图（沿光源输入方向的侧面视图。[0024]图10为本发明在多层级光学芯片中的制作方法示意图。[0025]附图标记为：1-激光器，2-光纤，3-探测器，4-光学芯片，5-输入波导，6-波导回路，7-输出波导，8-输入端口，9_输出端口，10-散射光，11-光源，12-反射单元，13-反射模块，14-基底，15-下包层，16-波导芯层，17-上包层，18-波导。具体实施方式[0026]本发明为一种散射光偏转器，其主要原理是利用在光学芯片的波导周围（或者光学芯片内的其它任意位置环绕设置周期性或者准周期性结构达到反射或偏转散射光的目的。当周期性或者准周期性结构位于输入波导5周围时，可以使散射光在输入端口8附近发生方向偏离，避免其进入波导回路6的内部。而当周期性或者准周期性结构位于输出波导7周围时，可以使散射光在输出端口9附近发生方向偏离，避免其进入探测器3。两种布局方式都可以排除散射光对信号光的干扰。[0027]周期性或准周期性折射率结构是一种在芯片的部分区域中折射率发生高低交替变化的结构。高低折射率的交替变化方向可以是线性的（单一方向）或者同时多向的。准周期折射率结构的最终目标是使光线因偏转或者重新导向而远离输入端口或输出端口。[0028]周期性或准周期性折射率结构的主要特性是，即便两种折射率的光学材料都是透明的，也可以在一定波段内以及一定的入射角范围内强烈地反射或者使光线偏转。这种利用折射率调制的方法通常用于处理波导中的信号光，而本发明将折射率调制作用于散射光，同时不会对信号光产生影响。[0029]下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。[0030]实施例一[0031]如图3所示，本实施例散射光偏转器包括分布在输入波导5周围的反射单元12，反射单元12由高折射率材料和低折射率材料呈周期性结构或准周期性结构交替布置构成。[0032]光源11例如激光器或者光纤通过输入端口S与输入波导5相连。光源11产生的散射光与反射单元12相互作用并被偏转出输入波导5以外。这将减少进入探测器位于芯片其他部位）的散射光。反射单元12与输入波导5之间要保持足够远的距离，以免影响输入波导5内的传输信号;但同时也要控制反射单元12与输入波导5在合适的距离范围之内，以便可以对大部分散射光起到偏转作用。反射单元丨2的调制周期为a，A以及构成反射单元12的两种材料的折射率决定了反射波段的中心波长。布拉格公式A=X2Ne可以用于计算反^光的中心波长入，其中，Ne是散射光照射材料的折射率或者有效折射率Ne可以由调制的高折射率和低折射率的平均值进行近似估算）。反射波段的宽度由高折射率和低折射率之间的差值决定。折射率差值越大，反射波段也越宽。此外，折射率差值还决定了反射单元12可反射光线的入射角0。当折射率差值越大时，可反射光线的入射角0也越大。[0033]实施例二[0034]参见图4,本实施例与实施例一的不同之处在于，实施例一种的反射单元是具有固定调制周期（即折射率变化周期的周期性结构，而本实施例中的反射单元12为准周期性结构。当反射单元12的调制周期随距离改变而发生缓慢变化例如折射率变化周期与距离波导的位置呈线性变化关系时，将获得准周期性结构，此时反射单元12中具有不同调制周期的部分将会反射不同波段的光线，因此具有准周期性结构的反射单元12可以获得更宽的反射波段。具体而言，本实施例中的反射单元12包括三个或者更多个反射模块13,三个反射模块13具有相似的结构，但具有不同的调制周期，分别为Ai、A2和A3。相应的，各反射模块13可以偏转波长为的波段。本实施例中各反射模块的调制周期是离散化的，在此基础上通过增加反射模块的数量和折射率变化幅度可以获得连续变化的调制周期。[0035]实施例三[0036]参见图5,本实施例与实施例一的不同之处在于，反射单元12是由折射率交替变化的弧形材料构成，与实施例一中的线性结构相比，这种弧形结构的反射单元可以获得更宽的散射角度范围。本实施例中采用的是具有固定周期A的同心圆弧，与实施例二相似地，本实施例也可以将周期A设置成与位置构成某种函数关系的准周期性结构。另外，各层圆弧也可以是非同心的。[0037]实施例四[0038]参见图6,本实施例与实施例一的不同之处在于，反射单元12是由圆孔或圆柱构成的二维阵列式网格结构，沿两个维度（即两个相互垂直的方向）同时进行折射率周期调制，而且两个维度上的周期可以是相同的也可以是不同的，图6所示是两个维度周期分别为Ai和八2的情况。这种二维结构的优点在于可以提高反射光线的散射角度范围。在本实施例给出的二维示例的基础上，构成反射单元12的圆孔或者圆柱也可以替换为其他任意形状。另夕卜，本实施例也可以将两个调制周期A置成与位置构成某种函数关系的准周期性结构。[0039]实施例五[0040]实施例一至实施例四所提供的示例均是将反射单元12设置在输入波导5周围的情况。参见图7,本实施例采用与实施例四具有相同结构的反射单元I2,但与之不同的是，本实施例将反射单元12设置在输出波导7的周围，这样放置的目的是防止因散射光10进入探测器3而引起串扰。[0041]反射单元12可以围绕输入波导5或输出波导7设置，也可以在二者周围同时设置。此外，反射单元12还可以围绕光学芯片内的其他波导或者其他区域进行放置，用于将散射光阻隔在特定区域之外。[0042]图1和图2的原理示意以及图3至图7的具体实施方式所显示的均是俯视图。正如电子器仵中的大邰分电路都是分布在同一平面内的，这也是光波回路的一种典型视图。特别是对于光波导而言，所有的回路功能都分布在同一平面内。在垂直尺度上，或者说在侧视图视角，整个芯片都是同一结构的。[0043]图8是平面光波导回路的典型侧面视图，该回路由多个平面层组成，光路在基底14上制造。典型的基底包括硅片、石英片或者其他玻璃基底如GaAs或InP。平面层是在基底14上沉积或者生长透光材料得到的。首先可以沉积或生长下包层15,作为波导芯层16与基底14之间的缓冲层。然后在下包层15上沉积或生长波导芯层16,大部分的光学信号均限制在波导芯层16之内，大多数的光学回路功能也由波导芯层16实现。继续在波导芯层16上方沉积或生长上包层17,作为波导芯层16和外部环境的缓冲层。光波导结构内还可以包含更多不同类型的平面层，但是对层级数量和层级类型的调整并不改变本发明的本质。[0044]反射单元12可以设置在任意一个平面层中，或者在多个平面层的复合结构中贯穿设置。其效果与所在的层级、折射率差值以及尺寸大小等相关。反射单元12不能干扰波导内所传输的信号光。图8中的反射单元I2设置在上包层中，并只在波导上方延展。如图9所示，在没有设置波导18的区域，该反射结构可以在上包层I7、波导芯层16以及下包层15中任意延展。每个平面层中都可以设置具有不同结构的反射单元，例如不同的周期、不同的低折射率和闻折射率调制等。[0045]反射单元12可以使用多种不同的制作方法。其中一种方法是简单地在光学回路上刻蚀孔洞或线条。孔洞可以保持空位状态或者向其中填充与刻蚀掉的材料具有不同折射率的其他材料。以图6为例，其反射单元可以是在沉积上包层之后进行刻蚀得到的孔洞阵列。[0046]如图10所示，如果反射单元I2与波导I8位于同一层级中，那么在制作波导18的同时也可以采用同样的方法制作反射单兀。例如，波导材料先沉积上去，然后图案化并刻蚀，最后再沉积上包层。那么，波导18和反射单元12可以同时进行制作。

权利要求：1.一种散射光偏转器，其特征在于:包括分布在光学芯片内的反射单元，所述反射单元由高折射率材料和低折射率材料呈周期性结构或准周期性结构交替布置构成。2.根据权利要求1所述的散射光偏转器，其特征在于:所述反射单元具有固定的折射率变化周期。3.根据权利要求1所述的散射光偏转器，其特征在于:所述反射单元的折射率变化周期缓慢变化，具有准周期。4.根据权利要求1所述的散射光偏转器，其特征在于:所述反射单元包括多个具有不同折射率变化周期的反射模块，所述反射模块内部的折射率变化周期是固定的。5.根据权利要求1-4中任一所述的散射光偏转器，其特征在于:所述反射单元的周期变化方向为单一方向或者同时沿多个方向。6.根据权利要求1-4中任一所述的散射光偏转器，其特征在于:所述反射单元为一维变化结构或者二维变化结构。7.根据权利要求1-4中任一所述的散射光偏转器，其特征在于:所述反射单元位于输入波导和或输出波导的周围。8.根据权利要求6所述的散射光偏转器，其特征在于:所述光学芯片包括自下向上依次设置的基底层、下包层、波导芯层和上包层，所述反射单元设置在上包层、下包层或者波导芯层内。9.根据权利要求6所述的散射光偏转器，其特征在于:所述光学芯片包括自下向上依次设置的基底层、下包层、波导芯层和上包层，所述上包层、下包层以及波导芯层内任两层或任三层或全部层中均设置有反射单元。

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