CN104718479B - 一种光耦合波导的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于构造光耦合系统的方法，其中，光栅被制造在多模波导的表面上并且限定了波导针对入射光束的入口，所述光栅包括重复图案。光栅由一组参数进行限定，该组参数包括：分隔两个相邻图案的光栅周期(P)，图案的最高点和最低点之间的光栅深度(d)，入射光相对于波导的入射角均值(θ)。该方法包括对该组参数进行优化以获得优化的第二组参数的步骤，从而使在入射光的给定波长下，对于非偏振光，获得的入射光进入所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率(Ce)超过35％，或对于偏振光，获得的所述透射效率超过50％。
Description
技术领域
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
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 EmittingDiode，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 for multimodeoptical interconnections(用于多模光学互连的高效和容错谐振光栅耦合器)”所述。甚至在获得反射光栅的高耦合效率的出版物中，Janyce Franc等人发表在微光学，VCSEL中的“High efficiency diffraction grating coupler for multimode opticalinterconnect(多模光学互连的高效率衍射光栅耦合器)”和H.Thienpont，M.R.Taghizadeh，P.Van Daele，J.Mohr在Proc.of SPIE，6185卷所编辑的PhotonicInterconnects II:Fabrication,Packaging,and Integration(光学互联II：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”。
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耦合到波导中，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。
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元件，该衍射元件的光栅周期为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——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示器的光。
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1μm并且典型的白光灯的时间相干性为1.5μm。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10μm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1μm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耦合和去耦合，这是因为波导中的输入耦合光的第一反射将被照射到输入耦合光栅上。
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.of SPIE，8270卷，82700L-1中的“Novel HighEfficiency Vertical to In-plane Optical Coupler(新型高效率竖直面内光学耦合器)”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1μm。
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
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10μm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：
D≤2·WT·tanβ
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。
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.Moharam和T.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“Diffraction 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1阶衍射进行优化，以使得1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。
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
图1为根据本发明的一个实施例的波导的横向局部视图；
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；
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；
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；
图5示出了根据本发明的阶梯形状的波导的一个实施例的局部透视图；
图6概括示出了进入根据本发明的波导的周期衍射光栅上的入射光；
图7至8概括示出了进入根据本发明的波导的周期衍射光栅上的入射光以及波导厚度对光透射的影响；
图9示出了1阶衍射的耦合光束根据不同的光栅周期(P)的波长的内角；
图10将具有增强层与不具有增强层的不同光栅周期(P)的多模波导上的法向入射光的耦合效率(Ce)进行对比；
图11示出了具有增强层的波导的1阶衍射(T1)和-1阶衍射(T-1)以角(θ)接触到光栅上的入射光的耦合效率(Ce)；
图12示出了具有增强层的波导的不同入射角(θ)的耦合效率(Ce)；
图13将图12的结果进行结合，并且示出了入射光角变化对透射效率的影响；
图14示出了光栅周期(P)对取决于法向入射光的波长(w)的耦合效率的影响；
图15示出了光栅周期(P)对取决于波长(w)的耦合效率的影响；
图16示出了波导将图像从输入位置透射到输出位置的应用；
图17示出了波导将激光束从输入位置相干透射到输出位置的应用。在输出位置处离开波导之后，激光束仍被校准并且示出了散斑；
图18示出了具有波导的光集中器。光从多侧被耦合到波导中并且集中在图的中心；
图19示出了在对光栅的第二组参数进行优化的过程中，光栅和波导的耦合效率(Ce)；
图20示出了目标效率与计算效率之间的差的变化，该变化是迭代步骤的函数；
图21示出了根据权利要求1的针对TE偏振入射光束进行优化的光栅的耦合效率；
图22示出了根据权利要求1的针对TM偏振入射光束进行优化的光栅的耦合效率；
图23示出了根据权利要求1的针对非偏振(TE和TM)入射光束进行优化的光栅的TE偏振光和TM偏振光的耦合效率；
图24示出了ZnS光栅结构，该ZnS光栅结构被实现在多模波导或体波导的表面上或者针对非偏振光进行优化的透明层上；
图25示出了针对入射角为14°的蓝色且非偏振(TE和TM偏振)入射光束进行优化的ZnS光栅的耦合效率；
图26示出了针对入射角为14°的绿色且非偏振(TE和TM偏振)入射光束进行优化的ZnS光栅的耦合效率；
图27示出了针对入射角为14°的红色且非偏振(TE和TM偏振)入射光束进行优化的ZnS光栅的耦合效率；
图28示出了针对入射角为14°的蓝绿红色且非偏振(TE和TM偏振)入射光束进行优化的ZnS光栅的耦合效率；
图29为对中水平优化和高水平优化进行总结的表格；
图30示出了针对入射角为14°的蓝绿红色且非偏振(TE和TM偏振)入射光束进行优化的正弦光栅的耦合效率。
具体实施方式
根据本发明的数个实施例的详细说明
除非特别说明，否则本申请中公开的每个示例使用了在折射指数n1＝1的空气组成的周围环境中的波导。同样，除非特别说明，接触到波导的入射光束为偏振的，其偏振与光栅的结构平行，换句话说，入射光束为TE偏振光。
本发明涉及一种用于构造光耦合系统的方法，其中，在多模波导的表面上制造包括重复图案的光栅。雕刻、或热压纹、或注入塑模、或者任何其他合适的方法都能够被用于制造光栅。该方法包括选择第一组参数的步骤，第一组参数包括：
波导透射的入射光的波长分布，
所述入射光的偏振或非偏振性质，
入射光相对于波导的入射角标准差(Sθ)，
图案的形状，所述图案的形状被设计为局部表面法向(Ns)与多模波导的表面的平均法向(N)形成角度(α)，所述角度(α)在该形状表面的任何位置都介于α＝-90°和α＝90°之间，
波导周围的介质的折射指数(n1)，
波导折射指数(n3)，
所述方法包括选择第二组参数的步骤，第二组参数包括：
分隔两个相邻图案的光栅周期(P)，
图案的最高点和最低点之间的光栅深度(d)，
入射光相对于波导的入射角均值(θ)。
另外，该方法包括对第二组参数进行优化的步骤，从而使得对于非偏振入射光而言，获得的入射光透射到波导的正一阶衍射或正二阶衍射、或负一阶衍射或负二阶衍射的透射效率(Ce)在入射光的给定波长下超过35％。对于偏振入射光而言，所述透射效率(Ce)在给定波长下超过50％。该方法包括根据所述优化的第二组参数在多模波导表面上制造光栅的步骤。
耦合效率将输入光功率与要越过光栅的光功率进行对比。如果对整个系统、也就是多模波导和光栅进行考虑，则能够很方便地对系统进行优化，以将最大量的光注入到多模波导(11)呈现重复的全内反射的部分。为了完成对整体耦合效率的所述优化，在波导表面上沿着光路径限定的方向所测量的光栅的长度(D)与波导厚度(WT)以及波导表面法向和波导内的耦合光束之间的角度β依据以下不等式相关：
D≤2·WT·tanβ
该不等式是本发明的基础，这是因为与现有技术中所教导的谐振波导相反，该不等式示出了耦合到光栅上的入射光与波导内的光束产生的任何输出耦合的折射光束之间没有任何干涉。换句话说，在波导表面上沿着所述入射光限定的方向所测量的光栅的长度(D)小于入射光耦合到光栅上的点与波导中的第一次内反射之后光束接触到波导顶部表面上的点之间的距离(5)，此处假设波导顶部表面为光栅被制造的表面。有利地，波导厚度(WT)大于或等于1微米，并且能够较优地大于或等于0.5mm，这个厚度在使用谐振效应的设备中根本无法实现，即例如US 6219478和WO 2005103771中详述的常见光源的部分反射、相干光束之间的干涉效应，该常见光源的时间相干性为几微米。
在根据权利要求1的优化之后，即在上述第二组参数的优化之后，波导几何形状并且尤其是波导厚度得到优化。事实上，当考虑到谐振条件和相干性要求时，根据权利要求1的波导的厚度与耦合结构效率的优化无关是不可能的，这例如US 6219478和WO2005103771中所述。
图案的形状能够为矩形；优化步骤随后包括对矩形填充因子(A/P)进行优化，矩形填充因子被定义为矩形的宽度与光栅周期(P)的比较，如图1中所示。
图案的形状还能够为斜切形状、正弦形状、三角形状、阶梯形状或者根据权利要求1的任何其他重复形状。与其他形状相比，阶梯形状实现的耦合光具有更宽的频谱。
为了获得更高的耦合效率，
使用增强层(2)覆盖光栅，增强层(2)的折射指数n2属于第一组参数并且增强层(2)的厚度(L)属于第二组参数，以及
其中，优化步骤包括所述层厚度(L)的优化，以及
其中，n2-n1大于或等于0.3，较优地大于或等于0.5，较优地大于或等于0.8，以及
其中，n2-n3大于或等于0.3，较优地大于或等于0.5，较优地大于或等于0.8。
为了保护波导不受诸如触摸、湿度、化学等环境因素的影响，整个波导或者波导包括耦合结构或不包括耦合结构的部分覆盖有折射指数低于波导的折射指数的材料。覆盖材料的折射指数比多模波导或体波导的折射指数至少小0.07，较优地至少小0.15或比0.15更小。
优化步骤能够被设计为，在入射光的给定波长下，获得的入射光透射到所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过50％、较优地超过70％、较优地超过90％。如之后所示，为了获得接近100％的耦合效率，入射角均值(θ)必须很小但并不为零。入射角均值的绝对值介于2度和12度之间。
在实际中，为了获得期望的耦合效率，优化步骤始于：
将给定的目标效率限定为关于入射光波长的输入分布，
随后是在第一组参数和第二组参数的基础上对关于入射光的波长的效率进行计算的计算步骤，
随后是通过修改第二组参数中的每个参数而将目标效率与计算效率之间的差最小化的最小化步骤。
根据波长(w)的目标效率能够方便地表示为数值矢量。目标效率与计算效率之间的差能够是任何的常见误差函数，例如已知为L2标准的平方误差函数、或已知为L1标准的绝对差、或者当计算效率等于目标效率时达到其最小值的任何其他函数。考虑到入射角的标准偏差，计算步骤基于根据入射角均值和入射角标准偏差限定的入射角分布的数个入射角来计算效率，并且相应地对结果进行平均以得到依赖于波长的效率。
计算步骤和最小化步骤被交替地迭代数次，直到目标效率和计算效率之间的差不显著变化为止。例如，当该差在两个连续的迭代步骤之间的变化不大于0.1％时，迭代停止。
目前为止所述的优化方法包括大量的参数。为了加快优化步骤的收敛，并且为了保证结果与合理花销的成果相适应，在最小化步骤中能够对第二组参数进行有利地约束。
图案的最高和最低点之间的光栅深度(d)被约束在10nm和1000nm之间，较优地在20nm和400nm之间。
波导厚度(WT)能够被约束为大于或等于1微米，较优地大于或等于0.5mm。
对于矩形形状的光栅，矩形填充因子能够被约束在10％和90％之间，较优地在40％和60％之间。
当存在增强层时，增强层(2)的厚度(L)能够被约束在10nm和500nm之间，较优地在100nm和200nm之间。
对于波长范围在400nm到700nm的可见光而言，分隔两个相邻图案的光栅周期(P)能够被约束在230nm和840nm之间。
对于波长范围在700nm到2500nm的红外光而言，分隔两个相邻图案的光栅周期(P)能够被约束在580nm和3000nm之间。
对于波长范围在250nm到400nm的紫外光而言，分隔两个相邻图案的光栅周期(P)能够被约束在180nm和560nm之间。
快速收敛于一种技术方案的优化方法为粒子群优化，粒子群优化通常存在于任何的优化软件中。该方法始于对于每个参数在约束边界内随机选择一组数值、或者几组数值。当然，这些参数属于根据本发明的第二组参数，这是因为这些参数仅是使用优化方法进行优化的参数。
本发明还涉及一种包括多模波导的光耦合系统，所述多模波导的顶部表面上制造有输入光栅，输入光栅限定了入射光束进入到波导的入口，所述光栅包括重复的图案，该图案的局部表面法向(Ns)相对于多模波导的表面的平均法向(N)形成角度(α)，所述角度(α)在形状表面的任何位置都介于α＝-90°和α＝90°之间，所述光耦合系统由一组参数限定，该组参数包括：
分隔两个相邻图案的光栅周期(P)，
图案的最高点和最低点之间的光栅深度(d)，
波导折射指数(n3)，
其中，对该组参数进行优化以使在入射光束的给定波长下，对于非偏振光，获得的入射光束进入所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率(Ce)超过35％，或者在入射光束的给定波长下，对于偏振光，获得的所述透射效率(Ce)超过50％。根据本发明的优化方法一旦收敛则限定了达到所述透射效率(Ce)的光耦合系统的结构参数之间的关系；尤其是分隔两个相邻图案的光栅周期(P)的值以及图案的最高和最低点之间的光栅深度(d)的值。通过选择制造波导所用的材料来提前选择波导折射指数(n3)。同样提前选择光栅形状。不幸的是，与光耦合系统的结构参数相关以确保给定的耦合效率的封闭关系并未被公开，因此，对光耦合系统进行表征的唯一方式是测量其耦合效率。
有利地，光栅图案的形状可以是具有填充因子(A/P)的矩形，填充因子(A/P)被限定为矩形的宽度(A)与光栅周期(P)相对比并介于10％和90％之间，较优地介于40％和60％之间。填充因子与该组参数一同被优化。在此情况下，根据本发明的优化方法一旦收敛则限定了分隔两个相邻图案的光栅周期(P)的数值、矩形光栅的填充因子(A/P)的数值以及矩形的光栅深度(d)的数值。
尤其是，本发明还涉及一种光耦合系统，该光耦合系统包括多模波导和用于将光束的波前耦合到所述波导的周期衍射光栅，所述周期衍射光栅可以覆盖有折射增强层(2)。折射增强层(2)的折射指数为n2，其中，n2-n1大于或等于0.3，较优地大于或等于0.5，较优地大于或等于0.8，并且其中，n2-n3大于或等于0.3，较优地大于或等于0.5，较优地大于或等于0.8。将增强层(2)的厚度(L)作为表征光耦合系统的参数组中的额外参数进行优化，以使在入射光束的给定波长下，获得的一阶衍射或二阶衍射透射效率超过50％，较优地超过70％，较优地超过90％。
根据折射增强层的性质和厚度的不同并且通过对诸如光栅周期、光栅深度、波导、光栅和折射增强层的的折射指数、输入光束的入射角、输入光波长以及输入光栅的大小进行调谐，这样的光栅允许获得高达近100％的耦合效率。尤其是，这样的波导凭借其效率并且通过调谐参数而允许在传输图像时对强度和色彩进行控制。
多模波导可以由像玻璃、石英或聚合物这样的透明材料制成，较优地由透明聚合物制成，例如，透明的聚碳酸酯、廉价且融化快速的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或聚醚胺PET、或溶胶等。聚合物材料有利地是柔性的。
有利地，折射增强层由高折射指数材料制成。这样的材料可以是硫化锌(ZnS)或二氧化铪(HfO2)、二氧化钛(TiO2)或五氧化二钽(Ta2O5)或二氧化锆(ZrO2)、或AlN、或Al2O3或ZnO或这些材料的任何组合。这样的材料易于使用。例如，该覆盖层可以使用本领域的技术人员众所周知的方法直接涂覆在光栅上。
有利地，图案的最高和最低点之间的光栅深度(d)介于10nm和1000nm之间，较优地在20nm和400nm之间。
有利地，增强层(2)的厚度(L)介于10nm和500nm之间，较优介于100nm和200nm之间。
有利地，对于波长介于400nm到700nm的耦合光而言，分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于230nm和840nm之间。
有利地，对于波长介于700nm到2500nm的耦合光而言，分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于580nm和3000nm之间。
有利地，对于波长介于250nm到400nm的耦合光而言，分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于180nm和560nm之间。有利地，折射指数为n2的折射增强层位于折射指数为n3的周期衍射光栅与诸如空气之类的折射指数为n1的介质之间。在折射指数为复数的情况下，这指的是折射指数的实部值。为了更加精确地计算耦合效率，折射指数能够被认为是波长的函数，即对于所考虑的各波长的实数，而非各波长的平均值。该折射指数函数对于所考虑的各种材料是已知的。
因而，为了优化耦合效率，参照波导的折射指数来选择折射增强层的材料并由此选择折射指数。
在根据本发明的一个实施例中，多模波导基本为平行六面体并且包括基质，该基质包括用于接收进入光束的输入周期衍射光栅以及用于输出对应光束的输出周期衍射光栅。随后根据波导的厚度和/或折射指数来选择折射增强层的折射指数和/或厚度，以使得入射耦合光通过内反射在基质内传播并且通过耦合效率损失小于30％的输出周期衍射光栅输出或者耦合出波导。可以对不同的折射指数n1、n2、n3进行选择，以使得基质中的入射束的入射角推导出波导内的路径，在基质内的内反射之后，该束到达输出周期衍射光栅。在所述输出周期衍射光栅具有与输入周期衍射光栅相同的结构特点的一个特定实施例中，并且如果入射耦合光束是单色的且基本上没有角发散，输出耦合光束的波前与波导中的输入耦合光束的波前基本相同，以使得图像能够被输入耦合到波导中、通过所述波导的内反射进行传输、并且在没有大量失真的情况下被所述输出周期衍射光栅耦合输出。
本发明还涉及一种系统，该系统包括之前限定的多模波导以及配置用于向多模波导的光栅提供光束的光输入元件。
根据本发明的方法获得的光栅的数个实施例参照示出了这些实施例或示出了这些实施例的特性的图进行说明。
图1为根据由权利要求2和3的方法，即由上述对于具有矩形图案和增强层的光耦合系统所述的方法获得的设备的波导的横向局部视图。波导1被厚度为L的增强层2所覆盖。光栅包括深度为d、周期为P且填充因子等于A/P的矩形重复形状；A为凸出矩形的宽。
图2为雕刻有两个不同光栅的波导的横向局部视图，示出了多模波导的局部表面法向(Ns)相对于表面平均法向(N)的角度α。表面定向的条件根据生产需要来决定。如果角度α的绝对值不超过90°，那么能够使用标准压纹过程来生产光栅，从而允许对根据本发明的波导进行低成本大量生产。这能够导致众多可能的光栅形状；图案能够是满足所述表面定向需要的任何重复形状，例如，正弦图案、方形图案、斜切图案、三角图案，其中的一些图案在图3至5中以示例示出。
图6概括示出了进入根据本发明的权利要求2获得的波导1的周期衍射光栅3上的入射光4。入射光束的入射角(θ)被定义为表面的平均法向(N)与光束在垂直于光栅定向7的平面6上的投影之间的角。平面6不是本发明的一部分。如图6所示，光栅包括重复形状，该形状沿着垂直于光栅定向7的方向重复。
图7和8概括示出了进入由本发明的权利要求1获得的波导1的周期衍射光栅上的入射光4。图7和8示出了波导厚度(WT)对于光的透射的影响。当波导包括被设计为通过全内反射(12)来传输光的部分(11)时，并且当光栅的用途是将光耦合到所述部分(11)中时，对厚度(WT)进行优化，以使到达所述部分(11)的光量达到最大值；整体的耦合效率可以被定义为给定波长下的进入所述部分(11)中的耦合光(14)的例如+1或-1的一个给定模与入射光(4)之间的比率。如果厚度像图7中那样并未理想设置，在到达波导的通过内反射来引导光的部分(11)之前，光的一部分(10)从波导中去耦合。该去耦合导致整体耦合效率的损失。只要波导表面法向与波导内的耦合光束之间的角度β足够大，那么光只要到达波导的部分11就被连续的全内反射(12)引导。该全内反射临界角是众所周知的并且取决于折射指数n1和n3。例如，当n1＝1且n3＝1.5时，全内反射临界角等于41.8°，并且当n1＝1且n3＝1.6时，全内反射临界角等于38.7°。图9示出了矩形光栅的多个光栅周期P的一阶衍射的耦合角β。因此，通过使用该特性，可以通过使波导借助于全内反射来传输某些波长并令其他波长离开来进一步选择波长。当波导不包括设计为借助于全内反射来引导光的部分(11)时，耦合效率可以被定义为给定波长下的作为越过光栅的光的耦合光(13)的例如+1或-1的一个给定模与入射光(4)之间的比率。
图10进行以下对比：
在左列中，使用权利要求2的方法获得的光耦合系统的结果，即使用以上对于具有矩形图案并且没有任何增强的系统所述的方法获得的结果，以及
在右列中，使用权利要求3的方法获得的类似系统，即具有增强层的系统。
图10示出了对于光栅的不同周期(P)的多模波导上的法向入射光根据波长(w)的耦合效率(Ce)。光栅深度(d)为200nm。波导的折射指数n3为1.5。在表格的第一列中，光栅是裸露的。表格的第二列中，光栅覆盖有由ZnS制成的厚度L＝200nm的增强层。ZnS覆盖层增强了耦合效率。图24示出了在输入耦合光栅上沉积的这样的ZnS覆盖层。更大的周期P使耦合效率向光谱的红光和红外光部分移动。
图11示出了对于根据权利要求2和3的方法获得的设备，以角θ接触到光栅上的入射光在单元A1、B1和C1中的1阶衍射(T1)的耦合效率以及在单元A2、B2和C2中的-1阶衍射(T-1)的耦合效率。光栅深度d为210nm，光栅周期(P)为380nm。波导的折射指数n3为1.5。光栅覆盖有由ZnS制成的厚度L＝210nm的增强层。图中示出了，对于-1阶衍射和大约550nm的波长，采用入射角θ＝8°能够获得将近100％的效率。图中还示出了若入射光垂直于平均光栅表面时的耦合效率的限制。图11还示出了，根据权利要求6的方法能够通过在根据图14的顶部的设置中限定两个目标效率分布来实施：一个目标效率能够针对+1阶来限定，另一个目标效率能够针对-1阶来限定；+1阶朝波导的右侧耦合，-1阶朝波导的左侧耦合；目标效率与计算效率之差为单独采用每个模的差的总和。所述设置能够被用于根据光的波长进行分光。
图12示出了对于不同入射角θ或根据权利要求4的方法获得的设备的耦合效率(Ce)。光栅深度d为210nm，光栅周期P为380nm。波导的折射指数n3为1.5。光栅覆盖有由ZnS制成的厚度L＝210nm的增强层。图13将图12中的结果进行合并，从而使用相同的波导和光栅来显示非校准入射光束的耦合效率。例如，图中示出了尽管输入光束的入射角(θ)从4°变化到12°，耦合效率仍能够达到80％，并且如果所述角度介于6°和10°之间则耦合效率能够达到90％。图中示出了，入射角标准差(Sθ)对于耦合效率有影响，并且有助于在权利要求1的方法中设定入射角标准差。校准光束具有很小的标准差(Sθ)，就像激光器中的光束发散Sθ为1至2mrad(毫弧度)，然而非校准束具有较大的标准差(Sθ)。
图14示出了在根据权利要求2获得的设备上，光栅周期(P)对取决于法向入射光的波长(w)的耦合效率的影响。图中示出了对于法向入射束具有相同的耦合性能的1阶衍射(16)和-1阶衍射(15)。图中示出的设置为，波前20通过第一光栅21被耦合到根据本发明的波导中并且通过两个光栅22去耦合。图中示出，光栅能够被用作频谱滤波器。
图15示出了对于根据权利要求2和3的方法，即以上对于具有矩形图案和增强层的光耦合系统所述的方法获得的设备，光栅周期(P)对取决于角度为8°的入射光束的波长(w)的耦合效率的影响。光栅的深度(d)为200nm。波导的折射指数n3为1.5。入射光与表面法向矢量(θ)的角度为8°。更大的周期(P)使耦合效率向波谱的红光和红外光部分移动。图16示出的设置为，波前20通过第一光栅21被耦合到根据本发明的波导中并且通过第二光栅22去耦合。该设置能够被用于将位于光栅21正面的物体的图像传输到位于光栅22正面的远程传感器上并且明显减少常规成像情况下所需的自由空间。
优化和方法
图19示出了在根据权利要求1的方法中对光栅的第二组参数进行优化的过程中，光栅和波导的耦合效率Ce。目标耦合效率给定为波长w的函数：该函数是标准差σ＝30nm且平均值μ＝500nm且在w＝500nm处的峰值耦合效率Ce＝100％的高斯函数。优化步骤将介于360nm和830nm之间的每个波长下计算的耦合效率和目标效率之间的方差的总和最小化。光栅形状为填充因子为50％的矩形。光栅覆盖有由ZnS制成的增强层。光栅周期P被约束在250nm和1000nm之间，光栅深度被约束在1nm和400nm之间。增强层厚度L被约束在1nm和250nm之间。入射角(θ)被约束在0°和10°之间，并且入射角的标准差(Sθ)被设定为0.5°。对于光栅参数的最初设想如下：P＝500nm，d＝100nm，L＝100nm且θ＝5°。在完成200次迭代的优化之后，最后的结构具有以下参数：P＝406nm，d＝147nm，L＝176nm且θ＝10°，并且耦合效率如图19中所示。图20示出了目标效率与计算效率之间的方差的总和的变化，该变化是图19所引用的优化步骤中的迭代步骤的函数。
如果根据本发明的第一参数组的参数并非先验所知，那么根据本发明的方法能够应用于所述参数的多个选择，并且通过反复试验来找出最佳结果，即找出使得目标效率和计算效率之差最小的结果。
图21和22示出了根据由权利要求2的方法，即由以上对于具有矩形图案和裸露光栅的光耦合系统所述的方法获得的一阶衍射的耦合效率(Ce)。光栅由近似折射率n3＝1.57的聚碳酸酯(PC)制成。目标波长是均值为500nm且标准差为30nm的高斯函数。入射角θ被约束在-40°和40°之间。光栅为矩形。在图21中，针对平行于光栅结构的偏振入射光TE进行优化，并且该优化导致光栅的周期P＝586nm，深度d＝271nm，入射角θ＝13.6°，填充因子(A/P)＝0.41，以及耦合效率Ce在峰值处达到63％。在图20中，针对垂直于光栅结构的偏振入射光TM进行优化，并且该优化导致光栅的周期P＝942nm，深度d＝395nm，入射角θ＝32.5°，填充因子(A/P)＝0.39，以及耦合效率在峰值处达到42％。
图23示出了使用裸露光栅根据权利要求2的方法获得的一阶衍射的耦合效率(Ce)。光栅由近似折射率n3＝1.57的聚碳酸酯(PC)制成。目标波长是均值为532nm且标准差为30nm的高斯函数。入射角θ被约束在-40°和40°之间。光栅为矩形。图23示出了TE、TM以及(TE&TM)的最终耦合效率，但是对于两种偏振(TE&TM)进行了优化，这等同于对非偏振光进行优化。这导致光栅的周期P＝638nm，深度d＝321nm，入射角θ＝14.9°，填充因子(A/P)＝0.43，以及耦合效率Ce在峰值处达到41％。图24示出了用于非偏振光的高效耦合的典型ZnS增强覆盖层。
图25至30示出了通过优化方法对不同波长、不同入射角并对非偏振光进行优化所获得的更多结果。获得的结构针对非偏振光进行优化并且因而对任何仅具有一种偏振、任何线性偏振、圆形偏振或椭圆形偏振和任何时间依赖或位置依赖偏振的入射光束进行优化。尤其是，图25示出了ZnS增强覆盖层，该ZnS增强覆盖层针对的入射角为14°、蓝光(450-495nm)且非偏振光进行优化，即入射光束的TE分量和TM分量具有相同的幅度。在此情况下(图25的情况下)，ZnS层的厚度为240nm，并在由PC制成的周期为340nm、深度为220nm、填充因子为0.56的光栅上进行蒸发。
图26示出了针对入射角为14°、绿光(460-485nm)且非偏振光进行优化的ZnS增强覆盖层。在此情况下(图26的情况下)，ZnS层的厚度为280nm，并在由PC制成的周期为400nm、深度为260nm、填充因子为0.54的光栅上进行蒸发。
图27示出了针对入射角为14°、红光(600-640nm)且非偏振光进行优化的ZnS增强覆盖层。在此情况下(图27的情况下)，ZnS层的厚度为300nm，并在由PC制成的周期为450nm、深度为280nm、填充因子为0.56的光栅上进行蒸发。
图28示出了针对入射角为15°、蓝绿红光且非偏振光进行优化的ZnS增强覆盖层。在此情况下(图28的情况下)，ZnS层的厚度为240nm，并在由PC制成的周期为360nm、深度为230nm、填充因子为0.66的光栅上进行蒸发。
可以进行中水平或高水平的优化。在中水平优化的情况下，效率是可接受的，同时设备很容易生产和制作，这是因为设备具有低长宽比；而对于高水平优化，效率达到最大，但是制造容差更小使得成本和工作量更高。在图29的表格中对两种可能性的示例进行了总结。
最后，图30示出了在正弦光栅情况下，对于入射角为17°且对于红光(615-630nm)、绿光(560-575nm)和蓝光(460-480nm)获得的效率。正弦光栅(图30)的正弦深度小于1个周期，周期为390nm，ZnS覆盖层厚度为350nm，且ZnS覆盖层被沉积在PC上。当图30中的正弦光栅被照射到时，衍射光束在可见光范围内具有平坦的频谱并且向观察者显示出白色。
参照光学领域对全部的实施例和应用示例进行了说明。这并不表示对本申请中上述的方法和设备的应用性进行限制，本申请中的方法和设备可以被应用于电磁频谱的其他频域。对于中波和远红外波、深紫外波、毫米波、太赫兹波和微波等领域熟悉的技术人员很容易将所述实施例适用到属于这些频域的材料、尺度和技术上，尽管这些频域不属于本申请的权利要求的范围。
本发明的全部实施例参照平整基质。这并不表示仅限于平整表面。熟悉本领域的技术人员很容易将所述实施例适用于弯曲表面。
Claims (45)
1.一种用于构造光耦合系统的方法，其中，在多模波导的入射光表面上制造光栅，所述光栅限定了所述多模波导针对入射光束的入口，所述光栅包括重复图案，所述方法包括选择第一组参数的步骤，所述第一组参数包括：
所述多模波导透射的所述入射光的波长分布，
所述入射光的偏振或非偏振性质，
所述入射光相对于所述多模波导的入射角标准差，
所述图案的形状，所述图案的形状被设计为其局部表面法向(Ns)在所述形状的任何位置相对于所述多模波导的表面的平均法向(N)成一角度α，所述角度α介于α＝-90°和α＝90°之间，所述多模波导周围的介质的折射指数n1，
多模波导折射指数n3，
所述光栅由第二组参数限定，所述第二组参数包括：
分隔两个相邻图案的光栅周期(P)，
所述图案的最高点和最低点之间的光栅深度(d)，
所述入射光相对于所述多模波导的所述入口的法向的入射角均值(θ)，
所述方法包括对所述第二组参数进行优化以获得优化的第二组参数的步骤，
所述优化步骤被执行使得至少在所选择的第一组参数限定的所述入射光束的波长分布下，对于非偏振光，获得的所述入射光越过所述光栅进入所述多模波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率(Ce)超过35％，或对于偏振光，获得的所述透射效率超过50％，所述光栅的长度D在所述多模波导的所述入射光表面上沿衍射束的方向进行测量，所述长度D与所述多模波导的厚度WT相关并且与所述多模波导表面法向和所述多模波导内的光束之间的角度β相关，所述长度D由以下不等式限定：
D≤2·WT·tanβ
所述方法包括根据所选择的第一组参数和所述优化的第二组参数在所述多模波导的表面上制造光栅的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图案的形状为矩形，并且其中，所述优化步骤包括对用矩形的宽度(A)与光栅周期(P)之比定义的矩形填充因子(A/P)进行优化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光栅被增强层(2)所覆盖，所述增强层(2)的折射指数n2属于所述第一组参数，并且所述增强层(2)的厚度(L)属于所述第二组参数，并且其中
所述优化步骤包括优化所述增强层厚度(L)，以及
n2-n1大于或等于0.3，以及
n2-n3大于或等于0.3。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述光栅被增强层(2)所覆盖，所述增强层(2)的折射指数n2属于所述第一组参数，并且所述增强层(2)的厚度(L)属于所述第二组参数，并且其中
所述优化步骤包括优化所述增强层厚度(L)，以及
n2-n1大于或等于0.3，以及
n2-n3大于或等于0.3。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，n2-n1大于或等于0.5。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其中，n2-n1大于或等于0.8。
7.根据权利要求3或4所述的方法，其中，n2-n3大于或等于0.5。
8.根据权利要求3或4所述的方法，其中，n2-n3大于或等于0.8。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述优化步骤被设计为，在所述入射光的给定波长下，获得的所述入射光进入所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过50％。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述优化步骤被设计为，在所述入射光的给定波长下，获得的所述入射光进入所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过50％。
11.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述优化步骤被设计为，在所述入射光的给定波长下，获得的所述入射光进入所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过70％。
12.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述优化步骤被设计为，在所述入射光的给定波长下，获得的所述入射光进入所述波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过90％。
13.一种光耦合系统，使用根据权利要求1的方法获得，所述光耦合系统被用于将入射光束耦合到多模波导中，以用在包括具有给定的波长分布的偏振光源或非偏振光源的光学系统中，所述光学系统被浸入折射指数为n1的介质中，
所述光耦合系统包括：
多模波导，
在所述多模波导的入射光表面上制造的光栅，所述光栅限定了所述多模波导针对所述入射光束的入口，
所述光栅包括重复图案，所述重复图案的局部表面法向(Ns)在所述形状的任意位置相对于所述多模波导的表面的平均法向(N)成一角度α，所述角度α介于α＝-90°和α＝90°之间，
所述光耦合系统由一组参数进行限定，该组参数包括：
分隔两个相邻图案的光栅周期(P)，
所述图案的最高点和最低点之间的光栅深度(d)，
波导折射指数n3，
其特征在于，
所述光栅的长度D在所述多模波导的所述入射光表面上沿衍射束的方向进行测量，所述长度D与所述多模波导的厚度WT相关，并与所述多模波导表面法向和所述多模波导内的光束之间的角度β相关，所述长度D由以下不等式限定：
D≤2·WT·tanβ
并且，该组参数被优化使得至少在所选择的第一组参数限定的所述入射光束的波长分布下，对于非偏振光，获得的所述入射光束进入所述多模波导的一阶衍射或二阶衍射的透射效率(Ce)超过35％，或对于偏振光，获得的所述透射效率超过50％。
14.根据权利要求13所述的光耦合系统，其中，所述多模波导由玻璃、或石英、或聚合物、或溶胶制成。
15.根据权利要求13所述的光耦合系统，其中，所述多模波导由聚碳酸酯(PC)、或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或聚醚胺(PET)制成。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，其中，所述图案的形状是矩形，并且其中，用矩形的宽度(A)与光栅周期(P)之比定义的填充因子(A/P)介于10％和90％之间。
17.根据权利要求16所述的光耦合系统，其中，所述填充因子(A/P)介于40％和60％之间。
18.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，使用根据权利要求3或权利要求4所述的方法获得，所述光耦合系统包括：
折射指数为n2的增强层(2)，
其中，n2-n1大于或等于0.3，以及
其中，n2-n3大于或等于0.3，
并且其中，所述增强层(2)厚度(L)被作为所述组参数中的额外参数而进行优化，以使在所述入射光束的给定波长下，获得的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过50％。
19.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，n2-n1大于或等于0.5。
20.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，n2-n1大于或等于0.8。
21.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，n2-n3大于或等于0.5。
22.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，n2-n3大于或等于0.8。
23.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，所述增强层(2)厚度(L)被作为所述组参数中的额外参数而进行优化，以使在所述入射光束的给定波长下，获得的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过70％。
24.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，所述增强层(2)厚度(L)被作为所述组参数中的额外参数而进行优化，以使在所述入射光束的给定波长下，获得的一阶衍射或二阶衍射的透射效率超过90％。
25.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，所述增强层(2)至少包括以下之一：ZnS、TiO2、HfO2、Ta2O5、ZrO2、AlN、Al2O3、ZnO、这些材料的任何组合。
26.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，其中，所述图案的最高点和最低点之间的所述光栅深度(d)介于10纳米和1000纳米之间。
27.根据权利要求26所述的光耦合系统，其中，所述光栅深度(d)介于20纳米和400纳米之间。
28.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，所述图案的最高点和最低点之间的所述光栅深度(d)介于10纳米和1000纳米之间。
29.根据权利要求28所述的光耦合系统，其中，所述光栅深度(d)介于20纳米和400纳米之间。
30.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，其中，所述光栅被制造在所述多模波导的顶部表面上，并且其中，所述多模波导的厚度WT大于或等于1微米。
31.根据权利要求30所述的光耦合系统，其中，所述多模波导的厚度WT大于或等于10微米。
32.根据权利要求30所述的光耦合系统，其中，所述多模波导的厚度WT大于或等于0.5毫米。
33.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，所述光栅被制造在所述多模波导的顶部表面上，并且其中，所述多模波导的厚度WT大于或等于1微米。
34.根据权利要求33所述的光耦合系统，其中，所述多模波导的厚度WT大于或等于10微米。
35.根据权利要求33所述的光耦合系统，其中，所述多模波导的厚度WT大于或等于0.5毫米。
36.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，其中，所述光栅被增强层(2)所覆盖，所述增强层(2)的厚度(L)介于10纳米和500纳米之间。
37.根据权利要求36所述的光耦合系统，其中，所述增强层(2)的厚度(L)介于100纳米和200纳米之间。
38.根据权利要求18所述的光耦合系统，其中，所述增强层(2)的厚度(L)介于10纳米和500纳米之间。
39.根据权利要求38所述的光耦合系统，其中，所述增强层(2)的厚度(L)介于100纳米和200纳米之间。
40.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，用于耦合波长介于400纳米到700纳米的光，其中分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于230纳米和840纳米之间。
41.根据权利要求18所述的光耦合系统，用于耦合波长介于400纳米到700纳米的光，其中分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于230纳米和840纳米之间。
42.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，用于耦合波长介于700纳米到2500纳米的光，其中分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于580纳米和3000纳米之间。
43.根据权利要求18所述的光耦合系统，用于耦合波长介于700纳米到2500纳米的光，其中分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于580纳米和3000纳米之间。
44.根据权利要求13至15中任一项所述的光耦合系统，用于耦合波长介于250纳米到400纳米的光，其中分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于180纳米和560纳米之间。
45.根据权利要求18所述的光耦合系统，用于耦合波长介于250纳米到400纳米的光，其中分隔两个相邻图案的光栅周期(P)介于180纳米和560纳米之间。
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