光隔离器、光隔离装置和包含光隔离装置的设备的制作方法

1.本发明涉及光隔离领域，尤其涉及一种光隔离器、光隔离装置和包含光隔离装置的设备。


背景技术：

2.在光学实验中，由于光路的可逆性，如果遇到光线反射，入射光将原路返回，这对于有些发光器件(尤其是半导体激光器)可能会造成损伤。为了避免这种情况，需要对光线进行隔离。为了达到隔离的效果，通常在前置光路中，需要将入射光变换为线偏振光。
3.图1示出一种典型的线偏振光隔离器，该隔离器由偏振分束立方体和1/4零级波片组成，波片光轴45
°
放置。透射p偏振光经波片之后变成圆偏振光，被反射后二次通过波片转变成s偏振光，从而被偏振分光棱镜反射，达到隔离效果。
4.传统光隔离器为分立元件结构，需要在光路结构中，通过自聚焦透镜，偏振器和法拉第旋转器等分立元件将光纤间耦合起来，缺点是所用光学元件多，体积相对较大。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供了一种光隔离器、光隔离装置和包含光隔离装置的设备，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
6.根据本发明一方面，提供一种光隔离器，包括非对称光栅，所述非对称光栅包含至少两个光栅单元，所述至少两个光栅单元包括至少两个光栅子单元，所述至少两个光栅子单元的宽度单向递增或递减，所述非对称光栅用于对具有正入射角的入射光提供反射功能，对具有负入射角的入射光提供透射式衍射功能，其中正入射角指的是在所述非对称光栅的法线的一侧的入射光与法线形成的角度，负入射角指的是在所述法线的另一侧的入射光与法线形成的角度；波导，用于将入射光引导到所述非对称光栅，并为非对称光栅反射的光提供传播路径。
7.根据本发明另一方面，提供一种光隔离装置，包括：第一端口，所述第一端口与上述光隔离器中的非对称光栅的法线的一侧邻近地设置，用于将具有正入射角的入射光引导到所述光隔离器，且用作具有负入射角的入射光的反射光的输出端口；上述光隔离器；第二端口，所述第二端口与上述光隔离器中的非对称光栅的法线的另一侧邻近地设置，用于将具有负入射角的入射光引导到所述光隔离器，且用作具有正入射角的入射光的反射光的输出端口。
8.根据本发明另一方面，提供一种设备，包括上述光隔离装置,其中，所述设备是以下之一：半导体激光器，光放大器、光纤通信系统。
9.根据本发明技术方案，使用基于非对称光栅的波导结构实现正向入射同反向入射相隔离的光隔离器功能，相对于传统光隔离器，无分立光学元件，结构简单，且稳定性高。
附图说明
10.本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施方式和解释本发明的原理和优点。其中：
11.图1示出根据现有技术的典型线偏振光隔离器的示意性图示。
12.图2示出根据本发明一实施方式的光隔离器200的示意性图示。
13.图3(a)示出了根据本发明实施方式的光隔离器在正向导通时的光路示意图。图3(b)示出了根据本发明实施方式的光隔离器在反向截止时的光路示意图。
14.图4示出根据本发明实施方式的非对称光栅结构的示意图。
15.图5示出从基板侧照射非对称光栅的实验示意图。
16.图6(a)示出两个宽度不同的子单元组成的光栅单元。图6(b)示出对于此光栅结构，通过仿真得到在不同入射角下的透过率。
17.图7示例性示出了可以采用的其他波导形状的例子。
18.图8示出了根据本发明实施方式的光隔离装置的示意性图。
19.图9(a)示出入射角为正30
°
时的光栅截面光场强度图。图9(b)示出了当入射角为负30
°
时的光栅截面光场强度图。
20.图10(a)示出了当入射光对于非对称光栅结构的入射角为正30
°
时光隔离器的插入损耗曲线。图10(b)示出当入射光对于非对称光栅结构的入射角为负30
°
时光隔离器的光隔离度曲线。
21.本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施方式的理解。
具体实施方式
22.下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。
23.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其它实施方式更优选或更具优势。为了使本领
域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施方式，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
25.本发明技术方案采用的原理是光栅的衍射效率针对入射角的正负而不同：当入射角为负值时，光栅衍射效率高，总体反射率低，当入射角为正值时，光栅衍射效率低，总体反射率高。另外，目前使用非对称光栅的场景中，一般光纤垂直于光纤入射，并未提及非对称光栅在光隔离方面的特性，也没有在光隔离领域应用非对称光栅。
26.图2示出根据本发明一实施方式的光隔离器200的示意性图示。如图2所示，该光隔离器200包括：非对称光栅210，所述非对称光栅包含至少两个光栅单元，所述至少两个光栅单元包括至少两个光栅子单元，所述至少两个光栅子单元的宽度单向递增或递减，所述非对称光栅用于对具有正入射角的入射光提供反射功能，对具有负入射角的入射光提供透射式衍射功能，其中正入射角指的是在所述非对称光栅的法线的一侧的入射光与法线形成的角度，负入射角指的是在所述法线的另一侧的入射光与法线形成的角度；波导220，用于将入射光引导到所述非对称光栅210，并为非对称光栅210反射的光提供传播路径。
27.在图2中，波导220示为开口梯形波导，应理解本发明不限于此，下文将会对波导可以采用的其他形式予以介绍。
28.工作原理
29.参考图3描述图2所示光隔离器的工作原理。
30.图3(a)示出了根据本发明实施方式的光隔离器在正向导通时的光路示意图。如图3(a)所示，正向导通时，入射光源被耦合进开口梯形波导的正向输入端，非对称光栅将入射光大部分反射到输出端，因而如图3(a)上方所示，结果是有光线通过，且出射光线强度和输入光线强度几乎一致。因此可以说，非对称光栅对于正入射角的入射光提供反射功能。
31.图3(b)示出了根据本发明实施方式的光隔离器在反向截止时的光路示意图。如图3(b)所示，在反向隔离时，入射光源被耦合进波导的反向输入端，而非对称光栅对入射光源的衍射作用很强，将入射光透射衍射出开口梯形波导，使几乎没有光线被反射到反向输出端，从而实现光隔离器的功能，如图3(b)上方所示。因此可以说，非对称光栅对于负入射角的入射光提供透射功能。
32.根据本发明实施方式的技术方案，利用了非对称光栅对正负入射角的入射光的透射衍射和反射效率不同，构建了基于波导和非对称光栅的紧凑型光隔离器，能够实现正向入射同反向入射相隔离的光隔离器功能，相对于传统光隔离器，不需使用分立光学元件，降低了光隔离器制造复杂度和制造成本，结构简单，体积减小，且稳定性高。
33.下面对非对称光栅和波导分别予以详细说明。
34.非对称光栅
35.图4示出根据本发明实施方式的非对称光栅结构的示意图。在图4中，示例性示出了光栅结构包含两个光栅单元，各光栅单元包含三个光栅子单元，光栅子单元宽度w1、w2和w3单向递增。
36.应理解图4所示仅为示例，可以采用的光栅结构不限于图4所示。非对称光栅还可
以包含两个或三个以上的光栅单元，光栅单元也可以包含两个或三个以上的光栅子单元。为了构建非对称结构从而打破对称性，需要光栅子单元单向递增或递减，递增或递减可以按比例也可以不按比例。光栅单元可以为周期也可以为非周期结构。
37.非对称光栅的设计参数包括光栅高度h，子单元宽度w1、w2和w3，光栅子单元间隔d1和d2，以及光栅单元间隔d3。通过调整光栅参数以及所用材料的折射率(其中光栅单元材料可以为高折射率n1材料，基底材料可以为相对低折射率n2材料)可以将光隔离器用于可见光至远红外波段。非对称光栅的每个光栅单元可以被视为一个非对称波导，对于非对称波导，可以通过选择一个特定的波导高度来创造一个非对称的散射图案，其最大散射方向与所需的衍射阶数相同。非对称波导可以产生一个非对称辐射模式，而非对称辐射模式可以沿着m＝ 1或m＝-1的衍射阶数定向，同时抑制不需要的衍射阶数。
38.图5示出从基板侧照射非对称光栅的实验示意图。非对称光栅沿所需衍射级的方向衍射整个入射光能量，此处选择的透射衍射级次为m＝-1。通过设计非对称光栅尺寸参数可以实现将入射光集中在-1阶透射衍射级上。
39.当入射角为
±
θ时，非对称衍射光栅均可以将入射光衍射到所需要的衍射级次上。当入射角为-θ时，绝大部分能量会通过透射衍射到-1级次上，并且当入射角大于-θ时，绝大部分能量依旧会通过透射衍射到-1级次上；当入射角为θ时，只有一小部分能量会通过透射衍射到-1级次上，并且当入射角大于θ时，依旧只有一小部分能量会通过透射衍射到-1级次上；当入射角介于-θ到θ中间时，依旧只有一小部分能量会通过透射衍射到-1级次上。
40.综上，入射角的正负会影响衍射效率，当入射角为负值时，光栅衍射效率高，总体反射率低，当入射角为正值时，光栅衍射效率低，总体反射率高。根据本发明实施方式，正是利用非对称光栅对正负入射角入射光源的不同反射率设计了光隔离器。
41.在上述示例中，入射光源为线偏振光，偏振方向同光栅单元宽度增加方向平行，入射光源的入射角需要大于非对称光栅的最小工作角(下文对最小工作角予以描述)且小于90
°
。
42.在实践中，设计好了光栅结构之后，就确定/要求了入射线偏振光的偏振方向，之后选择的线偏振光的特定偏振方向与单元宽度增加或减小的方向平行。具有特定偏振方向的线偏振光可以由自然光入射到偏振器件比如偏振片后得到。如果偏振方向与光栅单元宽度增加或减小方向不平行，可以根据平行四边形法则在偏振方向上做分量来衡量隔离效果减弱程度。平行四边形法在数学、光学、力学中是一个基本应用，也可以叫做投影法则。举例：当线偏振光的入射方向与光栅单元宽度增加方向不平行时，例如其夹角为θ，线偏光的强度为i，则通过光栅后的光的强度为icosθ。
43.最小工作角
44.最小工作角同光栅结构参数：子单元宽度w1、w2和w3，光栅子单元间隔d1和d2，以及光栅单元间隔d3相关。每一组参数对应一个最小工作角。需要通过仿真得到当前结构的最小工作角。具体来说，通过仿真得到光栅结构在不同入射角下的透过率(衍射效率＝透过率)，从而通过透过率得到应采用的最小工作角。下面参考图6概述通过仿真得到最小工作角的示例。
45.图6(a)示出两个宽度不同的子单元组成的光栅单元。对于此光栅结构，通过仿真得到在不同入射角下的透过率如图6(b)所示(该图为非对称光栅在不同入射角下的衍射效
率，因为是透射式衍射，所以衍射效率＝透过率)
46.由图6(b)可知，对于两个方块组成的光栅单元，当入射角大于15度时，光栅透过率几乎为0。当入射角小于15度时，光栅透过率高。为了使正负角度入射时反射率差异大，对应透过率差异大，需要设置入射角大于15度。
47.对于本发明实施方式的非对称光栅，假设通过仿真得到：入射角大于θ时，光栅透过率几乎为0，且在入射角小于θ时，光栅透过率高。那么，为了使正负角度入射时反射率差异大，对应透过率差异大，需要设置入射角大于θ，即最小工作角为θ。
48.也就是说，最小工作角是：在大于所述最小工作角的角度入射时，所述非对称光栅的透射率低，在透射率的情况下光的反射率会高，关于“高”、“低”的具体设置标准，本领域技术人员可以根据期望达到的隔离效果等自由设置。在图6公开的示例中，以“0.65”的衍射效率作为判断透射率足够低的标准，从而使得大部分光能够被反射。然而应理解，本发明在此方面不受限制。
49.波导
50.波导起到了引导入射光和反射光的传输方向和角度的作用。波导可以是开口梯形波导，也可以是其他形状的波导，比如无开口梯形波导、长方形波导、多边形波导等。
51.图2中以开口梯形波导为例示出了波导。其中，开口梯形波导的上底边可以与所述非对称光栅接合。另外，开口梯形波导的梯形坡度θ大于非对称光栅210工作所需的最小工作角。开口梯形波导的开口大小由开口高度h决定，优选地开口高度h的最大值满足使反射光完全进入出射波导。开口的作用是从结构上指明/约束入射光的方向，确定输入、输出端口的方向。
52.结合以上所介绍的最小工作角的概念，可选地，波导满足以下条件：波导能够将如下范围的光引导到所述非对称光栅，对于正入射，入射角大于非对称光栅的最小工作角且小于90度，对于负入射，入射角大于负的非对称光栅的最小工作角且小于-90度。
53.因此，开口梯形波导可以起限制入射光和反射光传输方向和角度的作用。在此，“限制”可以理解为“明确”：明确这种非对称光栅的入射角是θ。因为这种基于波导型的隔离器一般在使用时需要外接光纤。在明确了入射角的情况下，之后规定外接光纤时，要保证光纤端面出射光的方向与入射角一致。因此，开口梯形波导的限制作用其实是用于规定外接光纤的出光方向。
54.在比如光纤的出光方向无法满足波导所需入射角时，可以在光隔离器中增设角度调整部件。比如，可以在光入射端比如波导端面覆盖一层改变折射率的材料，比如铌酸锂，其折射率会随着所施加电压的变化而变化，从而可通过改变外部电压来改变光入射的偏折方向。
55.还可以比如在波导端面增设一反射镜，通过该反射镜来调整光的入射角，从而满足波导所需入射角。
56.图7示出了可以采用的其他波导形状的例子，包括无开口的梯形、长方形、多边形等。可以采用的波导的数目也不受限制，比如可以采用两个波导，一个用于引导入射光，另一个用于引到出射光，此时两个波导的形状可以相同，也可以彼此不同。
57.关于波导的材料，选择原则是工作波段的透明材料。当目标波段是可见光时，材料可以是氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等材料。当目标波段是近红外光时，材
料可以是氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅等材料。当目标波段是远红外光时，材料可以是晶体硅、晶体锗、硫化锌、硫系玻璃和硒化锌等材料。
58.波导和非对称光栅的联结方式可以是：以波导为基底，然后进行光栅材料的生长曝光刻蚀等半导体工艺加工流程，即在波导上直接加工。还可以在将光栅加工好之后，采用比如胶粘的方式转移到波导上。
59.光隔离装置
60.根据本发明实施方式，还提供一种光隔离装置。图8示出了根据本发明实施方式的光隔离装置的示意性图。如图8所示，该光隔离装置包括：
61.第一端口810，所述第一端口与上述光隔离器中的非对称光栅的法线的一侧邻近地设置，用于将具有正入射角的入射光引导到所述光隔离器，且用作具有负入射角的入射光的反射光的输出端口；
62.上述光隔离器200，包括非对称光栅210和波导220；
63.第二端口820，所述第二端口与上述光隔离器中的非对称光栅的法线的另一侧邻近地设置，用于将具有负入射角的入射光引导到所述光隔离器，且用作具有正入射角的入射光的反射光的输出端口。
64.在实际应用中，在光隔离装置上面可以标明光传输的方向，比如以一个箭头来标明。将隔离装置的两个端口接入设备后，如果光传输方向按照箭头标识方向，光会导通，反之则隔离。另外，如果希望导通光，可以按照箭头标识方向接入设备，否则就与箭头标识方向相反地接入设备。
65.设备
66.根据本发明实施方式，还提供一种设备，其包括上述光隔离装置，该设备可以是半导体激光器，光放大器、光纤通信系统等。
67.应用示例
68.可以通过光隔离器的插入损耗来验证其正向导通能力。光隔离器的插入损耗是光隔离器接收正入射角的入射光时，输出光功率相对输入光功率的比率(以db为单位)。假设光隔离器的正向输入光功率为p
1
，输出光功率为p
2
，则插入损耗计算公式为：
[0069][0070]
可以通过反向隔离度来验证光隔离器的反向隔离能力。反向隔离度是隔离器最重要的指标之一，它表征光隔离器对反向传输光的隔离能力。假设光隔离器反向输入光功率为p
1-，输出光功率为p
2-。则光隔离器隔离度的计算公式为：
[0071][0072]
下面描述根据本发明实施方式的光隔离器的一个应用示例，以更直观理解本发明技术方案所获得的有益技术效果。
[0073]
在本应用示例中，非对称光栅采用图4中结构，非对称光栅材料为tio2，而基底材料为sio2，且结构参数为h＝390nm、w1＝305nm、w2＝110nm、w3＝66nm、d1＝d2＝75nm和d3＝69nm。本示例采用可见光波段，入射光波长为500nm-550nm。
[0074]
图9(a)示出入射角为正30
°
时的光栅截面光场强度图，图中上方线为出射光场的
电场矢量方向，而下方线为入射光场的电场矢量方向。由图9(a)可知，当入射角为正时，衍射光场强度低，能量大部分被反射回波导中。
[0075]
图9(b)示出了当入射角为负30
°
时的光栅截面光场强度图。由图9(b)所示可知，当入射角为负时，衍射光强度增加，能量大部分被衍射到-1阶衍射级上，反射回波导中的光减少，光栅反射率降低。且由图9(a)和图9(b)可知，正负入射角入射光对应的光栅衍射角均相同。
[0076]
图10(a)示出了当入射光对于非对称光栅结构的入射角为正30
°
时光隔离器的插入损耗曲线。图10(b)示出当入射光对于非对称光栅结构的入射角为负30
°
时光隔离器的光隔离度曲线。从图10(a)可看到，与图9(a)相对应地，当入射角为正时，反射率高。从图10(b)可看到，与图9(b)相对应地，当入射角为负时，反射率低。从图10(a)和10(b)可看到，当波长为513nm时，光隔离器隔离度大于12.59db，此时插入损耗为0.63db。
[0077]
从该应用例可看到，非对称光栅结构结合波导可以对正负入射角的入射光给予不同的反射率，因而可以用于设计光隔离器。
[0078]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施方式的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施方式或者不同实施方式中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0079]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素或组件的存在或附加。涉及序数的术语“第一”，“第二”等并不表示这些术语所限定的特征、要素、步骤或组件的实施顺序或者重要性程度，而仅仅是为了描述清楚起见而用于在这些特征、要素、步骤或组件之间进行标识。
[0080]
尽管根据有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施方式。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。