一種Bragg齒面結(jié)構(gòu)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光通信領(lǐng)域，涉及波分復(fù)用技術(shù)，具體涉及一種Bragg齒面結(jié)構(gòu)的蝕 刻衍射光柵波分復(fù)用器及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波分復(fù)用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)波導(dǎo)或光纖上幾十倍、幾百倍的信道擴(kuò)容，從1990s中 后期已成為光通信擴(kuò)容的主流技術(shù)。隨著云計(jì)算等的廣泛應(yīng)用，擴(kuò)容的要求越來越高，迫切 要求波分復(fù)用信道數(shù)進(jìn)一步提高。
[0003] 波分復(fù)用器件是波分復(fù)用技術(shù)的核心器件，其中平面集成波導(dǎo)復(fù)用器/解復(fù)用器 是主流的發(fā)展方向，主要包括陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed Waveguide Grating，簡(jiǎn)稱AWG)型和 蝕刻衍射光柵型（Etched Diffraction Grating，簡(jiǎn)稱EDG)兩種類型的波分復(fù)用/解復(fù)用 器，其中EDG器件以尺寸小、性能穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)、成本低、適合做密集型波分復(fù)用而得 到了廣泛的研宄。
[0004] 然而，傳統(tǒng)的EDG器件光柵齒面加工工藝要求高，包括需要深刻蝕、平滑、鍍金 屬膜，以提高器件的性能。為了提高器件性能，避免鍍金屬膜等二次處理，Erickson L， Lamontagne B及He J J等提出利用全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)替代普通的鍍金屬光柵齒來降低插入 損耗、提高效率（Using a retro-reflecting echelle grating to improve WDM demux efficiency，Processing，and Devi. IEEE，1997:82-83.)。這種結(jié)構(gòu)的器件無需二次處理， 但仍存在菲涅爾反射損耗，同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且加工過程引入了光柵的底角和頂角誤差效應(yīng)。
[0005] Brouckaert J等人在娃基二氧化娃材料上設(shè)計(jì)了頻帶為I. 5um_l· 6um的Bragg 反射面凹面衍射光柵粗波分復(fù)用器（Planar concave grating demultiplexer with distributed Bragg reflection facets， Proceedings of the 4th IEEE International Conference on Group IV Photonics. 2007:1-3.)，但其Bragg反射面結(jié)構(gòu)是基于各介質(zhì)層 滿足1/4波長(zhǎng)的介質(zhì)膜理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的，未對(duì)Bragg-凹面光柵的整體器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 容易在設(shè)計(jì)過程中造成相鄰Bragg介質(zhì)層不連貫、錯(cuò)位等問題。
[0006] Pierre Pottier等人設(shè)計(jì)了周期性結(jié)構(gòu)的Bragg橢圓線低級(jí)次高效衍射凹面光 棚（Mono-order high-efficiency dielectric concave diffraction grating, Journal of Lightwave Technology，2012,30(17) :2922-2928)。該器件光柵為羅蘭圓結(jié)構(gòu)，反射面 結(jié)構(gòu)通過1/4波長(zhǎng)多層介質(zhì)膜理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，且堆疊的反射介質(zhì)層按照橢圓結(jié)構(gòu)排列。該 器件可完成中心波長(zhǎng)為600nm，帶寬為50nm左右的高效衍射分光。但該器件Bragg光柵設(shè) 計(jì)方法的局限，使得器件衍射帶中心波長(zhǎng)有較大的誤差，衍射帶邊界無法有效確定。其次， 同時(shí)滿足羅蘭圓結(jié)構(gòu)與橢圓結(jié)構(gòu)條件的Bragg凹面光柵只是Bragg閃耀光柵的一種特例， 大大限制了其應(yīng)用推廣。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，提出了一種基于光子 晶體理論與光柵方程結(jié)合的Bragg齒面結(jié)構(gòu)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器及其設(shè)計(jì)方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種Bragg齒面結(jié)構(gòu)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器，包括輸入波導(dǎo)（101)和輸出波 導(dǎo)陣列（102)，輸入波導(dǎo)（101)的入射端口（105)和輸出波導(dǎo)陣列（102)的出射端口（106) 均位于羅蘭圓上，羅蘭圓內(nèi)部為自由傳輸區(qū)域（103)，羅蘭圓內(nèi)切于光柵圓，且羅蘭圓的 直徑等于光柵圓的半徑，羅蘭圓與光柵圓的相切處設(shè)置Bragg齒面結(jié)構(gòu)蝕刻的凹面光柵 (104)，凹面光柵（104)采用周期性Bragg反射面結(jié)構(gòu)。
[0010] 進(jìn)一步的，凹面光柵采用由單個(gè)周期的或者多個(gè)周期的Bragg反射器陣列組成的 凹面光柵。
[0011] 進(jìn)一步的，凹面光柵由兩種折射率不同的材料周期性排列堆疊構(gòu)成。
[0012] 進(jìn)一步的，折射率不同的材料為介質(zhì)層與空氣層的排列或兩種不同的介質(zhì)層排 列。
[0013] 進(jìn)一步的，兩種折射率不同的材料的寬度分別為屯和d2,其周期（303)的數(shù)值由 一維光子晶體理論確定，其中，d = di+4。
[0014] 進(jìn)一步的，單個(gè)周期的Bragg反射器陣列組成的凹面光柵由周期性介質(zhì)層堆疊組 成，包括第一介質(zhì)層（304)和第二介質(zhì)層（305);第一介質(zhì)層（304)的表面為Bragg反射齒 面（301)，非反射面的厚度等于單個(gè)Bragg周期（303)，光柵周期（302)等于d/sin0，其中， Θ為光柵閃耀角（310);入射光束（306)經(jīng)過Bragg-EDG光柵后進(jìn)行衍射分光，產(chǎn)生衍射光 束（307)。
[0015] 進(jìn)一步的，多個(gè)周期的Bragg反射器陣列組成的凹面光柵由多個(gè)Bragg反射器組 成，單個(gè)Bragg反射器為獨(dú)立的一個(gè)反射齒面結(jié)構(gòu)，包括其非反射面的厚度等于多個(gè)Bragg 周期（303)，即NX d，光柵周期（302)等于NX d/sin0，Θ為光柵閃耀角（310);入射光束 (306)經(jīng)過Bragg-EDG光柵后進(jìn)行衍射分光，產(chǎn)生衍射光束（307)。
[0016] 進(jìn)一步的，輸入端口（105)為刻蝕在輸入波導(dǎo)（101)端部的過渡耦合波導(dǎo)；出射端 口（106)為分別刻蝕在每個(gè)輸出波導(dǎo)陣列（102)端部的過渡耦合波導(dǎo)。
[0017] 本發(fā)明還公開了一種Bragg齒面結(jié)構(gòu)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，包 括以下步驟：
[0018] 1)根據(jù)Bragg反射器周期性結(jié)構(gòu)的材料折射率與Bragg-EDG入射光角度、Bragg 反射器閃耀角計(jì)算出歸一化頻率，以及歸一化厚度比例與反射效率之間的關(guān)系，并求出一 個(gè)做反射器的高效率反射帶；
[0019] 2)選取反射帶后，即求出相應(yīng)的周期性結(jié)構(gòu)材料厚度比例，以及反射帶歸一化頻 率上下限；結(jié)合Bragg反射器的反射中心波長(zhǎng)，根據(jù)公式
"確定Bragg反射器 實(shí)際周期厚度與各介質(zhì)層的實(shí)際厚度；
[0020] 3)根據(jù)公式
，πιλ = neff · a · (sina+sin|3 )，推導(dǎo)出適用于 Bragg-EDG的修正型光柵方程
通過光柵修正型方程求得光 柵其他參數(shù)；
[0021] 4)根據(jù)公式 求得Bragg反射器單個(gè)周期厚度，衍射角β根據(jù)其他 的光柵參數(shù)結(jié)合
求得；其中，wA，巧及Bragg反射器周 期比例通過光子晶體帶隙理論確定。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0023] 本發(fā)明應(yīng)用一維光子晶體帶隙理論可有效的計(jì)算出Bragg反射器的反射帶寬與 反射帶的中心波長(zhǎng)，可根據(jù)該理論調(diào)整Bragg周期結(jié)構(gòu)的周期厚度或各介質(zhì)層的比例，準(zhǔn) 確匹配光柵衍射帶的需求。所述光子晶體-光柵方程可根據(jù)光柵參數(shù)（如：分辨率、角色 散、衍射帶寬、衍射帶的中心波長(zhǎng)等）的要求進(jìn)行光柵結(jié)構(gòu)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高效率，插損低， 工藝難度要求低，無需二次處理的Bragg齒面結(jié)構(gòu)性蝕刻衍射光柵。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的單周期Bragg反射器的Bragg-EDG結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的多周期Bragg反射器的Bragg-EDG結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的單周期Bragg反射器的光柵結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明的多周期Bragg反射器的光柵結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖5為本發(fā)明的單個(gè)Bragg反射齒面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖6為Bragg反射齒面材料確定后，利用傳輸矩陣法求得的Bragg反射齒面周期 厚度比例、歸一化頻率與反射效率三者之間的關(guān)系圖，該圖可用于初步判斷Bragg反射齒 面周期厚度比例，與歸一化反射帶；
[0030] 圖7為在固定Bragg反射齒面周期厚度比例的情況下計(jì)算的光子晶體帶隙圖；
[0031] 圖8為光信號(hào)經(jīng)過單個(gè)Bragg反射齒面的結(jié)構(gòu)其波長(zhǎng)與反射效率圖；
[0032] 圖9為光信號(hào)經(jīng)過在本發(fā)明后的各波長(zhǎng)的衍射分光圖。
[0033] 其中，101為輸入波導(dǎo)；102為輸出波導(dǎo)陣列；103為自由傳輸區(qū)域；104為凹面光 柵；105為輸入端口；106為出射端口；301為反射齒面；302為光柵周期；303為Bragg周期； 304為第一介質(zhì)層；305為第二介質(zhì)層；306為入射光束；307為衍射光束；308為光柵法線； 309為齒面法線；310為光柵閃耀角。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0035] 參如圖1至圖9,本發(fā)明Bragg齒面結(jié)構(gòu)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器，包括輸入波 導(dǎo)101和輸出波導(dǎo)陣列102,輸入波導(dǎo)101的入射端口 105和輸出波導(dǎo)陣列102的出射端口 106均位于羅蘭圓上，輸入端口 105為刻蝕在輸入波導(dǎo)101端部的過渡耦合波導(dǎo)；出射端口 106為分別刻蝕在每個(gè)輸出波導(dǎo)陣列102端部的過渡耦合波導(dǎo)。羅蘭圓內(nèi)部為自由傳輸區(qū) 域103,羅蘭圓內(nèi)切于光柵圓，且羅蘭圓的直徑等于光柵圓的半徑，羅蘭圓與光柵圓的相切 處設(shè)置Bragg齒面結(jié)構(gòu)蝕刻的凹面光柵104,凹面光柵104采用周期性Bragg反射面結(jié)構(gòu)。 凹面光柵采用由單個(gè)周期的或者多個(gè)周期的Bragg反射器陣列組成的凹面光柵。凹面光柵 由兩種折射率不同的材料周期性排列堆疊構(gòu)成。折射率不同的材料為介質(zhì)層與空氣層的排 列或兩種不同的介質(zhì)層排列（見圖5)。兩種折射率不同的材料的寬度分別為屯和七，其周 期303的數(shù)值由一維光子晶體理論確定，其中，d = di+4。
[0036] 屯和(12具體參數(shù)確定方法如下：
[0037] 1)器件的材料體系確定后（即已知介質(zhì)Ii1,112的折射率），在固定入射角參數(shù)后根 據(jù)傳輸矩陣法，求得Bragg反射齒面周期厚度比例、歸一化頻率與反射效率三者之間的關(guān) 系（圖6)，該圖可用于初步判斷Bragg反射齒面周期厚度比例，與歸一化反射帶；其中，在 圖6中，亮色包裹的區(qū)域?yàn)楣庾咏麕?，橫坐標(biāo)為歸一化頻率m，縱坐標(biāo)為介質(zhì)1的厚度屯與 Bragg反射器周期厚度d的比例。
[0038] 2)在圖6中選取合適的光子禁帶后，可以固定dl/d的值，并根據(jù)傳輸矩陣法進(jìn)一 步求得Bragg反射器的光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)圖（圖7)，在圖7中，紅色區(qū)域?yàn)楣? ?-6? = W12 時(shí)的光子禁帶，根據(jù)該圖可求得Bragg反射器的歸一化反射頻率的上下限（即可求得％與 的數(shù)值）。結(jié)合Bragg反射器的反射中心波長(zhǎng)，根據(jù)公式
確定Bragg反射 器實(shí)際周期厚度與各介質(zhì)層的實(shí)際厚度。
[0039] 單個(gè)周期的Bragg反射器陣列組成的凹面光柵由周期性介質(zhì)層堆疊組成，包括厚 度為Cl1、折射率為Ii1的第一介質(zhì)層304和厚度為d 2、折射率為n2的第二介質(zhì)層305 ;第一介 質(zhì)層304的表面為Bragg反射齒面301，非反射面的厚度等于單個(gè)Bragg周期303,光柵周 期302等于d/sin0，其中，