专利名称：一种基于狭缝波导的布拉格光栅滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光学器件领域，具体涉及一种基于狭缝波导结构的布拉格光栅，
在狭缝波导结构内部构造周期排列的折射率不同的材料，实现集成光学滤波器件。
背景技术：
集成光学器件伴随着光纤通信的兴起和发展已经走过了几十年。集成光学器件不 仅成为光纤网络的重要组成部分，而且也促使光纤通信容量爆炸性增长、光纤通信技术和 产业的迅猛发展，加上集成光学器件技术的进一步发展和成熟还将掀起光纤通信技术及其 相关产业发展的新高潮。 于2004年被首次提出的狭缝波导结构证实纳米级尺寸的低折射率材料构成的特 殊光波导结构也可以实现光的限制和传输。由于该类光波导可以突破传统光波导尺寸的限 制，因此在纳米光子学具有很大的应用前景，受到了广泛的关注。传统光波导结构中以高折 射率材料作为波导芯，以低折射率材料作为被覆层，而光场主要集中在高折射率材料构成 的波导芯中。而在狭缝波导结构中，波导的芯结构由纳米宽度的高折射率材料和低折射率 材料共同构成，而输入光场可以被主要限制在其中的低折射率材料中。 尺寸在微米到毫米尺度的介质光波导在很多光学方向领域有很多应用，比如光通 信，光学感应，光场能量传递系统等等。这些应用都归功于宽度不断减小的光学波导结构 的出现。最近的实验研究进展使得能够实现亚微米甚至纳米为半径的窄线型波导结构，这 些窄线型结构的尺寸远小于微米量级，是现在普遍应用的波导尺寸的十分之一甚至千分之 一。其中狭缝波导作为这类窄线型波导的一类，引起广泛的应用研究。并且狭缝波导可以 由空气作为被覆层嵌入到一个微米或纳米尺度的光器件里，作为一个功能模块，成为集成 光学器件家族里面的重要的一员。因此围绕对狭缝波导的应用研究成为很现实也是很迫切 的问题。 狭缝波导具备整齐的结构，整体结构属于长条形的形状，导光部分截面为矩形，因 此属于平面光波导。因其本身的特殊结构，光场在波导里有很高的光场约束。光场被约束 在一个很小的区域里在局部形成较高的场强，为实现高效调制的提供了条件。根据波导的 模式理论，在中心波导的交界处电场存在不连续的分布，此种情况下形成的模式为准横电 场模式，它不同于普通光场模式的之处在于它具备很高的光场约束条件，在中心区域电场 强度极高，在周围区域电场强度相对较低。根据波导的麦克斯韦理论方程可以计算得出电 场分量的场分布，传输方向截面上的光场分布为边界不连续场分布。光场能量集中在一个 很小的区域，波导的能量约束比例成为重要的性能参数。能量约束比例的计算公式如下7VomwfeediWe"%) = ,「-
_oO，+oo 其中，上面的公式中分母部分表示的是整个波导区域的能量积分，分子部分表示 的导光区域的能量积分。 一般情况下，对于狭缝波导而言，这一能量约束比例在50%以上。
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对于单狭缝波导结构，狭缝(由低折射率材料构成)被限制在两个平板波导(由
高折射率材料构成)之间，中心波导为低折射率材料，在本文中采用和被覆层一样的材料
二氧化硅Si02(n = 1. 46)，两个平板波导采用的是相对高折射率材料硅Si (n = 3. 48)，在
图3的结构示意图中，电场强度在沿横向的分布呈现中心高度汇聚的趋势，但在交界面处
(2和3交界以及3和4交界)光场强度呈现不连续的特点。电场分量Ex在中心区域3达
到一个极大值，而且进一步的计算表明光场能量也主要约束在中心区域3。 布拉格光栅作为滤波功能器件，本身的特性已经研究趋于成熟，基于新结构的布
拉格光栅成为下一步的研究重点。这些不同结构的布拉格光栅在某些方面比传统型布拉格
光栅具备尺寸上的优势，可以更加的集成化，从而实现光器件向高集成度方向发展。 1978年，用较强的氩离子激光光束照射掺锗石英光纤，第一次制成光纤内的布拉
格光栅。光纤与空气的两个接触面之间产生驻波图案，4%的反射光是由光纤的两个端面引
起的，并且只有亮的区域吸收激光，因此玻璃的结构发生变化，亮折射率的折射率形成永久
性的增加。 由衍射理论可知，以角9 i (相对于折射率为常数的位面)入射的光线将以角9 r 衍射，满足 sin 9 i-sin 9 r = m入/(n A)
A = 2nA (—级光栅) 式中，A是光栅周期，入/n是介质中的波长对平均折射率n的比值，m是布拉格衍 射级数。 根据相位匹配条件，光栅布拉格光栅中的模式耦合主要发生在正、反向传播的两
个相同模式之间。因此如果只考虑这两个模式之间的耦合，并作同步近似，便可得到布拉格
光栅的耦合模方程如下 」》 二 =/(T及(z) + z';cS(z) fife
必 — = —crf 0) — //cS(z) fife 如果光栅的调制很弱，则有A) 义￡ /■ t 义D 、 "f" * ^r，—e#《子) 由上式可知光栅越长，反射峰的带宽越小。
如果光栅的调制较强，则有年《~，一 》,) 由上式可知光栅的反射峰带宽与其长度无关，而只与光栅的折射率调制深度成 正比。这是由于在强光栅中，光并不能穿透整个光栅。对于强光栅，其光子带隙、第一对零 点带宽和半高全宽的值非常接近。
发明内容
技术问题
本专利所涉及的是基于狭缝波导的布拉格光栅滤波器，该结构主要通过在狭缝波导的中心低折射率区域，构造折射率交替变化的布拉格光栅周期结构，当光场经过低折射率区域的布拉格光栅结构后，实现滤波功能。
技术方案 图1是发明专利的结构示意图。整个结果分为被覆层部分1和部分5，平板波导部分2和部分4，狭缝部分3。其中，平板(平板2，平板4)的材料为高折射率材料，狭缝(狭缝3)的材料为低折射率材料，被覆层(被覆层1，被覆层5)的材料为低折射率材料(其材料可以与狭缝材料相同或不同)。平板和狭缝的材料折射率的比例必须不小于1.6。平板材料可以采用硅、高折射率玻璃、光学晶体等实现。狭缝材料和被覆层材料可以采用气体、液体、石英玻璃等实现。其中本专利提出的布拉格光栅结构是在狭缝(部分3)实现的，是由两种折射率不同的部分交替周期形成的。狭缝宽度沿光线传播方向保持一致，组成狭缝的材料的折射率随沿着光线传播方向周期变化，两类材料的折射率可被定义为&和n2。
图2是从中提取的一个布拉格周期的结构图，分为被覆层(部分1和部分6)，平板波导(部分2和部分5)，狭缝(部分3和部分4)。部分3和部分4的材料采用低折射率材料，但是两部分材料的折射率必须不同，对于强调制光栅，两种材料的折射率差别在0. 5到1.5之间，但其中最大折射率必须小于3.5。部分1和部分2的长度比率为1 : l，两部分总长度为入/2n，其中A为输入光的波长，n为材料的平均折射率。 图3平板波导(平板2，平板4)在导光区域范围内的横截面形状为矩形。平板波导(平板2，平板4)的截面高度相同。狭缝3的宽度远小于输入光波长，在几十至几百纳米之间。平板2和平板4的宽度远小于输入光波长，在几十纳米只一百纳米之间。
从实用的观点出发，衍射光栅的定义为能对入射光振幅或相位产生周期性变化的任意光学元件。显而易见，折射率周期变化的光学介质就是光栅，因为当光通过时将产生相位的周期性变化，这类光栅被称为折射率光栅。本发明提出的基于狭缝波导的布拉格光栅就被称为折射率衍射光栅。传统的光纤布拉格光栅制作方法比较成熟，在蓝光或紫外光谱区的强激光照射下，石英光纤的光学特性可以发生永久性的改变。利用这种光敏效应可以沿光纤产生纵向折射率的周期性变化，从而形成布拉格光栅结构。对于基于狭缝波导的布拉格光栅依然可以采用此种制作方法，获得周期性的折射率变化。
根据布拉格公式，当发生一阶布拉格衍射的条件如下
A = 2nA 其中A是布拉格光栅周期，A是入射光波长，n是光栅材料的折射率。当入射光波长在1.55ym附近，光栅材料折射率为n二 1.46时，布拉格衍射的光栅周期为A =0. 531 ii m。因此在制作透射波长在1. 55 ii m附近的衍射光栅，设置相应的参数就可实现特定波长的衍射光栅。 在设计中考虑到狭缝波导的光场主要约束在中心狭缝区域，因此中心狭缝材料折射率的周期性变化能够导致很强的布拉格效应。中心折射率的变化实现的光栅调制比其他方式实现的布拉格光栅效果要明显一些(与参看文献结果进行对比)，由于狭缝的光场强度较强，因此布拉格光栅的调制宽度更窄，满足条件的光场反射率更高。下图为折射率nLl=1.46，nL2二2.46，周期数设为200，布拉格周期设为0.531iim。仿真获得结果可参照图4、图5。
图l基于狭缝波导的布拉格光栅结构示意图，其中1、5为被覆层，2、4为平板，3为存在周期结构的狭缝A为输入光场，02为反射光场，03为输出光场。 图2—个周期内的结构图，其中1、6为被覆层，2、5为平板，3、4狭缝内折射率不同的两部分。 图3从入射面看过去的正面结构图，其中1、5为被覆层，2、4为平板，3为狭缝。
图4满足布拉格反射条件的反射光谱和透射光谱(用归一化电场强度表示)
图5波长在A = 1550nm附近的反射光谱(用归一化电场强度表示)
具体实施例方式
图1表示了折射率周期变化的狭缝波导(部分3)和折射率相对较高的两条平板波导(部分2和部分4)及被覆层(部分1和部分5)组成的一个基于狭缝波导的布拉格光栅结构。其外形尺寸为100iim左右长(z方向，周期数为200)，liim宽(x方向)，O. 3ym厚(y方向)。光场由z截面射入，光场主要集中在中心狭缝区域。 该光栅滤波器的工作原理已经由布拉格光栅进行说明。首先，光波耦合进入波导，
光束被集中在中心狭缝。其次，在周期结构的狭缝区域里，发生布拉格效应，满足布拉格条
件的特定波长光线被反射回来，因此实现了对某一特定波长光线的滤波功能。 根据布拉格反射定律，改变狭缝波导中心区域的折射率大小以及周期长度两个参
数可以控制改变光栅的布拉格波长，从而实现滤波特征波长可调节的布拉格光栅。 图2表示了周期变化的结构中一个周期单元的结构，中心材料为低折射率材料，
两条平板波导材料为折射率相对较高的材料。外部被覆材料起到保护功能，对折射率没有
要求，一般采用二氧化硅作为被覆层。其中中心狭缝的材料为两种低折射率交替的材料，密
度在1. 46附近变化，折射率的周期微小变化形成了布拉格光栅的条件。在一个周期里两种
材料的长度相等(L/2)，即一个周期长度L的一半。 图3表示了沿着传播方向的截面结构图，沿中心线对称分布结构，最内层为狭缝波导外面所加的是平板波导，最外面一层是被覆层。 在实验数据的基础上见图4，结合公式可以计算出这个波导光栅对于光场的反射波长，例如，一个布拉格周期为O. 5305iim，中心狭缝区域的折射率变化为0. 1时，在1.55iim附近光纤的反射比率为95%。反射谱见图5。
权利要求
一种基于狭缝波导结构的布拉格光栅滤波器，光线由正表面入射进入狭缝波导，光线被约束在中心狭缝区域，中心狭缝具备折射率周期性交替变化的结构，满足布拉格反射条件的光线被反射回来，不满足反射条件的光线继续在波导传播，直至光线导出狭缝波导。夹住中心狭缝波导的两个平板波导为均匀折射率材料构成，不存在周期结构。
2. 权利要求l中所述的狭缝波导结构由两个平板和一个狭缝以及涂覆层组成，平板材 料具有高折射率，狭缝材料具有相对低的折射率。低折射率狭缝夹在两个高折射率平板之 间，其厚度应远小于输入光波长，一般在几纳米到几十纳米左右。被覆层由低折射率材料组 成，其折射率应明显低于平板材料的折射率，也可与狭缝材料的折射率相同。光线被约束在 中心狭缝区域，只有少量分布在周围平板波导里面。
3. 权利要求1中所述中心狭缝区域的周期布拉格光栅结构，构成材料的折射率周期交 替变化，并且折射率始终低于夹在外层平板波导的折射率。根据给定的滤波波长按照布拉 格光栅条件计算出所需的折射率变化周期。
4. 权利要求l的中心狭缝波导材料的折射率交替周期变化，并且通过改变两种材料的 折射率差值，影响反射光的中心波长。
5. 权利要求l中的平板波导和中心狭缝波导高度相同，其高度在二百到六百个纳米之 间。平板波导宽度大于中心狭缝宽度，其宽度均在几十到几百个纳米之间变化。
6. 权利要求l中的布拉格光栅滤波器的长度根据实际需要的周期数目和周期长度而 定，周期长度根据权利要求2决定，周期数目越大反射率越高，对于强调制光栅和弱调制光 栅，周期数一般不同。
全文摘要
一种基于狭缝波导的布拉格光栅滤波器，该滤波器由一个狭缝波导构成，外层为涂覆层，涂覆层内侧是两条由高折射率材料构成的平板波导，中心是一条由低折射率材料构成的狭缝波导，并且中心狭缝波导具备折射率周期变化的结构特点，形成了波导布拉格光栅结构。光纤进入狭缝波导后，大部分能量被限制在具备周期结构的中心狭缝区域，满足布拉格反射条件的光线被反射回来，实现了对某一频率光的滤波。
文档编号G02B6/02GK101738679SQ200810226969
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者刘建胜, 田宇, 郑铮 申请人:北京航空航天大学