专利名称：微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯，光子集成，光电传感以及其他光电信息处 M,提出微结构准才目位IZS配技术(Micro—structure Quasi-phase-matching technology, MS-QPM)，以及基于该技术，利用取样结构等效实现任意的二维平面波导布拉格光栅或者三 维体光栅的目标光栅形貌，并基于这种设计思路提出多种新型光子器件，包括一种新型的 波分复用器和无逆向反射的滤波器，倾斜波导光栅，基于等效重构啁啾技术DFB激光器的0 级抑制，以及功分器与定向耦合器。背景技术：
随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。近十年来，随着网络的不断演 进和巨大的信息传输需求，对光纤通信提出了更高的要求，同时也促进了光纤通信技术的 发展。尤其是光通讯器件，需要新的理论和性价比更高的器件来支撑光网络的进一步的发 展。而近年来出现的光子集成技术，顺应了时代的发展，正开启着一个全新的光网络时代。 光子集成技术则被认为是光纤通信最前沿、最有前途的领域。在美国硅谷实验室中，英飞朗 (Infinera)公司已经用磷化铟等材料制成大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低 容量更高。在无源光器件中，波导布拉格光栅因为起很好的波长选择性而被应用于多种光 通讯分立器件及光子集成器件中。如平面集成Bragg波导光栅滤波器1，可以实现不同波 长的光信号的复用/解复用或滤波，波导光栅辅助的光分插复用器件(0ADM)2-3，以及有 倾斜光栅的光波导模式变换器等等4。在实际的设计中，往往在一块光子芯片上要实现不 同功能的波导光栅，那么不同功能的光栅形貌也是不一样的，这就需要不同步骤的单独刻 写。尤其是如果想在同一片芯片上实现不同光栅方向和周期以及有相移、啁啾甚至是任意 的光栅条纹结构等具有精细结构的波导光栅，则传统的低成本的全息曝光技术几乎是不可 能实现的，所以往往需要利用先进的微加工技术，例如，能够控制每一条光栅条纹的电子束 曝光技术(E-Beam)。但电子束曝光技术高成本、耗时等缺点无疑增加了很多制造难度和工 艺成本，而且很难大规模产业化。为了解决这些实际的问题，首先由陈向飞等人在光纤光栅的制作中找到了一种可 靠的解决方法，并将这种技术称之为“等效重构——啁啾(REC)技术”5-6。等效重构-啁 啾技术实现了利用微米量级的加工精度来制作具有纳米量级的器件。该方法也成功应用于 分布反馈(DFB)半导体激光器以及DFB激光器的阵列的设计制造7-9，这给光子集成所需 的高性能半导体阵列光源制造这一技术瓶颈，提供了很好的解决方案。为了进一步解决平 面光子集成中对不同形貌波导光栅的单片集成，降低制造成本，在本发明申请人前期研究 基础上，本发明提出一种微结构准相位匹配技术(MS-QPM)。该技术提供了一种新的波导光 栅设计制造方法，也给出了一些波导光栅或者体光栅中新的结构变换特性以及对应的光学 特性，比如能在相同的种子光栅结构下，通过取样手段等效地改变光栅不同的周期，转动光 栅不同的方向。而等效-重构啁啾技术是微结构准相位匹配(MS-QPM)技术在一维情况下的 一个特例5。该技术在数学表达上和在非线性光学材料中著名的准相位匹配技术(QPM)有类似的描述10、11，因此也是准相位匹配技术的一个新的发现和拓展。总而言之，该方 法能够实现仅仅改变大尺度的取样结构，而种子光栅保持不变的情况下，能实现任意的二 维或三维目标光栅条纹形貌。所以只要利用二维或三维的按需要设计的具有微米量级的取 样结构，结合均勻的种子光栅，可以实现任意的物理可实现二维或三维的等效光栅形貌。该 结构可以实现各种具有精细结构波导光栅或体光栅的光学特性，但是因为种子光栅是均勻 的，改变的仅仅是取样结构，而取样的尺度一般在微米量级以上，所以该方法的实现只需要 标准的全息曝光技术加上一次传统的光刻技术，这样大大缓减了对工艺的要求，同时大幅 地增加了产品的成品率。基于这种二维或三维的取样结构的光栅设计思路，可以用来设计一些新的光 子器件。比如可以实现波分复用器。到目前位置，市场上主流的波分复用器是阵列波导光 栅(AWG)和多模干涉器件(MMI)。这些器件对波导精度的要求很高，而且尺度比较大。如果 利用这种二维的取样结构，结合体光栅的布拉格反射原理，则可做成结构紧凑的新型波分 复用器。除此之外，可以实现另外一些光子器件，比如，能够实现无逆反射的滤波器，抑制 0级信道的基于等效重构啁啾技术的DFB半导体激光器，任意角度的定向耦合器和功分器， 光波导模式变换器，同时包括其他任何基于光栅的波导光子器件，以及体光栅器件。我们相 信，该设计方法能够在平面光子集成以及其他与光栅有关光子器件的设计生产中开辟新的 道路，带来新的曙光。本发明的主要思想是提出微结构准相位匹配技术，基于该技术利用均勻的二维 或三维种子光栅与所需要的取样结构，实现任意光栅条纹形貌的目标波导光栅与体光栅， 以及基于此的新型光子器件。文献引用徐迈，“集成光学波导光栅的研究进展”《发光学报》，2005，26(4) ；415-425.Jose M. Castro, David F. Geraghty， Seppo Honkanenj Christoph M. Greinerj Dmitri Iazikovj and Thomas W. Mossbergj Optical add—drop multiplexers based on the antisymmetric waveguide Bragg grating,(基于非对禾尔的波导布拉格光 栅的光上传下载复用器)，Applied Optics, 2006,45(6) ； 1236-1243.MingLi， Yarning Wuj Jiangyi Yang, and Hongchang Quj Return loss reduction of integrated grating-assisted optical Add/Drop multiplexer by control the reflective spectrum,(通过控制反射谱实现低的反射损耗的集成光栅辅助 光上传 / 下载复用器)，Journal of lightwave technology，2005，23(3) : 1403-1409.Jose Μ. Castro, David F. Geraghtyj Demonstration of mode conversion using anti-symmetric waveguide Bragg gratings,(利用非对称的波导布拉格光栅实现 模式转换)，Optics Express，2005，13(11) 4180-4184.戴一堂，陈向飞，夏历，姜典杰，谢世钟，“一种实现具有任意目标响应的光纤光 栅”，发明专利(申请号:CN200410007530. 5) ·Yitang Dai，Xiangfei Chen, Li Xiaj Yejin Zhang， and Shizhong Xiej Sampled Bragg grating with desired response in one channel by use of reconstruction algorithm and equivalent chirp, (基于取样布拉格光栅禾丨J用重构 技术与等效啁啾实现在单一信道内的任意反射响应)，Optics Letters，2004，29(12):1333-1335.Yitang Dai and Xiangfei Chen, DFB semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology (基于重构一等效啁啾技术的 Di7B 半导体 激光器)，Optics Express, 2007, 15(5) :2348-2353.Jingsi Li, Huan Wang, Xiangfei Chen, Zuowei Yin, Yuechun Shi, Yanqing Lu, Yitang Dai and Hongliang Zhu, Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology.(基于重构一等效啁啾技术的DFB半导体激光器的实验验证)Optics Express, 2009, 17(7) :5240-5245.Jingsi Li, Xiangfei Chen, Ningzhou, etc, Monolithically integrated 30-wavelength DFB laser array.(单片集成30波长的DFB半导体激光器阵列)，Proc. of SPIE-0SA-IEEE, 2009， SPIE 7631， 763104.J. A . Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P. S. Pershan. Interactions between light waves in a nonlinear dielectric.(光于非线性介质的 相互作用)，Physical review, 1962，127(6) :1918-1939.Shi-ning Zhu, Yong-yuan Zhu, Nai-ben Ming, Quasi-Phase-Matched third-harmonic generation in a quasi-periodic optical superlattice. ( ΙΙΜ τ ； 学超晶格中准相位匹配三次谐波的产生)，kienCe，1997，278 (843).
发明内容
本发明的目的在于，提出和阐明微结构准相位匹配技术，并基于该技术设计任意条纹 形貌的功能光栅结构。该方法可以利用二维或者三维的小周期种子光栅与按要求设计的取 样结构，等效实现任意光栅条纹形貌的目标波导光栅与体光栅的设计制造和工艺方法，从 而简化制造工艺降低加工成本，并设计基于此的多种新型光子器件。发明具体内容和技术方案具体如下一种微结构准相位匹配实现多维目标波导光 栅和体光栅的制备方法，在物理可实现情况下，实现任意条纹形貌的二维波导光栅或者三 维体光栅作为目标光栅的制备，其特征是以普通波导光栅作为种子光栅，光栅周期一般在 50-1000纳米之间；并在此基础上现成二维或者三维的折射率调制取样结构，即取样光栅； 该取样光栅经过傅立叶级数展开含有多个傅立叶分量，每个分量称为影子光栅，选择其中
一个影子光栅作为目标等效光栅；种子光栅波矢是，那么光波矢f和种子光栅波矢
之间的波矢差M为
Ak =k-K0(P)(1)
当一个波矢为i的光入射到一个光栅(二维或者三维光栅)器件时，要发生比较 强烈的耦合作用，光波矢系需要和该器件的光栅波矢匹配，如果该光栅是种子光栅，当 Δ = -O时，即光波矢和光栅波矢之间位相完全匹配时，光与光栅的耦合作用最 大，光栅起作用效率也最高。这样现象也称之为布拉格衍射。种子光栅表示为折射调制幅度的分布=■ Pj ；经过任意的取样结
9构取样后的取样光栅折射率调制可以表示为
权利要求
1. 一种微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法，在物理可实 现情况下，实现任意条纹形貌的二维波导光栅或者三维体光栅作为目标光栅的制备，其特 征是以普通波导光栅作为种子光栅，一般该种子光栅为均勻波导光栅，光栅周期一般在 50-1000纳米之间；并在此基础上形成二维或者三维的折射率调制的取样结构即取样光 栅；该取样光栅含有多个影子光栅，选择其中一个影子光栅作为目标等效光栅；种子光栅波矢是烏伊)，那么光波矢€和种子光栅波矢之间的波矢差Δ 为Ak = k-￡0(f)(1)均勻种子光栅和所述任意的取样结构的取样光栅折射率调制可以表示为(2)其中风^是取样图案，^(巧是种子光栅的折射调制幅度Γ是空间位置矢量； 对(2)式进行傅立叶分析可以得到a—ho^^(F) = Cs (r) exp(jj G (F) ·dr)An exp(yj K0 (F) ·dr)^ * 一(3)其中j·表示虚数，Gsn(F)是取样周期性结构不同傅立叶级次的光栅波矢；fjF)是种 - 2π子光栅的光栅波矢，· =, A(f)是种子光栅周期， n是种子光栅方向 ’明)是傅立叶系数，η表示傅立叶的级次，代表了所有二维或者三维取样光栅的所有傅立叶分量， 即所有影子光栅；根据式(3)，在经过取样后的光栅包含很多级次的傅立叶分量即影子光栅，对应的光栅波矢为,所有的这些影子光栅的光栅形貌由改变取样结构珥？]而改 变；不同级次的影子光栅波矢fid是种子光栅的光栅波矢1 和取样结构不同傅立叶级 次子光栅波矢的矢量和,根据公式(3)表示为，即目标等效光栅波矢； Kv(r)=O:AF) + K0(r)⑷使该Ii标等效光栅波矢KM{r)等于目标光栅的波矢Ii (F),即KM(P) = Kd (F)； ^i(F)为种子光栅波矢，‘(F)为目标取样结构傅立叶子光栅的波矢，为 即目标光栅的波矢，目标等效光栅波矢通过取样结构的图案改变改变取样结构的 周期分布则可以改变波矢‘(巧，以此等效实现所需要的任意的目标光栅形貌；就是当种 子光栅波矢foP)和所需要的二维或者三维光栅波矢之间不匹配情况下，则采用取样结构傅立叶分量中某一傅立叶周期性结构分量，即目标取样结构的傅立叶子光栅的波矢Grf(F)来补偿他们之间波矢的不匹配，即通过额外的目标取样结构的周期性调制使光学传输过程 中相位差为零，及实现如下的位相匹配 根据式(3)，取样光栅的相位也是一个空间的函数，对于影子光栅的相位变化，表示成为 如果取样结构有一个相移，并且空间移动量为AF'，那么取样结构的傅立叶子光栅也会产生一个相移量，对应的影子光栅的相位可以表示成为 这样在取样光栅的傅立叶子光栅中等效地引入一个相移，相移量为e冲·Δγ')；如果希望种子光栅是均勻的，则= 这样一个为-相移量被引入到该取样光栅的第《级影子光栅中；在取样光栅结构中，通过一个取样周期内的取样的图案或形状即占空比来改变目标等效光栅的折射率调制强度以及切趾，即改变傅立叶系数Cs(F) ；二维情况下，通过改变取样形状使目标等效光栅的折射率调制强度改变，该目标等效光栅的最大折射率调制强度对应 的取样具体形状可以通过傅立叶分析获得。
2.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是在物理可实现情况下，利用光栅结构准位相匹配实现具有任意光栅条纹形 貌的目标等效光栅，倾斜/弧形条纹光栅、啁啾/相移光栅；经过施加取样结构后的光栅包含很多级次的傅立叶分量，也即影子光栅对应的光栅波矢为，根据式(4、5)，如果要获得某一特定的目标等效光栅形貌，即某一特定傅立叶级次的影子光栅形貌，那么通过 光栅波矢的合成，设计相应的取样结构即取样周期性结构来获得该影子光栅的光栅波矢， 从而等效地实现任意的目标等效光栅形貌，该目标等效光栅就当作所需要的目标光栅；对于光栅方向的改变，根据式(4)，利用改变取样结构的光栅波矢方向、实现任意光栅具有方向倾斜或弧形条纹的目标等效光栅；对于多维相移光栅的实现，取样结构利用式 (5)- (7)在取样结构上进行相移；对于光栅啁啾的实现，则取样结构根据式(3) (4)沿空间 改变取样周期与方向；在制备上，均勻的种子光栅周期尺度是百纳米量级，则利用传统的全 息曝光或类似的近场全息曝光来实现，取样结构周期在微米量级，则利用传统的光刻实现。
3.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是制备波分复用与解复用器件的方法，其一是具有不同取样方向和周期的取 样结构的多层级联或者称为多层取样光栅的结构，每一层的取样光栅对应的目标等效光栅 反射一个特定的布拉格波长，种子光栅保持均勻；或者其二取样光栅是利用啁啾种子光栅 作为取样均勻的种子光栅，这种种子光栅中不同周期位置所对应的目标等效光栅反射不同频率的光波实现光的解复用；同时不同的波长按给定的角度与位置入射，不同频率的光波 在光栅对应满足布拉格条件的位置发生强衍射而向同一方向传播耦合到同一根波导中构 成复用；波分复用与解复用器件总的腔长视信道数目而定；制备二维波分复用与解复用器 件光栅时取样布拉格光栅的取样周期0. 5-20. 0微米，制备体光栅时取样布拉格光栅的周 期长于上述制备二维波分复用与解复用器件光栅。
4.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是在制备光栅滤波器时，在光栅滤波器腔的长度的1/4处和3/4处，使取样结 构中对应的目标等效光栅中有一个等效的η相移，形成一个透射峰，等效的η相移根据式 (5)- (7)实现；当滤波器腔长50. 0微米到5000. 0微米时；折射率调制0. 2或者更高(透射 光的禁带宽度达到40nm或者更宽，可以完全覆盖一个通讯窗口)。
5.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是在制备一种能够抑制0级的基于REC技术的DFB半导体激光器时，采用均勻的种子光栅，种子光栅的波矢方向与波导轴向倾斜，倾斜角度2-15度，取样结构也与 波导轴向做相应的倾斜；这样根据式(4)，使取样光栅中目标等效光栅波矢fAr(巧方向与波导轴向平行(通常N= 士 1);种子光栅波矢方向与波导轴向倾斜的角度视抑制0级的效果来确定，一般在2-15度范围，有比较好的抑制0级效果；(具体所设计的种子光栅与取 样的参数可以按照本发明内容公式(4)来设计，取样周期一般在0. 5-20微米；在倾斜角度 在10度或更大的时候，可以完全抑制0级信道)。
6.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是在制备倾斜波导光栅以及由倾斜波导光栅为基础的光栅器件时，采用均勻的种子光栅，种子光栅波矢^ot)的方向按照所需要设计要求来设定，倾斜取样结构中的目 标取样傅立叶子光栅波矢的方向与种子光栅有一定的夹角，具体角度根据式(4)设计得到；使得目标等效光栅波矢d)方向与波导轴向有一个需要的特定夹角(此特定夹角一般设计中常用到2-15度)。
7.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是在制备任意角度和比例的功分器与定向耦合器时，在功分器与定向耦合器件的不同位置刻上不用的取样结构；不同的取样结构对应的目标等效光栅波矢 ^Ρ)与入射光构成布拉格匹配条件，其反射角度根据式(4)设计，形成定向耦合器；设计合适的折射 率调制，折射率调制一般在0. 001到0. 2 ；折射率调制越大衍射效率越高；这样使得不同位 置的光只反射一部分能量，形成功分器。
8.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是制备任何体光栅滤波器以及基于体光栅的光学器件时，采用均勻种子光栅， 利用普通掩模版进行曝光，实现取样结构；取样图案根据式(3)-(7)设计，使得目标等效光 栅的光栅形貌是所要求的目标光栅的形貌。
9.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是制备任何具有精细结构的波导光栅(二维或者三维光栅)的光子器件时，利用全息曝光来刻写均勻种子光栅，并根据所需要的目标光栅和式(3)- (7)获得相应的取 样图案，采用传统的光刻技术在种子光栅上实现取样图案，从而获得所需要的目标光栅和 相应的光子器件。
10.根据权利要求1-9之一所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅 的制备方法，其特征是制备基于等效重构-啁啾技术的多波长Dra半导体激光器集成器件 和波导布拉格光栅滤波器、耦合器或波分复用器的集成器件时，基于等效重构-啁啾技术 的多波长DFB激光器和基于微结构准相位匹配的波导光栅滤波器、耦合器或波分复用器的 的种子光栅是一样的，均利用一次全息曝光实现；根据式(3) - (7)设计所需要的整体的取 样图案，再利用传统的光刻技术一次同时实现整个芯片上的取样光栅结构，从而实现多种 功能的光子器件的单片集成。
11.根据权利要求3所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备 方法，其特征是多层取样光栅的结构设计8信道的平面波导波分复用器，波导芯层为掺Ge 二氧化硅(Ge:SiO2)芯层材料，有效折射率为1. 455，种子光栅折射率调制为0. 006 ；平面波 导波分复用器总的宽度为40微米，设为X方向；取样级联结构中对应的不同的取样结构层长度为100微米，那么该波分复用器总长为1200微米，设为Z方向；种子光栅的波矢^1(F)方向与器件的腔的+Z方向，周期为500纳米；波长范围在1544纳米到1558纳米，信道间隔是2纳米；入射的多信道光与+Z方向平 行；那么对应的取样结构分别为对应的反射波长/取样周期/取样结构的波矢方向^^巧与种子光栅的波矢方向的夹角/对应的光与Z轴反射的夹角
12.根据权利要求书6所述的微结构准相位匹配实现倾斜波导光栅和抑制0级的基于 等效重构啁啾技术的DFB激光器的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的 制备方法，其特征是对于倾斜的波导光栅，波导芯层为掺Ge 二氧化硅(Ge: SiO2)芯层材料， 有效折射率为1. 455，单模波导，种子光栅折射率调制为0. 006 ；种子光栅的光栅周期是480纳米，周期性取样结构的周期是4微米；种子光栅的波矢的方向平行于波导的轴向；取样结构的光栅波矢1(？)与种子光栅的光栅波矢尾灼的夹角是31度；实现-1级目标等效光栅的波矢与波导轴向夹角是4度；对应的单模波导内-1级目标等效光栅的布拉格波长是1. 5496微米，取样结构的光栅波矢到种子光栅的光栅波矢島(F)的夹角是顺时针或逆时针；对于抑制0级的基于等效重构啁啾技术的DFB激光器的波导光栅设计特征，有 效折射率是3. 1，激光器腔长是400微米，脊条宽度是2微米，种子光栅的光栅周期是238纳米，取样周期是3微米，取样结构的波矢方向·^r(F)和波导轴向夹角是53. 67度，种子光栅 的波矢方向^^F)与激光器波导腔的轴向夹角是3. 67度，取样结构的波矢的方向、种子光栅的波矢IciP)的方向与激光器波导腔的轴向夹角都为顺时针旋转的角度或者都为逆时针旋转的角度；-1级目标等效光栅的波矢方向与波导轴向平行，其周期是250. 27纳 米，对应的波导内布拉格波长是K51. 71纳米。
全文摘要
微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法，以普通波导光栅作为种子光栅，在此基础上形成二维或者三维的折射率调制的取样结构即取样光栅；该取样结构取样光栅含有多个影子光栅，选择其中一个影子光栅作为目标等效光栅；在经过取样后的光栅包含很多级次的傅立叶分量即影子光栅，对应的光栅波矢为，所有的这些影子光栅的光栅形貌由改变取样结构而改变；当种子光栅波矢和所需要的二维或者三维光栅波矢之间不匹配情况下，则采用取样结构傅立叶分量中某一傅立叶周期性结构分量来补偿他们之间波矢的不匹配，本发明可应用在具有任意光栅形貌的多维目标波导光栅和体光栅的设计与制造，可简化光栅制作工艺，同时实现当前各种基于光栅的光子器件。
文档编号G02B5/18GK102147492SQ20111010487
公开日2011年8月10日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年1月6日
发明者施跃春, 陈向飞 申请人:南京大学