用于激光器的光通信波段宽带透射型光栅的制作方法

本发明涉及透射型光栅，特别是一种用于激光器的光通信波段宽带透射型光栅。

背景技术：

1964年，世界上首个外腔半导体激光器的实验被crowe和craig验证。1981年，fleming和mooradian发表了第一篇详细论述外腔可调谐半导体激光器特性的文章，此后，外腔半导体激光器的研究在全球范围内开始活跃起来。如今，外腔半导体激光器的研究热点已转移到大范围连续调谐、频率稳定和拓展应用等方面，其商品被广泛用于频分复用和相干光通信系统。

目前，外腔可调谐半导体激光器已经发展出来了多种结构，虽然各不相同，但它们的设计原则都一样，就是在外腔中插入分光元件，通过调节分光元件与腔外的反馈机构来实现激光波长的调谐。目前比较流行的两种外腔结构是基于光栅的littrow结构和littman-metcalf结构。这两种结构的特点是均采用光栅作为分光元件和反馈机构。应用于外腔可调谐激光器的光栅，要求-1级衍射带宽尽量宽，0级透过或反射率高，以实现宽带可调谐和高效率激光输出。

当光栅周期小于波长或者与波长接近时，高密度矩形光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术2:m.gmoharametal.，j.opt.soc.am.α.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。光通信波段c波段和l波段涵盖了1.5微米到1.62微米的波长，在此大范围内实现光栅衍射效率一致，是实现宽带稳定调谐的关键。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对1.5-1.62微米的波长范围，实现p偏振稳定的衍射效率，提供一种适用于光通信波段用激光器的宽带透射型光栅，其技术方案如下：

一种用于激光器的光通信波段宽带透射型光栅，包括一透明材料制成的衬底，所述衬底上设有高折射率材料制成的光栅层，该光栅层折射率为3.48，所述光栅层的周期为0.85-1微米、刻蚀深度为90-200纳米，所述光栅层的光栅占空比为0.4。

进一步地，所述光栅层的周期为920纳米、刻蚀深度为130纳米。特别是当光栅层的周期为920纳米，光栅占空比为0.4，光栅层的刻蚀深度为130纳米时，-1级p偏振光在1.5~1.62微米波长范围内以利特罗角度58度入射时，其衍射效率稳定在9%，0级透过率高于82%，能满足外腔激光器的宽带稳定可调需求。

进一步地，所述衬底为熔融石英。

进一步地，所述光栅层为单晶硅或多晶硅薄膜。

依据上述技术方案，本发明的宽带透射型光栅，具有结构简单，容易实现，带宽性能好高等特点。可利用成熟的半导体工艺批量生产，满足外腔激光器宽带可调谐要求。特别是当光栅层的周期为920纳米，光栅占空比为0.4，光栅层的刻蚀深度为130纳米时，-1级p偏振光在1.5~1.62微米波长范围内以利特罗角度58度入射时，其衍射效率稳定在9%，0级透过率高于82%，能满足外腔激光器的宽带稳定可调需求。

附图说明

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的几何结构示意图；

图2为本发明在光栅层刻蚀深度为130纳米、光栅占空比为0.4，入射角度沿利特罗角度58度入射时p光衍射效率和0级透过率随入射光波长的变化特性曲线。

其中，1、衬底；2、光栅层；3、入射光；4、衍射光；5、透射光。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

先请参阅图1，图1是宽带透射光栅的几何结构示意图。本实施例衬底1采用熔融石英，光栅层2采用单一材料多晶硅薄膜，其折射率3.48.

图1中入射光3从空气中以中心波长对应的利特罗角θ入射，4为与入射光平行反向的衍射光，d表示光栅周期,占空比定义为f=b/d。石英和多晶硅薄膜在1.5-1.62微米波段无吸收，因此如图1所示几何结构的光栅，可以用于设计中心波长为1.56微米的透射光栅。在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论计算了该反射光栅的-1级衍射效率随入射波长的变化曲线如图2所示，即当光栅层的周期为920纳米，光栅占空比为0.4，光栅层刻蚀深度为130纳米时，p偏振光以中心波长1.56微米对应的利特罗角58度入射时，该光栅的-1级衍射效率在1.5-1.62微米范围内稳定在9%，0级透过率大于84%。

表1给出了本发明的一系列实施例。表1是衬底1用熔融石英，光栅层材料用硅，刻蚀深度为130纳米时，入射波长1.56微米p偏振入射时不同周期的衍射效率和0级透过率。

当光栅层的周期在850-1000纳米，优化光栅刻蚀深度，入射光中心波长1.56微米p偏振-1级衍射效率均可在7-10%，0级透过率均大于84%。

表2给出本发明的另一系列实施例。当光栅层的周期920纳米，光栅层刻蚀深度为130纳米，光栅占空比在0.3-0.7之间，入射中心波长1.56微米p偏振-1级衍射效率和0级透过率的数值。

表3给出本发明的另一系列实施例。光栅材料用硅，当光栅层周期为920纳米，光栅占空比0.4时，不同光栅层刻蚀深度下中心波长1.56微米p偏振入射时-1级衍射和0级透射的数值。

表1

表2

表3

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

技术特征：

技术总结
一种用于激光器的光通信波段宽带透射型光栅，涉及透射型光栅，包括一透明材料制成的衬底，所述衬底上设有高折射率材料制成的光栅层，该光栅层折射率为3.48，所述光栅层的周期为0.85‑1微米、刻蚀深度为90‑200纳米，所述光栅层的光栅占空比为0.4。本发明要解决的技术问题是针对1.5‑1.62微米的波长范围，实现P偏振稳定的衍射效率，提供一种适用于光通信波段用激光器的宽带透射型光栅。

技术研发人员：徐建卫
受保护的技术使用者：上海矽安光电科技有限公司
技术研发日：2017.12.07
技术公布日：2019.06.18