一种基于波导布拉格光栅的反射型窄带滤波器的制作方法

本实用新型涉及集成光学技术领域，特别是涉及一种基于波导布拉格光栅的反射型窄带滤波器。

背景技术：

随着光通信技术的发展，对系统集成度的要求越来越高，从而导致单个器件的尺寸越来越小。光滤波器作为可以针对目标波长进行过滤与筛选的光互连基础器件，一种尺寸更小、频带更窄、传输更快的光滤波器的研制将对电信产业发展有着重要的推动作用。

波导布拉格光栅是一种在光波导基础上发展出的光学器件，利用相位匹配条件可以使光栅结构的有效折射率呈现出交替周期变化，从而达到滤波的功能。目前来说，常见的波导布拉格光栅类型有基于SOI(silicon-on-insulator,SOI)波导的布拉格光栅、基于MIM(metal-insulator-metal,MIM)波导的布拉格光栅和基于IMI(insulator-metal-insulator,IMI)波导的布拉格光栅。基于SOI波导的布拉格光栅芯层与包层具有高折射率对比度，但是制作工艺难度较大，并且当结构尺寸缩小后会导致插损增加；基于MIM波导的布拉格光栅具有很好的光场限制能力，可以使结构尺寸变小，但是在光传输过程中能量损耗较大导致传输距离变短；基于IMI波导的布拉格光栅可以将损耗限制在非常低的范围内，从而具有较大的传输距离，但是体积较大，难以应用于高集成度的光互连系统中。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于波导布拉格光栅的反射型窄带滤波器。这种滤波器结构紧凑，光信号传输距离长、易于制作、制造成本低且与CMOS兼容。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种基于波导布拉格光栅的反射型窄带滤波器，包括基底层、下波导层、中波导层和上波导层，所述下波导层、中波导层和上波导层顺序叠接在基底层的上表面上，所有的波导均为平板条形波导，所述上波导层的顶部设有等周期的布拉格光栅，所述基底层的宽度尺寸要大于下波导层、中波导层、上波导层的宽度尺寸。

所述基底层为金属银。

所述下波导层直接贴合在基底层的上表面，为二氧化硅。

所述中波导层直接叠加于下波导层的上表面，为折射率低于二氧化硅的氟化钠。

所述的上波导层为直接叠加于中波导层上表面的硅。

所述的布拉格光栅的周期单元为凹凸状的对称矩形结构，并且周期单元中凹槽部分与凸起部分宽度相同。

所述的平板条形波导的宽度为200nm，以保证单TM模式的光在波导布拉格光栅中传输；光波由三个波导层的一端输入器件，经过能量的震荡耦合，透射光信号由三个波导层的另一端输出，反射光信号从光的输入端同端输出。

这种滤波器工作时，光波由光波输入端进入，由金属银表面所产生的复合表面等离激元可以将光场约束在基底层和下波导层的界面处，而氟化钠材料的折射率要低于二氧化硅材料，因此中波导层可以对光场进行进一步压缩，使能量更多的聚集在中波导层，形成一个仅有几十纳米的光场限制区域，起到模场限制的作用。

根据衍射区域面积公式，具体公式如下：

A_eff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，A_eff表示的是衍射区域面积,W(r)表示的是电磁能量密度，ε(r)表示的相对介电常数，μ₀表示的是真空磁导率，E(r)和H(r)表示的是波导光栅的电场和磁场强度。

由此可以看出，这种滤波器可以大大缩小整个布拉格光栅结构的尺寸，同时还能保证光波在器件中的传输损耗可以降低到更低的程度，从而提升滤波的效率，易于集成。

利用电子束曝光的光刻技术，对上波导层的顶部进行刻蚀形成周期性的布拉格光栅，该布拉格光栅的周期单元呈现为规则对称矩形结构，分为凹槽部分和凸起部分，为了可以反射特定的波长，光栅的周期单元长度需要满足一阶光栅相位匹配条件，具体公式如下：

其中，Λ表示的是周期单元长度，λ_c表示的是中心波长，n_eff1和n_eff2分别表示的是光栅凹槽部分和凸起部分所在位置的光栅折射率。

由于周期单元长度分为凹槽部分和凸起部分，凹槽部分与凸起部分所对应光栅折射率的不同，当光波进入器件后，光波会在器件中不断地进行来回震荡耦合，最终不满足布拉格相位匹配条件的波长被允许通过该布拉格光栅滤波器件由透射光波输出端O₁输出，而所需的目标波长则被反射回来由反射光波输出端O₂输出，由此可以实现对特定波长进行选择的滤波功能。

这种滤波器结构紧凑，光信号传输距离长、易于制作、制造成本低且与CMOS兼容。

附图说明

图1为实施例滤波器结构的正视图示意图；

图2为实施例滤波器结构的侧视图示意图；

图3为实施例滤波器截面的电场强度分布示意图；

图4为实施例滤波器反射光谱示意图。

图中：1.基底层 2.下波导层 3.中波导层 4.上波导层 5.布拉格光栅 I.光波输入端 O₁.透射光波输出端 O₂.反射光波输出端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型内容做进一步的详细说明，但不是对本实用新型的限定。

实施例，本实施例是针对中心波长为1550nm的通信波段为例：

参照图1、2，一种基于波导布拉格光栅的反射型窄带滤波器，包括基底层1、下波导层2、中波导层3和上波导层4，所述下波导层2、中波导层3和上波导层4顺序叠接在基底层1的上表面上，所有的波导均为平板条形波导，所述上波导层4的顶部设有等周期的布拉格光栅5，所述基底层1的宽度尺寸要大于下波导层2、中波导层3和上波导层4的宽度尺寸。

所述基底层1为金属银，本例中金属银的折射率为0.1453+11.3587i，宽度为2000nm。

所述下波导层2直接贴合在基底层1的上表面，为二氧化硅，本例中二氧化硅的厚度为120nm，折射率为1.45。

所述中波导层3直接叠加于下波导层2的上表面，为折射率低于二氧化硅的氟化钠，本例中氟化钠的厚度为40nm，折射率为1.319。

所述的上波导层4为直接叠加于中波导层3上表面的硅，本例中硅的厚度为220nm，折射率为3.45。

所述的布拉格光栅5的周期单元为凹凸状的对称矩形结构，并且周期单元中凹槽部分与凸起部分宽度相同。

本例中平板条形波导的宽度为200nm，以保证单TM模式的光在波导布拉格光栅5中传输；光波从光波输入端I射入器件，经过能量的震荡耦合，透射光信号由透射光波输出端O₁输出，反射光信号由O₂端输出。

这种滤波器工作时，光波由光波输入端I进入，由金属银表面所产生的复合表面等离激元可以将光场约束在基底层1和下波导层2的界面处，而氟化钠材料的折射率要低于二氧化硅材料，因此中波导层3可以对光场进行进一步压缩，使能量更多的聚集在中波导层3，形成一个仅有几十纳米的光场限制区域，起到模场限制的作用。

根据衍射区域面积公式，具体公式如下：

A_eff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，A_eff表示的是衍射区域面积,W(r)表示的是电磁能量密度，ε(r)表示的相对介电常数，μ₀表示的是真空磁导率，E(r)和H(r)表示的是波导光栅的电场和磁场强度。

由此可以看出，这种滤波器可以大大缩小整个布拉格光栅结构的尺寸，同时还能保证光波在器件中的传输损耗可以降低到更低的程度，从而提升滤波的效率，易于集成。

利用电子束曝光的光刻技术，对上波导层4的顶部进行刻蚀形成周期性的布拉格光栅5，该布拉格光栅5的周期单元呈现为规则对称矩形结构，分为凹槽部分和凸起部分，根据此布拉格光栅5，本例刻蚀的凹槽深度设定为40nm，以60个周期单元作为该实施例的周期单元个数，为了可以反射特定的波长，光栅的周期单元长度需要满足一阶光栅相位匹配条件，具体公式如下：

其中，Λ表示的是周期单元长度，λ_c表示的是中心波长，n_eff1和n_eff2分别表示的是光栅凹槽部分和凸起部分所在位置的光栅折射率，根据布拉格光栅的相位匹配条件，可以得到光栅的周期单元长度为637.7nm，从而凹槽部分的宽度为318.85nm，布拉格光栅的总长度为38.6μm。

由于周期单元长度分为凹槽部分和凸起部分，凹槽部分与凸起部分所对应光栅折射率的不同，当光波进入器件后，光波会在器件中不断地进行来回震荡耦合，最终不满足布拉格相位匹配条件的波长被允许通过该布拉格光栅滤波器件由透射光波输出端O₁输出，而所需的目标波长则被反射回来由反射光波输出端O₂输出，由此可以实现对特定波长进行选择的滤波功能。

如图3所示，能量被集中地限制在中波导层3，说明该器件可以突破光的衍射极限，完成对光场的约束，证明结构的小型化是可以实现的。

如图4所示的反射光谱图可以看出，当中心波长为1550nm的光波通过该布拉格光栅时，有72％的光不能通过整个结构并按原路被反射回来由O₂输出，说明该波导布拉格光栅具有很好的反射特性，非常适合成为一种优秀的滤波器。