6] 4)应用传输矩阵法，结合第一衍射光栅的Bragg反射器的周期厚度d12以及两种 折射率不同的材料的宽度屯和d 2,计算出Bragg反射器在波段一与波段二的反射与透射效 率，确保第一衍射光栅在第一波段具有高反作用，在第二波段具有高透作用，以便于第二波 段的光高效率传输到第二衍射光栅进行衍射分光；
[0037] 5)根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角 的角度，结合传输矩阵法绘制第二衍射光栅Bragg反射器的能带图B ;
[0038] 6)结合能带图B确定第二衍射光栅（204)Bragg反射器相应的周期性结构材料 厚度比例，以及反射带归一化频率上下限；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式
确定第二衍射光栅（204)的Bragg反射器实际周期厚度与各 介质层的实际厚度；其中，d34为第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，57为归一化频率， %;为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第二衍射光栅Bragg反射器反 射带的高频边界；
[0039] 7)根据衍射波长λ、第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d34以及归一化频率 极，结合光栅方程m λ = na (sin a +sin β )得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
[0040]
(2)
[0041] 根据式（2)，完成第二衍射光栅的设计；
[0042] 8)在同一平面上排列第一衍射光栅与第二衍射光栅，且第一衍射光栅在前，第二 衍射光栅在后；第一衍射光栅的入射端口与第二衍射光栅的入射端口为共同入射端口；第 一衍射光栅的出射端口与第二衍射光栅的出射端口需在平上面分开；
[0043] 9)设计完成。
[0044] 如图2所示，根据本发明方法设计出的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用 器包括输入波导101、第一输出波导阵列102和第二输出波导阵列202,输入波导101的入 射端口 105和第一输出波导阵列102的出射端口 106位于第一罗兰圆上，输入波导101的入 射端口 105和第二输出波导阵列202的出射端口 206位于第二罗兰圆上，且入射端口 105是 第一罗兰圆与第二罗兰圆的交点。入射端口到第一衍射光栅之间为第一自由传输区域103， 入射端口到第二衍射光栅之间为第二自由传输区域203,第一罗兰圆内切于第一衍射光栅 圆，第二罗兰圆内切于第二衍射光栅圆，且第一罗兰圆的直径等于第一衍射光栅圆的半径， 第二罗兰圆的直径等于第二衍射光栅圆的半径其特征在于：第一罗兰圆与第一衍射光栅圆 的相切处为Bragg齿面结构蚀刻的凹面第一衍射光栅的中心，凹面第一衍射光栅104采用 周期性Bragg反射面结构排列在第一衍射光栅圆上。第二罗兰圆与第二衍射光栅圆的相切 处为Bragg齿面结构蚀刻的凹面第二衍射光栅的中心，凹面第二衍射光栅204采用周期性 Bragg反射面结构沿第二衍射光栅圆上排列。
[0045] 凹面第一衍射光栅与凹面第二衍射光栅采用由单个周期的或者多个周期的Bragg 反射器阵列组成的凹面光栅。凹面第一衍射光栅的Bragg反射器结构在第一波段上具有高 反作用，在第二波段上具有高透作用。凹面第二衍射光栅的Bragg反射镜结构在第二波段 上具有高反作用。Bragg反射器阵列组成的凹面光栅由周期性介质层堆叠组成，入射光经过 Bragg-EDG第一衍射光栅后对第一波段的光进行衍射分光，产生衍射光束。而第二波段的 光透射过第一衍射光栅后在第二衍射光栅上进行衍射分光，产生衍射光束。第一衍射光栅 104对第一波段的光进行衍射分光，对第二波段的光有高透射率，第二波段的光透过第一衍 射光栅104在第二衍射光栅204上进行衍射分光。
[0046] 如图3和图4所示，依据本发明的原理，设-H个娃基二氧化娃型的Bragg-EDG， 二氧化硅波导折射率为nl = 1.45,刻蚀层为空气，折射率为n2 = 1，第一波段中心波长为 800nm，第一衍射光栅的参数如下：a = 546nm，d = 332nm，dl = 141nm，d2 = 191nm，入射角 a =-22.5°，闪耀角 Θ =37.5°，罗兰圆半径 Rkc= 170um，光栅圆半径 Rtoating= 340um， 衍射级次m = -1。第二衍射光栅的参数如下：a = 856. 6nm，d = 578. 7nm，（I1= 243. 7nm， d2= 335nm，入射角a =-22. 5°，闪耀角θ =42. 5°，罗兰圆半径RKC= 200um，光栅圆半 径 Rcmting= 4〇〇um，衍射级次 m = -1
[0047] 根据上述参数进行模拟，结果表明该器件第一衍射光栅对中心波长为SOOnm的波 段进行了衍射分光，且中心波长为1310nm波段的光透过第一衍射光栅在第二衍射光栅上 进行了衍射分光，器件尺寸小，衍射效率高。
[0048] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按 照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法，其特征在于，包 括以下步骤： 1) 根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角的角 度，结合传输矩阵法绘制第一衍射光栅Bragg反射器的能带图A; 2) 结合能带图A确定第一衍射光栅（104)Bragg反射器相应的周期性结构材料厚 度比例，以及反射带归一化频率上下限；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式L确定第一衍射光栅（104)的Bragg反射器实际周期厚度与各介 质层的实际厚度；其中，X为衍射波长，为中心衍射波长，d12为第一衍射光栅Bragg反 射器的周期厚度，or为归一化频率，％/为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界， 为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界； 3) 根据衍射波长X、第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d12以及归一化频率si， 结合光栅方程mA=na(sina+sin|3 )得出设计Bragg-EDG的光栅方程：根据式（1)，完成第一衍射光栅的设计； 4) 应用传输矩阵法，结合第一衍射光栅的Bragg反射器的周期厚度d12以及两种折射 率不同的材料的宽度屯和d2,计算出Bragg反射器在波段一与波段二的反射与透射效率， 确保第一衍射光栅在第一波段具有高反作用，在第二波段具有高透作用，以便于第二波段 的光高效率传输到第二衍射光栅进行衍射分光； 5) 根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角的角 度，结合传输矩阵法绘制第二衍射光栅Bragg反射器的能带图B; 6) 结合能带图B确定第二衍射光栅（204)Bragg反射器相应的周期性结构材料厚 度比例，以及反射带归一化频率上下限；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式-确定第二衍射光栅（204)的Bragg反射器实际周期厚度与各 介质层的实际厚度；其中，d34为第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，ar为归一化频率， 为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第二衍射光栅Bragg反射器反 射带的高频边界； 7) 根据衍射波长X、第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d34以及归一化频率or，结 合光栅方程mA=na(sina+sin|3 )得出设计Bragg-EDG的光栅方程：根据式（2)，完成第二衍射光栅的设计； 8) 在同一平面上排列第一衍射光栅与第二衍射光栅，且第一衍射光栅在前，第二衍射 光栅在后；第一衍射光栅的入射端口与第二衍射光栅的入射端口为共同入射端口；第一衍 射光栅的出射端口与第二衍射光栅的出射端口需在平上面分开； 9)设计完成。
【专利摘要】本发明公开了一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法，该方法根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制衍射光栅Bragg反射器的能带图，结合能带图确定衍射光栅Bragg反射器相应的周期性结构材料厚度比例，以及反射带归一化频率上下限；根据衍射波长、衍射光栅Bragg反射器的周期厚度以及归一化频率，结合光栅方程得出设计Bragg-EDG的光栅方程，最终根据Bragg-EDG的光栅方程完成衍射光栅的设计；本发明可对检测物不同谱段的光谱进行单次快速检测，本发明可应用于医疗检测，食品安全检测，矿井安全监测，水环境监测等领域。
【IPC分类】G02B6/293
【公开号】CN104914510
【申请号】CN201510373986
【发明人】朱京平, 杜炳政, 毛玉政, 李宝, 宗康
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月29日