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
【专利说明】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 【技术领域】
[0001] 本发明属于光通信、光传感、光探测领域涉及波分复用技术，具体涉及一种双光栅 双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法。 【【背景技术】】
[0002] 波分复用器是光通信领域与光传感探测领域的重要器件之一，在光通信领域，波 分复用器在无需增加敷设光线网络的情况下实现几十倍、几百倍的信道扩容，在光传感探 测领域以波分复用器为核心的微小型光谱分析仪可应用于食品安全检测、矿井安全检测、 大气水质污染监测、医学检测等。
[0003] 平面集成波导复用器是波分复用器的主流发展方向，其中阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，简称 AWG)型和蚀刻衍射光栅型（Etched Diffraction Grating，简称 EDG)是平面集成波导复用器的两种主要器件。
[0004] EDG器件以尺寸小、性能稳定、易于批量生产、成本低、适合做密集型波分复用而得 到了广泛的研宄与应用。其中Bragg反射镜齿面结构的EDG(Bragg-EDG)器件是近年来的 研宄热点，该类型器件无需二次加工，浅刻蚀即可实现器件功能，工艺难度相对较低而衍射 效率较高，是近年来研宄的热点。
[0005] Brouckaert J等人在娃基二氧化娃材料上设计了频带为I. 5um-l. 6um的Bragg 反射面凹面衍射光栅粗波分复用器（Planar concave grating demultiplexer with distributed Bragg reflection facets, Proceedings of the 4th IEEE International Conference on Group IV Photonics. 2007:1-3·)。Pierre Pottier 等人设计了周 期性结构的Bragg椭圆线低级次高效衍射凹面光栅（Mono-order high-efficiency dielectric concave diffraction grating, Journal of Lightwave Technology，2012， 30(17) :2922-2928)，并利用该结构进行了基于绝缘体上硅的微小型集成光波分复用器的 加工与制作。上述两个小组的学者主要基于1/4波长的多层介质膜理论进行Bragg-EDG的 设计。重点研宄了 Bragg-EDG的反射效率问题，忽视了 Bragg-EDG还具有在其他频带的透 射作用。 【
【发明内容】
】
[0006] 本发明的目的在于合理的利用了 Bragg-EDG器件的透射作用，提出了一种双光栅 双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0008] -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，包括以下步 骤：
[0009] 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 ;
[0010] 2)结合能带图A确定第一衍射光栅（KM)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，λ为衍射波长，Atl为中心衍射波长，d12为第一衍射光栅Bragg 反射器的周期厚度，@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， 叫,为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界，如图IA所示；
[0011] 3)根据衍射波长λ、第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d12以及归一化频率 奴，结合光栅方程m λ = na (sin a +sin β )得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
[0012] (1)
[0013] 根据式（1)，完成第一衍射光栅的设计；
[0014] 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；
[0015] 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 ;
[0016] 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，Ω7为归一化频率， 奴2;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 射带的尚频边界，如图IB所不；
[0017] 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57，结合光栅方程m λ = na (sin a +sin β )得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
[0018] (2)
[0019] 根据式（2)，完成第二衍射光栅的设计；
[0020] 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；
[0021] 9)设计完成。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0023] 现有技术中只利用了 Bragg-EDG光栅的反射带忽略的其透射带，而本发明除了利 用了 Bragg-EDG光栅的反射带还有效利用了 Bragg-EDG光栅的透射带，使得本发明可在同 一基片上利用两个Bragg-EDG光栅在两个波段进行衍射分光，达到了在器件尺寸不变的情 况下，增加分光通道与分光波段的目的。在光通信领域，本发明可在多波段进行衍射分光可 有效解决光通信领域三网融合的问题；在光谱探测领域，被检测物一般需要多个谱段的特 征谱来分析，应用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。 【【附图说明】】
[0024] 图1为两个光栅的能带结构图，A为第一个光栅，B为第二个光栅；
[0025] 图2为本发明的整体结构示意图；
[0026] 图3为本发明800与1310nm光在双光栅结构中的衍射场图；
[0027] 图4为本发明双光栅结构的衍射谱图。
[0028] 其中：1〇1为输入波导；102为第一输出波导阵列；103为第一自由传输区域；104 为第一衍射光栅；105为入射端口； 106为出射端口；202为第二输出波导阵列；203为第二 自由传输区域；204为第二衍射光栅；206为出射端口。 【【具体实施方式】】
[0029] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0030] 参见图1，本发明还公开了一种Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器的设 计方法，包括以下步骤：
[0031 ] 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 ;
[0032] 2)结合能带图A确定第一衍射光栅（KM)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，λ为衍射波长，Atl为中心衍射波长，d12为第一衍射光栅Bragg 反射器的周期厚度，@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；
[0033] 3)根据衍射波长λ、第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d12以及归一化频率 奴，结合光栅方程m λ = na (sin a +sin β )得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
[0034] (1)
[0035] 根据式（1)，完成第一衍射光栅的设计；
[003