一种Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光通信领域，涉及波分复用技术，具体涉及一种Bragg齿面结构的蚀 刻衍射光栅波分复用器及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 波分复用技术可实现单个波导或光纤上几十倍、几百倍的信道扩容，从1990s中 后期已成为光通信扩容的主流技术。随着云计算等的广泛应用，扩容的要求越来越高，迫切 要求波分复用信道数进一步提高。
[0003] 波分复用器件是波分复用技术的核心器件，其中平面集成波导复用器/解复用器 是主流的发展方向，主要包括阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，简称AWG)型和 蚀刻衍射光栅型（Etched Diffraction Grating，简称EDG)两种类型的波分复用/解复用 器，其中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。
[0004] 然而，传统的EDG器件光栅齿面加工工艺要求高，包括需要深刻蚀、平滑、镀金 属膜，以提高器件的性能。为了提高器件性能，避免镀金属膜等二次处理，Erickson L， Lamontagne B及He J J等提出利用全内反射结构替代普通的镀金属光栅齿来降低插入 损耗、提高效率（Using a retro-reflecting echelle grating to improve WDM demux efficiency，Processing，and Devi. IEEE，1997:82-83.)。这种结构的器件无需二次处理， 但仍存在菲涅尔反射损耗，同时结构复杂，且加工过程引入了光栅的底角和顶角误差效应。
[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.)，但其Bragg反射面结构是基于各介质层 满足1/4波长的介质膜理论进行设计的，未对Bragg-凹面光栅的整体器件结构进行优化， 容易在设计过程中造成相邻Bragg介质层不连贯、错位等问题。
[0006] 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 棚（Mono-order high-efficiency dielectric concave diffraction grating, Journal of Lightwave Technology，2012,30(17) :2922-2928)。该器件光栅为罗兰圆结构，反射面 结构通过1/4波长多层介质膜理论进行设计，且堆叠的反射介质层按照椭圆结构排列。该 器件可完成中心波长为600nm，带宽为50nm左右的高效衍射分光。但该器件Bragg光栅设 计方法的局限，使得器件衍射带中心波长有较大的误差，衍射带边界无法有效确定。其次， 同时满足罗兰圆结构与椭圆结构条件的Bragg凹面光栅只是Bragg闪耀光栅的一种特例， 大大限制了其应用推广。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提出了一种基于光子 晶体理论与光栅方程结合的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器及其设计方法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0009] -种Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，包括输入波导（101)和输出波 导阵列（102)，输入波导（101)的入射端口（105)和输出波导阵列（102)的出射端口（106) 均位于罗兰圆上，罗兰圆内部为自由传输区域（103)，罗兰圆内切于光栅圆，且罗兰圆的 直径等于光栅圆的半径，罗兰圆与光栅圆的相切处设置Bragg齿面结构蚀刻的凹面光栅 (104)，凹面光栅（104)采用周期性Bragg反射面结构。
[0010] 进一步的，凹面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。
[0011] 进一步的，凹面光栅由两种折射率不同的材料周期性排列堆叠构成。
[0012] 进一步的，折射率不同的材料为介质层与空气层的排列或两种不同的介质层排 列。
[0013] 进一步的，两种折射率不同的材料的宽度分别为屯和d2,其周期（303)的数值由 一维光子晶体理论确定，其中，d = di+4。
[0014] 进一步的，单个周期的Bragg反射器阵列组成的凹面光栅由周期性介质层堆叠组 成，包括第一介质层（304)和第二介质层（305);第一介质层（304)的表面为Bragg反射齿 面（301)，非反射面的厚度等于单个Bragg周期（303)，光栅周期（302)等于d/sin0，其中， Θ为光栅闪耀角（310);入射光束（306)经过Bragg-EDG光栅后进行衍射分光，产生衍射光 束（307)。
[0015] 进一步的，多个周期的Bragg反射器阵列组成的凹面光栅由多个Bragg反射器组 成，单个Bragg反射器为独立的一个反射齿面结构，包括其非反射面的厚度等于多个Bragg 周期（303)，即NX d，光栅周期（302)等于NX d/sin0，Θ为光栅闪耀角（310);入射光束 (306)经过Bragg-EDG光栅后进行衍射分光，产生衍射光束（307)。
[0016] 进一步的，输入端口（105)为刻蚀在输入波导（101)端部的过渡耦合波导；出射端 口（106)为分别刻蚀在每个输出波导阵列（102)端部的过渡耦合波导。
[0017] 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：
[0018] 1)根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光角度、Bragg 反射器闪耀角计算出归一化频率，以及归一化厚度比例与反射效率之间的关系，并求出一 个做反射器的高效率反射带；
[0019] 2)选取反射带后，即求出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；结合Bragg反射器的反射中心波长，根据公式
"确定Bragg反射器 实际周期厚度与各介质层的实际厚度；
[0020] 3)根据公式
，πιλ = neff · a · (sina+sin|3 )，推导出适用于 Bragg-EDG的修正型光栅方程
通过光栅修正型方程求得光 栅其他参数；
[0021] 4)根据公式 求得Bragg反射器单个周期厚度，衍射角β根据其他 的光栅参数结合
求得；其中，wA，巧及Bragg反射器周 期比例通过光子晶体带隙理论确定。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0023] 本发明应用一维光子晶体带隙理论可有效的计算出Bragg反射器的反射带宽与 反射带的中心波长，可根据该理论调整Bragg周期结构的周期厚度或各介质层的比例，准 确匹配光栅衍射带的需求。所述光子晶体-光栅方程可根据光栅参数（如：分辨率、角色 散、衍射带宽、衍射带的中心波长等）的要求进行光栅结构调整，从而实现高效率，插损低， 工艺难度要求低，无需二次处理的Bragg齿面结构性蚀刻衍射光栅。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的单周期Bragg反射器的Bragg-EDG结构示意图；
[0025] 图2为本发明的多周期Bragg反射器的Bragg-EDG结构示意图；
[0026] 图3为本发明的单周期Bragg反射器的光栅结构示意图；
[0027] 图4为本发明的多周期Bragg反射器的光栅结构示意图；
[0028] 图5为本发明的单个Bragg反射齿面的结构示意图；
[0029] 图6为Bragg反射齿面材料确定后，利用传输矩阵法求得的Bragg反射齿面周期 厚度比例、归一化频率与反射效率三者之间的关系图，该图可用于初步判断Bragg反射齿 面周期厚度比例，与归一化反射带；
[0030] 图7为在固定Bragg反射齿面周期厚度比例的情况下计算的光子晶体带隙图；
[0031] 图8为光信号经过单个Bragg反射齿面的结构其波长与反射效率图；
[0032] 图9为光信号经过在本发明后的各波长的衍射分光图。
[0033] 其中，101为输入波导；102为输出波导阵列；103为自由传输区域；104为凹面光 栅；105为输入端口；106为出射端口；301为反射齿面；302为光栅周期；303为Bragg周期； 304为第一介质层；305为第二介质层；306为入射光束；307为衍射光束；308为光栅法线； 309为齿面法线；310为光栅闪耀角。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合图对本发明做进一步详细的说明。
[0035] 参如图1至图9,本发明Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，包括输入波 导101和输出波导阵列102,输入波导101的入射端口 105和输出波导阵列102的出射端口 106均位于罗兰圆上，输入端口 105为刻蚀在输入波导101端部的过渡耦合波导；出射端口 106为分别刻蚀在每个输出波导阵列102端部的过渡耦合波导。罗兰圆内部为自由传输区 域103,罗兰圆内切于光栅圆，且罗兰圆的直径等于光栅圆的半径，罗兰圆与光栅圆的相切 处设置Bragg齿面结构蚀刻的凹面光栅104,凹面光栅104采用周期性Bragg反射面结构。 凹面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。凹面光栅 由两种折射率不同的材料周期性排列堆叠构成。折射率不同的材料为介质层与空气层的排 列或两种不同的介质层排列（见图5)。两种折射率不同的材料的宽度分别为屯和七，其周 期303的数值由一维光子晶体理论确定，其中，d = di+4。
[0036] 屯和(12具体参数确定方法如下：
[0037] 1)器件的材料体系确定后（即已知介质Ii1,112的折射率），在固定入射角参数后根 据传输矩阵法，求得Bragg反射齿面周期厚度比例、归一化频率与反射效率三者之间的关 系（图6)，该图可用于初步判断Bragg反射齿面周期厚度比例，与归一化反射带；其中，在 图6中，亮色包裹的区域为光子禁带，横坐标为归一化频率m，纵坐标为介质1的厚度屯与 Bragg反射器周期厚度d的比例。
[0038] 2)在图6中选取合适的光子禁带后，可以固定dl/d的值，并根据传输矩阵法进一 步求得Bragg反射器的光子晶体带隙结构图（图7)，在图7中，红色区域为供= ?-6? = W12 时的光子禁带，根据该图可求得Bragg反射器的归一化反射频率的上下限（即可求得％与 的数值）。结合Bragg反射器的反射中心波长，根据公式
确定Bragg反射 器实际周期厚度与各介质层的实际厚度。
[0039] 单个周期的Bragg反射器阵列组成的凹面光栅由周期性介质层堆叠组成，包括厚 度为Cl1、折射率为Ii1的第一介质层304和厚度为d 2、折射率为n2的第二介质层305 ;第一介 质层304的表面为Bragg反射齿面301，非反射面的厚度等于单个Bragg周期303,光栅周 期302等于d/sin0，其中，