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 ;入射光束306与光栅法线308的夹角为α，光栅法线308 与齿面法线309的夹角为Θ，光栅法线308与衍射光束307的夹角为β，入射光束306与 衍射光束307的夹角为2Φ ;
[0040] 其中，(I1为介质层厚度，范围一般在几百纳米左右为介质层折射率，数值在1. 4 到4. 5之间；(12为刻蚀空气层的厚度；如果为空气层则η 2为1 (如果为其他材料，一般情况 下要小于Ii1的数值）；α为入射角，范围一般情况下在±60之间；Θ为光栅闪耀角数值 在±30°内；β为衍射角，该角是根据光栅方程及入射角、闪耀角波长衍射级次等参数共 同确定的；2 Φ为入射光与衍射光夹角2 Φ = α - β，夹角不大于180°。
[0041] 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NXd，光栅周期302等于NXd/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 ;入射光束306与光栅法线308的夹角 为α，光栅法线308与齿面法线309的夹角为Θ，光栅法线308与衍射光束307的夹角为 β，入射光束306与衍射光束307的夹角为2 Φ ;
[0042] 其中，(I1为介质层厚度，范围一般在几百纳米左右为介质层折射率，数值在1. 4 到4. 5之间；(12为刻蚀空气层的厚度；如果为空气层则η 2为1 (如果为其他材料，一般情况 下要小于Ii1的数值）；α为入射角，范围一般情况下在±60之间；Θ为光栅闪耀角数值 在±60°内；β为衍射角，该角是根据光栅方程及入射角、闪耀角波长衍射级次等参数共 同确定的；2 Φ为入射光与衍射光夹角2 Φ = α - β，夹角不大于180°。
[0043] 本发明的原理：
[0044] 本发明刻蚀衍射光栅型波分复用器，包括输入波导101，输出阵列波导102,自由 传播区域l〇3，Bragg反射器齿面结构301，分布式Bragg反射器组成的凹面光栅104，Bragg 反射器齿面结构是由一维光子晶体理论设计的，应用一维光子晶体理论设计的Bragg反 射器反射带的中心波长准确，反射带宽明确，其反射带向高/低波长波段调制可控。所述 Bragg反射器型凹面光栅是由一维光子晶体带隙理论结合光栅方程推导出的光子晶体-光 栅方程进行设计的。应用光子晶体-光栅方程理论设计的光栅各Bragg反射器结构面无错 位现象，衍射带的中心波长准确，衍射带宽精确，Bragg-EDG光栅衍射带参数可依据光子晶 体-光栅方程理论进行调制。
[0045] 输入波导101与自由传输区103之间的输入端口 105,可根据材料选择的情况（二 氧化硅、绝缘体上硅、III-V簇等）在输入波导101，自由传输区103之间刻蚀过渡耦合波导 105/205。所述Bragg反射器组成的凹面光栅可根据粗、细波分用、分辨率、角色散要求选择 图1或图2的结构。
[0046] 实施例1 :
[0047] 如图1的Bragg-EDG结构，其详细的Bragg反射器结构见图3。Bragg反射器结构 是由周期性介质层堆叠组成的（厚度为Cl1、折射率为Ill的第一介质304与厚度为d 2、折射 率为n2的第二305堆叠）。其中第一介质层304的表面为Bragg反射齿面301，该结构非 反射面厚度等于单个Bragg周期303,光栅周期302等于d/sin θ ( 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得到衍射光束307。该结构的特点在于 单个反射面的一部分周期结构是由相邻反射面延长补足的，可提高器件的反射效率，降低 插入损耗。该结构的衍射级次通常较低，一般应用于高效率粗波分复用的情况。
[0048] 实施例2 :
[0049] 如图2的Bragg-EDG结构，其详细的Bragg反射器结构见图4,其单个Bragg反射 器为独立的一个反射齿面401结构，该结构非反射面厚度等于多个Bragg周期303,即N*d， 光栅周期302等于N*d/sin0 (Θ为光栅闪耀角310)，入射光束306经过Bragg-EDG光栅后 进行衍射分光得到衍射光束307。该结构的衍射级次较大，一般应用于分辨率较高的密集型 波分复用的情况。
[0050] 本发明的具体设计步骤是：
[0051] 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，归一化厚度比例与反射效率之间的关系（如图6所示）， 在图6中求出一个适合做反射器的高效率反射带并根据入射角与Bragg反射器反射面的法 线之间的夹角供= 确定Bragg反射器的光子晶体带隙图（如图7所示）。
[0052] 2.选取合适的反射带后，即可求出相应的周期性结构材料厚度比例，与反射带归 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。
[0053] 3.根据公式
，m λ = neff · a · (sin a+sin β )，可推导出适用 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。
[0054] 4.总体来上来说，57，％，％，及Bragg反射器周期比例可通过光子晶体带隙 理论确定，根据公式
可求得Bragg反射器单个周期厚度，衍射角β可根据其 他的光栅参数结合
求得。
[0055] 为了更好的体现本发明，依据本发明的原理，我们设计了一个硅基二氧化硅型 的Bragg-EDG，二氧化娃波导折射率为nl = 1. 5,刻蚀层为空气，折射率为η2 = 1，进行衍 射分光的波段中心波长为1550nm，其他参数如下：a = 898. 457nm，d = 635. 305nm，Cl1 = 42〇.47911111，（12= 267.44611111，入射角€[=-30°，闪耀角0=45°，单个反射器周期为6， 罗兰圆半径Rrc= 200um，光栅圆半径Reratubg= 400um，衍射级次m = -1。
[0056] 根据上述参数，我们进行了模拟，结果表明该器件具有衍射带宽准确，衍射带中心 波长偏移误差低，衍射效率高，可达到入射光的85%以上，单个Bragg反射器的反射效率图 见图8。整体器件的衍射分光效率图见图9。
[0057] 以上实施例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式的限制，凡是依 据本发明的技术本质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化和修饰，均仍属于本发 明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种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，入射端口到光栅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，其特征在于：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。2. 根据权利要求1所述的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于： 所述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。3. 根据权利要求1或2所述的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在 于：所述凹面光栅由两种折射率不同的材料周期性排列堆叠构成。4. 根据权利要求3所述的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于： 所述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。5. 根据权利要求4所述的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于： 所述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。6. 根据权利要求2所述的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于： 所述单个周期的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，0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)。7. 根据权利要求2所述的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于： 所述多个周期的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NXd，光栅周期（302)等于NXd/sin0，0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)。8. 根据权利要求1所述的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于： 所述输入端口（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。9. 一种权利要求1所述Bragg齿面结构的蚀刻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； 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； 3) 根据公式，mX=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； 4)根据公式求得Bragg反射器单个周期厚度，衍射角0根据其他的光 栅参数结合求得；其中，07，％，％及Bragg反射器周期比 例通过光子晶体带隙理论确定。
【专利摘要】本发明公开了一种Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器及其设计方法，属于光通信波分复用领域，特别涉及一种制作工艺难度相对较低、无需二次镀膜、频谱性能优良的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器。它包括输入波导，输出波导阵列、自由传输区域和Bragg齿面结构的蚀刻凹面光栅，其特征在于所述蚀刻凹面光栅齿面采用Bragg齿面结构，所述Bragg齿面结构是不同折射率介质周期性排列的反射面结构。所述Bragg齿面结构的刻蚀凹面光栅是由修正型的光栅方程设计的，所述修正型的光栅方程是由光子晶体理论与光栅方程结合推导而来的。该波分复用器可浅刻蚀加工，加工工艺难度低，体积小，衍射效率高，能够实现粗波分复用与密集型波分复用。
【IPC分类】G02B6/124, G02B6/293
【公开号】CN104914508
【申请号】CN201510373319
【发明人】朱京平, 杜炳政, 李宝, 毛玉政, 张云尧
【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