專利名稱：背入射式高密度石英反射光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光纖通信系統(tǒng)中的密集波分復(fù)用器件有關(guān)，特別是一種用于常用波段1.55微米光纖通信的密集波分復(fù)用器件的背入射式高密度石英反射光柵。
背景技術(shù)：
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、無線/有線通信的快速發(fā)展，人們對通信帶寬的需求在不斷上升，光纖通信具有大容量、低損耗、遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，是滿足快速增長帶寬需求的重要技術(shù)手段。密集波分復(fù)用(以下簡稱DWDM)技術(shù)通過減少信道的頻帶間隔，提高復(fù)用的波長數(shù)，可以充分利用光纖的帶寬資源，是光纖通信發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。
目前DWDM器件主要有薄膜濾光片(Thin-film filter-簡稱TFF)，平面陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed waveguide grating-簡稱AWG)，和自由空間衍射光柵(Free-spacediffraction grating-簡稱FSDG)等幾種技術(shù)方案。
薄膜濾光片(TFF)主要利用光在多層膜之間的相互干涉作用來實現(xiàn)選頻，每個信道均需一個濾光片，進一步與交叉復(fù)用器(interleaver)的混和使用來提高信道數(shù)，由于通頻帶寬相對平坦，所以許多薄膜濾光片在一個系統(tǒng)內(nèi)可以層疊使用實行逐層濾波。然而，TFF由于采用逐層濾波的方式，能耗和故障率隨之上升的同時，整個系統(tǒng)的可靠性隨之下降；盡管單個濾光片的光學(xué)性能良好，若要在DWDM技術(shù)中實現(xiàn)較高的信道數(shù)，上述器件的交叉使用產(chǎn)生的損耗會削弱整個系統(tǒng)的波分/復(fù)用性能。而且，濾光片的鍍膜層數(shù)往往在數(shù)百層之上，其相應(yīng)的鍍膜技術(shù)造價很高；附加的交叉復(fù)用器、環(huán)形器(circulator)等器件的價格不菲，使得以薄膜濾光片為代表器件的DWDM技術(shù)的成本很高。
AWG主要利用波導(dǎo)波束間的相移干涉技術(shù)實現(xiàn)光束的并行復(fù)用，制作上采用微電子技術(shù)工藝，在一塊芯片上集成多路信道，集成度高。但是，AWG極易受環(huán)境溫度的影響，其工作性能因之而發(fā)生改變，必須使其在恒溫下工作。此外信道間的串繞問題會影響AWG集成度的提高。一般的AWG復(fù)用/解復(fù)用器的波長響應(yīng)為高斯分布形式，光譜響應(yīng)范圍較窄，工作波長一旦偏離峰值波長就會引入較大的插入損耗。盡管平頂帶通形式的AWG能夠降低對工作波長的精確控制要求，但是需要增加其它元件，所以仍然會引入額外的插入損耗。
FSDG是利用了光柵對輸入光束進行衍射的原理，每個波長通道對應(yīng)于空間唯一的衍射角，對各信道波長進行波分或復(fù)用。與TFF和AWG相比較，F(xiàn)SDG能夠?qū)崿F(xiàn)較多的通信波道數(shù)，由于是對入射光進行一次性干涉濾波，可以同時并行各個信道，所以不需要插入額外器件，受環(huán)境影響小，處理信號的過程中也不產(chǎn)生熱量。而且，F(xiàn)SDG受溫度影響小，比AWG產(chǎn)生更精確的相移，可以進一步提高信道數(shù)，減少偏振損耗。自由空間光柵(FSDG)技術(shù)采用并行處理方式，一次就可以實現(xiàn)信道間的分離或復(fù)用，不需要附加其它器件的使用，就可以達到很高的信道數(shù)，使得成本降低，體積減小，穩(wěn)定性提高，光學(xué)性能極大改善。
FSDG主要可以分為金屬光柵和電介質(zhì)光柵。由于金屬存在吸收損耗，金屬光柵的衍射效率不可能無限提高。高衍射效率的石英透射光柵需要有很高的刻槽線密度(600線/毫米以上)，光柵的深度也需要達到2微米，其衍射效率才可能達到90％以上，但是如此高深寬比的石英光柵制作難度大，需要依靠先進的微電子深刻蝕工藝。雖然淺刻蝕的表面浮雕光柵鍍上電介質(zhì)反射膜層后可以進一步提高衍射效率，但是反射膜層的設(shè)計及制作相當復(fù)雜。J.R.Marciante等人報道了一種新型的高色散的背入射式光柵(TIR光柵)，見在先技術(shù)1J.R.Marciante et al.，Opt.Lett.29，542(2004)，該類型光柵利用內(nèi)部全反射效應(yīng)(TIR，total internal reflection)，即光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，若入射角滿足全反射條件，則光疏介質(zhì)中將沒有透射光，入射光的能量全部集中到反射光上。所謂的背入射式是指光不是從光柵的正面(有光柵槽的一面)入射，而是從光柵基底的背面入射，通過對光柵周期及深度的優(yōu)化選擇，該背入射式光柵的1級反射衍射效率可以達到99.99％以上，幾乎接近完全反射。TIR光柵的優(yōu)點是衍射效率與光柵的槽形無關(guān)；直接在電介質(zhì)材料上(往往利用石英)刻蝕出淺浮雕形的光柵結(jié)構(gòu)；吸收損耗與金屬相比非常??；由于衍射效率已經(jīng)很高，所以不需要在光柵表面鍍高反射介質(zhì)膜。
本發(fā)明采用矩形結(jié)構(gòu)光柵的計算模型。高密度光柵的衍射理論，不能由簡單的標量光柵衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地計算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴格耦合波理論的算法，見在先技術(shù)2M.G.Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解決這類高密度光柵的衍射問題。但據(jù)我們所知，目前還沒有針對光纖通信的1.55微米波段給出背入射式高密度石英反射光柵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對光纖通信的1.55微米波段密集波分復(fù)用器件提供一種背入射式高密度石英反射光柵，該光柵可以在TM實現(xiàn)一級反射衍射效率大于95％或TE偏振模式下實現(xiàn)一級反射衍射效率大于96％。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于常用波段1.55微米光纖通信的密集波分復(fù)用器件的背入射式高密度石英反射光柵，其特點是該光柵的周期為660～740納米，光柵的深度為680～820納米，光柵的占空比為1/2。所述的光柵的周期為685納米，光柵的深度為720納米的表面浮雕結(jié)構(gòu)。
一種用于常用波段1.55微米光纖通信的密集波分復(fù)用器件的背入射式高密度石英反射光柵，其特點在于該光柵的周期為720～775納米，光柵的深度為480～560納米，光柵的占空比為1/2。所述的光柵的周期為740納米，光柵的深度為520納米的表面浮雕結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了背入射式高密度石英反射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1，2都是均勻的，分別為折射率n1＝1.44462的石英和折射率n2＝1的空氣。光柵矢量K位于入射平面內(nèi)。TM偏振入射光對應(yīng)于磁場矢量的振動方向垂直于入射面，TE偏振入射光對應(yīng)于電場矢量的振動方向垂直于入射面。一線性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*∧))入射，定義為Littrow條件，即構(gòu)成衍射光沿原入射光的方向返回的條件，λ代表入射波長，∧代表光柵周期。根據(jù)光柵衍射方程及全反射條件，∧應(yīng)滿足條件n1>λ2Λ>n2.]]>在如圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用在先技術(shù)2的嚴格耦合波理論計算了占空比為1/2的石英光柵在光纖通信常用的1.55微米附近的多波長光入射下，1級反射衍射效率，結(jié)果參見圖2。我們得到如下結(jié)論如圖2所示，TM偏振模式的入射光以51.55°角度(對應(yīng)于λ＝1550納米)入射到TIR光柵時，該光柵的周期為685納米，深度為720納米，1級反射衍射效率在1550納米波長處為100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)，而且在1520-1607納米波長段內(nèi)即88納米的譜寬范圍內(nèi)保持在90％以上。若考慮在C+L波段內(nèi)(1520-1620納米)的所有波長各自以對應(yīng)的Littrow角度入射，所有波長的衍射效率均可以達到90％以上，即對應(yīng)于101納米的譜寬范圍。
如圖3所示，TE偏振模式的入射光以46.47°角度(對應(yīng)于λ＝1550納米)入射到TIR光柵時，該光柵的周期為740納米，深度為520納米，1級反射衍射效率在1550納米波長處為100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)，而且在1520-1608納米波長段內(nèi)即89納米的譜寬范圍內(nèi)保持在90％以上。若考慮在C+L波段內(nèi)(1520-1620納米)的所有波長各自以對應(yīng)的Littrow角度入射，所有波長的衍射效率也均可以達到90％以上，即對應(yīng)于101納米的譜寬范圍。


圖1是本發(fā)明背入射式高密度石英反射光柵的多波長解復(fù)用的幾何結(jié)構(gòu)。
圖2是本發(fā)明背入射式高密度石英反射光柵(熔融石英的折射率取1.44462)光柵周期為685納米、光柵深度720納米，占空比為1/2，在光纖通信的C+L波段使用時TM偏振光以51.55°角度入射(針對1550納米波長的TIR光柵)及各個波長以相應(yīng)的Littrow角度入射(TIR(Littrow)光柵)下一級反射衍射效率(％)。
圖3是本發(fā)明背入射式高密度石英反射光柵(熔融石英的折射率取1.44462)光柵周期為740納米、光柵深度520納米，占空比為1/2，在光纖通信的C+L波段使用時TE偏振光以46.47°角度入射(針對1550納米波長的TIR光柵)及各個波長以相應(yīng)的Littrow角度入射(TIR(Littrow)光柵)下一級反射衍射效率(％)。
圖4是全息光柵的記錄光路。
具體實施例方式
利用微光學(xué)技術(shù)制造高密度矩形光柵，首先采用全息記錄方式記錄光柵(見圖5)利用He-Cd激光器(波長為0.441μm)發(fā)出兩束平面波以2θ夾角在基片上形成干涉場。我們采用涂覆有MICROPOSIT系列1818光刻膠的玻璃片作為記錄基片，∧代表光柵的空間周期，即相鄰條紋的間距，其大小為∧＝λ/(2*sinθ)，其中，λ為記錄光波長，在實驗中采用0.441μm。記錄角θ越大，則∧越小，所以通過改變θ的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述效率圖設(shè)計)，記錄高密度光柵。接著，把光刻膠上的圖案通過微電子刻蝕技術(shù)(濕化學(xué)或反應(yīng)離子干法刻蝕)轉(zhuǎn)移到石英基片上，洗去光刻膠后得到高密度表面浮雕結(jié)構(gòu)的石英光柵。
表1給出了本發(fā)明一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當選擇光柵周期及光柵深度，就可以得到在TM偏振模式下對1550納米波長的高衍射效率的背入射式高密度石英反射光柵。
例如，當TIR光柵的周期為685納米，深度為720納米時，光柵的占空比為1/2，光柵的一級反射衍射效率η高達100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)。
表2給出了本發(fā)明一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當選擇光柵周期及光柵深度，就可以得到在TE偏振模式下對1550納米波長的高衍射效率的背入射式高密度石英反射光柵。
例如，當TIR光柵的周期為740納米，深度為520納米時，光柵的占空比為1/2，光柵的一級反射衍射效率η高達100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)。
三種波分復(fù)用器件技術(shù)TFF、AWG與FSDG中，自由空間衍射光柵(FSDG)有其獨特的優(yōu)點。其一，F(xiàn)SDG與AWG均采用并行處理機制對光進行一次性濾波。其二，F(xiàn)SDG擁有最高的信道容量，尤其適合在DWDM中使用，且信道價格比最低，而TFF較適合低信道數(shù)下工作，其信道數(shù)不可能無限增多。其三，F(xiàn)SDG本身是無熱器件，而AWG的溫度穩(wěn)定性差，需要使用加熱器使其工作在恒溫。其四，F(xiàn)SDG具有低插入損耗和偏振損耗，而AWG的插入損耗和偏振損耗較高。其五，F(xiàn)SDG的組成元件較少、成品率高、元件集成化具有潛在的發(fā)展力(如作為光開關(guān)，可調(diào)節(jié)光衰減器等)，而TFF需與interleaver配合使用來提高信道容量時性能下降、成品率低且集成化不理想，AWG雖然組成元件少，但溫度穩(wěn)定性是個大問題?？傊?，自由空間衍射光柵以其偏振損耗低、對溫度不敏感、并行的平帶濾波方式，可以作為一種理想的波分復(fù)用器件，在DWDM中有重要的應(yīng)用前景。
特別是本發(fā)明的背入射式高密度石英反射光柵作為波分復(fù)用器件時，具有很高的反射效率，不需要考慮光柵槽形的結(jié)構(gòu)，也不必鍍金屬膜或介質(zhì)膜，可以利用全息光柵記錄技術(shù)、微電子光刻技術(shù)，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是波分復(fù)用器件的一種重要的實現(xiàn)技術(shù)。
表1 TM偏振模式下1級布拉格透射衍射效率η(％)[d為光柵深度(微米)，∧為光柵周期(納米)]
表2 TE偏振模式下1級布拉格透射衍射效率η(％)[d為光柵深度(微米)，∧為光柵周期(納米)]
權(quán)利要求
1.一種用于常用波段1.55微米光纖通信的密集波分復(fù)用器件的背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為660～740納米，光柵的深度為680～820納米，光柵的占空比為1/2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為685納米，光柵的深度為720納米。
3.一種用于常用波段1.55微米光纖通信的密集波分復(fù)用器件的背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為720～775納米，光柵的深度為480～560納米，光柵的占空比為1/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為740納米，光柵的深度為520納米。
全文摘要
一種用于常用波段1.55微米光纖通信的密集波分復(fù)用器件的背入射式高密度石英反射光柵(TIR光柵)，其特點在于當該光柵的周期為660～740納米，光柵的深度為680～820納米，光柵的占空比為1/2，本發(fā)明可以使在TM偏振光入射下1級反射衍射效率對1550納米波長實現(xiàn)高于95％的結(jié)果。當該光柵的周期為720～775納米，光柵的深度為480～560納米，光柵的占空比為1/2，本發(fā)明的優(yōu)點是可以使在TE偏振光入射下1級反射衍射效率對1550納米波長實現(xiàn)高于96％的結(jié)果；光柵的衍射效率與光柵的刻槽形狀無關(guān)，光柵的占空比為1/2；本發(fā)明背入射式高密度石英反射光柵由光學(xué)全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子光刻工藝加工而成，可以低成本、大批量生產(chǎn)。
文檔編號G02B5/18GK1588135SQ200410052910
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者周常河, 張妍妍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所