專利名稱：微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖通訊，光子集成，光電傳感以及其他光電信息處 M,提出微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)才目位IZS配技術(shù)(Micro—structure Quasi-phase-matching technology, MS-QPM)，以及基于該技術(shù)，利用取樣結(jié)構(gòu)等效實(shí)現(xiàn)任意的二維平面波導(dǎo)布拉格光柵或者三 維體光柵的目標(biāo)光柵形貌，并基于這種設(shè)計(jì)思路提出多種新型光子器件，包括一種新型的 波分復(fù)用器和無(wú)逆向反射的濾波器，傾斜波導(dǎo)光柵，基于等效重構(gòu)啁啾技術(shù)DFB激光器的0 級(jí)抑制，以及功分器與定向耦合器。背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)信息的需求與日俱增。近十年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷演 進(jìn)和巨大的信息傳輸需求，對(duì)光纖通信提出了更高的要求，同時(shí)也促進(jìn)了光纖通信技術(shù)的 發(fā)展。尤其是光通訊器件，需要新的理論和性價(jià)比更高的器件來(lái)支撐光網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步的發(fā) 展。而近年來(lái)出現(xiàn)的光子集成技術(shù)，順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，正開(kāi)啟著一個(gè)全新的光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。 光子集成技術(shù)則被認(rèn)為是光纖通信最前沿、最有前途的領(lǐng)域。在美國(guó)硅谷實(shí)驗(yàn)室中，英飛朗 (Infinera)公司已經(jīng)用磷化銦等材料制成大量復(fù)雜的光電集成器件，使得光通信成本更低 容量更高。在無(wú)源光器件中，波導(dǎo)布拉格光柵因?yàn)槠鸷芎玫牟ㄩL(zhǎng)選擇性而被應(yīng)用于多種光 通訊分立器件及光子集成器件中。如平面集成Bragg波導(dǎo)光柵濾波器1，可以實(shí)現(xiàn)不同波 長(zhǎng)的光信號(hào)的復(fù)用/解復(fù)用或?yàn)V波，波導(dǎo)光柵輔助的光分插復(fù)用器件(0ADM)2-3，以及有 傾斜光柵的光波導(dǎo)模式變換器等等4。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，往往在一塊光子芯片上要實(shí)現(xiàn)不 同功能的波導(dǎo)光柵，那么不同功能的光柵形貌也是不一樣的，這就需要不同步驟的單獨(dú)刻 寫。尤其是如果想在同一片芯片上實(shí)現(xiàn)不同光柵方向和周期以及有相移、啁啾甚至是任意 的光柵條紋結(jié)構(gòu)等具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)光柵，則傳統(tǒng)的低成本的全息曝光技術(shù)幾乎是不可 能實(shí)現(xiàn)的，所以往往需要利用先進(jìn)的微加工技術(shù)，例如，能夠控制每一條光柵條紋的電子束 曝光技術(shù)(E-Beam)。但電子束曝光技術(shù)高成本、耗時(shí)等缺點(diǎn)無(wú)疑增加了很多制造難度和工 藝成本，而且很難大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。為了解決這些實(shí)際的問(wèn)題，首先由陳向飛等人在光纖光柵的制作中找到了一種可 靠的解決方法，并將這種技術(shù)稱之為“等效重構(gòu)——啁啾(REC)技術(shù)”5-6。等效重構(gòu)-啁 啾技術(shù)實(shí)現(xiàn)了利用微米量級(jí)的加工精度來(lái)制作具有納米量級(jí)的器件。該方法也成功應(yīng)用于 分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器以及DFB激光器的陣列的設(shè)計(jì)制造7-9，這給光子集成所需 的高性能半導(dǎo)體陣列光源制造這一技術(shù)瓶頸，提供了很好的解決方案。為了進(jìn)一步解決平 面光子集成中對(duì)不同形貌波導(dǎo)光柵的單片集成，降低制造成本，在本發(fā)明申請(qǐng)人前期研究 基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配技術(shù)(MS-QPM)。該技術(shù)提供了一種新的波導(dǎo)光 柵設(shè)計(jì)制造方法，也給出了一些波導(dǎo)光柵或者體光柵中新的結(jié)構(gòu)變換特性以及對(duì)應(yīng)的光學(xué) 特性，比如能在相同的種子光柵結(jié)構(gòu)下，通過(guò)取樣手段等效地改變光柵不同的周期，轉(zhuǎn)動(dòng)光 柵不同的方向。而等效-重構(gòu)啁啾技術(shù)是微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配(MS-QPM)技術(shù)在一維情況下的 一個(gè)特例5。該技術(shù)在數(shù)學(xué)表達(dá)上和在非線性光學(xué)材料中著名的準(zhǔn)相位匹配技術(shù)(QPM)有類似的描述10、11，因此也是準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)和拓展?？偠灾摲?法能夠?qū)崿F(xiàn)僅僅改變大尺度的取樣結(jié)構(gòu)，而種子光柵保持不變的情況下，能實(shí)現(xiàn)任意的二 維或三維目標(biāo)光柵條紋形貌。所以只要利用二維或三維的按需要設(shè)計(jì)的具有微米量級(jí)的取 樣結(jié)構(gòu)，結(jié)合均勻的種子光柵，可以實(shí)現(xiàn)任意的物理可實(shí)現(xiàn)二維或三維的等效光柵形貌。該 結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各種具有精細(xì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)光柵或體光柵的光學(xué)特性，但是因?yàn)榉N子光柵是均勻 的，改變的僅僅是取樣結(jié)構(gòu)，而取樣的尺度一般在微米量級(jí)以上，所以該方法的實(shí)現(xiàn)只需要 標(biāo)準(zhǔn)的全息曝光技術(shù)加上一次傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，這樣大大緩減了對(duì)工藝的要求，同時(shí)大幅 地增加了產(chǎn)品的成品率?；谶@種二維或三維的取樣結(jié)構(gòu)的光柵設(shè)計(jì)思路，可以用來(lái)設(shè)計(jì)一些新的光 子器件。比如可以實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用器。到目前位置，市場(chǎng)上主流的波分復(fù)用器是陣列波導(dǎo)光 柵(AWG)和多模干涉器件(MMI)。這些器件對(duì)波導(dǎo)精度的要求很高，而且尺度比較大。如果 利用這種二維的取樣結(jié)構(gòu)，結(jié)合體光柵的布拉格反射原理，則可做成結(jié)構(gòu)緊湊的新型波分 復(fù)用器。除此之外，可以實(shí)現(xiàn)另外一些光子器件，比如，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)逆反射的濾波器，抑制 0級(jí)信道的基于等效重構(gòu)啁啾技術(shù)的DFB半導(dǎo)體激光器，任意角度的定向耦合器和功分器， 光波導(dǎo)模式變換器，同時(shí)包括其他任何基于光柵的波導(dǎo)光子器件，以及體光柵器件。我們相 信，該設(shè)計(jì)方法能夠在平面光子集成以及其他與光柵有關(guān)光子器件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中開(kāi)辟新的 道路，帶來(lái)新的曙光。本發(fā)明的主要思想是提出微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，基于該技術(shù)利用均勻的二維 或三維種子光柵與所需要的取樣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)任意光柵條紋形貌的目標(biāo)波導(dǎo)光柵與體光柵， 以及基于此的新型光子器件。文獻(xiàn)引用徐邁，“集成光學(xué)波導(dǎo)光柵的研究進(jìn)展”《發(fā)光學(xué)報(bào)》，2005，26(4) ；415-425.Jose M. Castro, David F. Geraghty， Seppo Honkanenj Christoph M. Greinerj Dmitri Iazikovj and Thomas W. Mossbergj Optical add—drop multiplexers based on the antisymmetric waveguide Bragg grating,(基于非對(duì)禾爾的波導(dǎo)布拉格光 柵的光上傳下載復(fù)用器)，Applied Optics, 2006,45(6) ； 1236-1243.MingLi， Yarning Wuj Jiangyi Yang, and Hongchang Quj Return loss reduction of integrated grating-assisted optical Add/Drop multiplexer by control the reflective spectrum,(通過(guò)控制反射譜實(shí)現(xiàn)低的反射損耗的集成光柵輔助 光上傳 / 下載復(fù)用器)，Journal of lightwave technology，2005，23(3) : 1403-1409.Jose Μ. Castro, David F. Geraghtyj Demonstration of mode conversion using anti-symmetric waveguide Bragg gratings,(利用非對(duì)稱的波導(dǎo)布拉格光柵實(shí)現(xiàn) 模式轉(zhuǎn)換)，Optics Express，2005，13(11) 4180-4184.戴一堂，陳向飛，夏歷，姜典杰，謝世鐘，“一種實(shí)現(xiàn)具有任意目標(biāo)響應(yīng)的光纖光 柵”，發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?CN200410007530. 5) ·Yitang Dai，Xiangfei Chen, Li Xiaj Yejin Zhang， and Shizhong Xiej Sampled Bragg grating with desired response in one channel by use of reconstruction algorithm and equivalent chirp, (基于取樣布拉格光柵禾丨J用重構(gòu) 技術(shù)與等效啁啾實(shí)現(xiàn)在單一信道內(nèi)的任意反射響應(yīng))，Optics Letters，2004，29(12):1333-1335.Yitang Dai and Xiangfei Chen, DFB semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology (基于重構(gòu)一等效啁啾技術(shù)的 Di7B 半導(dǎo)體 激光器)，Optics Express, 2007, 15(5) :2348-2353.Jingsi Li, Huan Wang, Xiangfei Chen, Zuowei Yin, Yuechun Shi, Yanqing Lu, Yitang Dai and Hongliang Zhu, Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology.(基于重構(gòu)一等效啁啾技術(shù)的DFB半導(dǎo)體激光器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)Optics Express, 2009, 17(7) :5240-5245.Jingsi Li, Xiangfei Chen, Ningzhou, etc, Monolithically integrated 30-wavelength DFB laser array.(單片集成30波長(zhǎng)的DFB半導(dǎo)體激光器陣列)，Proc. of SPIE-0SA-IEEE, 2009， SPIE 7631， 763104.J. A . Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P. S. Pershan. Interactions between light waves in a nonlinear dielectric.(光于非線性介質(zhì)的 相互作用)，Physical review, 1962，127(6) :1918-1939.Shi-ning Zhu, Yong-yuan Zhu, Nai-ben Ming, Quasi-Phase-Matched third-harmonic generation in a quasi-periodic optical superlattice. ( ΙΙΜ τ ； 學(xué)超晶格中準(zhǔn)相位匹配三次諧波的產(chǎn)生)，kienCe，1997，278 (843).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出和闡明微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，并基于該技術(shù)設(shè)計(jì)任意條紋 形貌的功能光柵結(jié)構(gòu)。該方法可以利用二維或者三維的小周期種子光柵與按要求設(shè)計(jì)的取 樣結(jié)構(gòu)，等效實(shí)現(xiàn)任意光柵條紋形貌的目標(biāo)波導(dǎo)光柵與體光柵的設(shè)計(jì)制造和工藝方法，從 而簡(jiǎn)化制造工藝降低加工成本，并設(shè)計(jì)基于此的多種新型光子器件。發(fā)明具體內(nèi)容和技術(shù)方案具體如下一種微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光 柵和體光柵的制備方法，在物理可實(shí)現(xiàn)情況下，實(shí)現(xiàn)任意條紋形貌的二維波導(dǎo)光柵或者三 維體光柵作為目標(biāo)光柵的制備，其特征是以普通波導(dǎo)光柵作為種子光柵，光柵周期一般在 50-1000納米之間；并在此基礎(chǔ)上現(xiàn)成二維或者三維的折射率調(diào)制取樣結(jié)構(gòu)，即取樣光柵； 該取樣光柵經(jīng)過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)含有多個(gè)傅立葉分量，每個(gè)分量稱為影子光柵，選擇其中
一個(gè)影子光柵作為目標(biāo)等效光柵；種子光柵波矢是，那么光波矢f和種子光柵波矢
之間的波矢差M為
Ak =k-K0(P)(1)
當(dāng)一個(gè)波矢為i的光入射到一個(gè)光柵(二維或者三維光柵)器件時(shí)，要發(fā)生比較 強(qiáng)烈的耦合作用，光波矢系需要和該器件的光柵波矢匹配，如果該光柵是種子光柵，當(dāng) Δ = -O時(shí)，即光波矢和光柵波矢之間位相完全匹配時(shí)，光與光柵的耦合作用最 大，光柵起作用效率也最高。這樣現(xiàn)象也稱之為布拉格衍射。種子光柵表示為折射調(diào)制幅度的分布=■ Pj ；經(jīng)過(guò)任意的取樣結(jié)
9構(gòu)取樣后的取樣光柵折射率調(diào)制可以表示為
權(quán)利要求
1. 一種微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備方法，在物理可實(shí) 現(xiàn)情況下，實(shí)現(xiàn)任意條紋形貌的二維波導(dǎo)光柵或者三維體光柵作為目標(biāo)光柵的制備，其特 征是以普通波導(dǎo)光柵作為種子光柵，一般該種子光柵為均勻波導(dǎo)光柵，光柵周期一般在 50-1000納米之間；并在此基礎(chǔ)上形成二維或者三維的折射率調(diào)制的取樣結(jié)構(gòu)即取樣光 柵；該取樣光柵含有多個(gè)影子光柵，選擇其中一個(gè)影子光柵作為目標(biāo)等效光柵；種子光柵波矢是烏伊)，那么光波矢€和種子光柵波矢之間的波矢差Δ 為Ak = k-￡0(f)(1)均勻種子光柵和所述任意的取樣結(jié)構(gòu)的取樣光柵折射率調(diào)制可以表示為(2)其中風(fēng)^是取樣圖案，^(巧是種子光柵的折射調(diào)制幅度Γ是空間位置矢量； 對(duì)(2)式進(jìn)行傅立葉分析可以得到a—ho^^(F) = Cs (r) exp(jj G (F) ·dr)An exp(yj K0 (F) ·dr)^ * 一(3)其中j·表示虛數(shù)，Gsn(F)是取樣周期性結(jié)構(gòu)不同傅立葉級(jí)次的光柵波矢；fjF)是種 - 2π子光柵的光柵波矢，· =, A(f)是種子光柵周期， n是種子光柵方向 ’明)是傅立葉系數(shù)，η表示傅立葉的級(jí)次，代表了所有二維或者三維取樣光柵的所有傅立葉分量， 即所有影子光柵；根據(jù)式(3)，在經(jīng)過(guò)取樣后的光柵包含很多級(jí)次的傅立葉分量即影子光柵，對(duì)應(yīng)的光柵波矢為,所有的這些影子光柵的光柵形貌由改變?nèi)咏Y(jié)構(gòu)珥？]而改 變；不同級(jí)次的影子光柵波矢fid是種子光柵的光柵波矢1 和取樣結(jié)構(gòu)不同傅立葉級(jí) 次子光柵波矢的矢量和,根據(jù)公式(3)表示為，即目標(biāo)等效光柵波矢； Kv(r)=O:AF) + K0(r)⑷使該Ii標(biāo)等效光柵波矢KM{r)等于目標(biāo)光柵的波矢Ii (F),即KM(P) = Kd (F)； ^i(F)為種子光柵波矢，‘(F)為目標(biāo)取樣結(jié)構(gòu)傅立葉子光柵的波矢，為 即目標(biāo)光柵的波矢，目標(biāo)等效光柵波矢通過(guò)取樣結(jié)構(gòu)的圖案改變改變?nèi)咏Y(jié)構(gòu)的 周期分布則可以改變波矢‘(巧，以此等效實(shí)現(xiàn)所需要的任意的目標(biāo)光柵形貌；就是當(dāng)種 子光柵波矢foP)和所需要的二維或者三維光柵波矢之間不匹配情況下，則采用取樣結(jié)構(gòu)傅立葉分量中某一傅立葉周期性結(jié)構(gòu)分量，即目標(biāo)取樣結(jié)構(gòu)的傅立葉子光柵的波矢Grf(F)來(lái)補(bǔ)償他們之間波矢的不匹配，即通過(guò)額外的目標(biāo)取樣結(jié)構(gòu)的周期性調(diào)制使光學(xué)傳輸過(guò)程 中相位差為零，及實(shí)現(xiàn)如下的位相匹配 根據(jù)式(3)，取樣光柵的相位也是一個(gè)空間的函數(shù)，對(duì)于影子光柵的相位變化，表示成為 如果取樣結(jié)構(gòu)有一個(gè)相移，并且空間移動(dòng)量為AF'，那么取樣結(jié)構(gòu)的傅立葉子光柵也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相移量，對(duì)應(yīng)的影子光柵的相位可以表示成為 這樣在取樣光柵的傅立葉子光柵中等效地引入一個(gè)相移，相移量為e沖·Δγ')；如果希望種子光柵是均勻的，則= 這樣一個(gè)為-相移量被引入到該取樣光柵的第《級(jí)影子光柵中；在取樣光柵結(jié)構(gòu)中，通過(guò)一個(gè)取樣周期內(nèi)的取樣的圖案或形狀即占空比來(lái)改變目標(biāo)等效光柵的折射率調(diào)制強(qiáng)度以及切趾，即改變傅立葉系數(shù)Cs(F) ；二維情況下，通過(guò)改變?nèi)有螤钍鼓繕?biāo)等效光柵的折射率調(diào)制強(qiáng)度改變，該目標(biāo)等效光柵的最大折射率調(diào)制強(qiáng)度對(duì)應(yīng) 的取樣具體形狀可以通過(guò)傅立葉分析獲得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是在物理可實(shí)現(xiàn)情況下，利用光柵結(jié)構(gòu)準(zhǔn)位相匹配實(shí)現(xiàn)具有任意光柵條紋形 貌的目標(biāo)等效光柵，傾斜/弧形條紋光柵、啁啾/相移光柵；經(jīng)過(guò)施加取樣結(jié)構(gòu)后的光柵包含很多級(jí)次的傅立葉分量，也即影子光柵對(duì)應(yīng)的光柵波矢為，根據(jù)式(4、5)，如果要獲得某一特定的目標(biāo)等效光柵形貌，即某一特定傅立葉級(jí)次的影子光柵形貌，那么通過(guò) 光柵波矢的合成，設(shè)計(jì)相應(yīng)的取樣結(jié)構(gòu)即取樣周期性結(jié)構(gòu)來(lái)獲得該影子光柵的光柵波矢， 從而等效地實(shí)現(xiàn)任意的目標(biāo)等效光柵形貌，該目標(biāo)等效光柵就當(dāng)作所需要的目標(biāo)光柵；對(duì)于光柵方向的改變，根據(jù)式(4)，利用改變?nèi)咏Y(jié)構(gòu)的光柵波矢方向、實(shí)現(xiàn)任意光柵具有方向傾斜或弧形條紋的目標(biāo)等效光柵；對(duì)于多維相移光柵的實(shí)現(xiàn)，取樣結(jié)構(gòu)利用式 (5)- (7)在取樣結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相移；對(duì)于光柵啁啾的實(shí)現(xiàn)，則取樣結(jié)構(gòu)根據(jù)式(3) (4)沿空間 改變?nèi)又芷谂c方向；在制備上，均勻的種子光柵周期尺度是百納米量級(jí)，則利用傳統(tǒng)的全 息曝光或類似的近場(chǎng)全息曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)，取樣結(jié)構(gòu)周期在微米量級(jí)，則利用傳統(tǒng)的光刻實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是制備波分復(fù)用與解復(fù)用器件的方法，其一是具有不同取樣方向和周期的取 樣結(jié)構(gòu)的多層級(jí)聯(lián)或者稱為多層取樣光柵的結(jié)構(gòu)，每一層的取樣光柵對(duì)應(yīng)的目標(biāo)等效光柵 反射一個(gè)特定的布拉格波長(zhǎng)，種子光柵保持均勻；或者其二取樣光柵是利用啁啾種子光柵 作為取樣均勻的種子光柵，這種種子光柵中不同周期位置所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)等效光柵反射不同頻率的光波實(shí)現(xiàn)光的解復(fù)用；同時(shí)不同的波長(zhǎng)按給定的角度與位置入射，不同頻率的光波 在光柵對(duì)應(yīng)滿足布拉格條件的位置發(fā)生強(qiáng)衍射而向同一方向傳播耦合到同一根波導(dǎo)中構(gòu) 成復(fù)用；波分復(fù)用與解復(fù)用器件總的腔長(zhǎng)視信道數(shù)目而定；制備二維波分復(fù)用與解復(fù)用器 件光柵時(shí)取樣布拉格光柵的取樣周期0. 5-20. 0微米，制備體光柵時(shí)取樣布拉格光柵的周 期長(zhǎng)于上述制備二維波分復(fù)用與解復(fù)用器件光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是在制備光柵濾波器時(shí)，在光柵濾波器腔的長(zhǎng)度的1/4處和3/4處，使取樣結(jié) 構(gòu)中對(duì)應(yīng)的目標(biāo)等效光柵中有一個(gè)等效的η相移，形成一個(gè)透射峰，等效的η相移根據(jù)式 (5)- (7)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)濾波器腔長(zhǎng)50. 0微米到5000. 0微米時(shí)；折射率調(diào)制0. 2或者更高(透射 光的禁帶寬度達(dá)到40nm或者更寬，可以完全覆蓋一個(gè)通訊窗口)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是在制備一種能夠抑制0級(jí)的基于REC技術(shù)的DFB半導(dǎo)體激光器時(shí)，采用均勻的種子光柵，種子光柵的波矢方向與波導(dǎo)軸向傾斜，傾斜角度2-15度，取樣結(jié)構(gòu)也與 波導(dǎo)軸向做相應(yīng)的傾斜；這樣根據(jù)式(4)，使取樣光柵中目標(biāo)等效光柵波矢fAr(巧方向與波導(dǎo)軸向平行(通常N= 士 1);種子光柵波矢方向與波導(dǎo)軸向傾斜的角度視抑制0級(jí)的效果來(lái)確定，一般在2-15度范圍，有比較好的抑制0級(jí)效果；(具體所設(shè)計(jì)的種子光柵與取 樣的參數(shù)可以按照本發(fā)明內(nèi)容公式(4)來(lái)設(shè)計(jì)，取樣周期一般在0. 5-20微米；在傾斜角度 在10度或更大的時(shí)候，可以完全抑制0級(jí)信道)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是在制備傾斜波導(dǎo)光柵以及由傾斜波導(dǎo)光柵為基礎(chǔ)的光柵器件時(shí)，采用均勻的種子光柵，種子光柵波矢^ot)的方向按照所需要設(shè)計(jì)要求來(lái)設(shè)定，傾斜取樣結(jié)構(gòu)中的目 標(biāo)取樣傅立葉子光柵波矢的方向與種子光柵有一定的夾角，具體角度根據(jù)式(4)設(shè)計(jì)得到；使得目標(biāo)等效光柵波矢d)方向與波導(dǎo)軸向有一個(gè)需要的特定夾角(此特定夾角一般設(shè)計(jì)中常用到2-15度)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是在制備任意角度和比例的功分器與定向耦合器時(shí)，在功分器與定向耦合器件的不同位置刻上不用的取樣結(jié)構(gòu)；不同的取樣結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)等效光柵波矢 ^Ρ)與入射光構(gòu)成布拉格匹配條件，其反射角度根據(jù)式(4)設(shè)計(jì)，形成定向耦合器；設(shè)計(jì)合適的折射 率調(diào)制，折射率調(diào)制一般在0. 001到0. 2 ；折射率調(diào)制越大衍射效率越高；這樣使得不同位 置的光只反射一部分能量，形成功分器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是制備任何體光柵濾波器以及基于體光柵的光學(xué)器件時(shí)，采用均勻種子光柵， 利用普通掩模版進(jìn)行曝光，實(shí)現(xiàn)取樣結(jié)構(gòu)；取樣圖案根據(jù)式(3)-(7)設(shè)計(jì)，使得目標(biāo)等效光 柵的光柵形貌是所要求的目標(biāo)光柵的形貌。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是制備任何具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)光柵(二維或者三維光柵)的光子器件時(shí)，利用全息曝光來(lái)刻寫均勻種子光柵，并根據(jù)所需要的目標(biāo)光柵和式(3)- (7)獲得相應(yīng)的取 樣圖案，采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)在種子光柵上實(shí)現(xiàn)取樣圖案，從而獲得所需要的目標(biāo)光柵和 相應(yīng)的光子器件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵 的制備方法，其特征是制備基于等效重構(gòu)-啁啾技術(shù)的多波長(zhǎng)Dra半導(dǎo)體激光器集成器件 和波導(dǎo)布拉格光柵濾波器、耦合器或波分復(fù)用器的集成器件時(shí)，基于等效重構(gòu)-啁啾技術(shù) 的多波長(zhǎng)DFB激光器和基于微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配的波導(dǎo)光柵濾波器、耦合器或波分復(fù)用器的 的種子光柵是一樣的，均利用一次全息曝光實(shí)現(xiàn)；根據(jù)式(3) - (7)設(shè)計(jì)所需要的整體的取 樣圖案，再利用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)一次同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片上的取樣光柵結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)多種 功能的光子器件的單片集成。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備 方法，其特征是多層取樣光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8信道的平面波導(dǎo)波分復(fù)用器，波導(dǎo)芯層為摻Ge 二氧化硅(Ge:SiO2)芯層材料，有效折射率為1. 455，種子光柵折射率調(diào)制為0. 006 ；平面波 導(dǎo)波分復(fù)用器總的寬度為40微米，設(shè)為X方向；取樣級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的不同的取樣結(jié)構(gòu)層長(zhǎng)度為100微米，那么該波分復(fù)用器總長(zhǎng)為1200微米，設(shè)為Z方向；種子光柵的波矢^1(F)方向與器件的腔的+Z方向，周期為500納米；波長(zhǎng)范圍在1544納米到1558納米，信道間隔是2納米；入射的多信道光與+Z方向平 行；那么對(duì)應(yīng)的取樣結(jié)構(gòu)分別為對(duì)應(yīng)的反射波長(zhǎng)/取樣周期/取樣結(jié)構(gòu)的波矢方向^^巧與種子光柵的波矢方向的夾角/對(duì)應(yīng)的光與Z軸反射的夾角
12.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)傾斜波導(dǎo)光柵和抑制0級(jí)的基于 等效重構(gòu)啁啾技術(shù)的DFB激光器的微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的 制備方法，其特征是對(duì)于傾斜的波導(dǎo)光柵，波導(dǎo)芯層為摻Ge 二氧化硅(Ge: SiO2)芯層材料， 有效折射率為1. 455，單模波導(dǎo)，種子光柵折射率調(diào)制為0. 006 ；種子光柵的光柵周期是480納米，周期性取樣結(jié)構(gòu)的周期是4微米；種子光柵的波矢的方向平行于波導(dǎo)的軸向；取樣結(jié)構(gòu)的光柵波矢1(？)與種子光柵的光柵波矢尾灼的夾角是31度；實(shí)現(xiàn)-1級(jí)目標(biāo)等效光柵的波矢與波導(dǎo)軸向夾角是4度；對(duì)應(yīng)的單模波導(dǎo)內(nèi)-1級(jí)目標(biāo)等效光柵的布拉格波長(zhǎng)是1. 5496微米，取樣結(jié)構(gòu)的光柵波矢到種子光柵的光柵波矢島(F)的夾角是順時(shí)針或逆時(shí)針；對(duì)于抑制0級(jí)的基于等效重構(gòu)啁啾技術(shù)的DFB激光器的波導(dǎo)光柵設(shè)計(jì)特征，有 效折射率是3. 1，激光器腔長(zhǎng)是400微米，脊條寬度是2微米，種子光柵的光柵周期是238納米，取樣周期是3微米，取樣結(jié)構(gòu)的波矢方向·^r(F)和波導(dǎo)軸向夾角是53. 67度，種子光柵 的波矢方向^^F)與激光器波導(dǎo)腔的軸向夾角是3. 67度，取樣結(jié)構(gòu)的波矢的方向、種子光柵的波矢IciP)的方向與激光器波導(dǎo)腔的軸向夾角都為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度或者都為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度；-1級(jí)目標(biāo)等效光柵的波矢方向與波導(dǎo)軸向平行，其周期是250. 27納 米，對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)內(nèi)布拉格波長(zhǎng)是K51. 71納米。
全文摘要
微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的制備方法，以普通波導(dǎo)光柵作為種子光柵，在此基礎(chǔ)上形成二維或者三維的折射率調(diào)制的取樣結(jié)構(gòu)即取樣光柵；該取樣結(jié)構(gòu)取樣光柵含有多個(gè)影子光柵，選擇其中一個(gè)影子光柵作為目標(biāo)等效光柵；在經(jīng)過(guò)取樣后的光柵包含很多級(jí)次的傅立葉分量即影子光柵，對(duì)應(yīng)的光柵波矢為，所有的這些影子光柵的光柵形貌由改變?nèi)咏Y(jié)構(gòu)而改變；當(dāng)種子光柵波矢和所需要的二維或者三維光柵波矢之間不匹配情況下，則采用取樣結(jié)構(gòu)傅立葉分量中某一傅立葉周期性結(jié)構(gòu)分量來(lái)補(bǔ)償他們之間波矢的不匹配，本發(fā)明可應(yīng)用在具有任意光柵形貌的多維目標(biāo)波導(dǎo)光柵和體光柵的設(shè)計(jì)與制造，可簡(jiǎn)化光柵制作工藝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前各種基于光柵的光子器件。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102147492SQ20111010487
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者施躍春, 陳向飛 申請(qǐng)人:南京大學(xué)