CN102147492B - 微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法，以普通波导光栅作为种子光栅，在此基础上形成二维或者三维的折射率调制的取样结构即取样光栅；该取样结构取样光栅含有多个影子光栅，选择其中一个影子光栅作为目标等效光栅；在经过取样后的光栅包含很多级次的傅立叶分量即影子光栅，对应的光栅波矢为

，所有的这些影子光栅的光栅形貌由改变取样结构

而改变；当种子光栅波矢

和所需要的二维或者三维光栅波矢之间不匹配情况下，则采用取样结构傅立叶分量中某一傅立叶周期性结构分量来补偿他们之间波矢的不匹配，本发明可应用在具有任意光栅形貌的多维目标波导光栅和体光栅的设计与制造，可简化光栅制作工艺，同时实现当前各种基于光栅的光子器件。

Description

微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法

一、技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯，光子集成，光电传感以及其他光电信息处理，提出微结构准相位匹配技术（Micro-structure Quasi-phase-matching technology，MS-QPM），以及基于该技术，利用取样结构等效实现任意的二维平面波导布拉格光栅或者三维体光栅的目标光栅形貌，并基于这种设计思路提出多种新型光子器件，包括一种新型的波分复用器和无逆向反射的滤波器，倾斜波导光栅，基于等效重构啁啾技术DFB激光器的0级抑制，以及功分器与定向耦合器。

二、背景技术

　随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。近十年来，随着网络的不断演进和巨大的信息传输需求，对光纤通信提出了更高的要求，同时也促进了光纤通信技术的发展。尤其是光通讯器件，需要新的理论和性价比更高的器件来支撑光网络的进一步的发展。而近年来出现的光子集成技术，顺应了时代的发展，正开启着一个全新的光网络时代。光子集成技术则被认为是光纤通信最前沿、最有前途的领域。在美国硅谷实验室中，英飞朗（Infinera）公司已经用磷化铟等材料制成大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低容量更高。在无源光器件中，波导布拉格光栅因为起很好的波长选择性而被应用于多种光通讯分立器件及光子集成器件中。如平面集成Bragg波导光栅滤波器【1】，可以实现不同波长的光信号的复用/解复用或滤波，波导光栅辅助的光分插复用器件（OADM）【2-3】，以及有倾斜光栅的光波导模式变换器等等【4】。在实际的设计中，往往在一块光子芯片上要实现不同功能的波导光栅，那么不同功能的光栅形貌也是不一样的，这就需要不同步骤的单独刻写。尤其是如果想在同一片芯片上实现不同光栅方向和周期以及有相移、啁啾甚至是任意的光栅条纹结构等具有精细结构的波导光栅，则传统的低成本的全息曝光技术几乎是不可能实现的，所以往往需要利用先进的微加工技术，例如，能够控制每一条光栅条纹的电子束曝光技术（E-Beam）。但电子束曝光技术高成本、耗时等缺点无疑增加了很多制造难度和工艺成本，而且很难大规模产业化。

为了解决这些实际的问题，首先由陈向飞等人在光纤光栅的制作中找到了一种可靠的解决方法，并将这种技术称之为“等效重构——啁啾（REC）技术”【5-6】。等效重构-啁啾技术实现了利用微米量级的加工精度来制作具有纳米量级的器件。该方法也成功应用于分布反馈（DFB）半导体激光器以及DFB激光器的阵列的设计制造【7-9】，这给光子集成所需的高性能半导体阵列光源制造这一技术瓶颈，提供了很好的解决方案。为了进一步解决平面光子集成中对不同形貌波导光栅的单片集成，降低制造成本，在本发明申请人前期研究基础上，本发明提出一种微结构准相位匹配技术（MS-QPM）。该技术提供了一种新的波导光栅设计制造方法，也给出了一些波导光栅或者体光栅中新的结构变换特性以及对应的光学特性，比如能在相同的种子光栅结构下，通过取样手段等效地改变光栅不同的周期，转动光栅不同的方向。而等效-重构啁啾技术是微结构准相位匹配（MS-QPM）技术在一维情况下的一个特例【5】。该技术在数学表达上和在非线性光学材料中著名的准相位匹配技术（QPM）有类似的描述【10、11】，因此也是准相位匹配技术的一个新的发现和拓展。总而言之，该方法能够实现仅仅改变大尺度的取样结构，而种子光栅保持不变的情况下，能实现任意的二维或三维目标光栅条纹形貌。所以只要利用二维或三维的按需要设计的具有微米量级的取样结构，结合均匀的种子光栅，可以实现任意的物理可实现二维或三维的等效光栅形貌。该结构可以实现各种具有精细结构波导光栅或体光栅的光学特性，但是因为种子光栅是均匀的，改变的仅仅是取样结构，而取样的尺度一般在微米量级以上，所以该方法的实现只需要标准的全息曝光技术加上一次传统的光刻技术，这样大大缓减了对工艺的要求，同时大幅地增加了产品的成品率。

   基于这种二维或三维的取样结构的光栅设计思路，可以用来设计一些新的光子器件。比如可以实现波分复用器。到目前位置，市场上主流的波分复用器是阵列波导光栅（AWG）和多模干涉器件（MMI）。这些器件对波导精度的要求很高，而且尺度比较大。如果利用这种二维的取样结构，结合体光栅的布拉格反射原理，则可做成结构紧凑的新型波分复用器。除此之外，可以实现另外一些光子器件，比如，能够实现无逆反射的滤波器，抑制 0级信道的基于等效重构啁啾技术的DFB半导体激光器，任意角度的定向耦合器和功分器，光波导模式变换器，同时包括其他任何基于光栅的波导光子器件，以及体光栅器件。我们相信，该设计方法能够在平面光子集成以及其他与光栅有关光子器件的设计生产中开辟新的道路，带来新的曙光。

本发明的主要思想是：提出微结构准相位匹配技术，基于该技术利用均匀的二维或三维种子光栅与所需要的取样结构，实现任意光栅条纹形貌的目标波导光栅与体光栅，以及基于此的新型光子器件。

文献引用

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[3]Ming Li, Yaming Wu, Jiangyi Yang, and Hongchang Qu, Return loss reduction of integrated grating-assisted optical Add/Drop multiplexer by control the reflective spectrum,(通过控制反射谱实现低的反射损耗的集成光栅辅助光上传/下载复用器)，Journal of lightwave technology , 2005, 23(3): 1403-1409.

[4] Jose M. Castro, David F. Geraghty, Demonstration of mode conversion using anti-symmetric waveguide Bragg gratings, （利用非对称的波导布拉格光栅实现模式转换）,Optics Express, 2005, 13(11): 4180-4184.

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[7] Yitang Dai and Xiangfei Chen, DFB semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology（基于重构—等效啁啾技术的DFB半导体激光器）, Optics Express, 2007,15(5)：2348-2353.

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[10] J. A . Armstrong, N. Bloembergen, J.Ducuing, and P.S.Pershan. Interactions between light waves in a nonlinear dielectric. （光于非线性介质的相互作用），Physical review, 1962, 127(6)：1918-1939.

[11] Shi-ning Zhu, Yong-yuan Zhu, Nai-ben Ming, Quasi-Phase-Matched third-harmonic generation in a quasi-periodic optical superlattice. (准周期光学超晶格中准相位匹配三次谐波的产生)，Science, 1997, 278 (843).

三、发明内容

本发明的目的在于，提出和阐明微结构准相位匹配技术，并基于该技术设计任意条纹形貌的功能光栅结构。该方法可以利用二维或者三维的小周期种子光栅与按要求设计的取样结构，等效实现任意光栅条纹形貌的目标波导光栅与体光栅的设计制造和工艺方法，从而简化制造工艺降低加工成本，并设计基于此的多种新型光子器件。

发明具体内容和技术方案具体如下：一种微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法，在物理可实现情况下，实现任意条纹形貌的二维波导光栅或者三维体光栅作为目标光栅的制备，其特征是以普通波导光栅作为种子光栅，光栅周期一般在50-1000纳米之间；并在此基础上现成二维或者三维的折射率调制取样结构，即取样光栅；该取样光栅经过傅立叶级数展开含有多个傅立叶分量，每个分量称为影子光栅，选择其中一个影子光栅作为目标等效光栅；种子光栅波矢是                                                

，那么光波矢

和种子光栅波矢之间的波矢差

为

      

                          （1）

当一个波矢为

的光入射到一个光栅（二维或者三维光栅）器件时，要发生比较强烈的耦合作用，光波矢

需要和该器件的光栅波矢匹配，如果该光栅是种子光栅，当

时，即光波矢和光栅波矢之间位相完全匹配时，光与光栅的耦合作用最大，光栅起作用效率也最高。这样现象也称之为布拉格衍射。

种子光栅表示为折射调制幅度的分布

；经过任意的取样结构取样后的取样光栅折射率调制可以表示为     

                                                     （2）

其中

是取样图案，是种子光栅的折射调制幅度。是空间位置矢量。对（2）式进行傅立叶分析可以得到

          （3）

其中j表示虚数，

是取样周期性结构不同傅立叶级次的光栅波矢，这些周期性傅立叶分量称之为取样傅立叶子光栅；

是种子光栅的光栅波矢，

，

是种子光栅周期，

是种子光栅方向；

是傅立叶系数，n表示傅利叶的级次，代表了所有二维或者三维取样光栅的所有傅立叶分量，即所有影子光栅； 根据式（3），在经过取样后的光栅包含很多级次的傅立叶分量即影子光栅，对应的光栅波矢为

，所有的这些影子光栅的光栅形貌通过改变取样结构

而改变；不同级次的影子光栅波矢

是种子光栅的光栅波矢

和取样结构不同傅立叶级次波矢

的矢量和，对于其中某个傅利叶级次（n=N），根据公式（3）表示为，

                             _（4）

使该影子光栅波矢 等于目标光栅的波矢

，即 ；

称为目标等效光栅波矢；

为种子光栅波矢，

称为目标取样傅立叶子光栅的波矢，

为所需要的光栅条纹形貌对应的波矢量即目标光栅的波矢；目标等效光栅波矢

通过取样结构的图案改变：改变取样结构的图案则可以改变波矢

，以此等效实现所需要的任意的目标光栅形貌；就是当种子光栅波矢

和所需要的二维或者三维光栅波矢之间不匹配情况下，则采用取样周期性结构中某一级次的傅立叶周期性结构分量，即目标取样傅立叶子光栅的波矢

来补偿他们之间波矢的不匹配，这种技术同非线性光学的准位相匹配技术类似，即通过额外的周期性调制结构使光学传输过程中相位差为零，及实现如下的位相匹配

                  _（5）

根据式（3），取样光栅的相位也是一个空间的函数，对于影子光栅的相移（以均匀的取样和种子光栅为例）表示成为

                  （6）

如果取样结构中有一个相移，并且空间移动量为

，那么取样光栅的相位可以表示成为

                  

             （7）

这样在取样光栅的傅立叶子光栅中等效地引入一个相移，相移量为

；

如果希望种子光栅是均匀的，则

，这样一个为相移量被引入到该取样光栅的第n级影子光栅中；

在取样光栅结构中，通过取样的图案或形状即占空比来改变目标等效光栅的折射率调制强度以及切趾；二维情况下，通过改变取样形状使目标等效光栅的折射率调制强度改变，该目标等效光栅的最大折射率调制强度对应的取样具体形状可以通过傅立叶分析获得。

在实际光信号传输和处理过程中，光信号拥有一定的带宽，即信号光不是单频率点光，而是带有一定信号带宽的某一波长光信号或者多波长光信号，因此对应光栅的周期性结构需要根据实际信号光的传输和处理情况进行改变，才能够获得最佳的作用效率。对于实际光信号，获得最佳或者接近最佳作用效率的光栅结构就是我们所需要的目标光栅（二维或者三维光栅），其光栅波矢就是目标光栅波矢 _。

目标光栅绝大多数情况下，都不是均匀光栅，而光信号波长对应的光栅周期一般为百纳米量级，因此制作目标光栅就需要纳米工艺，同时多波长光信号之间的波长间隔最小在1纳米以下，就需要亚纳米精度来获得性能良好的目标光栅，这给目标光栅制造，特别是商业大规模生产带来很大的困难。

目标光栅的条纹形貌是和其光栅波矢是一一对应的，因此客观上获得目标光栅的核心方法是怎样获得所需要的目标光栅波矢

。本发明就是给出一种实现目标光栅条纹形貌或者目标光栅波矢

的光栅结构方法。对种子光栅取样后的光栅仍然具有周期性结构，根据傅立叶分析，它也是一系列傅立叶分量的叠加。每一个傅立叶分量称为影子光栅。这些影子光栅的波矢是种子光栅的波矢和取样傅立叶子光栅波矢的几何矢量合成。通过改变取样结构可以使某个取样傅立叶子光栅的波矢与种子光栅波矢矢量合成后所对应的影子光栅波矢等于目标光栅波矢，这样目标光栅就可以等效地实现。在这里用来等效实现目标光栅的某个选定的傅立叶级次的取样傅立叶子光栅我们称为目标取样傅立叶子光栅，对应的取样光栅中同一傅立叶级次的影子光栅，我们称之为目标等效光栅。换言之，目标光栅的波矢等于目标取样傅立叶子光栅波矢与种子光栅波矢的几何矢量合成来等效实现。其中种子光栅结构采用传统低成本技术，如全息曝光或者近场全息曝光技术实现，现成大面积低成本种子光栅，而取样周期性结构则采用传统光刻技术实现，从而在一个大面积结构中实现各种功能目标光栅。

以二维均匀波导光栅（也可以是任意的光栅，均匀光栅仅仅为了方便制造）作为种子光栅，光栅周期一般在50-1000纳米之间；并在此基础上现成二维的折射率调制取样结构，即取样光栅；该取样光栅含有多个影子光栅，选择其中一个影子光栅作为目标等效光栅，该目标等效光栅可以等效地实现目标波导光栅和体光栅。种子光栅实际上就是普通二维或三维布拉格光栅，周期比较小，一般周期为百纳米量级。在本发明中，这种光栅只提供基本光栅反馈，不提供复杂的光响应，因此称为种子光栅。原则上种子光栅形貌可以是任意的，但是在实际的生产制造过程中，利用全息曝光技术，均匀的种子光栅的制造非常方便，因此往往选择种子光栅为均匀光栅，再在种子光栅上做取样图案，原则上取样图案也可以是任意的。取样图案也是一种周期性结构，称为取样周期性结构，但是相对于种子光栅，它的周期更大，一般比种子光栅的周期大一个数量级。因为取样结构的周期性，根据公式（3），它具有很多傅立叶分量，这些周期性傅立叶分量的周期值等于或者小于取样结构的周期值。这些傅立叶分量也是一系列的光栅。与种子光栅周期相比，它们的周期更大。如果将取样结构加在种子光栅上，形成具有取样图案的光栅折射率调制。这样的周期性折射率调制结构就是一般人们所熟悉的取样光栅(二维或者三维取样光栅)。

因此，当种子光栅波矢和目标光栅波矢之间不匹配时，可以不改变种子光栅结构（种子光栅波矢不变），而改变取样周期性结构，利用目标取样傅立叶子光栅波矢来补偿他们之间波矢的不匹配，这种原理同非线性光学的准位相匹配原理类似，即通过额外的周期性调制结构使光学传输过程中位相差为零，即实现如本发明内容公式（5）的位相匹配。公式（5）与非线性材料中的准相位匹配技术有完全类似的数学表达形式和物理内涵，都是利用额外的周期性调制结构来补偿位相失配，使最终光学过程实现位相匹配。在本发明中，是利用大周期的取样结构来补偿种子光栅与目标光栅的位相失配，使目标等效光栅波矢与目标光栅波矢位相匹配的过程，称为微结构准位相匹配。相应地，本发明技术称为微结构准位相匹配技术（MS-QPM技术）。

在物理可实现情况下，利用光栅结构准位相匹配实现具有任意光栅条纹形貌的目标等效光栅，特别是倾斜/弧形条纹光栅、啁啾/相移光栅；经过取样后的光栅包含很多级次的傅立叶分量，也即影子光栅对应的光栅波矢为，根据式（4、5），如果要获得某一特定的目标等效光栅形貌，即某一特定傅立叶级次的影子光栅形貌，那么通过光栅波矢的合成，设计相应的取样周期性结构来获得特定级次的影子光栅的光栅波矢，从而等效地实现任意的目标等效光栅形貌，该目标等效光栅就当作所需要的目标光栅。特别地，对于光栅方向的改变，根据式（4），利用改变取样结构的光栅波矢方向、实现任意光栅方向倾斜/弧形条纹的目标等效光栅；对于多维相移光栅的实现，利用式（6）和（7）在取样结构上进行相移；对于光栅啁啾的实现，则根据式（3）（4）沿空间改变取样周期与方向。在制备上，均匀的种子光栅周期尺度是百纳米量级，利用传统的全息曝光或类似的近场全息曝光来实现，取样结构周期在微米量级，则利用传统的光刻实现。

制备波分复用与解复用器件的方法，其一是具有不同取样方向和周期的取样结构的多层级联或者称为多层结构，每一层的取样光栅对应的目标等效光栅反射一个特定的布拉格波长，种子光栅保持均匀；或者其二是利用啁啾种子光栅作为取样均匀的种子光栅，这种种子光栅中不同周期位置所对应的目标等效光栅反射不同频率的光波实现光的解复用；同时不同的波长按给定的角度与位置入射，不同频率的光波在光栅对应满足布拉格条件的位置发生强衍射而向同一方向传播耦合到同一根波导中构成复用。器件总的腔长视信道数目而定；制备二维光栅时取样布拉格光栅的取样周期0.5-20.0微米，体光栅的取样光栅的周期更长。

在制备光栅滤波器时，在光栅滤波器腔的长度的1/4处和3/4处，在目标等效光栅中有一个等效的π相移，形成一个透射峰，等效π相移根据式（6）和（7）实现；滤波器腔长为50.0微米到5000.0微米；折射率调制为0.2或者更高（透射光的禁带宽度达到40nm或者更宽，可以完全覆盖一个通讯窗口）。

在制备一种能够抑制0级的基于REC技术的DFB半导体激光器时，采用均匀的种子光栅，种子光栅的波矢

方向与激光器波导谐振腔的轴向倾斜，倾斜角度2-15度，取样结构也与波导轴向做相应的倾斜；这样根据式（4），使目标等效光栅波矢方向与波导轴向平行（通常 N=±1）；种子光栅波矢方向与波导轴向倾斜的角度视抑制0级的效果来确定，一般在3-15度范围，有比较好的抑制0级效果；（具体所设计的种子光栅与取样的参数可以按照本发明内容公式（4）来设计。取样周期一般在0.5-20微米。在倾斜角度在10度或更大的时候，可以完全抑制0级信道）。

在制备倾斜波导光栅以及由倾斜波导光栅为基础的光栅器件时，采用均匀的种子光栅，种子光栅波矢

的方向按照所需要设计要求来设定，倾斜取样结构中的目标取样傅立叶子光栅波矢

的方向与种子光栅有一定的夹角， 具体角度根据式（4）设计得到；使得目标等效光栅波矢

方向与波导轴向有一个需要的特定夹角。（此特定夹角一般设计中常用到2-15度）。

在制备任意角度和比例的功分器与定向耦合器时，在种子光栅的不同位置刻上不用的取样结构；不同的取样结构对应的目标等效光栅波矢

与入射光构成布拉格匹配条件，其反射角度根据式（4）设计，形成定向耦合器；（设计合适的折射率调制，折射率调制一般在0.001到0.2；折射率调制越大衍射效率越高）；这样使得不同位置的光只反射一部分能量，形成功分器。

制备任何体光栅滤波器以及基于体光栅的光学器件时，采用均匀种子光栅，利用普通掩模版进行曝光，实现取样结构；取样图案根据式（3）—（7）设计，使得目标等效光栅的光栅形貌是所要求的目标光栅的形貌。

制备任何具有精细结构的波导光栅(二维或者三维光栅)的光子器件时，利用全息曝光来刻写均匀种子光栅，并根据所需要的目标光栅和式（3）-（7）获得相应的取样图案，采用传统的光刻技术在种子光栅上实现取样图案，从而获得所需要的目标光栅和相应的光子器件。光子器件的光刻部分如波导结构等同时完成。

制备基于等效重构-啁啾技术的多波长DFB半导体激光器和波导布拉格光栅滤波器单片集成时，基于等效重构-啁啾技术的多波长DFB激光器和基于微结构准相位匹配的波导光栅滤波器的种子光栅是一样的，可以利用一次全息曝光实现。根据式（3）-（7）设计所需要的整体的取样图案，再利用传统的光刻技术一次同时实现整个芯片上的取样光栅结构，从而实现多种功能的光子器件的单片集成。

本发明的有益效果是：这是一种微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备，提出和阐明多维目标波导光栅和体光栅微结构准相位匹配技术，并基于该方法设计任意条纹形貌的功能光栅结构。该方法可以利用二维或者三维的小周期种子光栅与按要求设计的取样结构，等效实现任意光栅条纹形貌的目标波导光栅与体光栅的设计制造和工艺方法，从而简化制造工艺降低加工成本，并设计基于此的多种新型光子器件。

四、附图说明

图1、本发明形成目标等效光栅的矢量合成示意图，以均匀种子光栅（seed grating）为例。

图2、本发明入射光波与目标等效光栅的相互作用示意图。

图3、 分层取样波分复用器示意图。

图4、 啁啾种子光栅倾斜取样波分复用器示意图。  

图5、 无逆反射滤波器示意图。   

图6、 具有抑制0级的基于REC技术的DFB激光器。

图7、　倾斜波导光栅的设计。

图8、 功分器与定向耦合器原理图。

图9、（a、b）取样光栅制作示意图,  (c、d)一个MS-QPM技术的等效倾斜光栅的设计实例，光栅波矢合成示意图与光在该结构上发生的耦合衍射。

图10、镀膜的相位掩模版制作平面波导布拉格光栅示意图

图11、体光栅的光栅记录装置图（摘自硕士毕业论文 《基于体全息光栅的波分复用器件的实验研究》北京工业大学）

五、具体实施方式

在取样光栅结构中，可以通过取样的形状（占空比）来改变目标等效光栅的折射率调制强度以及切趾。一维情况下，取样形状与目标等效光栅的折射率调制强度的关系可以参看基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器（专利申请号200910264486.9）。二维情况下，合适的取样形状可以使目标有效光栅的折射率调制强度最大，该取样具体形状可通过傅立叶分析获得。

公式3-5可以看到，取样后的光栅的各级傅立叶级次的子光栅的光栅波矢

是取样结构的不同傅立叶级次的波矢

与种子光栅波矢的几何矢量合成而成。如图1所示，如果随空间方向改变取样周期性结构，取样光栅的傅立叶子光栅波矢也会随之而改变。这样通过改变取样周期性结构，可以等效地实现所需要的任意结构的目标等效光栅波矢、即目标光栅波矢

，包括随空间改变光栅的方向和周期。

取样周期性结构是均匀的情况下，即取样周期性结构的波矢是一个常数。但是取样周期性结构的方向与种子光栅的方向存在一个夹角。根据公式(3) 和(4)，

，也就是说，所有影子光栅也将是一个均匀的光栅，但是光栅方向发生了一个角度的旋转。如果入射光波长和目标等效光栅满足布拉格匹配条件，那么这束光将在满足布拉格条件的方向产生强烈的衍射作用，如图2所示。

当目标光栅不是均匀的情况下，目标光栅是啁啾的或者存在相移。则根据本发明内容公式（3）-（5），需要取样结构的傅立叶子光栅波矢

是空间变化的函数，那么所需要的啁啾通过改变目标取样傅立叶子光栅波矢

即可。根据公式（3），取样光栅的相位也是一个空间的函数，对于影子光栅的相移，根据本发明公式（6）和（7）的内容，在取样结构中引入一个相移，空间移动量为

_，就可以在目标等效光栅上造成一个相应的相移

，这样一个为

相移量被引入到该取样光栅的第N级影子光栅中。

 所有以上二维的结论和设计制造方法都可以拓展到三维情况，对于三维光栅依旧成立，如体光栅的设计。这种设计方法大大简化了制作复杂光栅的方法。进一步地根据公式（4）可以知道，如果在光栅为一维特殊情况的时候，本发明给出的微结构准相位匹配技术，则简化成为等效—重构啁啾技术。对于二维或三维点阵结构的种子光栅，如类似光子晶体的折射率调制，以及任意结构的种子光栅，即种子光栅波矢

是空间变化的函数，以上的结论依然成立。本发明内容适用于各种光材料，如硅基材料，III-V族材料。

以上发明内容阐述了实现微结构位相匹配和获得目标等效光栅的基本方法和过程，但是要说明现微结构位相匹配技术的可用性，需要如下的一些具体光栅结构及其功能来说明。

、           波分复用光栅结构

（1）分层取样结构（图3）

种子光栅为同一个光栅，但是取样是分层取样，即如果每一层的取样不一样，这样每一层中某个选定的取样光栅的目标等效光栅波矢

，只对应了一个特定的布拉格匹配波长。如果入射光波中，不同频率的光波等于不同的布拉格波长，这样不同波长的光将在不同的地方，按不同的角度反射回来，在空间上实现光的解复用。由于光路的可逆性，如果将不同的频率的光波在不同的角度入射，对应了取样光栅不同位置的布拉格波长，那么这些光波将会反射回同一个方向并耦合到同一根波导中，实现不同波长光波的复用。以上的集成波导波分复用原理对于体光栅也是成立的。

（2）   均匀倾斜取样啁啾种子光栅的取样光栅结构（图4）

可以设计啁啾种子光栅，取样结构均匀且方向与种子光栅有个角度，那么矢量合加而成的目标等效光栅波矢

，方向和大小随空间而变化。所以不同频率的光波入射，将在不同位置满足布拉格条件并按不同的方向发生强烈衍射，在空间上分开，实现光的解复用。如果不同频率的光波按不同的角度在不同的位置入射，并对应了取样光栅不同位置的布拉格波长。同样根据光路的可逆性，再反射到同一个方向耦合进同一根光波导中，实现光的复用。

以上的二维波导波分复用原理对于体光栅也是成立的。

例如对于多层取样光栅的结构可以设计8信道的平面波导波分复用器。波导芯层为掺二氧化硅（Ge:SiO₂）芯层材料有效折射率为1.455，种子光栅折射率调制为0.006。如图具体实施方式图3。平面波导波分复用器总的宽度为40微米，设为X方向。取样级联结构中对应的不同的取样结构层长度为100微米，那么该波分复用器总长为1200微米，设为Z方向。种子光栅的波矢方向与器件的腔的+Z方向，周期为500纳米。波长范围在1544纳米到1558nm，信道间隔是2纳米。入射的多信道光与+Z方向平行。那么对应的取样结构图案为在表1所示。

表1.对应的反射波长/ 取样周期/取样结构的的波矢方向

与种子光栅的波矢

方向的夹角/对应的光与Z轴反射的夹角。

信道波长	取样周期	取样结构的的波矢方向 与种子光栅的波矢 方向的夹角	对应的光与Z轴反射的夹角
				1544纳米	4.20微米	55度	11.95度
1546纳米	4.00微米	56度	12.71度
				1548纳米	3.85微米	56度	13.42度
1550纳米	3.60微米	57度	14.36度
				1552纳米	3.30微米	58度	15.90度
1554纳米	3.20微米	58度	16.44度
				1556纳米	3.10微米	58度	17.00度
1558纳米	3.00微米	58度	17.62度

这里取样傅立叶+1级影子光栅作为目标等效光栅。由于种子光栅的波矢方向与入射光的方向都为+Z方向，所以这里的夹角可以是顺时针，也可以是逆时针。两种取样情况与Z轴镜像对称。

、           无逆反射滤波器（图5）

在光栅器件的1/4处和3/4处根据公式（6）（7），在目标等效光栅中分别产生一个等效的π相移。那么将产生一个窄带的透射峰。对应的某一个信道可以通过，如果把折射率调制做大，折射率调制是0.2或者更高，那么透射光的禁带宽度将达到40nm或者更宽，这差不多已经能够覆盖整个光通讯窗口。由于布拉格反射的特性，其他的反射光将从与入射光对称的方向反射回来，并不会沿原路返回。这样可以避免原路返回的光对光源的干扰。因此在这样的器件中，环形器可以被省去。而环形器在集成光子器件中的实现是比价困难的。

、           抑制基于等效—重构啁啾（REC）技术的DFB半导体激光器中0级信道（0级影子光栅）光栅结构（图6）  

     REC技术设计的DFB半导体激光器，一般利用+1级或者-1级信道作为谐振腔，因为0级傅立叶子光栅折射率调制强度比较强，比较容易会产生激射，从而影响激光器单模成品率。在设计这种激光器时，往往要求0级信道远离增益区。这样才能抑制0级的潜在激射。而对于+2级或者-2级，由于光栅调制比较弱而可以忽略考虑，实际工作时也不会形成光的谐振。为了进一步抑制0级信道谐振，可以做倾斜的种子光栅，再做倾斜的一维取样，实现取样光栅的目标等效光栅波矢的方向与波导轴向平行，而其他级次都与波导轴向有个夹角。这样能在波导能形成振荡的光就只有N=-1级或者N=+1级（往往利用+1级和-1级中的一个级次，所以可以针对其中一个级次进行优化设计）。其他影子光栅对应的光谐振因波导侧向辐射而被抑制住。这种结构可以提高基于等效重构啁啾技术的激光器的单模特性。原理图如下（图6）。

0级光栅是与种子光栅相同方向的，所以本来也有可能形成光振荡的0级信道光将被侧向散射出去，从而抑制可能形成的激光。-1级光栅却能很好的形成一个谐振腔（这里以-1级为例，如果利用+1级原理一样）。该激光器中等效相移或者等效啁啾可以根据公式（6-7）和（3-4）产生。这对于基于等效-重构啁啾技术的单模激光器制作非常有利。

、倾斜波导光栅（图7）

这种光栅结构的设计与抑制0级光栅设计原理一致。这里的种子光栅波矢方向可以是沿波导轴向，也可以是其他的方向，只是利用倾斜的取样使得目标等效光栅波矢

与波导轴向构成一个我们所需要的角度。具体的种子光栅与取样结构的设计遵循矢量合成的原理。

例如制备平面矩形波导，芯层材料是掺锗二氧化硅（Ge :SiO₂）。波导宽度是6微米，波导芯层厚度是2微米，有效折射率（n_eff）为1.455，如果种子光栅的光栅波矢

方向沿腔的轴线平行，也即，光栅线条与轴向垂直。种子光栅周期是500纳米，按公式（4）计算得到的，如果希望等效实现倾斜光栅，倾斜角度与波导轴向交角（目标等效光栅的波矢方向于波导轴向）是6度，等效光栅周期是532.6纳米。那么需要设计的取样结构为取样周期是4.221微米，取样结构的波矢方向与轴向夹角为55.93度。 

例如实现倾斜光栅辅助的光上传下载器（OADM）。具体结构参数可见文献[3] ——图1基于无耦合器的集成光栅辅助的光上传/下载器的示意图。其中波导倾斜光栅部分可以根据公式（4）或（5）等效实现。

、功分器与定向耦合器（图8）

取合适的取样光栅方向和周期，那么目标等效光栅波矢

可以转动一个角度，这样对应满足布拉格匹配条件的光波将沿特定方向发生衍射。所以可以设计所需要的反射角，按指定的方向传播。如果光栅比较弱，那么满足布拉格条件的光波将一部分反射，另一部分继续传播，形成功分器。当然也可以实现功分器和定向耦合器相结合的器件。原理如图8。

例如可以设计1：1的定向耦合功分器。该器件的宽为30微米设为X轴方向，腔长为50微米设为Z方向。波导芯层材料为掺锗二氧化硅（Ge:SiO₂）,芯层材料有效折射率为 1.455。芯层厚度是2微米。种子光栅的波矢

方向沿+Z方向平行，周期是485纳米。如果希望30微米宽度的波长是1545.5入射光沿+Z方向传播，其中50%的能量经过光栅后沿Z轴15.74度反向定向传输，另外50% 的能量继续沿+Z方向传播。那么折射率调制为0.001，这里的取样是方波形状，占空比是0.5 。取样图案则为取样周期是3微米，取样光栅的波矢和种子光栅的波矢夹角是50度。

具体制备方法：

1、本发明中，二维或者三维目标等效光栅形貌和器件制造技术的关键，在于取样光栅结构的制作，具体的方法是：

（1）首先在光刻版（光掩膜）上，设计并制作我们所需要的取样图案，即按照技术方案里面的原理设计我们所需要的取样结构。这里值得注意的是，在这里有金属膜的地方对应有光栅区，没有金属膜的地方对应没有光栅区。

（2）在晶片上刻光栅的方法，实施的步骤共分两步：第一步，使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案作为种子光栅；种子光栅周期500nm，光栅折射率调制为0.06。第二步，用(1)中所得到的光刻版进行普通曝光，把光刻板上的图案复制到晶片上的光刻胶上，在光刻胶上形成取样图案。取样周期是2微米。对应的取样结构得波矢方向与种子光栅呈60度，即

与

呈60°夹角，N=1，如图9（c）所示光栅波矢合成示意图。再用腐蚀晶片的方法，在晶片上形成相应的取样光栅图案。两步的曝光顺序可根据工艺互换。图9(a\b)是基于二维的重构—等效啁啾技术的取样光栅刻写方法示意图。有效折射率是1.06，入射光波长是1.142um，入射光方向与种子光栅波矢平行，那么，光与种子光栅波矢28度夹角将有强烈的后向反射如图9(c\d)。该器件能控制光的定向传播。

（3）对于制作目标等效光栅也可以先在相位掩模版上镀上取样结构，然后利用已经镀膜的相位掩模版对掺锗的二氧化硅材料以及一些其他制作平面波导布拉格光栅的光敏材料进行一次性曝光。曝光时掩膜版应靠近光敏材料。退火后即可获得我们所需要的取样光栅结构。但是需要注意的是，这里掩模版上镀的金属膜与上述（2）中掩模版的取样金属膜条纹呈互补关系。即镀膜的地方没有光栅，没有镀膜的地方有光栅。图10给出了制作示意图。

2、基于微结构准相位匹配技术的平面波导布拉格光栅器件的制作

基于微结构准相位匹配技术的光子器件的实现材料比较多，一般制作平面波导布拉格光栅的材料都可以实现该结构光栅，如硅基二氧化硅、聚合物、SOI脊形波导，以及一些III-V族化合物半导体材料等。此滤波器的关键在于制作取样光栅图案，制作方法在具体实施方法1中已给出。

       下面就以SOI脊形波导制作布拉格光栅滤波器为例来加以说明，（除开刻蚀取样光栅结构，具体实施方法1中已经提到，其他工艺与文献“高阶布拉格光栅在SOI脊形波导上的光刻制作” 冉启江等，《半导体光电》，2009，6（30）3:391-384）类似：

（1）制作两块光刻掩模版。一块用于SOI芯片上制刻脊形波导，这块掩膜版与常规制作的SOI脊形波导掩膜版没有区别。第二块掩膜版上带有按要求所设计好的取样结构，如等效啁啾、等效相移，倾斜取样等等。

（2）清洗SOI芯片并涂上一层光刻胶，使用光刻机在第一块掩膜版下对SOI芯片进行曝光，显影定影后用等离子去胶30ｓ。在180^ｏＣ恒温箱中对SOI芯片进行大概30 分钟时间固胶。再进行ICP刻蚀。刻蚀深度由刻蚀时间决定。用等离子去胶机在150Ｗ的能量下去胶3分钟，去除刻蚀后的残胶完成脊形波导的制作。

（3）再次对片子进行清洗后通过图9所示的两次曝光法将第二块掩膜版上的取样光栅图案转移到光刻胶上。显影定影之后，经过去胶、固胶、ICP刻蚀、去除残胶等步骤，完成取样布拉格光栅的光刻。最后可以用PECVD在器件表面沉积1μm厚的SiO₂。为了消除端面反射可对器件两端抛光。

、具有抑制0级信道激射的基于REC技术的DFB半导体激光器

分布反馈半导体激光器的结构，是在n型衬底材料上由外延n型InP缓冲层、非掺杂晶格匹配的InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱、InGaAsP光栅材料层、InGaAsP波导层、InP限制层和InGaAs欧姆接触层顺次构成；InGaAsP光栅材料层的光栅是取样布拉格光栅，即为用作激光激射的等效光栅；激光激射的等效光栅的表面采用200-400nm厚的SiO₂绝缘层。

下面描述工作波长在1550nm范围，抑制0级激射的 DFB半导体激光器的具体制作步骤。

掩膜板制作：使用普通微电子工艺制作含有等效子光栅所需要的倾斜取样或者其他特殊取样图案的掩模板，取样图案由公式（3）-（7）决定。

器件的外延材料主要通过MOVPE技术制作，描述如下：首先在n型衬底材料上一次外延n型InP缓冲层（厚度200nm、掺杂浓度约1.1′10¹⁸cm^-2）、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层（下波导层）、应变InGaAsP多量子阱（光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5%压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料）和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP（掺杂浓度约1.1′10¹⁷cm^-2）上波导层。接下来通过所设计的取样变占空比掩模板和全息干涉曝光的方法在上波导层形成所需激光器的倾斜光栅结构。取样光栅制作好后，再通过二次外延生长p-InP 和p型InGaAs(100nm，掺杂浓度大于1′10¹⁹cm^-2)，刻蚀形成脊形波导和接触层，脊波导长度为400微米，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。再通过等离子加强化学汽相沉积法(PECVD)，将脊形周围填充SiO₂或有机物BCB形成绝缘层。最后镀上Ti-Au金属P电极。

器件两端面可分别镀上增透膜（AR）和高反膜（HR），激光器的阈值电流典型值为14mA左右，边模抑制比达到40dB以上。

4、基于微结构准相位匹配技术的体光栅器件的制作（图11）

对此系统的光路具体描述如下：

（1）采用Verdi-5激光器作为记录光源，从激光器发出的窄光束经过扩束系统后形成宽光束。

（2）偏振分束棱镜把扩束后的激光束分成偏振态互相垂直的两束光，选择垂直于实验平台偏振的反射光作为参考光，水平偏振的透射光作为物光，利用偏振分束镜前的半波片可以调节参考光和物光的强度比。

（3）水平偏振的物光经过半波片后变为垂直于实验平台的偏振光，通过快门1后，经过反射镜后照射在立方块晶体上。参考光通过快门2和反射镜后，照射到晶体上。

（4）记录全息光栅时，快门1和快门2均打开。物光和参考光在晶体中重叠的区域发生干涉，形成完全重叠型的体光栅。整个系统中，快门关闭、功率计采集衍射光的功率均由计算机控制完成。

以上步骤是制作传统的体光栅的方法，也是我们这里制作种子光栅的方法。

对于我们这里的技术，需要进行第二次取样曝光步骤，具体的步骤如下：

制作我们所需要的取样掩模版与取样光栅的制作一致，根据目标光栅和公式（3）-（7）来确定取样图案。

从激光器发出的窄光束经过扩束系统形成宽光束或者其他紫外光源，并对准掩模版对体光栅进行第二次曝光。形成所需要的取样结构。曝光区域的折射率大小与曝光时间有关，需要针对不同体光栅材料选择所需要的曝光时间，由于取样部分的折射率大小和体光栅的有效折射率有关，所以要控制好合适的曝光时间。

也可以类似于具体实施方法2中波导光栅的制作，可以将具有所需要的取样结构的金属掩模版放置于体光栅的前面，在扩束后的双光束干涉条纹直接照射到掩模版和掩模版后面的体光栅上进行曝光，一次性制作取样体光栅。

例如实现等效π相移的窄带体光栅滤波器。入射光与体光栅的端面法线夹角是5度。该法线方向设为Z轴。种子光栅波矢方向与Z轴平行。体光栅的记录介质为0.05% Fe：LiNbO3 晶体，尺寸是5mm×5mm×5mm，n₀=2.287。种子光栅周期是500纳米，取样结构的波矢

与种子光栅

同向。利用公式（7），在取样结构中引入相移，实现体光栅中间插入等效的π相移。目标等效光栅周期是 543.88nm，取样周期是6.197微米。对波长1550nm的光透射，其他波长的光将与法线方向5度，并与入射光对称，发生反射。种子光栅折射率调制一般在0.0015，如果折射率调制越大，那么反射光的带宽也愈大。

Claims (13)

1.一种微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅或体光栅的制备方法，在物理可实现情况下，实现任意条纹形貌的二维波导光栅或者三维体光栅作为目标光栅的制备，其特征是以普通波导光栅作为种子光栅，该种子光栅为均匀波导光栅，光栅周期在50-1000纳米之间；并在此基础上形成二维或者三维的折射率调制的取样结构即取样光栅；该取样光栅含有多个影子光栅，选择其中一个影子光栅作为目标等效光栅；

种子光栅波矢是那么光波矢

和种子光栅波矢之间的波矢差

为

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{k}=\stackrel{\→}{k}-{\stackrel{\→}{k}}_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)---\left(1\right)$

均匀种子光栅和任意的取样结构的取样光栅折射率调制表示为

$\mathrm{\Δ}{n}_s\left(\stackrel{\→}{r}\right)=S\left[\stackrel{\→}{r}\right]\·\mathrm{\Δn}\left(\stackrel{\→}{r}\right)---\left(2\right)$

其中

是取样结构，

是种子光栅的折射调制幅度；

是空间位置矢量；对（2）式进行傅立叶分析得到

$\mathrm{\Δ}{n}_s\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{n=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp (j\∫{\stackrel{\→}{G}}_{\mathrm{sn}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\·d\stackrel{\→}{r})\mathrm{\Δnexp}(j\∫{\stackrel{\→}{K}}_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)\·d\stackrel{\→}{r})$ （3）

$=\underset{n=-\∞}{\overset{n=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n\left(\stackrel{\→}{r}\right)\mathrm{\Δnexp}(j\∫{\stackrel{\→}{K}}_n\left(\stackrel{\→}{r}\right)\·d\stackrel{\→}{r})$

其中j表示虚数，

是取样周期性结构不同傅立叶级次的光栅波矢；

是种子光栅的光栅波矢，

是种子光栅周期，

是种子光栅方向；是傅立叶系数，n表示傅立叶的级次，代表了所有二维或者三维取样光栅的所有傅立叶分量，即所有影子光栅；根据式（3），在经过取样后的光栅包含很多级次的傅立叶分量即影子光栅，对应的光栅波矢为所有的这些影子光栅的光栅形貌由改变取样结构

而改变；不同级次的影子光栅波矢

是种子光栅的光栅波矢

和取样结构不同傅立叶级次子光栅波矢的矢量和，根据公式（3）表示为，即目标等效光栅波矢

${\stackrel{\→}{K}}_N\left(\stackrel{\→}{r}\right)={\stackrel{\→}{G}}_{\mathrm{sN}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)+{\stackrel{\→}{K}}_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)---\left(4\right)$

使该目标等效光栅波矢

等于目标光栅的波矢即

为种子光栅波矢，

为目标取样结构傅立叶子光栅的波矢，

为

即目标光栅的波矢，目标等效光栅波矢

通过取样结构的图案改变：改变取样结构的周期分布则能够改变波矢

以此等效实现所需要的任意的目标光栅形貌；就是当种子光栅波矢和所需要的二维或者三维光栅波矢之间不匹配情况下，则采用取样结构傅立叶分量中某一傅立叶周期性结构分量，即目标取样结构的傅立叶子光栅的波矢

来补偿他们之间波矢的不匹配，即通过额外的目标取样结构的周期性调制使光学传输过程中相位差为零，及实现如下的位相匹配

${\stackrel{\→}{K}}_d-{\stackrel{\→}{K}}_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)-{\stackrel{\→}{G}}_{\mathrm{sN}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=0---\left(5\right)$

根据式（3），取样光栅的相位也是一个空间的函数，对于影子光栅的相位变化，表示成为

$\exp [j{\stackrel{\→}{G}}_{\mathrm{sn}}\·\stackrel{\→}{r}]\exp \left(j({\stackrel{\→}{K}}_0\·\stackrel{\→}{r})\right)---\left(6\right)$

如果取样结构有一个相移，并且空间移动量为

那么取样结构的傅立叶子光栅也会产生一个相移量，对应的影子光栅的相位可以表示成为

$\exp [j{\stackrel{\→}{G}}_{\mathrm{sn}}\·(\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}^{\′})]\exp \left(j({\stackrel{\→}{K}}_0\·\stackrel{\→}{f})\right)$

$=\exp [j{\stackrel{\→}{G}}_{\mathrm{sn}}\·\left(\stackrel{\→}{r}\right)]\exp \left(j({\stackrel{\→}{K}}_0\·\stackrel{\→}{r})\right)\exp (j{\stackrel{\→}{G}}_{\mathrm{sn}}\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}^{\′})---\left(7\right)$

这样在取样光栅的傅立叶子光栅中等效地引入一个相移，相移量为

如果要求种子光栅是均匀的，则

这样一个为φ相移量被引入到该取样光栅的第n级影子光栅中；

在取样光栅结构中，通过一个取样周期内的取样的图案或形状即占空比来改变目标等效光栅的折射率调制强度以及切趾，即改变傅立叶系数

二维情况下，通过改变取样形状使目标等效光栅的折射率调制强度改变，该目标等效光栅的最大折射率调制强度对应的取样具体形状能够通过傅立叶分析获得。

2.根据权利要求1所述的微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅或体光栅的制备方法，其特征是在物理可实现情况下，利用光栅结构准位相匹配实现具有任意光栅条纹形貌的目标等效光栅，倾斜/弧形条纹光栅、啁啾/相移光栅；经过施加取样结构后的光栅包含很多级次的傅立叶分量，也即影子光栅对应的光栅波矢为

根据式（4）和（5），如果要获得某一特定的目标等效光栅形貌，即某一特定傅立叶级次的影子光栅形貌，那么通过光栅波矢的合成，设计相应的取样结构即取样周期性结构来获得该影子光栅的光栅波矢，从而等效地实现任意的目标等效光栅形貌，该目标等效光栅就当作所需要的目标光栅；对于光栅方向的改变，根据式（4），利用改变取样结构的光栅波矢

方向、实现任意光栅具有方向倾斜或弧形条纹的目标等效光栅；对于多维相移光栅的实现，取样结构利用式（5）-（7）在取样结构上进行相移；对于光栅啁啾的实现，则取样结构根据式（3）（4）沿空间改变取样周期与方向；在制备上，均匀的种子光栅周期尺度是百纳米量级，则利用传统的全息曝光，取样结构周期在微米量级，则利用传统的光刻实现。

3.根据权利要求1所述的多维目标波导光栅或体光栅的应用，其特征是利用多维目标波导光栅或体光栅制备波分复用与解复用器件，其一是采用具有不同取样方向和周期的取样结构的多层级联或者称为多层取样光栅的结构，每一层的取样光栅对应的目标等效光栅反射一个特定的布拉格波长，种子光栅保持均匀；或者是取样光栅是利用啁啾种子光栅作为取样均匀的种子光栅，这种种子光栅中不同周期位置所对应的目标等效光栅反射不同频率的光波实现光的解复用；同时不同的波长按给定的角度与位置入射，不同频率的光波在光栅对应满足布拉格条件的位置发生强衍射而向同一方向传播耦合到同一根波导中构成复用；波分复用与解复用器件总的腔长视信道数目而定；制备二维波分复用与解复用器件光栅时取样布拉格光栅的取样周期0.5-20.0微米。

4.根据权利要求1所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是利用多维目标波导光栅制备光栅滤波器，在光栅滤波器腔的长度的1/4处和3/4处，使取样结构中对应的目标等效光栅中有一个等效的相移，形成一个透射峰，等效的

相移根据式（5）-（7）实现；当滤波器腔长50.0微米到5000.0微米时，折射率调制0.2或者更高，透射光的禁带宽度达到40nm或者更宽，完全覆盖一个通讯窗口。

5.根据权利要求1所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是利用多维目标波导光栅制备一种能够抑制0级的基于REC技术的DFB半导体激光器，采用均匀的种子光栅，种子光栅的波矢

方向与波导轴向倾斜，倾斜角度2-15度，取样结构也与波导轴向做相应的倾斜；这样根据式（4），使取样光栅中目标等效光栅波矢

方向与波导轴向平行，N=±1；种子光栅波矢

方向与波导轴向倾斜的角度视抑制0级的效果来确定，在2-15度范围，有比较好的抑制0级效果；具体所设计的种子光栅与取样的参数按照式（4）来设计，取样周期在0.5-20微米；在倾斜角度在10度或更大的时候，能够完全抑制0级信道。

6.根据权利要求1所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是在利用多维目标波导光栅制备倾斜波导光栅，采用均匀的种子光栅，种子光栅波矢

的方向按照所需要设计要求来设定，倾斜取样结构中的目标取样傅立叶子光栅波矢

的方向与种子光栅有一定的夹角，具体角度根据式（4）设计得到；使得目标等效光栅波矢

方向与波导轴向有一个需要的特定夹角，此特定夹角设计中为2-15度。

7.根据权利要求1所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是在制备任意角度和比例的功分器或定向耦合器，在功分器或定向耦合器件的不同位置刻上不用的取样结构；不同的取样结构对应的目标等效光栅波矢

与入射光构成布拉格匹配条件，其反射角度根据式（4）设计，形成定向耦合器；如果设计合适的折射率调制，折射率调制在0.001到0.2，折射率调制越大衍射效率越高，这样使得不同位置的光只反射一部分能量，形成功分器。

8.根据权利要求1所述的多维目标波导光栅或体光栅的应用，其特征是利用多维目标波导光栅或体光栅制备任何体光栅滤波器，采用均匀种子光栅，利用普通掩模版进行曝光，实现取样结构；取样结构根据式（3）-(7）设计，使得目标等效光栅的光栅形貌是所要求的目标光栅的形貌。

9.根据权利要求1所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是利用多维目标波导光栅制备任何具有精细结构的波导光栅的光子器件，利用全息曝光来刻写均匀种子光栅，并根据所需要的目标光栅和式（3）-（7）获得相应的取样结构，采用传统的光刻技术在种子光栅上实现取样结构，从而获得所需要的目标光栅和相应的光子器件。

10.根据权利要求1或2所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是利用多维目标波导光栅制备基于等效重构-啁啾技术的多波长DFB半导体激光器集成器件、波导布拉格光栅滤波器、耦合器或波分复用器的集成器件，基于等效重构-啁啾技术的多波长DFB半导体激光器集成器件、波导布拉格光栅滤波器、耦合器或波分复用器的集成器件的种子光栅是一样的，均利用一次全息曝光实现；根据式（3）-（7）设计所需要的整体的取样结构，再利用传统的光刻技术一次同时实现整个芯片上的取样光栅结构，从而实现多种功能的光子器件的单片集成。

11.根据权利要求3所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是利用多维目标波导光栅制备多层取样光栅且设计8信道的平面波导波分复用器，波导芯层为掺Ge二氧化硅（Ge:SiO₂）芯层材料，有效折射率为1.455，种子光栅折射率调制为0.006；平面波导波分复用器总的宽度为40微米，设为X方向；取样级联结构中对应的不同的取样结构层长度为100微米，那么该波分复用器总长为1200微米，设为Z方向；种子光栅的波矢

方向为器件的腔的+Z方向，周期为500纳米；波长范围在1544纳米到1558纳米，信道间隔是2纳米；入射的多信道光与+Z方向平行；那么对应的取样结构分别为：

对应的反射波长/取样周期/取样结构的波矢方向

与种子光栅的波矢

方向的夹角/对应的光与Z轴反射的夹角：

这里+1级影子光栅作为目标等效光栅；由于种子光栅的波矢方向与入射光的方向都为+Z方向，所以这里的夹角是顺时针或逆时针；两种取样情况与Z轴镜像对称。

12.根据权利要求5所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是对于抑制0级的基于REC技术的DFB半导体激光器，其有效折射率是3.1，DFB激光器腔长是400微米，脊条宽度是2微米，种子光栅的光栅周期是238纳米，取样周期是3微米，取样结构的波矢方向

和波导轴向夹角是53.67度，种子光栅的波矢方向

与DFB激光器波导腔的轴向夹角是3.67度，取样结构的波矢

的方向、种子光栅的波矢的方向与DFB激光器波导腔的轴向夹角都为顺时针旋转的角度或者都为逆时针旋转的角度；-1级目标等效光栅的波矢方向与波导轴向平行，其周期是250.27纳米，对应的波导内布拉格波长是1551.71纳米。

13.根据权利要求6所述的多维目标波导光栅的应用，其特征是制备倾斜的波导光栅，波导芯层为掺Ge二氧化硅（Ge:SiO₂）芯层材料，有效折射率为1.455，单模波导，种子光栅折射率调制为0.006；种子光栅的光栅周期是480纳米，周期性取样结构的周期是4微米；种子光栅的波矢的方向平行于波导的轴向；取样结构的光栅波矢

与种子光栅的光栅波矢的夹角是31度；实现-1级目标等效光栅的波矢与波导轴向夹角是4度；对应的单模波导内-1级目标等效光栅的布拉格波长是1.5496微米，取样结构的光栅波矢

到种子光栅的光栅波矢

的夹角是顺时针或逆时针。

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