CN103645540A - 一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器 - Google Patents

一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，包括输入波导、输出波导、自由传输平板波导区和刻蚀衍射光栅，输入波导和输出波导位于自由传输平板波导区的同一侧，并均与自由传输平板波导区相连，自由传输平板波导区的另一侧与刻蚀衍射光栅相连，刻蚀衍射光栅的光栅面采用二维光子晶体反射镜结构。采用二维光子晶体反射镜结构替代常规刻蚀衍射光栅的光栅面，可以有效降低器件制作工艺难度，有效降低光栅介质与空气界面之间存在着的较大的菲涅尔反射损耗，从而降低器件的插入损耗；并可实现单一偏振模式的全反射，而另一偏振模式则全部透射，实现器件的偏振保持。

Description

一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器
技术领域
本发明涉及光通信波分复用技术领域，特别是涉及一种基于光子晶体反射镜结构的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器件。
背景技术
全球互连网的迅速普及、光纤到户和家庭办公的崛起，使主干网和局域网的通信容量猛增，波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)充分利用了光纤的巨大带宽资源，用波分复用的方式来改进传输效率、提高复用效率、扩充传输容量，是实现大容量、高速率光纤通信的必然选择。波分复用/解复用器是波分复用光纤通信系统中最关键的器件，主要分为分立型和平面波导集成型两类。阵列波导光栅(Array WaveguideGratings，AWG)和刻蚀衍射光栅(Etched Diffraction Gratings，EDG)是最为典型的平面波导集成型密集波分复用/解复用器件。其中，EDG具有更小的器件尺寸，集成度高，适合于实现大通道数、窄通道间隔的波分复用/解复用功能。但是EDG的性能严重依赖于光栅面的质量，为了获得较低的插入损耗，对光栅面的制作工艺要求极高：光栅面必须深刻、陡直且光滑。同时，光栅介质和空气之间的菲涅尔反射也会导致插入损耗的增加。目前，一般会在光栅面上镀上金属膜以达到全反射的目的，来增加光栅面的反射率，降低损耗，这就增加了工艺的复杂性。另外，高折射率差EDG具有较强的偏振相关性，器件的偏振控制也是目前亟待解决的技术难题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，可以有效降低器件的制作工艺难度及插入损耗，并且可以实现器件的偏振保持。
为了实现上述目的，本发明提出了一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，包括输入波导、输出波导、自由传输平板波导区和刻蚀衍射光栅，输入波导和输出波导位于自由传输平板波导区的同一侧，并均与自由传输平板波导区相连，自由传输平板波导区的另一侧与刻蚀衍射光栅相连，所述刻蚀衍射光栅的光栅面采用二维光子晶体反射镜结构。
优选地，所述二维光子晶体反射镜结构为二维平板三角晶格空气孔型光子晶体结构。
优选地，所述输入波导与自由传输平板波导区之间接入第一渐变展宽波导结构。
优选地，所述输出波导与自由传输平板波导区之间接入第二渐变展宽波导结构。
优选地，所述第一渐变展宽波导结构为线性渐变展宽波导结构或指数、抛物线等曲线型渐变展宽波导结构。
优选地，所述第二渐变展宽波导结构为线性渐变展宽波导结构或指数、抛物线等曲线型渐变展宽波导结构。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)采用二维光子晶体反射镜结构替代常规刻蚀衍射光栅的光栅面，可以有效降低器件制作工艺难度。
2)可以有效降低光栅介质与空气界面之间存在着的较大的菲涅尔反射损耗，降低器件的插入损耗。
3)可实现单一偏振模式的全反射，而另一偏振模式则全部透射，实现器件的偏振保持。
附图说明
图1是本发明第一实施例中的基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器结构示意图；
图2是本发明第二实施例中的基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器结构示意图；
图3是本发明第三实施例中在SOI材料上制作的基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的光子晶体反射镜处的截面示意图；
图4是通过平面波展开法模拟的本发明第三实施例中SOI基二维平板三角晶格空气孔型光子晶体能带图；
图5(a)是通过时域有限差分法模拟的本发明第三实施例中SOI基常规刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器TE模式光传输图；
图5(b)是时域有限差分法模拟的本发明第三实施例中SOI基基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器TE模式光传输图；
图6(a)是本发明第三实施例中SOI基常规刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的扫描电镜照片；
图6(b)是本发明第三实施例中SOI基常规刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的光栅结构扫描电镜照片；
图7(a)是本发明第三实施例中SOI基基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的扫描电镜照片；
图7(b)是本发明第三实施例中SOI基基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的二维光子晶体反射镜结构的扫描电镜照片；
图8是本发明第三实施例中SOI基基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型与常规刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的输出光谱测试结果比较图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明第一实施例提出的一种基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的结构示意图。如图1所示，该波分复用/解复用器包括输入波导1、多个输出波导2、自由传输平板波导区3和刻蚀衍射光栅4。其中，输入波导1和输出波导2位于自由传输平板波导区3的同一侧，并均与自由传输平板波导区3相连，自由传输平板波导区3的另一侧与刻蚀衍射光栅4相连，刻蚀衍射光栅4的光栅面采用二维光子晶体反射镜结构5，该反射镜结构5为二维平板三角晶格空气孔型光子晶体结构。
其中利用本发明提出的基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器对多波长复用光进行解复用的过程如下：
光纤输入的多波长复用光首先耦合进入输入波导1，之后光在自由传输平板波导区3传输后，均匀照射在基于二维光子晶体反射镜结构5的刻蚀衍射光栅4上，经过光栅衍射，不同波长的光具有不同的光程差，分别聚焦在不同的输出波导2位置，不同波长的光从不同的输出波导2输出，完成解复用过程。整个衍射过程服从光栅衍射方程：
neffd(sinθi+sinθk)=mλ
其中，neff是有效折射率，d是光栅周期，θi是入射角，θk是衍射角，m是衍射级次，λ是给定的波长。
利用本发明提出的基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器对多个波长不同的光进行复用的过程包括：不同波长的光耦合进入不同的输出波导2，之后光在自由传输平板波导区3传输后，均匀照射在基于二维光子晶体反射镜5的刻蚀衍射光栅4上，经过光栅衍射，聚焦在同一根输入波导1位置，多波长复用光从同一根输入波导1输出，完成复用过程。
由于刻蚀衍射光栅4的光栅面采用了二维光子晶体反射镜结构5，不需要进行深刻、陡直及光滑光栅面的严格光刻及刻蚀工艺，就可获得较低的插入损耗，因此，有效降低了器件的制作工艺难度。
二维光子晶体反射镜结构5具有较宽的光子禁带，在宽的禁带范围内可以有效提高光栅面的反射率，减小器件的插入损耗，同时，禁带内的反射谱线更为平坦，有助于提高输出光谱的均匀性。
通过优化二维光子晶体反射镜结构5的晶格常数、占空比等参数，可以实现单一偏振的光子禁带，而对于另一偏振模式，则不存在禁带，因此理论上可实现单一偏振模式的100％全反射，而另一偏振模式的光则全部透射，该结构不仅减小了刻蚀衍射光栅4的损耗，而且可有效滤除另一偏振模式，实现刻蚀衍射光栅4的偏振保持。
二维光子晶体反射镜结构5，可采用正方晶格或三角晶格结构，对于二维平板空气孔型光子晶体，在同样的占空比下，三角晶格结构可获得更宽范围的光子禁带，输出光谱的均匀性会得到进一步的提高。
图2是本发明第二实施例提出的一种基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的结构示意图。如图2所示，本实施例中该波分复用/解复用器与第一实施例的区别在于：
第一、在输入波导1与自由传输平板波导区3之间引入了第一渐变展宽波导结构6，用于减小因波导结构上的突变带来的损耗，从而会降低光在输入波导1与自由传输平板波导区3之间的耦合损耗；而且在第一渐变展宽波导结构6中会形成双驼峰形状的光模场，经自由传输平板波导区3的罗兰圆干涉与单模的输出波导2积分，会形成平坦化的输出谱，满足波分复用/解复用器件对于光谱平坦化响应的需求；另外，引入第一渐变展宽波导结构6也可抑制旁瓣所带来的串扰。
第二、在输出波导2与自由传输平板波导区3之间引入第二渐变展宽波导结构7，用于改善器件的损耗和串扰，并增加所获得的带宽。
第一渐变展宽波导结构6和第二渐变展宽波导结构7可以采用线性渐变展宽波导结构或指数、抛物线等曲线型渐变展宽波导结构。
图3是本发明第三实施例提出的一种在绝缘体上硅(Silicon OnInsulator，SOI)材料上制作的基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的光子晶体反射镜处的截面示意图。如图3所示，该SOI材料包括顶层硅(Si)8、埋层二氧化硅(SiO2)9及衬底硅10。其中，顶层硅(Si)8厚度为340nm，折射率为3.5，埋层二氧化硅(SiO2)9厚度为1μm，折射率为1.45。该基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器所包括的输入波导1、输出波导2、自由传输平板波导区3和刻蚀衍射光栅4均是在该SOI材料的顶层硅8上进行刻蚀形成的，刻蚀深度为340nm。输入波导1和输出波导2位于自由传输平板波导区3的同一侧，并均与自由传输平板波导区3相连，自由传输平板波导区3的另一侧与刻蚀衍射光栅4相连，刻蚀衍射光栅4的光栅面采用二维光子晶体反射镜结构5，在输入波导1与自由传输平板波导区3之间接入第一渐变展宽波导结构6，输出波导2与自由传输平板波导区3之间接入第二渐变展宽波导结构7。其中，输入波导1和输出波导2的宽度为500nm，第一渐变展宽波导结构6的最宽处为800nm，第二渐变展宽波导结构7的最宽处为800nm；为获得较宽范围的光子禁带以及良好的偏振保持，二维光子晶体反射镜结构5采用二维平板三角晶格空气孔型光子晶体结构，晶格常数a为420nm，空气孔半径r为126nm。
图4是利用平面波展开法(Plane Wave Expansion，PWE)模拟的本发明公开的SOI基二维平板三角晶格空气孔型光子晶体结构的能带图。由图4可以看到，该结构能带中存在明显的TE模式光子禁带，禁带的归一化频率范围为a/λ=(0.245-0.313)，即禁带的波长范围为1.342-1.714μm，而对于TM模式，则不存在光子禁带。根据菲涅尔反射理论，硅-空气界面反射率仅为40％，存在较大的损耗，而用上述的二维光子晶体反射镜结构5作为刻蚀衍射光栅4的光栅面来代替常规刻蚀衍射光栅的硅-空气界面，理论上可实现TE模式100％的全反射，而TM模式则全部透射，这一结构不仅可以有效减小刻蚀衍射光栅4的损耗，而且可有效滤除TM模式，实现器件的偏振保持。
图5(a)是时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)模拟的SOI基常规刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器TE模式光传输图，图5(b)是时域有限差分法模拟的本发明公开的SOI基基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器TE模式光传输图。如图5(a)和5(b)所示，从图中明显可以看到基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器相比于常规刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器有较强的输出响应。
采用电子束曝光(Electron Beam Lithography，EBL)结合感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)干法刻蚀，在同一SOI材料上制备了常规刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器和基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，扫描电镜(SEM)照片分别如图6(a)、6(b)和图7(a)、7(b)所示。这两种器件的输出光谱测试结果如图8所示，可以看出，相比于常规刻蚀衍射光栅结构，基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器的插入损耗减小了3dB，达到了预期的目的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，包括输入波导(1)、输出波导(2)、自由传输平板波导区(3)和刻蚀衍射光栅(4)，其中，输入波导(1)和输出波导(2)位于自由传输平板波导区(3)的同一侧，并均与自由传输平板波导区(3)相连，自由传输平板波导区(3)的另一侧与刻蚀衍射光栅(4)相连，所述刻蚀衍射光栅(4)的光栅面采用二维光子晶体反射镜结构(5)。
2.根据权利要求1所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述二维光子晶体反射镜结构(5)为二维平板三角晶格空气孔型光子晶体结构。
3.根据权利要求1或2所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述输入波导(1)与自由传输平板波导区(3)之间接入第一渐变展宽波导结构(6)。
4.根据权利要求3所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述输出波导(2)与自由传输平板波导区(3)之间接入第二渐变展宽波导结构(7)。
5.根据权利要求4所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述第一渐变展宽波导结构(6)和所述第二渐变展宽波导结构(7)为线性渐变展宽波导结构或曲线型渐变展宽波导结构。
6.根据权利要求5所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述曲线型渐变展宽波导结构包括指数、抛物线型渐变展宽波导结构。
7.根据权利要求1所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器制作在SOI材料上。
8.根据权利要求1所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述输出波导(2)包括多个输出波导，用于在解复用时输出不同波长的光，在波分复用时分别输入不同波长的光。
9.根据权利要求1-8任一项所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，所述输入波导(1)在解复用时输入多波长复用光，在波分复用时输出多波长复用光。
10.根据权利要求1-8任一项所述的刻蚀衍射光栅型波分复用/解复用器，其特征在于，在解复用时，多波长复用光经过刻蚀衍射光栅(4)的光栅衍射后，不同波长的光分别聚焦在不同的输出波导(2)上输出；在波分复用时，多个不同波长的光经过刻蚀衍射光栅(4)的光栅衍射后，聚焦在输入波导(1)上输出。
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