CN104914510A - 一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法 - Google Patents

一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法，该方法根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制衍射光栅Bragg反射器的能带图，结合能带图确定衍射光栅Bragg反射器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；根据衍射波长、衍射光栅Bragg反射器的周期厚度以及归一化频率，结合光栅方程得出设计Bragg-EDG的光栅方程，最终根据Bragg-EDG的光栅方程完成衍射光栅的设计；本发明可对检测物不同谱段的光谱进行单次快速检测，本发明可应用于医疗检测，食品安全检测，矿井安全监测，水环境监测等领域。

Description

一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法
【技术领域】
本发明属于光通信、光传感、光探测领域涉及波分复用技术，具体涉及一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法。
【背景技术】
波分复用器是光通信领域与光传感探测领域的重要器件之一，在光通信领域，波分复用器在无需增加敷设光线网络的情况下实现几十倍、几百倍的信道扩容，在光传感探测领域以波分复用器为核心的微小型光谱分析仪可应用于食品安全检测、矿井安全检测、大气水质污染监测、医学检测等。
平面集成波导复用器是波分复用器的主流发展方向，其中阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，简称AWG)型和蚀刻衍射光栅型(Etched DiffractionGrating，简称EDG)是平面集成波导复用器的两种主要器件。
EDG器件以尺寸小、性能稳定、易于批量生产、成本低、适合做密集型波分复用而得到了广泛的研究与应用。其中Bragg反射镜齿面结构的EDG(Bragg-EDG)器件是近年来的研究热点，该类型器件无需二次加工，浅刻蚀即可实现器件功能，工艺难度相对较低而衍射效率较高，是近年来研究的热点。
Brouckaert J等人在硅基二氧化硅材料上设计了频带为1.5um-1.6um的Bragg反射面凹面衍射光栅粗波分复用器(Planar concave grating demultiplexer withdistributed Bragg reflection facets，Proceedings of the 4th IEEE InternationalConference on Group IV Photonics.2007:1-3.)。Pierre Pottier等人设计了周期性结构的Bragg椭圆线低级次高效衍射凹面光栅(Mono-order high-efficiency dielectricconcave diffraction grating，Journal of Lightwave Technology，2012，30(17):2922-2928)，并利用该结构进行了基于绝缘体上硅的微小型集成光波分复用器的加工与制作。上述两个小组的学者主要基于1/4波长的多层介质膜理论进行Bragg-EDG的设计。重点研究了Bragg-EDG的反射效率问题，忽视了Bragg-EDG还具有在其他频带的透射作用。
【发明内容】
本发明的目的在于合理的利用了Bragg-EDG器件的透射作用，提出了一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种双光栅双波段的Bragg-凹面衍射光栅波分复用器的设计方法，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入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制第一衍射光栅Bragg反射器的能带图A；
2)结合能带图A确定第一衍射光栅(104)Bragg反射器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；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式和确定第一衍射光栅(104)的Bragg反射器实际周期厚度与各介质层的实际厚度；其中，λ为衍射波长，λ0为中心衍射波长，d12为第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，为归一化频率，为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界，如图1A所示；
3)根据衍射波长λ、第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d12以及归一化频率结合光栅方程mλ＝na(sinα+sinβ)得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
根据式(1)，完成第一衍射光栅的设计；
4)应用传输矩阵法，结合第一衍射光栅的Bragg反射器的周期厚度d12以及两种折射率不同的材料的宽度d1和d2，计算出Bragg反射器在波段一与波段二的反射与透射效率，确保第一衍射光栅在第一波段具有高反作用，在第二波段具有高透作用，以便于第二波段的光高效率传输到第二衍射光栅进行衍射分光；
5)根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制第二衍射光栅Bragg反射器的能带图B；
6)结合能带图B确定第二衍射光栅(204)Bragg反射器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；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式和确定第二衍射光栅(204)的Bragg反射器实际周期厚度与各介质层的实际厚度；其中，d34为第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，为归一化频率，为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界，如图1B所示；
7)根据衍射波长λ、第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d34以及归一化频率结合光栅方程mλ＝na(sinα+sinβ)得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
根据式(2)，完成第二衍射光栅的设计；
8)在同一平面上排列第一衍射光栅与第二衍射光栅，且第一衍射光栅在前，第二衍射光栅在后；第一衍射光栅的入射端口与第二衍射光栅的入射端口为共同入射端口；第一衍射光栅的出射端口与第二衍射光栅的出射端口需在平上面分开；
9)设计完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
现有技术中只利用了Bragg-EDG光栅的反射带忽略的其透射带，而本发明除了利用了Bragg-EDG光栅的反射带还有效利用了Bragg-EDG光栅的透射带，使得本发明可在同一基片上利用两个Bragg-EDG光栅在两个波段进行衍射分光，达到了在器件尺寸不变的情况下，增加分光通道与分光波段的目的。在光通信领域，本发明可在多波段进行衍射分光可有效解决光通信领域三网融合的问题；在光谱探测领域，被检测物一般需要多个谱段的特征谱来分析，应用本发明可对检测物不同谱段的光谱进行单次快速检测，本发明可应用于医疗检测，食品安全检测，矿井安全监测，水环境监测等领域。
【附图说明】
图1为两个光栅的能带结构图，A为第一个光栅，B为第二个光栅；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明800与1310nm光在双光栅结构中的衍射场图；
图4为本发明双光栅结构的衍射谱图。
其中：101为输入波导；102为第一输出波导阵列；103为第一自由传输区域；104为第一衍射光栅；105为入射端口；106为出射端口；202为第二输出波导阵列；203为第二自由传输区域；204为第二衍射光栅；206为出射端口。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明还公开了一种Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器的设计方法，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入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制第一衍射光栅Bragg反射器的能带图A；
2)结合能带图A确定第一衍射光栅(104)Bragg反射器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；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式和确定第一衍射光栅(104)的Bragg反射器实际周期厚度与各介质层的实际厚度；其中，λ为衍射波长，λ0为中心衍射波长，d12为第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，为归一化频率，为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界；
3)根据衍射波长λ、第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d12以及归一化频率结合光栅方程mλ＝na(sinα+sinβ)得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
根据式(1)，完成第一衍射光栅的设计；
4)应用传输矩阵法，结合第一衍射光栅的Bragg反射器的周期厚度d12以及两种折射率不同的材料的宽度d1和d2，计算出Bragg反射器在波段一与波段二的反射与透射效率，确保第一衍射光栅在第一波段具有高反作用，在第二波段具有高透作用，以便于第二波段的光高效率传输到第二衍射光栅进行衍射分光；
5)根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制第二衍射光栅Bragg反射器的能带图B；
6)结合能带图B确定第二衍射光栅(204)Bragg反射器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；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式和确定第二衍射光栅(204)的Bragg反射器实际周期厚度与各介质层的实际厚度；其中，d34为第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，为归一化频率，为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界；
7)根据衍射波长λ、第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d34以及归一化频率结合光栅方程mλ＝na(sinα+sinβ)得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
根据式(2)，完成第二衍射光栅的设计；
8)在同一平面上排列第一衍射光栅与第二衍射光栅，且第一衍射光栅在前，第二衍射光栅在后；第一衍射光栅的入射端口与第二衍射光栅的入射端口为共同入射端口；第一衍射光栅的出射端口与第二衍射光栅的出射端口需在平上面分开；
9)设计完成。
如图2所示，根据本发明方法设计出的Bragg齿面结构的蚀刻衍射光栅波分复用器包括输入波导101、第一输出波导阵列102和第二输出波导阵列202，输入波导101的入射端口105和第一输出波导阵列102的出射端口106位于第一罗兰圆上，输入波导101的入射端口105和第二输出波导阵列202的出射端口206位于第二罗兰圆上，且入射端口105是第一罗兰圆与第二罗兰圆的交点。入射端口到第一衍射光栅之间为第一自由传输区域103，入射端口到第二衍射光栅之间为第二自由传输区域203，第一罗兰圆内切于第一衍射光栅圆，第二罗兰圆内切于第二衍射光栅圆，且第一罗兰圆的直径等于第一衍射光栅圆的半径，第二罗兰圆的直径等于第二衍射光栅圆的半径其特征在于：第一罗兰圆与第一衍射光栅圆的相切处为Bragg齿面结构蚀刻的凹面第一衍射光栅的中心，凹面第一衍射光栅104采用周期性Bragg反射面结构排列在第一衍射光栅圆上。第二罗兰圆与第二衍射光栅圆的相切处为Bragg齿面结构蚀刻的凹面第二衍射光栅的中心，凹面第二衍射光栅204采用周期性Bragg反射面结构沿第二衍射光栅圆上排列。
凹面第一衍射光栅与凹面第二衍射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。凹面第一衍射光栅的Bragg反射器结构在第一波段上具有高反作用，在第二波段上具有高透作用。凹面第二衍射光栅的Bragg反射镜结构在第二波段上具有高反作用。Bragg反射器阵列组成的凹面光栅由周期性介质层堆叠组成，入射光经过Bragg-EDG第一衍射光栅后对第一波段的光进行衍射分光，产生衍射光束。而第二波段的光透射过第一衍射光栅后在第二衍射光栅上进行衍射分光，产生衍射光束。第一衍射光栅104对第一波段的光进行衍射分光，对第二波段的光有高透射率，第二波段的光透过第一衍射光栅104在第二衍射光栅204上进行衍射分光。
如图3和图4所示，依据本发明的原理，设计一个硅基二氧化硅型的Bragg-EDG，二氧化硅波导折射率为n1＝1.45，刻蚀层为空气，折射率为n2＝1，第一波段中心波长为800nm，第一衍射光栅的参数如下：a＝546nm，d＝332nm，d1＝141nm，d2＝191nm，入射角α＝-22.5°，闪耀角θ＝37.5°，罗兰圆半径RRC＝170um，光栅圆半径RGrating＝340um，衍射级次m＝-1。第二衍射光栅的参数如下：a＝856.6nm，d＝578.7nm，d1＝243.7nm，d2＝335nm，入射角α＝-22.5°，闪耀角θ＝42.5°，罗兰圆半径RRC＝200um，光栅圆半径RGrating＝400um，衍射级次m＝-1
根据上述参数进行模拟，结果表明该器件第一衍射光栅对中心波长为800nm的波段进行了衍射分光，且中心波长为1310nm波段的光透过第一衍射光栅在第二衍射光栅上进行了衍射分光，器件尺寸小，衍射效率高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双光栅双波段的Bragg-凹面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入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制第一衍射光栅Bragg反射器的能带图A；
2)结合能带图A确定第一衍射光栅(104)Bragg反射器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；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式和确定第一衍射光栅(104)的Bragg反射器实际周期厚度与各介质层的实际厚度；其中，λ为衍射波长，λ0为中心衍射波长，d12为第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，为归一化频率，为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第一衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界；
3)根据衍射波长λ、第一衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d12以及归一化频率结合光栅方程mλ＝na(sinα+sinβ)得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
根据式(1)，完成第一衍射光栅的设计；
4)应用传输矩阵法，结合第一衍射光栅的Bragg反射器的周期厚度d12以及两种折射率不同的材料的宽度d1和d2，计算出Bragg反射器在波段一与波段二的反射与透射效率，确保第一衍射光栅在第一波段具有高反作用，在第二波段具有高透作用，以便于第二波段的光高效率传输到第二衍射光栅进行衍射分光；
5)根据Bragg反射器周期性结构的材料折射率与Bragg-EDG入射光与反射面夹角的角度，结合传输矩阵法绘制第二衍射光栅Bragg反射器的能带图B；
6)结合能带图B确定第二衍射光栅(204)Bragg反射器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；通过Bragg反射器的工作中心波长，根据公式和确定第二衍射光栅(204)的Bragg反射器实际周期厚度与各介质层的实际厚度；其中，d34为第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度，为归一化频率，为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的低频边界，为第二衍射光栅Bragg反射器反射带的高频边界；
7)根据衍射波长λ、第二衍射光栅Bragg反射器的周期厚度d34以及归一化频率结合光栅方程mλ＝na(sinα+sinβ)得出设计Bragg-EDG的光栅方程：
根据式(2)，完成第二衍射光栅的设计；
8)在同一平面上排列第一衍射光栅与第二衍射光栅，且第一衍射光栅在前，第二衍射光栅在后；第一衍射光栅的入射端口与第二衍射光栅的入射端口为共同入射端口；第一衍射光栅的出射端口与第二衍射光栅的出射端口需在平上面分开；
9)设计完成。
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