CN1564050A - 高密度矩形深刻蚀石英光栅 - Google Patents
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Abstract
一种用于常用波段1.55微米光纤通信的密集波分复用器件的高密度矩形深刻蚀石英光栅,其特征在于该光栅的线密度为600~700线/毫米,光栅的深度为2.8~3.1微米,光栅的占空比为1/2。本发明可以同时使TE、TM偏振方向的+1级布拉格透射衍射效率实现高于83%的结果,本发明矩形刻蚀石英光栅由微电子光刻工艺、深刻蚀工艺加工而成,可以低成本、大批量生产。
Description
技术领域:
本专利涉及光纤通信系统中的密集波分复用(DWDM)器件,特别是一种高密度矩形深刻蚀光栅。
背景技术:
随着计算机网络、无线/有线通信的快速发展,人们对通信带宽的需求在不断上升,光纤通信具有大容量、低损耗、远距离传输等优点,是满足快速增长带宽需求的重要技术手段。DWDM(密集波分复用)技术通过减少信道的频带间隔,提高复用的波长数,可以充分利用光纤的带宽资源,是光纤通信发展的关键核心技术。
目前DWDM器件主要有薄膜滤光片(Thin-film filter-TFF),平面阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating-AWG),和自由空间衍射光栅(Free-spacediffraction grating-FSDG)等几种技术方案。
薄膜滤光片(TFF)主要利用光在多层膜之间的相互干涉作用来实现选频,每个信道均需一个滤光片,进一步与交叉复用器(interleaver)的混和使用来提高信道数,由于通频带宽相对平坦,所以许多薄膜滤光片在一个系统内可以层叠使用实行逐层滤波。然而,TFF由于采用逐层滤波的方式,能耗和故障率随之上升的同时整个系统的可靠性随之下降;尽管单个滤光片的光学性能良好,若要在DWDM技术中实现较高的信道数,上述器件的交叉使用产生的损耗会削弱整个系统的波分/复用性能。而且,滤光片的镀膜层数往往在数百层之上,其相应的镀膜技术造价很高;附加的交叉复用器、环形器(circulator)等器件的价格不菲,使得以薄膜滤光片为代表器件的DWDM技术的成本很高。
AWG主要利用波导波束间的相移干涉技术实现光束的并行复用,制作上采用微电子技术工艺,在一块芯片上集成多路信道,集成度高。但是,AWG极易受环境温度的影响,其工作性能因之而发生改变,必须使其在恒温下工作。此外信道间的串绕问题会影响AWG集成度的提高。一般的AWG复用/解复用器的波长响应为高斯分布形式,光谱响应范围较窄,工作波长一旦偏离峰值波长就会引入较大的插入损耗。尽管平顶带通形式的AWG能够降低对工作波长的精确控制要求,但是需要增加其它元件,所以仍然会引入额外的插入损耗。
FSDG是利用了光栅对输入光束进行衍射的原理,每个波长通道对应于空间唯一的衍射角,对各信道波长进行波分或复用。与TFF和AWG相比较,FSDG能够实现较多的通信波道数,由于是对入射光进行一次性干涉滤波,可以同时并行各个信道,所以不需要插入额外器件,受环境影响小,处理信号的过程中也不产生热量。而且,FSDG受温度影响小,比AWG产生更精确的相移,可以进一步提高信道数,减少偏振损耗。自由空间光栅(FSDG)技术采用并行处理方式,一次就可以实现信道间的分离或复用,不需要附加其它器件的使用,就可以达到很高的信道数,使得成本降低,体积减小,稳定性提高,光学性能极大改善。
FSDG有几种光栅类型,主要分为全息光栅、机械刻划闪耀光栅和矩形刻蚀表面光栅等。全息光栅和闪耀光栅是两种传统的光栅:全息光栅通过将两束光的干涉条纹记录在感光膜层上而形成;闪耀光栅通过机械刻划而形成。这两种光栅都是表面光栅,不具备体光栅的布拉格效应,因此衍射效率较低,在表面镀上金属反射膜后,效率会有一定量的提高,但金属膜层的反射率是固定有限的,所以不可能无限提高。全息光栅和闪耀光栅已被人们所充分研究,二者作为波分复用器件的工作也有报道。
矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺,在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深,所以衍射性能类似于体光栅,具有高效率的体光栅布拉格衍射效应,这一点与普通的表面浅刻蚀的平面光栅完全不同。高密度矩形深刻蚀光栅的衍射理论,不能由简单的标量光栅衍射方程来解释,而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件,通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术1:M.G.Moharam etal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】,可以解决这类深刻蚀光栅的衍射问题。但据我们所知,没有人针对光纤通信的1.55微米波段给出高密度深刻蚀矩形光栅的设计参数。
由于高密度光栅往往是偏振相关的,而实用化则希望偏振无关,因此能够实现偏振模式自由选择的情况下的高效率的波分效果,在实际使用中是非常需要的。
发明内容:
本发明要解决的技术问题是针对光纤通信的1.55微米波段密集波分复用器件提供一种高密度矩形深刻蚀石英光栅,该光栅可以在TE或TM偏振模式自由选择的情况下,其衍射效率大于83%。
本发明的技术解决方案如下:
一种用于常用波段1.55微米光纤通信的密集波分复用器件的高密度矩形深刻蚀石英光栅,其特征在于该光栅的线密度为600~700线/毫米,光栅的深度为2.8~3.1微米,光栅的占空比为1/2。
所述的光栅的线密度为630线/毫米,光栅的深度为3.0微米。
本发明的依据如下:
图1显示了矩形光栅的几何结构。区域1,3都是均匀的,分别为空气和石英(折射率n=1.44462)。光栅部分在区域2,其中介质1,3周期性地交替分布。d代表光栅的厚度;∧代表光栅的空间周期,是光栅空间密度1的倒数,即∧=1/l;f代表占空比,其大小为凸脊与凹槽的长度之比。一线性偏振的光波λ以任意角θ入射到光栅上:当电场矢量沿y轴方向振动时,为TE波;当磁场矢量沿y轴方向振动时,为TM波。
在如图1所示的光栅结构下,本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了石英光栅(占空比为1/2)在光纤通信常用的1.55微米附近的多波长光入射下,光栅密度、深度在TE、TM偏振情况下的+1级布拉格透射衍射效率(对应的入射角θ满足θ=sin-1(λ/(2*∧))),我们得到如下结论:
高空间频率衍射光栅,线密度高于400线/毫米,具有很强的偏振相关性。通过对光栅深度、光栅形状以及光栅周期的优化设计,可以实现光栅某一级(如+1级)闪耀,即衍射效率出现极大值(在90%以上),大大降低信道波长的能量损失。而且,高密度光栅具有较强的色散本领,能够提高信道密度,减小器件的体积。
考虑到光栅制作工艺的局限性,较深的高密度光栅一般很难刻蚀,所以本发明只研究深度小于4微米的高密度光栅。本发明依据理论计算得到高衍射效率矩形光栅的数值优化结果,即当光栅密度在600线/毫米~700线/毫米之间、光栅深度在2.8微米~3.1微米之间时,无论TE模还是TM模,光栅的一级布拉格透射衍射效率在1.55微米波长下能达到83%以上,实现了对偏振模式的自由选择。特别是当光栅密度为630线/毫米,光栅深度为3.0微米时,TE和TM偏振模式的效率均大于94%。
本发明同时研究了该优化结构在通信C波段(1528.77纳米~1560.61纳米)和L波段(1566.31纳米~1612.65纳米)对应TE/TM模式的一级布拉格透射衍射效率,如图2所示。
附图说明:
图1是本发明高密度矩形深刻蚀光栅的多波长解复用的几何结构。
图2是本发明高密度矩形深刻蚀光栅(熔融石英的折射率取1.44462)光栅线密度630线/毫米、光栅深度3.0微米,占空比为1/2,在光纤通信的C+L波段使用时,TE/TM模式下一级布拉格透射衍射效率(%)。
具体实施例:
利用微光学技术制造高密度矩形光栅,首先采用全息记录方式记录光栅(见图7):利用He-Cd激光器(波长为0.441μm)发出两束平面波以2θ夹角在基片上形成干涉场。我们采用涂覆有MICROPOSIT系列1818光刻胶的玻璃片作为记录基片,∧代表光栅的空间周期,即相邻条纹的间距,其大小为∧=λ/(2*sinθ),其中,λ为记录光波长,在实验中采用0.441μm。记录角θ越大,则∧越小,所以通过改变θ的大小,可以控制光栅的周期(周期值可以由上述效率图设计),记录高密度光栅。接着,把光刻胶上的图案通过微电子刻蚀技术(湿化学或反应离子干法刻蚀)转移到石英基片上,洗去光刻胶后得到深刻蚀(深度值可以由上述效率图设计)的高密度光栅。
表1给出了本发明一系列实施例,为了得到高衍射效率、偏振模式自由选择的矩形石英光栅,在制作光栅的过程中,根据表1,适当选择光栅线密度及光栅深度,就可以得到高衍射效率、偏振模式自由选择的矩形石英光栅。
由表1可知,该光栅的线密度为600~700线/毫米,光栅的深度为2.8~3.1微米,光栅的占空比为1/2,光栅的一级布拉格透射衍射效率η在TE和TM模式下均大于83%,当光栅的深度为3微米,光栅的线密度为630线/毫米时,光栅的一级布拉格透射衍射效率η在TE和TM模式下均大于94%。这样此光栅的一级布拉格透射衍射效率无论对于TE模还是TM模,都能保证在94%以上,使得偏振模式可以自由选择。
三种波分复用器件技术TFF、AWG与FSDG中,自由空间衍射光栅(FSDG)有其独特的优点。其一,FSDG与AWG均采用并行处理机制对光进行一次性滤波。其二,FSDG拥有最高的信道容量,尤其适合在DWDM中使用,且信道价格比最低,而TFF较适合低信道数下工作,其信道数不可能无限增多。其三,FSDG本身是无热器件,而AWG的温度稳定性差,需要使用加热器使其工作在恒温。其四,FSDG具有低插入损耗和偏振损耗,而AWG的插入损耗和偏振损耗较高。其五,FSDG的组成元件较少、成品率高、元件集成化具有潜在的发展力(如作为光开关,可调节光衰减器等),而TFF需与interleaver配合使用来提高信道容量时性能下降、成品率低且集成化不理想,AWG虽然组成元件少,但温度稳定性是个大问题。总之,自由空间衍射光栅以其偏振损耗低、对温度不敏感、并行的平带滤波方式,可以作为一种理想的波分复用器件,在DWDM中有重要的应用前景。特别是本发明的矩形刻蚀石英光栅作为波分复用器件时,充分利用全息光栅记录技术、微电子光刻技术和高密度等离子体干法深刻蚀技术,可以大批量、低成本地生产,刻蚀后的光栅性能稳定、可靠,是波分复用器件的一种重要的实现技术。
表1
Claims (2)
1、一种用于常用波段1.55微米光纤通信的密集波分复用器件的高密度矩形深刻蚀石英光栅,其特征在于该光栅的线密度为600~700线/毫米,光栅的深度为2.8~3.1微米,光栅的占空比为1/2。
2、根据权利要求1所述的高密度矩形深刻蚀石英光栅,其特征在于所述的光栅的线密度为630线/毫米,光栅的深度为3.0微米。
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1322339C (zh) * | 2005-06-08 | 2007-06-20 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 |
CN1322340C (zh) * | 2005-06-08 | 2007-06-20 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 |
CN1322341C (zh) * | 2005-06-08 | 2007-06-20 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 |
CN100340876C (zh) * | 2006-03-22 | 2007-10-03 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 532纳米波长的高密度深刻蚀石英透射偏振分束光栅 |
CN100340877C (zh) * | 2006-03-22 | 2007-10-03 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 632.8纳米波长背入射式石英反射偏振分束光栅 |
CN100399066C (zh) * | 2006-04-12 | 2008-07-02 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 用于441.6纳米波段的石英透射偏振分束光栅 |
CN100464199C (zh) * | 2007-08-22 | 2009-02-25 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅 |
CN101571608B (zh) * | 2009-06-09 | 2010-06-02 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅 |
CN103364856A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-10-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Te偏振垂直入射-1级高效率倾斜透射石英光栅 |
CN108444389A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-08-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种品字型位移测量光栅的制作方法 |
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Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1322339C (zh) * | 2005-06-08 | 2007-06-20 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 |
CN1322340C (zh) * | 2005-06-08 | 2007-06-20 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 |
CN1322341C (zh) * | 2005-06-08 | 2007-06-20 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 |
CN100340876C (zh) * | 2006-03-22 | 2007-10-03 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 532纳米波长的高密度深刻蚀石英透射偏振分束光栅 |
CN100340877C (zh) * | 2006-03-22 | 2007-10-03 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 632.8纳米波长背入射式石英反射偏振分束光栅 |
CN100399066C (zh) * | 2006-04-12 | 2008-07-02 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 用于441.6纳米波段的石英透射偏振分束光栅 |
CN100464199C (zh) * | 2007-08-22 | 2009-02-25 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅 |
CN101571608B (zh) * | 2009-06-09 | 2010-06-02 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅 |
CN103364856A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-10-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Te偏振垂直入射-1级高效率倾斜透射石英光栅 |
CN103364856B (zh) * | 2013-07-09 | 2015-04-15 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Te偏振垂直入射-1级高效率倾斜透射石英光栅 |
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Granted publication date: 20060517 |