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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060517 |