背入射式高密度石英反射光栅.pdf

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背入射式高密度石英反射光栅(TIR光栅)，其特点在于当该光栅的周期为660～740纳米，光栅的深度为680～820纳米，光栅的占空比为1/2，本发明可以使在TM偏振光入射下1级反射衍射效率对1550纳米波长实现高于95％的结果。当该光栅的周期为720～775纳米，光栅的深度为480～560纳米，光栅的占空比为1/2，本发明的优点是：可以使在TE偏振光入射下1级反射衍射效率对1550纳米波长实现高于96％的结果；光栅的衍射效率与光栅的刻槽形状无关，光栅的占空比为1/2；本发明背入射式高密度石英反射光栅由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子光刻工艺加工而成，可以低成本、大批量生产。

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背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于该光栅的周期为660～740纳米，光栅的深度为680～820纳米，光栅的占空比为1/2。

2、  根据权利要求1所述的背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于所述的光栅的周期为685纳米，光栅的深度为720纳米。

3、  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背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于该光栅的周期为720～775纳米，光栅的深度为480～560纳米，光栅的占空比为1/2。

4、  根据权利要求3所述的背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于所述的光栅的周期为740纳米，光栅的深度为520纳米。

背入射式高密度石英反射光栅
技术领域
本专利涉及光纤通信系统中的密集波分复用器件有关，特别是一种用于常用波段1.55微米光纤通信的密集波分复用器件的背入射式高密度石英反射光栅。
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。密集波分复用(以下简称DWDM)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-简称TFF)，平面阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating-简称AWG)，和自由空间衍射光栅(Free-spacediffraction grating-简称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主要可以分为金属光栅和电介质光栅。由于金属存在吸收损耗，金属光栅的衍射效率不可能无限提高。高衍射效率的石英透射光栅需要有很高的刻槽线密度(600线/毫米以上)，光栅的深度也需要达到2微米，其衍射效率才可能达到90％以上，但是如此高深宽比的石英光栅制作难度大，需要依靠先进的微电子深刻蚀工艺。虽然浅刻蚀的表面浮雕光栅镀上电介质反射膜层后可以进一步提高衍射效率，但是反射膜层的设计及制作相当复杂。J.R.Marciante等人报道了一种新型的高色散的背入射式光栅(TIR光栅)，见在先技术1：J.R.Marciante et al.，Opt.Lett.29，542(2004)，该类型光栅利用内部全反射效应(TIR，total internal reflection)，即光从光密介质射向光疏介质时，若入射角满足全反射条件，则光疏介质中将没有透射光，入射光的能量全部集中到反射光上。所谓的背入射式是指光不是从光栅的正面(有光栅槽的一面)入射，而是从光栅基底的背面入射，通过对光栅周期及深度的优化选择，该背入射式光栅的1级反射衍射效率可以达到99.99％以上，几乎接近完全反射。TIR光栅的优点是衍射效率与光栅的槽形无关；直接在电介质材料上(往往利用石英)刻蚀出浅浮雕形的光栅结构；吸收损耗与金属相比非常小；由于衍射效率已经很高，所以不需要在光栅表面镀高反射介质膜。
本发明采用矩形结构光栅的计算模型。高密度光栅的衍射理论，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，见在先技术2：M.G.Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，目前还没有针对光纤通信的1.55微米波段给出背入射式高密度石英反射光栅。
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背入射式高密度石英反射光栅，该光栅可以在TM实现一级反射衍射效率大于95％或TE偏振模式下实现一级反射衍射效率大于96％。
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背入射式高密度石英反射光栅，其特点是该光栅的周期为660～740纳米，光栅地深度为680～820纳米，光栅的占空比为1/2。所述的光栅的周期为685纳米，光栅的深度为720纳米的表面浮雕结构。
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背入射式高密度石英反射光栅，其特点在于该光栅的周期为720～775纳米，光栅的深度为480～560纳米，光栅的占空比为1/2。所述的光栅的周期为740纳米，光栅的深度为520纳米的表面浮雕结构。
本发明的依据如下：
图1显示了背入射式高密度石英反射光栅的几何结构。区域1，2都是均匀的，分别为折射率n₁＝1.44462的石英和折射率n₂＝1的空气。光栅矢量K位于入射平面内。TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面，TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面。一线性偏振的光波以一定角度θ_i＝sin^-1(λ/(2*∧))入射，定义为Littrow条件，即构成衍射光沿原入射光的方向返回的条件，λ代表入射波长，∧代表光栅周期。根据光栅衍射方程及全反射条件，∧应满足条件 n 1 > λ 2 Λ > n 2 . ]]>
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用在先技术2的严格耦合波理论计算了占空比为1/2的石英光栅在光纤通信常用的1.55微米附近的多波长光入射下，1级反射衍射效率，结果参见图2。我们得到如下结论：
如图2所示，TM偏振模式的入射光以51.55°角度(对应于λ＝1550纳米)入射到TIR光栅时，该光栅的周期为685纳米，深度为720纳米，1级反射衍射效率在1550纳米波长处为100％(暂不考虑介质的吸收损耗)，而且在1520-1607纳米波长段内即88纳米的谱宽范围内保持在90％以上。若考虑在C+L波段内(1520-1620纳米)的所有波长各自以对应的Littrow角度入射，所有波长的衍射效率均可以达到90％以上，即对应于101纳米的谱宽范围。
如图3所示，TE偏振模式的入射光以46.47°角度(对应于λ＝1550纳米)入射到TIR光栅时，该光栅的周期为740纳米，深度为520纳米，1级反射衍射效率在1550纳米波长处为100％(暂不考虑介质的吸收损耗)，而且在1520-1608纳米波长段内即89纳米的谱宽范围内保持在90％以上。若考虑在C+L波段内(1520-1620纳米)的所有波长各自以对应的Littrow角度入射，所有波长的衍射效率也均可以达到90％以上，即对应于101纳米的谱宽范围。
附图说明：
图1是本发明背入射式高密度石英反射光栅的多波长解复用的几何结构。
图2是本发明背入射式高密度石英反射光栅(熔融石英的折射率取1.44462)光栅周期为685纳米、光栅深度720纳米，占空比为1/2，在光纤通信的C+L波段使用时TM偏振光以51.55°角度入射(针对1550纳米波长的TIR光栅)及各个波长以相应的Littrow角度入射(TIR(Littrow)光栅)下一级反射衍射效率(％)。
图3是本发明背入射式高密度石英反射光栅(熔融石英的折射率取1.44462)光栅周期为740纳米、光栅深度520纳米，占空比为1/2，在光纤通信的C+L波段使用时TE偏振光以46.47°角度入射(针对1550纳米波长的TIR光栅)及各个波长以相应的Littrow角度入射(TIR(Littrow)光栅)下一级反射衍射效率(％)。
图4是全息光栅的记录光路。
具体实施方式
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5)：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，洗去光刻胶后得到高密度表面浮雕结构的石英光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期及光栅深度，就可以得到在TM偏振模式下对1550纳米波长的高衍射效率的背入射式高密度石英反射光栅。
例如，当TIR光栅的周期为685纳米，深度为720纳米时，光栅的占空比为1/2，光栅的一级反射衍射效率η高达100％(暂不考虑介质的吸收损耗)。
表2给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期及光栅深度，就可以得到在TE偏振模式下对1550纳米波长的高衍射效率的背入射式高密度石英反射光栅。
例如，当TIR光栅的周期为740纳米，深度为520纳米时，光栅的占空比为1/2，光栅的一级反射衍射效率η高达100％(暂不考虑介质的吸收损耗)。
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。
特别是本发明的背入射式高密度石英反射光栅作为波分复用器件时，具有很高的反射效率，不需要考虑光栅槽形的结构，也不必镀金属膜或介质膜，可以利用全息光栅记录技术、微电子光刻技术，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  TM偏振模式下1级布拉格透射衍射效率η(％)
[d为光栅深度(微米)，∧为光栅周期(纳米)]

表2  TE偏振模式下1级布拉格透射衍射效率η(％)
[d为光栅深度(微米)，∧为光栅周期(纳米)]