专利名称：高密度矩形深刻蚀石英光栅的利记博彩app
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1M.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。
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
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号H04B10/12GK1564050SQ20041001706
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月19日 优先权日2004年3月19日
发明者周常河, 张妍妍 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所