一種環形反射式波導光柵濾波器及製作方法與流程

2023-10-17 09:14:14 1

本發明涉及光電子技術領域，特別涉及一種環形反射式波導光柵濾波器及其製作方法。

背景技術：

隨著網際網路的發展，光子集成技術是光電子領域的發展趨勢，光子集成技術是將多個分立的光電晶片集成在單個晶片上，環形器是光子集成晶片中常用的器件，但是因為材料、結構等方面的原因，現有技術不能單片集成環形器，這導致了在傳統分立器件中，某些功能性元件不能有效集成在一起，限制了光子集成晶片的使用。比如，光纖光柵在光通訊中是一個常用的器件，其廣泛用於色散補償、分插復用以及光信號處理等功能。但是因為器件一般基於光纖光柵的反射光響應特性，光路中必須使用環形器，使得反射光從另一埠出射，實現反射光的有效利用。然而，因為無法單片集成環形器，所以單片集成波導光柵的使用會大為受限，並且目前尚無有效的解決方案。

技術實現要素：

本發明提供一種環形反射式波導光柵濾波器及其製作方法，解決現有光子集成技術無法單片集成環形器的問題。

本發明實施例提供一種環形反射式波導光柵濾波器，包含輸入波導，輸出波導，波導光柵，所述輸入波導一端包含輸入光口，另一端與所述波導光柵相連；所述輸出波導一端與所述輸入波導通過耦合段形成非對稱定向耦合器，所述輸出波導另一端包含輸出光口；所述波導光柵用於對所述輸入光實現反射式模式變換，產生反射光；所述非對稱定向耦合器用於實現反射光的模式變換，產生輸出光。

優選地，所述波導光柵滿足：β1+β2＝2π/λ，且其中β1、β2分別為入射光、反射光的傳播常數，λ為光柵周期，neff1、neff2分別為入射光、反射光的有效折射率，λ為光波長。

所述波導光柵的光柵周期為：其中，λ為光柵周期，neff1、neff2分別為入射光、反射光的有效折射率，λ為光波長。

優選地，所述波導光柵的結構為傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構。

優選地，所述傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構的波導光柵中間包含π相移結構。

進一步地，所述傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構的波導光柵中包含線性啁啾的納米結構。

進一步地，所述波導光柵為等效傾斜光柵或等效交錯光柵。

進一步地，當所述輸入波導為寬波導、輸出波導為窄波導時，所述入射波導光為0階模、反射光為1階模、所述輸出光為0階模；

當所述輸入波導為窄波導、輸出波導為寬波導時，所述入射波導光為1階模、反射光為0階模、所述輸出光為1階模。

本發明實施例還提供一種環形反射式波導光柵濾波器製作方法，包括以下步驟：在平整的絕緣體上矽的晶片上旋塗一層pmma有機物或者其他電子束光刻常用的光刻膠；使用電子束曝光製作波導圖形並顯影，所述波導圖形包括輸入波導、輸出波導、所述輸出波導與所述輸入波導通過耦合段形成的非對稱定向耦合器；使用電感耦合等離子體刻蝕技術，選擇性地把顯影區域的矽刻蝕掉；在矽波導表面製備固定深度的表面光柵。

優選地，本發明實施例還提供一種環形反射式波導光柵濾波器製作方法，包括以下步驟：使用全息曝光技術在光刻膠上形成均勻光柵圖案；通過對應的具有取樣圖案的光刻版進行普通曝光，把所述光刻版的圖案複製到晶片的光刻膠上；將所述光刻膠上圖案腐蝕在晶片上形成相應的取樣光柵結構。

本發明有益效果包括：本發明一種環形反射式波導光柵濾波器等效實現了環形器功能，從而實現了波導光柵在光子集成晶片中的有效使用，同時由於結構上無原路單模反射光，避免了反射光對前端有源器件的幹擾，本發明一種環形反射式波導光柵濾波器製作方法，在製造方面既可以使用常規的電子束曝光、納米壓印等方法，也可以使用重構等效啁啾技術實現等效相移、等效啁啾等複雜結構，簡化了製造。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為一種環形反射式波導光柵濾波器裝置結構實施例；

圖2為光柵模式變換器實施例；

(a)為傾斜光柵模式變換器實施例；

(b)為交錯光柵模式變換器實施例；

圖3為模式變換過程中的相位匹配過程實施例；

圖4為混合模式諧振腔實施例；

(a)為傾斜光柵結構的混合模式諧振腔實施例；

(b)為交錯光柵結構的混合模式諧振腔實施例；

圖5基於微結構準相位匹配技術製作等效光柵模式變換器

(a)為等效傾斜光柵模式變換器實施例；

(b)為等效交錯光柵模式變換器實施例；

圖6為基於微結構準相位匹配技術的等效光柵混合模式變換器

(a)為傾斜光柵混合模式諧振腔實施例；

(b)為基於等效交錯光柵的混合模式諧振腔實施例；

圖7為非對稱定向耦合器實施例；

圖8為基於等效交錯光柵結構的濾波器陣列實施例；

圖9為一種基於電子束曝光製作絕緣體上矽波導材料體系的濾波器的製作方法流程實施例；

圖10為一種取樣光柵製作方法流程實施例；

圖11為光柵製作過程的實施例；

(a)為基本光柵製作過程；

(b)為取樣光柵製作過程。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明具體實施例及相應的附圖對本發明技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明基於一種特殊的波導光柵諧振原理，提出了具有類似集成環形器功能的反射式波導光柵濾波器。在該光柵中利用特殊的光柵形貌實現分布反射式模式變換，同時結合波導非對稱定向耦合功能，將變換後的模式從另一根波導埠單模輸出，因此整體性能等效實現環形器的功能，從而實現波導光柵在光子集成晶片中的有效使用。而且該結構無原路單模反射光，所以晶片上集成的雷射器不會受到反射光的幹擾，確保了雷射器單模穩定運轉。另外，對於該器件的製造，除開了傳統的電子束曝光、納米壓印以及紫外光刻等方法，這裡也提出了使用基於取樣結構的重構等效啁啾技術等效實現光柵的微納精細結構，如相移、啁啾等等，從而實現各種特性的基于波導光柵的光子集成器件。

本發明在計算耦合強度時引用了j.-p.weber的文獻「spectralcharacteristicsofcoupled-waveguidebragg-reflectiontunableopticalfilter」；本發明設計等效傾斜光柵時，引用了專利「微結構準相位匹配實現多維目標波導光柵和體光柵的製備方法」，專利申請號：201110104875.2，pctno:pct/cn2011/085067。

以下結合附圖，詳細說明本發明各實施例提供的技術方案。

圖1為一種環形反射式波導光柵濾波器裝置結構實施例。作為一種環形反射式波導光柵濾波器的實施例，包含輸入波導1，輸出波導3，波導光柵2，所述輸入波導一端包含輸入光口，另一端與所述波導光柵相連；所述輸出波導一端與所述輸入波導通過耦合段形成非對稱定向耦合器，所述輸出波導另一端包含輸出光口；所述波導光柵用於對所述輸入光實現反射式模式變換，產生反射光；所述非對稱定向耦合器用於實現反射光的模式變換，產生輸出光。

優選地，所述輸入波導，輸出波導，波導光柵均製作在矽基二氧化矽基晶片上。

進一步地，所述波導光柵為布拉格光柵，所述波導光柵提供了一個光柵矢量，實現不同模式的相位匹配從而達到模式變換。

優選地，所述環形反射式波導光柵濾波器要求的波導是多模波導，具體至少支持2個模式。以0階模和1階模為例，如果所述輸入波導的輸入光為0階模，所述波導光柵產生的反射光為1階模，所述波導光柵產生的透射光為0階模，經過所述非對稱定向耦合器所述輸出波導的輸出光為0階模；如果所述輸入波導的輸入光為1階模，所述波導光柵產生的反射光為0階模，所述波導光柵產生的透射光為1階模，經過所述非對稱定向耦合器所述輸出波導的輸出光為1階模。

需要說明的是，所述輸入波導的輸入光可以是0階模，1階模，也可以是其它階模式，這裡不做具體限定。

還需要說明的是，在本發明實施例中所述波導光柵為傾斜光柵結構，所述波導光柵結構也可以為交錯波導光柵結構，或者其它形貌結構。

本發明實施例利用在多模集成波導中模式反射式變換的布拉格波導光柵作為濾波器，並在反射埠利用非對稱耦合器從另一根單模波導耦合出基模光。由於該結構無原路返回的導模，消除了反射光的反射串擾並能增加反射光的利用率，從而實現集成了類似環形器功能的反射式濾波器，並在相關的集成性系統中起到替代環形器或者隔離器的作用。

在本發明實施例中，所述波導光柵可以設計成外界信息系統需要的特定光學響應的含有特徵碼字的光柵結構，形成信號編碼的功能，並從所述輸出波導的輸出光口耦合出來，與其它功能性光子器件單片集成，外界信號光可以通過光耦合器，如光柵耦合器等，耦合進入晶片，從而實現集成式光信號編碼器。

在本發明實施例中，所述波導光柵還可以設計成濾波器、微分器、積分器或者希爾伯特變換器等特定電學響應需要的特定、對應的光學響應所需要的光柵結構，形成濾波器、微分器、積分器或者希爾伯特變換器等功能，並從所述輸出波導的輸出光口耦合出來，與其它功能性光子器件單片集成，從而實現集成式微波光子濾波器、微波光子微分器、微波光子積分器以及微波光子希爾布特變換器等集成式的微波光子系統。

在本發明實施例中，所述波導光柵上可以加載溫度、環境折射率，如液體折射率、氣體折射率，震動等條件，所述波導光柵的反射光譜特性發生變化，並從所述輸出波導的輸出光口耦合出來，進入信號處理系統，從而實現傳感信號的檢測。

在本發明實施例中，所述環形反射式波導光柵濾波器可以替代傳統的基於布拉格光柵的光子功能性器件與相關系統，也可以與其他光電子器件單片集成，比如集成雷射器、調製器、光柵濾波器等，從而實現單片集成功能性晶片。

圖2為光柵模式變換器實施例，其中(a)為傾斜光柵模式變換器實施例，(b)為交錯光柵模式變換器實施例。作為一種反射式波導光柵濾波器的實施例，包含輸入波導，輸出波導，波導光柵，所述波導光柵的結構可以是傾斜光柵結構，也可以是交錯光柵結構。

所述傾斜光柵結構的光柵角度與波導有傾斜角，所述交錯光柵結構的波導上下兩部分光柵周期有180度相位差，得到反對稱的結構。

所述波導光柵的光柵周期為：

其中，λ為光柵周期，neff1為入射光的有效折射率、neff2為反射光的有效折射率，λ為光波長。

優選地，0-1模式的耦合強度可表示為：

其中，κ01為0-1模式的耦合強度，ω為入射光和反射光的角速度，ε0為介電常數，ψ(x)0為0階模的橫向電場分布函數，ψ(x)1為1階模的橫向電場分布函數，δε(x)是橫向的介電常數分布。

以te0/te1雙模式為例，在傾斜結構或交錯結構波導光柵中，當所述入射光模式為te0時，所述反射光的模式為te1，當所述入射光的模式為te1時，所述反射光的模式為te0。

需要說明的是，所述輸入波導的輸入光可以是te0模，te1模，也可以是tm0模與tm1模，或者其它階模式，這裡不做具體限定。

圖3為模式變換過程中的相位匹配過程實施例。

所述波導光柵應滿足：

β1+β2＝2π/λ(3)

其中，β1為入射光的傳播常數、β2為反射光的傳播常數，λ為光柵周期，neff1為入射光的有效折射率、neff2為反射光的有效折射率，λ為光波長。

以te0/te1雙模式為例，當所述入射光模式為te0時，所述反射光的模式為te1，即neff1為te0模的有效折射率，neff2為te1模的有效折射率。

圖4為混合模式諧振腔實施例，其中(a)為傾斜光柵結構的混合模式諧振腔實施例，(b)為交錯光柵結構的混合模式諧振腔實施例。作為一種反射式波導光柵濾波器的實施例，包含輸入波導，輸出波導，波導光柵，所述波導光柵的結構為傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構，所述傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構的波導光柵中間包含π相移結構。

進一步地，在所述傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構的波導光柵中間插入π相移結構，會形成一個窄帶濾波器，由於模式的分布反射式變換，本發明插入的π相移結構和傳統π相移結構相比有很大的不同，傳統的π相移結構如果入射光是0階模，那麼透射光和反射光都是0階模，本發明插入的π相移結構如果入射光是0階模，透射光也是0階模，而反射光是1階模；傳統的π相移結構如果入射光是1階模，那麼透射光和反射光都是1階模，本發明插入的π相移結構如果入射光是1階模，透射光也是1階模，而反射光是0階模。

需要說明的是，所述輸入波導的輸入光可以是0階模，1階模，也可以是其它階模式，這裡不做具體限定。

進一步地，所述傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構的波導光柵中包含線性啁啾納米結構。

需要說明的是，所述波導光柵中製作π相移結構，形成窄帶的濾波器，也可以插入多個π相移結構或者其他相移結構。光信號波長對準透射峰，利用電調製波導光柵的折射率，動態調諧光柵的透射峰，形成對光的調製功能。

在本發明實施例中，在所述波導光柵中引入線性啁啾等其他複雜納米結構，反射光譜特性也和普通線性啁啾光柵一樣，會在反射譜中引入一個線性的時延。這一特性常用於色散補償與脈衝整形中。另外，其他各種光柵納米精細結構都可以引入在波導光柵中，比如非線性啁啾、切趾等等實現各種特殊的光譜響應。甚至可以利用光柵的逆算法，比如分層剝離算法(dlp)等，實現所需要的響應重構光柵結構。

本發明實施例，所述波導光柵設計成外界信息系統需要的特定光學響應的啁啾形貌或者相移結構，形成色散補償或濾波的功能，並從所述輸出波導的輸出光口耦合出來，與其它功能性光子器件單片集成，外界信號光可以通過光耦合器，如光柵耦合器等，耦合進入晶片，從而實現集成式色散補償器與窄帶濾波器。

圖5為基於微結構準相位匹配技術製作等效光柵模式變換器。其中，(a)為等效傾斜光柵模式變換器實施例，(b)為等效交錯光柵的模式變換器實施例。

作為本發明一種反射式波導光柵濾波器進一步優化的實施例，包含輸入波導，輸出波導，波導光柵，所述波導光柵為等效傾斜光柵或等效交錯光柵。

所述等效傾斜光柵(或等效交錯光柵)包含基本光柵和取樣光柵。

所述等效傾斜光柵是通過微結構準相位匹配技術實現的，所述等效傾斜光柵的光柵矢量可以由基本光柵的光柵矢量和取樣光柵的光柵矢量計算得到，所述基本光柵為小周期的均勻的種子光柵，在所述基本光柵上面製作大周期的取樣結構，形成所述取樣光柵。所述基本光柵的周期一般為幾百納米，所述取樣結構的周期一般為微米量級。所述取樣光柵的傅立葉展開會有很多傅立葉級次，每個傅立葉級次也都是周期性函數，因此所述取樣光柵的每一個傅立葉級次也可以看成一個光柵，為傅立葉子光柵。

所述等效傾斜光柵的+1級的子光柵矢量可表示為：

其中，為+1級的傅立葉子光柵矢量，即所述等效傾斜光柵的光柵矢量；為基本光柵的光柵矢量；為取樣結構的傅立葉+1級的光柵矢量；λ1為所述等效傾斜光柵(即+1級的傅立葉子光柵矢量)的光柵周期，為所述等效傾斜光柵(即+1級的傅立葉子光柵)矢量的方向。

所述等效傾斜光柵(即+1級的傅立葉子光柵)矢量中包含了光柵周期和光柵傾斜角度或方向信息，通過設計基本光柵的光柵矢量和取樣結構的傅立葉+1級的光柵矢量就可以得到等效傾斜光柵結構+1級的傅立葉子光柵矢量，所述等效傾斜光柵(即+1級的傅立葉子光柵)矢量在波導方向的投影的光柵周期等於所述所需要製作的光柵周期，所述等效傾斜光柵(即+1級的傅立葉子光柵)的方向與所需要製作的方向相同，因此通過設計基本光柵和取樣結構就可以得到所述等效傾斜光柵。

所述等效交錯光柵是通過重構等效啁啾技術實現的，在所述光柵波導的橫向兩側光柵取樣結構的初相位移動半個取樣周期，即π相位，可得到交錯的等效光柵。

所述等效交錯光柵的+1或者-1級的傅立葉子光柵周期可以由基本光柵周期和取樣周期計算得到，所述等效交錯光柵的+1或者-1級的傅立葉子光柵周期可表示為：

其中，λ+1為所述等效交錯光柵的+1級的傅立葉子光柵周期，λ-1為所述等效交錯光柵的-1級的傅立葉子光柵周期，λ0為所述基本光柵周期，p為所述取樣周期。

所述取樣光柵中+1級或者-1級的傅立葉子光柵周期與所需要實際製作的交錯光柵的光柵周期相同，因此通過設計所述基本光柵和所述取樣結構的光柵周期可以得到所述等效交錯光柵的光柵周期。

需要說明的是，基本光柵為均勻光柵，可以利用利用全息曝光等方法製造，製作容易，成本低。

本發明實施例中所述等效傾斜光柵或等效交錯光柵中取樣結構的尺度均可以達到微米量級，相比於圖2、4中傾斜光柵結構或交錯波導光柵結構，取樣結構的尺度擴大了一個數量級，便於加工生產。例如，當所述傾斜光柵的結構周期為數百納米時，採用等效傾斜光柵時所述取樣結構周期為數微米。

圖6為基於微結構準相位匹配技術的等效光柵混合模式變換器，其中，(a)為傾斜光柵混合模式諧振腔實施例，(b)為基於等效交錯光柵的模式諧振腔實施例。作為一種環形反射式波導光柵濾波器進一步優化的實施例，包含輸入波導，輸出波導，波導光柵，所述波導光柵為等效傾斜光柵或等效交錯光柵，所述等效傾斜光柵中間插入了等效的π相移結構，形成了等效傾斜光柵混合模式諧振腔，所述等效交錯光柵中間插入了等效的π相移結構，形成了等效交錯光柵混合模式諧振腔。

需要說明的是，插入所述π相移結構相當於在所述等效傾斜光柵或等效交錯光柵的結構中在取樣結構中引入一個結構突變。

需要說明的是，所述等效傾斜光柵混合模式諧振腔和所述等效交錯光柵混合模式諧振腔的基本光柵都是均勻光柵，取樣結構一般尺度在微米量級。

以te0/te1雙模式為例，在等效傾斜光柵混合模式諧振腔和所述等效交錯光柵混合模式諧振腔中，當所述入射光模式為te0時，所述反射光的模式為te1，透射光的模式為te0；當所述入射光的模式為te1時，所述反射光的模式為te0，透射光的模式為te1。

需要說明的是，所述輸入波導的輸入光可以是0階模，1階模，也可以是其它階模式，這裡不做具體限定。

本發明實施例可以通過全息曝光製作的方法製作基本光柵，通過普通光刻的方法製作取樣結構，因此製造成本低。

圖7為非對稱定向耦合器實施例。

所述非對稱定向耦合器用於實現反射光的模式變換與波導間耦合，所述非對稱定向耦合器包含寬波導和窄波導，當所述輸入波導為寬波導、輸出波導為窄波導時，所述入射波導光為0階模、反射光為1階模、所述輸出光為0階模；當所述輸入波導為窄波導、輸出波導為寬波導時，所述入射波導光為1階模、反射光為0階模、所述輸出光為1階模。

進一步地，所述輸入波導為寬波導單模波導，所述波導光柵為雙模波導，所述輸出波導為窄單模波導。所述輸出光一般為0階模，所述反射光為1階模；所述反射光經過所述非對稱定向耦合器轉變為0階模，經所述輸出波導輸出，因此輸入光和輸出光模式相同。

需要說明的是，所述輸入波導、輸出波導與所述非對稱耦合器的寬波導和窄波導的連接，需要根據所述輸入光的模式進行選擇。

圖8為基於等效交錯光柵結構的濾波器陣列實施例。

一種環形反射式波導光柵濾波器，包含輸入波導，輸出波導，波導光柵，所述波導光柵為等效交錯光柵，所述等效交錯光柵是通過重構等效啁啾技術實現的，在所述光柵波導的橫向兩側光柵取樣結構的初相位移動半個取樣周期，即π相位，可得到交錯的等效光柵。

進一步地，如果取樣結構的初相位移動其他相位值，可以得到不完全的交錯結構，+1或者-1級的子光柵周期與基本光柵周期和取樣周期可以表示為：

其中，λ+1為+1級的子光柵周期，λ-1為-1級的子光柵周期，λ0為基本光柵周期，p為取樣周期。

例如，圖8中p1、p1、p3分別對應於工作波長為λ1、λ2、λ3的結構。

本發明實施例不僅可以實現單波長光的反射式模式變換，還可以利用取樣光柵技術實現多波長濾波器陣列。

圖9為一種基於電子束曝光製作絕緣體上矽波導材料體系的濾波器的製作方法流程實施例。

本實施例提供一種基於電子束曝光製作絕緣體上矽波導材料體系的濾波器的製作方法，包括以下步驟：

步驟101，在平整的絕緣體上矽的晶片上旋塗一層pmma有機物或者其他電子束光刻常用的光刻膠。

步驟102，使用電子束曝光製作波導圖形並顯影，所述波導圖形包括輸入波導、輸出波導、所述輸出波導與所述輸入波導通過耦合段形成的非對稱定向耦合器。

步驟103，使用電感耦合等離子體刻蝕技術，選擇性地把顯影區域的矽刻蝕掉。

步驟104，在矽波導表面製備固定深度(如40nm)的表面光柵。

需要說明的是，步驟104，可以通過添加曝光側壁光柵的圖形，並使用電子束曝光製作所述光柵的圖形並顯影來實現。

圖10為一種取樣光柵製作方法流程實施例。

本實施例提供一種基於全息曝光製備特殊結構的取樣光柵，本發明的光柵器件與傳統光柵製作兼容，都可以利用電子束曝光、納米壓印等方法。對於等效技術製作光柵，本發明中波導光柵器件一般應用與矽、氮化矽、iii-v族化合物半導體材料，二氧化矽等，製造關鍵在做取樣光柵結構，包括以下步驟：

步驟105，使用全息曝光技術在光刻膠上形成均勻光柵圖案；

圖11為光柵製作過程的實施例示意圖，其中(a)為基本光柵製作過程；如圖11中(a)所示，用兩束紫外光形成幹涉條紋，在光刻膠上生成基本光柵(種子光柵)圖案；

步驟106，通過對應的具有取樣圖案的光刻版進行普通曝光，把所述光刻版的圖案複製到晶片的光刻膠上；

如圖11中(b)所示為取樣光柵製作過程，通過光掩模，紫外光作用下，在光刻膠上生成取樣光柵圖案；

步驟107，將所述光刻膠上的圖案腐蝕在晶片上形成相應的光柵結構。

需要說明的是，步驟105和步驟106的順序可以調換。可以得到如圖5～6所示的等效傾斜和等效交錯取樣光柵以及相應的含有等效π相移的光柵。

還需要說明的是，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發明的實施例而已，並不用於限制本發明。對於本領域技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。