一種基于波導布拉格光柵的反射型窄帶濾波器的製作方法

2023-09-22 18:38:05 3

本實用新型涉及集成光學技術領域，特別是涉及一種基于波導布拉格光柵的反射型窄帶濾波器。

背景技術：

隨著光通信技術的發展，對系統集成度的要求越來越高，從而導致單個器件的尺寸越來越小。光濾波器作為可以針對目標波長進行過濾與篩選的光互連基礎器件，一種尺寸更小、頻帶更窄、傳輸更快的光濾波器的研製將對電信產業發展有著重要的推動作用。

波導布拉格光柵是一種在光波導基礎上發展出的光學器件，利用相位匹配條件可以使光柵結構的有效折射率呈現出交替周期變化，從而達到濾波的功能。目前來說，常見的波導布拉格光柵類型有基於SOI(silicon-on-insulator,SOI)波導的布拉格光柵、基於MIM(metal-insulator-metal,MIM)波導的布拉格光柵和基於IMI(insulator-metal-insulator,IMI)波導的布拉格光柵。基於SOI波導的布拉格光柵芯層與包層具有高折射率對比度，但是製作工藝難度較大，並且當結構尺寸縮小後會導致插損增加；基於MIM波導的布拉格光柵具有很好的光場限制能力，可以使結構尺寸變小，但是在光傳輸過程中能量損耗較大導致傳輸距離變短；基於IMI波導的布拉格光柵可以將損耗限制在非常低的範圍內，從而具有較大的傳輸距離，但是體積較大，難以應用於高集成度的光互連繫統中。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對現有技術的不足，而提供一種基于波導布拉格光柵的反射型窄帶濾波器。這種濾波器結構緊湊，光信號傳輸距離長、易於製作、製造成本低且與CMOS兼容。

實現本實用新型目的的技術方案是：

一種基于波導布拉格光柵的反射型窄帶濾波器，包括基底層、下波導層、中波導層和上波導層，所述下波導層、中波導層和上波導層順序疊接在基底層的上表面上，所有的波導均為平板條形波導，所述上波導層的頂部設有等周期的布拉格光柵，所述基底層的寬度尺寸要大於下波導層、中波導層、上波導層的寬度尺寸。

所述基底層為金屬銀。

所述下波導層直接貼合在基底層的上表面，為二氧化矽。

所述中波導層直接疊加於下波導層的上表面，為折射率低於二氧化矽的氟化鈉。

所述的上波導層為直接疊加於中波導層上表面的矽。

所述的布拉格光柵的周期單元為凹凸狀的對稱矩形結構，並且周期單元中凹槽部分與凸起部分寬度相同。

所述的平板條形波導的寬度為200nm，以保證單TM模式的光在波導布拉格光柵中傳輸；光波由三個波導層的一端輸入器件，經過能量的震蕩耦合，透射光信號由三個波導層的另一端輸出，反射光信號從光的輸入端同端輸出。

這種濾波器工作時，光波由光波輸入端進入，由金屬銀表面所產生的複合表面等離激元可以將光場約束在基底層和下波導層的界面處，而氟化鈉材料的折射率要低於二氧化矽材料，因此中波導層可以對光場進行進一步壓縮，使能量更多的聚集在中波導層，形成一個僅有幾十納米的光場限制區域，起到模場限制的作用。

根據衍射區域面積公式，具體公式如下：

Aeff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，Aeff表示的是衍射區域面積,W(r)表示的是電磁能量密度，ε(r)表示的相對介電常數，μ0表示的是真空磁導率，E(r)和H(r)表示的是波導光柵的電場和磁場強度。

由此可以看出，這種濾波器可以大大縮小整個布拉格光柵結構的尺寸，同時還能保證光波在器件中的傳輸損耗可以降低到更低的程度，從而提升濾波的效率，易於集成。

利用電子束曝光的光刻技術，對上波導層的頂部進行刻蝕形成周期性的布拉格光柵，該布拉格光柵的周期單元呈現為規則對稱矩形結構，分為凹槽部分和凸起部分，為了可以反射特定的波長，光柵的周期單元長度需要滿足一階光柵相位匹配條件，具體公式如下：

其中，Λ表示的是周期單元長度，λc表示的是中心波長，neff1和neff2分別表示的是光柵凹槽部分和凸起部分所在位置的光柵折射率。

由於周期單元長度分為凹槽部分和凸起部分，凹槽部分與凸起部分所對應光柵折射率的不同，當光波進入器件後，光波會在器件中不斷地進行來回震蕩耦合，最終不滿足布拉格相位匹配條件的波長被允許通過該布拉格光柵濾波器件由透射光波輸出端O1輸出，而所需的目標波長則被反射回來由反射光波輸出端O2輸出，由此可以實現對特定波長進行選擇的濾波功能。

這種濾波器結構緊湊，光信號傳輸距離長、易於製作、製造成本低且與CMOS兼容。

附圖說明

圖1為實施例濾波器結構的正視圖示意圖；

圖2為實施例濾波器結構的側視圖示意圖；

圖3為實施例濾波器截面的電場強度分布示意圖；

圖4為實施例濾波器反射光譜示意圖。

圖中：1.基底層 2.下波導層 3.中波導層 4.上波導層 5.布拉格光柵 I.光波輸入端 O1.透射光波輸出端 O2.反射光波輸出端。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型內容做進一步的詳細說明，但不是對本實用新型的限定。

實施例，本實施例是針對中心波長為1550nm的通信波段為例：

參照圖1、2，一種基于波導布拉格光柵的反射型窄帶濾波器，包括基底層1、下波導層2、中波導層3和上波導層4，所述下波導層2、中波導層3和上波導層4順序疊接在基底層1的上表面上，所有的波導均為平板條形波導，所述上波導層4的頂部設有等周期的布拉格光柵5，所述基底層1的寬度尺寸要大於下波導層2、中波導層3和上波導層4的寬度尺寸。

所述基底層1為金屬銀，本例中金屬銀的折射率為0.1453+11.3587i，寬度為2000nm。

所述下波導層2直接貼合在基底層1的上表面，為二氧化矽，本例中二氧化矽的厚度為120nm，折射率為1.45。

所述中波導層3直接疊加於下波導層2的上表面，為折射率低於二氧化矽的氟化鈉，本例中氟化鈉的厚度為40nm，折射率為1.319。

所述的上波導層4為直接疊加於中波導層3上表面的矽，本例中矽的厚度為220nm，折射率為3.45。

所述的布拉格光柵5的周期單元為凹凸狀的對稱矩形結構，並且周期單元中凹槽部分與凸起部分寬度相同。

本例中平板條形波導的寬度為200nm，以保證單TM模式的光在波導布拉格光柵5中傳輸；光波從光波輸入端I射入器件，經過能量的震蕩耦合，透射光信號由透射光波輸出端O1輸出，反射光信號由O2端輸出。

這種濾波器工作時，光波由光波輸入端I進入，由金屬銀表面所產生的複合表面等離激元可以將光場約束在基底層1和下波導層2的界面處，而氟化鈉材料的折射率要低於二氧化矽材料，因此中波導層3可以對光場進行進一步壓縮，使能量更多的聚集在中波導層3，形成一個僅有幾十納米的光場限制區域，起到模場限制的作用。

根據衍射區域面積公式，具體公式如下：

Aeff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，Aeff表示的是衍射區域面積,W(r)表示的是電磁能量密度，ε(r)表示的相對介電常數，μ0表示的是真空磁導率，E(r)和H(r)表示的是波導光柵的電場和磁場強度。

由此可以看出，這種濾波器可以大大縮小整個布拉格光柵結構的尺寸，同時還能保證光波在器件中的傳輸損耗可以降低到更低的程度，從而提升濾波的效率，易於集成。

利用電子束曝光的光刻技術，對上波導層4的頂部進行刻蝕形成周期性的布拉格光柵5，該布拉格光柵5的周期單元呈現為規則對稱矩形結構，分為凹槽部分和凸起部分，根據此布拉格光柵5，本例刻蝕的凹槽深度設定為40nm，以60個周期單元作為該實施例的周期單元個數，為了可以反射特定的波長，光柵的周期單元長度需要滿足一階光柵相位匹配條件，具體公式如下：

其中，Λ表示的是周期單元長度，λc表示的是中心波長，neff1和neff2分別表示的是光柵凹槽部分和凸起部分所在位置的光柵折射率，根據布拉格光柵的相位匹配條件，可以得到光柵的周期單元長度為637.7nm，從而凹槽部分的寬度為318.85nm，布拉格光柵的總長度為38.6μm。

由於周期單元長度分為凹槽部分和凸起部分，凹槽部分與凸起部分所對應光柵折射率的不同，當光波進入器件後，光波會在器件中不斷地進行來回震蕩耦合，最終不滿足布拉格相位匹配條件的波長被允許通過該布拉格光柵濾波器件由透射光波輸出端O1輸出，而所需的目標波長則被反射回來由反射光波輸出端O2輸出，由此可以實現對特定波長進行選擇的濾波功能。

如圖3所示，能量被集中地限制在中波導層3，說明該器件可以突破光的衍射極限，完成對光場的約束，證明結構的小型化是可以實現的。

如圖4所示的反射光譜圖可以看出，當中心波長為1550nm的光波通過該布拉格光柵時，有72％的光不能通過整個結構並按原路被反射回來由O2輸出，說明該波導布拉格光柵具有很好的反射特性，非常適合成為一種優秀的濾波器。