[发明专利]微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯，光子集成，光电传感以及其他光电信息处理，提出微结构准相位匹配技术（Micro-structure Quasi-phase-matching technology，MS-QPM），以及基于该技术，利用取样结构等效实现任意的二维平面波导布拉格光栅或者三维体光栅的目标光栅形貌，并基于这种设计思路提出多种新型光子器件，包括一种新型的波分复用器和无逆向反射的滤波器，倾斜波导光栅，基于等效重构啁啾技术DFB激光器的0级抑制，以及功分器与定向耦合器。

二、背景技术

随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。近十年来，随着网络的不断演进和巨大的信息传输需求，对光纤通信提出了更高的要求，同时也促进了光纤通信技术的发展。尤其是光通讯器件，需要新的理论和性价比更高的器件来支撑光网络的进一步的发展。而近年来出现的光子集成技术，顺应了时代的发展，正开启着一个全新的光网络时代。光子集成技术则被认为是光纤通信最前沿、最有前途的领域。在美国硅谷实验室中，英飞朗（Infinera）公司已经用磷化铟等材料制成大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低容量更高。在无源光器件中，波导布拉格光栅因为起很好的波长选择性而被应用于多种光通讯分立器件及光子集成器件中。如平面集成Bragg波导光栅滤波器【1】，可以实现不同波长的光信号的复用/解复用或滤波，波导光栅辅助的光分插复用器件（OADM）【2-3】，以及有倾斜光栅的光波导模式变换器等等【4】。在实际的设计中，往往在一块光子芯片上要实现不同功能的波导光栅，那么不同功能的光栅形貌也是不一样的，这就需要不同步骤的单独刻写。尤其是如果想在同一片芯片上实现不同光栅方向和周期以及有相移、啁啾甚至是任意的光栅条纹结构等具有精细结构的波导光栅，则传统的低成本的全息曝光技术几乎是不可能实现的，所以往往需要利用先进的微加工技术，例如，能够控制每一条光栅条纹的电子束曝光技术（E-Beam）。但电子束曝光技术高成本、耗时等缺点无疑增加了很多制造难度和工艺成本，而且很难大规模产业化。

为了解决这些实际的问题，首先由陈向飞等人在光纤光栅的制作中找到了一种可靠的解决方法，并将这种技术称之为“等效重构——啁啾（REC）技术”【5-6】。等效重构-啁啾技术实现了利用微米量级的加工精度来制作具有纳米量级的器件。该方法也成功应用于分布反馈（DFB）半导体激光器以及DFB激光器的阵列的设计制造【7-9】，这给光子集成所需的高性能半导体阵列光源制造这一技术瓶颈，提供了很好的解决方案。为了进一步解决平面光子集成中对不同形貌波导光栅的单片集成，降低制造成本，在本发明申请人前期研究基础上，本发明提出一种微结构准相位匹配技术（MS-QPM）。该技术提供了一种新的波导光栅设计制造方法，也给出了一些波导光栅或者体光栅中新的结构变换特性以及对应的光学特性，比如能在相同的种子光栅结构下，通过取样手段等效地改变光栅不同的周期，转动光栅不同的方向。而等效-重构啁啾技术是微结构准相位匹配（MS-QPM）技术在一维情况下的一个特例【5】。该技术在数学表达上和在非线性光学材料中著名的准相位匹配技术（QPM）有类似的描述【10、11】，因此也是准相位匹配技术的一个新的发现和拓展。总而言之，该方法能够实现仅仅改变大尺度的取样结构，而种子光栅保持不变的情况下，能实现任意的二维或三维目标光栅条纹形貌。所以只要利用二维或三维的按需要设计的具有微米量级的取样结构，结合均匀的种子光栅，可以实现任意的物理可实现二维或三维的等效光栅形貌。该结构可以实现各种具有精细结构波导光栅或体光栅的光学特性，但是因为种子光栅是均匀的，改变的仅仅是取样结构，而取样的尺度一般在微米量级以上，所以该方法的实现只需要标准的全息曝光技术加上一次传统的光刻技术，这样大大缓减了对工艺的要求，同时大幅地增加了产品的成品率。