[實(shí)用新型]一種基于波導(dǎo)布拉格光柵的反射型窄帶濾波器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201720074209.1
• 申請(qǐng)日: 2017-01-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN206573739U
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖經(jīng);王泉;韋啟欽;劉平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B6/124
• 分類(lèi)號(hào): G02B6/124;G02B6/12
• 代理公司: 桂林市華杰專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所有限責(zé)任公司45112
• 代理人: 劉梅芳

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于波導(dǎo)布拉格光柵的反射型窄帶濾波器。

背景技術(shù)

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)集成度的要求越來(lái)越高，從而導(dǎo)致單個(gè)器件的尺寸越來(lái)越小。光濾波器作為可以針對(duì)目標(biāo)波長(zhǎng)進(jìn)行過(guò)濾與篩選的光互連基礎(chǔ)器件，一種尺寸更小、頻帶更窄、傳輸更快的光濾波器的研制將對(duì)電信產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。

波導(dǎo)布拉格光柵是一種在光波導(dǎo)基礎(chǔ)上發(fā)展出的光學(xué)器件，利用相位匹配條件可以使光柵結(jié)構(gòu)的有效折射率呈現(xiàn)出交替周期變化，從而達(dá)到濾波的功能。目前來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的波導(dǎo)布拉格光柵類(lèi)型有基于SOI(silicon-on-insulator,SOI)波導(dǎo)的布拉格光柵、基于MIM(metal-insulator-metal,MIM)波導(dǎo)的布拉格光柵和基于IMI(insulator-metal-insulator,IMI)波導(dǎo)的布拉格光柵。基于SOI波導(dǎo)的布拉格光柵芯層與包層具有高折射率對(duì)比度，但是制作工藝難度較大，并且當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸縮小后會(huì)導(dǎo)致插損增加；基于MIM波導(dǎo)的布拉格光柵具有很好的光場(chǎng)限制能力，可以使結(jié)構(gòu)尺寸變小，但是在光傳輸過(guò)程中能量損耗較大導(dǎo)致傳輸距離變短；基于IMI波導(dǎo)的布拉格光柵可以將損耗限制在非常低的范圍內(nèi)，從而具有較大的傳輸距離，但是體積較大，難以應(yīng)用于高集成度的光互連系統(tǒng)中。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于波導(dǎo)布拉格光柵的反射型窄帶濾波器。這種濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，光信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、易于制作、制造成本低且與CMOS兼容。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是：

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

所述基底層為金屬銀。

所述下波導(dǎo)層直接貼合在基底層的上表面，為二氧化硅。

所述中波導(dǎo)層直接疊加于下波導(dǎo)層的上表面，為折射率低于二氧化硅的氟化鈉。

所述的上波導(dǎo)層為直接疊加于中波導(dǎo)層上表面的硅。

所述的布拉格光柵的周期單元為凹凸?fàn)畹膶?duì)稱(chēng)矩形結(jié)構(gòu)，并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(dǎo)的寬度為200nm，以保證單TM模式的光在波導(dǎo)布拉格光柵中傳輸；光波由三個(gè)波導(dǎo)層的一端輸入器件，經(jīng)過(guò)能量的震蕩耦合，透射光信號(hào)由三個(gè)波導(dǎo)層的另一端輸出，反射光信號(hào)從光的輸入端同端輸出。

這種濾波器工作時(shí)，光波由光波輸入端進(jìn)入，由金屬銀表面所產(chǎn)生的復(fù)合表面等離激元可以將光場(chǎng)約束在基底層和下波導(dǎo)層的界面處，而氟化鈉材料的折射率要低于二氧化硅材料，因此中波導(dǎo)層可以對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，使能量更多的聚集在中波導(dǎo)層，形成一個(gè)僅有幾十納米的光場(chǎng)限制區(qū)域，起到模場(chǎng)限制的作用。

根據(jù)衍射區(qū)域面積公式，具體公式如下：

A_eff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，A_eff表示的是衍射區(qū)域面積,W(r)表示的是電磁能量密度，ε(r)表示的相對(duì)介電常數(shù)，μ₀表示的是真空磁導(dǎo)率，E(r)和H(r)表示的是波導(dǎo)光柵的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由此可以看出，這種濾波器可以大大縮小整個(gè)布拉格光柵結(jié)構(gòu)的尺寸，同時(shí)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，易于集成。

利用電子束曝光的光刻技術(shù)，對(duì)上波導(dǎo)層的頂部進(jìn)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(xiàn)為規(guī)則對(duì)稱(chēng)矩形結(jié)構(gòu)，分為凹槽部分和凸起部分，為了可以反射特定的波長(zhǎng)，光柵的周期單元長(zhǎng)度需要滿(mǎn)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(zhǎng)度，λ_c表示的是中心波長(zhǎng)，n_eff1和n_eff2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。