基于光子晶体结构的平板凹面光栅及其制造方法

本发明涉及了光通信、光探测和集成光学领域，具体涉及一种基于光子晶体结构的平板凹面光栅及其制造方法。

背景技术：

1、波分复用器件作为光通信和光探测领域的重要器件，已经广泛应用于光纤通信扩容、光谱分析等技术领域。而平面光波导型的波分复用器件凭借集成化、小型化、工艺成熟等优势，成为了该类器件的主要研究方向，极大地驱动了片上光滤波器、光谱仪和密集波分复用技术的发展。目前平板波分复用器件的技术方案主要包括阵列波导光栅(ayrayeddiffraction grating，awg)和平板凹面光栅(planay concave grating，pcg)，其中pcg器件尺寸更小、工艺容差大、加工成本低、通道扩展性强，易于设计多通道大容差的波分复用器件。然而，在传统的pcg器件设计过程中，为了增强光栅面的反射率，通常使用镀金属膜等二次处理工艺，这无疑增加了器件的加工难度。为了解决这一问题，erickson l，brouckaert j和pierre pottier等人先后提出了利用全反射结构、bragg光栅反射器和椭圆线型bragg反射光栅作为凹面衍射光栅的反射增强手段。bragg反射器虽然在一定程度上降低了工艺的复杂程度，减小了插入损耗，但是光栅齿的深刻蚀和介质堆叠工艺还是会在加工过程中引入较大的相位误差。同时bragg光栅的设计灵活度比较局限，基于解析理论设计的闪耀凹面光栅齿面介质折射率是突变的，很难有效抑制次级衍射和散射损耗，所以目前该类器件的插入损耗、带宽、工艺容差等性能仍然亟待提升。此外，这些方案的器件尺寸都较大，限制了pcg器件的商业化应用和推广。

技术实现思路

1、针对背景技术中存在的不足，本发明提出一种基于二维光子晶体单元的平板凹面光栅及其制造方法。通过对其多个参数的调控同时保证了制造的灵活度和优化的高效性，实现了光栅结构连续的等效折射率变化，从而有效抑制了次级衍射和散射损耗；并提供了一种小尺寸、低损耗、大容差、平顶性好的波长(解)复用解决方案，适用于不同波导平台。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种基于光子晶体结构的平板凹面光栅：

4、包括第一波导区、第二波导区、自由传播区和光子晶体凹面光栅；

5、设置一个罗兰圆的区域用于作为自由传播区，自由传播区外设置一个光栅圆的区域，罗兰圆内切于光栅圆，所述罗兰圆的直径等于所述光栅圆的半径，第一波导区和第二波导区均布置于自由传播区的罗兰圆外且间隔布置，第一波导区和第二波导区一端朝向罗兰圆与光栅圆之间的内切点布置且延伸布置到罗兰圆边缘上，另一端用于输入/输出光信号，靠近的光栅圆外边缘处设有光子晶体凹面光栅，光子晶体凹面光栅为基于光子晶体结构的平板凹面光栅；

6、第一波导区/第二波导区的另一端输入光信号，光信号经自由传播区传输至光子晶体凹面光栅，经光子晶体凹面光栅反射衍射分光/汇聚后通过第二波导区/第一波导区的另一端输出。

7、所述光子晶体凹面光栅包括多个二维光子晶体单元；

8、多个二维光子晶体单元沿所述光栅圆的周向紧密布置，二维光子晶体单元主要由波导芯层及其内的光子晶体构成，波导芯层内设有多个沿光栅圆径向和周向上均阵列设置的圆形孔，圆形孔内填充有波导包层的材料形成光子晶体，填充材料包括但不限于波导包层的材料。

9、所述第一波导区包括一个端口波导，所述第二波导区包括由多个端口波导沿所述罗兰圆的周向依次排布构成的端口阵列波导，具体波导数目由解/复用通道数决定；所述端口波导由锥形波导和直波导依次连接构成，直波导的一端用于光信号的输入/输出，还可与其他波导结构或器件连接，另一端连接锥形波导的一端，锥形波导的另一端布置于所述自由传播区的罗兰圆边缘上；

10、所述的第一波导和第二波导支持光的基模形式传输，避免高阶模激发引起的损耗。

11、所述圆形孔的形状设置为圆形和椭圆形中的一种，也可以为其他封闭几何形状。

12、所述自由传播区包括但不限于罗兰圆内的区域，具体地，第一波导区和第二波导区位于罗兰圆边缘上的位置到光子晶体凹面光栅内部为自由传输区。

13、还包括从下至上依次布置的晶圆衬底、波导衬底层、波导芯层以及包覆波导芯层的波导包层，所述波导芯层布置有所述的第一波导区、第二波导区、自由传播区和光子晶体凹面光栅。

14、二、平板凹面光栅的制造方法：

15、1)将每个二维光子晶体单元分别等效为相切于光栅圆的、由每个二维光子晶体单元中的光子晶体构成的方形阵列后，再将每个方形阵列依次进行编号；

16、2)确定方形阵列的结构几何参数，基于结构几何参数构建多个优化变量并建立对应平板凹面光栅结构实际参数的多个优化变量和方形阵列的结构几何参数之间的关系式；

17、3)通过步骤2)中建立的关系式中的多个优化变量构建系数矩阵，根据评估算法评估由多个优化变量下的结构实际参数对应的方形阵列制造得到的光子晶体凹面光栅的性能，以光子晶体凹面光栅的所需性能为目标通过辅助算法不断优化系数矩阵中的多个优化变量，直到获得所需性能的光子晶体凹面光栅的结构实际参数对应的各个优化变量，进而利用各个优化变量对应的结构实际参数制造平板凹面光栅。

18、所述步骤1)中，将每个方形阵列和光栅圆的切线方向作为各自方形阵列的宽的方向，垂直于各自方形阵列宽的方向作为各自方形阵列长的方向，每个方形阵列长的方向和宽的方向均垂直于光栅圆的轴向且相互之间正交垂直，沿光栅圆的顺时针方向，将每个方形阵列依次进行编号。

19、所述步骤2)中，方形阵列的结构几何参数具体为：

20、方形阵列的结构几何参数包括方形阵列的宽度基准量d、方形阵列宽的方向上每相邻两个光子晶体圆心之间的距离基准量ax、方形阵列长的方向上每相邻两个光子晶体圆心之间的距离基准量ay、方形阵列中光子晶体的直径基准量b、第二总波导之间的间隔基准量δs；

21、建立多个优化变量下的结构实际参数和方形阵列的结构几何参数之间的关系式具体为：

22、

23、

24、

25、

26、

27、其中，d[k]表示第k个方形阵列的实际宽度，n表示方形阵列的实际总数，ax[i]表示第i个光子晶体的实际宽度周期，nx表示光子晶体的实际宽度周期数，ay[j]表示第j个光子晶体的实际长度周期，ny表示光子晶体的实际长度周期数，b[i，j]表示方形阵列中同时对应实际宽度周期和实际长度周期处的光子晶体的实际直径，δs[m]表示每相邻两个第二总波导的实际间隔，nc为第二总波导的实际总数，c1、c2、c3…c18分别为对应结构实际参数的多个优化变量。

28、所述步骤3)中，光子晶体凹面光栅的性能包括插入损耗、插入损耗的均匀性、相邻通带串扰和1-db/3-db带宽，其中插入损耗为各通道中最小损耗的最大值，插入损耗的均匀性为各通道损耗的最大差值，相邻通带串扰为目标通带中心波长透过率与相邻通带中心波长透过率的比值，1-db/3-db带宽为从频谱峰值下降1db/3db对应的波长间隔绝对值；

29、以光子晶体凹面光栅的所需性能为目标，构建多个优化变量下的结构实际参数对应的光子晶体凹面光栅性能的目标函数，具体为：

30、fom＝fomil+fomct

31、fomil＝-10·log10(il)

32、fomct＝-10·log10(1-ct)

33、其中，fomil和fomct分别为器件插入损耗和串扰性能的评估函数，il、ct分别为各通道一定带宽内插入损耗和串扰的加权平均值，在中心波长处权重更大；

34、目标函数fom的值越小，则对应结构实际参数的平板凹面光栅损耗、串扰越小，均匀性越好，带宽越大。

35、所述辅助算法包括但不限于逆向设计、拓扑优化方法；

36、所述评估算法包括但不限于有限时域差分算法、束传播法、有限元法。

37、本发明使用二维光子晶体阵列光栅取代了传统凹面光栅设计中的闪耀光栅结构，通过对二维光子晶体阵列中多个参数的调控同时保证了制造的灵活度和优化的高效性，实现了光栅结构连续的等效折射率变化，从而有效抑制了次级衍射和散射损耗，二维光子晶体同时具有高效的反射性能；同时提供了一种小尺寸、低损耗、大容差、平顶性好的波长复用、解复用解决方案，适用于不同波导平台。

38、本发明的有益效果是：

39、1、实现了更高的自由度和更好的性能潜力。同时借助逆向设计方法，高效提升pcg性能，特别是在通道带宽、损耗、通道均匀性等性能方面也有不同程度提升。

40、2、抑制高阶衍射级次，提高主衍射级次能量比例，降低损耗。

41、3、相对传统闪耀锯齿光栅有更好的加工容差，无需引入额外的金属反射层，工艺难度低，此外本发明的光子晶体凹面光栅结构避免了相邻bragg光栅介质层错位带来的加工难题。