專利名稱：可調(diào)諧振光柵濾光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特別適合波分多路復(fù)用光通信網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)諧振光柵濾光器(tunable resonant grating filter)。具體地說，本發(fā)明涉及在波分多路復(fù)用的外腔可調(diào)諧激光器(external-cavity tunable laser)內(nèi)用作可調(diào)諧反射器的可調(diào)諧振光柵濾光器。
背景技術(shù)：
平面波導(dǎo)光柵內(nèi)的導(dǎo)模諧振效應(yīng)(guided-mode resonance effect)可以用來生產(chǎn)理想或接近理想的反射濾光器。對于入射波長(或頻率)等于相應(yīng)濾光器諧振波長的情況，入射輻射受諧振反射控制，而不能透過濾光器。對于所有其他入射波長，器件基本上是透明的。
業(yè)已對諧振光柵濾光器的一些屬性作了研究。在Wang S.S.和R.Magnusson的“多層波導(dǎo)光柵濾光器”(“Multilayerwaveguide-grating filters”，Applied Optics，vol.34(1995)，p.2414)中，考慮了一些用多個(gè)薄膜層構(gòu)成的諧振反射濾光器。在Donald K.J.等人的“有限長度的窄帶介質(zhì)諧振光柵反射濾光器的設(shè)計(jì)考慮”(“Design considerations for narrow-band dielectric resonant gratingreflection filters of finite length”，J.Opt.Soc.Am.A(2000)，p.1241)中研究了一種多散射干涉波導(dǎo)方法來預(yù)測諧振光柵反射濾光器的響應(yīng)。
通常，諧振光柵濾光器的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)具有一些高折射率區(qū)和低折射率區(qū)的衍射光柵，設(shè)置在一個(gè)波導(dǎo)層上，而波導(dǎo)層通常處在一個(gè)支持這層的基片上。波導(dǎo)層，或者說芯層，用作可以傳播一些離散模(discrete mode)的空腔。波導(dǎo)頂上的光柵將入射的照射平面波耦合給波導(dǎo)內(nèi)的這些離散模。
如在Rosenblatt D.等人的“諧振光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)”(“ResonantGrating Wave guide Structures”，IEEE Journal of QuantumElectronics，vol.33(1997)，p.2038)中所述，在用一個(gè)入射光束照射一個(gè)諧振光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，部分光束直接透射，而部分光束被衍射后保留在波導(dǎo)層內(nèi)。保留在波導(dǎo)層內(nèi)的光中有些然后又衍射出來，與光束的透射部分干涉。在光束的一個(gè)特定波長和角取向，這種結(jié)構(gòu)發(fā)生“諧振”，即在直接透射場與衍射分量之間出現(xiàn)完全相消干涉，從而沒有光透射。諧振的帶寬取決于諸如光柵的厚度、占空比(臺階寬度與光柵周期之比)和折射率以及層的厚度之類的參數(shù)。這帶寬可以設(shè)計(jì)成非常窄(0.1nm量級)。
在G.Levy-Yurista和A.A.Friesem的“具有多層光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的甚窄光譜濾光器”(“Very narrow spectral filters with multilayeredgrating-waveguide structures”，Applied Physics Letters，vol.77(2000)，p.1596)中，揭示了一種諧振光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用一個(gè)也用作蝕刻過程終止層的緩沖層將光柵層與波導(dǎo)層隔開。說的是通過將波導(dǎo)層與光柵層隔開有可能更好地優(yōu)化和控制它們的厚度。
諧振光柵濾光器的諧振波長可以通過改變結(jié)構(gòu)內(nèi)不同的層的折射率予以控制。這樣改變折射率導(dǎo)致不同的相位匹配條件，因此導(dǎo)致諧振波長改變。例如，可以通過施加一個(gè)外部電場來改變折射率。在Dudovich N.等人的“基于有源半導(dǎo)體的光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)”(“ActiveSemiconductor-Based Grating Waveguide Structures”，IEEE Journalof Quantum Electronics，vol.37(2001)，p.1030)中揭示了一些具有InGaAsP/InP物質(zhì)和基于反向電壓配置的有源光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
可調(diào)諧濾光器在光通信中特別是在波分多路復(fù)用(WDM)中有許多應(yīng)用。在WDM系統(tǒng)中，若干具有不同波長的信道通過一個(gè)光纖發(fā)送，每個(gè)信道承載不同的信息?？梢杂靡粋€(gè)可調(diào)諧濾光器來選擇和濾出一個(gè)適當(dāng)?shù)男诺馈榱诉m應(yīng)越來越多的業(yè)務(wù)量，正在研制信道間隔為50GHz甚至是25GHz的稠密WDM(DWDM)系統(tǒng)。信道間隔為50GHz的DWDM系統(tǒng)通常要求頻率精度為±2.5GHz，而信道間隔為25GHz的系統(tǒng)一般要求精度為±1.25GHz。由于DWDM使用較窄的信道間隔，濾光器的通帶也應(yīng)該很窄，以免出現(xiàn)不同信道之間的串?dāng)_。
諧振光柵濾光器特別適合作為用于WDM系統(tǒng)的可調(diào)諧濾光器，因?yàn)橹C振狀態(tài)本身就會引起比較高的波長選擇性，因此制作窄的FWHM原則上是可行的(理想的是低到0.1nm，甚至更低)。
Hue Tan等人的“可調(diào)諧子波長諧振光柵濾光器”(“A tunableSubwavelength Resonant Grating Optical Filter”，proceedings ofLEOS 2002，p.825)揭示了通過調(diào)諧一個(gè)作為濾光器的覆蓋層的液晶(LC)層來調(diào)諧振波長的諧振光柵濾光器。所達(dá)到的調(diào)諧范圍為17nm，而模擬表明，LC濾光器具有達(dá)到調(diào)諧范圍為55nm而帶寬為0.1nm的可能性。
用激光器作為可調(diào)諧光源可以顯著地改善WDM和DWDM系統(tǒng)的可重構(gòu)性。例如，可以通過簡單地調(diào)諧波長為一個(gè)節(jié)點(diǎn)指配不同的信道。
可用不同的途徑提供可調(diào)諧激光器、分布式Bragg反射激光器、帶有可移動的頂部反射器的VCSEL激光器或外腔二極管激光器。外腔可調(diào)諧激光器有著若干優(yōu)點(diǎn)，諸如輸出功率高、調(diào)諧范圍寬、旁模抑制好和帶寬窄之類。業(yè)已開發(fā)了各種激光器調(diào)諧機(jī)構(gòu)來提供外腔波長選擇，諸如機(jī)械可調(diào)諧或電激活的內(nèi)腔選擇器件。
激光腔的波長選擇和調(diào)諧可以用一個(gè)有源可調(diào)諧反射器執(zhí)行。美國專利No.6,215,928揭示了一種有源可調(diào)諧反射器，它包括一個(gè)在平面波導(dǎo)上形成的衍射光柵和一個(gè)至少填入衍射光柵間隙的覆蓋層。覆蓋層可以用能光電調(diào)諧的液晶材料形成。通過改變提供給光電受控件的電壓或電流可以改變諧振波長。
美國專利No.6,205,159揭示了一種通過改變加到液晶Fabry-Perot(LC-FP)干涉儀上的電壓調(diào)諧到一組離散的波長上的外腔半導(dǎo)體激光器。這組可以調(diào)諧到的離散波長由一個(gè)靜態(tài)內(nèi)腔校準(zhǔn)器(staticintracavity etalon)限定。靜態(tài)內(nèi)腔校準(zhǔn)器的自由光譜范圍(FSR)設(shè)計(jì)成高于LC-FP干涉儀的分辨帶寬。靜態(tài)規(guī)格的FWHM線寬度必須小于外腔縱模間距。
申請人注意到，為了得到一個(gè)具有比較大的調(diào)諧范圍(例如不小于30-40nm)和比較窄的FWHM帶寬的濾光器，以滿足例如在信道間隔為100GHz(0.8nm)在鉺C波段工作的WDM系統(tǒng)的可調(diào)諧激光器內(nèi)作為可調(diào)諧元件的需要，諧振光柵濾光器的諸如波導(dǎo)或光柵層的厚度或光柵周期之類的結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定性的。
日本專利申請No.63-244004揭示了一種可用來制造致偏構(gòu)件或聚焦透鏡的波導(dǎo)光柵構(gòu)件。在所揭示的器件中，光沿著波導(dǎo)側(cè)向入射。利用一個(gè)外加電壓改變LC材料的折射率可以導(dǎo)致改變光的偏轉(zhuǎn)角，從而能控制輸出光的角度。
類似，美國專利No.5,193,130揭示了一種光致偏器件，用一個(gè)電壓信號改變在波導(dǎo)層表面附近的LC層的對準(zhǔn)方向。在所揭示的器件中，由于存在一個(gè)光柵，沿著波導(dǎo)傳播的波導(dǎo)光分成兩個(gè)光束，第一個(gè)光束射到LC上，而第二個(gè)光束射向基片。通過施加一個(gè)電壓信號，可以改變射出波導(dǎo)層的光的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種能反射處在諧振波長的光輻射的可調(diào)諧振光柵濾光器，所述諧振波長是可根據(jù)需要有選擇地改變的。這種濾光器包括一個(gè)具有一些低折射率區(qū)和高折射率區(qū)的周期性結(jié)構(gòu)，即一個(gè)衍射光柵；一個(gè)平面波導(dǎo)；以及一種具有一個(gè)可有選擇地改變的折射率的透光材料，用以調(diào)諧濾光器，所述透光材料形成平面波導(dǎo)的一個(gè)可調(diào)諧覆蓋層。這種透光材料優(yōu)選的是一種電-光透光材料，優(yōu)選的是一種液晶(LC)材料。
諧振光柵濾光器的光學(xué)特性取決于它們的結(jié)構(gòu)特征，諸如光柵層的厚度、波導(dǎo)層的厚度或光柵的低折射率區(qū)與高折射率區(qū)之間的折射率反差。申請人發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)選擇器件的結(jié)構(gòu)特征可以有益地兼顧窄帶寬和寬可調(diào)諧性。
申請人發(fā)現(xiàn)，通過將衍射光柵設(shè)置在相對于平面波導(dǎo)可調(diào)諧層的對面，就可以將光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)修改成適合所希望的濾光器響應(yīng)帶寬而不會顯著地影響濾光器的可調(diào)諧性。也就是說，一種包括一個(gè)設(shè)置在波導(dǎo)之下的衍射光柵的諧振結(jié)構(gòu)允許在選擇適當(dāng)?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)中有較大的靈活性，使得在按帶寬分辨率要求選擇具有較小的耦合效率的同時(shí)可以達(dá)到所希望的調(diào)諧范圍。在這種諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)，芯層即波導(dǎo)可以更接近可調(diào)諧層，或者與可調(diào)諧層直接接觸，或者與可調(diào)諧層之間隔著較薄的中間層。芯層接近可調(diào)諧層意味著傳播?？梢燥@著地延伸入可調(diào)諧層，使得對波導(dǎo)內(nèi)基模的有效折射率可以更有效地受到可調(diào)諧層折射率改變的影響。
申請人認(rèn)識到一個(gè)耦合效率較低的光柵是為了得到一個(gè)帶寬較窄的諧振濾光器所希望的。優(yōu)選的是，為了得到不大于0.6nm左右的FWHM帶寬(特別適合于信道間隔為50GHz的可調(diào)諧激光器DWDM系統(tǒng))，耦合系數(shù)應(yīng)該不大于0.0026左右。最好，耦合效率應(yīng)該大約在0.001到0.002之間。
制造一種芯層夾在光柵與可調(diào)諧層之間的諧振光柵結(jié)構(gòu)，可以放寬其中一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的制造公差，因?yàn)檎{(diào)諧范圍呈現(xiàn)為不大受光柵參數(shù)改變的影響。此外，為了得到一個(gè)耦合系數(shù)不大于0.0026的弱衍射光柵，沒有必要去制造一個(gè)厚度小于150-200nm的薄光柵。
本發(fā)明的可調(diào)諧振光柵濾光器特別適用于信道間隔為50GHz和25GHz的DWDM系統(tǒng)的外腔可調(diào)諧激光器。本發(fā)明的可調(diào)諧振光柵濾光器可以在整個(gè)鉺C波段(1530-1570nm)上可調(diào)諧。
在本發(fā)明的一個(gè)情況中，提出了一種包括一個(gè)可調(diào)諧振光柵濾光器的外腔可調(diào)諧激光器。


圖1為一個(gè)諧振光柵濾光器的層狀結(jié)構(gòu)的簡化例示圖，圖中還示出了在輻射垂直入射的情況下的相應(yīng)入射波和衍射波。
圖2(a)至2(c)示出了對芯層厚度的一些不同的值計(jì)算得到的諧振光柵濾光器的FWHM帶寬與衍射光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。折射率反差ΔnG/nG在圖2(a)中為0.26、在圖2(b)中為0.07而在圖2(c)中為0.04。
圖3為一個(gè)在芯層與光柵層之間包括一個(gè)“間隙”層的諧振光柵濾光器的層狀結(jié)構(gòu)的簡化例示圖。
圖4示出了圖3所示的這種諧振光柵濾光器的對于間隙層厚度從0nm(即，沒有間隙層)到300nm(對于所有曲線芯層厚度值相同)的一些不同的值的FWHM帶寬與衍射光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖5(a)和5(b)示出了圖1這種諧振光柵濾光器的對于可調(diào)諧層的折射率n1的兩個(gè)不同的值的在結(jié)構(gòu)各層中的歸一化光模分布(實(shí)線)，在圖5(a)中n1＝1.5，在圖5(b)中n1＝1.7。
圖6為一個(gè)在芯層與可調(diào)諧層之間包括一個(gè)“中間”層的諧振光柵濾光器的層狀結(jié)構(gòu)的簡化例示圖。
圖7示出了對中間層厚度從0nm(即沒有中間層)到200nm的一些不同的值計(jì)算得到的調(diào)諧范圍與芯層厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖8為一個(gè)按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例設(shè)計(jì)的諧振光柵濾光器的層狀結(jié)構(gòu)的簡化例示圖。
圖9(a)和9(b)示出了圖1這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性與圖8所示的這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性之間的比較情況。在圖9(a)中示出了FWHM帶寬與光柵厚度的函數(shù)關(guān)系，而在(b)中示出了調(diào)諧范圍與光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖10為一個(gè)按照本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例設(shè)計(jì)的諧振光柵濾光器的層狀結(jié)構(gòu)的簡化例示圖。
圖11示出了所計(jì)算的FWHM帶寬與耦合效率的函數(shù)關(guān)系，典型的是FWHM取決于衍射光柵的“強(qiáng)度”。
圖12(a)和12(b)示出了圖10所示的這種結(jié)構(gòu)對于間隙層的厚度的一些不同的值的FWHM帶寬(圖12(a))和調(diào)諧范圍(圖12(b))與衍射光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖13示出了圖10所示的這種結(jié)構(gòu)對于間隙層厚度從0nm(即沒有間隙層)到300nm的一些不同的值的所計(jì)算的調(diào)諧范圍與光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖14為一種包括一個(gè)按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例設(shè)計(jì)的光柵諧振濾光器的外腔可調(diào)諧激光器的原理圖。
具體實(shí)施例方式
申請人研究了一種如圖1示意性示出的諧振光柵濾光器的結(jié)構(gòu)(也稱為諧振結(jié)構(gòu))。諧振結(jié)構(gòu)1包括一個(gè)在一個(gè)鋪底的覆蓋層(cladding layer)5上形成的波導(dǎo)亦即芯層4和一個(gè)包括一些分別具有折射率nL和nH的低折射率區(qū)6和高折射率區(qū)7的衍射光柵層3。光柵的低、高折射率區(qū)之間的折射率反差(refractive index contrast)ΔnG/nG定義為ΔnGnG=nH-nL[FnL+(1-F)nH]---(1)]]>其中，nG為光柵折射率的平均值，而F為光柵的占空比(dutycycle)。
在光柵3上形成一個(gè)覆蓋層2，覆蓋層2用一種可調(diào)諧材料優(yōu)選的是具有較寬的可選折射率范圍的LC材料形成。芯層4的折射率nc大于周圍各層的折射率，以保證限制這些光模沿著波導(dǎo)傳輸。層5可以按需要生長在一個(gè)基片(未示出)上，或者它本身就是一個(gè)基片(起著基片的作用)。例如，芯層4可以用Si3N4制成，而層5可以用不摻雜的SiO2制成，優(yōu)選的是生長在一個(gè)Si基片(未示出)上?；蛘撸瑢?也可以是一個(gè)玻璃基片，芯層就生長在這個(gè)玻璃基片上。
根據(jù)濾光器的主方向定義一個(gè)直角坐標(biāo)系(x，y，z)，z軸垂直于波導(dǎo)的主表面，在有一個(gè)光束照射到結(jié)構(gòu)1上時(shí)光就受到光柵3的衍射。在圖1所示的這個(gè)例子中，與結(jié)構(gòu)垂直入射，即沿著z方向入射。光柵優(yōu)選的是設(shè)計(jì)成具有周期Λ，使得只有零級(zero order)和一級衍射(first diffracted order)可以在波導(dǎo)內(nèi)傳播；而所有其他級衍射逐漸消失。零級將沿著z方向穿過多層結(jié)構(gòu)傳播，而一級衍射將在芯區(qū)內(nèi)以一個(gè)主要取決于光柵周期和芯折射率的衍射角傳播。如果衍射角大于由芯層4與周圍層之間的界面8和9給出的臨界角(在本方法內(nèi)，光柵處理為一個(gè)小擾動，因此認(rèn)為是一個(gè)界面)，這級衍射將在波導(dǎo)內(nèi)沿著x軸傳播。折射率不同的兩層之間的界面的臨界角定義為發(fā)生全反射的最小角度，如圖1所示，有sinΘ1，3＝n1，3/nC。
在諧振狀態(tài)下，入射光耦合給在芯層內(nèi)沿著x軸傳播的基模(fundamental mode)。沿著x軸以一個(gè)所規(guī)定的傳播常數(shù)β傳播的光受到周期擾動(光柵)的衍射，再次射出波導(dǎo)。在諧振波長，周期擾動將光耦合回z方向，成為沿著z軸的反射。所有其他波長基本上透過器件。在諧振時(shí)，波導(dǎo)層內(nèi)產(chǎn)生駐波，波導(dǎo)層就象一個(gè)諧振腔，由于全內(nèi)反射將光限制在諧振腔內(nèi)，從而建立起能量。
為了發(fā)生諧振，在光柵-芯界面處基模在正切方向上(即沿x軸)的β值由下式給出kix‾+kg‾=β‾---(2)]]>其中，kix為入射光束的波數(shù)(wave number)的沿x方向的分量，而kg為光柵的波數(shù)，定義為kg‾=2πΛx^---(3)]]>其中，A為光柵周期。由于在本情況下我們考慮垂直入射，因此kix=0.]]>因此，基模的傳播常數(shù)與光柵周期之間的關(guān)系由下式給出β‾=2πΛx^---(4)]]>雖然在圖1中所示的和以下所討論的是光束垂直入射的情況，但垂直入射并非必需的限制。在考慮以角度 入射時(shí)，諧振條件還應(yīng)該考慮在特定諧振波長λ0和角度 發(fā)生諧振時(shí)光束的角取向。
眾所周知，諧振波長λ0為由下式給出的特征值問題的非平凡解
tg(u·tC)=u(w2+w5)u2-w2w5---(5)]]>其中tc為波導(dǎo)(芯)厚度，u為在芯內(nèi)傳播波的模態(tài)參數(shù)(modalparameter)，而w2和w5為覆蓋層2和5(圖1)的模態(tài)參數(shù)。這些模態(tài)參數(shù)可以由以下各式表示u=(2πλnC)2-β2---(6)]]>w2,5=β2-(2πλn1,3)2---(7)]]>其中λ為入射光的波長。
遵循橫向諧振的多路徑干涉方法，能得出這個(gè)結(jié)構(gòu)在諧振時(shí)光譜響應(yīng)與光柵和波導(dǎo)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系的解析表達(dá)式。芯層內(nèi)一級衍射的反射效率可以用這級衍射所受到的有效光柵強(qiáng)度ηd表示為R(λ)=ηd2ηd2+4(1-ηd)sin2φ(λ)/2---(8)]]>其中，(λ)為衍射級在波導(dǎo)區(qū)內(nèi)所經(jīng)歷的往返相位，包括與腔的光徑、在兩個(gè)芯界面處的界面反射和由于衍射引起的耦合關(guān)聯(lián)的相移。在諧振波長λ0附近的波長λ(從而在 附近的角度)處的光譜特性因此通常為Lorentzian。
有效光柵強(qiáng)度ηd表示光柵耦合入一個(gè)衍射級的耦合效率，取決于波長、衍射級、入射衍射角，也取決于諸如光柵厚度tG、折射率反差ΔnG/nG和光柵周期Λ之類的光柵參數(shù)。在只在一級發(fā)生衍射的情況下，耦合效率相應(yīng)于一級衍射效率，可以用一級傳播模的光強(qiáng)度與入射的光強(qiáng)度之比表示。實(shí)質(zhì)上，耦合效率表明一個(gè)光柵(耦合器)在使光的方向改變成空間內(nèi)單個(gè)方向上的有效程度。以下，有效光柵強(qiáng)度將稱為耦合效率。
(λ)的產(chǎn)生為1/2的強(qiáng)度的改變給出一個(gè)FWHM移相帶寬(dephasing bandwidth)，為 移相帶寬也可以表示為如下切向分量的改變 其中，k0為在峰值波長λ0處自由空間內(nèi)的波數(shù)，而d/dβ定義為模態(tài)移相率(modal dephasing rate)，表示對于切向分量的相位改變率。模態(tài)移相率定義為 通常，芯與覆蓋層之間的折射率反差較大就會使模態(tài)移相率的值較大，從而使FWHM的帶寬的值較小[見式(10)]。
式(10)表明帶寬隨著ηd的減小和模態(tài)移相率的增大而減小。因此，具有一個(gè)ηd值較小的光柵的結(jié)構(gòu)可以給出較窄的光譜響應(yīng)帶寬。耦合入衍射模的耦合效率ηd的值小的光柵也稱為“弱”光柵，表示它們具有使傳播衍射模所到受的較小的光柵強(qiáng)度。
圖2(a)至2(c)示出了圖l所示這種諧振結(jié)構(gòu)的所計(jì)算的FWHM帶寬在芯厚度tC為200nm(粗實(shí)線)、300nm(點(diǎn)劃線)和400nm(帶黑方塊的細(xì)實(shí)線)三個(gè)不同的值的情況下的與光柵厚度tG函數(shù)關(guān)系。在計(jì)算中，假設(shè)芯層4的折射率nC＝1.96，而覆蓋層5和光柵3的區(qū)域6(小折射率區(qū)域)的折射率nL＝n3＝1.445。光柵的高折射率區(qū)域7的折射率在圖2(a)至2(c)的曲線中取三個(gè)不同的值。在圖2(a)中光柵折射率反差ΔnG/nG＝0.26，在圖2(b)中ΔnG/nG＝0.07，而在圖2(c)中ΔnG/nG＝0.04。FWHM的計(jì)算從式(10)得出。計(jì)算中基準(zhǔn)波長為1.55μm。
作為一般考慮，可以發(fā)現(xiàn)FWHM隨著光柵厚度tG的增大而增大。然而，在折射率反差比較高的情況下(ΔnG/nG＝0.26)增大得比在折射率反差比較小的情況下(ΔnG/nG＝0.07和0.04)更為顯著。在ΔnG/nG＝0.26的情況下，可以觀察到隨tG增加得較快，例如，光柵厚度從50nm增大到80nm導(dǎo)致FWHM帶寬增大一倍以上。雖然在圖2(a)中沒有示出，但對于ΔnG/nG＝0.26的情況，光柵厚度在200nm左右可以得到的FWHM為20nm。相反，對于ΔnG/nG＝0.04的情況，光柵厚度為200nm或更厚一些仍然可以保證FWHM的值也不大于0.5nm。
從圖2(a)所示的結(jié)果我們可以推斷，為了滿足例如在50GHz信道間隔的DWDM應(yīng)用的可調(diào)諧激光器內(nèi)的需要具有一個(gè)比較小的FWHM帶寬，即不大于0.6nm左右，在所示的這個(gè)例子中，光柵應(yīng)該選擇成或者具有很小的厚度，即tG不大于30nm，如果光柵折射率反差比較高的話，或者具有比較小的折射率反差，即不大于0.07左右。
選擇圖1的諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)的光柵具有幾十納米(例如，30nm)的tG的第一個(gè)可選項(xiàng)可以允許比較高的折射率反差ΔnG/nG(例如，0.26)，但會使光柵制造特別麻煩，特別是考慮到諸如化學(xué)蒸汽淀積或蝕刻之類的大多數(shù)技術(shù)具有幾個(gè)納米的制造公差。但是，選擇一個(gè)至多0.05優(yōu)選的是在0.03到0.04之間的小折射率反差就允許制造厚度至少為150-200nm的光柵。
圖2(a)至2(c)表明，對于給定的光柵厚度和光柵折射率反差，芯厚度tG的增大會導(dǎo)致FWHM的減小。一般地說，芯層厚度比較大和/或芯層的折射率比覆蓋層的大可以產(chǎn)生一個(gè)比較小的FWHM帶寬。然而，在大的折射率反差的情況下[圖2(a)]，對于芯厚度為400nm的，只是在光柵厚度小于40nm的情況下才可以得到不大于0.5nm的FWHM帶寬。
一般說來，具有小FWHM帶寬的光譜響應(yīng)可以在具有一個(gè)“弱”光柵(即具有較小的耦合效率ηd的光柵)的結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。弱光柵可以例如通過選擇薄的光柵結(jié)構(gòu)(小的tG)或者用具有小的折射率反差(小的ΔnG/nG)的光柵結(jié)構(gòu)得到。可以理解，滿足這兩個(gè)條件也可導(dǎo)致光柵強(qiáng)度具有小的值。
可以通過在芯層與光柵層之間插入一個(gè)稱為間隙層的層來得到小的光柵耦合效率。存在一個(gè)間隙層可降低模態(tài)場與周期區(qū)之間的疊加，從而削弱了場的衍射效應(yīng)。圖3示意性地例示了一個(gè)包括處在芯層與光柵層之間的間隙層10的諧振結(jié)構(gòu)12。這個(gè)結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)玻璃片11，起著可調(diào)諧層2的蓋板的作用。在光透射材料為LC材料的情況下，優(yōu)選的是用一個(gè)蓋板。這個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的與圖1所示的諧振結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的部分標(biāo)以相同的標(biāo)注數(shù)字，不再詳細(xì)說明。
圖4示出了圖3的諧振結(jié)構(gòu)的FWHM帶寬對于間隙層厚度tgap從0nm(即，沒有間隙層，因此這個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于圖1所示的結(jié)構(gòu))到300nm的一些不同的值的與光柵厚度tG的函數(shù)關(guān)系。FWHM的計(jì)算從式(10)得出，其中假設(shè)ΔnG/nG＝0.26，tC＝200nm，Λ＝950nm，nC＝1.96(Si3N4)，而n3＝1.445(不摻雜的SiO2)。在本例中，間隙層用SiO2形成。對于tgap＝0nm的曲線與圖2(a)中對于tC＝200nm所示的曲線相應(yīng)。結(jié)果例示了FWHM的值隨間隙層的厚度的增大而減小。例如，對于光柵厚度tG＝30nm的情況，在tgap＝300nm時(shí)FWHM的值大約比tgap＝0時(shí)的值小1.7倍。
除了有著具有適合DWDM應(yīng)用的適當(dāng)帶寬的光譜響應(yīng)之外，諧振光柵濾光器應(yīng)該呈現(xiàn)為具有大范圍的可調(diào)諧性，即，大的調(diào)諧范圍。優(yōu)選的是，調(diào)諧范圍不小于10nm，最好不小于30-40nm，例如對于一些要求調(diào)諧范圍覆蓋鉺C-波段的應(yīng)用來說。
可調(diào)諧性意味著對諧振光柵濾光器的諧振波長的移動量。為了移動諧振波長，應(yīng)該移動特征值問題(式5)的解。改變諧振條件，即移動諧振波長的一種方式是改變諧振結(jié)構(gòu)中影響芯內(nèi)的傳播模的有效折射率neff的其中一個(gè)層的折射率。
就一級近似來說，諧振波長λ0可以表示為λ0＝neff·Λ (12)
其中，Λ為光柵周期。于是可以得出諧振波長的調(diào)諧范圍Δλ0為Δλ0＝Δneff·Λ (13)表明Δλ0與傳播模的有效折射率的改變量Δneff成正比。
對于可調(diào)諧層即作為可通過改變它的折射率來調(diào)諧振波長的層來說，芯層和周期性結(jié)構(gòu)(光柵)不是好的候選對象，因?yàn)樗鼈兊恼凵渎实母淖儗WHM帶寬有很大影響，從而會妨害結(jié)構(gòu)在不同諧振波長的光譜響應(yīng)的均勻性。
因此，優(yōu)選的是通過改變諧振結(jié)構(gòu)的一個(gè)覆蓋層的折射率來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。在圖1這個(gè)諧振結(jié)構(gòu)中，可調(diào)諧層是覆蓋層2，它優(yōu)選的是用可選折射率范圍大的液晶(LC)材料制成。LC層的折射率n1根據(jù)加到它上的電場改變，使諧振光柵結(jié)構(gòu)成為可電調(diào)諧的。
申請人發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)有效的可調(diào)諧性，傳播模式的光模分布應(yīng)該在空間上延伸到顯著地與可調(diào)諧層交疊。這樣，可調(diào)諧層的折射率n1的改變就會導(dǎo)致對波導(dǎo)內(nèi)傳播模的有效折射率neff的明顯改變。圖5(a)和5(b)示出了對于圖1所示的這種諧振結(jié)構(gòu)的各層的光模分布的兩個(gè)例子。在圖5(a)和5(b)中，諧振結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)覆蓋LC材料的玻璃板。模態(tài)場用一個(gè)基于有限差分時(shí)域技術(shù)的市售軟件計(jì)算。基光模的振幅示于圖5(a)和5(b)的上部。在模擬中結(jié)構(gòu)參數(shù)假設(shè)為ΔnG/nG＝0.26，tC＝200nm，Λ＝950nm，nC＝1.96(Si3N4)，而n3＝1.445(不摻雜SiO2)，tG＝30nm?？烧{(diào)諧覆蓋層(LC材料)的折射率n1從1.5改變到1.7。在圖5(a)中n1＝1.5，而在圖5(b)中n1＝1.7。諧振結(jié)構(gòu)的基傳播模是準(zhǔn)高斯的，呈現(xiàn)為有一個(gè)延伸入可調(diào)諧層的“拖尾”，這個(gè)拖尾表示這個(gè)模對可調(diào)諧層的空間交疊。在LC層內(nèi)的交疊程度和基模的曲線形狀受折射率n1改變的影響，如從圖5(a)與圖5(b)的比較中所見。對于n1＝1.5計(jì)算得的有效折射率neff為1.5995，而對于n1＝1.7計(jì)算得的有效折射率neff為1.6505。從式(13)可以得出調(diào)諧范圍Δλ0等于48.5nm。
對于與圖5(a)和5(b)的例子相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)只是光柵厚度tG取為200nm而不是以上例子中的30nm的情況，也對基傳播模的有效折射率進(jìn)行了計(jì)算。有效折射率的改變計(jì)算為0.02291，相應(yīng)于λ0為22.9nm，小于在圖5(a)和(b)這個(gè)例子中的二分之一。這表明，在圖1所示的這種結(jié)構(gòu)內(nèi)，為了改善可調(diào)諧性優(yōu)選的是光柵具有小的厚度，因?yàn)榇蠛穸鹊墓鈻攀剐緦优c可調(diào)諧層之間的間距增大，從而影響基模對可調(diào)諧層的交疊。如前面所看到的，具有象這樣小的厚度(例如，30nm)的光柵往往是技術(shù)關(guān)鍵。
申請人發(fā)現(xiàn)，在光柵層與可調(diào)諧層之間插入一個(gè)在這里稱為中間層的層可以影響可調(diào)諧性。圖6示意性地例示了一個(gè)諧振光柵結(jié)構(gòu)14，它包括一個(gè)處在光柵層3與可調(diào)諧層2之間的中間層13。中間層應(yīng)該具有比芯層的小的折射率。這個(gè)諧振光柵濾光器的與圖1所示的諧振光柵濾光器中相應(yīng)的部分標(biāo)以相同的標(biāo)注數(shù)字，不再詳細(xì)說明。
在某些諧振濾光器的設(shè)計(jì)中可以設(shè)想在光柵與可調(diào)諧層之間加一個(gè)中間層。例如，中間層可以是一個(gè)光透明的導(dǎo)電層，例如用銦錫氧化物(ITO)形成，用作一個(gè)控制可調(diào)諧層的電極?；蛘?，也可以是為了改善形成可調(diào)諧層的透光材料與在下面的層的粘附而插入一個(gè)中間層。在透光材料為LC材料的情況下，可以將一個(gè)例如用聚酰亞胺形成的中間層與LC接觸放置，作為對準(zhǔn)層。
在圖7中，對于中間層的厚度從0nm(即，沒有中間層)到200nm的一些不同的值示出了圖6所示的這種結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍與波導(dǎo)(芯)厚度的函數(shù)關(guān)系。調(diào)諧范圍用有限差時(shí)域軟件按式(13)計(jì)算。在計(jì)算這些曲線中所考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)為ΔnG/nG＝0.26，Λ＝950nm，nC＝1.96，n3＝1.445，tG＝30nm，而Δn1＝0.2，其中n1在從1.5到1.7的范圍內(nèi)。中間層在這個(gè)例子中取為用SiO2形成。結(jié)果表明，調(diào)諧范圍隨著芯厚度的增大而減小。此外，對于給定的芯厚度，調(diào)諧范圍隨著中間層厚度的增大而減小。
圖7所示的結(jié)果清楚地表明，可調(diào)諧性顯著地受芯厚度tC的影響和/或受在光柵層與可調(diào)諧層之間是否存在一個(gè)中間層的影響。在這兩種情況下，這是由于在波導(dǎo)內(nèi)的傳播模的中心變成離可調(diào)諧層更遠(yuǎn)一些(通常，基模集中在芯中心附近)，因此不能顯著與可調(diào)諧層交疊，從而不能有效地改變有效折射率。
通過將圖2(a)至2(c)所示的結(jié)果與圖7所示的結(jié)果相比較，申請人注意到，為了得到較窄的光譜響應(yīng)帶寬，較厚的芯層是所希望的，而為了得到寬范圍的可調(diào)諧性，較薄的芯層是有益的。作為一個(gè)例子，如果選擇一個(gè)具有ΔnG/nG＝0.04和tG＝200nm的光柵，為了使FWHM帶寬為0.4nm，所需的芯厚度為220nm左右。然而，這樣的芯厚度意味著調(diào)諧范圍為25nm(結(jié)構(gòu)參數(shù)假設(shè)與以上提到的圖中所示的這些計(jì)算中的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同)。這個(gè)調(diào)諧范圍例如對于在C波段的波長范圍內(nèi)工作的DWDM系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用可能是不適合的，對于這種系統(tǒng)，要求調(diào)諧范圍至少為30nm，優(yōu)選的是不小于40nm。
申請人發(fā)現(xiàn)，通過將衍射光柵設(shè)置在可調(diào)諧層隔著平面波導(dǎo)的對面，就可以將光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)修改成適合所希望的濾光器響應(yīng)帶寬而不會顯著地影響到濾光器的可調(diào)諧性。也就是說，一種包括一個(gè)設(shè)置在光柵與可調(diào)諧層之間的波導(dǎo)的諧振結(jié)構(gòu)允許在選擇適當(dāng)?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)中有較大的靈活性，使得在按帶寬分辨率要求選擇具有較小的耦合效率的同時(shí)可以達(dá)到所希望的調(diào)諧范圍。
可以將芯層設(shè)置成接近可調(diào)諧層，可以直接與可調(diào)諧層接觸，也可以在芯層與可調(diào)諧層之間有一個(gè)或多個(gè)較薄的中間層。中間層應(yīng)該具有使它不顯著影響可調(diào)諧性的厚度，最大允許厚度取決于波導(dǎo)的折射率和厚度，也取決于中間層的折射率。例如，對于一個(gè)200nm厚的Si3N4的芯層和一個(gè)ITO(n＝1.9)的中間層，ITO的厚度應(yīng)該不大于40nm。芯層接近可調(diào)諧層意味著傳播?？梢圆糠盅由烊肟烧{(diào)諧層，因此改變可調(diào)諧層的折射率可以有效地影響有效折射率。
圖8示意性地示出了一個(gè)按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例設(shè)計(jì)的諧振光柵濾光器的層狀結(jié)構(gòu)。諧振結(jié)構(gòu)20包括在衍射光柵層23上形成的芯層28，衍射光柵層23包括一些低折射率區(qū)21和高折射率區(qū)22，低、高折射率區(qū)之間的折射率反差為ΔnG/nG。光柵層23形成在一個(gè)緩沖層24上，緩沖層24可以按需要形成在基片25上。在芯層28上形成一個(gè)覆蓋層30，覆蓋層30用一種可調(diào)諧透光材料優(yōu)選的是用一種具有較大范圍的可選折射率的LC材料形成。
芯層28的折射率nC大于周圍各層的折射率，以保證將這些光模限制在波導(dǎo)內(nèi)。折射率nC大于光柵平均折射率nG。
可以通過改變一個(gè)外部參數(shù)如由于施加一個(gè)電壓(V)而提供的電場或者溫度(T)來改變可調(diào)諧材料的折射率。選擇一種適當(dāng)?shù)目烧{(diào)諧材料，使得在為器件的工作和可調(diào)諧性考慮的整個(gè)電壓(溫度)范圍內(nèi)折射率n1(V)[或者n1(T)]保持小于芯層折射率。
在可調(diào)諧層由電-光材料組成的情況下，優(yōu)選的是諧振結(jié)構(gòu)包括處在LC層的相對表面上的透明導(dǎo)電層26和29?；蛘?，這兩個(gè)電接觸結(jié)構(gòu)的層可以是層29和基片25，當(dāng)然假設(shè)基片是導(dǎo)電或半導(dǎo)電的(例如是用硅形成的)。優(yōu)選的是，設(shè)置一個(gè)玻璃板31作為LC層的蓋板。
參見圖8，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光柵的低折射率區(qū)21是用與緩沖層24的相同材料形成的。
可任選地，在芯層上形成一個(gè)中間層27。中間層可以改善導(dǎo)電層26的粘附和/或它的厚度的均勻性，特別是在用噴涂或淀積形成時(shí)。
可選擇的，在覆蓋層30上有一個(gè)抗反射涂層和/或在基片25與緩沖層24之間有一個(gè)抗反射涂層(未示出)。
雖然衍射光柵示為具有矩形形狀，但也可以為這周期性結(jié)構(gòu)設(shè)想其他形狀，只要光柵可以將光輻射耦合入波導(dǎo)區(qū)。衍射光柵應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)一維的(如在圖8這個(gè)諧振結(jié)構(gòu)中)或兩維的周期擾動。光柵的周期性可以是單元的或多元的，可以與入射光的極化有關(guān)或無關(guān)。
在可調(diào)諧覆蓋層20用諸如LC材料之類的電-光可調(diào)諧材料形成的情況下，波長的選擇用電信號來實(shí)現(xiàn)。通過改變提供給電-光控制材料的電壓或電流可以改變諧振波長。在電-光材料是LC材料時(shí)，為使濾光器工作而提供的電信號是一個(gè)交變電壓，以防止由于dc的應(yīng)力而使LC惡化。根據(jù)加到導(dǎo)體(在圖8中為導(dǎo)電層26和29)上的電壓的振幅，可調(diào)諧濾光器反射的只是處在一個(gè)給定波長λ0處的輻射。所有其他波長的輻射都通過諧振濾光器。顯然，透射率最小的出現(xiàn)在λ0處。
雖然理論上在λ0處的反射率為100％，但諧振光柵濾光器的實(shí)際反射率通常為70％-95％，因?yàn)槔缬捎诨蚓彌_層引起的損耗，使得有一小部分的入射光透射。
LC材料的厚度優(yōu)選的是不大于5μm左右，最好為不超過2μm，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中為1μm左右。
雖然優(yōu)選的是可調(diào)諧覆蓋層用電-光材料形成，但不一定要這樣。例如，也可以設(shè)想使用諸如聚合物之類的熱-光材料。對形成可調(diào)諧覆蓋層的材料的要求是它應(yīng)該具有在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)隨溫度(T)或電場的外部參數(shù)改變而改變的折射率。對于熱-光材料來說，為了對于適當(dāng)?shù)臏囟茸兓玫饺舾杉{米的可調(diào)諧性，熱-光材料應(yīng)該具有至少為10-4/℃的熱-光系數(shù)dn/dT。一大類LC材料呈現(xiàn)具有大到對于適當(dāng)?shù)碾妶龈淖冏阋垣@得數(shù)十微米的調(diào)諧范圍的通常不大于1-2V/μm的電-光系數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)碾?光或熱-光材料當(dāng)然取決于應(yīng)用，即取決于所需的調(diào)諧范圍。
可以理解，在可調(diào)諧層用熱-光材料形成的情況下，熱調(diào)諧只需要一個(gè)傳導(dǎo)體。參見圖8，調(diào)諧這個(gè)濾光器只需要傳導(dǎo)層29(不是傳導(dǎo)層26)。此外，在層30是一個(gè)聚合物層的情況下蓋板31不是必需的。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將光柵周期Λ選擇成使得在波導(dǎo)內(nèi)只產(chǎn)生一級衍射模，即應(yīng)該滿足條件Λ＞λmax/nC，其中λmax為所關(guān)心的范圍內(nèi)的最大的波長，例如在范圍為C波段的情況下，λmax≈1570nm。優(yōu)選的是，應(yīng)該將光柵周期選擇成不出現(xiàn)二級衍射，而在波導(dǎo)內(nèi)基傳播模與一級衍射模之間有耦合。最后這個(gè)條件可以表示為Λ<min{2λminnC,λminmax[n1,n3]}---(14)]]>其中λmin為所關(guān)心的范圍內(nèi)的最小的波長，例如，在這范圍是C波段的情況下，λmin≈1530nm。
作為一個(gè)例子，對于tC＝200nm，Λ可以在大約800至1050nm的范圍內(nèi)。
在圖9(a)和9(b)中，示出了圖3所示這種結(jié)構(gòu)與圖8所示這種結(jié)構(gòu)的性能比較，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)在可調(diào)諧層與芯層之間都沒有中間層。也就是說，沒有圖3中的層10和沒有圖8中的層27或26。在圖9(a)中，示出了FWHM帶寬與光柵厚度的函數(shù)關(guān)系，其中帶黑方塊的細(xì)實(shí)線為對于圖3這種“光柵在芯層之上”的結(jié)構(gòu)，而帶黑圓的粗實(shí)線為對于圖8這種“光柵在芯層之下”的結(jié)構(gòu)。在圖9(b)中，示出了調(diào)諧范圍與光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。在計(jì)算中，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)將如下參數(shù)nC＝1.96，n3＝1.445作為低折射率光柵區(qū)的參數(shù)，tC＝200nm，Λ＝948nm，ΔnG/nG＝0.04，而n1＝1.5-1.7。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的差異當(dāng)然是光柵層的位置。圖9(a)所示的對于光柵在芯層之上的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)與圖2(c)中所示的對于tC＝200nm的數(shù)據(jù)相應(yīng)。圖9(a)的結(jié)果清楚地表明，在任何所考慮的光柵厚度處，光柵處在芯層下的結(jié)構(gòu)的FWHM帶寬都比光柵在芯層與可調(diào)諧層之間的結(jié)構(gòu)的窄。此外，圖9(b)表明，光柵處在芯層之下的結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍要比光柵層處在芯層之上的結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍大許多。
重要的是要注意到光柵在芯層之下的結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍在所考慮的光柵厚度范圍內(nèi)大致保持不變(45nm左右)。相反，對于光柵在芯層之上的結(jié)構(gòu)可以看到取決于光柵厚度。這意味著，在光柵在波導(dǎo)之下的諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)，可調(diào)諧性受由于例如制造過程的精度而引起的光柵厚度起伏的影響較小。因此，在結(jié)構(gòu)是按照本發(fā)明所設(shè)計(jì)的情況下，可以放寬光柵的制造公差。
圖10示出了一個(gè)按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例設(shè)計(jì)的諧振光柵濾光器。在諧振光柵濾光器40中，在基片49上形成一個(gè)緩沖層47。在緩沖層內(nèi)形成高折射率區(qū)50，以便形成一個(gè)厚度為tG的光柵層，光柵層內(nèi)的低折射率區(qū)53與緩沖層的橫向與高折射率區(qū)鄰接的這些區(qū)域相應(yīng)。可按需要任選的是，在光柵層上形成一個(gè)厚度為tgap的間隙層51，間隙層優(yōu)選的是用與緩沖層相同的材料形成。在間隙層51上(或者在光柵層上)形成一個(gè)芯層46。在芯層上可形成一個(gè)任選的中間層46。在芯層之上形成一個(gè)電-光控制的可調(diào)諧層43。在基片49與緩沖層47之間形成一個(gè)任選的抗反射涂層48。將透明的導(dǎo)電層42和44設(shè)置在優(yōu)選的是用LC材料形成的可調(diào)諧層的相對表面上?；蛘撸诨菍?dǎo)電或半導(dǎo)電的(例如是用硅形成的)情況下，這兩個(gè)與結(jié)構(gòu)電接觸的層可以是層42和基片49。在基片是一個(gè)諸如玻璃之類的絕緣基片情況下，可以在基片上生長一個(gè)導(dǎo)電層(在圖10中，在與任選層48相應(yīng)的位置處)，使得在這個(gè)導(dǎo)電層與導(dǎo)電層42(或45)之間可以形成電接觸。在可調(diào)諧層43上設(shè)置一個(gè)玻璃蓋板41。
優(yōu)選的是，在這個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)可以包括一個(gè)間隙層，以便減弱基模對光柵的交疊，從而降低光柵的耦合效率而不需要改變光柵本身的特性。
優(yōu)選的是，按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的這個(gè)諧振光柵濾光器包括一個(gè)衍射效率較小的光柵。圖11示出了用市售軟件根據(jù)圖10所示這種類型的結(jié)構(gòu)的耦合波動方程的解計(jì)算的FWHM帶寬與耦合效率ηd的函數(shù)關(guān)系。在所考慮的FWHM的范圍內(nèi)，F(xiàn)WHM對ηd的依從關(guān)系是一次近似線性的。如果所希望的FWHM為0.4nm，耦合效率應(yīng)該是0.0015。范圍為0.001到0.002的耦合效率與大約從0.2到0.5nm的FWHM相應(yīng)。
申請人注意到了對于迄今所考慮的這些例子的所有諧振結(jié)構(gòu)，F(xiàn)WHM帶寬對耦合效率的關(guān)系曲線改變并不大?？梢岳斫猓谟?jì)算中應(yīng)該改變光柵厚度以便對于不同的ΔnG/nG值具有相同的耦合效率。例如，用光柵在芯層之上、ΔnG/nG＝0.26和tG＝25nm的諧振結(jié)構(gòu)，用光柵在芯層之下、ΔnG/nG＝0.04和tG＝200nm的諧振結(jié)構(gòu)，或者用光柵在芯和間隙層之下、ΔnG/nG＝0.04、tG＝50nm和tgap＝100nm的諧振結(jié)構(gòu)都可以得到為0.0014的耦合效率。
在本發(fā)明的語境內(nèi)，如果ηd不大于0.0026左右，就將這個(gè)衍射光柵認(rèn)為是“弱”光柵，即具有比較小的耦合效率。圖12(a)和12(b)分別示出了對于圖10所示的這種結(jié)構(gòu)在間隙層的厚度tgap為從0nm到300nm的一些不同的值時(shí)的FWHM帶寬和調(diào)諧范圍與光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。實(shí)線表示tgap＝0時(shí)的情況，與沒有間隙層即芯層直接在光柵層上形成的結(jié)構(gòu)相應(yīng)。結(jié)構(gòu)參數(shù)為nC＝1.96，n3＝1.445，與低折射率光柵區(qū)域的相同，tC＝200nm，Λ＝950nm，ΔnG/nG＝0.26，而n1＝1.5-1.7。這些曲線顯示了調(diào)諧范圍對間隙層的厚度只有較弱的依從關(guān)系，至少在所考慮的0-300nm的范圍內(nèi)。應(yīng)指出的是，可以將增大間隙厚度在光學(xué)性能上認(rèn)為相當(dāng)于增大光柵厚度。
應(yīng)注意的是，在本發(fā)明的這個(gè)諧振結(jié)構(gòu)中不必為了得到一個(gè)弱衍射光柵去制造一個(gè)厚度較小的光柵。另一方面，如果所希望的是一個(gè)較薄(例如，為50nm)的光柵，可以對形成光柵層進(jìn)行良好的控制和復(fù)制，因?yàn)橛玫矸e過程(例如，用等離子強(qiáng)化化學(xué)蒸汽淀積)能限定光柵厚度。為了復(fù)制光柵的低(或高)折射率區(qū)，通常需要一個(gè)蝕刻步驟。當(dāng)前的蝕刻技術(shù)通常呈現(xiàn)絕對精度為至少4-5nm。如果光柵層安排在芯層之上，這可能就有問題，因?yàn)樾緦颖旧砜赡苁芪g刻的影響。
為了比較，圖13示出了對于圖3所示的這種光柵層置在芯層之上而在芯層與光柵之間有一個(gè)間隙層的結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍與光柵厚度的函數(shù)關(guān)系。這些曲線示出了間隙層的厚度tgap為從0nm到300nm的一些不同的值時(shí)的情況。結(jié)構(gòu)參數(shù)與在圖4中所示的這些計(jì)算中所用的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。對于一個(gè)給定的光柵厚度，可看到調(diào)諧范圍隨著間隙層厚度的增大明顯減小。
實(shí)例1參見圖8，緩沖層和低折射率光柵區(qū)用折射率為1.445的(不摻雜)SiO2形成；高折射率光柵區(qū)用折射率為1.54的SiOxNy形成；芯層用折射率為1.96的Si3N4形成。光柵厚度為220nm，而芯層厚度為200nm。調(diào)諧層用折射率在1.5到1.7范圍內(nèi)的向列相LC形成。對于折射率為1.5的LC材料，光柵周期為948.5nm，以便具有為1526nm(C波段的下限)的諧振波長。
這種結(jié)構(gòu)可以用制造半導(dǎo)體器件的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)制造。作為一個(gè)例子，在一個(gè)Si基片上用PECVD淀積SiO2層，以便形成緩沖層。隨后，用干蝕刻對緩沖層的表面進(jìn)行蝕刻，形成一些與需形成的高折射率光柵區(qū)相應(yīng)的溝槽區(qū)。接著將這些溝槽用SiOxNy充填?；蛘撸部梢允窃诨系矸e一層SiOxNy作為緩沖層，然后在它的表面上形成一些與低折射率區(qū)相應(yīng)的溝槽，再用SiO2充填這些溝槽。
然后，將所得的表面(即，光柵上表面)拋平。在下個(gè)步驟中，用PECVD淀積一層Si3N4，以便形成芯層。在芯層上可以任選地用PECVD淀積一層不超過40nm的SiO2薄層。在下個(gè)步驟中，在芯層上或者在SiO2薄層上淀積一層厚為30nm的ITO。最后，將LC單元安裝在這個(gè)結(jié)構(gòu)的頂上，用一個(gè)ITO層和一個(gè)玻璃板結(jié)束。
這個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍為40nm左右。
實(shí)例2參見圖10所示的這種結(jié)構(gòu)，緩沖層和間隙層用折射率為1.445的(不摻雜)SiO2形成；高折射率光柵區(qū)用折射率為1.96的Si3N4形成；芯層用折射率為1.96的Si3N4形成。光柵厚度為50nm，芯層厚度為200nm，而間隙層厚度為300nm。調(diào)諧層用折射率在1.5到1.7范圍內(nèi)的向列相LC形成。對于折射率為1.5的LC材料，光柵周期為950nm，以便具有為1526nm(C波段的下限)的諧振波長。將一個(gè)厚度為1mm左右的玻璃板覆蓋在LC單元上。LC單元的相對表面上置有用ITO形成的厚為20nm的透明導(dǎo)電層。在處在芯層上的ITO層之上形成一個(gè)厚為20nm的聚酰亞胺(polymide)層，以便調(diào)準(zhǔn)LC材料。
這個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的調(diào)諧范圍為40nm左右。
這種結(jié)構(gòu)可以用制造半導(dǎo)體器件的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)制造。作為一個(gè)例子，在一個(gè)Si基片上用PECVD淀積一層SiO2，形成緩沖層。隨后，在緩沖層上淀積一層Si3N4。隨后，用例如干蝕刻對Si3N4層進(jìn)行蝕刻，形成一些與需形成的低折射率光柵區(qū)相應(yīng)的溝槽區(qū)。淀積一層SiO2，以便填滿這些溝槽和在光柵上形成SiO2的間隙層。
這個(gè)工藝過程的優(yōu)點(diǎn)是在蝕刻溝槽的步驟中精度不必很高，溝槽有輕微的過蝕刻是可允許的。在這種情況下，光柵厚度的精度由Si3N4的高折射率區(qū)的淀積過程給出。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的這種諧振光柵濾光器在外腔可調(diào)諧激光器內(nèi)用作一個(gè)調(diào)諧構(gòu)件。外腔可調(diào)諧激光器特別適合在遠(yuǎn)程通信應(yīng)用中作為可調(diào)諧光源，特別是用于WDM和DWDM系統(tǒng)，為國際電信協(xié)會(ITU)網(wǎng)格(grid)上任何信道產(chǎn)生中心波長。
圖14示意性地示出了包括一個(gè)按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的可調(diào)諧振反射濾光器的外腔可調(diào)諧激光器60。增益媒體61，優(yōu)選的是一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管，包括正側(cè)面62和背側(cè)面63。正側(cè)面62執(zhí)行部分反射，用作外腔的端鏡之一。背側(cè)面63具有低的反射率。它通常涂有一個(gè)抗反射涂層(未示出)。準(zhǔn)直透鏡64將增益媒體發(fā)射的光束會聚到一個(gè)使這些模鎖定到ITU信道網(wǎng)格上的Fabry-Perot(FP)校準(zhǔn)器65上。FP校準(zhǔn)器起著一個(gè)信道分配網(wǎng)格器件的作用，配置和設(shè)計(jì)成限定多個(gè)等間隔的透射峰。在FP校準(zhǔn)器后，光束照射到可調(diào)諧振光柵濾光器66上，可調(diào)諧振光柵濾光器66形成外腔的另一個(gè)端鏡，與增益媒體正側(cè)面一起給定了腔的物理長度L0?？烧{(diào)諧振濾光器66用作激光腔的端鏡，從而也稱為可調(diào)諧反射器。可調(diào)諧反射器調(diào)諧到所希望的信道頻率，選擇這些校準(zhǔn)器透射峰中的一個(gè)峰。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過改變由電壓產(chǎn)生器67提供的外加電壓對可調(diào)諧反射器66進(jìn)行電調(diào)諧。外加電壓是一個(gè)交流(AC)電壓。激光器的激光輸出波長被選擇成與可調(diào)諧反射器的諧振波長λ0相應(yīng)?？烧{(diào)諧反射器66是一個(gè)按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之一設(shè)計(jì)的諧振光柵濾光器。
優(yōu)選的是，激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)成基本上產(chǎn)生單個(gè)縱模輻射和產(chǎn)生單個(gè)橫模輻射?？v模指的是在激光腔內(nèi)同時(shí)在若干離散頻率上產(chǎn)生的激光。橫模與在激光輻射的橫向上光束強(qiáng)度截面的空間改變相應(yīng)。通常，適當(dāng)選擇增益媒體，例如一個(gè)市場上可買到的包括一個(gè)波導(dǎo)的半導(dǎo)體激光二極管，可以保證單個(gè)空間或橫模操作。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光束的照射基本上與可調(diào)諧反射器的波導(dǎo)表面垂直。
在圖14的激光系統(tǒng)中，可調(diào)諧反射器用作鑒別網(wǎng)格校準(zhǔn)器的峰的粗調(diào)諧器件?？烧{(diào)諧反射器的FWHM帶寬不小于網(wǎng)格校準(zhǔn)器的FWHM帶寬。對于縱向單模操作來說，F(xiàn)P校準(zhǔn)器的與一個(gè)特定信道頻率相應(yīng)的透射峰應(yīng)該選擇即透射單個(gè)空腔諧振模。因此，F(xiàn)P校準(zhǔn)器應(yīng)該具有一個(gè)定義為自由光譜范圍(FSR)除以FWHM的精細(xì)度，抑制在每個(gè)信道之間腔的近鄰模。對于單模激光輻射來說，應(yīng)該將一個(gè)縱向空腔諧振模定位成使校準(zhǔn)器透射峰中的一個(gè)峰(由可調(diào)諧反射器選擇的峰)最大。這樣，只有所規(guī)定的頻率將通過校準(zhǔn)器，而其他競爭的近鄰空腔諧振模將受到抑制。
按照本發(fā)明所設(shè)計(jì)的這個(gè)激光系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)成在整個(gè)C波段提供在ITU 50GHz或25GHz信道網(wǎng)格上的快速切換。
如果這個(gè)激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模間隔為50GHz，可調(diào)諧反射器的反射頻帶應(yīng)該不大于0.6nm左右，以便得到相鄰信道之間的消光比至少為5dB。優(yōu)選的是，可調(diào)諧反射器的FWHM帶寬不大于0.4nm。這個(gè)激光系統(tǒng)在C波段上的可調(diào)諧性需要一個(gè)調(diào)諧范圍至少為40nm的可調(diào)諧反射器。
對于作為信道間隔為25GHz的DWDM系統(tǒng)的一個(gè)外腔激光源的可調(diào)諧反射器的應(yīng)用來說，F(xiàn)WHM帶寬優(yōu)選的是大約在0.2nm到0.3nm之間。
在激光系統(tǒng)內(nèi)不大希望FWHM帶寬小于0.2-0.3nm，因?yàn)檫@會使對激光器內(nèi)的反射器的對準(zhǔn)和控制更為困難。
或者，也可以將按照本發(fā)明所設(shè)計(jì)的諧振光柵濾光器用于WDM和DWDM系統(tǒng)的可調(diào)諧上線(增添)/下線(卸下)(add/drop)設(shè)備。對于這種應(yīng)用，除了調(diào)諧范圍寬以外，設(shè)計(jì)應(yīng)該修改成帶寬窄(例如為0.1-0.2nm)和諧振波長周圍的邊帶小，橫模的消光比優(yōu)選的是不大于-30dB。
權(quán)利要求
1.一種配置成以一個(gè)激光器發(fā)射波長發(fā)射輻射的外腔可調(diào)諧激光器(60)，所述可調(diào)諧激光器系統(tǒng)包括一個(gè)具有多個(gè)腔模的外腔，所述外腔包括一個(gè)將光束發(fā)射入外腔的增益介質(zhì)(61)；以及一個(gè)用于反射諧振波長的光束的可調(diào)諧振光柵濾光器(66；20；40)，所述濾光器包括一個(gè)衍射光柵，一個(gè)與所述衍射光柵光學(xué)相互作用的平面波導(dǎo)(28；46)，所述衍射光柵和平面波導(dǎo)形成一個(gè)諧振結(jié)構(gòu)，以及一種可用于調(diào)諧濾光器的具有可按選擇而變的折射率的透光材料，所述透光材料形成平面波導(dǎo)的一個(gè)可調(diào)諧覆蓋層(30；43)，其中所述平面波導(dǎo)設(shè)置在衍射光柵與可調(diào)諧覆蓋層之間。
2.如權(quán)利要求1的激光器系統(tǒng)，其中所述被發(fā)射的輻射是一個(gè)單縱模輻射。
3.如權(quán)利要求1的激光器系統(tǒng)，還包括一個(gè)配置在外腔內(nèi)的信道分配網(wǎng)格元件，用來限定多個(gè)基本上與一個(gè)所選擇的波長網(wǎng)格的各相應(yīng)信道對準(zhǔn)的通帶。
4.如權(quán)利要求3的激光器系統(tǒng)，其中所述可調(diào)諧振光柵濾光器配置在外腔中，可調(diào)諧地選擇其中一個(gè)通帶，從而選擇一個(gè)信道，將光束調(diào)諧到該信道上。
5.如權(quán)利要求3或4的激光器系統(tǒng)，其中所選擇的波長網(wǎng)格具有50GHz或25GHz的信道間隔。
6.如權(quán)利要求1的激光器系統(tǒng)，其中所述可調(diào)諧振光柵濾光器在外腔中配置成使得照射到濾光器上的光束基本上與平面波導(dǎo)的一個(gè)主表面垂直。
7.一種反射以一個(gè)諧振波長的光輻射的諧振光柵濾光器(20；40)，所述濾光器包括一個(gè)具有包括低折射率區(qū)(21；53)和高折射率區(qū)(22；50)的周期性結(jié)構(gòu)的衍射光柵(23；52)，所述衍射光柵的耦合效率ηd不大于0.0026；一個(gè)與所述衍射光柵光學(xué)相互作用的平面波導(dǎo)(28；46)，所述衍射光柵和平面波導(dǎo)形成一個(gè)諧振結(jié)構(gòu)；以及一種可用于調(diào)諧濾光器的具有可按選擇而變的折射率的透光材料，所述透光材料形成平面波導(dǎo)的一個(gè)可調(diào)諧覆蓋層(30；43)，其中所述平面波導(dǎo)設(shè)置在衍射光柵與可調(diào)諧覆蓋層之間。
8.如權(quán)利要求7的濾光器，其中所述透光材料是一種液晶材料，它的可按選擇而變的折射率由一個(gè)電信號控制。
9.如權(quán)利要求7的濾光器，其中所述衍射光柵的耦合效率的范圍為0.001到0.002。
10.如權(quán)利要求7的濾光器，其中所述平面波導(dǎo)是一個(gè)具有一個(gè)大于可調(diào)諧覆蓋層的可變折射率而等于衍射光柵的平均折射率的折射率nc的層。
11.如權(quán)利要求10的濾光器，所述濾光器還包括一個(gè)相對于平面波導(dǎo)設(shè)置在衍射光柵的另一面的緩沖層(24，47)，所述緩沖層具有一個(gè)比衍射光柵的平均折射率低的折射率n3。
12.如權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的濾光器，還包括一個(gè)設(shè)置在平面波導(dǎo)與衍射光柵之間的間隙層(51)，所述間隙層具有一個(gè)比波導(dǎo)的折射率和衍射光柵的平均折射率低的折射率。
13.如權(quán)利要求11或12的濾光器，其中所述平面波導(dǎo)用氮化硅材料制成，所述高折射率區(qū)用氮化硅或氮氧化硅制成，而低折射率區(qū)和緩沖層用二氧化硅制成。
14.如權(quán)利要求12的濾光器，其中所述間隙層用二氧化硅制成。
15.如權(quán)利要求8至14中任一項(xiàng)的濾光器，還包括兩個(gè)光透明的導(dǎo)電層(26；42；29；44)，配置在所述透光材料相對兩側(cè)，用來將電信號加到透光材料上。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種能反射波長處在一個(gè)諧振波長的光輻射的可調(diào)諧振光柵濾光器，所述諧振波長是可根據(jù)需要有選擇地改變的。這種濾光器包括一個(gè)衍射光柵(3)，一個(gè)平面波導(dǎo)(4)，以及一種用來調(diào)諧濾光器的具有按選擇可變的折射率的透光材料，優(yōu)選的是一種液晶(LC)材料，所述透光材料形成平面波導(dǎo)的一個(gè)可調(diào)諧覆蓋層(5)。衍射光柵(3)設(shè)置在可調(diào)諧層(5)隔著平面波導(dǎo)(4)的對面，從而可以將光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)修改成適合所希望的濾光器響應(yīng)帶寬而不會顯著地影響濾光器的可調(diào)諧性。在本發(fā)明的諧振結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)，芯層即波導(dǎo)(4)可以更接近可調(diào)諧層(5)，或者與可調(diào)諧層直接接觸，或者與可調(diào)諧層隔著很薄的中間層。芯層(4)接近可調(diào)諧層(5)意味著傳播?？梢燥@著地延伸入可調(diào)諧層(5)，使得對波導(dǎo)(4)內(nèi)基模的有效折射率可以更有效地受到可調(diào)諧層折射率改變的影響。
文檔編號H01S5/00GK1886680SQ200380110910
公開日2006年12月27日 申請日期2003年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月24日
發(fā)明者朱莉婭·彼德拉, 賈科莫·M·戈?duì)柲?申請人:皮雷利& C.有限公司