基于微结构准相位匹配技术的光子集成波导光栅研究

Photonic integrated device is an inevitably developing direction in optical communication and related information fields. The passive filter is one of the key components in a photonic integrated chip. Waveguide grating is one of most common way of designing passive filters. However, fine structures with nanometer scale are usually introduced in the grating, therefore the high processing requirement limits its actual applications. In this project, the Micro-structure Quasi-phase Matching (MS-QPM) technique is firstly proposed by the applicant and his collaborator. Based on this technique, two-dimensional waveguide grating with complex fine structures are designed and experimentally fabricated. For such a technique, an uniform grating is fabricated at first, and then the another pre-designed, two-dimensional micrometer-scale sampling strcuture are written on this uniform grating. Therefore, the sampled grating with the specially designed sampling patterns can equivalently achieve the function of the complex two-dimensional waveguide grating. The uniform grating can be easliy fabricated by the common holographic exposure, while the sampling structure can be conveniently fabricated by a micrometer-level photolithography step. Therefore, the cost will be greatly reduced and thus the mass production will be realized. It is promising to achieve broad applications in photonic integrated devices.

光子集成器件是光通讯以及信息领域的必然发展方向，其中无源滤波器是最重要的集成元件之一。波导光栅是制作滤波器的最常用方法，但是一般需要在光栅中引入纳米量级精细结构，因此高精度的工艺要求限制了其实际应用。本项目基于申请人等首次自主提出的微结构准相位匹配技术，设计与制作二维复杂波导光栅的集成器件。该技术仅需要制作普通均匀光栅，然后在该均匀光栅基础上刻写特定的微米量级的二维取样图案。这种具有特殊取样结构的光栅可以等效实现复杂二维光栅。均匀光栅可以利用普通全息曝光实现，取样图案由普通微米量级光刻便可以实现。因此该技术使得制造成本大大降低，适合规模化制造，在光子集成器件中具有广阔的应用前景。

目前光通讯的容量需求呈现爆炸式增长，而现有的网络主要由分立的光器件构成，导致了系统越加复杂庞大以及能耗越大，而越来越难于维持。光子集成技术被广泛认为是解决该问题的主要技术趋势。对于光子集成芯片，光的片上调控是最重要的问题。目前布拉格波导光栅是实现片上光调控的主要的方法之一。基于一维波导光栅的某些光电器件，比如DFB半导体激光器，已经取得了广泛的应用。对于二维复杂波导光栅，可以在二维平面内有效控制光行为，实现多种功能性光子器件。但是制造复杂，成本高。针对这个问题，本项目主要研究线性介质微结构准相位匹配(MS-QPM)技术以及该技术在功能性光子集成器件中的应用。项目执行过程中研究了MS-QPM技术中的各参数对误差的影响以及不同级次傅立叶子光栅的相互干扰等问题，为器件设计提供理论依据。同时，基于MS-QPM技术研究了多种光子集成器件，比如模式变换器、斜光栅宽波导大功率激光器以及混合模式DFB半导体激光器等等。研究表明，通过改变取样结构而保持基本光栅均匀，实现了光子器件的不同性能。该结构可以利用全息和微米级光刻实现，因此可以实现低成本制造。另外，本项目对取样光栅的制作工艺也进行了深入的研究。分别利用纳米压印，全息曝光在磷化铟、硅以及石英波导上制作了取样光栅，实验得到的光栅形貌较好，积累了相关工艺技术。通过本项目的研究，进一步完善了MS-QPM技术的理论，并对MS-QPM技术在光子集成器件方面的应用做了有益的探索，并对于前面提到的某些器件得到了理论验证。同时，项目也积累了不少取样光栅的制作工艺，为相关器件的发展奠定了一定的基础。