CN100476476C - 平面波导反射衍射光栅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学器件例如波分复用器的平面波导反射衍射光栅，其提供比传统平面波导反射衍射光栅增加的带宽，同时消除一般与其相关的偏振相关损耗(PDL)。因此，提供低的级(＜3)，高的纵横比(＞10)的光栅，其具有非常短的侧壁(小于光学信号的波长)，用于入射角小于15°。

Description

平面波导反射衍射光栅

技术领域

本发明涉及一种用于光通信的反射衍射光栅，更具体地涉及一种具有减小的偏振灵敏度和增加的自由光谱范围的平面波导反射衍射光栅器件。

背景技术

在光学系统中，衍射光栅是反射或透明基底上精细、平行、相等间距沟槽(“刻线”)的阵列，该沟槽引起衍射和相互干涉效应，其沿离散的方向集中反射或传输电磁能，称为“级”，或“光谱级”。

沟槽尺寸和间距与正被讨论的所述波长相似。在光学领域中，衍射光栅的使用是最普遍的，每毫米有上百或成千的沟槽。

零级相应于直接的透射或镜面反射。更高的级导致入射光束与由几何(光线)光学预测的方向偏离。利用入射的法线角，表示衍射光线与由几何光学预测的方向偏离的角度θ由下述方程给出，其中m是光谱级，λ是波长，以及d是相邻沟槽相应部分之间的间距：

$\mathrm{\θ}=\±{\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}\right)$

由于衍射光束的偏向角与波长相关，因此衍射光栅是色散的，即它将入射光束空间分离为其组成波长分量，产生光谱。

取决于入射光束的光谱内容和光栅上每单位距离的沟槽数量，由衍射光栅产生的光谱级可以重叠。光谱级越高，向下一更低级的重叠越大。衍射光栅通常用于单色仪和其他光学仪器中。

通过控制沟槽的截面形状，将大多数衍射能量集中在需要的级中是可能的。该技术称为“闪耀”。

最初，高分辨率衍射光栅被刻线。高质量刻线机的构造是一项大的任务。稍后，光刻技术允许光栅从全息干涉图案中产生。全息光栅具有正弦沟槽因此不太明亮，但由于它们比闪耀光栅导致低得多的漫射光等级，因此在单色仪中是优选的。复制技术允许高质量的复制品从标准光栅中得到，这有助于光栅成本的降低。

平面波导反射衍射光栅包括以规则顺序布置的刻面(facet)阵列。简单衍射光栅的性能参考图1示出。具有多个波长信道λ₁，λ₂，λ₃…的光束1以特定入射角θ_in进入光栅间距为Λ、衍射级为m的衍射光栅2，。然后根据光栅方程，光束以取决于波长和级的角度θ_out发生角色散：

mλ＝Λ(sinθ_in+sinθ_out)    (1)

从光栅方程(1)中，衍射级形成的条件取决于入射光的波长λ_N。当考虑到光谱的形成时，有必要知道衍射角θ_Nout怎样随着入射波长θ_in变化。因此，通过将方程(1)对θ_Nout微分，假定入射角θ_in固定，则导出下述方程：

${\∂\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Nout}}/\∂\mathrm{\λ}=m/\mathrm{\Λ}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{Nout}}---\left(2\right)$

微分量dθ_Nout/dλ是相应于波长λ的小变化的衍射角θ_Nout的变化，这已知为衍射光栅的角色散。当级m增加，光栅间距Λ减小，以及衍射角θ_Nout增加时，角色散增加。衍射光栅的线色散是该条件和系统的有效焦距的产物。

由于不同波长λN的光以不同角度θ_Nout衍射，因此每级m被拉伸到光谱中。可以由给定衍射光栅产生的级数被光栅间距Λ限制，这是因为θ_Nout不能超过90°。最高级通过Λ/给出。因此，粗光栅(具有大的Λ)产生许多级而精细光栅可以仅产生一级或两级。

衍射光栅的自由光谱范围(FSR)被定义为给定级中最大的带宽，该级与相邻级中的相同带宽不重叠。级m在确定自由光谱范围中是重要的，在该范围内得到连续色散。对于给定的输入-光栅-输出结构，光栅在对于优选波长λ的优选衍射级m工作时，其它波长将采用与其它衍射级相同的路径。当下述方程成立时，级的第一重叠发生：

mλ_m＝(m+1)λ_m+1    (3)

${\mathrm{\λ}}_{m+1}=\frac{m{\mathrm{\λ}}_m}{(m+1)}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_m}{m+1}---\left(5\right)$

闪耀光栅是其中衍射光栅的沟槽被控制以形成具有闪耀角w的直角三角形的光栅，如图1所示。闪耀角w的选择特别是对于给定波长提供优化衍射光栅的总效率模式的机会。

对于密集波分复用(DWDM)，基于平面波导衍射的器件在近红外(IR)区域(1550nm)提供极好的性能。特别是，中阶梯光栅的进步导致干涉路径之间的大的相位差，该光栅通常以高衍射级(40级至80级)，高的入射角(大约60°)和大的光栅间距工作。由于光栅刻面的尺寸与衍射级成比例，因此已经很早认识到这种大的相位差对于基于衍射的平面波导器件的可靠制造是必要的。从而，由于需要的高衍射级(见方程5)，现有的器件被限制在小波长范围内工作。

此外，对于在平面波导平台中制造的基于衍射光栅的器件，现有技术中遇到的通常问题为偏振相关损耗，其由与反射刻面F相邻的导电金属S(反射涂层)的存在引起的一种偏振的场排斥而引起。

传播通过光纤的光学信号具有不确定的偏振态，其需要多路复用(解复用)器基本上是偏振不灵敏的，以便最小化偏振相关损耗。在Littrow条件附近使用的反射光栅中，以及在Littrow条件附近的闪耀光栅中，两种偏振光相同地从反射刻面(图1中的F)很好地被反射。然而，金属化侧壁刻面S引入边界条件，防止偏振平行于表面的光(TM)存在于该表面附近。此外，与另一种偏振光相比，一种偏振光优选被侧壁S上的金属吸收。最终，侧壁金属的存在表明器件中的金属本身作用为偏振相关损耗(PDL)。

存在许多减小衍射光栅的偏振灵敏度的方法和设备。Chowdhury在美国专利US 5,966,483和US 6,097,863中描述了通过选择以减小透射带宽内波长的第一和第二衍射效率之间差别来减小偏振灵敏度。该方案具有受到限制的实用性，因为它要求闪耀角和闪耀波长的选择方面的限制。

Sappey等在美国专利US 6,400,509中教导了偏振灵敏度可以通过包括被平面分离的反射台阶表面(reflective step surface)和横向的上升表面来减小。该方案也具有受限制的实用性，因为它要求一些表面上具有反射涂层但是其他表面不要求，导致需要选择处理反射界面的附加制造步骤。

光栅的自由光谱范围与光栅刻面的尺寸成比例。已经长期考虑具有小衍射级的光栅不能通过光刻蚀可靠地形成，因为低的级通常意味着小于或可作光刻分辨率的级。光刻分辨率和随后的处理步骤污损并基本上降低了光栅的性能。因此，刻蚀光栅的领域由于实际原因将限制其本身达到合理的大衍射级，一般超过级10。具有级范围接近于1级的器件的实现已经长期认为是不实际的。

本发明的目的是通过提供一种平面波导反射衍射光栅来克服现有技术的缺陷，其中该光栅由于在相对低的级工作，具有非常小的PDL，以及由于非常小的侧壁长度而提供增加的带宽。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于解复用光学信号的平面波导平台上的反射衍射光栅器件，包括：

输入端口，以衍射光栅入射角发射包括多个由平均波长限定的波长信道的光束；

反射衍射光栅，用于根据波长以多种角度分散波长信道，反射衍射光栅具有多个由刻面长度限定的反射壁，以及多个由侧壁长度限定的侧壁；和

多个输出端口，定位以捕获波长信道；

其中由侧壁长度划分的刻面长度限定的纵横比大于3。

本发明的另一方面涉及一种用于复用或解复用由平均波长限定的光学信道的平面波导平台上的反射衍射光栅器件，包括：

反射衍射光栅，其包括多个由刻面长度限定的反射壁，以及多个由侧壁长度限定的非反射侧壁；

输入端口，用于以衍射光栅处入射角发射包括光学信道的光束；

第一输出端口，用于输出光学信道中的一个；和

第二输出端口，用于输出光学信道中的另一个；

其中选择刻面长度和入射角以确保光栅提供绝对值为7或更低级的衍射。

本发明的又一特征提供用于解复用光学信号的平面波导平台上的反射衍射光栅器件，包括：

输入端口，用于以衍射光栅入射角发射包括多个由平均波长限定的波长信道的光束；

反射衍射光栅，用于根据波长以多种角度分散波长信道，反射衍射光栅具有多个由刻面长度限定的反射壁，以及多个由侧壁长度限定的侧壁；和

多个输出端口，定位以捕获波长信道；

其中侧壁长度小于或等于平均波长的两倍。

附图说明

下面将参考代表本发明优选实施例的所附附图详细描述本发明，其中：

图1示出了传统反射衍射光栅；

图2示出了根据本发明的平面波导反射衍射光栅；和

图3示出了包括根据本发明的平面波导反射衍射光栅的光学器件。

具体实施方式

平面波导衍射光栅的设计中一个主要关注问题在于反射和侧壁刻面F和S的分别可制造性。此外，迄今为止，刻面的可制造性的主要限制为光刻分辨率限制。一般的光刻过程限制的分辨率范围为0.5μm～1.0μm，因此达到光栅的合理性能的最小要求为反射刻面尺寸F必须大于该分辨率，即尺寸为2.5μm～5μm或更大尺寸。

在图1中，通过分别假定输入和输出角θ_in和θ_Nout相同来简化光路。该假定仅简化刻面几何形状的数学处理。因此：

F≈Λcosθ_in；  以及    (6)

方程(1)简化为

mλ≈2Λ sinθ_in    (7)

结合方程6和7推出

$F\≈\frac{\mathrm{m\λ}}{2\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}}---\left(8\right)$

从图1中：

$\frac{S}{F}\≈\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}---\left(9\right)$

在历史上，使用45°至65°的入射和输出角度不可避免地导致光栅刻面纵横比F/S大约为1(见图1和方程9)。在波长1550nm处，从方程(6)中发现对于反射F和非反射表面S，10-17μm的刻面尺寸在现有技术中对于DWDM应用是容易实现的。这使得光栅刻面F可制造，但是以作用于偏振相关损耗的大的非反射刻面(或侧壁)S为代价。在现有技术中，刻面尺寸变化也通过改变衍射级m实现，即调节方程(8)的分子。

通信网络由DWDM至CWDM和FTTH网络发展而来。后两个网络结构具有跨越大波长范围的信道，该范围从～1250nm至～1630nm。这些宽的范围不适合于高衍射级器件，并且通常需要低至1的级。现有技术的专业人员没有意识到或利用方程(8)。在低衍射级m和45°至65°的工作角度θ_in和θ_out处，由此得到的平面波导衍射光栅的刻面尺寸F将太小以致于实际上不可制造。现有的基于平面波导衍射的器件包括AWG和中阶梯光栅。它们都依靠高衍射级；AWG由于引导路由原因需要在高的级工作，阶梯光栅技术使用高的级以保持大的刻面尺寸，其更容易制造。因此，现有技术在平面波导平台中寻址CWDM或FTTH网络结构方面具有内在限制。

本发明认识到方程(8)的重要性，特别是事实上可能通过分母的角相关性增加光栅刻面的纵横比F/S。当衍射角减小时，刻面尺寸随tanθ_in线性增加。此外，本发明者认识到刻面纵横比F/S的增加产生偏振相关损耗改善和自由光谱范围较大的器件。

例如，在硅沉积二氧化硅中，5或更小的衍射级(对于CWDM或FTTH网络产生最小的实际自由光谱范围)，在波长1550nm处以及反射刻面F的尺寸超过5.0μm时，将需要F/S增加到大于3，这可以通过降低衍射角度到约25°来实现。从而，本发明包含所有的平面波导衍射光栅设计，其中反射和非反射刻面(或侧壁)的比至少为3。

PDL的量很强地取决于纵横比F/S和非反射刻面S的长度。传统的阶梯光栅设计具有～1的纵横比，并且很强地受到侧壁相关PDL；然而，对于超过3的F/S，非反射刻面对PDL的贡献基本上很小。通过进一步增加F/S，例如超过5或者甚至超过10，有可能设计可制造刻面，其非反射光栅刻面的尺寸S等于或小于反射光的波长，例如S≤3000nm，优选≤2500nm，更优选≤2000nm，最后优选≤1550nm。对于这些具有金属化侧壁的光栅，光的相互作用长度很小以致于器件的无PDL(PDL-free)工作成为可能。

因此，当我们进入其中tan(θ)小的状态，即实现纵横比为1/3或θ＜25°，我们可以减小侧壁相关性PDL。

从可制造性观点而言，如果反射刻面F大，则刻面本身被如实地复制而不管光刻分辨率的限制。小的非反射刻面S不太可能被如实地复制，并且会轻微地圆化，但是光栅性能不会受到影响。现有技术的专业人员毫无疑问认识到按照方程(1)，间距控制着色散。然而，非常普遍的是，使光栅的间距等于反射刻面(图1中侧壁S)之间的垂直距离。利用该想法，侧壁S的变形可以等于光栅间距的变形。这是一个错误的概念，事实上光栅间距由方程(6)给出。与直觉相反地，间距随着F而不是S增加。本发明者认识到该事实，并且能够增加纵横比，即减小S/F，如方程(9)所示，而没有影响光栅间距的风险。实际上，光栅复制的保真度不被光刻而是被掩模自身特征的准确度限制。该限制比光刻分辨率小几个数量级(百倍)。

结合方程(8)和(9)，我们发现：

$S\≈\frac{\mathrm{m\λ}}{2}---\left(10\right)$

从而，通过选择小的衍射级(m≤3，例如m＝3，2，或1，如果必要)，可以几乎消除PDL，因为侧壁尺寸S小于波长。

在优选实施例中，如图3所示，凹的反射衍射光栅10在设置于芯片12上的平板波导11的边缘处形成。输入端口由波导13的端部限定，其从芯片12的边缘延伸到平板波导11，用于传输包括多个波长信道(λ₁，λ₂，λ₃…)的输入波分复用(WDM)信号。如上面参考图2所限定的，衍射光栅10具有大于5的纵横比(F/S)，侧壁长度S小于或等于波长信道(λ₁，λ₂，λ₃…)的平均波长。输入波导13被定位以确保入射角θ_in小于30°，优选小于15°，甚至更优选小于6°，光栅间距Λ被选择以确保光栅10提供5或更小级的衍射。衍射光栅10将输入信号分散为组成波长，并以输出波导15的形式将每个波长信道聚集到单独的输出端口，其端部沿由罗兰(Rowland)圆限定的光栅10的焦线16设置，用于传输回到芯片12的边缘。所示的器件也可以用于复用几个波长信道，输入所述波导15，经由输入波导13成为传输到芯片12边缘的单个输出信号。输入和输出端口表示平面波导11上的位置，在该位置处光被发射或捕获；然而，端口可以与其他传输器件光学耦合或简单地被阻挡。

操作上述光学器件的具体示例为：

θ_in＝5°           5°          5°       6°

m＝1            2         3         2

λ_avg＝1550nm   1550nm    1550nm    1550nm

Λ＝8892nm      17784nm   26676nm   14828nm

F＝8858nm       17716nm   26574nm   14747nm

S＝775nm        1550nm    2325nm    1550nm

F/S＝11.4       11.4      11.4      9.5

Claims (19)

1.一种用于解复用光学信号的平面波导平台上的反射衍射光栅器件，包括：

输入端口，用于以衍射光栅入射角发射包括多个由平均波长限定的波长信道的光束；

反射衍射光栅，用于根据波长以多种角度分散所述波长信道，所述反射衍射光栅具有多个由刻面长度限定的反射壁，和多个由侧壁长度限定的侧壁；以及

多个输出端口，被定位以捕获所述波长信道；

其中纵横比大于3，所述纵横比等于所述刻面长度除以所述侧壁长度。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述纵横比大于5。

3.根据权利要求1所述的器件，其中所述纵横比大于10。

4.根据权利要求3所述的器件，其中所述衍射光栅入射角小于6°。

5.根据权利要求3所述的器件，其中所述侧壁长度小于或等于所述平均波长的两倍。

6.根据权利要求1所述的器件，其中所述侧壁长度小于或等于所述平均波长。

7.根据权利要求1所述的器件，其中所述衍射光栅入射角小于30°。

8.根据权利要求1所述的器件，其中所述衍射光栅入射角小于15°。

9.一种用于复用或解复用由平均波长限定的光学信道的平面波导平台上的反射衍射光栅器件，包括：

反射衍射光栅，其包括：

多个由刻面长度限定的反射壁，以及

多个由侧壁长度限定的非反射侧壁；

输入端口，用于以所述衍射光栅处衍射光栅入射角发射包括所述光学信道的光束；

第一输出端口，用于输出所述光学信道中的一个；和

第二输出端口，用于输出所述光学信道中的另一个；

其中选择所述刻面长度和所述衍射光栅入射角以确保所述光栅提供绝对值为7或更低级的衍射。

10.根据权利要求9所述的器件，其中所述级为5或更低。

11.根据权利要求9所述的器件，其中级为3或更低。

12.根据权利要求11所述的器件，其中所述衍射光栅入射角小于6°。

13.根据权利要求12所述的器件，其中所述侧壁长度小于或等于所述平均波长。

14.根据权利要求9所述的器件，其中所述入射角小于30°。

15.根据权利要求9所述的器件，其中所述入射角小于15°。

16.根据权利要求9所述的器件，其中所述侧壁长度小于或等于所述平均波长的两倍。

17.根据权利要求9所述的器件，其中所述侧壁长度小于或等于所述平均波长。

18.一种用于解复用光学信号的平面波导平台上的反射衍射光栅器件，包括：

输入端口，用于以衍射光栅入射角发射包括多个由平均波长限定的波长信道的光束；

反射衍射光栅，用于根据波长以多种角度分散所述波长信道，所述反射衍射光栅具有多个由刻面长度限定的反射壁，和多个由侧壁长度限定的侧壁；以及

多个输出端口，被定位以捕获所述波长信道；

其中所述侧壁长度小于或等于所述平均波长的两倍。

19.根据权利要求18所述的器件，其中所述侧壁长度小于或等于所述平均波长。

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