CN100479357C - 平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器 - Google Patents

平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器 Download PDF

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Abstract

本发明一种平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征是用一定的方法在平面波导上形成折射率变化的二维分布，平面光波导分段布喇格光栅整体位于多条等间距的同心圆弧上，每条圆弧被分段为不连续的周期性小圆弧。沿输入波导的入射光受到折射率变化的调制，使入射光形成布喇格衍射。输入波导与输出波导分别位于罗兰圆上。制作方法是根据确定的参数，采用在硅基SiO2基片上利用紫外光照射引起硅基SiO2波导折射率的变化，结合平面集成光路工艺制作。本发明可制作光通信的波分复用器/解复用器，其结构紧凑、尺寸小、比常规阵列波导光栅工艺易于实现，且性能更好。

Description

平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器
技术领域
本发明涉及在平面光波导材料上制作的基于布喇格(Bragg)衍射的分段布喇格光栅(SBG，Segmentalized Bragg Grating)波分复用器/解复用器及其制作方法。属于集成光学器件领域。
背景技术
随着密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)光纤通信技术的发展，传输容量得到极大的提高，同时网络节点数目不断增多，使得基于DWDM技术的光通信系统从点到点(Point-to-Point)的线形结构，发展到多节点、带光分/插复用器(OADM，Optical Add/DropMultiplexer)、并实现多节点互联的结构，并且向具有光交叉连接(OXC，Optical Cross Connection)功能的网格状结构(Mesh)的光网络方向发展。在目前点到点的光纤链路传输中，各种具有色散功能的光波分复用/解复用模块，如介质薄膜滤波器(TFF)、阵列波导光栅(AWG)、光纤布喇格光栅(FBG)构成波分复用器/解复用器(MUX/DEMUX)、OADM、OXC等器件和系统对于推动DWDM技术的飞速发展起到了极为重要的作用，其中AWG以其集成化、良好的稳定性、可靠性等优点，成为一类前景广阔的重要器件。在组建基于DWDM技术的光纤通信网络时，AWG可以实现复用/解复用器、OADM、光交错复用器(Interleaver)、波长路由器等多种功能，使其在光纤通信的交换与路由设备中，成为一种十分关键的光器件。
阵列波导光栅(AWG)的概念首先是由荷兰Delft大学的Smit在1988年提出来的。AWG是基于多光束干涉原理形成的波分复用器件，由阵列波导、两个具有罗兰圆结构的平面波导以及输入输出波导构成。阵列波导中各波导的基本参数相同，相邻波导的光程差为一定值，等间距排列，使得不同波长的信号光产生多光束干涉，所以该阵列波导对入射光波起到衍射光栅的作用。制作AWG器件的材料有二氧化硅，绝缘体上的硅(SOI，Silicon-on-Insulator)、磷化铟(InP)、有机高聚物(Polymer)等材料。AWG器件属于集成光学技术，具有一切平面波导技术的潜在优点，诸如适于批量生产，重复性好、尺寸小，可以实现复杂的光路、与光纤对准容易等等，因而代表新型的DWDM器件技术，具有很大的发展潜力。一般的AWG是由其相邻阵列波导位相差来决定DWDM系统分波间隔，因此对阵列波导位相差的控制精度要求很高。波导的几何尺寸与波导长度的加工精度直接决定分波后各信道的中心波长、波长间隔及隔离度，因而对工艺的要求十分严格；另外由于波导弯曲的曲率半径不能缩小，结构不够紧凑，使整个器件尺寸较大；弯曲波导部分较长，产生的附加损耗较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型结构的基于平面光波导技术的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器及其制作方法，以降低上述由Smit提出的具有罗兰圆结构的阵列波导光栅的工艺加工的难度，减小芯片的面积，提高器件性能及成品率。
本发明提供的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其工作原理是光信号经过输入波导输入，然后经过输入输出共用平面波导的传输，在分段波导布喇格光栅被衍射分波，即不同波长的光信号被分段波导布喇格光栅衍射到不同的方向，光信号再经过输入输出共用平面波导聚焦到不同的输出端，由输出波导输出光信号。
本发明提供的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征在于：
(1)在平面波导上形成折射率变化的二维分布，平面光波导分段布喇格光栅整体位于多条等间距的同心圆弧上，每条圆弧被分段为不连续的周期性小圆弧。沿输入波导的入射光受到折射率变化的调制，使入射光形成布喇格衍射。输入波导与输出波导分别位于罗兰圆上；
(2)分段布喇格光栅其沿入射光方向有一个折射率变化的周期性分布，形成布喇格衍射，而在垂直入射光方向分成周期性的小圆弧段；
(3)由折射率变化的二维周期性分布实现的分段布喇格光栅，其同心圆弧或为长轴等间距的一系列共焦点椭圆弧，椭圆弧被分段为很多不连续的小椭圆弧，每段小椭圆弧可近似为小平面反射镜，并且输入波导位于一个椭圆焦点上，而输出波导可以按特定的排列分布在椭圆弧的另一个焦点附近。整个构成反射式的波分复用器/解复用器；
(4)折射率变化的二维周期性分布构成的分段布喇格光栅，其同心圆弧或为相隔一定间距的小直线段矩阵，再分别在输入波导与输出波导之前利用一个抛物面或圆弧对光信号进行准直与聚焦。这样可以进一步减少制作分段布喇格光栅的制作工艺；
(5)对于一系列的共焦点椭圆弧，其输入波导与输出波导之间的距离可以增大，即两个焦点之间距离增大，构成传输式的波分复用器/解复用器，这样在中心波长不变的情况下，可以使得各个椭圆弧之间的距离增大，降低分段布喇格光栅的制作工艺；
(6)分段布喇格光栅或是在波导芯层内形成的折射率变化的二维周期性分布或是在波导的上包层内形成，而在波导芯层内形成等效折射率分布光栅；
(7)本发明只具有一个自由的平面传播区，输入、输出波导与平面波导之间的连接处有一段锥形波导；输出波导在开始时呈放射线输出的，在一段距离之后可以变为平行线；
(8)光波导材料可以是硅基二氧化硅基片，聚合物基片，绝缘涂层上的硅(SOI)材料及其它材料，如磷化铟(InP)、玻璃、LiNbO3等；
(9)所述的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器为反射式，传输或共焦点抛物面或不共焦点抛物面中一种。
本发明提供的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器制作方法，其步骤如下：
(1)确定输入波导、输出波导的路数、尺寸等参数；
(2)确定分段布喇格光栅椭圆弧的长轴，短轴大小等参数；
(3)确定分段布喇格光栅的纵向周期Λ，根据中心波长为λB的入射光波在分段布喇格光栅的纵向发生布喇格衍射来确定其纵向周期Λ，即λB＝2·neff·Λ，其中neff为平面波导区的有效折射率；
(4)确定分段布喇格光栅的横向周期d，d取0.4～100um之间的数值，根据实际需要确定；
(5)在平面光波导材料上制作分段布喇格光栅
①一种方法是根据高掺锗二氧化硅波导材料的紫外光敏性，或对普通二氧化硅波导芯层高压载氢增加光敏性。制作与该分段布喇格光栅图案一致的振幅掩模板，在掺锗二氧化硅波导材料上用紫外光曝光制作分段布喇格光栅；
②另一种方法是利用相位掩模板经紫外激光干涉形成分段布喇格光栅；
③再一种方法是利用全息法制作分段布喇格光栅，具体方法是制作一个圆锥面，将紫外激光分成两束，以一定的角度入射到光敏的二氧化硅基片上，其中一路经过圆锥面，另一路经过成放射状的相位板，两光干涉即可形成分段布喇格光栅。
(6)在平面光波导材料上制作输入、输出波导
①一种方法是制作输入、输出波导的幅度掩模板，在掺锗波导上用紫外激光曝光产生折射率变化形成波导；
②另一种方法是常规的波导制作工艺，即在芯层上进行图形化后，采用RIE刻蚀，覆盖上包层，再进行退火处理。
本发明具有下列优点：
(1)常规的阵列波导光栅对阵列波导的光程差要求很精确且要求均匀一致，因此工艺要求十分苛刻，本发明的分段布喇格光栅是在波导芯层内通过紫外激光照射形成光栅，光程差易于控制，大大降低了加工工艺的难度。而且本发明的分段布喇格光栅也可以在波导的上包层内形成，而在波导芯层内形成等效折射率分布光栅，这样也可以降低工艺的制造难度；
(2)分段布喇格光栅的每一段小圆弧将产生一束光束，这一段小圆弧称为一个衍射单元。本发明与常规的阵列波导光栅相比较，分段波导Bragg光栅的衍射单元总数更大，在相同通道波长间隔要求下，可以减少光栅的衍射级数，从而扩大了器件的自由谱域(FSR)；
(3)本发明与常规的阵列波导光栅相比较，输入波导可以位于椭圆弧的一个焦点上，而输出波导可以按特定的排列分布在椭圆弧的另一个焦点附近，使分段布喇格光栅位于以这两个焦点确定的椭圆弧上。椭圆弧构成为入射光的等光程面，不产生球差，而且兼有汇聚光的能力，提高器件性能，同时增加了设计的灵活性；
(4)普通的阵列波导光栅需要两个平面波导自由传播区，而本发明的分段布喇格的平面波导自由传播区只要一个，而且光栅区也比普通AWG的阵列波导区结构紧凑、芯片面积小，即相同尺寸的基片可以得到更多的芯片，从而大大降低器件的成本，提高了器件的性能；
(5)与常规的阵列波导光栅一样，本发明的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器可以实现复用/解复用、OADM、Interleaver、波长路由等多种功能的器件；
(6)本发明还可以进一步作为传输式的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，这种形式的分段布喇格光栅波分复用器由于是传输式的，所以光栅的间距可以比较大，使得工艺实现比较简单。分段光栅位于共焦点的不同的椭圆弧上，输入输出位于椭圆弧所对应的焦点上；
(7)本发明还可以利用抛物面或球面的平行与聚焦原理，分别在输入波导与输出波导之前利用一个抛物面或球面对光信号进行准直与聚焦，这样就可以使得分段布喇格光栅分布在直线段上，更降低了制作分段布喇格光栅的工艺难度；
(8)输入、输出波导对应的两个抛物面可以共焦(如图5)或不共焦点(如图6)。
附图说明
下面结合图例对其原理与结构进行说明
图1所示为常规AWG的结构原理示意图。
图2所示为本发明的反射式光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的原理结构示意图。
图3所示为输入输出波导的锥形结构示意图。
图4所示为一种传输式分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的原理结构示意图。
图5所示为共焦点抛物面形状的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的原理结构示意图。
图6所示为不共焦点抛物面形状的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的原理结构示意图。
图中：
图1所示为一个常规AWG的结构示意图，图中1为输入波导，2为输入平面波导，3为衬底材料，4为阵列波导，5为输出平面波导，6为输出波导。
图2所示为本发明提供的光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的结构示意图，图中1为输入波导，6为输出波导，7为输入输出共用平面波导，8为分段布喇格光栅，3为衬底材料。
图3所示为输入输出波导的锥形结构示意图，其中9为锥形波导结构，6为输出波导，10为输入输出波导所在罗兰圆。
图4所示为一种传输式分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的原理结构示意图。1为输入波导，6为输出波导，8为分段布喇格光栅
图5所示所示为共焦点抛物面形状的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的原理结构示意图。10为入射光信号反射抛物面，1为输入波导，6为输出波导，11为输出光信号反射抛物面，8为分段布喇格光栅。
图6所示为不共焦点抛物面形状的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的原理结构示意图。10为入射光信号反射抛物面，1为输入波导，8为分段布喇格光栅，6为输出波导，11为输出光信号反射抛物面。
具体实施方式
参照图2，以芯层为高掺锗二氧化硅、包层为二氧化硅的平面波导材料制作1X4路的分段布喇格光栅为例。在衬底材料3上制作一路输入波导1和四路输出波导6，输入波导与输出波导分别位于焦点相距2mm的椭圆弧的两个焦点上。制作输入输出共用平面波导7，其前端的椭圆弧半轴长7.14mm，确定四路输出波长的角间距为0.012°，根据光栅方程，按照ITU-T建议的四路输出波长间隔为0.8nm，确定分段布喇格光栅的横向周期为d＝0.5um。制作分段布喇格光栅8，在一段半长轴7.212mm。半短轴7.14mm的椭圆环轨迹上，利用制作好的振幅掩膜板，经紫外辐照形成折射率的纵向与横向周期性分布。

Claims (9)

1、一种平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，包括输入、输出波导和罗兰圆，其特征在于：在平面波导上形成折射率变化的二维分布，平面光波导分段布喇格光栅整体位于多条等间距的同心圆弧上，每条圆弧被分段为不连续的周期性小圆弧，沿输入波导的入射光受到折射率变化的调制，使入射光形成布喇格衍射，输入波导与输出波导均位于罗兰圆上；所述的分段布喇格光栅其沿入射光方向有一个折射率变化的周期性分布，而在垂直入射光方向分成周期性的小圆弧段。
2、根据权利要求1所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征在于所述的多条等间距同心圆弧替换为长轴长度等间距的共焦点椭圆弧，椭圆弧被分段为不连续的小椭圆弧，每段小椭圆弧近似为小平面反射镜，并且输入波导位于一个椭圆焦点上，而输出波导按特定的排列分布在椭圆弧的另一个焦点附近。
3、根据权利要求1所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征在于所述的多条等间距同心圆弧替换为相隔一定间距的小直线段矩阵，再分别在输入波导与输出波导之前利用一个抛物面或圆弧对光信号进行准直与聚焦。
4、根据权利要求3所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征在于当利用抛物面在输入，输出波导之前对光信号进行准直和聚焦时，二个抛物面共焦或不共焦，分别构成共焦点抛物面形状的分段布喇格光栅波分复用器/解复用器和不共焦点抛物面形状的分段布喇格光栅波分复用器/复用器。
5、根据权利要求1所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征在于所述的分段布喇格光栅的折射率变化的二维周期性分布在波导芯层内形成，或在波导的上包层内形成；当在波导的上包层内形成所述的分段布喇格光栅的折射率变化的二维周期性分布时，在波导芯层内形成等效折射率分布光栅。
6、根据权利要求1所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征在于所述的输入、输出波导与平面波导之间的连接处有一段锥形波导；输出波导开始呈放射线输出，之后变为平行线输出。
7、根据权利要求2所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器，其特征在于所述的分段光栅位于共焦点的不同的椭圆弧，输出位于椭圆弧所对应的焦点上；通过增大输出波导和输入波导之间的距离构成传输式分段布喇格光栅波分复用器/解复用器。
8、根据权利要求2所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的制备方法，其特征在于具体工艺步骤为：
(1)确定输入波导、输出波导的路数和尺寸；
(2)确定分段布喇格光栅椭圆弧的长轴和短轴大小；
(3)确定分段布喇格光栅的纵向周期∧，根据中心波长为λ的入射光波在分段布喇格光栅的纵向发生布喇格衍射来确定其纵向周期∧，即λ＝2·neff·∧，其中neff为平面波导区的有效折射率；
(4)确定分段布喇格光栅的横向周期d，d取0.4～100um之间的数值，根据实际需要确定；
(5)在平面光波导材料上制作分段布喇格光栅；
①一种方法是根据掺锗二氧化硅波导材料的紫外光敏性，制作与该分段布喇格光栅图案一致的振幅掩模板，在掺锗二氧化硅波导材料上用紫外光曝光制作分段布喇格光栅；
②另一种方法是利用相位掩模板经紫外激光干涉形成分段布喇格光栅；
③再一种方法是利用全息法制作分段布喇格光栅，具体方法是制作一个圆锥面，将紫外激光分成两束，以一定的角度入射到光敏的二氧化硅基片上，其中一路经过圆锥面，另一路经过成放射状的相位板，两光干涉即可形成分段布喇格光栅；
(6)在平面光波导材料上制作输入、输出波导；
①一种方法是制作输入、输出波导的幅度掩模板，在掺锗波导上用紫外激光曝光产生折射率变化形成波导；
②另一种方法是常规的波导制作工艺，即在芯层上进行图形化后，采用RIE刻蚀，覆盖上包层，再进行退火处理。
9、根据权利要求8所述的平面光波导分段布喇格光栅波分复用器/解复用器的制作方法，其特征在于所述光波导材料为硅基二氧化硅基片、绝缘层上的硅、磷化铟、玻璃或LiNbO3。
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