CN101191872A - 非规则排列阵列波导光栅结构 - Google Patents

Abstract

一种非规则排列阵列波导光栅结构，其结构依次包括：输入波导、第一平板波导、波导阵列、第二平板波导和输出波导，其特征在于，所述的波导阵列非等间隔排列，相邻的阵列单元波导间的光程差不完全相等。针对大通道数阵列波导光栅的单片集成需求和制作成本降低的趋势，该结构通过非规则排列波导阵列的阵列单元，可以消除规则波导阵列中由于单元间距不可能做得很小而导致的栅瓣，从而使波导阵列对光束的偏转角度增大并且不受栅瓣的限制，大大减小了自由传播区的长度，从而缩小了大通道数阵列波导光栅的器件尺寸，实现大通道数阵列波导光栅的单片集成，以降低制作成本。

Description

非规则排列阵列波导光栅结构

技术领域

本发明涉及一种阵列波导光栅结构，尤其是一种非规则排列阵列波导光栅结构，属于集成光学器件领域。

背景技术

阵列波导光栅(AWG)是一种重要的角色散型无源器件，以其设计灵活、滤波特性良好、性能稳定可靠、插入损耗小、易于集成等诸多优点得到了广泛的应用。随着人们对大容量数据交换的需求不断增加，大通道数的阵列波导光栅成了目前一个重要的研究方向。另一方面，全光网络中也迫切需要一种能够工作在各个波段阵列波导光栅。

如图1所示，传统的阵列波导光栅通常由输入波导1、第一平板波导2、波导阵列3、第二平板波导4、输出波导5组成，这些部件集成在同一衬底上。通常两个平板波导又称为自由传播区域(FPR)，而其中的波导阵列3是整个阵列波导光栅的核心，输入/输出波导分别位于两个罗兰圆(Rowland圆)圆周上，一般对称地分布在器件的两端。两个自由传播区(罗兰圆结构)由阵列波导连接，阵列波导中各个波导在两个罗兰圆的接口处等间隔排列，且相邻波导的长度差为一常数，该常数等于阵列波导光栅中心通道波长的整数倍。不同波长的光信号通过输入波导进入自由传播区域(第一平板波导)，发生衍射，耦合入阵列波导，经过阵列波导的色散作用，引起波前倾斜，再经过第二个自由传播区(第二平板波导)在输出波导端的不同位置上成像，完成解复用功能。反之，可将不同输入波导中的具有不同波长的光信号汇集到同一根输出波导中，完成复用功能。

由于传统AWG的阵列波导部分采用的是等间隔排列，相邻阵列波导间的光程差也都相等，这就导致了一个不容忽视的缺点：波导阵列对光束的偏转角度受到栅瓣的限制，通常只有几度，在要求通道数很大的情况下，要求AWG的平板波导区很长，因而使得整个AWG的面积急剧增大，以至于无法制作在一片晶片上。由于波导的弯曲半径已经可以做得很小，达到2000μm左右，因此对大通道数阵列波导光栅来说，影响器件尺寸的关键因素就是自由传播区的长度。已知的现有技术中，在单片4英寸晶片上制作的AWG的最大通道数为512，日本制造商NTT制作的超过1000个通道数的AWG是通过制作在几片晶片上实现的，这不仅对微电子工艺是个严峻的考验，也极大地增加了成本。在目前光通信对大通道数的阵列波导光栅的迫切要求下，低成本的大通道数阵列波导光栅越来越受到了人们的关注。然而由于传统阵列波导光栅结构和原理上的限制，传统的大通道数的阵列波导光栅必然导致器件尺寸很大，以至于相应的加工难度增大，甚至无法集成在一片晶片上。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种新的非规则排列阵列波导光栅结构及其构造方法，这种结构在实现大通道数时能明显地减小器件的尺寸，这样不仅降低了器件的制作难度，还增加了器件的集成度，降低了成本。本发明是基于这样的构思：由于非规则排列的波导阵列具有很大的光束偏转角度，可以用来改善大通道数阵列波导光栅因为偏转角度受到栅瓣限制而导致的器件过大的问题，从而大大提高在单个晶片上集成大通道数阵列波导光栅的能力。

根据以上发明构思，非规则排列阵列波导光栅的结构依次包括：输入波导、第一平板波导、波导阵列、第二平板波导和输出波导，其特征在于，所述的波导阵列是非等间隔排列的，相邻的阵列单元波导间的光程差不完全相等。

所述相邻的阵列波导间的间隔非规则和光程差不完全相等可以有很多种实现方法，较佳地有下面两种。

第一种实现方法：所述阵列波导由L个阵列单元个数(也就是光波导个数)组成，相邻单元间距d_i和相邻单元光程差n_cΔI_i(i＝1，2，…，L-1)满足如下的关系：

n_cΔl_i＝k_iλ₀

n_sd_i＝g_ak_iΔλ_max    (1)

其中，n_c为波导的基模等效折射率，i＝1，2，…，L-1，n_s为平板波导的等效折射率，k_i为波导阵列的衍射级数，g_a为角度偏转范围因子，IAWG波导阵列的最大偏转角度为±arcsin(1/g_a)，λ₀为中心波长，即，如果要求非规则阵列波导光栅(IAWG)的工作波长在λ₁～λ₂之间，则中心波长λ₀＝(λ₁+λ₂)/2，Δλ_max＝(λ₂-λ₁)/2，Δλ＝λ₀-λ，λ为工作波长范围内的任意波长。在实际的设计中，如果所有的通道不需要对称分布，则中心波长λ₀的取值可以在(λ₁+λ₂)/2的基础上作小范围的调整，Δλ_max也可以在(λ₂-λ₁)/2的基础上作小范围的调整。制作一个实际的非规则阵列波导光栅需要确定阵列波导的结构尺寸，也就是要确定阵列单元个数L，相邻单元间距d_i和相邻单元光程差n_cΔI_i，通常的做法是，先在一定范围内选取L个k_i的值(都为整数，一般允许重复选取)，然后根据公式(1)分别确定出d_i和n_cΔI_i来。这些参数很大程度上决定了整个阵列波导光栅的性能，优化这些参数是优化整个器件的性能的第一步，因而这一部分参数的确定和优化也是整个设计的关键。

第二种实现方法：所述的波导阵列包括若干个非等间隔排列的子波导阵列(简称子阵列)，每个子阵列都具有相同的特征，共用一组结构尺寸参数，所述的特征参数包括阵列单元(波导)数N、相邻单元间距d_i和相邻单元光程差n_cΔI_i(i＝1，2，…，N-1)，其中n_c为波导的基模等效折射率，ΔI_i为相邻单元波导的长度差。各个子阵列之间的关系，由另一组结构参数即母阵列的特征参数来描述，包括子阵列的个数M、相邻子阵列的间距D_j和相邻子阵列的光程差n_cΔL_j(j＝1，2，…，M-1)，其中D_j为相邻子阵列对应波导间(在各自子阵列中处于相同位置的两个波导)的间距，ΔL_j为相应的长度差。这三个参数分别与上述子阵列的三个参数N，d_i，和ΔI_i对应，且描述的是各个子阵列之间的关系，因此将这三个参数所描述的阵列称为母阵列。从逻辑结构上看，整个阵列波导可以看成是由满足这些关系的“子波导阵列”所组成的大的阵列，其参数包括子阵列的个数M、相邻子阵列之间相应阵列单元间的间隔D_j和相邻子阵列之间相应阵列单元间的光程差ΔL_j。

当子阵列和母阵列的对应的结构参数分别满足一定的关系时，整个非规则阵列波导光栅的各个阵列单元才能够在主瓣方向上相位一致，形成相干加强的主瓣，而在其他任何方向上相位都各不相等，不形成相干加强，以噪声的形式分布在主瓣周围。主瓣的方向随输入光波长的变化而改变，从而达到角色散的效果，可用来完成复用和解复用的功能。这种关系可以用下述公式表示：

n_cΔl_i＝p_iλ₀                (2)

n_sd_i＝g_ap_iΔλ_max

n_cΔL_j＝q_jλ₀        (3)

n_sD_j＝g_aq_jΔλ_max

其中，n_s为平板波导的等效折射率，p_i为子阵列的衍射级数，q_j为母阵列的衍射级数，g_a为角度偏转范围因子，IAWG波导阵列的最大偏转角度为±arcsin(1/g_a)，λ₀为中心波长，即，如果要求非规则阵列波导光栅(IAWG)的工作波长在λ₁～λ₂之间，则中心波长λ₀＝(λ₁+λ₂)/2，Δλ_max＝(λ₂-λ₁)/2，Δλ＝λ₀-λ，λ为工作波长范围内的任意波长。在实际的设计中，中心波长λ₀的取值可以在(λ₁+λ₂)/2的基础上作小范围的调整，Δλ_max也可以在(λ₂-λ₁)/2的基础上作小范围的调整。较佳地，相邻子阵列间的间距要大于每个子阵列自身的宽度与相邻单元波导之间的最小间隔之和。

上述非规则排列阵列波导光栅的构造方法的设计思路是：阵列波导区的设计就是分别确定子阵列和母阵列所包含的单元(波导)个数N、M，相邻单元的间距d_i，D_j和光程差ΔI_i，ΔL_j。同样，这些参数很大程度上决定了整个阵列波导光栅的性能，优化这些参数是优化整个器件的性能的第一步，因而这一部分参数的确定和优化也是整个设计的关键。从公式(2)和(3)可以推导出非规则阵列的主瓣方向为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{main}}=\arcsin (-\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{g_a\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\max }}).---\left(4\right)$

本发明的技术效果是：针对大通道数阵列波导光栅的单片集成需求和制作成本降低的趋势，通过非规则排列波导阵列的阵列单元，可以消除规则波导阵列中由于单元间距不可能做得很小而导致的栅瓣，从而使波导阵列对光束的偏转角度增大并且不受栅瓣的限制，大大减小了自由传播区的长度，从而缩小了大通道数阵列波导光栅的器件尺寸，实现大通道数阵列波导光栅的单片集成，以降低制作成本。主要应用于光学滤波，光通信，光网络等领域。

附图说明

图1表示现有的阵列波导光栅的结构示意图；

图2表示本发明实施例之一的结构示意图；

图3表示本发明另一实施例的非规则阵列波导光栅的结构示意图；

图4(a)和(b)分别表示本发明实施例一和二的仿真结果(全部1075通道的传输谱)；

图5(a)和(b)分别表示实施例一和二的任一通道的传输谱；

图6(a)和(b)分别表示实施例一和二的折中工作模式的传输谱(即只使用其中的64或者128个连续通道，这种工作模式可以在IAWG的整个工作波长范围内的任意位置)。

具体实施方式

以下结合附图，通过两种实现方法的实施例更详细地描述本发明，但不构成对本发明的限制。

实施例一：不包含子阵列的非规则排列阵列波导光栅的实现。

(1)假定设计要求为：波长范围(相当于传统AWG中的自由谱范围)1.435μm～1.650μm，通道间隔Δλ为0.2nm，通道总数为Nch＝1075个，这些是最基本的参数。将中心波长λ₀定为(1.435+1.650)/2＝1.5425μm，定义参数Δλ_max＝(1.65-1.435)/2＝0.1075μm。

(2)作为一个例子，采用常用的折射率差为2.5％的硅基二氧化硅材料来实现该器件，波导的芯子截面尺寸设计为3μm×3μm，则根据BPM数值计算可知，其阵列波导的基模等效折射率n_c为1.482043，自由传播区的等效折射率n_s为1.457507。

(3)先根据子阵列单元波导的宽度a确定衍射角度，通常用θ＝λ/a来估算。单元波导的宽度通常由制作器件的材料、波导的设计结构、器件对插入损耗的要求、微加工方的加工水平等几个方面决定的，本实施例中取λ为1.55um用于估算，a＝3μm，所对应的衍射角度为θ＝λ/a≈29.6°。

(4)确定角度偏转范围因子g_a，IAWG的阵列波导辐射光束的最大偏转角度为arcsin(1/g_a)。IAWG的阵列波导的角度偏转范围要小于单个阵列波导单元的衍射角度，即arcsin(1/g_a)≤θ/2，或者g_a≥1/sin(θ/2)≈4，否则IAWG的通道均匀性变差；当然g_a越大，通道均匀性越好，代价是器件损耗增加，尺寸也可能增大。根据以上条件，本实施例中选取g_a＝10.5994。

(5)根据波导的尺寸和结构，以及芯子和包层间的折射率差等参数确定单元波导间的最小间距(即阵列中所有相邻单元间隔d_i中的最小值(d_i)_min)，在设计时通常使相邻波导间的串扰低于-100dB，本实施例中取(d_i)_min＝12μm。

(6)为了使通道间的串扰和各个通道的损耗达到一个合理的水平，同时考虑到单片集成能力，选取阵列波导的个数为1400个。接下来选定1399个衍射级数(也就是一组整数)，用于确定整个波导阵列的尺寸，包括相邻波导单元间距d_i和相邻单元长度差ΔI_i(i＝1，2，…，1399)。这组整数选定后整个阵列波导区的尺寸参数就都定下来了，器件的性能也随之确定了，因此实际上设计整个阵列波导区的参数就是如何选定这组整数的问题。对IAWG来说，这套衍射级数的选择对其性能的影响很显著，很大程度上决定了器件的串扰，因而成了整个设计过程中的一个关键步骤之一，对器件性能的前期优化工作也是优化这套整数。

通常是在某个给定的范围内选取出一组衍射级数的，不同的整数组合和排列所得到的器件性能都有所不同，利用遗传算法，模拟退火算法等优化算法可以搜索出一组使得器件性能最好的整数组合和排列来。先计算出波导阵列所对应衍射级数k_i的最小值为n_s×(d_i)_min/(Δλ_max×g_a)≈16，其中n_s为光在两个自由传播区的等效折射率。通常把整数k_i的选择范围取为(d_i)_min～2(d_i)_min之间，这样既可以得到较好性能，也不会产生较大的器件尺寸，当然如果能够得到更好的器件性能的话，这个范围也可以扩大。事实上，在利用遗传算法等方法对波导阵列的衍射级数选取组合进行优化时，其选取范围也是需要优化的目标之一。

本实施例中子阵列的选取范围选为16～48之间。随机选取出以下一组衍射级数k_i：

27 34 24 34 38 36 29 22 37 16 25 27 24 34 30 38 26 33 24 19 32 19 19 35 36 2537 18 21 24 23 26 26 21 27 38 31 36 38 19 17 29 20 32 28 35 17 33 28 34 37 19 3826 36 22 23 34 22 21 33 18 38 37 21 27 17 24 16 18 25 18 26 17 30 28 20 31 18 3125 27 25 21 27 26 35 21 21 17 32 28 24 23 16 37 29 36 18 30 28 25 19 28 36 16 2928 28 28 17 22 23 19 20 18 35 30 35 27 16 35 38 16 33 29 26 38 26 18 33 28 18 3620 38 30 27 17 19 27 38 29 26 18 28 36 17 20 37 32 23 33 31 34 21 21 36 16 32 3834 37 30 24 31 34 28 24 36 22 35 26 29 37 26 37 18 36 20 22 26 28 24 34 23 38 2237 37 21 17 21 36 24 28 37 36 30 35 29 25 27 35 25 31 21 26 27 21 34 17 25 24 3027 30 33 24 25 24 24 18 21 32 37 28 35 24 31 21 24 27 26 36 35 29 35 34 20 16 1820 17 19 30 35 19 19 22 24 28 29 28 20 34 19 27 16 26 28 35 28 18 24 24 35 26 2632 18 30 34 27 28 27 22 37 21 33 17 38 16 20 37 30 32 34 28 38 30 26 16 17 34 1928 23 18 19 21 23 25 18 32 19 32 35 16 18 29 34 24 31 24 18 28 31 38 37 37 25 3318 32 28 27 31 34 22 18 34 23 26 37 38 33 34 17 25 32 28 34 16 19 22 29 30 34 3532 27 22 24 37 36 16 18 33 22 37 22 18 21 20 32 38 33 19 28 30 37 31 34 32 28 2219 38 24 32 36 36 17 25 18 34 28 28 25 16 18 24 18 37 33 18 30 33 22 31 23 23 2320 16 34 30 34 26 19 22 38 30 17 24 31 38 27 25 23 32 26 24 24 18 34 37 33 20 2227 36 36 26 23 32 20 17 36 37 24 16 28 38 20 33 24 34 38 28 21 30 24 28 23 35 2132 19 28 32 37 29 16 19 22 16 24 16 18 32 31 20 26 32 29 18 22 19 35 37 23 25 3721 32 33 17 24 35 36 38 30 29 23 30 31 29 23 20 32 17 31 31 29 37 21 22 22 18 2825 17 25 38 19 18 27 29 24 25 20 36 28 16 22 26 17 23 25 29 20 24 19 21 23 21 2820 33 36 21 32 34 37 16 27 16 38 37 36 38 38 16 20 21 17 27 26 22 35 19 29 26 2122 16 33 17 24 32 19 33 25 17 20 16 20 36 27 21 17 16 25 21 18 32 18 18 21 19 3520 34 34 26 38 24 38 17 29 29 21 20 16 31 32 31 29 16 23 29 29 20 35 33 33 26 3432 35 23 35 16 28 20 30 27 16 37 37 19 26 34 19 34 28 30 18 28 35 24 33 26 24 3729 25 22 31 32 31 30 18 34 25 27 17 20 28 20 30 22 19 29 36 35 35 36 17 21 38 2933 34 29 28 31 17 21 27 24 32 26 27 34 29 27 34 32 25 26 31 33 32 18 30 24 35 2027 35 20 16 32 36 27 38 20 34 21 29 35 26 25 27 23 33 23 26 18 27 22 36 24 29 1828 16 36 33 18 37 18 21 23 16 29 27 34 17 38 34 33 19 16 19 22 31 37 16 31 29 3331 28 17 38 38 33 31 21 25 35 23 38 22 18 25 17 16 36 24 30 25 38 16 32 20 20 1928 31 33 34 19 30 17 18 25 16 19 31 36 17 26 20 26 35 17 31 16 35 30 24 38 28 1627 38 36 32 18 16 22 18 20 22 24 34 36 17 35 26 31 19 19 27 37 36 29 30 30 29 2223 33 27 32 19 31 27 32 34 20 18 27 19 36 30 29 26 17 22 28 30 18 23 29 38 34 3537 38 34 30 32 17 29 16 24 28 23 30 25 25 31 27 21 18 34 29 16 24 22 20 36 38 2832 19 37 20 23 23 32 35 20 16 28 29 22 32 26 22 22 32 37 36 16 37 21 32 20 16 2017 22 38 24 18 32 25 31 35 38 30 24 25 34 33 35 22 28 36 29 29 30 21 34 36 29 2016 38 17 26 24 24 27 30 23 18 31 18 36 31 35 25 32 23 37 26 30 16 23 24 26 36 2724 25 25 29 19 35 22 38 20 20 29 30 37 30 33 19 16 18 28 31 36 22 23 23 34 22 3520 35 31 35 38 26 24 29 31 30 37 31 18 18 24 20 34 33 17 21 33 22 24 16 18 18 3123 28 23 23 29 34 29 20 26 28 30 24 33 27 32 35 19 34 26 23 17 18 20 29 17 29 2318 32 34 17 26 20 34 21 31 33 38 22 22 20 23 24 18 26 29 31 18 32 30 30 35 35 3719 35 21 18 24 26 36 21 22 29 16 26 18 23 37 33 20 36 35 16 33 20 26 19 37 21 3128 32 32 20 17 29 17 36 29 27 23 23 27 18 29 26 38 37 23 19 21 21 16 27 35 22 3122 29 20 18 20 30 34 25 18 21 24 32 36 29 34 30 20 30 17 36 32 22 17 16 32 31 2320 24 30 22 34 38 21 32 23 32 30 16 17 30 28 29 24 20 31 27 22 28 30 31 27 19 2937 36 19 28 19 36 33 36 36 30 23 21 32 32 27 18 36 38 29 28 38 28 28 28 36 28 2224 24 31 27 21 24 21 19 36 19 23 30 16 28 35 38 16 38 16 22 23 21 18 38 21 24 3323 35 33 37 16 19 33 18 20 34 34 26 36 29 26 20 32 29 35 24 22 26 21 16 22 31 1916 20 20 22 25 29 30 26 24 34 16 35 30 37 16 22 20 27 25 37 18 30 20 30 23 32 1629 36 33 26 26 28 32 17 19 37 17 36 29 23 34 22 25 32 33 24 20 29 35 26 32 31 2829 18 25 17 20 21 34 36 25 34 37 30 19 33 22 30 28 32 36 28 36 16 25 32 30 27 2316 22 26 28 26 18 20 29 34 26 24 19 19 29 24 16 21 20 33 19 28 21 18 25 22 31 2223 30 29 30 22 33 33 32 18 19 25 38 20 20 35 18 26 29 25 34 32 28 31

得到波导阵列的衍射级数k_i后，就可以根据公式(1)得到波导阵列的各个相邻单元间距d_i和各个相邻单元间的长度差ΔI_i，这样整个非规则相控阵的阵列波导部分的尺寸就完全确定了。非规则相控阵其他部分的尺寸的确定与常规相控阵完全相同。

根据上述的设计方法，可以得到如图2所示的非规则排列阵列波导光栅。

实施例二：包含子阵列的非规则排列阵列波导光栅的实现

作为实施例一的一种特殊情况，实施例二的设计思想是在实施例一基础上的进一步改进和优化，其结构设计如下：

步骤(1)-(5)同实施例一；

(6)为了使通道间的串扰和各个通道的损耗达到一个合理的水平，同时考虑到单片集成能力，子阵列单元数N设计为40个，母阵列单元数M设计为35个，子阵列和母阵列的单元数越多则串扰越小，但代价是器件的尺寸增大，要在器件尺寸和串扰之间找到一个平衡，这里选定的子阵列和母阵列的单元个数所对应的串扰约为-20dB，当然经过合理优化，这个串扰还可以进一步降低，这一点后面还会讲到。

接着为子阵列和母阵列选定两组各自阵列的衍射级数，也就是两组整数，每组整数的个数分别为子阵列和母阵列的单元数减1，即分别为39个和34个，用于确定子阵列和母阵列各个单元的具体尺寸，包括相邻单元间距d_i，D_j和相邻单元的长度差ΔI_i，ΔL_j(i＝1，2，…，39，j＝1，2，…，34)。规则阵列波导光栅和非规则阵列波导光栅的区别就在于，前者的衍射级数各自相等，相当于只有一个整数，而后者的衍射级数不完全相等，因而有很多个衍射级数(子阵列有N-1个，母阵列有M-1个)。这两组整数选定后整个阵列波导区的尺寸参数就都定下来了，器件的性能也随之确定了，因此实际上设计整个阵列波导区的参数就是如何选定两组整数的问题。对IAWG来说，两套衍射级数的选择(分别对应子阵列和母阵列)对其性能的影响很显著，很大程度上决定了器件的串扰，因而成了整个设计过程中的一个关键步骤之一，对器件性能的前期优化工作也是优化这两套整数。

两组整数分别是在两个不同的范围内选定的，不同的整数组合和排列所得到的器件性能都有所不同，利用遗传算法，模拟退火算法等优化算法可以搜索出两组使得器件性能最好的整数组合和排列来。先计算出子阵列所对应衍射级数p_i的最小值为n_s×(d_i)_min/(Δλ_max×g_a)≈16，其中n_s为光在两个自由传播区的等效折射率。通常把整数p_i的选择范围取为(d_i)_min～2(d_i)_min之间，这样既可以得到较好性能，也不会产生较大的器件尺寸，当然如果能够得到更好的器件性能的话，这个范围也可以扩大。事实上，在利用遗传算法等方法对子阵列和母阵列的整数选取组合进行优化时，他们各自的选取范围也是需要优化的目标之一。

按照上面的步骤选好一组子阵列的衍射级数后，接下来就是选择母阵列相应的衍射级数了。母阵列所对应的整数选择范围与子阵列的整数选取有关系。由于相邻子阵列间的间距必须大于每个子阵列本身的宽度，否则相邻两个子阵列的首尾阵列单元会出现重叠的情况，而且至少要比每个子阵列的宽度大(d_i)_min，否则相邻两个子阵列首尾两个单元之间的间距就会小于(d_i)_min，这将导致这两个单元间出现不希望的耦合。因此(D_j)_min＝∑d_i+(d_i)_min，由于子阵列整数的选取是随机的(我们采用了随机选取整数的方法，当然也可以不是随机的，但特征是阵列单元间距不完全相等。)，这就导致每次选取出来的整数组合所得到子阵列总宽度∑d_i(因为∑d_i＝Δλ_max×g_a×∑p_i/n_s)一般各不相同，所以为了使相邻子阵列首尾两个单元间的间隔大于(d_i)_min，必须先选定子阵列的尺寸，再选定母阵列的尺寸。至于母阵列衍射级数的选取范围，通常为了尽可能地压缩器件的尺寸(衍射级数取得越大，相应的单元间距和光程差也越大，这将导致器件尺寸增大。)，模拟比较发现，范围选为(D_j)_min～(D_j)_min+(d_i)_min，或者(D_j)_min～(D_j)_min+2(d_i)_min，两者所对应器件的性能差别不大。

本实施例中子阵列的选取范围选为16～32之间。随机选取出以下一组衍射级数p_i：

28 17 18 23 25 30 30 29 20 22 30 30 26 25 26 18 22 25 16 18 16 30 23 18 17 29 3018 18 16 22 16 21 28 18 20 24 21 25

在这个基础上，选取母阵列所对应的衍射级数q_i：

922 922 919 928 908 929 913 905 922 931 925 908 925 925 911 911 912 917 925 919 919 915929 905 913 930 930 910 919 913 916 914 922 931

得到子阵列和母阵列的衍射级数p_i和q_i后，就可以根据公式(2)和(3)分别得到子阵列的各个相邻单元间距d_i和各个相邻单元间的长度差ΔI_i，以及各个相邻子阵列间距D_j和各个相邻子阵列间的长度差ΔL_j，这样整个非规则相控阵的阵列波导部分的尺寸就完全确定了。至于非规则相控阵其他部分的尺寸的确定，与常规阵列波导光栅完全相同，这里就不再重复叙述了。

我们采用傅立叶光学理论模型来计算IAWG的传输谱，实施例1所得到的仿真结果如图4(a)所示，实施例2所得到的仿真结果如图4(b)所示。从以上两个图可以看到所有通道对某个特定通道的影响，边缘通道的串扰值高达约-19dB，中心通道的串扰也达到-23dB。IAWG传输谱的特征是，各个通道对其附近通道的串扰很小，而对远方通道的串扰很大，如图5(a)和图5(b)所示，通常某个通道对远方通道的串扰要比它附近通道高出约15dB，这个结论正好与传统的AWG相反。由于傅立叶光学理论中无法考虑在波导阵列的输入端引入taper波导，所以各个通道的插入损耗都比较大(为了能够有更多的阵列波导个数，我们选择输入波导的宽度3um，目的是使输入光场能够在第一个自由传播区有足够大的衍射角)，这是我们的理论模型导致的，在实际中并不会出现这么大的插入损耗(在波导阵列的输入端引入taper波导)。

降低串扰水平主要有三条措施：1、增加波导阵列的单元个数，2、优化各个单元波导的位置，3、优化整IAWG的设计等。其中第1点可以通过采用多层光波导工艺(MLC)来实现，而第2第3点则是通过合理的优化来实现。在不能做到这些措施的情况下，可以采用一种折中的办法，即，只用某个通道附近的那些通道(各个通道对其附近通道的串扰很小，而对远方通道的串扰很大)，而不使用该通道远方的通道，这样通道间的串扰就降低到了-33dB  36dB，如图6(a)和图6(b)所示(分别对应实施例一和二)，一共有64个连续的通道可以同时使用。这相当于一个可以在0.25um的波长范围内连续且任意移动的64通道(通道间隔为0.2nm)的阵列波导光栅，这种功能在未来的全光网络中将会很有作用。我们也可以同时使用128个连续通道，只是串扰要稍微增大了一些，但也在-30dB以上。比较以上两个实施例所得到的结果可以发现，这两种实现方法的效果很接近，几乎没什么差别，只是在第二种结构的实现过程中所选的衍射级数个数(即那套整数的个数)较少。

Claims (7)

1.一种非规则排列阵列波导光栅结构，包括：输入波导、第一平板波导、波导阵列、第二平板波导和输出波导，其特征在于，所述的波导阵列非等间隔排列，相邻的阵列单元波导间的光程差不完全相等。

2.如权利要求1所述的非规则排列阵列波导光栅结构，其特征在于，所述波导阵列由L个阵列单元组成，且相邻单元间距d_i和相邻单元光程差n_cΔl_i满足如下关系：

n_cΔl_i＝k_iλ₀

n_sd_i＝g_ak_iΔλ_max

其中，i＝1，2，…，L-1，n_c为波导的基模等效折射率，n_s为平板波导的等效折射率，k_i为波导阵列的衍射级数，g_a为角度偏转范围因子，如果要求所述波导光栅的工作波长在λ₁和λ₂之间，则λ₀＝(λ₁+λ₂)/2，Δλ_max＝(λ₂-λ₁)/2，其中，λ₀和Δλ_max都可以在小范围内调整。

3.如权利要求2所述的非规则排列阵列波导光栅结构，其特征在于，所述波导阵列中的单元波导之间的间距和光程差为非规则数列。

4.如权利要求1或2所述的非规则排列阵列波导光栅结构，其特征在于，所述的波导阵列是一个由若干个非等间隔排列且具有相同特征的子波导阵列组成的母阵列，所述子阵列满足以下关系：

n_cΔl_i＝p_iλ₀

n_sd_i＝g_ap_iΔλ_max

并且所述母阵列满足以下关系：

n_cΔL_j＝q_jλ₀

n_sD_j＝g_aq_jΔλ_max

其中，i＝1，2，…，N-1，j＝1，2，…，M-1，n_c是波导的基模等效折射率，Δl_i是子阵列中相邻单元波导的长度差，ΔL_j是相邻子阵列对应波导间的长度差，p_i是子阵列的衍射级数，q_j是母阵列的衍射级数，n_s是平板波导的等效折射率，d_i是子阵列中相邻波导单元间的间距，D_j是相邻子阵列对应波导间的间距，g_a是角度偏转范围因子；如果要求所述波导光栅的工作波长在λ₁和λ₂之间，则λ₀＝(λ₁+λ₂)/2，Δλ_max＝(λ₂-λ₁)/2，其中，λ₀和Δλ_max都可以在小范围内调整。

5.如权利要求4所述的非规则排列阵列波导光栅结构，其特征在于，所述相邻子阵列间的间距大于每个子阵列自身的宽度与相邻单元波导之间的最小间隔之和。

6.如权利要求4所述的非规则排列阵列波导光栅结构，其特征在于，所述的子阵列单元波导之间的间距和光程差为非规则数列。

7.如权利要求4所述的非规则排列阵列波导光栅结构，其特征在于，所述的相邻子阵列对应单元的间隔和长度差为非规则数列。

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