CN102103229B - 温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅 - Google Patents
温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅。与传统阵列波导光栅相比,所述阵列波导光栅的总光程差由阵列波导区中的光程差和在输入平板波导区和输出平板波导区中至少一个区的光程差共同组成,三个波导区中至少任意一个区被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;三个波导区以及至少两块温度补偿区域的几何形状以及由该几何形状确定的对应相邻阵列波导的光程差是根据两个不同偏振态的光传播所经过的总光程相等和设定温度变化前后的光传播所经过的总光程相等的关系式共同决定,达到阵列波导光栅的信道波长对温度和偏振都不敏感的要求。解决了传统技术造成的器件性能变差等问题,适用于各种波导材料和波导结构的阵列波导光栅。
Description
技术领域
本发明涉及一种阵列波导光栅,尤其涉及一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅。
背景技术
光通信技术领域中波分复用功能可以用很多方式来实现,包括环形共振器(Ring resonator),蚀刻衍射光栅(EDG)等。但考虑较多波长信道和与硅基CMOS工艺兼容性,阵列波导光栅(arrayed waveguide grating,AWG)仍是最佳选择之一。AWG具有结构紧凑、易于集成、性能优良和可靠性高等众多优点。
偏振敏感性和温度敏感性是AWG应用中相当关键的问题。由于经过普通光纤传输后,信号光偏振态发生随机变化,传输波长的微小偏移都会对系统造成显著影响,劣化传输信号,增大光通信系统误码率。然而,由于波导中横电(TE)、横磁(TM) 模的传输常数不同,引起TE 模和TM 模的光在成像面的像点发生偏移,从而使通道的频谱响应发生漂移,此即所谓偏振敏感性。因此对于光纤线路上的光器件来说,偏振非敏感非常重要。另一方面,由于光波导材料折射率随着温度变化而变化(此即热光效应),AWG的中心波长也会随着温度变化,对光通信系统造成不利影响。实际应用中一般要求80℃温度变化范围内,波长的变化量小于通道宽度的10%,即可认为AWG对温度变化不敏感。为了防止中心波长随温度发生漂移从而增大误码率,就需要发展温度不敏感技术。
目前,国内外已报导的AWG的偏振色散补偿技术主要有:半波片法、无双折射波导法、衍射级匹配法和偏振分束(polarization diversity)技术等。国家发明专利(ZL 03118878.8)“偏振无关的折叠式阵列波导光栅”是通过在折叠式阵列波导光栅的反射镜前安置法拉第旋转器,使原有的TE(横电模)变为TM(横磁模),原有TE变为TM,从而实现偏振无关。国家发明专利(申请号200810059046.5)“一种偏振不敏感阵列波导光栅”是通过输入平板波导中的偏振分束器将两个偏振模式分开,分别经过两组参数独立的阵列波导,最后通过输出平板波导中的偏振合束器将两个偏振模式合并。国家发明专利(申请号200810059045.0)“偏振不敏感的阵列波导光栅”是在各条阵列波导的一端依次连接偏振分束器和反射镜,并且偏振分束器和反射镜之间有实现偏振色散补偿的连接波导。
为了使AWG的中心波长不受外界温度变化的影响,最简单的方法是外加恒温控制器,但恒温控制器大多昂贵累赘,功耗较大,也不符合无源光网络的无源要求。因此更好的方法是采用温度不敏感设计。目前国内外有报道的温度不敏感设计可以分为两大类:一种是利用材料的热光学特性,另外一种是利用材料的热机械特性。
采用光学方式,可以通过设计温度不敏感的光波导或是插入特殊的材料来改变波导的结构。Keil等人(Neil, et al, Athermal all-polymer arrayed-waveguide grating multiplexer, Electron. Lett., 37(9):579-580, 2001.)适当调整聚合物基底的热膨胀系数以及对温度和偏振的依赖性,使光波导温度不敏感,制作而成的AWG在25-65℃范围内的温度漂移小于±0.05nm。朱大庆等人(朱大庆,许振鄂,一种温度不敏感型阵列波导光栅的研究,光学学报, 24(7): 907-911, 2004.) 将阵列波导光栅的上包层改为聚合物材料,制作的AWG的波长随温度的漂移系数大大减少。在文献A. Kaneko, et al, Athermal silica-based arrayed-waveguide grating (AWG) multi/demultiplexers with new low loss groove design. Electon. Lett., 36: 318-319, 2000.中提到的方法是在基于二氧化硅材料的AWG阵列波导区域刻槽,然后填充具有负热光系数的硅树脂。
采用机械方式,是把AWG输入侧固定在由金属或者合金制作的机械臂的一端。机械臂的热膨胀可以使AWG的输入沿着平面光波导芯片的边缘移动。典型例子就是Ignis Photonyx设计的、带有移动输入光纤的热不敏感AWG(M. Boulanger, AWG passive thermal compensation techniques for WDM-PON, 2008, http://www.lightwaveonline.com)。
很明显,以上AWG的偏振色散和温度色散的补偿方法大都需要增加额外器件,或是增加额外工艺步骤,器件制作复杂,可靠性低、成本高。另外,迄今为止,尚未有报道不增加额外器件可以同时实现温度和偏振均不敏感的AWG。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅,解决了传统阵列波导光栅偏振色散和温度色散补偿方法造成的器件性能变差,结构复杂等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明包括至少一条输入波导、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和至少一条输出波导,光从输入波导依次通过输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区传播至输出波导时经过阵列波导区中相邻两波导所对应的总光程差由在阵列波导区中的光程差和在输入平板波导区和输出平板波导区中至少一个区的光程差共同组成;其特征在于:输入平板波导区和输出平板波导区的至少一部分与阵列波导区的至少一部分具有不同双折射性质,输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区中至少任意一个区被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;阵列波导区,输入平板波导区、输出平板波导区和所述至少两块温度补偿区域的几何形状以及对应阵列波导区中相邻阵列波导的光路在这些几何形状中的光程差是根据两个不同偏振态的光传播所经过的总光程相等和设定温度变化前后的光传播所经过的总光程相等的关系式共同决定,从而达到阵列波导光栅的信道波长对温度和偏振都不敏感的要求。
所述输入平板波导区和输出平板波导区中至少任意一个区被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;两块温度补偿区域的光程差分别为 和,其中和为两块温度补偿区域的有效折射率,和为对应阵列波导区中相邻阵列波导的光路在两块温度补偿区域中的长度差;阵列波导区中相邻阵列波导的长度差、、三者同时满足和,式中常数的取值为1,2,分别代表在输入平板波导区或者输出平板波导区中进行分割和在输入平板波导区和输出平板波导区中均进行分割;为阵列波导区的有效折射率,和为两块温度补偿区域的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即,;为阵列波导区的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即;和为设定温度变化前后两块温度补偿区域的有效折射率差值;为设定温度变化前后阵列波导区的有效折射率差值。
所述阵列波导区被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;对应阵列波导区中相邻阵列波导的光路在输入平板波导区和输出平板波导区中至少一个区的长度差、在两块温度补偿区域的长度差、三者同时满足和,式中常数的取值为1,2,分别代表在输入平板波导区或者输出平板波导区引入长度差和在输入平板波导区和输出平板波导区中均引入长度差;为平板波导的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即;为设定温度变化前后平板波导的有效折射率差值。
所述两块温度补偿区域的有效折射率具有不同热光系数。
所述两块温度补偿区域的有效折射率具有不同热光系数是通过使用具有不同热光系数的波导上包层材料来实现的。
本发明具有的有益效果是:
1.本发明所公开的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅可以完全补偿由于外界温度变化和信号光偏振态引起的阵列波导光栅的信道波长偏移,在不增加额外器件和改变AWG基本部分的同时达到温度和偏振均不敏感的目的。
2.本发明所公开的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅和传统阵列波导光栅制作工艺完全兼容,不需要加入额外元件,工作原理简单,不影响传统阵列波导光栅原有性能。
3.本发明所公开的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅可应用于不同材料、不同波导结构的阵列光栅器件,且具有制作简单、成本低等优点。
附图说明
图1是本发明的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅的第一种具体实施方式的结构示意图,输入平板波导区和输出平板波导区均被分割成两块具有不同热光系数的温度补偿区域。
图 2 是图1中输入平板波导区的放大图。
图 3 是图1中两块温度补偿区域的分界线附近的波导三维结构图,两块温度补偿区域的波导上包层材料不同。
图4是本发明的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅的第二种具体实施方式的结构示意图,阵列波导区被分割为两块具有不同热光系数的温度补偿区域。
图中:1、输入波导,2、输入平板波导区,3、阵列波导区,4、输出平板波导区,5、输出波导,6和7、输入平板波导区被分割后形成的两块温度补偿区域,8、输入波导末端所在的罗兰圆,直径为R;9、阵列波导末端所在的光栅圆,半径为R;10、输入平板波导区的光轴,11、输入平板波导区和阵列波导区的交界曲线中心的切线,12、输出平板波导区的光轴,13、输出平板波导区和阵列波导区的交界曲线中心的切线,14和15、输出平板波导区被分割后形成的两块温度补偿区域,16、波导上包层,17、波导芯层,18、波导下包层,19和20、阵列波导区被分割后形成的两块温度补偿区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图4所示,本发明的光从输入波导1依次通过输入平板波导区2、阵列波导区3和输出平板波导区4传播至输出波导5时经过阵列波导区3中相邻两波导所对应的总光程差由在阵列波导区3中的光程差和在输入平板波导区2和输出平板波导区4中至少一个的光程差共同组成,其中是该平板波导区的有效折射率,是对应相邻阵列波导的光路在该平板波导区的长度差;输入平板波导区2和输出平板波导区4的至少一部分与阵列波导区3的至少一部分具有不同双折射性质,阵列波导区3、输入平板波导区2和输出平板波导区4中至少任意一个区被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;阵列波导区3,输入平板波导区2、输出平板波导区4和至少两块温度补偿区域的几何形状以及对应阵列波导区3中相邻阵列波导的光路在这些几何形状中的光程差是根据两个不同偏振态的光传播所经过的总光程相等和设定温度变化前后的光传播所经过的总光程相等而共同决定的,从而达到阵列波导光栅的信道波长对温度和偏振均不敏感的要求。
如图1所示,根据本发明的第一种具体实施方式:输入平板波导区2被分成两块温度补偿区域6和7,输出平板波导区4被分成两块温度补偿区域14和15,阵列波导光栅的中心信道波长衍射方程为(等式1),其中常数的取值为1,2,分别代表在输入平板波导区2或输出平板波导区4进行分割和在输入平板波导区2和输出平板波导区4均进行分割,为衍射级次,为阵列波导光栅的中心信道波长,两块温度补偿区域的光程差分别为和,其中为温度补偿区域6和14的有效折射率,为对应阵列波导区3中相邻阵列波导的光路在温度补偿区域6和14中的长度差,为温度补偿区域7和15的有效折射率,为对应阵列波导区3中相邻阵列波导的光路在温度补偿区域7和15中的长度差。
分别对应TE模和TM模的频谱响应峰值满足下面的等式:
阵列波导光栅的偏振不敏感条件:,就变为
根据等式1、2和3就可以求得相应的阵列波导区3和温度补偿区域6、7、14、15的长度差、和,根据长度差要求确定了各个区域的几何形状。为了在温度补偿区域6、7引入长度差,以输入平板波导区2为例,输入波导末端所在的罗兰圆8的直径为R,阵列波导末端所在的光栅圆9的半径为R,并且罗兰圆8和光栅圆9在阵列波导区3与输入平板波导区2交界曲线的中心点相切。输入平板波导区2和阵列波导区3的交界曲线中心的切线11与输入平板波导区2的光轴10夹角为大于0o小于180o非90o的角度θ。以输出平板波导区4为例,输出平板波导区4和阵列波导区3的交界曲线中心的切线13与输出平板波导区4的光轴12夹角为大于0o小于180o非90o的角度θ。如图2所示,给出图1中输入平板波导区2的放大图,图中的虚线即为对应阵列波导区3中相邻阵列波导的光路,两条虚线的长度差为,两条虚线在两块温度补偿区域6和7中分别对应长度差和。
等式3的成立要求两块温度补偿区域6、7的有效折射率的热光系数不同,一种实施方式,如图3所示。图3给出图1中两块温度补偿区域6和7的分界线附近的波导三维结构图,18为波导下包层,17为波导芯层,两块温度补偿区域的分界是波导上包层16材料具有不同热光系数,图例中温度补偿区域7的波导上包层为空气。由于波导上包层的热光系数不同,因此两块温度补偿区域6、7的有效折射率的热光系数不同。
如图4所示,给出本发明的第二种具体实施方式的结构示意图。与第一种具体实施方式不同的是,阵列波导区3被分割为两块具有不同热光系数的温度补偿区域19和20。
根据本发明的第二种具体实施方式:阵列波导光栅的中心信道波长衍射方程为(等式1),其中常数的取值为1,2,分别代表在输入平板波导区2或输出平板波导区4引入长度差和在输入平板波导区2和输出平板波导区4均产生长度差,为衍射级次,为中心信道波长。
其中,为温度补偿区域19的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即;为温度补偿区域20的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即;为输入/输出平板波导区的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即平板波导的有效折射率差。
上述实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅,包括至少一条输入波导(1)、输入平板波导区(2)、阵列波导区(3)、输出平板波导区(4)和至少一条输出波导(5),光从输入波导(1)依次通过输入平板波导区(2)、阵列波导区(3)和输出平板波导区(4)传播至输出波导(5)时经过阵列波导区(3)中相邻两波导所对应的总光程差由在阵列波导区(3)中的光程差和在输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中至少一个区的光程差共同组成;其特征在于:输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)的至少一部分与阵列波导区(3)的至少一部分具有不同双折射性质,输入平板波导区(2)、阵列波导区(3)和输出平板波导区(4)中至少任意一个区被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;阵列波导区(3),输入平板波导区(2)、输出平板波导区(4)和所述至少两块温度补偿区域的几何形状以及对应阵列波导区(3)中相邻阵列波导的光路在这些几何形状中的光程差是根据两个不同偏振态的光传播所经过的总光程相等和设定温度变化前后的光传播所经过的总光程相等的关系式共同决定,从而达到阵列波导光栅的信道波长对温度和偏振都不敏感的要求。
2.根据权利要求1所述的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅,其特征在于:所述输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中至少任意一个区被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;两块温度补偿区域的光程差分别为n1ΔL1和n2ΔL2,其中n1和n2为两块温度补偿区域的有效折射率,ΔL1和ΔL2为对应阵列波导区(3)中相邻阵列波导的光路在两块温度补偿区域中的长度差;阵列波导区(3)中相邻阵列波导的长度差ΔL、ΔL1、ΔL2三者同时满足c*Δn1ΔL1+c*Δn2ΔL2+ΔnaΔL=0和c*Δn′1ΔL1+c*Δn′2ΔL2+Δn′aΔL=0,式中常数c的取值为1,2,分别代表在输入平板波导区(2)或者输出平板波导区(4)中进行分割和在输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中均进行分割;na为阵列波导区(3)的有效折射率,Δn1和Δn2为两块温度补偿区域的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即Δn1=n1(TE)-n1(TM),Δn2=n2(TE)-n2(TM);Δna为阵列波导区(3)的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即Δna=na(TE)-na(TM);Δn1′和Δn2′为设定温度变化前后两块温度补偿区域的有效折射率差值;Δna′为设定温度变化前后阵列波导区(3)的有效折射率差值。
3.根据权利要求1所述的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅,其特征在于:所述阵列波导区(3)被分割成至少两块具有不同热光系数的温度补偿区域;对应阵列波导区(3)中相邻阵列波导的光路在输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中至少一个区的长度差ΔLs、在两块温度补偿区域的长度差ΔL1、ΔL2三者同时满足c*ΔnsΔLs+Δn1ΔL1+Δn2ΔL2=0和c*Δn′sΔLs+Δn′1ΔL1+Δn′2ΔL2=0,式中常数c的取值为1,2,分别代表在输入平板波导区(2)或者输出平板波导区(4)引入长度差和在输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中均引入长度差;Δns为平板波导的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差,即Δns=ns(TE)-ns(TM);Δns′为设定温度变化前后平板波导的有效折射率差值;
式中:Δn1和Δn2为阵列波导区(3)被分割成的至少两块温度补偿区域的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差;Δn1′和Δn2′为设定温度变化前后两块温度补偿区域的有效折射率差值。
4.根据权利要求1所述的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅,其特征在于:所述输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中至少一个区和阵列波导区(3)的交界曲线中心的切线与该平板波导区的光轴的夹角为大于0°小于180°非90°的角度,并且所述夹角根据该平板波导区的光程差要求决定。
5.根据权利要求1所述的一种温度和偏振均不敏感的阵列波导光栅,其特征在于:所述两块温度补偿区域的波导上包层材料具有不同热光系数。
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Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120425 Termination date: 20150221 |
|
EXPY | Termination of patent right or utility model |