CN103278926A - 一种阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法，采用锥形多模波导与锥形预展宽结构的输入/输出波导相结合的设计。其特征在于输入波导的尾端连接有锥形多模波导，在锥形多模波导之前和阵列波导光栅输出平板波导之后各插入一段锥形预展宽波导。本发明实现的阵列波导光栅输出光谱平坦化方法具有较高的设计自由度，可获得具有低色度色散的平坦化光谱和较低的输出串扰、损耗，同时光谱平坦化后可将3dB带宽提高到原来的通道间隔的百分之六十以上。

Description

一种阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法

技术领域

本发明属于平面光波导集成技术领域，具体涉及到阵列波导光栅输出光谱的平坦化方法。 

背景技术

目前光纤光栅传感研究有了长足的发展，可以用来测量应变、温度、压力以及一切可以转换为应变或温度的物理量，但光纤光栅解调系统体积较大、价格昂贵等限制了其推广应用领域。基于阵列波导光栅的光纤光栅解调方法是一种极具潜力的新型光纤光栅解调方法，具有精度高、解调速度快等特点。 

在阵列波导光栅解调系统中，阵列波导光栅是重要器件之一，普通的阵列波导光栅的光谱响应为高斯型，其3dB带宽只有通道间隔的百分之四十几，通过光谱平坦化后可将3dB带宽提高到原来的通道间隔的百分之六十以上，而改善阵列波导光栅光谱响应，获得平坦的光谱输出，具有重要的实际意义。首先平坦的频率响应可以放宽光通讯系统对于光源波长控制的要求，同时可以克服由于环境温度改变、器件材料老化，以及器件制作过程中存在的公差对器件性能造成的影响，另外可以保证多器件串联不会对器件系统性能造成大的改变。 

目前已经有多种用于阵列波导光栅光谱平坦化的方法。例如文献“Low-loss，flat-passband and athermal arrayed-waveguide grating multi/demultiplexer，″Maru Koichi and Abe Yukio，Optics Express，15(26)：18351-18356，2007中利用马赫-泽德干涉器(MZI)和阵列波导光栅级联的方法。更早些提出的方法如，文献“Phase-Dithered Waveguide Grating With Flat Passband and Sharp Transitions，”Jianjun He，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，8(6)：1186-1193，2002提出利用光栅的相位抖动。一些更加直观简便的方法是在输入/输出波导处连接特殊的光谱平坦化结构。例如在美国专利C.Dragone and L. Siliver，US patent.No.5，706，377，Feb/1995提出可以在输入/输出波导处连接Y分支；在文献“Compact SOI-based AWG with flattened spectral response using a MMI，”Pathak S.，Lambert E.，Dumon P.，Van Thourhout D.and Bogaerts W.，20118th IEEE International Conference on Group IV Photonics，45-47中介绍了阵列波导光栅输出光谱平坦化的一种方法，它是利用普通多模结构，平坦后的光谱性能插入损耗和串扰分别为-3.29dB，-17dB。 

这种输入/输出波导处连接特殊的光谱平坦化结构的方法应用较广泛，结构较简单，但是应用普通多模波导结构得到的平坦化光谱响应，在平坦化的同时会带来大的串扰、带通纹波和插损等不利因素，因此需探索一种结构简单，设计自由度高，平坦化效果优越的方法，来实现阵列波导光栅输出光谱的平坦化。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种用于阵列波导光栅输出光谱的平坦化方法，解决普通阵列波导光栅输出光谱中3dB带宽较窄，解调性能受温度变化和波长飘移等因素影响的问题，这将进一步促进阵列波导光栅在解调系统中的广泛应用。 

本发明所采用的技术方案是：在阵列波导光栅的输入平板波导前插入一段锥形多模波导结构，根据波导的色散方程和自映像原理，得到锥形多模波导各结构参数的关系，利用光束传播算法，经过对锥形多模波导的优化设计，得到最佳平坦化输出光谱。为降低平坦化光谱的串扰和插入损耗，在锥形多模波导之前和阵列波导光栅输出平板波导之后各加入一段锥形预展宽波导，对其宽度和长度进行优化设计，得到最终低损耗、低串扰、低色度色散的平坦化光谱，从而完成该方案的设计。 

本发明的效果和益处是：研究了具有高设计自由度，优越平坦化光谱等特点的阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法，得到了低色度色散，带通平坦的光谱。本发明的光谱平坦化方法和传统阵列波导光栅制作工艺完全兼容，不需要额外工艺步骤，具有结构设计简单、制作工艺简单、成本低等优点，为优化阵列波导光栅的性能提供了指导意义。 

附图说明

图1是用于阵列波导光栅光谱平坦化的结构； 

图2是锥形多模波导结构； 

图3是锥形多模波导长度与锥角的关系； 

图4是串扰与锥角的关系； 

图5是插入损耗与锥角的关系； 

图6是锥角a＝-0.2°、0.6°、0.9°时的光谱响应图； 

图7是锥形多模波导数值模拟图； 

图8是输入端锥形波导插入损耗与长度L_tp的关系； 

图9是输出端锥形波导插入损耗与长度L_tp的关系； 

图10是单通道对比图。 

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。 

本发明提出的阵列波导光栅输出光谱平坦化方法的结构示意图如附图1所示。在阵列波导光栅的输入平板波导前插入一段锥形多模波导结构，其优化设计参数包括出口间距W_O，入口宽度W_I，长度L_MMI和锥角a。为了增加设计自由度和降低串扰，在锥形多模波导之前和阵列波导光栅输出平板波导之后各插入一个锥形波导，宽度分别为w_i和w_o。 

根据上述结构分析，该平坦化方法的两个结构部分分别为锥形多模波导部分、两段 锥形预展宽部分。 

1.锥形多模波导结构的设计 

锥形多模波导如附图2所示，其宽度表示为： 

$W\left(z\right)=W_O+(W_I-W_O)(1-\frac{z}{L_{\mathrm{tp}}})---\left(1\right)$

式中，z为传播方向，L_tp为锥形多模波导的长度，W_o，W_I为锥形多模波导出口和入口宽度。根据波导的色散方程可得到多模波导导模的传播常数与水平方向的波数间的关系： 

$k_{\mathrm{yv}}^2+{\mathrm{\β}}_v^2=k_0^2{n}_r^2---\left(2\right)$

$k_{\mathrm{yv}}=\frac{(v+1)\mathrm{\π}}{W_e}---\left(3\right)$

$k_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}---\left(4\right)$

式中，k_yv为多模波导中第v阶模的横向波数，k₀为真空中波矢，β_v为第v阶模的传播常数，W_e为考虑到Goos-Hahnchen展宽后多模波导的有效宽度。其表达式为： 

$W_e=W+\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\π}}\·(\frac{n_c}{n_r}{)}^{2\mathrm{\σ}}(n_r^2-n_c^2{)}^{-\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

式中，σ为模式极化因子，对于TE模，σ＝0；对于TM模，σ＝1。在高折射率差波导中，W_e≈W。 

考虑到

对式(1)进行二项式展开，将式(3)、(4)代入其中，进而得到： 

${\mathrm{\β}}_v={(k_0^2{n}_r^2-k_{\mathrm{yv}}^2)}^{1/2}\≈k_0{n}_r-\frac{k_{\mathrm{yv}}^2}{2k_0{n}_r}=k_0{n}_r-\frac{{(v+1)}^2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_0}{4n_r{W}_e^2}---\left(6\right)$

从而得到： 

$L_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1}\≈\frac{4n_r{W}_e^2}{3{\mathrm{\λ}}_0}---\left(7\right)$

根据自成像原理，当 

$L_{\mathrm{tp}}-\frac{1}{N}\·\frac{3}{4}\·L_{\mathrm{\π}}---\left(8\right)$

将产生N重像。在平坦化设计中，需要获得双重像，即N＝2。因而选取锥形多模波导区域长度为 $L_{\mathrm{tp}}=\frac{3}{8}\·L_{\mathrm{\π}}.$

考虑到自成像双峰间距主要由出口间距W_o决定，我们用W_o和锥角a来表示入口宽度W₁和长度L_tp，得到下式： 

$L_{\mathrm{tp}}=\frac{n_r\·W_O^2}{2\·({\mathrm{\λ}}_0+n_r\·W_O\·\tan \mathrm{\α})}---\left(9\right)$

$W_I=\frac{{\mathrm{\λ}}_0\·W_O}{n_r\·W_O\·\tan \mathrm{\α}+{\mathrm{\λ}}_0}---\left(10\right)$

在设计中，优化设计的SOI基阵列波导光栅的结构参数如表1所示。根据3dB带宽要求，锥形多模波导出口宽度设为W_o＝3.2μm，所以其结构就由a决定，详见式(9)和(10)。多模波导长度L_tp和锥角α的关系如附图3所示。图3表明，当锥角a增大时，多模波导长度L_tp可以大大缩短。利用光束传播算法，即可得到阵列波导光栅光谱响应，下面分析一下锥角α对光谱平坦特性的影响。 

串扰是阵列波导光栅最重要的特性之一，附图4给出了通道串扰随着锥角变化的曲线。当锥角增加到0.9°时，串扰减小到-21.7dB。低损耗对器件实际应用非常重要。附图5给出了中心波长插入损耗随锥度变化的关系。相比于传统多模波导(α＝0)，当a＝0.9°时插入损耗减小了约为1dB。 

附图6给出了a＝-0.2°、0.6°、0.9°时的光谱图。由图6可见，通过调整锥角，可以提高光谱性能。当锥角α＝0.9°时，光谱特性得到明显改善，除了顶部平坦之外，边沿陡峭度也提高了。此时，通道串扰减小为-21.7dB，插入损耗减小为-5.11dB。锥形多模波导的最终结构为入口宽度W_I和长度L_tp分别为2.88μm和10.27μm。利用光束传播法对所优化的多模波导进行数值模拟，结果如附图7所示，可以看出该结构多模波导性能良好，双重像明显。 

2.两段锥形预展宽结构的设计 

为了增加设计自由度以获得更加优越的平坦化光谱，锥形多模波导之前插入一个锥形波导，即预展宽输入，宽度为w_t，在输出波导入口段插入一个锥形波导，宽度为w_o。阵列波导光栅输出波导间距为1μm，经优化后得到锥形输入/输出波导的宽度为w_o＝w_i=0.75μm。利用光束传播法仿真计算，图8和图9分别给出了输入/输出端锥形波导插入损耗与长度L的关系，为保证足够小的模版转换损耗和光波的单模传输长度选取L＝13um。利用最终结构平坦化的阵列波导光栅与普通阵列波导光栅的单通道输出光谱进行对比，得到图10所示，插入损耗为-4.36，串扰约为-21.9dB，3dB带宽为1.31nm，为通道间隔的65.5％。 

表1SOI-阵列波导光栅的结构参数 

。

Claims (4)

1.一种阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法，其特征在于，采用锥形多模波导与锥形预展宽结构的输入/输出波导相结合的设计对阵列波导光栅进行输出光谱平坦化，阵列波导光栅的输入、输出波导设计成锥形结构，在阵列波导光栅的输入波导和平板波导连接处加一锥形多模波导，实现光谱平坦化的同时也保证了低色度色散特性。

2.根据权利要求1所述的阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法，其特征在于，基于SOI材料，设计了尺寸为330μm×260μm，1×8的阵列波导光栅，包含依次相连的一条输入波导(1)，输入平板波导区(4)，阵列波导区(5)，输出平板波导区(6)和输出波导(8)，采用了马鞍型结构，不仅使阵列波导光栅结构紧凑，相对大的波导弯曲半径和用直波导代替弯曲波导，大大减少了弯曲损耗。

3.根据权利要求1所述的阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法，其特征在于，在阵列波导光栅的输入波导和平板波导连接处，设计一个锥形多模波导多模波导结构(3)，其中锥形多模波导的出口宽度由输出光谱的3dB带宽决定，优化设计值为3μm，根据自映像原理推得的公式，可计算出锥形多模波导的长度和入口宽度，优化设计值为10.27μm和2.88μm。

4.根据权利要求1所述的阵列波导光栅输出光谱平坦化的方法，其特征在于，为了增加设计自由度以获得更为优越的平坦化光谱，阵列波导光栅的输入波导(1)和锥形多模波导(3)之间连接锥形预展宽结构(2)，在输出平板波导区(6)和输出波导(8)之间插入锥形预展宽结构(7)，该结构较宽一端为0.75μm，为保证足够小的模斑转换损耗，其长度设计为13μm。

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