CN105319629A - 通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件。本发明在传统蚀刻衍射光栅设计的基础上，光栅反射齿面的每个齿面均由多个离散点连接构成并形成曲面，器件的光谱响应通带也相应分成多个离散点；每个光栅反射齿面上每个离散点均对光谱响应通带内的相应波长满足干涉加强条件，以实现通带响应平坦，同时光栅反射面的反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向，使得经平板区传输后，光能量在输出波导阵列附近分散，以达到通道损耗均匀的效果。本发明在不改变蚀刻衍射光栅组成部分并不引入额外器件的基础上，实现了各通道带宽的增加，并且同时提高了蚀刻衍射光栅损耗均匀性；适用于基于磷化铟，二氧化硅，硅等各种材料的波导结构，具有制作简单、成本低等优点。

Description

通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件

技术领域

本发明涉及集成蚀刻衍射光栅器件，具体涉及一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件。

背景技术

目前用于光通信的集成光波导光栅波分复用器件主要有阵列波导光栅(arrayedwaveguidegrating，简称AWG)和蚀刻衍射光栅(etcheddiffractiongrating，简称EDG)两种。其中蚀刻衍射光栅具有结构紧凑、易于集成、受工艺容差影响小、可靠性高能优点。N×N的EDG波长路由器可以通过N个波长实现N个输入和输出通道间的N²个链路连接，大大提高了系统的数据传输量，是全光路由系统的重要组成部件。然而，由于EDG波长路由器自由光谱范围(FreeSpectralRegion,简称FSR)一般较小，光栅齿面尺寸大，各输入输出通道组合的插入损耗非均匀性大(如N＝4时所有链路间最大最小损耗相差约5dB)，而在通信中一般要求输出通道间的插入损耗非均匀性小于1dB，这就大大影响了EDG波长路由器的可用通道数。因此提高EDG波长路由器的插入损耗均匀性十分重要。同时，EDG的通道频谱带宽也是其主要性能之一，频谱带宽的增加即频谱平坦化对放宽通信系统波长控制要求，克服环境温度改变等具有重要意义。

目前针对阵列波导光栅，已报导的提高输出通道均匀性的技术主要有：扩大路由器FSR并抛弃边缘损耗较大通道、在输出波导出加入特殊结构，改善阵列波导和输出平板区界面场分布等。S.Kamei等人(S.Kamei,etal,"64×64channeluniform-lossandcyclic-frequencyarrayed-waveguidegratingroutermodule,"Electron.Lett.,vol.39,no.4,pp83-84,2003)通过设计一个比所需更大FSR的AWG,只使用FSR中间损耗相差小的一部分实现通道损耗均匀。H.Lu等人(H.Lu,etal,"Cyclicarrayedwaveguidegratingdeviceswithflat-toppassbandanduniformspectralresponse,",Photon.Technol.Lett.,vol.20,No.1,pp3-5,2008)通过在输出波导前结合MMI和线性taper结构，实现了AWG的通带响应平坦和损耗均匀。J.C.Chen等人(J.C.Chen,etal,"Waveguidegratingrouterswithgreaterchanneluniformity,"Electron.Lett,vol.33,no.23,pp.1951-1952,1997)通过在阵列波导的入口和出口处增加一段辅助波导来改变阵列波导和输出平板波导交界面上的模场分布，从而提高了各输出通道的插入损耗均匀性，同时也实现了通带响应平坦。国家发明专利(ZL201220558264)通过调整AWG中阵列波导的方向分散光能量提高了其损耗均匀性。

然而，以上提高阵列波导光栅各输出通道间插入损耗均匀性的技术大多数是以需要增加额外的器件或者增大器件尺寸为代价，这样增加了器件制作工艺的复杂度，而且对频谱的形状没有改善。对于蚀刻衍射光栅波长路由器，现有技术有提出通过旋转光栅齿面来实现损耗均匀，但还没有一种技术能够对蚀刻衍射光栅同时实现提高损耗均匀性和通带响应的平坦。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提出了一种通道间损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，解决了传统蚀刻衍射光栅各输出通道插入损耗相差较大的问题，同时通带响应平坦的设计可以放宽光通信系统中其他部分的性能要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明主要由至少一条输入波导、平板波导区、输出波导阵列和光栅反射齿面形成光路结构，输入波导的入射光经平板波导区发散后被光栅反射面反射，再经过平板波导区后被输出波导阵列接收，所述光路采用罗兰圆结构；光栅反射齿面的每个齿面均由K个离散点连接构成并形成曲面，器件的光谱响应通带相应分成K个离散点；光栅反射齿面上每个离散点满足下面的光栅衍射方程，以此实现通带响应平坦，同时使得光栅反射面的反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向，以达到损耗均匀的效果：

$\left|{\mathrm{IG}}_{n,k}\right|+\left|{\mathrm{OG}}_{n,k}\right|-\left|IP\right|-\left|OP\right|=\frac{{\mathrm{nm\λ}}_k}{n_{{\mathrm{eff}}_k}},-N\≤n\≤N,1\≤k\≤K$

其中，I为中心输入波导与罗兰圆圆周相交点，O为中心输出波导与罗兰圆圆周相交点，中心输出波导为位于输出波导阵列中间的波导，P为光栅极点，G_n,k表示第n个齿面上第k个离散点，m为衍射级次，n表示光栅齿面的序数，2N+1为光栅齿面的总数量，k表示每个齿面中离散点的序数，K表示每个齿面中离散点的总数；λ_k为光栅齿面上离散点对应的光谱响应通带内的离散点的波长，neff_k为λ_k的平板区有效折射率。

优选地，本发明可包含多条输入波导，所述的中心输入波导为位于多条输入波导中间的波导。

优选地，本发明可包含一条输入波导，所述的中心输入波导为该条输入波导。

所述每个齿面中所有离散点对应的光谱响应范围内的离散点的波长λ_k以λ_c为中心在平坦通带波长范围λ_R之内从到均匀分布，具体为：

${\mathrm{\λ}}_k={\mathrm{\λ}}_c+(\frac{2k-1}{K}-1){\mathrm{\λ}}_R$

其中，λ_c表示所述器件的光谱响应通带的中心波长。

所述的平坦通带波长范围λ_R取值和通道间隔△λ相关，满足0<λ_R<△λ。

所述的输入波导数量与输出波导阵列中的输出波导数量相同，构成N×N端口的光波长路由器。

所述器件的N个通道占据整个自由光谱范围，即通道间隔为自由光谱范围的1/N。

所述的输入波导只有一条，所述器件具有1个输入通道和N个输出通道，N个通道占据的光谱范围小于整个自由光谱范围。

本发明的光栅反射齿面上每个齿面的内离散点分别对中心波长附近光谱响应通带中一定波长的离散点满足干涉加强条件，从而达到通带响应平坦化效果；同时在此条件下光栅反射面成为中心点位置不变但反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向的曲面，使得经平板区传输后，光能量在输出波导阵列附近分散，同时提高了输出通道的损耗均匀性；通带响应平坦化和通道损耗均匀的程度由上述波长离散点的范围决定。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明在不增加器件尺寸和引入额外结构的基础上，可以提高各通道之间的损耗均匀性，同时实现蚀刻衍射光栅各输出通道通带响应平坦化。

2.本发明适用于基于二氧化硅，磷化铟，硅等的各种材料的波导和波导结构，制作工艺与传统的蚀刻衍射光栅器件相同，有制作简单，成本低等优点。

附图说明

图1是本发明器件的结构示意图。

图2是传统设计(虚线)和采用本发明所述方案设计(实线)的16×16蚀刻衍射光栅路由器频谱图，入射通道为#1。

图3是传统设计(虚线)和本发明所述方案设计(实线)的16×16蚀刻衍射光栅路由器频谱图，入射通道为#8。

图4为不同λ_R下仿真得到的中心输入输出通道1dB带宽值。

图5为不同λ_R下仿真得到的16×16通道组合损耗均匀性数值。

图6为不同λ_R下仿真得到的中心输入波导最大损耗值。

图7为传统设计(虚线)和采用本发明所述方案设计(实线)的1×8蚀刻衍射光栅频谱图。

图中：1、输入波导，2、平板波导区，3、输出波导阵列，4、光栅反射齿面，5、中心输入波导，6、中心输出波导，7、罗兰圆。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明由至少一条输入波导1、平板波导区2、输出波导阵列3和光栅反射齿面4形成光路结构，从输入波导1入射的光经平板波导区2发散后被光栅反射面4反射，再经过平板波导区2被输出波导3接收，从输入波导在平板波导区的入口端点到各光栅反射面中心再到输出波导在输出平板波导区的出口的总光程成等差级数递增。其光路采用罗兰圆7结构，即输入波导1和输出波导阵列3均置于罗兰圆7的圆周上，光栅反射齿面4位于半径为罗兰圆7两倍的圆上且与罗兰圆7圆周相切。

本发明在传统蚀刻衍射光栅设计的基础上，在光栅反射齿面4的每个齿面均由K个离散点连接构成并形成曲面，器件的光谱响应通带也相应分成K个离散点；对于中心输入波导5和中心输出波导6，光栅反射齿面4上每个离散点满足下面的光栅衍射方程，从而达到通带响应平坦化效果，同时使得光栅反射面4中心点位置不变但反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向，以达到损耗均匀的效果：

$\left|{\mathrm{IG}}_{n,k}\right|+\left|{\mathrm{OG}}_{n,k}\right|-\left|IP\right|-\left|OP\right|=\frac{{\mathrm{nm\&lambda;}}_k}{n_{{\mathrm{eff}}_k}},-N\&le;n\&le;N,1\&le;k\&le;K---\left(1\right)$

其中，I为中心输入波导5与罗兰圆7圆周相交点，O为中心输出波导6与罗兰圆7圆周相交点，中心输出波导6为位于输出波导阵列3中间的波导，P为光栅极点，G_n,k表示第n个齿面上第k个离散点，m为衍射级次，n表示光栅齿面的序数，2N+1为光栅齿面的总数量，k表示每个齿面中离散点的序数，K表示每个齿面中离散点的总数；λ_k为光栅齿面上离散点对应的光谱响应通带内的离散点的波长，neff_i为λ_i的平板区有效折射率。

确定了所以G_n,k的位置之后，光栅齿面4即由这些点的连线组成。图中光栅反射齿面4处虚线代表传统设计的光栅平面齿面，实线代表本发明设计的曲面光栅齿面。平板波导区2内的虚线表示传统设计中从中心输入波导5传播到光栅反射齿面4再经光栅反射齿面4反射传播到输出波导区域的光线，实线表示本发明设计中经光栅齿面4反射后传播到输出波导区域的光线。

上述每个齿面中所有离散点的对应的光谱响应通带内的离散点的波长λ_k以λ_c为中心在平坦通带波长范围λ_R之内从到均匀分布，具体为：

${\mathrm{\&lambda;}}_k={\mathrm{\&lambda;}}_c+(\frac{2k-1}{K}-1){\mathrm{\&lambda;}}_R$

其中，λ_c表示所述器件的光谱响应通带的中心波长。

所述的平坦通带波长范围λ_R取值和通道间隔△λ相关，满足0<λ_R<△λ。λ_R越大，通带响应平坦越好，损耗均匀性越好。

包含多条输入波导1，其中心输入波导5为位于多条输入波导1中间的波导。优选的输入波导1数量与输出波导阵列3中的输出波导数量相同，构成N×N端口的光波长路由器。器件的N个通道占据整个自由光谱范围，即通道间隔为自由光谱范围的1/N。

包含一条输入波导1，其中心输入波导5即为该条输入波导1。形成的器件具有1个输入通道和N个输出通道，N个通道占据的光谱范围小于整个自由光谱范围。

本发明的原理如下：

如图1所示，本发明从输入波导1进入的入射光在平板波导区2发散后，经光栅反射面4反射后，在输出波导3处汇聚。从输入点到每个光栅齿面中点再到输出点的光程均为波长整数倍，且成等差级数递增，从而形成干涉加强后输出。与传统的蚀刻衍射光栅器件不同，本发明所述的各光栅反射面4由K个离散点连线构成，光栅光谱响应通带也相应分成K个离散点，光栅反射面上每个离散点分别对中心波长附近光谱响应通带中一定波长的离散点满足干涉加强条件，故相比于传统设计，每个通道除中心波长外，中心波长附近的一定范围的波长均能收集到更多能量，所以通带响应更平坦。传统的蚀刻衍射光栅路由器件中，由于衍射级次高，光栅齿面大，光栅能量包络下降很快，各输入输出通道组合间的损耗差异可达5dB(对4×4波长路由器而言)。本发明中由于改变了光栅齿面上离散点的位置，使得光栅反射齿面4成为反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向的曲面，反射方向不再对准输出波导，因此分散了光能量，多个通道间的插入损耗差值得以弥补。

而现有的光栅器件提出通过旋转光栅齿面来实现损耗均匀，但按照其设计的光栅输出光谱通带顶端倾斜，会造成中心波长漂移。本发明提出的方法能使光栅光谱通带顶端平坦，而且可以通过调整设计参数改变通带带宽，同时仍然保持损耗均匀的效果，灵活性大且优化了器件多方面性能。

由于传统的输入波导阵列和输出波导阵列的波导的朝向均是指向光栅反射齿面4的入射和反射光线方向，那么为了减小本发明所述的光栅器件带来的额外损耗，各输入、输出波导的朝向也需要按照接收能量最大的方向进行优化。

下面以一个具体实例对本发明作进一步说明：

基底选择材料磷化铟，其中波导芯层为铟镓砷磷，厚度0.35μm，上包层为1.65μm磷化铟，芯层下有1.5μm磷化铟缓冲层，设计一个16×16的蚀刻衍射光栅波长路由器，通道间隔为0.8nm，即FSR为12.8nm。选取参数λ_R＝0.5nm。在传统设计的基础上，根据式(1)得到光栅反射齿面4的分布。

16条输入波导的通道序号分别记为#1～#16，16条输出波导的通道序号分别记为#1～#16。

图2中虚线为传统设计下仿真的从边缘通道#1输出的光谱图，实线为本发明设计仿真得出的光谱图。由图可得，传统设计从通道#1输入，16个输出通道的频谱为高斯型，1dB带宽0.1nm，16个通道损耗最小为0.27dB，最大为18.14dB，损耗均匀性为17.88dB；而采用本发明设计，从通道#1输入，16个通道输出的频谱为梯形，1dB带宽为0.6nm，1dB带宽提高了6倍，16个通道损耗最小为10.43dB，最大为10.99dB，损耗均匀性为0.56dB，比传统设计减小了17.32dB，损耗最大通道的损耗也比传统设计提高了7.15dB。

图3中虚线为传统设计下仿真的从中心通道#8输出的光谱图，实线为本发明设计仿真得出的光谱图。由图可得，传统设计从通道#8输入，16个通道损耗最小为0.26dB，最大为3.80dB，损耗均匀性为3.55dB；而应用本发明设计，从通道#8输入，16个通道损耗最小为9.89dB，最大为10.57dB，损耗均匀性为0.68dB，比传统设计减小了2.87dB。

传统设计和本发明设计的16×16通道组合损耗均匀性分别为17.89dB和1.16dB，采用本发明设计，整个器件的损耗均匀性提高了16.73dB

通过调整λ_R可以调整器件的平坦化和损耗均匀效果，但λ_R的取值会直接影器件的插入损耗。分别设定λ_R＝0.3nm,0.4nm,0.5nm,0.6nm，通过仿真得到器件的1dB带宽、16×16通道损耗非均匀性和中心输入波导平均损耗如图4、图5、图6所示。从图4中可见，λ_R值与1dB带宽基本成线性关系，λ_R取值越大，频谱通带1dB带宽越大，通带响应平坦化效果越好，从图5可见，λ_R取值越大，器件的损耗均匀性越好，但从图6中可见，λ_R取值越大，器件的损耗也随之增大。λ_R＝0.6nm时，中心输入波导平均损耗可增加至12dB。设计时应综合考虑各方面需求，合理选择λ_R。

本发明针对普通的1×N蚀刻衍射光栅同样适用。同样选择上述材料和层状结构，设计一个8通道，通道间隔为500GHz的蚀刻衍射光栅，FSR取为65nm。选择λ_R＝1.7nm，仿真得到光谱图如图7所示，其中虚线为传统设计下光谱，实线为本发明设计的光谱。器件1dB带宽从传统设计的0.6nm增至1.7nm，损耗非均匀性从传统设计的0.60dB减小到0.29dB。

从上述实例可见，本发明方法设计的光栅同时具有通带响应平坦和损耗均匀的效果，对频谱通带带宽和损耗均匀性的改善十分显著，并可通过调整设计参数控制器件的1dB带宽和损耗均匀性数值，该方法对N×N和1×N的蚀刻衍射光栅均适用。

注意，上述实施例是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，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，主要由至少一条输入波导(1)、平板波导区(2)、输出波导阵列(3)和光栅反射齿面(4)形成光路结构，输入波导(1)的入射光经平板波导区(2)发散后被光栅反射面(4)反射，再经过平板波导区(2)后被输出波导阵列(3)接收，所述光路采用罗兰圆(7)结构；其特征在于：

光栅反射齿面(4)的每个齿面均由I个离散点连接构成并形成曲面，器件的光谱响应通带相应分成I个离散点；光栅反射齿面(4)上每个离散点满足下面的光栅衍射方程，以此实现通带响应平坦，同时使得光栅反射面(4)的反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向，以达到损耗均匀的效果：

$\left|{\mathrm{IG}}_{n,k}\right|+\left|{\mathrm{OG}}_{n,k}\right|-\left|IP\right|-\left|OP\right|=\frac{{\mathrm{nm\&lambda;}}_k}{n_{{\mathrm{eff}}_k}},-N\&le;n\&le;N,1\&le;k\&le;K$

其中，I为中心输入波导(5)与罗兰圆(7)圆周相交点，O为中心输出波导(6)与罗兰圆(7)圆周相交点，中心输出波导(6)为位于输出波导阵列(3)中间的波导，P为光栅极点，G_n,k表示第n个齿面上第k个离散点，m为衍射级次，n表示光栅齿面的序数，2N+1为光栅齿面的总数量，k表示每个齿面中离散点的序数，K表示每个齿面中离散点的总数；λ_k为光栅齿面上离散点对应的光谱响应通带内的离散点的波长，neff_k为λ_k的平板区有效折射率。

2.根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其特征在于：包含多条输入波导(1)，所述的中心输入波导(5)为位于多条输入波导(1)中间的波导。

3.根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其特征在于：包含一条输入波导(1)，所述的中心输入波导(5)为该条输入波导(1)。

4.根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其特征在于：

所述每个齿面中所有离散点对应的光谱响应范围内的离散点的波长λ_k以λ_c为中心在平坦通带波长范围λ_R之内从到均匀分布，具体为：

${\mathrm{\&lambda;}}_k={\mathrm{\&lambda;}}_c+(\frac{2k-1}{K}-1){\mathrm{\&lambda;}}_R$

其中，λ_c表示所述器件的光谱响应通带的中心波长。

5.根据权利要求4所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其特征在于：所述的平坦通带波长范围λ_R取值和通道间隔△λ相关，满足0<λ_R<△λ。

6.根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其特征在于：所述的输入波导(1)数量与输出波导阵列(3)中的输出波导数量相同，构成N×N端口的光波长路由器。

7.根据权利要求6所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其特征在于：所述器件的N个通道占据整个自由光谱范围，即通道间隔为自由光谱范围的1/N。

8.根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且频谱通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其特征在于：所述的输入波导(1)只有一条，所述器件具有1个输入通道和N个输出通道，N个通道占据的光谱范围小于整个自由光谱范围。