CN109683237B - 一种像面衍射包络平坦的波分复用器及其仿真优化方法 - Google Patents

一种像面衍射包络平坦的波分复用器及其仿真优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种像面衍射包络平坦的罗兰圆结构波分复用器及其仿真优化方法，沿着光传播方向，所述波分复用器包括输入波导、输入端平板区、阵列波导区、输出端平板区和输出波导。所述输入端平板区包含输入端并行模式变换器，且所述输出端平板区包含输出端并行模式变换器。从输入端并行模式变换器终端到输入端并行模式变换器始端，所述输入端并行模式变换器的波导脊宽度逐渐变宽。从输出端并行模式变换器始端到输出端并行模式变换器终端，所述输出端并行模式变换器的波导脊宽度逐渐变窄。

Description

一种像面衍射包络平坦的波分复用器及其仿真优化方法
技术领域
本发明涉及光电集成器件技术领域。具体来说，本发明涉及一种像面衍射包络平坦的波分复用器及其仿真优化方法。
背景技术
在基于阵列波导光栅(Array Waveguide Grating，下文简称AWG)技术的波分复用器设计中，以往技术框架中为了解决器件的各通道间损耗均匀度问题，需要通过增大器件的自由光谱范围(Free Spectral Range，下文简称FSR)实现。增大器件FSR，需减小器件的衍射级次。例如，Georges Przyrembel等(Design and fabrication of arrayedwaveguide grating multiplexers on silicon-on-insulator platforms,OpticalEngineering 46(9),094062)在图2中披露当衍射级次m＝50时，各个通道的损耗均匀性较好。当m增加到70甚至90时，边缘通道的损耗显著增大。
光电集成器件的衍射级次减小，意味着该阵列波导光栅的色散能力减弱。这不仅导致器件的串扰特性劣化，而且会限制器件的光谱分辨能力，进而难以制造更小通道间隔、更多通道数目的器件。
为此，本领域迫切需要开发一种在不增加器件衍射级次的情况下像面衍射包络平坦的波分复用器及其仿真优化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种像面衍射包络平坦的罗兰圆结构波分复用器及其仿真优化方法，从而解决上述现有技术中存在的技术问题。本发明的罗兰圆结构波分复用器包括在输入波导、输入平板区、阵列波导光栅、输出平板区以及输出波导。所述输入端平板区包含输入端并行模式变换器，且所述输出端平板区包含输出端并行模式变换器。所述输入端并行模式变换器和/或输出端并行模式变换器包括在平板区上设置的成扇形分布的并行多路波导脊。沿着光传播的方向，输入端并行模式变换器的并行多路波导脊宽度逐渐变宽，而输出端并行模式变换器的并行多路波导脊宽度逐渐变窄，从而减少阵列波导光栅和罗兰圆接口处的耦合损耗，使阵列波导光栅像面衍射包络平坦。
本发明之目的还在于提供一种通过仿真模拟优化如上所述的罗兰圆结构波分复用器的阵列波导光栅像面衍射包络的方法。
为了实现上述目的，本发明提供下述技术方案。
在第一方面中，本发明提供一种像面衍射包络平坦的罗兰圆结构波分复用器，沿着光传播方向，所述波分复用器可包括输入波导、输入端平板区、阵列波导光栅、输出端平板区和输出波导，所述输入端平板区包含输入端并行模式变换器，且所述输出端平板区包含输出端并行模式变换器；
其中所述输入端并行模式变换器包括在输入端平板区上设置的成扇形分布的并行多路波导脊，沿着光传播方向，所述输入端并行模式变换器包括输入端并行模式变换器终端、输入端并行模式变换器中段和输入端并行模式变换器始端，从输入端并行模式变换器终端到输入端并行模式变换器始端，所述输入端并行模式变换器的波导脊宽度逐渐变宽；
其中所述输入波导的末端分布在输入端罗兰圆小圆上，所述输入端并行模式变换器始端内切地分布在输入端罗兰圆大圆上，输入端罗兰圆小圆和输入端罗兰圆大圆内切于输入端光栅极点，所述输入波导的延长线经过所述输入端光栅极点，且所述输入端并行模式变换器始端与输入端罗兰圆大圆形成的切线包括输入端光栅极点；
其中所述输出端并行模式变换器包括在输出端平板区上设置的成扇形分布的并行多路波导脊，沿着光传播方向，所述输出端并行模式变换器包括输出端并行模式变换器始端、输出端并行模式变换器中段和输出端并行模式变换器终端，从输出端并行模式变换器始端到输出端并行模式变换器终端，所述输出端并行模式变换器的波导脊宽度逐渐变窄；以及
其中所述输出波导的始端分布在输出端罗兰圆小圆上，所述输出端并行模式变换器始端内切地分布在输出端罗兰圆大圆上，输出端罗兰圆小圆和输出端罗兰圆大圆内切于输出端光栅极点，所述输出波导的延长线经过所述输出端光栅极点，且所述输出端并行模式变换器始端与输出端罗兰圆大圆形成的切线包括输入端光栅极点。
在第一方面的一种实施方式中，所述输入端并行模式变换器终端与入射光波前对齐。
在第一方面的另一种实施方式中，所述输入端并行模式变换器终端与入射光波前不对齐。
在第一方面的另一种实施方式中，所述输入端并行模式变换器的始端和所述输出端并行模式变换器始端处的波导脊宽度为工艺制造的线宽极限。
在第一方面的另一种实施方式中，所述输入端平板区和所述输出端平板区的参数相同或不同。
在第一方面的另一种实施方式中，所述参数包括输入端罗兰圆半径，输出端罗兰圆半径，输入端并行模式变换器末端和输出端并行模式变换器始端的间距，输入端并行模式变换器末端和输出端并行模式变换器始端的脊宽，且参数设计的原则和输入端物场范围、输出端像场范围有关。
在第一方面的另一种实施方式中，所述输入端并行模式变换器和/或所述输出端并行模式变换器通过一步刻蚀形成。
在第一方面的另一种实施方式中，在所述输入端并行模式变换器和/或所述输出端并行模式变换器的并行多路波导脊之间，其各自对应的脊波导模式相互耦合。
在第二方面中，本发明提供一种通过仿真模拟优化如第一方面所述的罗兰圆结构波分复用器的阵列波导光栅像面衍射包络的方法，所述方法可包括下述步骤：
(1)获取激光波长，阵列波导间距，输入波导的脊高和脊宽，输出端罗兰圆大圆尺寸，输出端并行模式变换器的起始脊波导宽度，输出端并行模式变换器的终点脊波导宽度，且将输出端并行模式变换器的初始长度设置为L0＝0微米，对应于不包括输出端并行模式变换器的情况；
(2)使L的值增加50微米；
(3)判断在步骤(2)所述的输出端并行模式变换器长度下，所得波分复用器的阵列波导光栅像面衍射包络是否平坦，如果不是，则重复步骤(2)；如果是，则得到使波分复用器具有平坦像面衍射包络的最小输出端并行模式变换器长度Lmin。
在第二方面的一种实施方式中，所述Lmin＝150微米。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于减少阵列波导光栅和罗兰圆接口处的耦合损耗，提高输出端的衍射效率，使阵列波导光栅像面衍射包络平坦。
附图说明
图1示意性显示本发明的波分复用器的结构。
图2示意性显示根据本发明一种实施方式的阵列波导光栅输入端罗兰圆的结构。图2中插图分别显示输入端并行模式变换器始端处和输入端并行模式变换器中段处的多路波导脊的横截面。
图3示意性显示根据本发明一种实施方式的阵列波导光栅输出端罗兰圆的结构。
图4示意性显示不包括并行模式变换器的仿真模型。
图5示意性显示包括并行模式变换器的仿真模型。
图6(a)-图6(f)示意性显示根据本发明实施方式的衍射包络随输出端并行模式变换器长度的变化。从图6(a)-图6(f)，输出端并行模式变换器长度L＝0，50,150,250,350,450微米。
图7示意性显示根据本发明实施方式的在输出端并行模式变换器长度L＝250微米时衍射包络实验结果与仿真结果。其中图7(a)显示仿真模拟结果，且图7(b)显示实验结果。
具体实施方式
下面将结合附图以及本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚和完整的描述。附图的尺寸与实际尺寸不成比例，为了清楚地显示某些特征，可能会夸大某些部件的尺寸。
在现有技术的基于阵列波导光栅技术的波分复用器设计中，为了解决各通道之间的损耗均匀度问题，需要减少衍射级次，扩大FSR，而这会减弱阵列波导光栅的色散能力。
本发明之目的在于通过在波分复用器中设置并行模式变换器，来减少阵列波导光栅和罗兰圆接口处的耦合损耗，提高输出端的衍射效率，从而设计阵列波导光栅像面衍射包络，使通道内的衍射主级次平坦。
参考图1到图3，本发明提供一种像面衍射包络平坦的罗兰圆结构波分复用器，沿着光传播方向，所述波分复用器可包括输入波导10、输入端平板区60、阵列波导光栅30、输出端平板区80和输出波导50。所述输入端平板区60包括输入端并行模式变换器20。输出端平板区80包括输出端并行模式变换器40。
在图2所示的实施方式中，输入端并行模式变换器20包括在平板区上设置的成扇形分布的并行多路波导脊，沿着光传播方向，所述输入端并行模式变换器包括输入端并行模式变换器终端203、输入端并行模式变换器中段202和输入端并行模式变换器始端201。图2上部插图显示输入端并行模式变换器终端203的横截面，且图2下部插图显示输入端并行模式变换器中段202的横截面。从图2可知，从输入端并行模式变换器终端203到输入端并行模式变换器始端201，所述输入端并行模式变换器20的波导脊宽度逐渐变宽。输入端并行模式变换器终端203的波导脊宽度通常为工艺上允许的最小尺寸。
再次参考图2，所述输入波导10的末端分布在输入端罗兰圆小圆11上，所述输入端并行模式变换器始端201内切地分布在输入端罗兰圆大圆12上，输入端罗兰圆小圆11和输入端罗兰圆大圆12内切于输入端光栅极点O，所述输入波导10的延长线经过所述输入端光栅极点O，且所述输入端并行模式变换器始端201与输入端罗兰圆大圆12形成的切线包括输入端光栅极点O。
接下来，参考图3，输出端并行模式变换,40包括在平板区上设置的成扇形分布的并行多路波导脊，沿着光传播方向，所述输出端并行模式变换器包括输出端并行模式变换器始端401、输出端并行模式变换器中段402和输出端并行模式变换器终端403。从输出端并行模式变换器始端401到输出端并行模式变换器终端403，所述输出端并行模式变换器40的波导脊宽度逐渐变窄。
再次参考图3，输出波导50的始端分布在输出端罗兰圆小圆21上，所述输出端并行模式变换器始端401内切地分布在输出端罗兰圆大圆22上，输出端罗兰圆小圆21和输出端罗兰圆大圆22内切于输出端光栅极点P，所述输出波导50的延长线经过所述输出端光栅极点P，且所述输出端并行模式变换器始端401与输出端罗兰圆大圆22形成的切线包括输入端光栅极点P。
此外，本发明提供一种通过仿真模拟优化如上所述的罗兰圆结构波分复用器的阵列波导光栅像面衍射包络的方法，所述方法可包括下述步骤：
(1)获取激光波长，阵列波导间距，输入波导的脊高和脊宽，输出端罗兰圆大圆尺寸，输出端并行模式变换器的起始脊波导宽度，输出端并行模式变换器的终点脊波导宽度，且将输出端并行模式变换器的初始长度设置为L0＝0微米，对应于不包括输出端并行模式变换器的情况；
(2)使L的值增加50微米；
(3)判断在步骤(2)所述的输出端并行模式变换器长度下，所得波分复用器的阵列波导光栅像面衍射包络是否平坦，如果不是，则重复步骤(2)；如果是，则得到使波分复用器具有平坦像面衍射包络的最小输出端并行模式变换器长度Lmin。
下面将结合实施例对本发明的波分复用器及其仿真优化方法进行更详细地描述。
实施例
通过光波导仿真软件OptiBPM 9.0对本发明的波分复用器进行了仿真。进行仿真时，并行模式变换器的参数主要有：罗兰圆尺寸、并行模式变换器起始宽度和终点宽度。具体来说，使用波长为1550nm的激光进行仿真模拟。将输出端罗兰圆大圆半径设置成850um；将阵列波导间距(光栅周期)设置成3.5um；将输出端并行模式变换器始端脊宽设置为2.6um，终端脊宽设置为关键尺寸cd线宽，目前工艺为0.25um。模型中输出端并行模式变换器的长度可变化。
参考图4，图4示意性显示不包括并行模式变换器的仿真模型，其中输入波导为1.5um低位脊型波导，脊宽为3.5-cd(cd＝0.25um)。
参考图5，图5示意性显示包括并行模式变换器的仿真模型，其中输出端并行模式变换器的各参数如上所述。
对上述两模型进行仿真的结论如图6所示。具体来说，图6示意性显示根据本发明实施方式的衍射包络随长度的变化。其中L＝0表示不包括并行模式变换器的模型的仿真结果。L＝50～450表示包括并行模式变换器的模型的仿真结果，且相应地表示输出端并行模式变换器的长度为50～450微米。
从图6(a)到6(f)可知，当L＝0时，通道内的衍射包络成高斯分布，表明通道损耗大，衍射效率低。当L＝50时，通道内衍射包络仍然成高斯分布。但当L＝150～450时，通道内的衍射包络平坦，成方形分布，表明通道损耗小，衍射效率显著提高。
此外，还进行了实验验证，通过实验参数验证了理论仿真结果。实验结果如图7所示。具体来说，图7示意性显示根据本发明实施方式的在输出端并行模式变换器长度L＝250微米时衍射包络实验结果与仿真结果。其中图7(a)显示仿真模拟结果，且图7(b)显示实验结果。在图7(a)和7(b)中，横坐标表示在罗兰圆焦平面上的位置，纵坐标表示光场强度。从图7(a)和7(b)可知，实验结果和理论仿真结果基本吻合。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明披露的内容，在不脱离本发明范围和精神的情况下做出的改进和修改都本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种像面衍射包络平坦的罗兰圆结构波分复用器，沿着光传播方向，所述波分复用器包括输入波导、输入端平板区、阵列波导光栅、输出端平板区和输出波导，所述输入端平板区包含输入端并行模式变换器，且所述输出端平板区包含输出端并行模式变换器；
其中所述输入端并行模式变换器包括在输入端平板区上设置的成扇形分布的并行多路波导脊，沿着光传播方向，所述输入端并行模式变换器包括输入端并行模式变换器终端、输入端并行模式变换器中段和输入端并行模式变换器始端，从输入端并行模式变换器终端到输入端并行模式变换器始端，所述输入端并行模式变换器的波导脊宽度逐渐变宽；
其中所述输入波导的末端分布在输入端罗兰圆小圆上，所述输入端并行模式变换器始端内切地分布在输入端罗兰圆大圆上，输入端罗兰圆小圆和输入端罗兰圆大圆内切于输入端光栅极点，所述输入波导的延长线经过所述输入端光栅极点，且所述输入端并行模式变换器始端与输入端罗兰圆大圆形成的切线包括输入端光栅极点；
其中所述输出端并行模式变换器包括在输出端平板区上设置的成扇形分布的并行多路波导脊，沿着光传播方向，所述输出端并行模式变换器包括输出端并行模式变换器始端、输出端并行模式变换器中段和输出端并行模式变换器终端，从输出端并行模式变换器始端到输出端并行模式变换器终端，所述输出端并行模式变换器的波导脊宽度逐渐变窄；以及
其中所述输出波导的始端分布在输出端罗兰圆小圆上，所述输出端并行模式变换器始端内切地分布在输出端罗兰圆大圆上，输出端罗兰圆小圆和输出端罗兰圆大圆内切于输出端光栅极点，所述输出波导的延长线经过所述输出端光栅极点，且所述输出端并行模式变换器始端与输出端罗兰圆大圆形成的切线包括输入端光栅极点。
2.如权利要求1所述的波分复用器，其特征在于，输入端并行模式变换器终端与入射光波前对齐。
3.如权利要求1所述的波分复用器，其特征在于，输入端并行模式变换器终端与入射光波前不对齐。
4.如权利要求1所述的波分复用器，其特征在于，所述输入端并行模式变换器的始端和所述输出端并行模式变换器始端处的波导脊宽度为工艺制造的线宽极限。
5.如权利要求1所述的波分复用器，其特征在于，所述输入端平板区和所述输出端平板区的参数相同或不同。
6.如权利要求5所述的波分复用器，其特征在于，所述参数包括输入端罗兰圆半径，输出端罗兰圆半径，输入端并行模式变换器末端和输出端并行模式变换器始端的间距，输入端并行模式变换器末端和输出端并行模式变换器始端的脊宽，且参数设计的原则和输入端物场范围、输出端像场范围有关。
7.如权利要求1所述的波分复用器，其特征在于，所述输入端并行模式变换器和/或所述输出端并行模式变换器通过一步刻蚀形成。
8.如权利要求1所述的波分复用器，其特征在于，在所述输入端并行模式变换器和/或所述输出端并行模式变换器的并行多路波导脊之间，其各自对应的脊波导模式相互耦合。
9.一种通过仿真模拟优化如权利要求1所述的罗兰圆结构波分复用器的像面衍射包络的方法，所述方法包括下述步骤：
（1）获取激光波长，阵列波导间距，输入波导的脊高和脊宽，输出端罗兰圆大圆尺寸，输出端并行模式变换器的起始脊波导宽度，输出端并行模式变换器的终点脊波导宽度，且将输出端并行模式变换器的初始长度设置为L0=0微米，对应于不包括输出端并行模式变换器的情况；
（2）使输出端并行模式变换器长度L的值增加50微米；
（3）判断在步骤（2）所述的输出端并行模式变换器长度下，所得波分复用器的像面衍射包络是否平坦，如果不是，则重复步骤（2）；如果是，则得到使波分复用器具有平坦像面衍射包络的最小输出端并行模式变换器长度Lmin。
10.一种如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述Lmin=150微米。
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