CN111679365B - 一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，其中阵列波导光栅中的过渡波导中第二端过渡段的宽度较小部分占过渡波导整个长度的比例更高，则使有效折射率变化更加缓慢，可以有效降低器件的插入损耗；而过渡波导中第一端过渡段的宽度较大部分占过渡波导整个长度的比例有所减少，其对有效折射率的变化不大，也可减少不必要的第一端过渡段长度，减少了尺寸，并且其损耗相较于直线型过渡方式的损耗低。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器。
背景技术
随着全球通信业务量的迅速增长，人们对通信带宽提出更高的要求，传统的通信技术已经很难满足不断增加的通信带宽的需求。为了大幅度增加光纤通信系统容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍，可以在(Wavelength DivisionMultiplexing，简称WDM)传输系统中使用WDM技术，实现在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息。
在WDM传输系统中，波分复用/解复用器是其核心器件。波分复用/解复用器在发送端将完成合波任务，在接收端完成分波。制造上述波分复用/解复用器的技术很多，主要有衍射光栅法。并且，衍射光栅法又分为光纤光栅和阵列波导光栅法，能够用于WDM传输系统使用的波分复用/解复用器可以是阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，简称AWG)，由于其结构具有复用/解复用双向对称功能，成为大端口数比如通道数大于32复用/解复用器的最佳选择。但传统的AWG损耗较高。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，用以解决现有技术中传统的AWG损耗较高的技术问题。具体技术方案如下：
本发明实施例提供了一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，包括：
阵列波导光栅，其中，所述阵列波导光栅包括：信道波导、平板波导、阵列波导以及过渡波导，所述过渡波导分别耦合于所述信道波导与所述平板波导之间，以及所述平板波导与所述阵列波导之间，所述过渡波导包括：第一端、与所述第一端相对的且小于所述第一端尺寸的第二端以及所述第一端与所述第二端之间的过渡段，所述第一端朝向所述平板波导；所述过渡段是由第二端过渡段与第一端过渡段组成，所述第一端过渡段占所述过渡段的一半或者一半以下；
所述过渡段包含光滑曲线的截面，所述光滑曲线是由所述第二端向所述第一端，呈非线性单调递增且处处可导的光滑曲线，其中，所述光滑曲线为向所述过渡波导内部凹陷的光滑曲线，或者向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线；
所述信道波导包括一个输入信道波导及四个输出信道波导，所述平板波导包括一个输入平板波导及一个输出平板波导。
进一步的，所述光滑曲线为幂函数曲线，所述向所述过渡波导内部凹陷的光滑曲线为所述幂函数曲线中内凹型曲线，所述向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线为所述幂函数曲线中外凸型曲线。
进一步的，所述幂函数曲线中自变量在[0,1]范围内取值，幂次数在(1,7]范围取值。
进一步的，所述过渡波导包括：第一过渡波导、第二过渡波导、第三过渡波导及第四过渡波导；其中，
所述输入信道波导的输出端分别以一一对应方式与第一过渡波导的第二端耦合，所述第一过渡波导的第一端与所述输入平板波导的输入端耦合，所述输入平板波导的输出端分别与第二过渡波导的第一端耦合，所述第二过渡波导的第二端分别与所述阵列波导的输入端耦合，所述阵列波导的输出端与第三过渡波导的第二端耦合，所述第三过渡波导的第一端与所述输出平板波导的输入端耦合、所述输出平板波导的输出端与第四过渡波导的第一端，所述第四过渡波导的第二端分别以一一对应方式与所述四个输出信道波导。
进一步的，所述信道波导、所述平板波导、所述阵列波导以及所述过渡波导是采用平面光波导技术单片集成在同一个芯片的衬底上；
所述信道波导、所述阵列波导以及所述过渡波导分别为埋入型波导，所述埋入型波导是由芯层和包层组成，所述芯层的高度在[4μm,4.5μm]范围内取值，所述芯层的宽度在[4μm,4.5μm]范围内取值；
所述阵列波导的数目在[11,20]范围内取整数值；
所述四通道硅基阵列波导光栅波分复用器的衍射级数在[8,20]范围内取整数值；
所述阵列波导的间距在[5μm,10μm]范围内取值；
所述输入信道波导的间距在[5μm,12μm]范围内取值；
所述输出信道波导的间距在[5μm,12μm]范围内取值。
进一步的，所述输入信道波导、所述输出信道波导、所述阵列波导分别呈锥形结构。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供的一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，过渡波导中第二端过渡段的宽度较小部分占过渡波导整个长度的比例更高，则使有效折射率变化更加缓慢，可以有效降低器件的插入损耗；而过渡波导中第一端过渡段的宽度较大部分占过渡波导整个长度的比例有所减少，其对有效折射率的变化不大，也可减少不必要的第一端过渡段长度，减少了尺寸，并且其损耗相较于直线型过渡方式的损耗低。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的阵列波导光栅的星形耦合器示意图；
图2为本发明实施例内凹型过渡方式的过渡波导的截面示意图；
图3为本发明实施例外凸型过渡方式的过渡波导的截面示意图；
图4为本发明实施例的阵列波导光栅示例图；
图5为本发明实施例内凹型过渡方式的过渡波导的三维结构示意图；
图6为本发明实施例外凸型过渡方式的过渡波导的三维结构示意图；
图7为本发明实施例过渡波导的截面中光滑曲线为幂函数曲线的示意图；
图8为本发明实施例过渡波导的截面中光滑曲线为指数函数曲线的示意图；
图9为本发明实施例的插入损耗的第一示意图；
图10为本发明实施例的插入损耗的第二示意图；
图11为本发明实施例的1×4阵列波导光栅的示意图；
图12为本发明实施例的波导截面示意图；
图13为本发明实施例的输出信道波导间距与带宽的关系的示意图；
图14为本发明实施例的衍射级数m与ΔL、R、FSR的关系的示意图；
图15为本发明实施例的不同阵列波导数目的阵列波导光栅传输示意图；
图16为本发明实施例的阵列波导数目与插入损耗的关系的示意图；
图17为本发明实施例的阵列波导数目与带宽的关系的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中传统的AWG损耗较高的问题，本发明实施例提供一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，过渡波导中第二端过渡段的宽度较小部分占过渡波导整个长度的比例更高，则使有效折射率变化更加缓慢，可以有效降低器件的插入损耗；而过渡波导中第一端过渡段的宽度较大部分占过渡波导整个长度的比例有所减少，其对有效折射率的变化不大，也可减少不必要的第一端过渡段长度，减少了尺寸，并且其损耗相较于直线型过渡方式的损耗低。
下面首先对本发明实施例提供的四通道硅基阵列波导光栅波分复用器进行介绍。
如图1所示，本发明实施例所提供的四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，该复用器可以包括如下：
阵列波导光栅，其中，所述阵列波导光栅包括：信道波导1、平板波导2、阵列波导3以及过渡波导4，所述过渡波导分别耦合于所述信道波导与所述平板波导之间，以及所述平板波导与所述阵列波导之间。所述过渡波导包括：第一端411、与所述第一端411相对的且小于所述第一端411尺寸的第二端421以及所述第一端411与所述第二端421之间的过渡段，所述第一端411朝向所述平板波导；所述过渡段是由第二端过渡段422与所述第一端过渡段412组成，所述第一端过渡段412占所述过渡段的一半或者一半以下，如图2和图3所示，当然图2和图3只是为了方便说明过渡波导，在此并不作限制，任何能够实现如下结构的本发明实施例的过渡波导，均属于本发明实施例的保护范围。具体如下：所述过渡段包含光滑曲线的截面，所述光滑曲线是由所述第二端向所述第一端，呈非线性单调递增且处处可导的光滑曲线，其中，所述光滑曲线为向所述过渡波导内部凹陷的光滑曲线，或者向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线，所述光滑曲线为幂函数曲线；
参见图4所示，所述信道波导包括一个输入信道波导11及四个输出信道波导12，所述平板波导包括一个输入平板波导21及一个输出平板波导22。其中，阵列波导3的数量为在[11，20]范围内取值；过渡波导的数量是由信道波导和阵列波导数量决定。
需要说明的是，由于信道波导和平板波导的端口大小不同，并且，平板波导与阵列波导的端口大小不同，因此过渡波导用于实现不同端口大小的两个波导之间的匹配。过渡波导可以是指耦合于信道波导与平板波导之间或耦合于平板波导与阵列波导之间，用于实现信道波导与平板波导之间或平板波导与阵列波导之间光的传输。上述阵列波导光栅的信道波导、平板波导、阵列波导以及过渡波导相互配合，用于完成光的传输。
上述阵列波导光栅的各种波导的耦合是指任意连接、耦合、链接等，以及光耦合是指使得光线从一个元件被传递至另一元件的耦合。这种耦合的部件并非必须直接连接至另一个，可通过操纵或修改这种信号的中间部件被分离。同样，本发明实施例使用的术语“直接耦合”或“直接光耦合”是指没有中间部件比如光纤而允许光线从一个元件被传递至另一元件的任意光连接。
相较于相关技术中直线型的过渡波导中斜率均是随着斜率直线变化，若斜率大，则符合直线型变化的过渡边构成的波导，会使有效折射率变化大，进而增大波导耦合结构后的器件的插入损耗。若斜率小，则符合直线型变化的过渡边构成的波导，其有效折射率变化不大，但是却增大了整个波导的长度。可见，符合直线型变化的过渡边构成的波导，难以实现既能够减小加入过渡波导后的器件的插入损耗，又能够缩小整个过渡波导的长度。基于此，本发明实施例采用过渡波导呈光滑曲线变化，以同时满足降低器件插入损耗和减小器件尺寸。
结合上述内容和图4，输入信道波导传播输入光，输入平板波导可使光在其中自由传播，具有让从输入信道波导中入射到平板波导的光发散作用，阵列波导表示许多波导并排排列而成，输出平板波导与输入平板波导结构相同，输出信道波导并排排列而成。输入平板波导将输入信道波导和阵列波导连接起来，也称为输入星形耦合器；输出平板波导将输出信道波导和阵列波导连接起来，也称为输出星形耦合器。输入信道波导可以是1个或多个，阵列波导可以有很多个，输出信道波导一般超过两个，比如四个。
图1中的星形耦合器是由具有罗兰圆平板波导及与之相连的输入信道波导和阵列波导构成。或者，它由具有罗兰圆平板波导及与之相连的输出信道波导和阵列波导构成，信道波导包括：输入信道波导/输出信道波导。输入信道波导/输出信道波导的端面被称为端口，这些端口以等间距di地排列在罗兰圆周上，并朝向中心阵列波导。阵列波导的两端以等间距do排列在两个光栅圆周上，正对光栅圆的圆心，中心阵列波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处，且相邻阵列波导具有固定的长度差ΔL。罗兰圆直径为R，即光栅圆半径也为R。由于不同的锥形Taper结构，会对阵列波导光栅的性能产生不同差异，因此为了尽可能收集光功率，由此有效地增大传输效率、减少插入损耗，阵列波导越多，越能使输入信道波导的衍射光最大限度地被收集起来，输入信道波导、输出信道波导及阵列波导分别呈锥形结构，也就是锥形结构。这样输入信道波导、输出信道波导、阵列波导均用到了锥形结构，可以减少损耗、降低通道串扰。
相较于现有技术直线型的过渡波导，在本发明实施例中，过渡波导中第二端过渡段的宽度较小部分占过渡波导整个长度的比例更高，则使有效折射率变化更加缓慢，可以有效降低器件的插入损耗；而过渡波导中第一端过渡段的宽度较大部分占过渡波导整个长度的比例有所减少，其对有效折射率的变化不大，也可减少不必要的第一端过渡段长度，减少了尺寸，并且其损耗相较于直线型过渡方式的损耗低。
对于上述第一端可以是大端面，上述第二端可以是小端面，上述第一端也可以是大端口，上述第二端也可以是小端口。第二端用于将输入的光束集中在一起的，第一端用于已集中在一起的光输出。在上述过渡波导与其他部件耦合时，过渡波导与其他部件均处于同一水平面时，所述过渡段包含光滑曲线的截面为此过渡波导的横截面，对应的所述过渡段包含仅包含直线的截面为此过渡波导的纵截面。同理，在上述过渡波导与其他部件耦合时，过渡波导与其他部件均处于同一垂直面时，所述过渡段包含光滑曲线的截面为此过渡波导的纵截面，对应的所述过渡段包含仅包含直线的截面为此过渡波导的横截面。
参见图5和图6所示，以上述过渡波导4与其他部件5耦合时，其中其他部件5可以是指信道波导或者阵列波导。过渡波导与其他部件均处于同一水平面上述第一端过渡段端口为例进行说明，第二端的纵截面积是截面宽度(width，简称w)乘以截面高(height，简称h)，就是矩形波导的纵截面面积。也就是，第一端的截面面积是截面宽度Wit乘以截面高h，或者第一端的截面面积是截面宽度Wot乘以截面高h，其中，Wot表示阵列波导的锥形波导张口宽度，Wit表示输出信道波导的锥形波导张口宽度。这样从第二端到第一端可以说截面积由小到大变化。其中，由于信道波导和阵列波导的形成可以呈矩形，因此可以称为矩形波导。
上述过渡段是由第二端过渡段与第一端过渡段组成，第一端过渡段占过渡段的一半或者一半以下，过渡波导中第一端过渡段的宽度较大部分占过渡波导整个长度的比例有所减少，其对有效折射率的变化不大，也可减少不必要的第一端过渡段长度，减少了尺寸，并且其损耗相较于直线型过渡方式的损耗低。
因为有效折射率是光波导中的一个重要和常用的参数，其数值与波导的截面形状和波导材料的折射率有关，一旦波导的截面形状和材料确定，波导的有效折射率也将确定，具体的数值可以通过仿真软件进行计算得到。而上述光滑曲线的变化可以从波导有效折射率、尺寸、收光能力进行衡量，其中光滑曲线为向过渡波导内部凹陷的光滑曲线，可以称为内凹型过渡方式，如图2和图5所示。上述向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线，可以称为外凸型过渡方式，如图3和图6所示。专业外凸型过渡方式相比于内凹型过渡方式而言，增强了收光能力，使更多的光吸收或输出至与之连接的波导中，增强了通道的光功率，从而降低损耗，并且外凸型过渡方式与内凹型过渡方式均减少了尺寸。
由于过渡波导的截面中光滑曲线可以是由所述第二端向所述第一端，呈非线性单调递增且处处可导的光滑曲线。在一种可能的光滑曲线中，上述光滑曲线可以是幂函数曲线，即，满足f(x)＝a,>1，其中，a＝1,2,3,4,5,6,7,8的曲线a为幂，x为波导沿光传输方向的长度的归一化，f(x)是关于x呈幂函数的归一化变化，如图7所示，即满足平方函数、立方函数等幂函数。具体说明如下：
参见图2和图5所示，所述向所述过渡波导内部凹陷的光滑曲线为所述幂函数曲线中内凹型曲线。幂函数型相对于指数型而言，幂函数型第二端过渡段宽度较小的部分占整个长度的比例更高，则使有效折射率变化更加缓慢，可以有效降低器件的插入损耗；而第一端过渡段宽度较大的部分占整个长度的比例有所减少，其对有效折射率的变化不大，则可减少不必要的第一端过渡段长度，减少了尺寸，并且其损耗相较于直线型过渡方式的损耗低。但幂函数的次数不能无限增加，因为幂函数的次数越高，其内凹程度越明显，其第二端宽度较小的部分占整个波导的长度就会越高，就越近似一个宽为第二端宽度的矩形，与降低损耗的目标相悖，并且还会造成光的反射，从而增加损耗。
根据幂函数的曲线图，若自变量在[0,1]范围内取值，当幂次数大于7时，其函数值近似于起始值的范围约占自变量范围的一半。因此，在过渡波导上呈现出来的就是，第二端过渡段占整个过渡波导的一半，此时性能没有明显的提升，相反还会略增大损耗。因此，本发明实施例选择内凹型过渡方式的幂函数的次数在(1,7]范围内取值，即保证第二端过渡段的长度占整个过渡段长度的一半以下。
参见图3和图6所示，所述向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线为所述幂函数曲线中外凸型曲线。外凸型过渡方式相比于内凹型过渡方式而言，增强了收光能力，使更多的光吸收或输出至与之连接的波导中，增强了通道的光功率，从而降低损耗，并且外凸型过渡方式与内凹型过渡方式均减少了尺寸。但是幂函数的次数不能无限增大，因为幂函数的次数越高，其外凸型程度越大，则此过渡波导的形状就会越大，其第一端宽度较大的部分占整个波导的长度就会越高，就越近似一个宽为第一端宽度的矩形，与优化尺寸的目标相悖，且相邻波导之间的模场会部分重叠，导致光场的信号被耦合进相邻的波导中，从而增加了相邻通道串扰。
根据幂函数的曲线图，若自变量在[0,1]范围内取值，当幂次数大于7时，其函数值近似于起始值的范围约占自变量范围的一半。因此，在过渡波导上呈现出来的就是，第一端过渡段占整个过渡波导的一半，此时性能没有明显的提升，相反还会略增大串扰。因此，本发明实施例选择外凸型过渡方式的幂函数的次数在(1,7]范围内取值，即保证第一端过渡段的长度占整个过渡段长度的一半以下。
在另一种可能的光滑曲线中，上述光滑曲线可以是指数函数曲线，即，
其中，b＝1.5的曲线，b＝2的曲线，b＝3的曲线，b为底数，x为波导沿光传输方向的长度的归一化，g(x)为关于x呈指数函数的归一化变化，如图8所示。对于指数函数曲线的过渡波导来说，过渡波导中第二端过渡段的宽度占过渡波导整体长度比较高，则有效折射率变化相对缓慢，可以有效降低插入损耗；过渡波导中第一端过渡段的宽度占过渡波导整体长度比较低，因此可以有效减小器件长度，并且有效折射率变化不大，不会大幅度增加器件的插入损耗。具体说明如下：
所述向所述过渡波导内部凹陷的光滑曲线为所述指数函数曲线中内凹型曲线。基于上述对直线型的分析，指数型的第二端过渡段宽度较小的部分占整个长度的比例有所提升，则使有效折射率变化相对缓慢，可以有效降低器件的插入损耗；而第一端过渡段宽度较大的部分占整个长度的比例有所减少，其对有效折射率的变化不大，则可减少不必要的第一端过渡段长度，减少了尺寸，并且其损耗相较于直线型过渡方式的损耗低。
所述向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线为所述指数函数曲线中外凸型曲线。外凸型过渡方式相比于内凹型过渡方式而言，增强了收光能力，使更多的光吸收或输出至与之连接的波导中，增强了通道的光功率，从而降低损耗，并且外凸型过渡方式与内凹型过渡方式均减少了尺寸。
基于图5和图6举例说明参数如下：
(1).关于与输入信道波导/输出信道波导相连的过渡波导第一端宽度Wit：
AWG是一种光学成像器件，其每根阵列波导的两端均正对着中心输入信道波导/输出信道波导端口。通过调整与输入信道波导/输出信道波导相连的过渡波导第一端宽度，可以有效地将光直接耦合至阵列波导中，改善带宽和插入损耗等。图5和图6展示了与输入信道波导/输出信道波导相连的过渡波导第一端宽度Wit对两个通道的插入损耗的影响。当输出信道波导的矩形波导宽度w为4.5μm时，本发明实施例测试了Wit从5μm增加至14μm。来自四个输出端口的两个示例输出端口#1和#3都有类似的趋势。当Wit从6增加到9μm时，插入损耗逐渐下降，当Wit大于10μm时，插入损耗略有上升，参见图9。因此，不能过度增加与输入信道波导/输出信道波导相连的过渡波导第一端宽度。否则会持续展宽通道带宽，出现锥形波导之间相互重叠的问题，明显增加串扰水平。本发明实施例选择Wit在8到10μm。
(2).关于与阵列波导相连的过渡波导第一端宽度Wot：
为了防止光通过阵列波导之间的缝隙泄漏，可在与平板波导耦合的阵列波导交界处使用过渡波导，来增强阵列波导中的光强。图5和图6展示了与阵列波导相连的过渡波导第一端宽度Wot对两个通道的插入损耗的影响。当阵列波导的矩形波导宽度w为4.5μm时，本发明实施例测试了两个星形耦合器中的Wot同时从6μm增加至14μm。来自四个端口的两个示例输出端口#1和#3都有类似的趋势。当Wot从6增加到8μm时，插入损耗逐渐下降，参见图10。当Wot大于10μm时，插入损耗略有上升。本发明实施例选择Wot在7到9μm。
(3).关于过渡波导的长度Lt在400μm-500μm内取值。
参见图5和图6所示，上述过渡波导的高度、输入信道波导/输出信道波导和阵列波导的高度均相等，均为h；过渡波导第二端的宽度与输入信道波导/输出信道波导和阵列波导的宽度相等，均为w；输入信道波导/输出信道波导和平板波导连接处的过渡波导第一端宽度用Wit表示；阵列波导和平板波导连接处的过渡波导第一端宽度用Wot表示。
基于上述信道波导、平板波导、阵列波导以及过渡波导的介绍，本发明实施例再介绍一下阵列波导光栅的整体连接关系：
参见图11所示，所述过渡波导4包括：第一过渡波导、第二过渡波导、第三过渡波导及第四过渡波导；其中，
所述输入信道波导11的输出端分别以一一对应方式与第一过渡波导的第二端耦合，所述第一过渡波导的第一端与所述输入平板波导21的输入端耦合，所述输入平板波导21的输出端分别与第二过渡波导的第一端耦合，所述第二过渡波导的第二端分别与所述阵列波导3的输入端耦合，所述阵列波导3的输出端与第三过渡波导的第二端耦合，所述第三过渡波导的第一端与所述输出平板波导22的输入端耦合、所述输出平板波导22的输出端与第四过渡波导的第一端，所述第四过渡波导的第二端分别以一一对应方式与所述四个输出信道波导12。
基于上述介绍的阵列波导光栅的整体连接关系，本发明实施例继续介绍一下复用器的工作原理：
光束在AWG器件中的传播经过了四次变换：
(1)经过输入信道波导进入输平板波导，矩形波导模式转换成垂直于波导的方向受到限制，而宽度方向自由发散的平板波导模式；
(2)由于输入平板波导/输出平板波导的功能跟透镜类似，将光场输入到不同的阵列波导输入端，激发阵列波导光场；
(3)由于相邻阵列有恒定长度差ΔL，在阵列波导输出的模场引入了相应恒定的相位因子，并在输出平板波导输入端发生衍射；
(4)光场在输出平板波导衍射在罗兰圆上聚焦，不同波长相位不同汇聚到像平面的不同位置，最后经过输出信道波导输出。
上述AWG器件的解复用实现过程：多波长复用信号光通过中心输入信道波导输出后，经输入平板波导衍射到达输入凹面光栅上，并耦合进入阵列波导中。由于阵列波导的端面在光栅圆的圆周上，因此光信号到达阵列波导输入端时的相位相同。由于相邻阵列波导的长度差ΔL设定为固定值，因此同一波长的信号光在经过阵列波导传输后产生的相位差
也相同。由
易知，不同波长的信号光经阵列波导传输后到达输出凹面光栅上的相位差也不同。因此，不同波长的光在经过输出平板波导衍射后，被聚焦到不同的输出信道波导输出。
上述AWG器件的复用实现过程：将各波长光信号分别从右侧对应的输出信道波导输入，光信号则会从左侧的中心波导输出，完成光信号的复用。
参见图11所示，根据前面所介绍的AWG的复用器的工作原理和结构，本发明实施例器件参数的选择将决定器件的性能。为了得到四通道AWG，首先，需要设计波导的芯层的厚度a和宽度b；再根据设计目标所需要的信道中心波长λ0和波长间隔λ0，分别设计相邻输入或输出信道波导间距di、阵列波导间距do、相邻阵列波导长度差ΔL、衍射级数m、自由光谱区(Free Spectral Range，简称FSR)、平面波导焦距/罗兰圆直径/平板波导长度R和阵列波导数M等参量；最后再通过提高阵列波导数量和优化信道几何尺寸降低损耗。因此，本发明实施例的器件的参数说明如下：
本发明实施例的所述信道波导、所述平板波导、所述阵列波导以及所述过渡波导是采用平面光波导技术单片集成在同一个芯片的衬底上；
所述信道波导、所述阵列波导以及所述过渡波导分别为埋入型波导，所述埋入型波导是由芯层和包层组成，所述芯层的高度在[4μm,4.5μm]范围内取值，所述芯层的宽度在[4μm,4.5μm]范围内取值，参见图12所示；所述芯层是指对所述埋入型波导进行纵截面，也就是，仅包含直线的截面中显示的芯层的宽度和高度。为了减少双折射影响，也可以但不限于使得矩形波导的芯层的宽度、厚度和平板波导的芯层厚度相同。
所述阵列波导的数目在[11,20]范围内取整数值；
所述四通道硅基阵列波导光栅波分复用器的衍射级数在[8,20]范围内取整数值；
所述阵列波导的间距在[5μm,10μm]范围内取值；
所述输入信道波导的间距在[5μm,12μm]范围内取值；
所述输出信道波导的间距在[5μm,12μm]范围内取值，这样对于输出信道波导而言，波导之间的耦合会使任一通道的光功率被其他通道的波导接收，从而增大器件的串扰；对于阵列波导而言，波导之间的耦合会引起相位误差，也同样会增大器件的干扰。
一个通道输入、四个通道输出的阵列波导光栅，其信道中心波长分别为1271nm、1291nm、1311nm和1331nm，信道中心波长间隔为20nm。
基于上述不同参数范围，本发明实施例提供如下举例：
1.关于AWG器件的尺寸和损耗特性与波导芯和包层的相对折射率差Δn的选取有关，如下表1，确定波导芯和包层折射率：
表1具有不同折射率差的SiO2光波导的尺寸参数和损耗特性
| 低 | 中 | 高 | 超高 | |
| 相对折射率差Δn(％) | 0.3 | 0.45 | 0.75 | 1.5～2.0 |
| 波导芯尺寸(μm) | 8×8 | 7×7 | 6×6 | 4.5×4.5～3×3 |
| 弯曲半径(μm) | 25 | 15 | 5 | 2 |
| 传输损耗(dB/cm) | <0.01 | 0.02 | 0.04 | 0.07 |
根据表1，当折射率差较低时，选取的波导芯尺寸和弯曲半径较大，但传输损耗较小；当折射率差较高时，选取的波导芯尺寸和弯曲半径较小，但传输损耗较大。因此，对于波导芯和包层折射率的选取，要保证传输损耗在相对合理的范围内，还要考虑器件的尺寸，小型化的器件有利于器件的集成和应用。
图12为本发明实施例的波导截面示意图，在本发明实施例中四通道AWG选取波导芯和包层的相对折射率差Δn＝1.5％，选择中心波长所对应的SiO2材料折射率为包层折射率为n2，根据相对折射率差公式，
2.关于输入信道波导、输出信道波导和阵列波导的尺寸和间距：
选取AWG中的波导结构均为对称波导，当波导芯宽度和高度尺寸不一致时，会带来双折射影响，因此，为了减少这种影响，令矩形波导的芯层的宽度、厚度和平板波导的芯层厚度相同，芯层的大小可以但不限于为4.5μmx4.5μm的埋入型波导。
输入信道波导或输出信道波导间距di、阵列波导间距do是相邻波导串扰满足设计要求的最小距离，对称性AWG两者相等。由于波导边缘存在指数衰减的光场，光场向外延伸会与邻近波导的模场部分重叠，导致光场的信号被耦合进相邻近的波导中，发生耦合。对于输出信道波导而言，波导之间的耦合会使任一通道的光功率被其他通道的波导接收，从而增大器件的串扰；对于阵列波导而言，波导之间的耦合会引起相位误差，也同样会增大器件的干扰。
当波导间距变大，波导模场的指数衰减部分与邻近波导模场的重叠会变小，相应的耦合就越小，串扰就越低。但随着波导的间距增大，器件的整体尺寸也会增大，同时光从平板波导耦合进入阵列波导时的光损耗就会越大，增大了器件的插入损耗。由于输入信道波导/输出信道波导和阵列波导的间距的取值没有固定的公式，因此，在选择波导间距时，本发明实施例要综合考虑器件尺寸和插损与串扰要求产生的矛盾，进行合理优化，选择满足要求的最小波导间距。
带宽是衡量AWG光谱利用率的一个重要指标，本发明实施例主要关注1dB带宽和3dB带宽，且光谱带宽与输入信道波导/输出信道波导间距有关。当输入信道波导/输出信道波导间距越大时，带宽越小；当输入信道波导/输出信道波导间距越小时，带宽越大。
由于本发明实施例设计的阵列波导光栅可以是1×4阵列波导光栅，复用时是四路输入，一路输出，即四个输入信道波导，一个输出信道波导；解复用时是一路输出，四路输出，即一个输入信道波导，四个输出信道波导。因此，在研究输入信道波导/输出信道波导间距与带宽的关系时，只需要研究复用时输入信道波导间距和带宽的关系、解复用时输出信道波导间距和带宽的关系。
图13显示了当阵列波导数为12，阵列波导间距为5μm时，1dB带宽与输出信道波导间距、3dB带宽与输出信道波导间距的关系。在图13所示范围内，1dB带宽和3dB带宽随着输出信道波导间距的增大而减小，变化趋势变慢。当输出信道波导间距从5μm增加至15μm时，1dB的每个通道带宽降低约5nm，3dB的每个通道带宽降低约9nm。经过测试，当阵列波导间距在5～10μm范围内时，带宽与输出信道波导间距的关系和图13中没有巨大差别。因此，本发明取阵列波导间距在5～10μm范围内时，可根据相关条件灵活设置输入信道波导/输出信道波导间距的取值，本发明的输入信道波导/输出信道波导间距在5～12μm取值。
3.关于衍射级数m：
在设计阵列波导光栅时，衍射级数m是一个重要参数。当衍射级数确定之后，其他一些参数，例如：平面波导焦距R、相邻阵列波导长度差ΔL、FSR也会随之确定。当衍射级数较大时，器件会获得较高的分辨率，但阵列波导数的相应减少会影响器件的串扰。因此，本发明实施例中衍生级数应先选择一个适当的值，兼顾考虑串扰及器件尺寸。
4.关于平面波导焦距R、相邻阵列波导长度差ΔL、FSR：
(1)关于FSR：
当入射角和出射角相同时，有多组m与λ可以满足光栅方程，即相同入射角的不同波长的输出光波从相同的输出端口输出。自由光谱区就是两个衍射峰之间的波长范围，就是具有相同入射角的不同波长的光波，经过阵列波导衍射后具有相同衍射级数m的波长间隔范围。
其中，λ0为信道中心波长，nc为阵列波导的有效折射率，ng为阵列波导的群折射率。
(2)关于平面波导焦距R、相邻阵列波导长度差ΔL：
当相邻阵列波导长度差ΔL为常数时，在输出平板波导中才会发生光强衍射，当衍射级数m确定后，ΔL及R也随之确定下来。平面波导焦距也称为罗兰圆直径，其值的确定主要考虑满足最大信道数和通道损耗均匀性。由光栅方程得到ΔL、R及m的关系为：
其中，ns为平板波导有效折射率，di为输入或输出信道波导间距，do为阵列波导间距，ng为阵列波导的群折射率，Δλ为波长间隔。
如图14所示，随着衍射级数m的增加，平面波导焦距R和FSR，而相邻阵列波导长度差ΔL随之增加，综合考虑三方面的影响，以及最大信道波导数对器件的限制因素，本发明取衍射级数在8～20之间取值。
5.关于阵列波导数M：
阵列波导数不是决定性的参数，但会影响器件的损耗和成像质量。如果数目过小会降低衍射效率，使衍射损耗过大。因此，可设计阵列波导数足够大，使得阵列波导的数值孔径大于输出信道波导，输入信道波导的衍射光可完全被阵列波导取接收，即衍射条纹越窄，亮度就越强、背景光则越暗，则可增大耦合效率，降低通道间的串扰和损耗。由于最小阵列波导数Mmin与衍射级数m呈线性反比的关系，且阵列波导数过小会导致输入光场被部分截断，从而引发旁瓣串扰。因此，可适当增加阵列波导的条数来增加耦合程度，降低损耗。对此，本发明实施例研究了不同的阵列波导数目对阵列波导光栅的实质性影响。
本发明实施例选择1311μm所对应的通道进行观察，如图15所示，此时输出信道波导间距和阵列波导间距均为8μm。如图16所示，当阵列波导数目M增加时，其插入损耗在一定程度下变小，同时也降低了串扰。这是由于阵列波导数目的增大使得阵列波导所接收到的光功率变大，从而降低了器件的插入损耗；并且阵列波导数目的增加抑制衍射远场的次峰，从而降低了通道串扰。因此，可以适当增加阵列波导数目，以实现通道串扰和插入损耗的减小。但不能无限度地增大阵列波导数目，要考虑实际工艺制作中引起的相位误差，也会增加器件的串扰。因此，在本发明实施例所设计的阵列波导光栅中，可选取的阵列波导数目为11～20。
图17显示了带宽与阵列波导数目的关系，本发明实施例主要观察1dB带宽和3dB带宽。在图17所示范围内，带宽随着阵列波导数目的增加而减少。根据测试，当阵列波导数目超过25时，带宽几乎没有变化。当阵列波导数目从8增加到20时，每个通道的1dB带宽减少约3.2nm，每个通道的3dB带宽减少约4.5nm。
本发明实施例针对阵列波导光栅的基本工作原理、相关参数和主要性能指标进行研究，分析输入信道波导/输出信道波导间距、阵列波导间距、阵列波导数目等重要参数对相关性能指标的影响，提出阵列波导光栅的基本设计思路，并且对阵列波导光栅中的输入信道波导、输出信道波导、阵列波导的Taper结构进行了设计，提出了四通道阵列波导光栅的优化设计方案。本发明实施例通过比较阵列波导光栅的不同参数对性能的影响，根据仿真结果优化设计了四通道阵列波导光栅，减小阵列波导光栅的尺寸，改善阵列波导光栅的损耗与串扰性能，并在一定程度上增加带宽。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，包括：
阵列波导光栅，其中，所述阵列波导光栅包括：信道波导、平板波导、阵列波导以及过渡波导，所述过渡波导分别耦合于所述信道波导与所述平板波导之间，以及所述平板波导与所述阵列波导之间，所述过渡波导包括：第一端、与所述第一端相对的且小于所述第一端尺寸的第二端以及所述第一端与所述第二端之间的过渡段，所述第一端朝向所述平板波导；所述过渡段是由第二端过渡段与第一端过渡段组成，所述第一端过渡段占所述过渡段的一半以下；
所述过渡段包含光滑曲线的截面，所述光滑曲线是由所述第二端向所述第一端，呈非线性单调递增且处处可导的光滑曲线，其中，所述光滑曲线为向所述过渡波导内部凹陷的光滑曲线，或者向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线；
所述信道波导包括一个输入信道波导及四个输出信道波导，所述平板波导包括一个输入平板波导及一个输出平板波导；
所述光滑曲线为幂函数曲线，向所述过渡波导内部凹陷的光滑曲线为所述幂函数曲线中内凹型曲线，向所述过渡波导外部凸出的光滑曲线为所述幂函数曲线中外凸型曲线；
所述幂函数曲线中自变量在[0,1]范围内取值，幂次数在(1,7]范围取值；所述幂函数曲线中自变量为波导沿光传输方向的长度的归一化，因变量是关于x呈幂函数的归一化变化。
2.如权利要求1所述的四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，所述过渡波导包括：第一过渡波导、第二过渡波导、第三过渡波导及第四过渡波导；其中，
所述输入信道波导的输出端分别以一一对应方式与第一过渡波导的第二端耦合，所述第一过渡波导的第一端与所述输入平板波导的输入端耦合，所述输入平板波导的输出端分别与第二过渡波导的第一端耦合，所述第二过渡波导的第二端分别与所述阵列波导的输入端耦合，所述阵列波导的输出端与第三过渡波导的第二端耦合，所述第三过渡波导的第一端与所述输出平板波导的输入端耦合、所述输出平板波导的输出端与第四过渡波导的第一端，所述第四过渡波导的第二端分别以一一对应方式与所述四个输出信道波导。
3.如权利要求1所述的四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，所述信道波导、所述平板波导、所述阵列波导以及所述过渡波导是采用平面光波导技术单片集成在同一个芯片的衬底上；
所述信道波导、所述阵列波导以及所述过渡波导分别为埋入型波导，所述埋入型波导是由芯层和包层组成，所述芯层的高度在[4μm,4.5μm]范围内取值，所述芯层的宽度在[4μm,4.5μm]范围内取值；
所述阵列波导的数目在[11,20]范围内取整数值；
所述四通道硅基阵列波导光栅波分复用器的衍射级数在[8,20]范围内取整数值；
所述阵列波导的间距在[5μm,10μm]范围内取值；
所述输入信道波导的间距在[5μm,12μm]范围内取值；
所述输出信道波导的间距在[5μm,12μm]范围内取值。
4.如权利要求1所述的四通道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，所述输入信道波导、所述输出信道波导、所述阵列波导分别呈锥形结构。
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