CN112305668B - 一种双层结构的阵列波导光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层结构的阵列波导光栅，所述的阵列波导光栅包括输入星型耦合器(包括输入信道波导、输入平板波导和输入过渡波导)、阵列波导和输出星型耦合器(包括输出信道波导、输出平板波导和输出过渡波导，阵列波导通过输入过渡波导和输出过渡波导分别与输入星型耦合器和输出星型耦合器连接以减小散射损耗。本发明的双层结构的AWG，相比于传统的单层AWG，结合了强限制性波导(Δ>25％)和弱限制性波导(Δ<25％)的优势，有望在保证AWG器件性能的同时减小器件的尺寸，为AWG器件片上集成化，商用化提供了可行性。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信中的波分复用应用系统领域，具体涉及一种双层结构的阵列波导光栅。
背景技术
现今光通信系统已经广泛应用，且为最大限度地提高光纤系统的通信容量，使用多载波波长的波分复用(WDM)系统应运而生。WDM系统中的关键器件就是波长多路复用/解复用器。多路复用器将所有波长通道组合在一根光纤上，而解多路复用器将波长从一根光纤分离到多波长通道。
阵列波导光栅是实现WDM系统中复用/解复用和波长路由功能的关键器件，常见的阵列波导光栅(array waveguide grating，AWG)包括基于二氧化硅和硅的AWG，分别代表基于低折射率差波导的AWG和基于高折射率差波导的AWG，虽然基于高折射率差波导的AWG得益于纳米级的波导尺寸和微米级的弯曲半径，可以实现很小的器件尺寸，但是缺点是要保证AWG的工作性能，需要非常高分辨率的制备技术，通常具有高插入损耗和高串扰。而基于低相对折射率差的AWG，虽然器件性能很好，但致命的是，器件尺寸非常大，甚至达到厘米级别。
发明内容
本发明的目的是在保证AWG工作性能的条件下，减小器件的尺寸，并且本双层结构的阵列波导设计对于制备过程中不可避免引入的侧壁粗糙的容差更大。
为实现以上设计目标，本发明的技术方案如下：
一种双层结构的阵列波导光栅，包括输入星型耦合器、阵列波导、输出星型耦合器；
所述输入星型耦合器包括输入信道波导、输入平板波导、输入过渡波导；
所述输出星型耦合器包括输出信道波导、输出平板波导、输出过渡波导；所述输出信道波导包括第二单模波导部分、第二taper过渡结构；
所述阵列波导通过输入过渡波导和输出过渡波导分别与输入星型耦合器和输出星型耦合器连接以减小散射损耗；所述输入过渡波导和输出过渡波导结构相同，均包括基于低相对折射率差的单模波导、基于高相对折射率差的单模波导、以及设于基于高相对折射率差的单模波导和基于低相对折射率差的单模波导之间的传输结构；所述的基于高相对折射率差的单模波导的相对折射率差Δ>25％，所述的基于低相对折射率差的单模波导的相对折射率差Δ<25％，Δ＝(n1 2-n2 2)/2*n1 2，n1是芯层波导的有效折射率，n2是包层波导的有效折射率；所述的传输结构的宽度由基于低相对折射率差的单模波导的宽度线性减小至基于高相对折射率差的单模波导的宽度，且基于低相对折射率差的单模波导的占比线性减小，基于高相对折射率差的单模波导的占比线性增加。
上述技术方案中，进一步地，所述的输入星型耦合器中的输入信道波导、输入平板波导和所述的输出星型耦合器中的输出信道波导、输出平板波导均采用相对折射率差较小的波导结构，其相对折射率差Δ<25％，包括但不限于氮化硅、氮氧化硅或者掺杂二氧化硅的波导。
进一步地，所述的阵列波导的波导结构采用相对折射率差较大的波导结构,其相对折射率差Δ>25％，包括但不限于硅基波导，可以利用其较小的弯曲半径来减小器件的整体尺寸。
更进一步地，基于高相对折射率差波导的阵列波导的弯曲波导部分是单模波导，其直波导部分是加宽的多模波导，且为了保证阵列波导束各波导之间引入的相位误差一致，要求阵列波导所有的弯曲波导半径保持一致。
更进一步地，所述加宽的多模波导的宽度由不引起阵列波导之间耦合的最大宽度为限，所述阵列波导的弯曲波导的弯曲半径的选取以辐射损耗在设计可接受的范围内为准。加宽之后的直波导段，因为内部光场与侧壁的接触很小，从而可以降低侧壁粗糙引起的相位误差和损耗。
进一步地，输入信道波导的结构为：第二单模波导部分结合第二taper过渡结构，并通过第二taper过渡结构连接至输入平板波导，可实现普通正弦型频谱响应；或者第一单模波导部分结合第一taper过渡结构和多模波导部分，并通过多模波导部分连接至输入平板波导，可实现平顶频谱响应。
进一步地，所述的阵列波导、输入信道波导和输出信道波导均可以采用包括矩形条波导、脊波导、掩埋波导、混合等离子体波导等波导类型中的任一种波导。
进一步地，所述的双层结构的阵列波导光栅包含传输式阵列波导光栅或反射式阵列波导光栅。
进一步地，双层结构的阵列波导光栅的输入信道波导可以为只有单个输入波导的具有复用/解复用功能的阵列波导光栅，或有多个输入波导的具有路由功能的阵列波导光栅。
进一步地，所述的阵列波导部分的排列包括但不限于为s型、或矩形等；所述的阵列波导的输入波导模式包括TE或TM模式，或者设计成为偏振不敏感的双层阵列波导光栅结构；
所述的输入平板波导和输出平板波导的结构包括但不限于为罗兰圆型、或共焦型；
所述的输入过渡波导和输出过渡波导为单步刻蚀、或双步刻蚀结构。
本发明的有益效果在于：
本发明的双层结构的AWG，相比于传统的单层AWG，结合了强限制性波导(Δ>25％)和弱限制性波导(Δ<25％)的优势，有望在保证AWG器件性能的同时减小器件的尺寸，为AWG器件片上集成化，商用化提供了可行性。
本发明的双层阵列波导光栅利用相对折射率差较小(Δ<25％)的波导来实现星型耦合器以获得较大的平板焦距。并且基于低相对折射率差的平板波导成像面上的聚焦点在每单位波长dλ的变化下的线性色散或者角度色散是大于基于高相对折射率差的平板波导的，也就意味着平板波导成像面上的波导间距也较大，因此在双层结构中的基于相对折射率差较大的阵列波导之间的间距也更大。进而可以增加基于相对折射率差较大的阵列波导的宽度从而将损耗大幅度降低，其中引入的相位误差也会降低，从而改善串扰以及得到更加平滑的频谱谱线。并且加宽波导之后，也会增大阵列波导对于制备的容差。(采用基于高折射率差波导的AWG，虽然也可以通过手动增加光栅周期来增加平板波导成像面上的波导间距，但是这样的后果会造成衍射效率降低进而增大损耗。)
本发明的双层阵列波导光栅中基于较低相对折射率差波导的星型耦合器的各输入输出波导和平板波导之间采用taper结构过渡，并且采用双层刻蚀方法实现(平板波导附件浅刻蚀，其余部分全刻蚀)，平板波导与基于较高相对折射率差波导的阵列波导之间采用模斑转换的设计过渡，即传输结构。
附图说明
图1是本发明的双层结构的阵列波导光栅；
图2是双层结构阵列波导光栅的高低折射率差波导之间的过渡结构,即传输结构；
图3是双层结构阵列波导光栅的输入信道波导的两种结构，3A和3B分别对应于平顶频谱响应和普通正弦型频谱响应；
其中，1为输入星型耦合器，2为阵列波导，3为输出星型耦合器，4为输入信道波导，5为输入平板波导，6为输入过渡波导，7为输出信道波导，8为输出平板波导，9为输出过渡波导，10为第一单模波导部分，11为第一taper过渡结构，12为多模波导部分，13为第二单模波导部分，14为第二taper过渡结构，15为基于低相对折射率差的单模波导，16为传输结构，17为基于高相对折射率差的单模波导。
具体实施方式
现在结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1为本发明的一种双层结构的阵列波导光栅，包括输入星型耦合器1、阵列波导2、输出星型耦合器3；所述输入星型耦合器1包括输入信道波导4、输入平板波导5、输入过渡波导6；所述输出星型耦合器3包括输出信道波导7、输出平板波导8、输出过渡波导9；所述输出信道波导7包括第二单模波导部分13、第二taper过渡结构14(与图3B可实现普通正弦型频谱响应的输入信道波导结构相同)；
为减小平板波导和阵列波导之间模式失配引起的散射损耗，所述阵列波导2通过输入过渡波导6和输出过渡波导9分别与输入星型耦合器1和输出星型耦合器3连接；所述输入过渡波导6和输出过渡波导9结构相同，均包括基于低相对折射率差的单模波导15、基于高相对折射率差的单模波导17、以及设于基于高相对折射率差的单模波导17和基于低相对折射率差的单模波导15之间的传输结构16(如图2所示)；所述的基于高相对折射率差的单模波导17的相对折射率差Δ>25％，所述的基于低相对折射率差的单模波导15的相对折射率差Δ<25％，所述的传输结构16的宽度由基于低相对折射率差的单模波导15的宽度线性减小至基于高相对折射率差的单模波导17的宽度，且基于低相对折射率差的单模波导15的占比线性减小，基于高相对折射率差的单模波导17的占比线性增加。比如在基于氮化硅-硅材料的双层结构之中，传输结构的宽度由1.2um氮化硅的单模波导宽度线性减小至0.45um硅的单模波导宽度，且氮化硅波导的占比线性减小，硅波导的占比线性增加。
所述的输入星型耦合器1中的输入信道波导4、输入平板波导5和所述的输出星型耦合器3中的输出信道波导7、输出平板波导8均采用相对折射率差较小的波导结构，其相对折射率差Δ<25％，包括但不限于氮化硅、氮氧化硅或者掺杂二氧化硅的波导。
所述的阵列波导2的波导结构采用相对折射率差较大的波导结构,其相对折射率差Δ>25％，包括但不限于硅基波导。
基于高相对折射率差波导的阵列波导2的弯曲波导部分是单模波导，其直波导部分是加宽的多模波导，且为了保证阵列波导束各波导之间引入的相位误差一致，要求阵列波导所有的弯曲波导半径保持一致。
所述加宽的多模波导的宽度由不引起阵列波导之间耦合的最大宽度为限，所述阵列波导的弯曲波导的弯曲半径的选取以辐射损耗在设计可接受的范围内为准。
所述输入信道波导4的结构为：第一单模波导部分10结合第一taper过渡结构11和多模波导部分12，并通过多模波导部分12连接至输入平板波导5，可实现平顶频谱响应(图3A)；或者第二单模波导部分13结合第二taper过渡结构14，并通过第二taper过渡结构14连接至输入平板波导5，可实现普通正弦型频谱响应(图3B)。
所述的阵列波导2、输入信道波导4和输出信道波导7均可以采用包括矩形条波导、脊波导、掩埋波导、混合等离子体波导等波导类型中的任一种波导。
所述双层结构的阵列波导光栅为传输式阵列波导光栅或反射式阵列波导光栅。而双层反射式阵列波导光栅是在图1提出的阵列波导光栅的基础上，在阵列波导中部设有反射装置，是一种折叠形式的阵列波导光栅。反射装置可以是基于1x2多模干涉器结合环形波导的loop-mirror，也可以是基于光子晶体等实现反射功能的结构。
双层结构的阵列波导的输入信道波导4可以为只有单个输入波导的具有复用/解复用功能的阵列波导光栅，或有多个输入波导的具有路由功能的阵列波导光栅。
所述的阵列波导2部分的排列包括但不限于为s型、或矩形等；所述的阵列波导2的输入波导模式包括TE或TM模式，或者设计成为偏振不敏感的双层阵列波导光栅结构；
所述的输入平板波导5和输出平板波导8的结构包括但不限于为罗兰圆型、或共焦型；
所述的输入过渡波导6和输出过渡波导9的结构为单步刻蚀、或双步刻蚀结构。
其中，输入/输出星型耦合器(即信道波导和平板波导)部分采用相对折射率差较小的波导来实现，而阵列波导区域采用相对折射率差较大的波导，这样可以利用其更小的弯曲半径，来进一步减小器件的整体尺寸。采用高折射率差波导必须要考虑两个方面的问题，一是高折射率差波导的损耗会较大，另一个就是基于高折射率差波导的AWG之所以串扰水平较高是因为高折射率差波导对于制备过程不可避免引入的侧壁粗糙非常敏感。接下来就这两个方面进行阐述。
高折射率差波导的损耗会随波导宽度的加大呈现较大的下降趋势，在工作波长为1550nm附近的通信频段，TE模式输入下，矩形条波导宽度从300nm增大到700nm时传输损耗(包括后向反射损耗和侧壁粗糙引起的辐射损耗)由1.5dB/mm下降到0.2dB/mm，传输损耗减小了7倍多；脊波导在高度固定条件下，在波导宽度从1.7um增大至6.4um时，传输损耗随从约12dB/cm减小到约4dB/cm，减小了3倍左右；等离子体波导在波导宽度由100nm增大至500nm时，传播长度由50um增加至550um。以上讨论的结果即高折射率差波导随宽度的增大，传输损耗可以减小几倍以上。并且波导宽度增大之后，波导的束缚光场与波导侧壁的接触减小非常多，从而降低其对侧壁粗糙的敏感度。
根据阵列波导中波导的不同的设计，AWG可以获得各种功能。当设计为波长复用/解复用器的时候，阵列中的波导的长度线性增加，即相邻阵列波导之间的长度差ΔL一定，并在阵列波导之间引入了相同的相位差。因此，对于中心波长，波导阵列入口处的场分布(目标平面)将在其出口孔径处(像平面)再现。从波导孔径中射出的光束进入自由传输区并衍射，且由于星型耦合器是罗兰圆结构，即阵列波导等间距的排列在光栅圆上，使得衍射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设为固定值，所以同一波长的信号光经阵列波导传输到输出星型耦合器时产生的相位差也相同。根据
波长不同的光信号经过阵列波导的传输到达输出星型耦合器的相位差也不同。因此，不同波长的光信号在经过输入星型耦合器的平板波导衍射之后，经过阵列波导的传输，被输出星型耦合器的平板波导聚焦到不同的输出信道波导输出。由于光是可逆的，所以逆过程可以实现复用功能。
波长路由器是由Dragone在1991年提出，包含N个输入和N个输出。不同于以上讨论的作为波长复用解复用器的AWG，作为波长路由器的AWG的FSR等于波长信道间距乘以波长信道数，从而使输入波长沿着输出循环旋转。由于这种循环行为波长路由器也被称为循环AWG。
综合以上所述，本发明提出的双层结构的AWG，相比于传统的单层AWG，结合了强限制性波导(Δ>25％)和弱限制性波导(Δ<25％)的优势，有望在保证AWG器件性能的同时减小器件的尺寸，为AWG器件片上集成化，商用化提供了可行性。
Claims (8)
1.一种双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：包括输入星型耦合器(1)、阵列波导(2)、输出星型耦合器(3)；
所述输入星型耦合器(1)包括输入信道波导(4)、输入平板波导(5)、输入过渡波导(6)；
所述输出星型耦合器(3)包括输出信道波导(7)、输出平板波导(8)、输出过渡波导(9)；所述输出信道波导(7)包括第二单模波导部分(13)、第二taper过渡结构(14)；
所述阵列波导(2)通过输入过渡波导(6)和输出过渡波导(9)分别与输入星型耦合器(1)和输出星型耦合器(3)连接以减小散射损耗；所述输入过渡波导(6)和输出过渡波导(9)结构相同，均包括基于低相对折射率差的单模波导(15)、基于高相对折射率差的单模波导(17)、以及设于基于高相对折射率差的单模波导(17)和基于低相对折射率差的单模波导(15)之间的传输结构(16)，用来实现模斑转换；所述的基于高相对折射率差的单模波导(17)的相对折射率差Δ>25％，所述的基于低相对折射率差的单模波导(15)的相对折射率差Δ<25％，所述的传输结构(16)的宽度由基于低相对折射率差的单模波导(15)的宽度线性减小至基于高相对折射率差的单模波导(17)的宽度，且基于低相对折射率差的单模波导(15)的占比线性减小，基于高相对折射率差的单模波导(17)的占比线性增加；
所述的输入星型耦合器(1)中的输入信道波导(4)、输入平板波导(5)和所述的输出星型耦合器(3)中的输出信道波导(7)、输出平板波导(8)均采用相对折射率差较小的波导结构，其相对折射率差Δ<25％；
所述的阵列波导(2)的波导结构采用相对折射率差较大的波导结构,其相对折射率差Δ>25％。
2.根据权利要求1所述的双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：基于高相对折射率差波导的阵列波导(2)的弯曲波导部分是单模波导，其直波导部分是加宽的多模波导，且为了保证阵列波导束各波导之间引入的相位误差一致，要求阵列波导所有的弯曲波导半径保持一致。
3.根据权利要求2所述的双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：所述加宽的多模波导的宽度由不引起阵列波导之间耦合的最大宽度为限，所述阵列波导的弯曲波导的弯曲半径的选取以辐射损耗在设计可接受的范围内为准。
4.根据权利要求1所述的双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：输入信道波导(4)的结构为：第二单模波导部分(13)结合第二taper过渡结构(14)，并通过第二taper过渡结构(14)连接至输入平板波导(5)，可实现普通正弦型频谱响应；或者第一单模波导部分(10)结合第一taper过渡结构(11)和多模波导部分(12)，并通过多模波导部分(12)连接至输入平板波导(5)，可实现平顶频谱响应。
5.根据权利要求1所述的双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：所述的阵列波导(2)、输入信道波导(4)和输出信道波导(7)均可采用矩形条波导、脊波导、掩埋波导、混合等离子体波导中的任一种波导。
6.根据权利要求1所述的双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：所述的双层结构的阵列波导光栅为传输式阵列波导光栅或反射式阵列波导光栅。
7.根据权利要求1所述的双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：双层结构的阵列波导光栅的输入信道波导(4)为只有单个输入波导的具有复用/解复用功能的阵列波导光栅，或有多个输入波导的具有路由功能的阵列波导光栅。
8.根据权利要求1所述的双层结构的阵列波导光栅，其特征在于：所述的阵列波导(2)部分的排列为s型或矩形；所述的阵列波导(2)的输入波导模式为TE或TM模式，或者设计成偏振不敏感的双层阵列波导光栅结构；
所述的输入平板波导(5)和输出平板波导(8)的结构为罗兰圆型或共焦型；所述的输入过渡波导(6)和输出过渡波导(9)为单步刻蚀或双步刻蚀结构。
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