CN112327409A - 一种低串扰的硅基阵列波导光栅 - Google Patents

一种低串扰的硅基阵列波导光栅 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低串扰的硅基阵列波导光栅，基底和上包层采用二氧化硅材料，主体波导光栅结构采用硅材料；主体波导光栅由三部分组成：输入输出波导、两个罗兰圆结构型自由传播区波导、阵列波导；在阵列波导以及输入输出波导和自由传播区波导的连接处，使用抛物线锥形波导作为过渡；在输出端优化调节波导的占空比来提高信道的分离度，降低信道串扰。本发明有效降低了损耗以及因宽度突变而引起的相位误差；增大了各信道的隔离度，降低信道串扰；在光通信与光信号处理、波分复用器系统中具有重要应用。

Description

一种低串扰的硅基阵列波导光栅
技术领域
本发明属于硅基光子集成、光波长复用以及信号处理等领域，尤其涉及一种低串扰的硅基阵列波导光栅。
背景技术
硅基阵列波导光栅是一种角色散型无源器件，由输入输出波导、自由传播波导(或自由传播区)和一系列具有固定长度差的阵列波导组成。阵列波导光栅多利用光束干涉原理，通过阵列波导引入一定的光程差，使得不同波长的光在自由传播波导中干涉成像，从而被不同的输出波导所接收。目前商用的阵列波导光栅器件采用低折射率差的光波导，如二氧化硅，其尺寸大约在cm2量级。为了实现更小尺寸器件，目前多用硅材料制作器件，可以将器件的尺寸缩小至μm2量级。但由于硅波导对工艺制作较为敏感，相比于低折射率差的器件，硅基光波导阵列波导光栅器件通常具有更高的串扰。
目前的硅基光波导阵列波导光栅设计中，多数采用传统的分段式设计，相关论文包括：1)Wu Y,Lang T N T,Song J,et al.Horseshoe-Shaped 16×16Arrayed WaveguideGrating Router Based on SOI Platform[C]//2017 16th International Conferenceon Optical Communications and Networks(ICOCN).2017；2)Dumon P,Bogaerts W,VanThourhout D,et al.Compact wavelength router based on a Silicon-on-insulatorarrayed waveguide grating pigtailed to a fiber array[J].Oe/14/2/oe Pdf,2006,14(2):664-0；3)Stanton E J,Volet N,Bowers J.Low-loss arrayed waveguide gratingat 2.0μm[C]//Cleo:Science&Innovations.2017。上述论文输出信道数多为8个左右，同时为降低串扰或节约尺寸，在自由传播区采用罗兰圆设计，并作出改良，但输出信道的串扰仍然高于-20dB。而实现低串扰输出的设计，采用例如Zhiqun Zhang等人设计的两级级联阵列波导光栅，成功将信道数拓展至16的情况下，输出信道串扰低于-30dB，但是整体结构共使用了5个阵列波导光栅单元，硅基集成器件的紧凑尺寸特征被丢失，同时多级级联的损耗也会增大，降低器件性能。(Zhiqun,Zhang,Juan,et al.Low-crosstalk silicon photonicsarrayed waveguide grating[J].Chinese Optics Letters,2017)。因此进一步为降低整体结构的尺寸，Qing Fang等人采用折叠设计，通过在阵列波导光栅处添加多模干涉反射单元，将光路折返，进而实现器件尺寸减半的目标，然而这一方法不适用于具有更多输出信道的阵列波导光栅结构。(Qing F,Xiaoling C,Yingxuan Z,et al.Folded Silicon-Photonics Arrayed Waveguide Grating Integrated with Loop-Mirror Reflectors[J].IEEE Photonics Journal,2018,10(4):1-8.)。
根据以上分析可知，目前基于硅基光波导的阵列波导光栅，在面对输出信道需求上涨的情况下，难以实现低损耗、低串扰、小尺寸的设计，而无法实现这些性能指标，将会直接影响所设计器件的实际应用价值。
发明内容
为了在更多信道的设计基础上，保证低串扰，低损耗等输出性能，本发明提供了一种低串扰的硅基阵列波导光栅。
本发明的一种低串扰的硅基阵列波导光栅，基底和上包层采用二氧化硅材料，主体波导光栅结构采用硅材料。主体波导光栅由三部分组成：输入输出波导、两个罗兰圆结构型自由传播区波导、阵列波导。
在阵列波导以及输入输出波导和自由传播区波导的连接处，使用抛物线锥形波导作为过渡；在输出端优化调节波导的占空比来提高信道的分离度，降低信道串扰。
相邻的阵列波导具有固定的长度差，该长度差由下式计算得到：
Figure BDA0002788259200000021
其中，m为阵列波导光栅的衍射级数，λ0为中心波长，nc为阵列波导的模式有效折射率。
自由传播区波导的半径以及阵列波导光栅衍射级数要满足以下两式：
Figure BDA0002788259200000022
Figure BDA0002788259200000023
其中，dio为输如输出波导间距，ns为自由传播区波导模式有效折射率，dg为阵列波导间距，Nch为输出通道数，Δλ为信道空间，ng为模式群折射率。
同时，根据通道损耗的非均匀性要求，最小的自由传播区半径还应满足下式：
Figure BDA0002788259200000024
其中，Nio为输入或输出信道数，信道平坦度参数
Figure BDA0002788259200000025
高斯远场等效宽度
Figure BDA0002788259200000026
θmax为远场衍射角，wg为阵列波导模场等效宽度。
本发明的有益技术效果为：
1、使用抛物线锥形波导在输入输出波导连接阵列波导和自由传播波导，有效降低了损耗以及因宽度突变而引起的相位误差。
2、在输出波导处优化调节波导占空比，增大了各信道的隔离度，降低信道串扰。
3、本发明的低串扰阵列波导光栅在光通信与光信号处理、波分复用器系统中具有重要应用。
附图说明
图1为1×16通道阵列波导光栅整体结构图。
图2为本发明抛物线锥形连接波导示意图(图中A表示输入输出波导，B表示自由传播区波导，C表示阵列波导)。
图3为占空比调节示意图。
图4为1×16通道阵列波导光栅输出响应。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。
本发明的一种低串扰的硅基阵列波导光栅如图1所示，基底和上包层采用二氧化硅材料，主体波导光栅结构采用硅材料。主体波导光栅由三部分组成：输入输出波导、两个罗兰圆结构型自由传播区波导、阵列波导。
相邻的阵列波导具有固定的长度差。该长度差可以由下式计算得到：
Figure BDA0002788259200000031
其中m为阵列波导光栅的衍射级数，λ0为中心波长，nc为阵列波导的模式有效折射率，为降低传播损耗，本发明采用TE0模式作为传播模式。根据长度差计算公式可以看到，相位误差的引入与阵列波导的模式有效折射率密切相关，在自由传播区与其他两种波导的连接处，波导宽度的急剧变化，将会产生巨大的模式失配，多种高阶模式将被激发，因此，硅基光波导中的传输光场将变得复杂起来，而针对TE0模式设计的阵列波导长度差，将会无法满足多种模式的要求，导致输出串扰性能恶化。除此之外，高阶模式的传输损耗更大，将会大幅提高整体器件的插入损耗。因此本发明在阵列波导以及输入输出波导和自由传播区波导的连接处，使用抛物线锥形波导作为过渡。如图2所示，通过拓宽条形波导尽可能降低连接区域的有效系数差，减少模式失配引起的相位误差，从而使输出串扰和插入损耗等性能得以优化。
整体的设计中，最为关键的参数是自由传播区波导的半径以及阵列波导光栅衍射级数。二者的选择需要满足以下两式：
Figure BDA0002788259200000041
Figure BDA0002788259200000042
其中dio为输入输出波导间距，ns为自由传播区波导模式有效折射率，dg为阵列波导间距，Nch为输出通道数，Δλ为信道空间，ng为模式群折射率。在本实施例中，信道空间Δλ设为200GHz。另一方面，根据通道损耗的非均匀性要求，最小的自由传播区半径应满足下式：
Figure BDA0002788259200000043
其中Nio为输入或输出信道数，信道不平坦度参数
Figure BDA0002788259200000044
高斯远场等效宽度
Figure BDA0002788259200000045
θmax为远场衍射角，wg为阵列波导模场等效宽度。因此作为优选，R设为140μm，m设为18。
除了以上两个参数外，阵列波导数目会影响器件的损耗和成像质量。假设在阵列波导范围内，接收到的衍射场光功率为90％，根据高斯场近似，阵列波导数目Ng应满足：
Figure BDA0002788259200000046
其中ω0为输入波导模场等效宽度。根据计算，本实施案例的阵列波导数目优选为250。本发明重点优化的抛物线锥形结构如图2所示，本实施例中一共采用了两种具体尺寸的抛物线锥形波导，在输入输出波导处，抛物线锥形的两端宽度Woutput和Winput优选为2μm和1.5μm，长度L为25μm，阵列波导处的抛物线锥形两端宽度优选为0.8μm和0.5μm，长度为15μm。这一结构的引入有效的降低了阵列波导处的损耗和因模式失配而引起的相位误差。同时抛物线锥形波导不需要二次刻蚀，制作难度远小于深浅刻蚀结构。
最后，优化设计输出波导的占空比，具体操作方式如图3所示。传统的输出波导占空比皆为1，即第二个罗兰圆处的输出模场光斑可容纳信道数(设为M)等于设计的输出波导数(即等于M)。为优化占空比，在保持模场光斑可容纳的信道数大小不变的情况下将输出波导数降低；当占空比优化设计为0.8时，本发明的一个实施例，设M＝20，在占空比为0.8的条件下，此时的输出波导数降为20×0.8＝16，实现16信道输出，即对应扩大了输出波导间距和降低了相邻信道串扰。
结合抛物线锥形波导和输出波导占空比的优化过程和得到的参数，分析该阵列波导光栅的输出响应(光谱)，结果如图4所示；相邻信道串扰接近-29dB，最边缘信道损耗低于5dB。
综合以上陈述，本发明具有如下特征。1、使用抛物线锥形波导在输入输出波导连接阵列波导和自由传播波导，有效降低了损耗以及因宽度突变而引起的相位误差；2、在输出波导处优化调节波导占空比，增大了各信道的隔离度，降低信道串扰。

Claims (3)

1.一种低串扰的硅基阵列波导光栅，其特征在于，基底和上包层采用二氧化硅材料，主体波导光栅结构采用硅材料；
主体波导光栅由三部分组成：输入输出波导、两个罗兰圆结构型自由传播区波导、阵列波导；
在阵列波导以及输入输出波导和自由传播区波导的连接处，使用抛物线锥形波导作为过渡；在输出端优化调节波导的占空比来提高信道的分离度，降低信道串扰。
2.根据权利要求1所述的一种低串扰的硅基阵列波导光栅，其特征在于，所述阵列波导之间具有固定的长度差，该长度差由下式计算得到：
Figure FDA0002788259190000011
其中，m为阵列波导光栅的衍射级数，λ0为中心波长，nc为阵列波导的模式有效折射率。
3.根据权利要求1所述的一种低串扰的硅基阵列波导光栅，其特征在于，所述自由传播区波导的半径以及阵列波导光栅衍射级数要满足以下两式：
Figure FDA0002788259190000012
Figure FDA0002788259190000013
其中，dio为输如输出波导间距，ns为自由传播区波导模式有效折射率，dg为阵列波导间距，Nch为输出通道数，Δλ为信道空间，ng为模式群折射率；
同时，根据通道损耗的非均匀性要求，最小的自由传播区半径还应满足下式：
Figure FDA0002788259190000014
其中，Nio为输入或输出信道数，信道不平坦度参数
Figure FDA0002788259190000015
高斯远场的等效宽度
Figure FDA0002788259190000016
θmax为远场衍射角，wg为阵列波导模场等效宽度。
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