CN112946815A - 低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器 - Google Patents

低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器 Download PDF

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李沛轩
黄瑶
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Abstract

本发明公开了一种低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，光信号链路由以下硅基器件输入波导，第一罗兰圆，阵列波导，第二罗兰圆以及输出波导顺次连接组成；输入波导具有1个端口；输出波导具有32个端口；阵列波导由550个具有相等长度差△L、呈抛物线锥形的条形波导阵列组成。32信道的最大插入损耗小于6.5dB,最小相邻信道串扰低于‑20dB。本发明具有低损耗、低串扰等优点，在光通信与光信号处理以及波分复用/解复用系统中有重要作用。

Description

低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器
技术领域
本发明属于硅基光子集成、密集型波分复用/解复用以及信号处理等领域，尤其涉及一种低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器。
背景技术
阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)是一种角色散型无源光集成器件，由输入波导、输入平板波导(罗兰圆1)、阵列波导、输出平板波导(罗兰圆2)、输出波导组成。它与其他的波分复用器件相比，具有插损较低、滤波性能较好、工艺较易实现、设计灵活、易于与光纤进行耦合等优点。其工作原理主要利用多光束干涉的原理，通过阵列波导可以引入一定的光程差，使得不同波长的光在平板波导中干涉成像，从而被不同的输出波导所接收。基于硅基设计并制作的阵列波导光栅相对于其他低折射率材料，如二氧化硅，氮化硅，硅材料由于其较高的折射率对比度，可以在更紧凑的结构下实现器件功能。在阵列波导光栅的设计中，基于硅材料的设计可以将器件的整体结构从cm量级缩小至μm量级。
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]16th International Conference onOptical 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。而为实现低串扰输出，采用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丧失，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 photonics arrayed 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 waveguidegrating integrated with loop-mirror reflectors[J].IEEE Photonics Journal,2018.)。
根据以上分析可知，硅基阵列波导光栅波分复用器的设计，难点主要在于在保证损耗和串扰等性能不降低的条件下，实现窄的信道间隔以及更多的输出信道。
发明内容
本发明的目的是提供一种低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，旨在硅基阵列波导光栅的基础结构上设计实现更多的输出信道，并保持低损耗，低串扰的整体性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，光信号链路由以下硅基器件输入波导，第一罗兰圆，阵列波导，第二罗兰圆以及输出波导顺次连接组成；输入波导具有1个端口；输出波导具有32个端口；阵列波导由550个具有相等长度差△L、呈抛物线锥形的条形波导阵列组成；罗兰圆由一个半径为R的圆以及半径为R/2的内切圆组成，该硅基阵列波导光栅的两个罗兰圆结构完全一致。
所述32个端口的输出波导之间的间距为2.9μm；所述阵列波导的550个条形波导中相邻两个波导之间的间距为0.6μm，每个波导的宽度为0.3μm，衍射阶数m为9，器件的主体硅波导采用硅基流片标准厚度220nm。
整体设计功能实现32信道，100GHz信道间隔输出。
通过压缩阵列波导的模场光斑面积，避免阵列波导处产生模式耦合，降低信道占空比，实现低串扰的波分复用/解复用。
本发明——低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，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：1个输入波导和32个输出波导，两个罗兰圆以及550个具有相等固定长度差的条形波导阵列。
为避免在条形波导与罗兰圆这一平板波导的连接处产生较大的模式适配，从而引入相位误差，在输入输出波导和阵列波导这些条形波导与罗兰圆的连接处引入了抛物线锥形波导，该结构是在普通的锥形波导基础上将锥形的直线斜边替换为抛物线，拓宽了条形波导的宽度，降低了两种波导连接处的模式有效折射率差，模式失配得以降低，同时抛物线锥形波导相较于直线型锥形波导，光的传输损耗也更低。
阵列波导光栅的关键部分即时延的引入在阵列波导中完成，阵列波导为具有相等长度差的条形波导阵列，其长度差可以由下式计算：
Figure BDA0003001029830000021
其中，m为阵列波导光栅的衍射阶数，λ0为中心波长，nc为阵列波导的模式有效折射率。
由罗兰圆构成的自由传播区波导的半径R以及阵列波导光栅的衍射阶数m满足以下两式：
Figure BDA0003001029830000031
Figure BDA0003001029830000032
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，△λ为信道间隔，ng为模式群折射率。
此外，信道还在非均匀度上有要求，并以此规定自由传播区波导半径：
Figure BDA0003001029830000033
其中，Nch为输出通道数，信道平坦度参数(即不均匀度参数)
Figure BDA0003001029830000037
高斯远场等效宽度
Figure BDA0003001029830000034
θmax为远场衍射角，wg为阵列波导模场等效宽度。
根据阵列波导光栅的L dB带宽计算公式：
Figure BDA0003001029830000035
可以看到当压缩阵列波导的有效模场面积时，L会增大，因此可以通过调整wg来实现低串扰输出。此外我们将信道的占空比γ定义为：
Figure BDA0003001029830000036
压缩模场面积，即在设计约束条件下降低wg，此时△λL会不断减小，从而使得γ逐步变小，实现串扰不断降低。
本发明的有益技术效果为：
1、通过使用阵列波导光栅结构，实现100GHz信道间隔，32信道输出的波分复用器。
2、通过压缩阵列波导模场面积，降低信道占空比，从而降低信道串扰。
3、本发明的低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器在光通信与光信号处理、波分复用/解复用系统中具有重要应用。
附图说明
图1是低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器结构简要示意。
图2是低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器的传输响应。
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。
本发明提出的低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器的结构如图1所示。主要的功能结构分为三部分，第一部分为输入输出波导，其中输入信道数为1，输出信道数为32，由条形波导组成；第二部分为由罗兰圆组成的自由传播区平板波导，由两个相切的圆组成，同时大圆的半径为小圆的两倍；第三部分为阵列波导区域，在这一部分为在整个器件中传输的光信号引入至关重要的时延，并在第二个罗兰圆内部发生干涉，完成波分复用。
阵列波导由一组具有相同长度差的条形波导阵列组成，根据计算公式可以得到这一固定长度差应为：
Figure BDA0003001029830000041
m为衍射阶数，λ0为波分复用器的设计中心波长，nc为阵列波导的模式有效折射率，本次设计全部使用波导的TE0基模。同时根据波导模式匹配的基本原理，若连接处波导的宽度发生急剧变化，则会产生模式失配，许多高阶模式被激发，导致相位误差被引入。因此在条形波导和自由传播区波导的连接处引入了抛物线锥形波导，从而拓宽波导宽度，降低两种波导的折射率差，减少相位误差的引入。
整体设计中最关键的参数是衍射阶数m以及罗兰圆半径R，根据以下公式：
Figure BDA0003001029830000042
Figure BDA0003001029830000043
其中dio为输入输出波导间距，ns为平板波导模式有效折射率，dg为阵列波导间距，△λ为信道间隔，Nch为输出信道数。本次设计中输出波导间距采用2.9μm，阵列波导间距为0.6μm，阵列波导宽度为0.3μm，衍射阶数m为9，罗兰圆半径为311μm。此时根据这些参数，验证由不均匀度而来的半径限制：
Figure BDA0003001029830000044
其中θ0为高斯远场等效宽度，Lu为不均匀度参数。根据以上设置的参数，以上条件满足。为降低所设计的阵列波导光栅波分复用器的串扰，我们采用通过下降低信道占空比的方式实现，信道的L dB带宽可以通过下式计算：
Figure BDA0003001029830000051
可以看到wg减小时，L会提高。此外我们将信道的降低信道占空比定义为：
Figure BDA0003001029830000052
通过压缩模场面积，△λL会不断减小，使得γ逐步变小，实现串扰不断降低。。基于此，我们将阵列波导的宽度设置为0.3μm，同时为了尽可能的降低损耗，阵列波导的数量必须足够多，从而更多的能量可以耦合进入其中。阵列波导的最少数量可以根据下式计算：
Figure BDA0003001029830000053
其中，w0为输入波导的模场等效宽度。根据计算，我们将阵列波导的数量设置为550。在输入输出波导处采用的抛物线锥形波导并由此设计将条形窄波导拓宽，并因此降低了其与平板波导的模式有效折射率差，从而降低了相位误差的引入。
结合整体抛物线锥形优化以及压缩阵列波导模场面积等操作后，由所设置参数进行仿真实验，并分析最终的传输响应，结果如图2所示；最小相邻信道串扰低于-20dB，最大插入损耗低于6.5dB。
综合以上陈述，本发明具有如下特征：1、使用阵列波导光栅结构实现100GHz信道间隔，32信道输出的波分复用器；2、通过压缩模场面积降低信道占空比，从而降低整体波分复用器的信道串扰。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，光信号链路由以下硅基器件输入波导(1)，第一罗兰圆(2)，阵列波导(3)，第二罗兰圆(4)以及输出波导(5)顺次连接组成；输入波导(1)具有1个端口；输出波导(5)具有32个端口；阵列波导(3)由550个具有相等长度差△L、呈抛物线锥形的条形波导阵列组成。
2.根据权利要求1所述的低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，所述32个端口的输出波导(5)之间的间距为2.9μm；所述阵列波导(3)的550个条形波导中相邻两个波导之间的间距为0.6μm，每个波导的宽度为0.3μm，衍射阶数m为9。
3.根据权利要求1或2所述的低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，整体设计功能实现32信道，100GHz信道间隔输出。
4.根据权利要求3所述的低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器，其特征在于，通过压缩阵列波导的模场光斑面积，避免阵列波导处产生模式耦合，降低信道占空比，实现低串扰的波分复用/解复用。
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