CN113325515B - 一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，包括顺次设置的输入信道波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和输出信道波导；输入信道波导与输入平板波导相连，将包含多个波长的信号光送入输入平板波导，然后将信号光分配并耦合进入阵列波导；阵列波导通过输出平板波导连接输出信道波导。阵列波导中每一路波导分别包括顺次设置的矩形波导、第一狭缝波导耦合器、水平狭缝波导、第二狭缝波导耦合器；阵列波导中相邻两路波导之间具有长度差，对传输的信号光进行相位调制；输出平板波导将具有相位差的信号光进行干涉叠加，输出信道波导输出干涉分离后的不同波长的信号光。本发明实现了AWG版图结构的优化设计，并提高了器件的紧凑性。

Description

一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅。
背景技术
波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)在光通信和集成光学领域有着重要的地位，阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)作为目前综合性能最优的波分复用器件，具有高光谱分辨率、稳定性好、易于片上集成等优点。
为了实现与光源、放大器等的片上集成，对AWG器件结构的紧凑性具有一定要求，但随着AWG分辨率的提高和输出通道数的增加，器件的体积也随之增加，限制了AWG的采用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，以实现AWG版图结构的优化设计，以提高器件的紧凑性。
实现本发明的技术解决方案为：一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，包括顺次设置的输入信道波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和输出信道波导；
输入信道波导与输入平板波导相连，将包含多个波长的信号光送入输入平板波导，输入平板波导将信号光分配并耦合进入阵列波导；所述阵列波导的输出端通过输出平板波导连接输出信道波导。
进一步地，所述阵列波导中每一路波导分别包括顺次设置的矩形波导、第一狭缝波导耦合器、水平狭缝波导、第二狭缝波导耦合器；
阵列波导中相邻两路波导之间具有设定的长度差ΔL，对传输的信号光进行相位调制；输出平板波导用于将阵列波导传输的具有相位差的信号光进行干涉叠加，输出信道波导用于输出干涉分离后的不同波长的信号光。
进一步地，所述输入信道波导与输入平板波导连接处设置有第一锥形耦合结构。
进一步地，所述阵列波导与输入平板波导连接处设置有第二锥形耦合结构。
进一步地，所述阵列波导与输出平板波导连接处设置有第三锥形耦合结构。
进一步地，所述输出信道波导与输出平板波导连接处设置有第四锥形耦合结构。
进一步地，所述第一狭缝波导耦合器用于将矩形阵列波导中的信号光耦合进入水平狭缝波导；所述第二狭缝波导耦合器用于将水平狭缝波导中的信号光耦合进入矩形阵列波导。
进一步地，所述第二狭缝波导耦合器具有锥形耦合结构。
进一步地，所述输入信道波导、输入平板波导、矩形波导、输出平板波导和输出信道波导的波导材料为氮化硅。
进一步地，所述水平狭缝波导中的上、下层折射率区域波导材料为硅，中间狭缝区域波导材料为氮化硅。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用狭缝阵列波导，减小了阵列波中的传输损耗；(2)采用狭缝阵列波导，基于狭缝波导对光的强束缚性，减小了弯曲损耗对器件版图设计的影响，使AWG版图设计更加灵活，提高了器件的紧凑性；(3)采用狭缝阵列波导，使相邻阵列波导之间的长度差ΔL减小，进一步提高了器件的紧凑性；(4)采用倒锥形水平狭缝波导耦合器，可实现矩形波导与水平狭缝波导之间的光耦合。
附图说明
图1为本发明采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅AWG的整体结构图。
图2为水平狭缝阵列波导的横截面结构图。
图3为狭缝波导耦合结构及其侧视图和俯视图。
图4为狭缝波导中基模的模场分布图。
图5为AWG版图设计对比图。
图6为AWG传输特性仿真。
具体实施方式
本发明提出了一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅(Arrayed WaveguideGrating，AWG)，以实现AWG版图结构的优化设计，提高器件的紧凑性。
结合图1，本发明一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，包括顺次设置的输入信道波导101、输入平板波导103、阵列波导106、输出平板波导110和输出信道波导113；
输入信道波导101与输入平板波导103相连，将包含多个波长的信号光送入输入平板波导103，输入平板波导103将信号光分配并耦合进入阵列波导106；所述阵列波导106的输出端通过输出平板波导110连接输出信道波导113。
进一步地，所述阵列波导106中每一路波导分别包括顺次设置的矩形波导114、第一狭缝波导耦合器105、水平狭缝波导107、第二狭缝波导耦合器108；
阵列波导106中相邻两路波导之间具有设定的长度差ΔL，对传输的信号光进行相位调制；输出平板波导110用于将阵列波导106传输的具有相位差的信号光进行干涉叠加，输出信道波导113用于输出干涉分离后的不同波长的信号光。
进一步地，所述输入信道波导101与输入平板波导103连接处设置有第一锥形耦合结构102。
进一步地，所述阵列波导106与输入平板波导103连接处设置有第二锥形耦合结构104。
进一步地，所述阵列波导106与输出平板波导110连接处设置有第三锥形耦合结构109。
进一步地，所述输出信道波导113与输出平板波导110连接处设置有第四锥形耦合结构111。
进一步地，所述第一狭缝波导耦合器105用于将矩形阵列波导114中的信号光耦合进入水平狭缝波导107；所述第二狭缝波导耦合器108用于将水平狭缝波导107中的信号光耦合进入矩形阵列波导114。
进一步地，所述第二狭缝波导耦合器108具有锥形耦合结构。
进一步地，所述输入信道波导101、输入平板波导103、矩形波导114、输出平板波导110和输出信道波导113的波导材料为氮化硅。
进一步地，所述水平狭缝波导107中的上、下层折射率区域波导材料为硅，中间狭缝区域波导材料为氮化硅。
所述AWG中波导包层材料为二氧化硅。
进一步的实施例中，所述AWG工作于2μm波段，更具体的，中心波长为1950nm。
进一步的实施例中，所述AWG光谱分辨率为0.4nm，输出信道数为7，自由光谱范围为2.8nm，阵列波导数为17，相邻阵列波导间的长度差ΔL＝489.9μm，输入/输出平板波导聚焦半径R＝473.0μm。
进一步的实施例中，所述AWG中矩形波导114宽度W1＝1.5μm，厚度H1＝150nm。
进一步的实施例中，所述水平狭缝波导107的波导宽度W2＝700nm，高折射率区域硅波导厚度H2＝220nm，狭缝区域氮化硅波导厚度H1＝150nm。
进一步的实施例中，所述狭缝波导耦合器105/108中倒锥形耦合结构长度Lc＝80μm，硅波导锥尖宽度T1＝50nm，氮化硅波导锥尖宽度W2＝700nm。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，包括输入信道波导101、输入平板波导103、阵列波导106、输出平板波导110和输出信道波导113，所述阵列波导106包括矩形波导114、第一狭缝波导耦合器105、第二狭缝波导耦合器108和水平狭缝波导107，所述输入信道波导101与输入平板波导103连接处具有第一锥形耦合结构102，所述阵列波导106与输入平板波导103连接处具有第二锥形耦合结构104，所述阵列波导106与输出平板波导110连接处具有锥形耦合结构109，所述输出信道波导113与输出平板波导110连接处具有锥形耦合结构111，所述输入信道波导101与输入平板波导103相连，将包含多个波长的信号光送入输入平板波导103，所述输入平板波导103将信号光分配并耦合进入阵列波导106，所述阵列波导106连接输入平板波导103和输出平板波导110，特别地，相邻阵列波导之间具有一定的长度差ΔL，可对其中传输的信号光进行一定的相位调制，所述输出平板波导110用于由阵列波导106传输的具有一定相位差的信号光的干涉叠加，所述输出信道波导113用于输出干涉分离后的不同波长的信号光，所述第一狭缝波导耦合器105用于将矩形阵列波导114中的信号光耦合进入水平狭缝波导107，所述第二狭缝波导耦合器108用于将水平狭缝波导107中的信号光耦合进入矩形阵列波导114。
如图2所示，为水平狭缝阵列波导的横截面结构图。水平狭缝波导的波导宽度W2＝700nm，高折射率区域硅波导厚度H2＝220nm，狭缝区域氮化硅波导厚度H1＝150nm，波导包层为二氧化硅。
如图3所示，为狭缝波导耦合结构及其侧视图和俯视图。狭缝波导耦合器中倒锥形耦合结构长度Lc＝80μm，硅波导锥尖宽度T1＝50nm，氮化硅波导锥尖宽度W2＝700nm
如图4所示，为狭缝波导中基模的模场分布图。
如图5所示，为AWG版图设计对比图。相同的结构参数下，未采用狭缝阵列波导的AWG版图面积为1.35cm×2.35cm，而采用狭缝阵列波导后的AWG版图面积为0.85cm×1.35cm，相比之下，采用狭缝阵列波导后的AWG版图面积减小了三分之二。
如图6所示，为AWG传输特性仿真。
本实施例中，AWG采用狭缝阵列波导，基于狭缝波导对光的强束缚性，减小了阵列波中的传输损耗，减小了弯曲损耗对器件版图设计的影响，使AWG版图设计更加灵活，提高了器件的紧凑性。同时，狭缝阵列波导使相邻阵列波导之间的长度差ΔL减小，进一步提高了器件的紧凑性。此外，本发明提出了一种倒锥形水平狭缝波导耦合器，可实现矩形波导与水平狭缝波导之间的光耦合。图1为本发明(AWG)的整体结构图，图2为水平狭缝阵列波导的横截面结构图，图3为狭缝波导耦合结构及其侧视图和俯视图，图4为狭缝波导中基模的模场分布图，图5为AWG版图设计对比图，图6为AWG传输特性仿真。如图5所示，相同的结构参数下，未采用狭缝阵列波导的AWG版图面积为1.35cm×2.35cm，而采用狭缝阵列波导后的AWG版图面积为0.85cm×1.35cm，相比之下，采用狭缝阵列波导后的AWG版图面积减小了三分之二。
本发明采用狭缝阵列波导，减小了阵列波中的传输损耗；采用狭缝阵列波导，基于狭缝波导对光的强束缚性，减小了弯曲损耗对器件版图设计的影响，使AWG版图设计更加灵活，提高了器件的紧凑性；采用狭缝阵列波导，使相邻阵列波导之间的长度差ΔL减小，进一步提高了器件的紧凑性；采用倒锥形水平狭缝波导耦合器，可实现矩形波导与水平狭缝波导之间的光耦合。

Claims (4)

1.一种采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，其特征在于，包括顺次设置的输入信道波导（101）、输入平板波导（103）、阵列波导（106）、输出平板波导（110）和输出信道波导（113）；
输入信道波导（101）与输入平板波导（103）相连，将包含多个波长的信号光送入输入平板波导（103），输入平板波导（103）将信号光分配并耦合进入阵列波导（106）；所述阵列波导（106）的输出端通过输出平板波导（110）连接输出信道波导（113）；
所述阵列波导（106）中每一路波导分别包括顺次设置的矩形波导（114）、第一狭缝波导耦合器（105）、水平狭缝波导（107）、第二狭缝波导耦合器（108）；
阵列波导（106）中相邻两路波导之间具有设定的长度差ΔL，对传输的信号光进行相位调制；输出平板波导（110）用于将阵列波导（106）传输的具有相位差的信号光进行干涉叠加，输出信道波导（113）用于输出干涉分离后的不同波长的信号光；
所述输入信道波导（101）与输入平板波导（103）连接处设置有第一锥形耦合结构（102）；
所述阵列波导（106）与输入平板波导（103）连接处设置有第二锥形耦合结构（104）；
所述阵列波导（106）与输出平板波导（110）连接处设置有第三锥形耦合结构（109）；
所述输出信道波导（113）与输出平板波导（110）连接处设置有第四锥形耦合结构（111）；
所述第一狭缝波导耦合器（105）用于将矩形波导（114）中的信号光耦合进入水平狭缝波导（107）；所述第二狭缝波导耦合器（108）用于将水平狭缝波导（107）中的信号光耦合进入矩形波导（114）。
2.根据权利要求1 所述的采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，其特征在于，所述第二狭缝波导耦合器（108）具有锥形耦合结构。
3.根据权利要求1 所述的采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，其特征在于，所述输入信道波导（101）、输入平板波导（103）、矩形波导（114）、输出平板波导（110）和输出信道波导（113）的波导材料为氮化硅。
4.根据权利要求1 所述的采用狭缝阵列波导的阵列波导光栅，其特征在于，所述水平狭缝波导（107）中的上、下层折射率区域波导材料为硅，中间狭缝区域波导材料为氮化硅。
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