CN113589429A - 一种基于辅助波导的阵列波导光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于辅助波导的阵列波导光栅，包括输入信道波导、平板波导、阵列波导、输出信道波导，在阵列波导与其相邻的平板波导之间分别加入辅助波导，阵列波导数目范围为10～20，阵列波导间距do在5～10μm范围内取值，输入/输出波导间距di在5～12μm取值，衍射级数在8～20之间取值，所述辅助波导的长度L为300μm～500μm，输入端宽度Win＝do‑width，输出端宽度Wout为0.1～3μm。本发明的阵列波导光栅，使光从平板波导进入阵列波导时更好地衍射，减少了由于模式失配所产生的损耗，降低了阵列波导光栅的插入损耗，并在一定程度上增加带宽，且不增加器件尺寸。

Description

一种基于辅助波导的阵列波导光栅
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于辅助波导的阵列波导光栅。
背景技术
随着全球通信业务量的迅速增长，高速大容量的宽带光网络技术得到了飞速发展。采用波分复用(Wavelength Division Multiplexing,简称为WDM)技术可以大幅度增加光纤通信系统容量、实现多功能的全光网络技术，展现了巨大的潜力，是目前光通信领域的主要研究方向。
阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating,简称为AWG)作为典型的波分复用器件，具有结构紧凑、可靠性高、易与光放大器、半导体激光器等有源器件结合实现单片集成等优势，在WDM系统中具有广泛的应用，占据了绝对优势。
作为硅基集成高速光通信收发系统中的核心器件，阵列波导光栅中波导之间的耦合会影响整个系统的集成度和通信效果。在输入信道波导和平板波导、阵列波导和平板波导、输出信道波导和平板波导之间，若不加入相应的过渡结构，光会发生突变，经过反射和散射的变化从而增加器件的耦合损耗。因此，本发明引入了一种辅助波导以降低阵列波导光栅的插入损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于辅助波导的阵列波导光栅，降低阵列波导光栅的插入损耗。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种基于辅助波导的阵列波导光栅，包括输入信道波导、平板波导、阵列波导和输出信道波导，其特征在于，在阵列波导与其相邻的平板波导之间分别加入辅助波导，阵列波导数目范围为10～20，阵列波导间距do在5～10μm范围内取值，输入/输出波导间距di在5～12μm取值，衍射级数在8～20之间取值，所述辅助波导的长度L为300μm～500μm，输入端宽度Win＝do-width，输出端宽度Wout为0.1～3μm。
进一步地，上述的基于辅助波导的阵列波导光栅，包括一个输入信道和四个输出信道。
进一步地，上述的基于辅助波导的阵列波导光栅，所述的输入信道波导、平板波导、阵列波导、输出信道波导和辅助波导通过平面光波导技术集成在同一平面上。
进一步地，上述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其衬底为硅。
进一步地，上述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其波导芯和包层的二氧化硅相对折射率差Δn＝1.5％。
进一步地，上述的基于辅助波导的阵列波导光栅，矩形波导芯的宽度width和厚度height分别与平板波导的芯层的厚度相同。
进一步地，上述的基于辅助波导的阵列波导光栅，所述的平板波导为芯层大小4.5μm×4.5μm的埋入型波导。
进一步地，上述的基于辅助波导的阵列波导光栅，阵列波导间距do＝8μm，辅助波导一端宽度Win＝3.5μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的阵列波导光栅，在相邻阵列波导中添加了辅助波导，分析了辅助波导宽度和长度对插入损耗的影响，设计了辅助波导的排列结构和参数设置，对四通道阵列波导光栅的性能进行了优化，使光从平板波导进入阵列波导时更好地衍射，减少了由于模式失配所产生的损耗，降低了阵列波导光栅的插入损耗，并在一定程度上增加带宽，且不增加器件尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的阵列波导光栅的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的平板波导的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的辅助波导的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的辅助波导宽度Wout与插入损耗的影响。
图5为本发明实施例提供的辅助波导长度L与插入损耗的影响。
附图标记说明：
1、输入信道波导，2、平板波导，3、阵列波导，4、输出信道波导，5、辅助波导。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。本文使用的术语“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”装置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或装置被分离。同样，本文使用的术语“直接耦合”或“直接光耦合”是指没有中间装置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。
如图1所示，本发明提供一种基于辅助波导的阵列波导光栅，包括输入信道波导1、平板波导2、阵列波导3和输出信道波导4，具体为一个输入信道和四个输出信道，在阵列波导3与其相邻的平板波导2之间分别加入辅助波导5，所述的输入信道波导1、平板波导2、阵列波导3、输出信道波导4和辅助波导5通过平面光波导技术(Planner Lightwave Circuit,简称为PLC)集成在同一平面上。
其中，阵列波导光栅的信道中心波长间隔为20nm，例如，信道中心波长分别为1271nm、1291nm、1311nm和1331nm。
在本发明实施例中，四通道AWG选取衬底为硅，波导芯和包层的二氧化硅相对折射率差Δn＝1.5％，令矩形波导芯的宽度width、厚度height和平板波导的芯层厚度相同，芯层的大小是4.5μm×4.5μm的埋入型波导，即输入信道波导、输出信道波导、阵列波导的芯层尺寸是4.5μm×4.5μm，过渡波导的高度与矩形波导芯的高度相同。阵列波导数目范围为10～20，阵列波导间距do在5～10μm范围内取值，输入/输出波导间距di在5～12μm取值，衍射级数在8～20之间取值。
在AWG中，当光从平板波导耦合进入阵列波导时，平板波导末端的光电场分布是连续的，但是在进入阵列波导时变成散射的光电场分布，此处会产生模场失配损耗。
为了减少由于平板波导和阵列波导之间模场失配造成的耦合损耗，我们设计一种辅助波导添加于相邻阵列波导之间，如图2和图3所示。所述辅助波导的厚度与平板波导和阵列波导的厚度相同，即为height，与平板波导相连的辅助波导宽度为Win，另一端宽度为Wout，辅助波导的长度为L。一部分从平板波导输出的光会耦合进入辅助波导，然而当辅助波导的宽度减小时，辅助波导对于光场的限制作用开始减弱，被限制在辅助波导中的光会泄漏出来，耦合进入相邻的阵列波导中。
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，由于我们确定了波导的材料为二氧化硅，接下来，我们通过控制辅助波导的尺寸来控制有效折射率的变化，从而降低器件的插入损耗。
为了减小阵列波导中衍射造成的光功率泄漏，我们研究了当阵列波导间距do＝8μm，辅助波导一端宽度Win＝do-width＝3.5μm时，辅助波导另一端宽度Wout对插入损耗的影响。
如图4所示，辅助波导可以有效降低AWG的插入损耗，且模场转换损耗随着辅助波导尖端宽度Wout的减小而减小。当Wout为0.1～3μm时，插入损耗维持在1.5dB左右，这是因为辅助波导尖端宽度Wout越小，其有效折射率逐渐接近包层的有效折射率，光逐渐耦合进入阵列波导中。但随着辅助波导宽度Wout的增加，插入损耗显著提高。在本发明中，为了考虑工艺制备条件，我们选择辅助波导尖端宽度Wout在1μm～3μm之间。
图5还显示了辅助波导的长度L对插入损耗的影响。随着辅助波导长度L的增加，模式转换损耗都随着辅助波导的长度的增加而减小，插入损耗在400μm附近达到最小值1.2dB左右。然而当辅助波导的长度大于400μm时，其模式转换损耗基本保持不变，也就是说辅助波导中的光场基本上都耦合到阵列波导中。在本发明中，为了保证插入损耗比较小，我们将辅助波导的长度L设计在300μm～500μm之间。
本发明设计了一种基于辅助波导的四通道阵列波导光栅，在相邻阵列波导之间添加了辅助波导，分析了辅助波导宽度和长度对插入损耗的影响，设计了辅助波导的排列结构和参数设置，对四通道阵列波导光栅的性能进行了优化，使光从平板波导进入阵列波导时更好地衍射，减少了由于模式失配所产生的损耗，降低了阵列波导光栅的插入损耗，并在一定程度上增加带宽，且不增加器件尺寸。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于辅助波导的阵列波导光栅，包括输入信道波导、平板波导、阵列波导和输出信道波导，其特征在于，在阵列波导与其相邻的平板波导之间分别加入辅助波导，阵列波导数目范围为10～20，阵列波导间距do在5～10μm范围内取值，输入/输出波导间距di在5～12μm取值，衍射级数在8～20之间取值，所述辅助波导的长度L为300μm～500μm，输入端宽度Win＝do-width，输出端宽度Wout为0.1～3μm。
2.根据权利要求1所述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其特征在于，包括一个输入信道和四个输出信道。
3.根据权利要求1所述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其特征在于，输入信道波导、平板波导、阵列波导、输出信道波导和辅助波导通过平面光波导技术集成在同一平面上。
4.根据权利要求1所述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其特征在于，其衬底为硅。
5.根据权利要求1所述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其特征在于，其波导芯和包层的二氧化硅相对折射率差Δn＝1.5％。
6.根据权利要求1所述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其特征在于，矩形波导芯的宽度width和厚度height分别与平板波导的芯层的厚度相同。
7.根据权利要求1所述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其特征在于，所述的平板波导为芯层大小4.5μm×4.5μm的埋入型波导。
8.根据权利要求1所述的基于辅助波导的阵列波导光栅，其特征在于，阵列波导间距do＝8μm，辅助波导一端宽度Win＝3.5μm。
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