CN113805271B - 一种均匀信道的阵列波导光栅及其设置方法 - Google Patents

一种均匀信道的阵列波导光栅及其设置方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种均匀信道的阵列波导光栅，包括输入波导端、自由传输区域和输出波导端，所述输入波导端与所述自由传输区域的一端相连，所述自由传输区域的另一端分别与多个所述输出波导端相连，其特征在于，所述自由传输区域划分为若干规则形状单元格，根据DBS成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使位于中心的所述输出波导端和位于边缘的所述输出波导端的远场分布呈平顶型。本发明解决了常规型阵列波导光栅输出信道间插入损耗最大值和最小值之间具有3dB差异的问题。

Description

一种均匀信道的阵列波导光栅及其设置方法
技术领域
本发明涉及平面光波导集成器件技术领域，特别是涉及一种均匀信道的阵列波导光栅及其设置方法。
背景技术
阵列波导光栅(arrayed waveguide grating,简称AWG)和刻蚀衍射光栅(etcheddiffraction grating,简称EDG)是集成光波导光栅波分复用器件最典型的器件。其中，AWG具有集成度高的特点，适合于实现大通道数、窄通道间隔的波分复用。同时具有低成本、高性能的优势，有利于实现大规模生产。然而，由于波导衍射远场呈高斯型，导致AWG其中心信道和边缘信道的插入损耗存在强度差，约为3dB(见图1)。对于光通信系统来说，通常要求信道间的损耗件的不均匀性小于1dB，因此在实际应用中不得不舍弃边缘信道。综上所述，提高AWG通道间的均匀性是十分必要的。
为了克服AWG通道损耗不均匀的问题，主要有以下几种方法：(1)J.C.Chen等人(J.C.Chen,etal,”Waveguide grating routers with greater channel uniformity,”Eletron Lett,vol.33,no.23,pp.1951-9952,1997)在阵列波导输出端增加辅助波导，以改善阵列波导输出端模场分布；(2)K.Takiguchi等人(K.Takiguchi,et al,"Arrayed-waveguide grating with uniform loss properties over the entire range ofwavelength channels,"Opt.Lett.,vol.31,no.4,pp.459-461,2006)利用波前匹配法改变阵列波导输出端的波导形状，以改变单根阵列波导在成像面上的远场分布；(3)现有公开专利CN102902010A给出了将光栅单元阵列按一定角度分布函数变化，以分散光栅单元阵列中各单元输出的光峰值能量在输出波导阵列上的分布。然而以上提高阵列波导光栅各输出信道插入损耗均匀性的技术都是以需要增加额外器件或者增加设计难度为代价，同时还增加了器件制作的难度，降低了器件的其他性能。
发明内容
本发明提供一种均匀信道的阵列波导光栅及其设置方法，解决了常规型阵列波导光栅输出信道间插入损耗最大值和最小值之间具有3dB差异的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种均匀信道的阵列波导光栅，包括输入波导端、自由传输区域和输出波导端，所述输入波导端与所述自由传输区域的一端相连，所述自由传输区域的另一端分别与多个所述输出波导端相连，所述自由传输区域划分为若干规则形状单元格，根据DBS成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使位于中心的所述输出波导端和位于边缘的所述输出波导端的远场分布呈平顶型；其中，所述预设目标函数以所述输出波导端各个信道间的插入损耗在预设波段内接近理想值为目标。
所述规则形状单元格的状态包括打孔状态和非打孔状态。
所述打孔状态是指在所述规则形状单元格的正中心打孔。
所述预设目标函数为
Figure BDA0003250056100000021
其中，i表示波长，Ti,j表示在i波长下输出波导j的传输效率，std()表示平方根函数，mean()表示平均值函数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种均匀信道的阵列波导光栅的设置方法，包括以下步骤：
(1)确定输入波导端的宽度以及输出波导端的数量和宽度；
(2)将自由传输区域划分为若干规则形状单元格；
(3)根据DBS成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使位于中心的所述输出波导端和位于边缘的所述输出波导端的远场分布呈平顶型；所述预设目标函数以所述输出波导端各个信道间的插入损耗在预设波段内接近理想值为目标。
所述步骤(3)中所述规则形状单元格包括打孔状态和非打孔状态。
所述打孔状态是指在所述规则形状单元格的正中心打孔。
所述步骤(3)具体为：根据DBS成像算法和预设目标函数扫描所述自由传输区域中的第k个规则形状单元格，得到第一目标函数值，改变所述第k个规则形状单元格的状态，再根据DBS成像算法和预设目标函数扫描所述第k个规则形状单元格，得到第二目标函数值；将所述第二目标函数值与所述第一目标函数值进行比较，若所述第二目标函数值优于所述第一目标函数值，则保留第k个规则形状单元格的状态，否则将第k个规则单元格恢复原状态，直至扫描所有规则形状单元格。
所述预设目标函数为
Figure BDA0003250056100000022
其中，i表示波长，Ti,j表示在i波长下输出波导j的传输效率，std()表示平方根函数，mean()表示平均值函数。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过将自由传输区划分成若干个形状规则的单元格，并通过DBS算法和预设目标函数来确定每个规则形状单元格的具体状态，使得阵列波导的中心和边缘的远场分布呈现平顶型，从而解决了常规型阵列波导光栅输出信道间插入损耗最大值和最小值之间具有3dB差异的问题。
附图说明
图1是现有技术中常规AWG中高斯型衍射远场分布示意图；
图2是本发明实施方式的AWG中平顶型衍射远场分布示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种均匀信道的阵列波导光栅，如图2所示，包括输入波导端、自由传输区域和输出波导端，所述输入波导端与所述自由传输区域的一端相连，所述自由传输区域的另一端分别与多个所述输出波导端相连，所述自由传输区域划分为若干规则形状单元格，根据DBS成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使位于中心的所述输出波导端和位于边缘的所述输出波导端的远场分布呈平顶型；其中，所述预设目标函数以所述输出波导端各个信道间的插入损耗在1550nm-1580nm内接近理想值1/10为目标。其中，所述预设目标函数为
Figure BDA0003250056100000031
其中，i表示波长，Ti,j表示在i波长下输出波导j的传输效率，std()表示平方根函数，mean()表示平均值函数，1/10表示输出波导端各个信道间传输效率的理想值。
本实施方式中，自由传输区域呈扇形，扇形的圆心处与所述输入波导端相连，扇形的弧线处均匀分布有多个所述输出波导端。该扇形区域被划分为若干规则形状单元格，例如可以是正方形单元格，也可以是正六边形单元格。其中，所述规则形状单元格包括两种状态，分别为：打孔状态和非打孔状态，所述打孔状态是指在所述规则形状单元格的正中心进行打孔，孔的形状可以是圆形，也可以是方形。从图2可以看出自由传输区域中的若干小白点即为打孔状态的规则形状单元格。
由此可见，本申请将自由传输区域划分为若干个形状规则的单元格，通过改变单元格的状态来改变器件局部折射率的分布，从而改变光场分布，最终在输出波导端实现通道损耗均匀的目的。
本发明的实施方式还涉及一种均匀信道的阵列波导光栅的设置方法，通过以下步骤的设置，光在自由传输区域的衍射远场可以呈平顶型，从而解决了常规型阵列波导光栅输出信道间插入损耗最大值和最小值之间具有3dB差异的问题，具体步骤如下：
步骤1：确定输入波导端的宽度以及输出波导端的数量和宽度。
步骤2：将自由传输区域划分为若干规则形状单元格，本实施方式中将自由传输区域划分为若干正方形的单元格，其中，每个正方形的单元格可以包括两种状态，分别为打孔状态和非打孔状态。其中，打孔状态是指，在正方形单元格的中心打有圆形孔。
步骤3：通过DBS算法和预设目标函数来确定每个规则形状单元格的具体状态，使位于中心的所述输出波导端和位于边缘的所述输出波导端的远场分布呈平顶型。具体为：根据DBS成像算法和预设目标函数扫描自由传输区域中的第k个正方形的单元格，此时能够得到一个目标函数值(即第一目标函数值)，该目标函数值即为第k个正方形的单元格未改变状态时得到的目标函数值；改变第k个正方形的单元格的状态，再根据DBS成像算法和预设目标函数扫描自由传输区域中的第k个正方形的单元格，此时能够得到另一个目标函数值(即第二目标函数值)，该目标函数值即为第k个正方形的单元格状态改变后得到的目标函数值；将上述两个函数值进行比较，即第k个正方形的单元格未改变状态时得到的目标函数值与第k个正方形的单元格状态改变后得到的目标函数值进行比较，若第k个正方形的单元格状态改变后得到的目标函数值优于第k个正方形的单元格未改变状态时得到的目标函数值，则保留第k个正方形的单元格的状态，否则将第k个正方形的单元格恢复原状态，重复上述过程直至扫描完自由传输区域中所有的正方形单元格，此时便能得到均匀信道的阵列波导光栅(见图2)。
不难发现，本发明通过将自由传输区划分成若干个形状规则的单元格，并通过DBS算法和预设目标函数来确定每个规则形状单元格的具体状态，使得阵列波导的中心和边缘的远场分布呈现平顶型，从而解决了常规型阵列波导光栅输出信道间插入损耗最大值和最小值之间具有3dB差异的问题。

Claims (7)

1.一种均匀信道的阵列波导光栅，包括输入波导端、自由传输区域和输出波导端，所述输入波导端与所述自由传输区域的一端相连，所述自由传输区域的另一端分别与多个所述输出波导端相连，其特征在于，所述自由传输区域划分为若干规则形状单元格，根据DBS成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使位于中心的所述输出波导端和位于边缘的所述输出波导端的远场分布呈平顶型；其中，所述预设目标函数以所述输出波导端各个信道间的插入损耗在预设波段内接近理想值为目标；所述预设目标函数为
Figure FDA0003864298720000011
其中，i表示波长，Ti,j表示在i波长下输出波导j的传输效率，std()表示平方根函数，mean()表示平均值函数。
2.根据权利要求1所述的均匀信道的阵列波导光栅，其特征在于，所述规则形状单元格的状态包括打孔状态和非打孔状态。
3.根据权利要求2所述的均匀信道的阵列波导光栅，其特征在于，所述打孔状态是指在所述规则形状单元格的正中心打孔。
4.一种均匀信道的阵列波导光栅的设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定输入波导端的宽度以及输出波导端的数量和宽度；
(2)将自由传输区域划分为若干规则形状单元格；
(3)根据DBS成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使位于中心的所述输出波导端和位于边缘的所述输出波导端的远场分布呈平顶型；其中，所述预设目标函数以所述输出波导端各个信道间的插入损耗在预设波段内接近理想值为目标；所述预设目标函数为
Figure FDA0003864298720000012
其中，i表示波长，Ti,j表示在i波长下输出波导j的传输效率，std()表示平方根函数，mean()表示平均值函数。
5.根据权利要求4所述的均匀信道的阵列波导光栅的设置方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述规则形状单元格包括打孔状态和非打孔状态。
6.根据权利要求5所述的均匀信道的阵列波导光栅的设置方法，其特征在于，所述打孔状态是指在所述规则形状单元格的正中心打孔。
7.根据权利要求4所述的均匀信道的阵列波导光栅的设置方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：根据DBS成像算法和预设目标函数扫描所述自由传输区域中的第k个规则形状单元格，得到第一目标函数值，改变所述第k个规则形状单元格的状态，再根据DBS成像算法和预设目标函数扫描所述第k个规则形状单元格，得到第二目标函数值；将所述第二目标函数值与所述第一目标函数值进行比较，若所述第二目标函数值优于所述第一目标函数值，则保留第k个规则形状单元格的状态，否则将第k个规则单元格恢复原状态，直至扫描所有规则形状单元格。
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