CN113985523B - 一种宽带宽阵列波导光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带宽阵列波导光栅，包括阵列波导光栅以及第一波导结构；阵列波导光栅包括依次光路连接的输入波导以及输入平板波导；第一波导结构设于输入波导与输入平板波导之间，第一波导结构包括呈相对设置的初始端以及末尾端，初始端光路连接至输入波导上，末尾端光路连接至输入平板波导上，自初始端朝向末尾端，第一波导结构的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一弧型结构。
Description
技术领域
本发明涉及光电集成领域，特别涉及一种宽带宽阵列波导光栅。
背景技术
波分复用/解复用是将多个波长的光信号合成一束或将不同波长的光信号从一束复合光中分离出来的通信技术，利用这一技术显著地提高了光纤的传输容量，使得人类进入高速的信息时代成为可能。阵列波导光栅是基于罗兰圆原理的具有波分复用和解复用功能的光学器件，主要包括输入波导、输出波导、两个平板波导(自由传播区)和阵列波导五个部分。
传统的阵列波导光栅结构的输出光谱是高斯型，但在实际的通讯过程中，中心波长往往不是理想设计值，中心波长的偏移会导致器件的性能下降，严重影响了通信质量。因此在器件设计时需要提供一个较大的波长偏移容忍度，使得在一定的波长范围内器件的性能不受影响。这就要求阵列波导光栅的输出光谱要实现平坦化的效果。单纯的使用传统的MMI结构实现平坦化的同时会引入较大的串扰和插损，利用多模波导实现平坦化需要波导中的高阶模式足够多，因此波导的尺寸较大，应用范围有限。采用双罗兰圆或者双相位波导等方式设计相对复杂，增加了器件尺寸。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种宽带宽阵列波导光栅，旨在解决平坦化效果不好的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种宽带宽阵列波导光栅，包括：
阵列波导光栅，包括依次光路连接的输入波导以及输入平板波导；以及，
第一波导结构，设于输入波导与输入平板波导之间，第一波导结构包括呈相对设置的初始端以及末尾端，初始端光路连接至输入波导上，末尾端光路连接至输入平板波导上，自初始端朝向末尾端，第一波导结构的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一弧型结构。
可选的，阵列波导光栅还包括依次光路连接的阵列波导以及输出平板波导，阵列波导光路连接至输入平板波导上；
宽带宽阵列波导光栅还包括：
第二波导结构，包括呈相对设置的第一端以及第二端，第二波导结构设置有两个，两个第一端分别光路连接至输入平板波导以及输出平板波导上，两个第二端均光路连接至阵列波导上，自第一端朝向第二端，第二波导结构的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一锥型结构。
可选的，第一波导结构以及第二波导的截面宽度均满足以下关系：
W＝Wi+f(z)·(Wo-Wi)
其中，W为截面宽度，Wi为初始端或者第一端的宽度，Wo为末尾端或者第二端的宽度，f(z)为第一波导结构或者第二波导结构的形状函数，z为第一波导结构或者第二波导结构长度归一化后的值。
可选的，第一波导结构的形状函数f(z)满足以下关系：
f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)
其中，e为数学常数，k值为预设值。
可选的，第二波导结构的形状函数f(z)满足以下关系：
f(z)＝1-(1-z)^2。
可选的，宽带宽阵列波导光栅还包括输出波导，输出波导与输出平板波导光路连接。
可选的，输出波导为多模波导。
可选的，第二波导的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅或者铌酸锂中的任意一种。
可选的，输入波导以及输出波导均包括多个连接端口。
可选的，第一波导的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅或者铌酸锂中的任意一种。
在本发明提供的技术方案中，输入光自输入波导，通过第一波导结构后进入输入平板结构，根据自映像原理，输入光在经过第一波导结构后可以得到两个分开的像，再通过与单模的高斯模场叠加获得平坦化的光谱，可以有效提高阵列波导光栅的带宽，满足了光通信系统中的需求。
附图说明
图1为本发明提供的宽带宽阵列波导光栅一实施例的结构示意图图。
图2为本发明中提出的第一波导结构一实施例的结构示意图。
图3为本发明实施例不同的第一波导结构的仿真输出光谱。
图4为本发明中提出的第二波导结构一实施例的结构示意图。
图5为不同输出波导宽度下的有效折射率曲线。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 1 | 输入波导 | 7 | 第二波导结构 |
| 2 | 输入平板波导 | W1 | 初始端 |
| 3 | 阵列波导 | W2 | 末尾端 |
| 4 | 输出平板波导 | W3 | 第一端 |
| 5 | 输出波导 | W4 | 第二端 |
| 6 | 第一波导结构 |
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种宽带宽阵列波导光栅，包括阵列波导光栅以及第一波导结构6；阵列波导光栅包括依次光路连接的输入波导1以及输入平板波导2；第一波导结构6设于输入波导1与输入平板波导2之间，第一波导结构6包括呈相对设置的初始端W1以及末尾端W2，初始端W1光路连接至输入波导1上，末尾端W2光路连接至输入平板波导2上，自初始端W1朝向末尾端W2，第一波导结构6的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一弧型结构。
在本发明提供的技术方案中，输入光自输入波导1，通过第一波导结构6后进入输入平板结构2，根据自映像原理，输入光在经过第一波导结构6后可以得到两个分开的像，再通过与单模的高斯模场叠加获得平坦化的光谱，可以有效提高阵列波导光栅的带宽，满足了光通信系统中的需求。
进一步的，阵列波导光栅还包括依次光路连接的阵列波导3以及输出平板波导4，阵列波导3光路连接至输入平板波导2上；宽带宽阵列波导光栅还包括第二波导结构7，第二波导结构7包括呈相对设置的第一端W3以及第二端W4，第二波导结构7设置有两个，两个第一端W3分别光路连接至输入平板波导2以及输出平板波导4上，两个第二端W4均光路连接至阵列波导3上，自第一端W3朝向第二端W4，第二波导结构7的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一锥型结构。
在本实施例中，阵列波导3分别与输入平板波导2和输出平板波导4连接处引入第二波导结构7，第二波导结构7呈锥形波导结构，可以减小过渡损耗。
进一步的，第一波导结构6以及第二波导结构7的截面宽度均满足以下关系：
W＝Wi+f(z)·(Wo-Wi)
其中，W为截面宽度，Wi为初始端或者第一端的宽度，Wo为末尾端或者第二端的宽度，f(z)为第一波导结构或者第二波导结构的形状函数，z为第一波导结构或者第二波导结构长度归一化后的值。
具体的，第一波导结构6的形状函数f(z)满足以下关系：
f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)
其中，e为数学常数，k值为预设值。使得第一波导结构6形成曲线型多模干涉展宽波导结构，形成指数型变化。
同样的，第二波导结构7的形状函数f(z)满足以下关系：
f(z)＝1-(1-z)^2。
使得第二波导结构7形成曲线型展宽的锥形波导结构，形成抛物线性变化。
进一步的，宽带宽阵列波导光栅还包括输出波导5，输出波导5与输出平板波导4光路连接。对输出波导5进行展宽，可以激发出若干个高阶模式，进一步加强平坦化效果。
在本实施例中，输出波导5为多模波导。采用多模波导，通过多个模式的叠加，进一步加强平坦化效果，从而增加阵列波导光栅的带宽。
另外，需要说明的是，第二波导结构7的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅或者铌酸锂中的任意一种。
另一方面，输入波导1以及输出波导5均包括多个连接端口。
同样的，第一波导结构的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅或者铌酸锂中的任意一种。
基于上述宽带宽阵列波导光栅，本发明提供一具体实施例。
如图1所示一种宽带宽阵列波导光栅，结构基于2％折射率差的硅基底二氧化硅波导，包层折射率为1.447，芯层折射率为1.47653，本实施例以18的阵列波导光栅为例，中心波长为1291.1nm。
器件整体由输入波导1、输入平板波导2、阵列波导3、输出平板波导4以及输出波导5依次连接构成。包含有多个波长光信号的复合光由输入波导1入射，经输入平板波导2发散后进入阵列波导3，由于阵列波导3存在固定的相位差，不同波长的光经过输出平板波导4后汇聚到不同的输出波导端口5。
输入波导1在与输入平板波导2连接处之间采用第一波导结构6，即曲线型多模干涉展宽波导结构，如图2所示，其中初始端W1＝4μm，末尾端W2＝14.2μm，长度L1＝150μm，形状函数中的k值取-4。根据自映像原理，输入光在经过第一波导结构6后可以得到两个分开的像，再通过与单模的高斯模场叠加获得平坦化的光谱。
图3为不同的指数型多模干涉展宽波导结构的仿真输出光谱，结果显示，通过调节输入波导末端指数型波导结构的变化形状，可以实现平坦化的效果。
阵列波导3与输入以及输出平板波导连接处之间引入第二波导结构7，即抛物线型展宽的锥形波导结构，如图4所示，第一端W3＝4μm，第二端W4＝5μm，长度L2＝50μm，形状函数中的k值取2。
同时也对输出波导5进行展宽，不同输出波导5宽度下的有效折射率曲线如图5所示，可以看出，当波导宽度为7μm时，波导中可以存在两个模式，通过叠加可以进一步加强平坦化效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种宽带宽阵列波导光栅，其特征在于，包括：
阵列波导光栅，包括依次光路连接的输入波导以及输入平板波导；以及，
第一波导结构，设于所述输入波导与所述输入平板波导之间，所述第一波导结构包括呈相对设置的初始端以及末尾端，所述初始端光路连接至所述输入波导上，所述末尾端光路连接至所述输入平板波导上，自所述初始端朝向所述末尾端，所述第一波导结构的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一弧型结构；
所述阵列波导光栅还包括依次光路连接的阵列波导以及输出平板波导，所述阵列波导光路连接至所述输入平板波导上；
所述宽带宽阵列波导光栅还包括：第二波导结构，包括呈相对设置的第一端以及第二端，所述第二波导结构设置有两个，两个所述第一端分别光路连接至所述输入平板波导以及所述输出平板波导上，两个所述第二端均光路连接至所述阵列波导上，自所述第一端朝向所述第二端，所述第二波导结构的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一锥型结构；
所述第一波导结构以及所述第二波导结构的截面宽度均满足以下关系：
W＝Wi+f(z)·(Wo-Wi)
其中，W为所述截面宽度，Wi为所述初始端或者所述第一端的宽度，Wo为所述末尾端或者所述第二端的宽度，f(z)为所述第一波导结构或者所述第二波导结构的形状函数，z为所述第一波导结构或者所述第二波导结构长度归一化后的值；
所述第一波导结构的形状函数f(z)满足以下关系：
f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)
其中，e为数学常数，k值为预设值；
所述第二波导结构的形状函数f(z)满足以下关系：
f(z)＝1-(1-z)^2；
所述宽带宽阵列波导光栅还包括输出波导，所述输出波导与所述输出平板波导光路连接。
2.如权利要求1所述的宽带宽阵列波导光栅，其特征在于，所述输出波导为多模波导。
3.如权利要求1所述的宽带宽阵列波导光栅，其特征在于，所述第二波导结构的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅或者铌酸锂中的任意一种。
4.如权利要求1所述的宽带宽阵列波导光栅，其特征在于，所述输入波导以及所述输出波导均包括多个连接端口。
5.如权利要求1所述的宽带宽阵列波导光栅，其特征在于，所述第一波导结构的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅或者铌酸锂中的任意一种。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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