CN113985524B - 一种基于超材料波导的阵列波导光栅 - Google Patents

一种基于超材料波导的阵列波导光栅 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料波导的阵列波导光栅，所述阵列波导光栅包括阵列波导部分、输入平板波导、输出平板波导、输入信道波导、输出信道波导，所述阵列波导部分两端分别与所述输入平板波导和输出平板波导连接，所述输入平板波导末端与所述输入信道波导连接，所述输出平板波导末端与所述输出信道波导连接，所述阵列波导部分包括若干根阵列波导，所述阵列波导为超材料波导，在传统波导的周围周期性地排布亚波长波导得到多层结构，这一结构具有很强的各向异性，这一结构可用作传统波导的包层，使用强各向异性包层包围传统波导，整体形成超材料波导，有效抑制了传统波导的倏逝波及趋肤深度。

Description

一种基于超材料波导的阵列波导光栅
技术领域
本发明涉及光通讯中波分复用技术领域，特别涉及一种基于超材料波导的阵列波导光栅。
背景技术
波分复用技术现已广泛应用于通信系统中，能够在复杂的网络架构中增加容量并且提供更大的灵活性，显著提高数据传输能力。波分复用/解复用器是波分复用系统中的核心器件，阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)具有多通道波长选择功能，近年来已成为商用波分复用系统中的关键组成器件之一。
针对特定的应用需求，随着输出通道数N和输出通道波长间隔
Figure 880819DEST_PATH_IMAGE001
的增加，自由光谱范围(Free Spectral Range, FSR)随之变大，使得相邻阵列波导间的间距减小，AWG阵列波导部分排布更加紧凑，特别是对于硅基AWG器件，相邻阵列波导之间间距较小时，使用常规波导进行排布受到串扰的影响较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超材料波导的阵列波导光栅，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种基于超材料波导的阵列波导光栅，所述阵列波导光栅包括阵列波导部分、输入平板波导、输出平板波导、输入信道波导、输出信道波导，所述阵列波导部分两端分别与所述输入平板波导和输出平板波导连接，所述输入平板波导末端与所述输入信道波导连接，所述输出平板波导末端与所述输出信道波导连接，所述阵列波导部分包括若干根阵列波导，所述阵列波导为超材料波导，所述超材料波导是在传统波导周围周期性排布亚波长波导所构成的波导，所述阵列波导部分中，相邻的所述阵列波导之间的长度差为常数
Figure 616694DEST_PATH_IMAGE003
。
作为优选的，所述常数
Figure 517392DEST_PATH_IMAGE005
，其中m为阵列波导光栅的衍射级数，λ 0 为阵列波导光栅工作的中心波长，
Figure 655112DEST_PATH_IMAGE007
为阵列波导的有效折射率。
作为优选的，所述阵列波导部分两端通过第一过渡波导与所述输入平板波导和输出平板波导连接，所述输入信道波导与输入平板波导间通过第二过渡波导连接，输出信道波导与输出平板波导间通过第三过渡波导连接。
作为优选的，所述超材料波导中，被周期性排布的亚波长波导构成的包层所包围的所述传统波导，包括矩形条波导、脊波导和掩埋波导。
作为优选的，所述阵列波导部分的排布包括矩形、圆形、S形或梯形。
作为优选的，所述第一过渡波导、第二过渡波导、第三过渡波导，包括线型、指数型和抛物线型过渡波导。
作为优选的，所述第二过渡波导直接连接输入信道波导与输入平板波导，实现常规类高斯型的输出频谱响应；或是在第二过渡波导与输入平板波导间加入多模波导，实现平顶型频谱响应。
作为优选的，阵列波导光栅各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅其中一种或多种。
本发明的有益效果：
（1）在传统波导的周围周期性地排布亚波长波导得到多层结构，这一结构具有很强的各向异性，这一结构可用作传统波导的包层，使用强各向异性包层包围传统波导，整体形成超材料波导，有效抑制了传统波导的倏逝波及趋肤深度；
（2）在阵列波导部分中使用超材料波导进行排布，有效降低了相邻阵列波导间的串扰；
（3）使用超材料波导，降低了阵列波导排布时对于相邻波导间距的限制，使得大自由光谱范围FSR条件下的阵列波导光栅AWG排布更加灵活。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例超材料波导俯视图；
图3是本发明实施例超材料波导的示意图；
图4是本发明实施例常规矩形条波导与超材料波导光场耦合情况示意图；
图5是本发明实施例仿真传输透射频谱响应；
图6是本发明实施例阵列波导部分圆形分布示意图；
图1中：1-输入信道波导，2-第二过渡波导，3-输入平板波导，4-第一过渡波导，5-阵列波导部分，6-输出平板波导，7-第三过渡波导，8-输出信道波导。
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了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-6所示，本发明实施例提供一种基于超材料波导的阵列波导光栅，所述阵列波导光栅包括阵列波导部分5、输入平板波导3、输出平板波导6、输入信道波导1、输出信道波导8，所述阵列波导部分5两端分别与所述输入平板波导3和输出平板波导6连接，所述输入平板波导3末端与所述输入信道波导1连接，所述输出平板波导6末端与所述输出信道波导8连接，所述阵列波导部分5包括若干根阵列波导，所述阵列波导为超材料波导，所述超材料波导是在传统波导周围周期性排布亚波长波导所构成的波导，所述阵列波导部分5中，相邻的所述阵列波导之间的长度差为常数
Figure 117317DEST_PATH_IMAGE008
。
所述常数
Figure 606067DEST_PATH_IMAGE009
，其中m为阵列波导光栅的衍射级数，λ 0 为阵列波导光栅工作的中心波长，
Figure 811921DEST_PATH_IMAGE010
为阵列波导的有效折射率。
所述阵列波导部分5两端通过第一过渡波导4与所述输入平板波导3和输出平板波导6连接，所述输入信道波导1与输入平板波导3间通过第二过渡波导2连接，输出信道波导8与输出平板波导6间通过第三过渡波导连接。
所述超材料波导中，被周期性排布的亚波长波导构成的包层所包围的所述传统波导，包括但不限于矩形条波导、脊波导和掩埋波导。
所述的阵列波导部分5的排布包括但不限于矩形（如图1所示）、圆形（如图6所示）、S形和梯形。
所述第一过渡波导4、第二过渡波导2、第三过渡波导7，包括但不限于线型、指数型和抛物线型过渡波导。
所述第二过渡波导2直接连接输入信道波导1与输入平板波导3，实现常规类高斯型的输出频谱响应；或是在第二过渡波导2与输入平板波导3 间加入多模波导，实现平顶型频谱响应。
阵列波导光栅各组成部分的材料包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅其中一种或多种，如图2和图3所示，AWG中波导部分材料为硅，所述AWG外层包层的材料为二氧化硅。
在本实施例中，所述AWG工作于C波段，所述AWG的中心波长为1550nm，所述AWG的第一过渡波导、第二过渡波导以及第三过渡波导均为线型过渡波导，且第一过渡波导的长度
Figure 804148DEST_PATH_IMAGE011
=10um，第二、第三过渡波导的长度
Figure 702834DEST_PATH_IMAGE012
=
Figure 413301DEST_PATH_IMAGE013
=20um，所述AWG的输出通道数为8，各通道间的中心波长间隔为10nm，自由光谱范围为80nm，阵列波导数量为19，输入/输出平板波导聚焦半径R=36.03um，阵列波导部分中，阵列波导间距da=1.5um，相邻阵列波导间的长度差ΔL=6.54um，所述AWG各个组成部分的厚度均为220nm，如图3所示，超材料波导的中心矩形条波导、周期性的亚波长波导厚度均为220nm；如图2所示，所述AWG阵列波导部分中使用的超材料波导，中心矩形条波导宽度
Figure 157266DEST_PATH_IMAGE015
=450nm，包裹在中心条波导周围，周期性排布的亚波长波导宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE017
=50nm，周期性排布的填充材料（空气）宽度
Figure 236955DEST_PATH_IMAGE018
=50nm，周期数为3；如图4所示，为两根相邻0.8um的常规矩形条波导与两根相邻0.8um的超材料波导经过300um的耦合长度后光场耦合情况示意图，由于波导间距较近，光在常规矩形条波导中传输出现耦合；由于超材料波导有效限制了倏逝波的趋肤深度，减少相邻波导间的光模式扰动从而降低串扰，因此光只在主波导中传输；如图5所示：为基于超材料波导的阵列波导光栅在FSR=80nm，阵列波导排布较为密集（相邻阵列波导间距＜0.8um）的条件下的仿真传输透射频谱响应，从透射谱可以直观的看出器件的插入损耗以及串扰性能，即便是阵列波导相邻较近，器件仍有着较低的插入损耗，并且串扰影响也不大。
在本实施例中，AWG的阵列波导部分中，使用超材料波导替代了传统波导，通过在传统波导周围周期性地排布亚波长波导得到多层结构，这一结构具有很强的各向异性，这一结构用作传统波导的包层，能够有效地限制倏逝波和趋肤深度。倏逝波的趋肤深度是波导间串扰的根本原因，当波导中的倏逝波与附近波导重叠时，光模式的扰动会引起波导间的串扰或能量耦合。本发明的阵列波导部分中，在常规矩形条波导周围周期性地排布亚波长波导，构成强各向异性的包层，有效限制了倏逝波的趋肤深度，减少相邻波导间的光模式扰动从而降低串扰，使得在大FSR条件下，AWG的阵列波导部分排布能够更加紧凑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：所述阵列波导光栅包括阵列波导部分(5)、输入平板波导(3)、输出平板波导(6)、输入信道波导(1)、输出信道波导(8)，所述阵列波导部分(5)两端分别与所述输入平板波导(3)和输出平板波导(6)连接，所述输入平板波导(3)末端与所述输入信道波导(1)连接，所述输出平板波导(6)末端与所述输出信道波导(8)连接，所述阵列波导部分(5)包括若干根阵列波导，所述阵列波导为超材料波导，所述超材料波导是在传统波导周围周期性排布亚波长波导所构成的波导，所述阵列波导部分(5)中，相邻的所述阵列波导之间的长度差为常数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
2.如权利要求1所述的一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：所述常数
Figure 303524DEST_PATH_IMAGE002
，其中m为阵列波导光栅的衍射级数，λ 0 为阵列波导光栅工作的中心波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为阵列波导的有效折射率。
3.如权利要求1所述的一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：所述阵列波导部分(5)两端通过第一过渡波导(4)与所述输入平板波导(3)和输出平板波导(6)连接，所述输入信道波导(1)与输入平板波导(3)间通过第二过渡波导(2)连接，输出信道波导(8)与输出平板波导(6)间通过第三过渡波导(7)连接。
4.如权利要求1所述的一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：所述超材料波导中，被周期性排布的亚波长波导构成的包层所包围的所述传统波导，包括矩形条波导、脊波导和掩埋波导。
5.如权利要求1所述的一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：所述阵列波导部分(5)的排布包括矩形、圆形、S形或梯形。
6.如权利要求3所述的一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：所述第一过渡波导(4)、第二过渡波导(2)、第三过渡波导(7)，包括线型、指数型和抛物线型过渡波导。
7.如权利要求3所述的一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：所述第二过渡波导(2)直接连接输入信道波导(1)与输入平板波导(3)，实现常规类高斯型的输出频谱响应；或是在第二过渡波导(2)与输入平板波导(3) 间加入多模波导，实现平顶型频谱响应。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种基于超材料波导的阵列波导光栅，其特征在于：阵列波导光栅各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅其中一种或多种。
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