CN114200578B - 一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器 - Google Patents
一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器。输入部分包括N条输入波导、M组1×2耦合器、N+M条AWGR输入波导；输出部分包括(N+M)条AWGR输出波导、M组2×1耦合器、N条输出波导；输入输出完全对称。本发明在传统N×N阵列波导光栅路由器AWGR基础之上，为其中M条边缘通道各增加一条额外的传输通道，并通过M组耦合器组合在一起，以收集边缘通道在另外一个相邻衍射级次上损失的能量，从而在减小边缘通道插入损耗的同时，能够实现所有输入/输出通道的频谱损耗均匀性，具有结构简单，易操作等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域的一种低损耗路由器，特别是涉及了一种基于双衍射级次实现频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器。
背景技术
N×N阵列波导光栅路由器(AWGR)能够同时实现N2路光信号完全无阻塞置换，具有集成度高、传输容量大、抗电磁干扰强、插入损耗小和成本低等优点，被广泛运用于光通信，数据中心，高性能光计算等领域。
为了实现循环频谱响应的特点，AWGR的自由光谱范围(Free Spectral Region,简称FSR)恰好等于通道数目乘以通道间隔。当光信号从同一个输入通道输入时，中心输出通道光信号的能量主要集中在一个衍射级次(m级)上，而边缘通道的能量将分散在两相邻的衍射级次上(m与m-1级或者m与m+1级)，而传统的AWGR一个输出通道只能接收一个衍射级次的能量，最终导致边缘输出通道能量的损失，引起传输频谱损耗差异。理论上，针对AWGR的同一输入通道输入光信号，不同输出通道之间存在固有的约3dB损耗差异。而对于所有输入、输出通道来说，频谱损耗差异将高达6dB左右。
涉及到实际WDM网络的部署时，较大的频谱损耗差异会影响整体的功率预算，使得系统需要更多的功率来保持相同的误码率。因此在WDM波长路由系统中，通常需要各信道间的插入损耗非均匀性小于1dB。
近年来，国内外学者就如何提高阵列波导光栅路由器的损耗非均匀性问题提出了大量研究。一种方法是增大所设计AWGR的通道数，以增大其FSR，然后根据波长路由原理将特定的两个输入/输出波导组合在一起作为新的输入/输出，实现循环频谱响应特性，如日本NTT光子学实验室在报告“Okamoto K,Hasegawa T,Ishida O,et al.32×32arrayed-waveguide grating multiplexer with uniform loss and cyclic frequencycharacteristics[J].Electronics Letters,1997,33(22):1865-1866.”中提出的ULCF(uniform loss and cyclic frequency)型AWG，通过80个通道的FSR实现了32×32的光波长路由器，所有通道的损耗非均匀性为1.2dB。又如国家发明专利(ZL201810495684.5)“滤波器和输入通道级联实现频谱均匀的AWG路由器”，其自由光谱范围大于阵列波导光栅2×N倍通道波长间隔，具有2N-1个输入、输出通道，利用波长路由的特性，将两两输入通道结合在一起，实现了N×N损耗均匀的阵列波导光栅路由器。这种以增大FSR的方法虽然解决了所有输入、输出通道的损耗非均匀性问题，但会浪费大量的通道资源，造成器件尺寸极大。另一种方法是通过调节阵列波导在输出平板波导区的远场分布，使得能量在成像面上均匀分布，如国家发明专利(ZL201810495662.9)“损耗均匀的阵列波导光栅路由器”在阵列波导与输出平板波导区连接处添加模斑转换器的波前匹配法，使得成像面具有平顶效果的远场分布。又如国家发明专利(ZL200510126242.6)“采用损耗微调波导实现阵列波导光栅通道均匀性的方法”是通过在阵列波导光栅的输出波导的末端加入损耗微调波导。再或者如国家发明专利(ZL2012104193432)“信道损耗均匀的波导光栅器件”是通过将阵列波导在输出平板波导区的朝向按照一定分布的角度倾斜，将能量在成像面上重新分布，类似于闪耀光栅的方法来提高AWGR输出信道损耗均匀性。诸如此类的方法通常是以牺牲中心通道的损耗为代价，而且仅能针对同一输入信道实现损耗均匀，整体而言，所有输入、输出信道仍有近3dB的损耗差异。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提供了一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，不牺牲任何信道的传输损耗，在保证低损耗频谱传输的同时，解决了传统阵列波导光栅路由器各信道插入损耗差异较大的问题，实现了所有N×N输入/输出信道的频谱损耗均匀。
本发明在传统N×N阵列波导光栅路由器AWGR基础之上，为M条边缘通道各增加一条额外的传输通道，并通过M组2×1耦合器(或1×2耦合器)组合在一起，以收集边缘通道在另外一个相邻衍射级次上损失的能量，从而在减小边缘通道插入损耗的同时，能够实现所有输入/输出通道的频谱损耗均匀性，具有结构简单，易操作等优点。
本发明采用的技术方案是：
传统型AWGR包括依次连接的输入部分、阵列波导光栅路由器AWGR和输出部分，输入部分包括N条输入波导和N条AWGR输入波导，输出部分包括N条AWGR输出波导和N条输出波导；阵列波导光栅路由器AWGR原有N个输入端口和N个输出端口。N条输入波导输入端接收光信号，N条输入波导输出端分别经N条AWGR输入波导和阵列波导光栅路由器AWGR的N个输入端口连接，N条输出波导输入端分别经N条AWGR输出波导和阵列波导光栅路由器AWGR的N个输出端口连接。
本发明在此基础上增设了：
阵列波导光栅路由器AWGR在两端增设M个输入端口和M个输出端口；
以及输入部分还包括M组1×2耦合器和M条AWGR输入波导，输出部分还包括M条AWGR输出波导和M组2×1耦合器，且其中M≤N；
M组1×2耦合器的输入端分别和原有的M条输入波导的输出端相连接，M组1×2耦合器两个输出端的其中一个分别经原有其中M条AWGR输入波导连接到阵列波导光栅路由器AWGR原有的M个输入端口，M组1×2耦合器两个输出端的另一个分别连接到阵列波导光栅路由器AWGR新增的M个输入端口；
M组2×1耦合器的输出端分别和原有的M条输出波导的输出端相连接，M组2×1耦合器两个输入端的其中一个分别经原有其中M条AWGR输出波导连接到阵列波导光栅路由器AWGR原有的M个输出端口，M组2×1耦合器两个输入端的另一个分别连接到阵列波导光栅路由器AWGR新增的M个输出端口。
所述的M组1×2耦合器的输入端分别和原有N条输入波导中位于两侧边缘位置的M条输入波导的输出端相连接，M组1×2耦合器两个输出端的其中一个分别经原有N条AWGR输入波导中位于两侧边缘位置的M条AWGR输入波导连接到阵列波导光栅路由器AWGR原有N个输入端口中位于两侧边缘位置的M个输入端口；
所述的M组2×1耦合器的输出端分别和原有N条输出波导中位于两侧边缘位置的M条输出波导的输出端相连接，M组2×1耦合器两个输入端的其中一个分别经原有N条AWGR输出波导中位于两侧边缘位置的M条AWGR输出波导连接到阵列波导光栅路由器AWGR原有N个输出端口中位于两侧边缘位置的M个输出端口。
所述阵列波导光栅路由器AWGR新增设的M个输入端口/M个输出端口位于阵列波导光栅路由器AWGR原有的N个输入端口/N个输出端口的两侧。
对于新增加的每条AWGR输出波导，均在阵列波导光栅路由器AWGR原有所连接的位于两侧边缘位置存在一条AWGR输出波导作为配合波导，且配合波导和新增加的一条AWGR输出波导刚好间隔N条AWGR输出波导，该条AWGR输出波导和配合波导形成同一波长在相邻衍射级次下所对应的两条AWGR输出波导，并共同连接到同一2×1耦合器中的两个输入端；
传统阵列波导光栅路由器AWGR在两侧边缘位置的端口会产生传输损耗，本发明通过设置了耦合器和新增的AWGR“输入/输出”波导，能够将两侧边缘的光信号进行分束路由后再合束汇集，收集在另外相邻衍射级次上损失的能量，使得AWGR其中传输过程中依然能保留其他衍射阶次对应的光信号能量，不会减少损耗。
对于新增加的每条AWGR输入波导，均在阵列波导光栅路由器AWGR原有所连接的位于两侧边缘位置的一条AWGR输入波导作为配合波导，且配合波导和新增加的一条AWGR输入波导刚好间隔N条AWGR输入波导，该条AWGR输入波导和配合波导形成同一波长在相邻衍射级次下所对应的两条AWGR输入波导，并共同连接到同一1×2耦合器中的两个输出端。
一个自由光谱范围内N个波长的光信号输入到N条输入波导，进而进入阵列波导光栅AWGR中，位于中间位置的N-M个AWGR输入波导经各自对应的输入波导接收光信号后直接分别输入到阵列波导光栅的N-M个输入端口；除了位于中间位置的N-M个输入波导以外，其余位于两侧边缘位置的M个输入波导输入的光信号经各自所连接的1x2耦合器进行分束，然后两束光分别经各自的AWGR输入波导以等相位进入阵列波导光栅的两个输入端口，两个输入端口在同一波长下对应的衍射级次相邻；
位于中间位置的N-M个AWGR输出波导经各自对应的阵列波导光栅输出端口接收光信号后直接从各自连接的输出波导中输出，；除了位于中间位置的N-M个AWGR输出波导以外，其余位于边缘位置的2M个AWGR输出波导中以间隔为N的两条AWGR输出波导为一组AWGR输出波导，然后每组AWGR输出波导以等相位传输至同一2x1耦合器的两输入端，在2x1耦合器输出端口相长干涉，最后从连接的输出波导中输出。
所述1x2耦合器和2x1耦合器采用分光比为3dB的MMI耦合器。
连接于同一1x2耦合器输出端的两条AWGR输入波导/连接于同一2x1耦合器输入端的两条AWGR输出波导作为两条AWGR衍射补偿波导，两条AWGR衍射补偿波导为同一波长下所对应的相邻衍射级次关系，两条AWGR衍射补偿波导连接的AWGR输入/输出端口对应的衍射角θi/θo满足以下衍射级次关系其中之一：
第一种相邻衍射级次关系：
阵列波导光栅原有的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝mλ
阵列波导光栅新增的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝(m-1)λ
第二种相邻衍射级次关系：
阵列波导光栅原有的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝mλ
阵列波导光栅新增的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝(m+1)λ
其中，Ns为输入/输出平板波导区的等效折射率，Nw为阵列波导的等效折射率，da为阵列波导区中的相邻阵列波导在输入/输出平板波导区的间隔，θi和θo是输入平板波导区和输出平板波导区的衍射角，ΔL是阵列波导区中的相邻阵列波导的长度差，m为衍射级次，λ是真空下光信号的波长。
所述的阵列波导光栅路由器AWGR主要由从输入端口到输出端口依次连接布置的输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区构成，阵列波导区位于输入平板波导区和输出平板波导区之间，并分别连接输入平板波导区和输出平板波导区。
所述的阵列波导光栅路由器AWGR在新增AWGR输入/输出端口前后的自由光谱范围FSR保持一致相同。
光信号在AWGR中心通道和边缘通道传输时，由于能量的分布不同，引起了传统型AWGR的传输频谱损耗差异。具体表现为当光信号在中心信道输出时，能量主要集中在m衍射级次上；当在边缘信道输出时，主要的能量将分散在相邻的两个衍射级次上(m与m-1或m与m+1级次)，而传统AWGR的输出端口只能接收到一个衍射级次的能量，因而造成了不可避免能量损失。
本发明在原传统型N×N阵列波导光栅路由器AWGR的基础之上，在输入输出端口两侧边缘各新增加M条输入、输出端口，与原边缘的M条输入、输出端口属于各自在同一波长下所对应的相邻衍射级次的输入、输出端口，同属两相邻衍射级次的两AWGR输入(或输出)波导之间恰好间隔N条波导，将此两输入(或输出)端口连接至两输入(或输出)波导，再通过1×2耦合器(或2×1耦合器)组合成新的输入、输出波导，即耦合输入、输出波导。因此当在边缘信道输出时，本发明能够将分散在相邻的两个衍射级次上的主要能量干涉耦合起来，以减小边缘输出通道的损耗。输入部分与输出部分完全对称设计，也减少了其他边缘输入通道的传输损耗，从而在保证低损耗传输的同时，实现了所有N×N输入/输出频谱的损耗均匀。本发明适用于基于磷化铟、二氧化硅、SOI、氮化硅、氮氧化硅等各种波导材料的平台。
本发明的有益效果是：
本发明在AWGR输出端将边缘通道具有相邻衍射级次的两光束相干组合在一起，减小了边缘通道的损耗，改善了AWGR的插入损耗特性。
本发明通过输入部分与输出部分对称式设计，不仅减小了边缘输出通道的插入损耗，而且也减小了边缘输入通道的插入损耗，实现了所有输入/输出通道的频谱损耗均匀。
本发明无需复杂的结构设计，就能实现低损耗且频谱损耗均匀的传输性能，具有结构简单，易于实现等特点。
附图说明
图1为传统4×4阵列波导光栅路由器的波长路由装置示意图；
图2为传统4×4阵列波导光栅路由器中心输出通道和边缘输出通道的远场成像图；
图3为本发明4×4阵列波导光栅路由器的波长路由装置示意图；
图4是本发明采用的1×2MMI结构示意图；
图5是本发明的一个4×4阵列波导光栅路由器的实施方式示意图；
图6是传统4×4阵列波导光栅路由器的各信道的传输频谱图；
图7是本发明4×4阵列波导光栅路由器的各信道的传输频谱图。
图中：输入波导(01)、1×2耦合器(02)、AWGR输入波导(03)、阵列波导光栅路由器AWGR(04)、AWGR输出波导(05)、2×1耦合器(06)和输出波导(07)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为传统4×4阵列波导光栅路由器AWGR的波长路由装置示意图，包含四条输入与输出通道(1，2，3，4)。其中λij表示从输入通道i输入的波长为λj的光信号，比如λ12表示从输入通道1输入的λ2信号。
4×4AWGR波长路由器实现了42组完全无阻塞循环寻址波长路由，具体表现为当一组λ11，λ12，λ13，λ14的光信号从输入通道1输入时，将依次从输出通道2，3，4，1输出。从输入通道2输入λ21，λ22，λ23，λ24时，将顺序依次从输出通道1，2，3，4输出。当从输入通道3输入λ31，λ32，λ33，λ34时，将顺序依次从输出通道4，1，2，3输出。当从输入通道4输入λ41，λ42，λ43，λ44时，将顺序依次从输出通道3，4，1，2输出。
如表1所示，阵列波导光栅路由器的波长路由特性基于3个相邻衍射级次而实现。
表1. 4×4 AWGR各输入/输出波长路由分配以及对应衍射级次情况
从本质上讲，阵列波导光栅路由器的输出光谱是单缝衍射和多缝干涉相乘的结果。图2给出了当光信号在中心输入通道输入时，中心输出通道和边缘输出通道的远场成像图，其中实线和虚线分别为中心和边缘输出通道的远场成像图，横坐标表示远场衍射角，纵坐标表示归一化强度。当光信号从中心输出通道输出时，绝大部分能量都能集中在m级次上，因此中心输出通道的理论插入损耗最小。而当光信号从边缘输出通道输出时，光信号的主要能量除了分布在m级次上，还有一部分能量集中在相邻的衍射级次(m-1或m+1级)上，而实际输出波导只能接收m级的能量，因此便会造成边缘通道的能量损失，引起损耗非均匀性问题。本发明通过合理设计，除中心通道以外，有效接收边缘通道在相邻两衍射级次(m-1和m级或m+1和m级)上的能量，实现一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器。
如图3所示，本发明具体实施包括依次连接的输入部分、阵列波导光栅路由器AWGR04和输出部分，输入部分包括N条输入波导01和N条AWGR输入波导03，输出部分包括N条AWGR输出波导05和N条输出波导07。
输入部分还包括M组1×2耦合器02和M条AWGR输入波导03，使得输入部分共计具有(N+M)条AWGR输入波导03；输出部分还包括M条AWGR输出波导05和M组2×1耦合器06，使得输出部分共计具有(N+M)条AWGR输入波导03；且其中M≤N。M的选择可根据实际情况来选择，以实现所有通道低损耗且频谱插入损耗均匀的性能。
以及阵列波导光栅路由器AWGR04在两端增设M个输入端口和M个输出端口；使得阵列波导光栅路由器AWGR04共计具有(N+M)个输入端口和(N+M)个输出端口，(N+M)个输入端口和(N+M)个输出端口按照原有的N个输入端口和N个输出端口之间的路由关系进行传输路由。
从输入部分来看，本发明在原N×N传统型AWGR的N条AWGR输入波导基础之上，在两侧增加共M条AWGR输入波导，共计(N+M)条AWGR输入波导03；从输出部分来看，本发明是在原N×N传统型AWGR的N条AWGR输出波导基础之上，在两侧增加共M条AWGR输出波导，共计(N+M)条AWGR输出波导05。并且，新增加的M条AWGR输入波导与新增加的M条AWGR输出波导在阵列波导光栅路由器AWGR04两端完全对称。
M组1×2耦合器02的输入端分别和原有N条输入波导01中的M条输入波导01的输出端相连接，M组1×2耦合器02两个输出端的其中一个分别经原有N条AWGR输入波导03中的其中M条AWGR输入波导03连接到阵列波导光栅路由器AWGR04原有N个输入端口中的M个输入端口，M组1×2耦合器02两个输出端的另一个分别经波导连接到阵列波导光栅路由器AWGR04新增的M个输入端口；
M组2×1耦合器06的输出端分别和原有N条输出波导07中的M条输出波导07的输出端相连接，M组2×1耦合器06两个输入端的其中一个分别经原有N条AWGR输出波导05中的其中M条AWGR输出波导05连接到阵列波导光栅路由器AWGR04原有N个输出端口中的M个输出端口，M组2×1耦合器06两个输入端的另一个分别经波导连接到阵列波导光栅路由器AWGR04新增的M个输出端口。
M组1×2耦合器02的输入端分别和原有N条输入波导01中位于两侧边缘位置的M条输入波导01的输出端相连接，M组1×2耦合器02两个输出端的其中一个分别经原有N条AWGR输入波导03中位于两侧边缘位置的M条AWGR输入波导03连接到阵列波导光栅路由器AWGR04原有N个输入端口中位于两侧边缘位置的M个输入端口；这样也使得，原有N条AWGR输入波导03中，位于中间的N-M条AWGR输入波导03直接分别和位于中间的N-M条输入波导01、阵列波导光栅路由器AWGR04中位于中间的N-M个输出入端口连接。
M组2×1耦合器06的输出端分别和原有N条输出波导07中位于两侧边缘位置的M条输出波导07的输出端相连接，M组2×1耦合器06两个输入端的其中一个分别经原有N条AWGR输出波导05中位于两侧边缘位置的M条AWGR输出波导05连接到阵列波导光栅路由器AWGR04原有N个输出端口中位于两侧边缘位置的M个输出端口。这样也使得，原有N条AWGR输出波导05中，位于中间的N-M条AWGR输出波导05直接分别和位于中间的N-M条输出波导07、阵列波导光栅路由器AWGR04中位于中间的N-M个输出端口连接。
这样原有N条输入波导01和原有N条AWGR输入波导03中，至少位于最两侧边缘的两条输入波导01和两条AWGR输出波导05是必然连接2×1耦合器06的；同样地，原有N条AWGR输出波导05和原有N条输出波导07中，至少位于最两侧边缘的两条AWGR输出波导05和两条输出波导07是必然连接2×1耦合器06的。
阵列波导光栅路由器AWGR04新增设的M个输入端口/M个输出端口位于阵列波导光栅路由器AWGR04原有的N个输入端口/M个输出端口的两侧。
对于新增加的每条AWGR输出波导05，均在阵列波导光栅路由器AWGR04原有所连接的位于两侧边缘位置的一条AWGR输出波导作为配合波导，且配合波导和新增加的一条AWGR输出波导05刚好间隔N条AWGR输出波导，该条AWGR输出波导05和配合波导形成同一波长在相邻衍射级次下所对应的两条AWGR输出波导，并共同连接到同一2×1耦合器06中的两个输入端；
对于新增加的每条AWGR输入波导03，均在阵列波导光栅路由器AWGR04原有所连接的位于两侧边缘位置的一条AWGR输入波导作为配合波导，且配合波导和新增加的一条AWGR输入波导03刚好间隔N条AWGR输入波导，该条AWGR输入波导03和配合波导形成同一波长在相邻衍射级次下所对应的两条AWGR输入波导，并共同连接到同一1×2耦合器06中的两个输出端。
如图3所示，一个自由光谱范围内N个波长的光信号输入到N条输入波导01，进而进入阵列波导光栅AWGR04中，除了位于中间位置的N-M个输入波导01以外，其余位于两侧边缘位置的M个输入波导01输入的光信号经各自所连接的1x2耦合器02进行分束，然后两束光分别经各自的AWGR输入波导03以等相位进入阵列波导光栅04的两个输入端口，两个输入端口分别为一个新增的端口和原有的端口，两个输入端口对应的在同一波长下的衍射级次相邻，再经阵列波导光栅04波长路由后从阵列波导光栅04的两个输出端口，两个输出端口分别为一个新增的端口和原有的端口，两个输出端口对应的在同一波长下的衍射级次相邻；
位于中间位置的N-M个AWGR输出波导05从对应的阵列波导光栅04输出端口接收光信号后直接从连接的输出波导07中输出，其余位置的N-M个AWGR输出波导05耦合输出的光信号形成M个光信号，每个光信号以对应的两个一组光信号，一组光信号分别耦合至间隔为N的两条AWGR输出波导05上，然后以等相位传输至同一2x1耦合器06的两输入端，在2x1耦合器06输出端口相长干涉，最后从连接的输出波导07中输出。
所述阵列波导光栅路由器AWGR满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝mλ
其中，Ns为输入/输出平板波导区的等效折射率，Nw为阵列波导的等效折射率，da为阵列波导区中的相邻阵列波导在输入/输出平板波导区的间隔，θi和θo是输入平板波导区和输出平板波导区的衍射角，ΔL是阵列波导区中的相邻阵列波导的长度差，λ是真空下光信号的波长。m为衍射级次。
针对同一个通信波段(波长λ＝λ1，λ2，...，λN)内，AWGR各个输入-输出通道总的对应衍射级次有3个，分别为m-1，m，m+1。传统AWGR一个通道只能接收一个衍射级次的能量。
而当光信号从中心通道(对应输入衍射角θi＝θc)输入时，针对同一个通信波段(波长λ＝λ1，λ2，...，λN)内，原AWGR不同输出信道只用到一个衍射级m，即：
Nsda(sinθc+sinθo)+NwΔL＝mλ
其中，θc是输入平板波导区中心通道输入的衍射角，波长λ＝λ1，λ2，...，λN。
所述新增输出端口同样满足该衍射方程，只是使用的衍射级次为相邻衍射级(m-1或m+1)，即当光信号从中心通道(对应输入衍射角θi＝θc)输入时：
Nsda(sinθc+sinθo)+NwΔL＝(m-1)λ
其中，对应的波长λ＝λN+1-M/2，λN+2-M/2，...，λN。
或者当光信号从中心通道(对应输入衍角θi＝θc)输入时：
Nsda(sinθc+sinθo)+NwΔL＝(m+1)λ
其中，波长λ＝λ1，λ2，...，λM/2。
新增输入端口与新增输出端口完全对称。
阵列波导光栅路由器AWGR04主要由从输入端口到输出端口依次连接布置的输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区构成，阵列波导区位于输入平板波导区和输出平板波导区之间，并分别连接输入平板波导区和输出平板波导区。
若阵列波导光栅04新增的该条AWGR衍射补偿波导在靠近阵列波导光栅04中阵列波导区的较长阵列波导一侧布置，则该条AWGR衍射补偿波导的衍射角θo满足：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝(m-1)λ
若阵列波导光栅04新增的该条AWGR衍射补偿波导在靠近阵列波导光栅04中阵列波导区的较短阵列波导一侧布置，则该条AWGR衍射补偿波导的衍射角θo满足：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝(m+1)λ。
阵列波导光栅路由器AWGR04新增AWGR输出波导和AWGR输出波导前后的自由光谱范围FSR保持一致相同。即阵列波导光栅路由器AWGR04自由光谱范围FSR满足如下公式：
FSR＝(λcNw)/(mNg)＝Δλ·N
其中，λc为阵列波导光栅路由器AWGR的中心波长，m为衍射级次，Ng为阵列波导的群折射率，Δλ为阵列波导光栅路由器AWGR中的通道间隔。
本发明的1x2耦合器02和2x1耦合器06具体实施采用分光比为3dB的MMI耦合器，如图4所示，通过调控MMI耦合器的长度Lmmi和宽度Wmmi实现特定的分光比。
图3是本发明实现频谱均匀的4×4阵列波导光栅路由器的波长路由结构示意图。其中λ1，λ2，λ3，λ4为同一自由光谱范围内的信道波长。根据图中所示，给输入波导03、输出波导05与AWGR04相接的输入、输出端口进行编号，端口的位置即为不同信道衍射角所确定的相对位置。确定输入端口2(衍射角θ2)和输入端口3(衍射角θ3)作为中间输入通道，输出端口2(衍射角θ2)和输出端口3(衍射角θ3)作为中间输出通道，由中心通道的角色散确定。
输入端口1(衍射角θ1)和输入端口4(衍射角θ4)为边缘输入通道，输出端口1(衍射角θ1)和输出端口4(衍射角θ4)为边缘输入通道，由光栅衍射方程确定。
本发明具体实施增加输入端口+1和输入端口-1，输出端口+1和输出端口-1。其中输出端口+1和输出端口1，输出端口-1和输出端口4，分别是分布在相邻衍射级次衍射的位置。即输出端口+1(衍射角θ+1)和输出端口1(衍射角θ-1)分别满足光栅衍射方程如下：
Nsda(sinθ2+sinθ+1)+NwΔL＝(m+1)λ1
Nsda(sinθ2+sinθ-1)+NwΔL＝(m-1)λ4
输入端口与输出端口完全对称。
由波长路由结构示意图可知，各输入波导03之间和各输出波导05之间均会有波导交叉的情况，关于交叉波导结构的设计，已经有较多相关研究(包括二维和三维等结构)，此处不作重点讨论。
本发明的实施例如下：
下面给出本发明的一个实施例对本发明作进一步说明。
实施例：设计信道间距为800GHz，中心波长λc为1300.05nm的4×4阵列波导光栅路由器AWGR。选用折射率差Δ为1.5％的二氧化硅(SiO2)平台。传统4×4 AWGR的关键设计参数如表2。
表2.传统4×4 AWGR的关键参数
输入/输出衍射角即对应着AWGR的输入/输出波导。传统4×4 AWGR只有四条输入/输出波导，因此对应四个不同的衍射角。在传统4×4AWGR的设计下，通过高斯近似与傅里叶变换的联合仿真，各输入/输出通道的传输频谱如图6所示，各输出频谱的插入损耗如表3所示。可见光信号在同一输入通道输入下，不同输出通道之间的损耗差异为1.6dB左右，而对于所有16个通道而言，最低的插入损耗为-0.84dB，最大的插入损耗为-4.03dB，总的频谱损耗差异达到3.19dB。
表3.传统4×4AWGR输出频谱的插入损耗(dB)
而如果按照本发明进行设计，参照图3的4×4阵列波导光栅路由器的波长路由示意图，为边缘通道的两条输入(和输出)波导各增加一条额外的输入(和输出)波导，有效收集边缘通道在相邻两个衍射级次的能量，在减小边缘信道插入损耗的同时，能够实现频谱损耗均匀。具体设计参数见表4。
表4.本发明4×4AWGR的设计参数
与表3传统4×4AWGR的参数相比，衍射角为-0.04674和0.04601对应的输入/输出波导为本发明新增加的输入/输出波导。如图3所示，原输入/输出波导#1(包括对应衍射角为-0.02783)，与新增加的输入/输出波导#+1(对应的衍射角为0.04601)通过1×2(或2×1)3dB组合在一起，形成新的输入/输出通道#1，即为耦合输入/输出波导#1；原输入/输出通道#4(衍射角0.02788)与新增加的输入/输出波导#-1(对应的衍射角为-0.04674)通过1×2(或2×1)3dB组合在一起，形成新的输入/输出通道#4，即为耦合输入/输出波导#4。
图5给出了本发明实例具体实施的结构示意图，中间放大区域为交叉波导和MMI的一种布局方式，关于这部分的设计已经有成熟的理论进行优化，可以使交叉波导的插入损耗达到较低的水平，因此在下面的仿真计算中不考虑这部分的插入损耗。
如图7所示为本发明4×4AWGR的传输频谱。对频谱图进行数据提取，得到各信道的插入损耗，如表5。
表5.本发明4×4AWGR输出频谱的插入损耗(dB)
[1]由表5可知，通过本发明的设计，所有通道的最低插入损耗为-0.69dB，最大插入损耗为-0.86dB，最大插入损耗是传统4×4AWGR的近1/5，同时本发明的AWGR损耗差异仅为0.17dB，是传统4×4AWGR损耗差异3.19dB的近5.3％。可见，本发明AWGR阵列波导光栅路由器的插入损耗以及频谱损耗均匀性都得到了明显的改善。
以上结合附图详细描述了本发明一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器的实施方式。注意，以上实施案例是用来解释说明本发明的，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，包括依次连接的输入部分、阵列波导光栅路由器AWGR(04)和输出部分，输入部分包括N条输入波导(01)和N条AWGR输入波导(03)，输出部分包括N条AWGR输出波导(05)和N条输出波导(07)；其特征在于：
阵列波导光栅路由器AWGR(04)在两端增设M个输入端口和M个输出端口；
以及输入部分还包括M组1×2耦合器(02)和M条AWGR输入波导(03)，输出部分还包括M条AWGR输出波导(05)和M组2×1耦合器(06)，且其中M≤N；
M组1×2耦合器(02)的输入端分别和原有的M条输入波导(01)的输出端相连接，M组1×2耦合器(02)两个输出端的其中一个分别经原有其中M条AWGR输入波导(03)连接到阵列波导光栅路由器AWGR(04)原有的M个输入端口，M组1×2耦合器(02)两个输出端的另一个分别连接到阵列波导光栅路由器AWGR(04)新增的M个输入端口；
M组2×1耦合器(06)的输出端分别和原有的M条输出波导(07)的输出端相连接，M组2×1耦合器(06)两个输入端的其中一个分别经原有其中M条AWGR输出波导(05)连接到阵列波导光栅路由器AWGR(04)原有的M个输出端口，M组2×1耦合器(06)两个输入端的另一个分别连接到阵列波导光栅路由器AWGR(04)新增的M个输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：
所述的M组1×2耦合器(02)的输入端分别和原有N条输入波导(01)中位于两侧边缘位置的M条输入波导(01)的输出端相连接，M组1×2耦合器(02)两个输出端的其中一个分别经原有N条AWGR输入波导(03)中位于两侧边缘位置的M条AWGR输入波导(03)连接到阵列波导光栅路由器AWGR(04)原有N个输入端口中位于两侧边缘位置的M个输入端口；
所述的M组2×1耦合器(06)的输出端分别和原有N条输出波导(07)中位于两侧边缘位置的M条输出波导(07)的输出端相连接，M组2×1耦合器(06)两个输入端的其中一个分别经原有N条AWGR输出波导(05)中位于两侧边缘位置的M条AWGR输出波导(05)连接到阵列波导光栅路由器AWGR(04)原有N个输出端口中位于两侧边缘位置的M个输出端口。
3.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：
所述阵列波导光栅路由器AWGR(04)新增设的M个输入端口/M个输出端口位于阵列波导光栅路由器AWGR(04)原有的N个输入端口/N个输出端口的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：
对于新增加的每条AWGR输出波导(05)，均在阵列波导光栅路由器AWGR(04)原有所连接的位于两侧边缘位置存在一条AWGR输出波导作为配合波导，且配合波导和新增加的一条AWGR输出波导(05)刚好间隔N条AWGR输出波导，该条AWGR输出波导(05)和配合波导形成同一波长在相邻衍射级次下所对应的两条AWGR输出波导，并共同连接到同一2×1耦合器(06)中的两个输入端；
对于新增加的每条AWGR输入波导(03)，均在阵列波导光栅路由器AWGR(04)原有所连接的位于两侧边缘位置的一条AWGR输入波导作为配合波导，且配合波导和新增加的一条AWGR输入波导(03)刚好间隔N条AWGR输入波导，该条AWGR输入波导(03)和配合波导形成同一波长在相邻衍射级次下所对应的两条AWGR输入波导，并共同连接到同一1×2耦合器(06)中的两个输出端。
5.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：
一个自由光谱范围内N个波长的光信号输入到N条输入波导(01)，进而进入阵列波导光栅AWGR(04)中，位于中间位置的N-M个AWGR输入波导(03)经各自对应的输入波导(01)接收光信号后直接分别输入到阵列波导光栅(04)的N-M个输入端口；除了位于中间位置的N-M个输入波导(01)以外，其余位于两侧边缘位置的M个输入波导(01)输入的光信号经各自所连接的1x2耦合器(02)进行分束，然后两束光分别经各自的AWGR输入波导(03)以等相位进入阵列波导光栅(04)的两个输入端口，两个输入端口在同一波长下对应的衍射级次相邻；
位于中间位置的N-M个AWGR输出波导(05)经各自对应的阵列波导光栅(04)输出端口接收光信号后直接从各自连接的输出波导(07)中输出，除了位于中间位置的N-M个AWGR输出波导(05)以外，其余位于边缘位置的2M个AWGR输出波导(05)中以间隔为N的两条AWGR输出波导(05)为一组AWGR输出波导，然后每组AWGR输出波导以等相位传输至同一2x1耦合器(06)的两输入端，在2x1耦合器(06)输出端口相长干涉，最后从连接的输出波导(07)中输出。
6.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：所述1x2耦合器(02)和2x1耦合器(06)采用分光比为3dB的MMI耦合器。
7.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：连接于同一1x2耦合器(02)输出端的两条AWGR输入波导(03)/连接于同一2x1耦合器(06)输入端的两条AWGR输出波导(05)作为两条AWGR衍射补偿波导，两条AWGR衍射补偿波导为同一波长下所对应的相邻衍射级次关系，两条AWGR衍射补偿波导连接的AWGR输入/输出端口对应的衍射角θi/θo满足以下衍射级次关系其中之一：
第一种相邻衍射级次关系：
阵列波导光栅(04)原有的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝mλ
阵列波导光栅(04)新增的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝(m-1)λ
第二种相邻衍射级次关系：
阵列波导光栅(04)原有的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝mλ
阵列波导光栅(04)新增的AWGR衍射补偿波导满足以下衍射方程：
Nsda(sinθi+sinθo)+NwΔL＝(m+1)λ
其中，Ns为输入/输出平板波导区的等效折射率，Nw为阵列波导的等效折射率，da为阵列波导区中的相邻阵列波导在输入/输出平板波导区的间隔，θi和θo是输入平板波导区和输出平板波导区的衍射角，ΔL是阵列波导区中的相邻阵列波导的长度差，m为衍射级次，λ是真空下光信号的波长。
8.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：
所述的阵列波导光栅路由器AWGR(04)主要由从输入端口到输出端口依次连接布置的输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区构成，阵列波导区位于输入平板波导区和输出平板波导区之间，并分别连接输入平板波导区和输出平板波导区。
9.根据权利要求1所述的一种具有低损耗且频谱损耗均匀的阵列波导光栅路由器，其特征在于：所述的阵列波导光栅路由器AWGR(04)在新增AWGR输入/输出端口前后的自由光谱范围FSR保持一致相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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