CN1142650C - 采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件。在波分复用器件输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导，在相邻的波导之间引入空气槽。本发明具有的有益的效果：由于采用锥形结构的渐变波导，同时在相邻的波导之间引入空气槽，通过调整空气槽的宽度，锥形波导的入口宽度，收敛形状等参数的优化，和传统的输出相比，本发明能够用很小的功率代价，使衍射蚀刻光栅具有宽通带、极低串拢等显著改进的频谱响应特性。

Description

采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件

                       技术领域

本发明属于光通信波分复用技术领域，特别是涉及一种具有宽通带、极低串扰的波分复用器件。

                       背景技术

波分复用/解复用技术是现代光纤通信技术的关键技术。波分复用/解复用就是指通过特殊的技术，将不同波长的光合成复合光，以及将复合光中不同波长的光分离出来。波分复用(解复用)器件就是实现波分复用/解复用技术的器件。衍射蚀刻光栅是一种非常典型的集成型波分解复用器件，和其他的波分解复用器相比，衍射蚀刻光栅具有集成度高，体积小，波长分辨率高等优势。另一种典型的集成型波分复用/解复用器件为阵列波导光栅。

典型的蚀刻衍射光栅由输入波导1、自由传播区2、衍射光栅3、输出波导4组成。复合光从输入波导1入射，进入自由传输区2自由发散传播，经过衍射光栅衍射之后，由于光栅不同齿之间存在相位差，再次通过自由传播区2聚焦，将各波长的光聚焦在成像曲面上不同的位置，并由输出波导输出，实现色散功能，即将不同波长的光分离开来，实现波分解复用的功能。传统设计中输出波导的接收部分为直波导。

典型的阵列波导光栅，由输入波导6、自由传输区7、阵列波导8、输出波导9组成。复合光从输入波导6入射，进入自由传输区7自由发散传输，然后耦合到波导阵列8中各条阵列波导，相邻阵列波导存在一定长度差，从而对各波长的光产生不同的位相差，实现光栅的色散功能。经过第二个自由传输区后，不同波长的光会聚于像面上不同点，将输出波导9置于相应的位置，即可将不同波长的光分离出来，实现波分解复用的功能。传统设计中输出波导的接收部分为直波导。

传统设计的波分复用/解复用器(包括衍射蚀刻光栅、阵列波导光栅)的带通是高斯型，这意味着当信道的实际波长偏移设计中心波长时，器件对该信道的传输透过效率将迅速下降。这种很强的波长选择性使得传统的波分复用器件对通信系统中的信道光源波长的精度有非常高的要求。但是在实际情况中，大量的外部因素可能使工作波长发生漂移(包括光源本身的漂移，温漂，折射率变化等等)，这大大的限制了波分复用/解复用器件的应用。

解决波分复用/解复用器件通带平坦化对提高实际系统效率有着巨大的意义和价值。因此，很多方法被提出用来实现波分复用器件频谱平坦化。目前来实现波分复用器件频谱平坦化有如下几种方法：

1)基于输入结构的优化：

如美国专利No.5,706,377.公开的方法是利用Y分支实现频谱平坦化。Y分支中的尖角将增大器件的插损。

2)基于光栅结构的优化：

如美国专利No.5,926,587.公开的方法是利用两个级联光栅的方法实现频谱平坦化。

3)基于输出结构的优化：

如M.R.Amersfoort等人发表的题为“Phased-array wavelengthdemultiplexer with flattened wavelength response”，Electron.lett.，1994，30，(4)，pp.300-302的文章中，采用多模输出波导实现了频谱平坦化，但这种方法只适合于波分复用/解复用器件直接与探测器连接使用的场合。

可以发现，大部分的平坦化设计往往具有较大的功率代价。因此，平坦化所带来的大功率代价对提高器件的整体性能是非常不利的。

                       发明内容

本发明的目的是设计一种在输出波导的入口采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，能够用很小的功率代价，使光栅具有宽通带、极低串拢等显著改进的频谱响应特性。

本发明采用的技术方案如下：

方案1：采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导、自由传播区、衍射光栅、输出波导。在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导，在相邻的波导之间引入空气槽。

1)在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；线性收敛函数曲线的收敛角度θ满足： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W-w}{2l}\right),$ 其中，l为锥形波导长度。

2)空气槽的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

方案2：采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导、自由传播区、衍射光栅、输出波导。在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导，在相邻的波导之间引入空气槽。

1)在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；非线性收敛函数曲线w′(z)＝(W-w)·f(z/l)+w   0≤z≤l，其收敛角度θ满足：θ(z)＝arctan((W-w)·f′(z/l))，其中，l为锥形波导长度。

2)空气槽的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

方案3：采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导、自由传播区、阵列波导、输出波导。在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导，在相邻的波导之间引入空气槽。

1)在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；线性收敛函数曲线的收敛角度θ满足： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W-w}{2l}\right),$ 其中，l为锥形波导长度。

2)空气槽的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

方案4：采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导、自由传播区、阵列波导、输出波导。在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导，在相邻的波导之间引入空气槽。

1)在输出波导的入口采用锥形结构的渐变波导是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；非线性收敛函数曲线w′(z)＝(W-w)·f(z/l)+w  0≤z≤l，其收敛角度θ满足：θ(z)＝arctan((W-w)·f′(z/l))，其中，l为锥形波导长度。

2)空气槽的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

本发明具有的有益的效果：由于采用锥形结构的渐变波导，同时在相邻的波导之间引入空气槽，通过调整空气槽的宽度，锥形波导的入口宽度，收敛形状等参数的优化，和传统的输出相比，本发明能够用很小的功率代价，使波分复用器件具有宽通带、极低串扰等显著改进的频谱响应特性。

                         附图说明

图1是蚀刻衍射光栅结构示意图；

图2是阵列波导光栅结构示意图；

图3是本发明的输出波导部分的结构示意图；

图4是本发明的锥形波导结构示意图；

图5是本发明的空气槽结构示意图；

图6是空气槽消除耦合模拟图(图(a)为加空气槽前，图(b)为加空气槽后)；

图7是传统蚀刻衍射光栅的频谱响应与本发明的频谱响应的比较图(实线为本专利实现的频谱响应，虚线为传统设计的频谱响应，点划线为仅引入锥形波导的频谱响应，点线为仅引入空气槽的频谱响应)。

                         具体实施方式

如图1、图3所示，它包括输入波导1、自由传播区2、衍射光栅3、输出波导4组成，在输出波导4的入口5采用锥形结构的渐变波导11，在相邻的波导之间引入空气槽12。

如图2、图3所示，它包括输入波导6、自由传播区7、阵列波导8、输出波导9组成，在输出波导9的入口10采用锥形结构的渐变波导11，在相邻的波导之间引入空气槽12。

如图3、图4所示，在输出波导9的入口10采用锥形结构的渐变波导11是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：

1)出口宽度w和入口宽度W入为一个固定值，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；

2)线性收敛函数曲线的收敛角度θ满足： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W-w}{2l}\right),$ 其中，l为锥形波导长度。

3)非线性收敛函数曲线w′(z)＝(W-w)·f(z/l)+w  0≤z≤l，其收敛角度θ满足：θ(z)＝arctan((W-w)·f′(z/l))，其中，l为锥形波导长度。

如图3、图5所示：

1)空气槽12的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度；

2)空气槽12的长度b必须大于锥形波导长度l：b＞l。为加工方便，一般取上限为2倍锥形波导长度l：b＜2l。

一、锥形波导结构确定

图3表示了锥形波导的结构示意图，锥形波导的主要参数由入口宽度W、出口宽度w和收缩函数曲线决定。对于线性收敛函数，主要参数为收敛角度θ。

一般，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，为一个固定值。入口宽度W满足：

w≤W≤W_c-a_min    (单位：微米)其中，W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度。

对于线性收敛函数，收敛角度θ满足： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W-w}{2l}\right)$ 其中，l为锥形波导长度。对于非线性的收敛函数 $w^{\′}\left(z\right)=(W-w)\·f\left(\frac{z}{l}\right)+w$ 0≤z≤l，则有： $\mathrm{\θ}\left(z\right)=\mathrm{arctam}((W-w)\·f^{\′}\left(\frac{z}{l}\right))$

对于近似平面波入射，当θ小于一个域值θ_c时，整个锥形结构引入的损耗将小于1dB，域值角度θ_c主要和材料的折射率差有关，折射率差越小，域值角度θ_c也越小。对于二氧化硅材料，一般0°＜θ_c＜1°。

对于非平面波入射也存在一个域值角度。在具体的二氧化硅材料实例中，采用的角度为θ＝arctan(1/250)＝0.2292°。

衍射蚀刻光栅的信道输出间距能够根据调节器件结构方便的改变。对于输入波导宽度一定，较小的间距能够获得较大的有效通带。因此，我们在设计时希望采用较小的信道宽度。

通过对不同锥形结构入口宽度W的分析显示，品质因素和有效带宽比均正比于W，损耗和W呈非线性关系，其在W等于单模波导宽度以及最大容许值附近变化缓慢。因此，在损耗允许的条件下，适当的选取较大的入口宽度。

锥形结构的引入，使得偏离中心成像位置的光场分布能够更多的耦合进输出波导，增加耦合效率；空气槽能够使信道间的耦合效应大大降低(如图6所示)，从而获得极低的信道串扰，两个结构的结合使得器件的频谱响应中心展宽，边缘陡峭。

锥形波导和整个器件的其他波导结构同时完成制作。

二、空气槽的结构确定

由于弱波导之间的耦合现象较为明显，使得密集排列的输出波导之间容易产生较大的串扰(如图6(a)所示)，同时，由于锥形结构的引入更进一步加剧了串扰，使得衍射蚀刻光栅的频谱性能恶化。因此，适当的在相邻波导之间引入空气槽，能够很好的阻止波导间耦合(如图6(b)所示)，降低串扰。

空气槽的原理主要是基于大折射率差波导的高反射性能，其主要为消除信道间由于短距离造成的耦合串扰。研究表明，空气槽的宽度变化对于串扰的影响不大在锥形波导入口宽度以定的情况下，空气槽宽度满足：

a_min≤a≤W_c-W    (单位：微米)其中，a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，对于二氧化硅材料，a_min一般大于2微米。同时，较宽的空气槽有利于实现频谱响应的陡边，因此，往往选取所允许的最大宽度进行设计。

由于空气槽作用主要为降低串绕，因此空气槽的长度必须满足基本消除相邻波导间的耦合效应。对于一般的锥形波导，空气槽长度需要大于锥形波导长度；同时，由于制作方便考虑，一般其上限为2倍锥形波导长度：2l＞b＞l。

三、频谱响应

衍射蚀刻光栅的对某一位置输出波导的频谱响应函数可以表达为： $I=\frac{|{\∫\hat{F}}_{\mathrm{wg}}{E}_{\mathrm{out}}(x,z_c)\mathrm{dx}{|}^2}{\∫E_{\mathrm{in}}\left(x^{\′}\right)\·E_{\mathrm{in}}^{*}\left(x^{\′}\right){\mathrm{dx}}^{\′}}$ 其中，算子

表示输出波导对光栅成像的耦合特性。

由于衍射蚀刻光栅的分光特性决定了在局部波长范围内，输出位置和波长是呈线性变化的。同时假设对于一个信道间隔范围内的波长，其单模横向场分布相同。对于输出波导也为单模波导的传统设计，衍射蚀刻光栅的频谱响应可由重叠积分公式求得： $I\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{{|{\∫E}_{\mathrm{out}}(\mathrm{\λ},x)\·E_{\mathrm{wg}}^{*}(\mathrm{\λ},x)\mathrm{dx}|}^2}{\∫E_{\mathrm{in}}(\mathrm{\λ},x^{\′})\·E_{\mathrm{in}}^{*}(\mathrm{\λ},x^{\′}){\mathrm{dx}}^{\′}\·{\∫E}_{\mathrm{wg}}(\mathrm{\λ},x)\·E_{\mathrm{wg}}^{*}(\mathrm{\λ},x)\mathrm{dx}}$ 其中E_out是光栅在输出面上的场分布，E_in和E_wg分别是输入和输出波导的模场分布函数。当两者相等时，可以进一步得到一个自卷积函数。

对于锥形波导和空气槽设计，可以用波束传播方法模拟光场传输，然后在稳定位置再使用重叠积分计算耦合效率，进而获得频谱响应。

图7是本发明应用于蚀刻衍射光栅实现的平坦化频谱(实线)和普通结构的频谱(虚线)，以及本发明部分结构引入的频谱的比较。该图应用的参数为：

ncore	nclad	波导宽度	工作波长	锥形波导入口宽度	锥形波导长度	空气槽长度	空气槽宽度
								1.4674	1.46	6μm	1.55μm	18μm	2250μm	2500μm	2μm

锥形结构虽然能够增加通带带宽，但同时也引入了很大的串扰(如图7点划线所示)；空气槽能够降低串扰，但是对增加带宽的作用不大(如图7点线所示)。当两者结合之后，1dB带宽增加了47.4％，同时相邻通道的串扰降低了约15dB，达到-50dB左右，满足了密集型波分复用的要求。同时，在对锥形波导结构进行优化之后，本发明引入的功率损耗只有0.65dB，大大低于其他平坦化设计的功率代价。

另外，本发明也适用于其他波分复用器件，如反射式阵列波导光栅等。

Claims (4)

1.采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导(1)、自由传播区(2)、衍射光栅(3)、输出波导(4)，其特征在于：在输出波导(4)的入口(5)采用锥形结构的渐变波导(11)，在相邻的波导之间引入空气槽(12)；

1)在输出波导(4)的入口(5)采用锥形结构的渐变波导(11)是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；线性收敛函数曲线的收敛角度θ满足： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W-w}{2l}\right),$ 其中，l为锥形波导长度；

2)空气槽(12)的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽(12)的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

2.采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导(1)、自由传播区(2)、衍射光栅(3)、输出波导(4)，其特征在于：在输出波导(4)的入口(5)采用锥形结构的渐变波导(11)，在相邻的波导之间引入空气槽(12)；

1)在输出波导(4)的入口(5)采用锥形结构的渐变波导(11)是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；非线性收敛函数曲线w′(z)＝(W-w)·f(z/l)+w   0≤z≤l，其收敛角度θ满足：θ(z)＝arctan((W-w)·f′(z/l))，其中，l为锥形波导长度；

2)空气槽(12)的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽(12)的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

3.采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导(6)、自由传播区(7)、阵列波导(8)、输出波导(9)，其特征在于：在输出波导(9)的入口(10)采用锥形结构的渐变波导(11)，在相邻的波导之间引入空气槽(12)；

1)在输出波导(9)的入口(10)采用锥形结构的渐变波导(11)是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；线性收敛函数曲线的收敛角度θ满足： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{W-w}{2l}\right),$ 其中，l为锥形波导长度；

2)空气槽(12)的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽(12)的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

4.采用空气槽渐变输出波导的通带平坦化波分复用器件，它包括：输入波导(6)、自由传播区(7)、阵列波导(8)、输出波导(9)，其特征在于：在输出波导(9)的入口(10)采用锥形结构的渐变波导(11)，在相邻的波导之间引入空气槽(12)；

1)在输出波导(9)的入口(10)采用锥形结构的渐变波导(11)是由入口宽度W、出口宽度w和收敛函数曲线决定：出口宽度w和入口宽度W为一个固定值，出口宽度w和器件对应的入射波导宽度相同，入口宽度W满足：w≤W≤W_c-a_min，单位为微米，其中W_c为器件相邻信道输出间距，a_min为工艺决定的空气槽最小宽度；非线性收敛函数曲线w′(z)＝(W-w)·f(z/l)+w  0≤z≤l，其收敛角度θ满足：θ(z)＝arctan((W-w)·f′(z/l))，其中，l为锥形波导长度；

2)空气槽(12)的宽度a满足：a_min≤a≤W_c-W，单位为微米，其中a_min为工艺可实现的空气槽最小宽度，空气槽(12)的长度b必须满足消除相邻波导间的耦合效应。

Images