CN1160894C - 基于绝缘体上的硅（soi）材料的全内反射型阵列波导光栅器件及制法 - Google Patents

Abstract

基于SOI材料的全内反射型阵列波导光栅器件及制法，包含输入输出波导、输入输出平板波导，特点是在输入输出平板波导之间依次是弧形过渡连接波导、阵列直波导、全内反射波导、阵列直波导、弧形过渡连接波导，输入输出波导的轴线相垂直。制法是根据确定的参数，以TE、TM模相位差的2π整数倍来确定阵列波导所需长度和全内反射角，采用基本硅器件制作工艺制作。本器件结构紧凑、尺寸小、对TE、TM模偏振不敏感。

Description

基于绝缘体上的硅(SOI)材料的 全内反射型阵列波导光栅器件及制法

技术领域

本发明涉及一种波分复用器件，特别是一种阵列波导光栅器件及其制法。

背景技术

阵列波导光栅(AWG)器件是一种无源光波导器件，它除了具有复用和解复用的基本功能外，还能和其它器件构成波长路由器、光分插复用器、多波长光源、多波长接收器、光谱分析仪等等，在光纤通信和波分复用系统中起着重要的作用，制作AWG器件的常用材料有二氧化硅SiO₂、绝缘体上的硅SOI(Silicon-on-Insulator)、磷化铟、有机聚合物等。SOI材料是一种非常实用的材料，它的制作工艺与微电子工艺兼容，材料成本低，具有广泛的应用前景。目前，采用SOI材料的AWG器件，一般为弱限制器件，由于波导曲率半径较大，结构不紧凑，使整个器件尺寸较大，如1×4路的AWG器件，一般在30毫米×30毫米量级；弯曲波导部分较长，产生的附加损耗较大；TE、TM模偏振补偿的效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用SOI材料的结构紧凑、尺寸小，TE、TM模偏振不敏感的全内反射型阵列波导光栅器件及其制法。

本发明的目的是通过下述措施实现的：包含输入波导、输入平板波导、输出平板波导、输出波导，特征是在输入平板波导和输出平板波导之间依次设置弧形过渡连接波导、阵列直波导、全内反射波导、阵列直波导、弧形过渡连接波导，并依次连接，弧形过渡连接波导与输入平板波导连接，另一弧形过渡连接波导与输出平板波导连接，输入输出波导的轴线相互垂直。

所述2个阵列直波导通过全内反射波导的连接，从外侧阵列波导到内侧阵列波导构成的交角，依次增大，最中间一对直波导相互垂直。所述全内反射波导是采用湿法腐蚀反射凹槽来实现，靠近波导侧的全内反射镜面。

一种制造基于绝缘体上的硅(SOI)材料的全内反射型阵列波导光栅器件的方法，其步骤是：

1)确定输入波导、输出波导的路数；

2)确定输入平板波导、输出平板波导的半径；

3)确定阵列波导的路数m(m为奇数)及其相邻阵列波导的长度差ΔL；

4)根据相位相差2π的整数倍的相邻干涉级干涉效果相同的原理，以TE、TM模从输入平板波导与最中间阵列波导的接口处到输出平板波导与最中间阵列波导的接口处的相位差为2π的整数倍，用φ_iTE-φ_iTM＝2πn式先确定最中间一组直波导所需长度L₀，其中φ_iTE为TE模的相位变化，φ_iTM为TM模的相位变化， ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iTE}}=\frac{2{\mathrm{\πL}}_0}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TE}}}-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{iTE}},$ ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iTM}}=\frac{{2\mathrm{\πL}}_0}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TM}}}-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{iTM}},$ 其中λ_TE、λ_TM分别是TE、TM模在光波导中的波长，δ_iTE、δ_iTM是第i组直波导的TE、TM模在全内反射波导处反射产生的相位变化。其它阵列直波导的长度，从外侧到内侧依次为L_i＝L₀+iΔL，i从-(m-1)/2到(m-1)/2；

5)以TE、TM模从输入平板波导与第i个弧形过渡连接波导的接口处到输出平板波导与第i个弧形过渡连接波导的接口处的相位差为2π的整数倍，并根据几何关系求出阵列直波导的第i个弧形过渡连接波导的长度，直波导的长度和对应的全内反射角θ_i；

6)在每对直波导连接处的外侧确定反射镜凹槽的位置。

7)在(100)面的SOI材料上，利用硅晶体各向腐蚀异性的特点，先湿法腐蚀制作全内反射镜凹槽；

8)采用普通硅器件制作工艺，通过套刻和干法刻蚀制作输入波导、输入平板波导、弧形过渡连接波导、2个交接的阵列直波导、弧形过渡连接波导、输出平板波导、输出波导。

本发明由于在输入输出平板波导之间采用了全内反射波导，并利用全内反射时TE、TM模产生的相位变化不同，进行TE、TM模偏振补偿，使整个器件结构紧凑，尺寸大大减小，如1×4路SOI材料的AWG器件，只有12毫米×12毫米；弯曲波导长度短，附加传输损耗小；TE、TM模产生的偏振偏差可小于0.01纳米。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的一个全内反射波导的放大示意图。

具体实施方式

参照图1、图2，以二氧化硅上的硅结构波导材料即空气/Si/SiO₂制作1×4路的AWG器件为例。绝缘体二氧化硅作为下限制层，上面是一层厚为7微米的硅，采用罗兰圆原理制作出1路输入波导1和4路输出波导9，罗兰圆半径R为2207.64微米的输入平板波导2和输出平板波导8，阵列波导数为25路，相邻波导的长度差ΔL为53.763微米。弧形过渡连接波导3、7，阵列直波导4、6，波导宽均为5微米，刻蚀脊高为3微米的大截面波导，入射光波中心波长为1555.8纳米。阵列波导所需第13路的直波导4和直波导6的长度和的最小值L₀为8268微米。输入波导1与输入平板波导2的输入弧形端面垂直连通的，4路输出波导9与输出平板波导8的输出弧形端面也为垂直连通。输入平板波导2的输出弧形端面与弧形过渡连接波导3的连接处分别相垂直，输出平板波导8的输入弧形端面与弧形过渡连接波导7的连接处也分别相垂直。弧形过渡连接波导3分别与一个直波导4相连接，其连接处相切；弧形过渡连接波导7分别与一个直波导6相连接，其连接处相切。直波导4与直波导6之间通过全内反射波导5按排列依次连接；以其25个连接点的连线为轴，使弧形过渡连接波导3、直波导4与直波导6、弧形过渡连接波导7成轴对称；直波导6与所述轴构成25个交角，外侧的交角小于其内侧的交角，第13个交角是45°，相邻两直波导之间的全内反射角变化约为0.7°。在每对直波导4、6连接处中心的外侧刻蚀全内反射镜凹槽10。

Claims (3)

1、一种基于绝缘体上的硅(SOI)材料的全内反射型阵列波导光栅器件，包含输入波导(1)、输入平板波导(2)、输出平板波导(8)、输出波导(9)，其特征在于：在输入平板波导(2)和输出平板波导(8)之间依次设置弧形过渡连接波导(3)、阵列直波导(4)、全内反射波导(5)、阵列直波导(6)、弧形过渡连接波导(7)，并依次连接，弧形过渡连接波导(3)与输入平板波导(2)连接，弧形过渡连接波导(7)与输出平板波导(8)连接，输入输出波导(1、9)的轴线相互垂直。

2、根据权利要求1所述的基于绝缘体上的硅(SOI)材料的全内反射型阵列波导光栅器件，其特征在于：所述阵列直波导(4、6)通过全内反射波导(5)的连接，从外侧直波导(4、6)到内侧直波导(4、6)构成依次增大的夹角，最中间一对直波导(4、6)相互垂直。

3、一种制造权利要求1所述的基于绝缘体上的硅材料的全内反射型阵列波导光栅器件的方法，其步骤是：

1)确定输入波导、输出波导的路数；

2)确定输入平板波导、输出平板波导的半径；

3)确定阵列波导的路数及其相邻阵列波导的长度差；

4)以TE、TM模从输入平板波导与最中间阵列直波导的接口处到输出平板波导与最中间阵列直波导的接口处的相位差为2π的整数倍，确定最中间一组直波导所需长度；

5)根据弧形过渡连接波导的曲率半径和弦长，求出每一路阵列波导的弧形过渡连接波导弧的长度，直波导的长度和对应的全内反射角；

6)在每对直波导连接处的外侧确定全内反射镜凹槽的位置；

7)在晶面(100)面的绝缘体上的硅材料上，先湿法腐蚀制作全内反射镜凹槽；

8)制作输入波导、输入平板波导、弧形过渡连接波导、2个交接的阵列直波导、弧形过渡连接波导、输出平板波导、输出波导。

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