CN1227548C - 非对称阵列波导光栅器件 - Google Patents

Abstract

一种非对称阵列波导光栅(AWG)器件，其输入耦合器中的自由传输区和阵列波导的接触线是一条经优化的曲线而非圆弧线，从输入波导到阵列波导入口的距离及阵列波导入口宽度和间距是变化的，使得AWG中的每条波导所接收的光能量按一定的规律变化，同时达到最大的总耦合效率，阵列波导的波导长度也经调整使得输出耦合器中的自由传输区和阵列波导的连接处的场分布和预先决定的一致，是个sinc函数除以高斯函数，以获得顶部充分平坦及边沿充分陡峭的通道频谱响应曲线。

Description

非对称阵列波导光栅器件

技术领域

本发明涉及一种非对称阵列波导光栅(AWG)器件，特别涉及一种具有最佳频谱通带响应和最小损耗的非对称阵列波导光栅器件。

背景技术

波分复用(解复用)器件和路由器件是光通信网络中的关键器件，其中，阵列波导光栅(AWG)器件已经被广泛地应用于波分复用(WDM)系统中。传统类型的AWG波分复用器件的一个问题是它的频谱通带有一个尖峰的形状，也就是说，在中心波长时有最大的通过率，而当波长偏移这个中心波长时，通过率会迅速的下降。这样，在光网络中所有的光信号的波长都必须非常精确以避免系统性能的下降。这导致了对整个光网络及其中的器件的设计和操作都要用严格的要求。

把不同波长的光复合为一束光及把一束复合光分离为不同波长的光的器件分别称作复用器(合波器)和解复用器(分波器)，一般来说，同一个AWG能同时作为复用器和解复用器，它们唯一的不同在于光通过器件的方向是相反的，为方便起见，下面只对解复用器作介绍，本发明对复用器也适用。

当AWG器件作为分波器时，它由输入波导、第一星形耦合器(输入耦合器)、相邻波导之间有光程差的阵列波导、第二星形耦合器(输出耦合器)、多条输出波导所组成；每条输出波导接收一个不同波长的光，第一星形耦合器把输入的复合光耦合到阵列波导中，阵列波导光栅对不同的波长的色散功能，使得经过第二星形耦合器后不同的波长的光聚焦在不同的输出波导。

在很多应用中，AWG器件的输入、输出波导都是单模的，输入、输出波导的横向光场分布通常可以用高斯函数来近似，对一个特定通道的中心波长，输入场分布经过AWG成像在输出波导上，如果像的场分布和输出波导的模场分布的中心是对齐的，那么我们就可以得到最大的耦合效率。当波长偏离中心波长时，像的场分布和输出波导的模场分布的中心也会发生偏移，这样耦合效率就会随之降低，这两个模场分布的重叠积分决定了通道的频谱响应，这个响应近似为高斯函数。

理想的频谱响应的形状为矩形函数，响应曲线的顶部越平越好，这样就可以尽可能地增大每个通道的带宽，减小在这个通带内的光强变化；同时频谱曲线的两边应尽可能的陡，这样可以减小相邻两通道之间的串扰。

已经有好几种技术被用来改善频谱响应的形状，美国专利号：5412744，公开一种：“具有宽的、足够平的通带频率路由器件(Frequencyrouting device having a wide and substantially flat passband)”的专利，给出了一种使频谱响应平坦的方法，在这种方法中，通过使用Y形连接器把两个相邻输出波导接收到的光复合起来，在这种方法中，为了保持所需要的串扰水平，在相邻输出波导对之间要有额外的空间，这种器件能够得到的通道数和通道带宽受到了严重的限制。

在另一篇题为：“平坦化的频谱响应的相位阵列分波器”(Aphased-array wavelength demultiplexer with flattened wavelengthresponse)，作者：M.R.Amersfoort等，刊登在“电子快报”(ElectronicsLett.)第30卷，No.4，1994的文章中，采用多模输出波导来使频谱响应平坦化，在接收器中把多模输出波导和探测器连接起来是可能的，但是这种器件不能被用来在单模的光网络中来路由不同波长的信号。

美国专利号：6141152，公开一种：“频谱响应平坦化的合波器/分波器”(Multiplexer/Demultiplexer with flattened spectral response)的专利，通过在AWG使用多个光栅环(multiple-grating-circle)的设计，使多个输入模场分布的像投射到输出波导上，这样，综合的频谱响应能够平坦化，通带变宽，但是频谱响应曲线的两个边缘部分不能得到改善，而且插入损耗也会严重的增加。

在另一篇题为：“频谱响应平坦化的阵列波导光栅合波器”(Arrayed-waveguide grating multiplexer with flat spectralresponse)的文章中，作者：K.Okamoto，H.Yamada，刊登在“光学快报”(Optics Lett.)第20卷，No.1 pp.43-45，1995，根据sinc函数的分布，把AWG的相位和幅值进行改变，从而使频谱响应平坦化，幅值分布的实现是通过变化在第一个条形阵列的界面上的波导孔径，这种方法一个主要的缺点是由于在第一个耦合器的低耦合效率，使得插入损耗严重的增加。

在另一篇题为：“应用Fourier光学原理使相位阵列波长路由器的频谱响应平坦化的设计及模拟”，作者：N.Kim，Y.Chung，刊登在“集成光学研究文集”(Proceeding of Integrated Photonics Research)，IWAl，p.361-363，1998，根据sinc函数的分布，在第二星形耦合器把AWG的条形波导界面上的幅值分布进行调整，这与上面提到的Okamoto的方法相似。幅值分布的实现是通过在AWG中的每条波导引入不同的损耗。这种幅值调整方法在实际操作中非常难以控制，而且也会严重的增加器件的插入损耗和串扰。

图1所示的是一传统的阵列波导光栅。其中自由传输区20与多条输入波导I_k(k＝1，2，…N)相连，阵列波导30连接自由传输区20和自由传输区40，自由传输区40与多条输出波导O_k(k＝1，2，…，N)相连的。阵列波导30中各条波导具有不同长度，相邻波导间由此产生相应的光程差，实现和光栅相似的功能。这种器件可用作复用器、解复用器或波长路由器。例如，当这个器件作为解复用器时，一个包含多个波长的复合光信号耦合到其中一条输入波导，各个波长信道被阵列波导光栅分开并聚焦到各个输出波导。

尽管在解复用的过程中只需要使用一条输入波导，但为了能够选择使用不同的输入波导，通常设计成多条输入波导。选择不同的输入波导可以改变输出波导的信道波长。若用作波长路由器(如N×N)，则多个输入和输出同时被使用。因此，和输出端的星型耦合器相似，输入端星型耦合器里的自由传输区和阵列波导光栅的界面处的阵列波导必须等间距地排列在一个圆弧上。因而，即使输入波导在有些设计中在宽度、间距、数量等方面和输出波导会有所不同，阵列波导光栅30本身大致上是对称的。

然而，对于大多数解复用的应用，只需一条输入波导。这种情况下，第一个星型耦合器相当于一个1×N的分束器。所以在第一个星型耦合器的自由传输区和阵列波导光栅的界面处阵列波导不必等间距地排列，也不必在圆弧上。利用这些额外的自由度，可以进一步优化星型耦合器的其它一些性能，如在阵列波导处产生一定的场分布并同时得到最大的总耦合效率，另外通过与阵列波导中的相位调整相结合，可以以最小损耗获得一个想获得的频谱响应。

发明的公开

本发明的主要目的是在于提供一种非对称阵列波导光栅器件，通过一种非对称的AWG器件的设计，使其频谱相应能够平坦化，通带变宽，而且器件的插入损耗和串扰减少。

为实现本发明的目的，我们提出一种非对称阵列波导光栅器件，输出耦合器的设计和传统的AWG设计类似(即AWG的波导尾端沿着圆周均匀地排列)，而输入耦合器及其波导尾端的设计却不同，因此这样设计的器件一般是非对称的。

我们提出的一种非对称阵列波导光栅器件，其组成包括：

至少一条输入波导，其传输多个不同波长的复合信号；

一输入分束耦合器，与所述的输入波导相连接，并接收来自输入波导的复合信号；

一阵列波导光栅，其由多条不同长度的波导所组成，并与所述输入分束耦合器连接；

一星型聚焦耦合器，连接所述的阵列波导光栅，它将不同波长的信号的角色散转化为有一条聚焦线的空间位移色散；

多条输出波导，其与所述星型聚焦耦合器耦合，各条输出波导尾端就排列在星型聚焦耦合器的聚焦线上，并分别传输一个不同波长的光信号；

其中，所述的输入分束耦合器连接所述的阵列波导光栅和输入波导，阵列波导光栅的各条波导尾端并不沿圆周等间距地排列，输入波导产生的光场和阵列波导光栅的每一条波导间的耦合系数是由预先决定的分布函数C(x)＝f(x)/g(x)决定，其中f(x)函数基本上和所想要得到的频谱响应函数的傅立叶逆变换一致，而g(x)基本上和输出波导的模场分布函数的傅立叶逆变换相同(x是AWG光栅与输出星型耦合器界面处沿界面方向的坐标)，该傅立叶变换与聚焦星型耦合器的光学性质相对应。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中所述的阵列波导与输入端输入分束耦合器交界处，其每条波导尾端的位置和输入波导尾端之间有不同的距离。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端有不同的入口宽度。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端之间有不同的波导中心至波导中心距离，这样使总的耦合效率最大。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中在所述的阵列波导光栅中，其每条波导的连接端位于以输入波导末端为中心的圆弧上，但是有不同的入口宽度和不同的波导间中心距离，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数，同时使总的耦合效率最大。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中所述的输入分束耦合器是一多级1×2 Y型波导输入分束耦合器。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中所述的多级输入分束耦合器是非对称的Y型波导耦合器，有非平衡的耦合系数，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中输入波导与所述的阵列波导光栅的每条波导之间的幅值耦合系数经过调整使得输出耦合器和阵列波导的连接处的场分布具有预先决定的分布函数，以使得每个通道的频谱响应曲线的顶部足够平坦而边缘足够陡。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中所述的预先决定分布函数是一个sinc函数除以一个高斯函数，所述sinc函数基本上和所需的频谱响应函数的傅立叶逆变换一致，而所述高斯函数基本上和输出波导的模场分布函数的傅立叶逆变换相同，该傅立叶变换与聚焦星型耦合器的光学性质相对应。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中所述阵列波导光栅的每条波导的长度要做调整，除了在相邻波导之间产生等于某一给定通道波长的2π的整数倍相位差外，还要补偿由上述耦合器引入的相位差，并在所述这些波导中，产生上述预先决定的输出耦合器和阵列波导的连接处的场分布函数为负值时所需的π相移。

所述的非对称阵列波导光栅器件，其中还包括一个光衰减器或放大器，其至少使用在所述阵列波导光栅中的一部分波导中，它们与所述的输入波导和阵列波导光栅的波导的耦合系数相结合，使得在阵列波导光栅和输出端聚焦星型耦合器的界面处产生了一个确定的光强分布函数。

根据本发明的另一方面，提供了一种非对称阵列波导光栅器件，其组成包括：至少一条输入波导，其传输多个不同波长的复合信号；一输入分束耦合器，与所述的输入波导相连接，并接收来自输入波导的复合信号；一阵列波导光栅，其由多条不同长度的波导所组成，并与所述输入分束耦合器连接；一星型聚焦耦合器，连接所述的阵列波导光栅，它将不同波长的信号的角色散转化为有一条聚焦线的空间位移色散；多条输出波导，其与所述星型聚焦耦合器耦合，各条输出波导尾端就排列在星型聚焦耦合器的聚焦线上，并分别传输一个不同波长的光信号；其特征在于，所述的输入分束耦合器，连接所述的阵列波导光栅和输入波导，其输入波导和阵列波导光栅的每一条波导间的耦合系数有一个确定的分布，使得星型聚焦耦合器和阵列波导的连接处的场分布是一个sinc函数除以一个高斯函数，以获得频谱响应曲线的顶部平坦及边沿陡峭。

所述的sinc函数是通过对所需频谱响应作傅立叶逆变换获得的，所述高斯函数则是对单通道输出波导的模场分布作傅立叶逆变换获得的，而该傅立叶变换与聚焦星型耦合器的光学性质相对应。

所述阵列波导光栅的每条波导的长度要做调整，除了在相邻波导之间产生等于某一给定通道波长的2π的整数倍相位差外，还要补偿由所述输入分束耦合器引入的相位差，并在一些波导中，产生上述预先决定的输出星型聚焦耦合器和阵列波导的连接处的场分布函数为负值时所需的π相移。

所述的阵列波导与输入分束耦合器交界处，其每条波导尾端的位置和输入波导尾端之间有不同的距离。

在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端有不同的入口宽度。

在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端之间有不同的波导中心至中心距离，这样使总的耦合效率最大。

在所述的阵列波导光栅中，其每条波导的连接端位于以输入波导末端为中心的圆弧上，但是有不同的入口宽度和不同的波导间中心距离，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数，同时使总的耦合效率最大。

所述的输入分束耦合器是一多级1×2 Y型波导输入分束耦合器，所述阵列波导光栅的每条波导的连接端连接到多级1×2 Y型波导输入分束耦合器波导的末端。

所述的多级输入分束耦合器是非对称的Y型波导耦合器，有非平衡的耦合系数，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数。

附图说明

图1是对应于现有技术的传统AWG波分复用器件的示意图；

图2(a)是本发明实施例之一的非对称AWG波分复用器件的示意图；

图2(b)是图2a中输入端星型耦合器的放大图样；

图3是本发明另一个实施例的输入星型耦合器的放大图样；

图4是本发明另一个实施例的输入端多级分离器的放大图样；

图5是传统AWG在耦合器中的自由传输区和AWG的连接处的场分布；

图6(a)是本发明的一个具体实施例的AWG器件在耦合器中的自由传输区和AWG的连接处的振幅分布图；

图6(b)是本发明的一个具体实施例的AWG器件在耦合器中的自由传输区和AWG的连接处的相位分布，该相位项是除去了传统的位相差2imπ；

图7是图6中AWG器件的频谱响应的模拟结果图与传统的AWG的频谱响应图相比较。

实现本发明的最佳方式

下面结合附图对本发明提出的非对称阵列波导光栅波分复用器件作进一步的说明如下：

图2(a)是本发明第一个实施例的非对称AWG器件的示意图，输出耦合器的设计和传统的AWG设计类似(即AWG的波导尾端宽度相同并沿着圆周均匀地排列)，而输入耦合器的设计却非常不同。图2(b)是图2(a)中输入星型耦合器的放大图样，输入耦合器中的自由传输区和阵列波导的接触线是一条经优化的曲线(如sinc函数)而非圆弧线，从输入波导到阵列波导入口的距离连同波导入口宽度都是变化的，使得AWG中的每条波导所接收的光能量按照一个预定的函数变化。波导之间的间距也是经过调整而变化的，使总耦合效率达到最大。AWG的波导的长度也经调整使得在输出端耦合器中的自由传输区和AWG的连接处的复数场(包括振幅和相位)分布和预先决定的一致，这样便可在输出通道处获得想要获得的频谱响应。

图3是本发明第二个实施例中的输入端星型耦合器的放大图样；输入耦合器中的自由传输区和AWG的连接点是在以输入波导尾端为圆心的圆周上的，这一点和传统的AWG相似。但是，输入星型耦合器的波导入口宽度和波导中心间距(在输入耦合器中的自由传输区和阵列波导的接触处)都是经过调整而变化的使得能够以最大的总耦合效率获得预想的振幅分布。和Okamoto和H.Yamada在文章(Optics Lett.20，p43-45，1995)中设计的输入星型耦合器相比，自由传输区和AWG的连接处的相邻波导的中心间距不再是常数，而是和波导入口宽度一起调整的。如果器件被反方向操作，AWG的波长色散特性将丧失。但当器件按照设计的光传播方向工作时，该自由度使得在波导入口宽度变化的同时达到耦合效率最大化。

应当指出的是尽管该器件不能反向用作解复用器，但根据光路可逆暗性质，它可反向用作复用器。

图4给出了本发明的第三个实施例；为了能够以最大的耦合效率获得预想的振幅分布，星型耦合器被替换成多级分束器(如1×2的Y型分束器)。耦合器的分束比是根据阵列波导所要求的强度分布来设计的，原则上，高的耦合效率是可以得到的，因为除了制造上的瑕疵引起的损耗以外没有别的损耗。

与星型耦合器的波导均匀排列一个圆弧上不同，本发明中的耦合器/分束器对不同的路径引入了相差，这些光程差必须在AWG中通过调节波导长度来补偿，耦合器/分束器和AWG相结合必须在第二个(即输出端)星型耦合器的AWG和平面平板波导的界面处产生一个预先决定的强度和相位分布。

作为本发明的一个重要的实施例，为了使通道的频谱响应曲线顶部相对平坦及边沿相对陡峭，第二个星型耦合器中的自由传输区和AWG的连接处的场分布应该基本上是一个sinc函数除以一个高斯函数。这个sinc函数正好基本上和希望得到的频谱响应函数的傅立叶逆变换一致，而这个高斯函数基本上和输出波导的模场分布函数的傅立叶逆变换大致相同。该傅立叶变换是由聚焦星型耦合器的光学性质产生的。

假设我们想要得到一个矩形函数的频谱响应函数

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{\Δ\λ}}\right)---\left(1\right)$

式中λ_c。是某通道的中心波长，Δλ是想要得到的通道频谱宽度。如先不考虑输出波导的模场分布函数的卷积效应，该频谱响应函数所对应的在输出波导平面上的场分布为

$A\left(x\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{x-x_c}{\mathrm{\Δx}}\right)---\left(2\right)$

其中x是输出波导平面上的坐标，Δx＝βΔλ， $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}$ 是光栅的色散常数。为了得到这个输出波导平面上的场分布，输出星型耦合器的AWG界面处的场分布应该是A(x)的傅立叶逆变换，即

$A_g\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}A\left(x\right)e^{i2\mathrm{\πux}}\mathrm{dx}---\left(3\right)$

其中 $u=\frac{{\mathrm{nx}}^{\′}}{\mathrm{\λL}},$ n是平面导波的有效折射率，L是输出星型耦合器的长度，x是AWG光栅与输出星型耦合器界面处的坐标。当A(x)是矩形函数时(我们以中心输出波导为例，即x_c＝0)，Ag(u)是一个sinc函数，即

$A_g\left(u\right)=\mathrm{\Δx}\·\sin c\left(\mathrm{\Δxu}\right)=\frac{\sin \left(\mathrm{\π\Δxu}\right)}{\mathrm{\πu}}---\left(4\right)$

所以在不考虑输出波导的模场分布函数的卷积效应的情形下，AWG光栅与输出星型耦合器界面处的场分布可以写成

$A_g\left(x^{\′}\right)=\frac{\mathrm{\λ}L\sin (\mathrm{\π\β\Δ\λn}{x}^{\′}/\mathrm{\λL})}{\mathrm{\πn}{x}^{\′}}---\left(5\right)$

现在让我们考虑输出波导的模场分布函数的卷积效应。由于频谱响应函数对应输出波导平面上的场分布与输出波导的模场分布函数的卷积，为了得到一个接近矩形函数的频谱响应，输出波导平面上的场分布A(x)应满足的方程由等式(2)变为

$A\left(x\right)\⊗G\left(x\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{x-x_c}{\mathrm{\Δx}}\right)---\left(6\right)$

其中G(x)是输出波导的归一化模场分布函数，一般可近似为一个高斯函数。G(x)可表达为

$G\left(x\right)={\left(\frac{2}{\mathrm{\π}{w_0}^2}\right)}^{\frac{1}{4}}{e}^{-\frac{x^2}{{w_0}^2}}---\left(7\right)$

其中W₀为该高斯模场分布的束腰宽度。

对等式(6)作傅立叶逆变换，我们可得到

$A_g\left(u\right)G_g\left(u\right)=\frac{\sin \left(\mathrm{\π\Δxu}\right)}{\mathrm{\πu}}---\left(8\right)$

其中G_g(u)是G(x)的傅立叶逆变换，即

$G_g\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}G\left(x\right)e^{i2\mathrm{\πux}}\mathrm{dx}={\left(2\mathrm{\π}{w_0}^2\right)}^{\frac{1}{4}}{e}^{-{\mathrm{\π}}^2{w_0}^2{u}^2}---\left(9\right)$

将 $u=\frac{n{x}^{\′}}{\mathrm{\λL}}$ 代入(9)式，我们得到

$G\left(x^{\′}\right)=G_g\left(\frac{n{x}^{\′}}{\mathrm{\λL}}\right)={\left(2\mathrm{\π}{w_0}^2\right)}^{\frac{1}{4}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\π}}^2{w_0}^2{n}^2{x}^{\′2}}{{\mathrm{\λ}}^2{L}^2}}---\left(10\right)$

这实际上是输出波导模式在输出星型耦合器的AWG界面处的远场分布函数，它也是一个高斯函数，其束腰宽度为 $w=\frac{\mathrm{\λL}}{\mathrm{\πn}{w}_0}.$ 所以等式(5)

可被修正为

$A_g\left(x^{\′}\right)=\frac{\mathrm{\λ}L\sin (\mathrm{\π\β\Δ\λn}{x}^{\′}/\mathrm{\λL})}{\mathrm{\πn}{x}^{\′}G\left(x^{\′}\right)}---\left(11\right)$

在K.Okamoto和H.Yamada的题为“具有平坦光谱响应的阵列波导光栅复用器”和N.Kim以及Y.Chung的题为“利用傅利叶光学概念的具有平坦响应的相位阵列波长路由器的设计和模拟”论文中，AWG的强度和相位分布根据一个sinc函数分布来调整，在这种情况下，输出波导平面上的场分布基本上类似于一个矩形函数。但是，其光谱响应曲线的形状基本上等于该场分布和模式场分布(基本上是高斯型的)的卷积。这会导致光谱响应曲线两侧边的斜率变化缓慢，尽管带宽得到宽化和平坦化。

通过依据sinc函数除以一个高斯函数来调整在输出星型耦合器的AWG界面处的场分布，通道光谱响应(而不是输出平面的场分布)基本上变成了一个矩形函数。所以这个结果比前述方法大有改善。

作为一个具体的设计例子，我们选取了如下的设计参数：

自由传播区长度L＝4950.355um，

自由传播区有效折射率ns＝1.468，

波导有效折射率nwg＝1.465，

中心波长为1.55um，

通道频率间隔Δf＝100GHz，

nsΔλ＝0.7nm，(Δλ为我们希望得到的通带频谱宽度)，

阵列光栅级数m＝72，

阵列光栅波导数N＝141，

等效高斯光束束腰半径w0＝4.25um，

AWG波导之间的中心距d＝8.um，

接收波导之间的中心距为24.305um，

β＝dx/dλ＝mL/nsd.

图5是传统的AWG在输出星型耦合器的AWG和平面平板波导的界面处的高斯型强度分布。

图6a是依据本发明一个重要的实施例在输出星型耦合器的AWG和平面平板波导的界面处强度分布的一个例子，图6b是相应的相位分布，相位项附加于普通的2imπ上，i＝1，2，3，…M，M是AWG的波导数目，m是光栅级数，应指出的是sinc函数的负号对应于一个π相位因子。

图7是图6中我们设计的AWG示例的模拟光谱响应(实线)，另外附加了传统的AWG光谱效应(虚线)以作比较。我们发现，光谱响应曲线的顶部得到宽化和平坦化，而两边边缘变陡。

正如前面所列出的，我们可以用多种方法在输出星型耦合器的AWG界面处实现sinc函数除以一个高斯函数(即公式(11))的场分布。比如，我们知道AWG每条波导入口的不同漏斗(funnel)设计参数(如开口宽度)将对应不同的耦合系数，我们可以画出耦合系数和漏斗的开口宽度的关系图。因此我们只要调节不同位置的阵列波导的漏斗开口宽度就能得到所要求的耦合系数分布。要在输出星型耦合器的AWG界面处实现公式(11)的场分布，AWG输入端的耦合系数分布应为公式(11)再除以一个高斯函数G1(x)，其中G1(x)为基模从中心输入波导输入时阵列波导入口处的场分布。

在不背离本发明的精神的前提下可以对本发明做一些变化和调整。通常情况下，也可以利用本发明的某些特征而不利用另一些特征，比如说场分布可以为与频谱平坦化不同的其它目的而优化，因此，凡在本发明的精神范围内所作的一些显而易见的变化，都应包括在本发明的权利要求的保护范围内。

工业应用性

综上所述，我们提出的非对称阵列波导光栅器件，其根据不同功效分别优化输入分束耦合器，使其成为一非对称阵列波导光栅，该非对称阵列波导光栅的频谱响应平坦，通带变宽，而且器件的插入损耗和串扰减少。

Claims (20)

1.一种非对称阵列波导光栅器件，其组成包括：

至少一条输入波导，其传输多个不同波长的复合信号；

一输入分束耦合器，与所述的输入波导相连接，并接收来自输入波导的复合信号；

一阵列波导光栅，其由多条不同长度的波导所组成，并与所述输入分束耦合器连接，输出多条不同波长的单色光；

一星型聚焦耦合器，连接所述的阵列波导光栅，它将不同波长的信号的角色散转化为有一条聚焦线的空间位移色散；

多条输出波导，其与所述星型聚焦耦合器耦合，各条输出波导尾端就排列在星型聚焦耦合器的聚焦线上，并分别传输一个不同波长的光信号；

其特征在于，所述的输入分束耦合器连接所述的阵列波导光栅和输入波导，阵列波导光栅的各条波导尾端并不沿圆周等间距地排列，输入波导产生的光场和阵列波导光栅的每一条波导间的耦合系数是由预先决定的分布函数C(x)＝f(x)/g(x)决定，其中f(x)函数和所想要得到的频谱响应函数的傅立叶逆变换一致，而g(x)和输出波导的模场分布函数的傅立叶逆变换相同，x是阵列波导光栅与输出星型耦合器界面处沿界面方向的坐标，该傅立叶变换与聚焦星型耦合器的光学性质相对应。

2.如权利要求1所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的阵列波导与输入分束耦合器交界处，其每条波导尾端的位置和输入波导尾端之间有不同的距离。

3.如权利要求2所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端有不同的入口宽度。

4.如权利要求3所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端之间有不同的波导中心至波导中心距离，这样使总的耦合效率最大。

5.如权利要求1所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，在所述的阵列波导光栅中，其每条波导的连接端位于以输入波导末端为中心的圆弧上，但是有不同的入口宽度和不同的波导间中心距离，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数，同时使总的耦合效率最大。

6.如权利要求1所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的输入分束耦合器是一多级1x2Y型波导输入分束耦合器。

7.如权利要求6所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的多级输入分束耦合器是非对称的Y型波导耦合器，有非平衡的耦合系数，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数。

8.如权利要求1所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，输入波导与所述的阵列波导光栅的每条波导之间的幅值耦合系数经过调整使得星型聚焦耦合器和阵列波导的连接处的场分布具有预先决定的分布函数，以使得每个通道的频谱响应曲线的顶部足够平坦而边缘足够陡。

9.如权利要求8所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的预先决定分布函数是一个sinc函数除以一个高斯函数，所述sinc函数和所需的频谱响应函数的傅立叶逆变换一致，而所述高斯函数和输出波导的模场分布函数的傅立叶逆变换相同，该傅立叶变换与聚焦星型耦合器的光学性质相对应。

10.如权利要求9所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述阵列波导光栅的每条波导的长度要做调整，除了在相邻波导之间产生等于某一给定通道波长的2π的整数倍相位差外，还要补偿由上述耦合器引入的相位差，并在所述这些波导中，产生上述预先决定的星型聚焦耦合器和阵列波导的连接处的场分布函数为负值时所需的π相移。

11.如权利要求1所述的非对称阵列波导光栅器件，其特征在于，还包括至少一个光衰减器或放大器，其至少使用在所述阵列波导光栅中的一部分波导中，它们与所述的输入波导和阵列波导光栅的波导的耦合系数相结合，使得在阵列波导光栅和输出端聚焦星型耦合器的界面处产生了预先确定的光强分布函数。

12.一种非对称阵列波导光栅器件，其组成包括：

至少一条输入波导，其传输多个不同波长的复合信号；

一输入分束耦合器，与所述的输入波导相连接，并接收来自输入波导的复合信号；

一阵列波导光栅，其由多条不同长度的波导所组成，并与所述输入分束耦合器连接；

一星型聚焦耦合器，连接所述的阵列波导光栅，它将不同波长的信号的角色散转化为有一条聚焦线的空间位移色散；

多条输出波导，其与所述星型聚焦耦合器耦合，各条输出波导尾端就排列在星型聚焦耦合器的聚焦线上，并分别传输一个不同波长的光信号；

其特征在于，所述的输入分束耦合器，连接所述的阵列波导光栅和输入波导，其输入波导和阵列波导光栅的每一条波导间的耦合系数有一个确定的分布，使得星型聚焦耦合器和阵列波导的连接处的场分布是一个sinc函数除以一个高斯函数，以获得频谱响应曲线的顶部平坦及边沿陡峭。

13.如权利要求12所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的sinc函数是通过对所需频谱响应作傅立叶逆变换获得的，所述高斯函数则是对单通道输出波导的模场分布作傅立叶逆变换获得的，而该傅立叶变换与聚焦星型耦合器的光学性质相对应。

14.如权利要求13所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述阵列波导光栅的每条波导的长度要做调整，除了在相邻波导之间产生等于某一给定通道波长的2π的整数倍相位差外，还要补偿由所述输入分束耦合器引入的相位差，并在一些波导中，产生上述预先决定的输出星型聚焦耦合器和阵列波导的连接处的场分布函数为负值时所需的π相移。

15.如权利要求14所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的阵列波导与输入分束耦合器交界处，其每条波导尾端的位置和输入波导尾端之间有不同的距离。

16.如权利要求14所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端有不同的入口宽度。

17.如权利要求16所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，在所述的阵列波导光栅中，其每条波导和输入分束耦合器的连接端之间有不同的波导中心至中心距离，这样使总的耦合效率最大。

18.如权利要求14所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，在所述的阵列波导光栅中，其每条波导的连接端位于以输入波导末端为中心的圆弧上，但是有不同的入口宽度和不同的波导间中心距离，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数，同时使总的耦合效率最大。

19.如权利要求14所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的输入分束耦合器是一多级1x2 Y型波导输入分束耦合器，所述阵列波导光栅的每条波导的连接端连接到多级1x2 Y型波导输入分束耦合器波导的末端。

20.如权利要求19所述的非对称阵列波导光栅器件，

其特征在于，所述的多级输入分束耦合器是非对称的Y型波导耦合器，有非平衡的耦合系数，这样使耦合到所述的阵列波导光栅的每条波导的能量具有预先决定的分布函数。

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