CN1246715C - 基于多个子光栅的平顶型蚀刻衍射光栅波分复用器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多个子光栅的平顶型蚀刻衍射光栅波分复用器件。它包括输入波导、自由传播区、凹面衍射光栅、输出波导。凹面衍射光栅的结构为由两个子光栅或两个以上的子光栅组成的凹面衍射光栅系统，子光栅A₁～A_n的会聚点为O₁，子光栅B₁～B_n的会聚点为O₂。将O₁和O₂间的距离调整到一个适当的值，这两个场的叠加就使得像面上的总的场分布由传统的高斯型变为双峰型，从而使器件频谱响应的形状变成平顶形。本发明没有引入额外的工艺步骤，并且不增加器件的尺寸，以较小的功率代价使器件具有宽通带、大的1dB带宽的特性。

Description

基于多个子光栅的平顶型蚀刻衍射光栅波分复用器件

技术领域

本发明属于光通讯波分复用领域，特别涉及一种具有宽带通、大的1dB带宽的蚀刻衍射光栅(EDG)型波分复用器件。

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(EDG)型波分复用/解复用器是平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力的一种，和其它类型的波分解复用器(如阵列波导光栅型解复用器)相比，它有集成度高结构紧凑、波长分辨率高等优点，适用于多通道的波长分离。

图1是传统的EDG型复用/解复用器件的结构示意图。传统的EDG型复用/解复用器件由输入波导1、自由传播区2、凹面衍射光栅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，到达凹面衍射光栅3，由于凹面光栅同时有会聚和色散的功能，所以不同波长的入射光经反射后会聚在成像曲面上不同的位置，并由输出波导输出，即将不同波长的光分离开来，实现解复用的功能。一般来说，同一个EDG器件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。

在常规的的设计方法中，波分复用/解复用器件的频谱响应形状为高斯形，当实际波长偏离设计值时，就造成接受能量的大大降低，所以，这种波分复用/解复用器件对系统中的光源的波长偏差有严格地要求，从而需要对激光器、波分复用/解复用器件进行精确地温控。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)，尤其在WDM环形、总线型网络中，信号需经过多个滤波器，使得总的带宽更窄，这大大的限制了波分复用/解复用器件在WDM系统中的应用。而平坦的频谱响应能够有效的消除这些因素对器件性能造成的影响，使系统的稳定性大大提高，降低了使用成本。

目前已有一些方法用来实现波分复用/解复用器件频谱的平坦化，例如：M.R.Amersfoort等发表了令一篇题为“Phased-arrayed wavelength demultiplexerwith flattened wavelength response”，Electron.Lett.，1994，30(4)，pp.300-302的文章提出使用多模波导输出来实现平坦化，但这种方法只适用于波分复用/解复用器直接与探测器相连的情况。

T.Chiba等在OECC(2000)，13B2-2里提到使用interleaver来实现信号复共轭实现平坦化，但是这种方法使器件尺寸过大，不宜于集成，同时价格也相对昂贵。

A.Rigney等发表了另一篇文章，“Double-phased array for a flattened spectralresponse”，Proc.23^rd ECOC，Edinburgh，UK，pp.79-82，Sept.1997，中提到使用双相位阵列来实现平坦化，该方法和上一种方法类似，平坦化效果相对有限，而且复杂度增大。

K.Okamoto等发表了一篇题为“Eight-Channel flat spectral responseArrayed-waveguide multiplexer with asymmetrical Mach-Aehnder filters”，IEEEPhot.Tech.Lett.，vol.8，no.3，march 1996，pp.373-374.文章涉及一种使用M-Z干涉仪来实现平坦化，但是这种方法会造成大的器件尺寸，大的插损，同时还有可能引起模斑变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多个子光栅的平顶型蚀刻衍射光栅波分复用器件，是将单一的凹面衍射光栅替换为聚焦点不同的多个子光栅，将入射光会聚于输出波导附近的两点，从而实现器件的通带平坦化。

本发明的技术方案是：它包括输入波导、自由传播区、凹面衍射光栅、输出波导。凹面衍射光栅的结构为由两个子光栅或两个以上的子光栅组成的凹面衍射光栅系统，子光栅A₁～A_n对中心波长λ₀的会聚点为O₁，子光栅B₁～B_n对中心波长λ₀的会聚点为O₂。

本发明的优点是：它没有引入额外的工艺步骤，并且不增加器件的尺寸，以较小的功率代价使器件具有宽通带、大的1dB带宽的特性。

附图说明

图1是传统的EDG型复用/解复用器件的结构示意图；

图2是本发明的EDG型复用/解复用器件的结构示意图；

图3是由两个子光栅组成的凹面衍射光栅系统示意图；

图4是由N个会聚点不同的子光栅交替分布组成的凹面衍射光栅系统示意图；

图5是传统蚀刻衍射光栅在像面上的场分布和本发明实现的在像面上的场分布的比较；

图6是传统蚀刻衍射光栅的高斯型频谱响应和本发明实现的平顶形频谱响应的比较。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括输入波导1、自由传播区2、凹面衍射光栅、输出波导4。凹面衍射光栅5的结构为由多个会聚点不同的子光栅组成的凹面衍射光栅系统。

对于照射到光栅上的某一个波长的入射光，子光栅A₁～A_n将照射到它上面的能量会聚于像面上的点O₁，照射到子光栅B₁～B_n上的能量则被会聚于像面上的点O₂，会聚于O₁和O₂的这两个场的形状均为高斯形，如图5所示，但是，将O₁及O₂间的距离调整到一个适当的值，这两个场的叠加就使得像面上的总的场分布由传统的高斯型变为双峰型，从而使器件频谱响应的形状变为平顶形。

1、子光栅结构的确定

首先应确定组成凹面光栅系统的子光栅的个数，一部分子光栅的成像点为O₁，其余部分的成像点为O₂。然后分别确定每个子光栅的结构。

如图3所示，是本发明第一个实施例的示意图，凹面衍射光栅(5)为由两个子光栅组成的凹面衍射光栅系统结构的确定，光栅系统由子光栅A₁和子光栅B₁两部分组成，子光栅A₁的成像点为O₁，子光栅B₁的成像点为O₂，子光栅A₁的各槽面中心户P_i应满足：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{IP}}_i}+\stackrel{\‾}{P_i{O}_1}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_1})=\mathrm{im}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(1\right)$

其中，I为入射点，O为光栅中点，n_eff为自由衍射区的有效折射率，λ_n为中心波长，m为光栅的衍射级数，i为离光栅中点O的槽面数，这个条件使得中心波长的像差为O，同样，子光栅B₁的各槽面中点P′_j应满足：

$\stackrel{\‾}{{{\mathrm{IP}}^{\′}}_j}+\stackrel{\‾}{{P^{\′}}_j{O}_2}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_2})=\mathrm{jm}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(2\right)$

j表示离光栅中点O的槽面数；同时，A₁和B₁各槽面中点位于半径为R的光栅圆上。由这些条件可求出两个子光栅中每个槽面中点的位置，各槽面中点确定后，过中点作入射光线的垂线作为光栅的闪耀面，这样就确定了整个光栅的结构。

图4所示是本发明另外一个实施例的示意图。凹面衍射光栅5由N个子光栅交替分布组成的凹面衍射光栅系统结构的确定，若光栅的总槽面数目也为N，则整个凹面衍射光栅系统由N个子光栅组成，每个子光栅上只有一个光栅槽面，对应于不同成像点O₁和O₂的子光栅交替分布，即相邻的两个子光栅中，一个子光栅上的各槽面中心P_i满足：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{IP}}_i}+\stackrel{\‾}{P_i{O}_1}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{O{O}_1})=\mathrm{im}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(3\right)$

另一个子光栅上的各槽面中心P′_j满足：

$\stackrel{\‾}{{{\mathrm{IP}}^{\′}}_j}+\stackrel{\‾}{{P^{\′}}_j{O}_2}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_2})=\mathrm{jm}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(4\right)$

其中，I为入射点，O为光栅中点，n_eff为自由衍射区的有效折射率，λ₀为中心波长，m为光栅的衍射级数，i和j表示离光栅中点O的槽面数，N表示子光栅的个数，n表示子光栅个数的一半

同时，各槽面中点位于半径为R的光栅圆上。由这些条件可求出各子光栅中每个槽面中点的位置，各槽面中点确定后，过中点作入射光线的垂线作为光栅的闪耀面，这样就确定了整个光栅的结构。

2、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：

$I=\frac{{\left|{\∫\hat{F}}_{\mathrm{wg}}{E}_{\mathrm{out}}(x,z_c)\mathrm{dx}\right|}^2}{\∫E_{\mathrm{in}}\left(x^{\′}\right){\·E}_{\mathrm{in}}^{*}\left(x^{\′}\right)d{x}^{\′}}$

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：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{{|{\∫E}_{\mathrm{out}}(\mathrm{\λ},x)\·E_{\mathrm{wg}}^{*}(\mathrm{\λ},x)\mathrm{dx}|}^2}{\∫E_{\mathrm{in}}(\mathrm{\λ},x^{\′}){\·E}_{\mathrm{in}}^{*}(\mathrm{\λ},x^{\′})d{x}^{\′}\·{\∫E}_{\mathrm{wg}}(\mathrm{\λ},x)\·E_{\mathrm{wg}}^{*}(\mathrm{\λ},x)\mathrm{dx}}$

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。

输出模场的分布可通过标量波动理论来计算。将输入波导(z＝0)处的光场分布用一模场半径为ω₀的高斯光斑来模拟，高斯光斑在平板波导中的菲涅耳衍射由一高斯束描述，这样得到光栅槽面上的场分布：

$E(x,z)={\left(\frac{2}{{\mathrm{\πw}}^2}\right)}^{\frac{1}{4}}{e}^{-\frac{x^2}{w^2}}{e}^{-\mathrm{ik}(z+\frac{x^2}{2R})+\mathrm{i\η}}---\left(5\right)$

其中， ${\mathrm{\ω}}^2={{\mathrm{\ω}}_0}^2[1+{\left(\frac{z}{z_0}\right)}^2],R=z[1+{\left(\frac{z_0}{z}\right)}^2],$ η＝tan^-1(z/z₀)，z₀＝πn_effω₀ ²/λ。然后通过二维Kirchhoff-Huygens衍射公式，可得到像面上各点的场：

$E^{\′}(x^{\′},z^{\′})=\frac{1}{2}{\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{1/2}\∫\frac{E(x,z)}{\sqrt{r_0}}(\cos ({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_d)\exp (-{\mathrm{ikr}}_0)\mathrm{ds}---\left(6\right)$

其中，r₀为光栅上一点(x，z)到像面上一点(x′，z′)的距离，E(x，z)为光栅槽面上的电场，θ_i和θ_d分别为入射光和散射光与光栅槽面法线的夹角。得到输出模场分布，就可以使用重叠积分计算耦合效率，进而获得频谱响应。

图6是本发明的平顶形频谱响应和传统结构的高斯形频谱响应的比较，该图所用的参数为：

罗兰圆半径(μm)	15000	光栅阶数m	16
				成像点间的间距(μm)	10.0	中心波长λ0(nm)	1550.0
芯层折射率ncore	1.4674	包层折射率nclad	1.46
				光栅总齿数	701	波导宽度(μm)	6

相对于普通的高斯形的频谱响应，实施例1的结构中，器件的1dB带宽增加了283.4％，3dB带宽增加了200.5％，有效带宽比为0.455，损耗增加了4.7dB；实施例2中，器件的1dB带宽增加了132.0％，3dB带宽增加了112.2％，品质因素从0.1513增加到0.3291，损耗相应增加了4.5dB。

Claims (2)

1.基于多个子光栅的平顶型蚀刻衍射光栅波分复用器件，它包括输入波导(1)、自由传播区(2)、凹面衍射光栅、输出波导(4)，其特征在于：

1)凹面衍射光栅(5)的结构为由两个子光栅A₁和B₁组成的凹面衍射光栅系统，子光栅A₁对中心波长λ₀的会聚点为O₁，子光栅B₁对同一波长λ₀的会聚点为O₂；

2)子光栅A₁的各槽面中心P_i应满足：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{IP}}_i}+\stackrel{\‾}{P_i{O}_1}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_1})=\mathrm{im}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(1\right)$

其中，I为入射点，O为光栅中点，n_eff为自由衍射区的有效折射率，λ₀为中心波长，m为光栅的衍射级数，i为离光栅中点O的槽面数，这个条件使得中心波长的像差为0；

同样，子光栅B₁的各槽面中点P′_j应满足：

$\stackrel{\‾}{{{\mathrm{IP}}^{\′}}_j}+\stackrel{\‾}{{P^{\′}}_j{O}_2}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_2})=\mathrm{jm}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(2\right)$

其中，j表示离中点O的槽面数；

同时，A₁和B₁各槽面中点位于半径为R的光栅圆上，光栅的闪耀面垂直于入射点和槽面中点的连线。

2.基于多个子光栅的平顶型蚀刻衍射光栅波分复用器件，它包括输入波导(1)、自由传播区(2)、凹面衍射光栅、输出波导(4)，其特征在于：

1)凹面衍射光栅(5)的结构为由两个以上的子光栅组成的凹面衍射光栅系统；

2)凹面衍射光栅由N个分别对应于不同成像点O₁和O₂的子光栅交替分布组成，子光栅A₁～A_n对中心波长λ₀的会聚点为O₁，子光栅B₁～B_n对同一波长λ₀的会聚点为O₂，光栅总槽面数为N个子光栅的槽面数之和；在相邻的两个子光栅中，一个子光栅上的各槽面中心P_i满足：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{IP}}_i}+\stackrel{\‾}{P_i{O}_1}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_1})=\mathrm{im}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(3\right)$

另一个子光栅上的各槽面中心P′_j满足：

$\stackrel{\‾}{{{\mathrm{IP}}^{\′}}_j}+\stackrel{\‾}{{P^{\′}}_j{O}_2}-(\stackrel{\‾}{\mathrm{IO}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OO}}_2})=\mathrm{jm}{\mathrm{\λ}}_0/n_{\mathrm{eff}}---\left(4\right)$

其中，I为入射点，O为光栅中点，n_eff为自由衍射区的有效折射率，λ₀为中心波长，m为光栅的衍射级数，i和j表示离光栅中点O的槽面数，N表示子光栅的个数，n表示子光栅个数的一半；

同时，各槽面中点位于半径为R的光栅圆上；光栅的闪耀面垂直于入射点和槽面中点的连线。

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