CN1246716C - 低回损蚀刻衍射光栅波分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低回损蚀刻衍射光栅波分复用器。它包括输入波导，输出波导，蚀刻光栅，自由传播区域。输入波导和输出波导的入射点和出射点位于同一半径的圆上，而蚀刻光栅位于以2倍此圆半径为半径，且与此圆相内切的另一个圆上，蚀刻光栅的中心在两圆的切点上。蚀刻光栅的每一个反射齿面的朝向都由入射方向和出射方向确定，使入射光反射到同一个输出无像差点位置。输入位置和输出无像差点位置满足一个精确的关系，可以保证输入波导所在位置接受到最小的光回损。本发明可以更好的应用在波分复用系统中，它在最大限度提高回损性能的同时，与普通的减小回损的方法(如使用光隔离器)相比，没有附加任何的几何结构，制作工艺也没有改变，实现简单，成本不增加。

Description

低回损蚀刻衍射光栅波分复用器

技术领域

本发明涉及光通信波分复用领域，特别涉及一种低回损蚀刻衍射光栅波分复用器。

背景技术

波分复用(WDM)技术能够在单根光纤复用几十甚至上百个波长，以满足增长的对带宽的需求，是提高通信能力的有效方法之一。波分复用技术现已提高得可以传送数百个波长的激光，每个波长间的间隔1.6，0.8或0.4nm，甚至0.2nm，这种技术称作密集波分复用(DWDM)。WDM已经广泛应用于长途传输中，也开始进入短程光通信网络中。

波分复用器是波分复用光纤通信系统中最关键的器件。现有的实现技术主要有薄膜滤波、光纤光栅、集成平面波导等。其中集成平面波导波分复用器可以在很小的芯片上实现40通道以上的密集波分复用，它利用半导体工艺可以进行大批量生产，具有潜在的成本优势。最典型的集成平面波导波分复用器是阵列波导光栅(AWG)，它技术比较成熟，40通道的产品已经实现商用化。另一种是基于蚀刻衍射光栅(EDG)的集成平面波导波分复用器，它具有更小的尺寸，可以实现单面封装，而且易于实现更高通道数的波分复用。尽管EDG制作工艺要求比AWG高，但它仍是非常有潜力的一种集成平面波导波分复用器。

回损是光器件的一个重要指标，它是指光路中反射回到入射路径的光能量与入射总光能量的比值，用dB表示。回损减弱了激光器的性能，而且光在光路中的多次折反射相干影响到光信号的质量，使噪声增加，误码率增大。一般光器件的回损来源于端面反射(Fresnel反射)和材料背向散射(Rayleigh背向散射)。而基于蚀刻衍射光栅的集成平面波导波分复用器是一种反射光栅型器件，因而回损的来源除端面反射和材料散射外还有光栅反射。在蚀刻衍射光栅波分复用器中大多数波长的光耦合到各个输出波导中，输入波导只可能接收到特定波长范围的光。如果输入光不包含这些波长，光栅的反射就不会造成回损。然而，由于温度等环境的影响，入射光的波长会产生漂移，如果波长的漂移达到输入波导能接收的波长，就会产生回损。另外，光通信系统中用于光信号放大的EDFA的背景噪声具有很宽的频谱，这些噪声光回到入射波导，将产生回损。

一般降低回损的方法是采用倾斜角度的界面，但这个方法只能降低界面造成的回损，对其他因素如光栅反射造成的回损无效。在光路中使用光隔离器可以整体的减小回损，但光隔离器的使用增加了的成本和复杂度，而且增加了额外的插入损耗。蚀刻衍射光栅波分复用器由于其固有的输入和输出位置很接近的特点，导致器件回损的来源主要是光栅的反射。本发明提出了制作低回损蚀刻衍射光栅波分复用器的设计方法。这种方法在最大限度提高回损性能的同时，与普通的减小回损的方法(如使用光隔离器)相比，没有附加任何的几何结构，制作工艺也没有改变，实现简单，成本不增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种低回损蚀刻衍射光栅波分复用器，保证输入波导接收到最小的光回损。

本发明采用的技术方案如下：

包括输入波导，输出波导，蚀刻光栅，自由传播区域。输入波导和输出波导的入射点和出射点位于同一半径的圆A上，而蚀刻光栅位于以2倍圆A半径为半径，且与圆A相内切的圆B上，蚀刻光栅的中心在两圆的切点上；其中：

1)蚀刻光栅的每一个反射齿面的朝向都由入射光方向和出射光方向确定，使入射光反射到同一个输出无像差点位置；

2)所述的输入波导确定的入射点位置和输出波导的无像差点位置满足关系θ_d0＝θ_i-arcsin(2tgθ_i/m)，使得入射点位置在衍射光分布包络的最小值处；式中θ_d0是输出无像差点位置相对于蚀刻光栅的衍射角，θ_i是入射点位置相对于蚀刻光栅的入射角，m是光栅的衍射阶数。

本发明采用成熟的半导体沉积和刻蚀工艺，在半导体材料基底上沉积得到单模平板波导(例如在硅基底上用等离子体增强化学气相沉积的方法制作三层二氧化硅光波导)，光可以在波导的芯层单模传输，输入输出波导以及衍射光栅时通过干法刻蚀得到(例如用感应耦合等离子体刻蚀二氧化硅)。

本发明的优点是：它在最大限度提高回损性能的同时，与普通的减小回损的方法(如使用光隔离器)相比，没有附加任何的几何结构，制作工艺也没有改变，实现简单，成本不增加。

附图说明

图1是蚀刻衍射光栅波分复用器结构；

图2是低回损蚀刻衍射光栅波分复用器光栅齿面设计原理放大图；

图3是低回损蚀刻衍射光栅波分复用器在不同波长输入光入射时在输出面的光场分布；

图4是低回损设计的蚀刻衍射光栅波分复用器与两种未采用低回损设计(聚集到入射点的设计，和普通无低回损的设计)的蚀刻衍射光栅波分复用器在输入波导处光场分布的比较；

图5是低回损设计的蚀刻衍射光栅波分复用器与两种未采用低回损设计(聚集到入射点的设计，和普通无低回损的设计)的蚀刻衍射光栅波分复用器在输入波导中频谱响应的比较。

具体实施方式

如图1所示的低回损蚀刻衍射光栅波分复用器，包括输入波导1，输出波导2，蚀刻光栅3，自由传播区域4。输入波导1和输出波导2的入射点和出射点位于同一半径的圆A上，而蚀刻光栅3位于以2倍圆A半径为半径，且与圆A相内切的圆B上，蚀刻光栅的中心在两圆的切点上。如图2所示，蚀刻光栅的每一个反射齿面7的朝向都由入射方向和出射方向确定，使入射光反射到同一个输出无像差点位置6。

输入波导确定的入射点位置5和输出无像差点位置6满足如下关系：θ_d0＝θ_i-arcsin(2tgθ_i/m)，使得入射点位置5在衍射光分布包络的最小值处；式中θ_d0是输出无像差点位置相对于蚀刻光栅的衍射角，θ_i是入射点位置相对于蚀刻光栅的入射角，m是光栅的衍射阶数。

本发明的低回损蚀刻衍射光栅波分复用器件采用半导体工艺在硅片或其他基底材料上用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)或FHD(火焰水氧发)等工艺镀上薄膜，形成平板波导。输入输出波导和衍射光栅采用RIE(反应离子刻蚀)或ICP(感应耦合等离子体刻蚀)等方法进行干法刻蚀，形成多个垂直小面组成的反射光栅。为了减小损耗，增大反射率，通常可以在刻蚀成型的反射面上镀上一层金属反射层。

1、输出无像差位置的确定

对于周期性光栅，其光栅方程为：

n_effd(sinθ_i+sinθ_d)＝mλ    (1)

这里n_eff是波导的有效折射率，d是光栅周期，θ_i和θ_d分别是光的入射角和衍射角(如图1)，m是光栅的衍射阶数，λ是光波长。

指定一个无像差点作为输出点，它对应的衍射角和波长分别是θ_d0和λ₀，于是、有：

n_effd(sinθ_i+sinθ_d0)＝mλ₀        (2)

根据(1)和(2)，我们可以预测可能进入输入波导的光波的波长是：

λ_p＝2mλ₀(sinθ_i)/[p(sinθ_i+sinθ_d0)]，p＝1，2，...    (3)

这里p是耦合回到输入波导的光的衍射阶数。

如果入射的波长频谱包括λ_p中任何一个波长，则会被光栅反射和聚集到输入波导位置，形成不希望的回损。

各个光栅齿单独产生的光强分布具有除强度不同外相同的形状，而这个强度分布是具有函数Sinc²(x)的形状，如果把输入波导置于这个分布的0值点处，输入波导将会接受到接近于0的反射场(在理想的情况下，等于0)。

这里选取接近λ₀的波长作为确定这个Sinc²(x)形状包络的波长，取p＝m，于是：

λ_m＝2λ₀(sinθ_i)/(sinθ_i+sinθ_d0)        (4)

在这个波长处我们选取最接近Sinc²(x)形状最大值的第一个0值点，有：

n_effa(sinα)＝λ_m               (5)

这里a是光栅齿面的有效宽度，而且有a＝d(cosθ_i)(如图2)。α是输入方向IP和反射方向PO的夹角，α＝α_i+α_d，α与入射角θ_i和反射角θ_d0的关系是：

α＝θ_i-θ_d0.                    (6)

如果固定了输入位置和入射角度，根据(4)(5)(6)可以得到输出位置的衍射角：

θ_d0＝θ_i-arcsin(2tgθ_i/m)        (7)

如果指定的出射波导所在无像差点相对光栅的衍射角满足(7)式，而且每个光栅齿面都把入射光反射到这个方向，这样输出波导就处于了最接近单个齿面衍射Sinc²(x)形状最大值的第一个0值点，回损得到最大限度的减小。

2、光栅的确定

光栅的设计在这里很重要，它使在同一输入位置不同波长的光入射，聚焦在一条直线上的不同输出位置。要求在指定输出范围内成像的像差很小，同时色散也保持线性。本发明蚀刻衍射光栅波分复用器的结构是基于Rowland圆(即圆A)的设计，入射点和出射点在Rowland圆上，而光栅在以2倍Rowland圆半径为半径的圆上，光栅与Rowland圆相切。这样不同波长的光在不同点入射可以很好的成像在输出点，所成像的离焦像差和慧差为0，总的像差非常小。

如图2所示，光程函数可以写为：

IP_i+k+P_i+kO-(IP_i+P_iO)＝kmλ₀/n_eff        (8)

这里I是入射点，O是垂直线上的输出点。P_i，P_i+k是光栅上第i个和第i+k个反射齿面的中点。(8)式确定的是一系列椭圆(如果I与O重合，则是圆)，这些椭圆(或圆)与图2中以2倍Rowland圆半径为半径的圆相交的点即是所求的光栅齿面的中点。

得到中点后，设置齿面的方向为能反射入射光到无像差输出点的方向，整个光栅的位置就确定了。

3、设计实例及效果评价

设计实例采用以下参数：有效折射率n_eff＝1.4502，衍射阶数m＝40，Rowland圈半径R＝20000μm，入射角θ_i＝π/4(45度)，设计波长λ₀＝1.5525μm(193.1THz)。于是根据式(4)和式(7)可以得到形成回损的波长λ_m＝1.5934μm，θ_d0＝0.7354(42.1340度)。

根据(8)式得到光栅所有齿面后，我们用Kirchhoff-Huygens衍射方程来计算输出场分布：

$E_{\mathrm{out}}(P^{\′},\mathrm{\λ})=\frac{1}{2}{\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{\frac{1}{\text{2}}}\mathrm{\η}\underset{\mathrm{grating}}{\∫}\frac{E_{\mathrm{inc}}\left(P\right)}{\sqrt{|P{P}^{\′}}|}(\cos {\mathrm{\α}}_i+\cos {\mathrm{\α}}_d)e^{-j\left(2\mathrm{\π}\right|P{P}^{\′}|/\mathrm{\λ})}\mathrm{ds}...\left(9\right)$

这里P’是输出区域的任意一点，P是光栅反射面的点，η是光栅面的反射率。α_i和α_d是相对于光栅反射面的入射角和衍射角，如图2所示。

图3所示是由上设计所得的低回损蚀刻衍射光栅波分复用器在不同波长输入光入射时在输出面的光场分布。可以看出，输入波导的位置正好在衍射场分布包络的最低点处，这样进入到输入波导的光能很小，实现了低回损的目的。

进一步，我们叠加积分来得到输出通道的频谱响应：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=|\underset{\mathrm{oulput}}{\∫}{E}_{\mathrm{oul}}(P^{\′},\mathrm{\λ})E_{\mathrm{eigen}}^{\·}(P^{\′},\mathrm{\λ})\mathrm{dy}{|}^2...\left(10\right)$

这里E_eigen(P’，λ)是输出波导的本征模场分布。为了与未经过低回损设计的普通蚀刻衍射光栅波分复用器比较，这里给出两个对比设计。这两个光栅与低回损蚀刻衍射光栅保持相同的n_eff，m，R，θ_i值，其中第一个光栅使λ₀＝λ_m＝1.5934μm反射聚集到输入点，即θ_d0＝θ_i，此时入射光可以完全耦合回到入射波导；第二个光栅的输出无像差点偏离0值点，θ_d0＝0.7604(43.5670度)而且耦合回到输入波导的波长λ_m＝1.5724。

图4所示是低回损设计的蚀刻衍射光栅波分复用器与两种未采用低回损设计(聚集到入射点的设计，和普通无低回损的设计)的蚀刻衍射光栅波分复用器在输入波导处光场分布的比较。可以看出聚集到入射点的设计所得的场强分布最大，因为几乎所有的入射光都进入输入波导；普通无低回损设计所得光场强度分布略低，但还是会形成较大回损；而低回损设计所得光强大大低于前两者，回损得以有效降低。

图5所示是低回损设计的蚀刻衍射光栅波分复用器与两种未采用低回损设计(聚集到入射点的设计，和普通无低回损的设计)的蚀刻衍射光栅波分复用器在输入波导中频谱响应的比较。从频谱分布的最高点看出，出聚集到入射点的设计所得回损为接近0dB，普通无低回损设计所得回损为-3.7dB，远远不能满足低回损要求；而低回损设计所得回损为-47.7dB，最大限度的降低了回损。

Claims (1)

1.一种低回损蚀刻衍射光栅波分复用器，包括输入波导(1)，输出波导(2)，蚀刻光栅(3)，自由传播区域(4)；输入波导(1)和输出波导(2)的入射点和出射点位于同一半径的圆A上，而蚀刻光栅(3)位于以2倍圆A半径为半径，且与圆A相内切的圆B上，蚀刻光栅的中心在两圆的切点上；其特征在于：

1)蚀刻光栅(3)的每一个反射齿面(7)的朝向都由入射光方向和出射光方向确定，使入射光反射到同一个输出无像差点位置(6)；

2)所述的输入波导(1)确定的入射点位置(5)和输出波导(2)的无像差点位置(6)满足关系θ_d0＝θ_i-arcsin(2tgθ_i/m)，使得入射点位置(5)在衍射光分布包络的最小值处；式中θ_d0是输出无像差点位置相对于蚀刻光栅的衍射角，θ_i是入射点位置相对于蚀刻光栅的入射角，m是光栅的衍射阶数。

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