CN1837869A - 一种偏振非敏感的阵列波导光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振非敏感的阵列波导光栅。与传统阵列波导光栅不同，所述偏振非敏感的阵列波导光栅的光程差由阵列波导区和平板波导区的光程差共同组成，利用平板波导区的双折射性质来补偿阵列波导区的双折射性质。平板波导区和阵列波导区的交界曲线中心的切线与平板波导区的光轴的夹角为大于0°小于180°非90°的角度，该夹角根据平板波导区与阵列波导区的双折射性质差别决定。本发明在不改变传统阵列波导光栅各个组成部分，同时不引入额外器件的基础上，补偿了偏振色散，解决了传统偏振补偿方法造成的器件性能变差，结构复杂等问题，适用于基于二氧化硅、磷化铟和硅等各种波导材料和各种波导结构的阵列波导光栅，具有制作简单、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及波分复用技术领域，尤其涉及一种偏振非敏感的阵列波导光栅。
背景技术
进入21世纪后，信息产业得到了迅猛的发展，成为国家经济结构中的重要组成部分，其发展规模和水平业已成为衡量综合国力的重要指标。光通信产业是其主要组成部分之一，引领着信息通讯产业的发展方向。作为波分复用光通信系统中的核心部件之一，集成化的阵列波导光栅将得到越来越广泛的应用。
1988年，Smit提出一种新型集成光波导型波分复用/解复用器——阵列波导光栅(AWG)。经过多年的发展，作为光通信系统重要组成部分之一的AWG器件的性能日臻完善。目前尽管AWG器件已经广泛商用，但国内外(尤其是日本)对AWG设计和工艺的改进及其相应的物理基础研究仍十分活跃。目前我国在AWG等集成化的波分复用器件方面十分缺乏具有自主知识产权的创新成果，影响了我国在这个广泛应用的高端技术产品的国际竞争力。
偏振敏感性是AWG中的一个相当重要的问题。由于经过普通光纤传输后，信号光偏振态发生随机变化。因此对于光纤线路上的光器件来说，偏振非敏感非常重要。然而，由于波导中横电(TE)、横磁(TM)模的传输常数不同，引起TE模和TM模的光在成像面的像点发生偏移，从而使通道的频谱响应发生漂移，此即所谓偏振敏感性。由于现今的波分复用光通信系统正在向越来越小的波长通道间隔(从1.6nm到0.8nm，甚至更小)迈进，因此即使是一个很小的偏振相关波长偏移(例如0.3-0.4nm)也将造成很大的影响。
传统阵列波导光栅包括至少一条输入波导、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和至少一条输出波导。
传统阵列波导光栅中光从输入波导依次通过输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区传播至输出波导时经过阵列波导区中相邻两波导所对应的总光程差仅是在阵列波导区中的光程差naΔL，其中na是阵列波导区的有效折射率，ΔL是该相邻两波导的长度差。
同时传统阵列波导光栅的输入/输出平板波导区和阵列波导区的交界曲线中心的切线与输入/输出平板波导区的光轴相互垂直。
由于传统阵列波导光栅的阵列波导区的双折射性质，使得传统阵列波导光栅通常具有偏振敏感性。
目前，国内外已报导的偏振补偿技术主要有：半波片法、无双折射波导法、衍射级匹配法以及三角形补偿区法。
通过引入额外器件，可以消除集成光器件的偏振敏感性，在“Polarisation-insensitive arrayed-waveguide grating wavelength multiplexer onsilicon，”H.Takashi，Y.Hibino，and I.Nishi，Opt.Lett.，17(7)：499-501，1992这篇文章中提到的，在阵列波导光栅的阵列波导区域的中间插入半波片。但是由于额外器件的引入，不但会增加器件的复杂性和成本，也会降低器件其它性能，如插损增大。
由于引起双折射的原因主要是波导结构和材料本身引起的，一种简单有效的办法是采用偏振不敏感的波导结构。在“Polarization-independent InP arrayedwaveguide filter using square cross-section waveguides，”J.B.D.Sool，M.R.Amersforrt，H.P.Leblanc，N.C.Andreadakis，A.Raijhel，C.Caneau，M.A.Koza，R.Bhat，C.Youtseyand I.Adesida，Electron.Lett.，32：323-324，1996这篇文章中提到使用具有正方形截面的无双折射的波导。在“16 channel phased array wavelength multiplexer on InPwith low polarization sensitivity，”H.Bissessur，F.Gaborit，B.Martin，P.Pagnod-Rossiaux，J.L.Peyre and M.Renaud，Electron.Lett.，30：336-337，1994这篇文章中使用的是基于InP的层状结构波导，利用厚的包层以及低的包层和芯层折射率差来实现低双折射。但是这样便限制了实现AWG可使用的波导结构和材料，不具备普遍适应性。另外，低折射率差的InP层状结构波导实际中很难制作。对于常用的基于硅基二氧化硅材料的AWG，一种有效的方法是使用掺硼和磷的二氧化硅波导上包层，以控制应力引起的波导双折射。但这个方法需要精确地控制硼和磷的掺杂浓度，且需要兼顾多方面的因素，既要满足包层和芯层的折射率差要求，又要达到消双折射的要求，而且要使包层熔点尽可能低而容易实现高温再流工艺。这样严格的工艺要求而且需要使用剧毒的气体自然增加了器件的制作成本。
另一种消除偏振敏感性的方法是利用邻近的衍射级次来匹配不同的偏振，在“Polarization independent 8×8 waveguide grating multiplexer on InP，”M.Zimgible，C.H.Joyner，L.W.Stulz，Th.Gaigge and C.Dragone，Electron.Lett.，29：201-201，1993以及“Design and realization of polarization independentphased array wavelength demultiplexers using different array order for TE and TM，”L.H.Spiekman，M.R.Amersfoort，A.H.de Vreede，F.P.G.M.van Ham，A.Kuntze，J.W.Pedersen，P.Demeester和M.K.Smit，J.Lightwave Technol.，14：991-995，1996这两篇文章提到将TE和TM模式的通道频谱响应分别匹配到两个相邻的衍射级次，光栅的自由光谱范围(FSR)要和两个模式之间的波长差相等。这样，处于m衍射级的TE模才能和处于m-1衍射级的TM模重合。这个方法的一个主要缺陷在于，可用的FSR被偏振相关的波长偏移限制，而这波长偏移主要和波导结构相关，一般仅为几个纳米左右。因此，这种方法仅适用于大的偏振色散的情况，并且由于偏振色散对波导结构相当敏感，并且波导的生长具有非均匀性和不可重复性，因此准确的匹配是很难做到的。
在AWG的阵列波导区域加入三角形偏振补偿区也可以达到AWG偏振不敏感的目的。但是制作过程中，在“Polarization compensated waveguide grating routeron InP，”P.C.Chou，C.H.Joynerm and M.Zirngibl，Electron.Lett.，31：1662-1664，1995这篇文章中提到需要两次波导生长的步骤，而在“An improvedtechnology for eliminating polarization dispersion in integrated phasardemultiplexer，”C.G.M.Vreeburg，C.G.P.Herben，X.J.M.Leijtens，M.K.Smit，F.H.Groen，J.J.G.M.van der Tor and P.Demeester，Proc.23rd Conf.on OpticalComm.(ECOC’97)：3.83-3.86.这篇文章中提到需要两次刻蚀步骤。除了增加制作难度外，由于偏振补偿区波导的包层厚度变小，竖直方向的折射率差变小，使得相邻阵列波导间的耦合增强，导致位相误差变大。为了消除由于折射率差变小造成的弯曲散射损耗，偏振补偿的波导只能实施在直波导区域，于是需要额外的直波导，由此使得器件变大。
几年前，在“Polarization dispersion compensated AWG demultiplexerfabricated in a single shallow etching step”，J.-J.He，B.Lamontagne，and E.S.Koteles，Electron.Lett.35，pp.737-738，1999这篇文章中，本发明人提出一种适合InP材料的更好的偏振补偿方法，在AWG的平板波导区域加入偏振补偿区。这种方法无需任何额外器件的插入或是额外的制作步骤，可以在一步光刻中完成，因此降低了制作损耗，并且取得很好的实验结果，也适合基于平板波导结构的蚀刻衍射光栅器件。但是这种方法对于基于硅基二氧化硅材料的AWG不很合适，需要增加一个工艺步骤且影响器件的损耗性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种偏振非敏感的阵列波导光栅，解决了传统阵列波导光栅偏振补偿方法造成的器件性能变差，结构复杂等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种偏振非敏感的阵列波导光栅，包括至少一条输入波导、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和至少一条输出波导。光从输入波导依次通过输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区传播至输出波导时经过阵列波导区中相邻两波导所对应的总光程差由在阵列波导区中的光程差naΔL和在输入平板波导区和输出平板波导区至少一个中的光程差nsΔLs共同组成；该平板波导区和阵列波导区中的光程差以及由此决定的该平板波导区和阵列波导区的几何形状是根据使得该平板波导区的双折射与阵列波导区的双折射相补偿从而达到偏振非敏感而决定的。
进一步地，所述的输入平板波导区和输出平板波导区中至少有一个和阵列波导区的交界曲线中心的切线与该平板波导区的光轴的夹角为大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夹角根据该平板波导区与阵列波导区的双折射性质的差别而决定，所述夹角是一个使得该平板波导区的双折射与阵列波导区的双折射相补偿从而达到偏振非敏感的角度。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明所公开的一种偏振非敏感的阵列波导光栅结合了传统阵列波导光栅和蚀刻光栅的双重工作机制，利用平板波导区的双折射性质来补偿阵列波导区的双折射性质，工作原理简单，可以完全补偿阵列波导光栅固有的双折射，达到偏振非敏感的目的。
2.本发明所公开的一种偏振非敏感的阵列波导光栅和传统阵列波导光栅制作工艺完全兼容，不需要加入额外元件，不需要额外工艺步骤，不影响传统阵列波导光栅原有性能。
3.本发明所公开的一种偏振非敏感的阵列波导光栅可应用于不同材料、不同波导结构的阵列光栅器件，且具有制作简单、成本低等优点。
附图说明
图1是传统阵列波导光栅的结构示意图；
图2是传统阵列波导光栅的输入平板波导区域结构的放大示意图；
图3是本发明的一种偏振非敏感的阵列波导光栅的一种具体实施方式的结构示意图；
图4是本发明的一种偏振非敏感的阵列波导光栅的一种具体实施方式中输入平板波导区域结构的放大示意图；
图5是本发明实施例1的布局图；
图6是本发明实施例2的布局图。
图中：1、输入波导，2、输入平板波导区，3、阵列波导区，4、输出平板波导区，5、输出波导，6、输入面，7、输出面，8、输入平板波导区和阵列波导区的交界曲线，9、输出平板波导区和阵列波导区的交界曲线，10、输入平板波导区的光轴，11、输出平板波导区的光轴，12、中心输入波导，13、中心输出波导，14、第一个罗兰圆，15、第一个光栅圆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，传统阵列波导光栅包括至少一条输入波导1、输入平板波导区2、阵列波导区3、输出平板波导区4和至少一条输出波导5；输入平板波导区的光轴10是中心输入波导12与阵列波导区与输入平板波导区交界曲线8的中心点的连线，输出平板波导区的光轴11是中心输出波导13与阵列波导区与输出平板波导区交界曲线9的中心点的连线；6是由至少一条输入波导1末端构成的输入面，7是由至少一条输出波导5末端构成的输出面。这些结构都是集成在同一基底上。
传统阵列波导光栅中光从输入波导依次通过输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区传播至输出波导时经过阵列波导区中相邻两波导所对应的总光程差仅是由在阵列波导区中的光程差naΔL构成，其中na是阵列波导区的有效折射率，ΔL是该相邻两波导的长度差。
同时传统阵列波导光栅的输入/输出平板波导区和阵列波导区的交界曲线中心的切线与输入/输出平板波导区的光轴相互垂直。
图2为图1中输入平板波导区3的放大图，输出平板波导区4的结构与之类似。传统阵列波导光栅的输入/输出平板波导区和阵列波导区的交界曲线中心的切线与输入/输出平板波导区的光轴相互垂直。接着以罗兰圆结构为例来详细说明输入平板波导区。输入面6是在第一个罗兰圆14上，输入平板波导区和阵列波导区的交界曲线8是在一个比第一个罗兰圆14半径大一倍的第一个光栅圆15上，并且第一个光栅圆15与第一个罗兰圆14在阵列波导与输入平板波导区交界曲线8的中心点相切。输入平板波导区的光轴10与第一个罗兰圆14的直径，也就是第一个光栅圆15的半径重合。输入平板波导区和阵列波导区的交界曲线8中心的切线与输入平板波导区的光轴10相互垂直。输入/输出波导展开呈辐射状，并且各输入/输出波导连接平板波导区的一端以一定的中心间距均匀地排列在一个罗兰圆上。阵列波导中的每条波导正对中心输入/输出波导，均匀地排列在以中心输入/输出波导为圆心的光栅圆上。
传统阵列波导光栅满足如下衍射方程：nsdasinθi+naΔL+nsdasinθo＝mλ。其中，θi＝i·Δx/Lf，θo＝j·Δx/Lf。ns和na分别是输入/输出平板波导区和阵列波导区的有效折射率；θi和θo分别是输入和输出平板波导区的衍射角；da是阵列波导的间隔；ΔL是相邻阵列波导间的长度差；m是衍射级次；λ是入射波长；i和j分别代表第几根输入和输出波导；Δx是输入或输出波导间隔；Lf是平板波导区的长度。对于中心波长λc来说，它从中心输入波导输入，从中心输出波导输出，因此衍射角θi和θo均为零，则以上的衍射方程变为naΔL＝mλc。
引起双折射的原因主要是波导结构和材料本身引起的。由于双折射，使得阵列波导区的横电模(TE模)和横磁模(TM模)的有效折射率不一致，也就是说，na(TE)≠na(TM)。
那么，根据传统阵列波导光栅中心波长的衍射方程则分别对应TE模和TM模的频谱响应峰值必须满足：
由于阵列波导区TE模和TM模的有效折射率的不一致，从而导致偏振相关波长偏移PDλ(polarization dependent wavelength)，并且 其中阵列波导区的有效折射率差Δna＝na(TE)-na(TM)。
图3给出本发明的一种偏振非敏感阵列波导光栅的一种具体实施方式的结构示意图，光从输入波导1依次通过输入平板波导区2、阵列波导区3和输出平板波导区4传播至输出波导5时经过阵列波导区3中相邻两波导所对应的总光程差由在阵列波导区3中的光程差naΔL和在输入平板波导区2和输出平板波导区4至少一个中的光程差nsΔLs共同组成，其中ns是平板波导区的有效折射率，ΔLs是该相邻两波导在该平板波导区的长度差。该平板波导区和阵列波导区3中的光程差以及由此决定的该平板波导区和阵列波导区3的几何形状是根据使得该平板波导区的双折射与阵列波导区3的双折射相补偿从而达到偏振非敏感而决定的。
如图4所示，为图3中输入平板波导区3的放大图，输出平板波导区4的结构与之类似。和传统阵列波导光栅不同的在于，输入平板波导区2和输出平板波导区4中至少有一个和阵列波导区3的交界曲线中心的切线与该平板波导区的光轴的夹角为大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夹角根据该平板波导区与阵列波导区3的双折射性质的差别而决定，所述夹角是一个使得该平板波导区的双折射与阵列波导区3的双折射相补偿从而达到偏振非敏感的角度。以罗兰圆结构的输入平板波导区为例来详细说明。这里罗兰圆与光栅圆的设计与蚀刻光栅的几何构造类似。输入平板波导区的光轴10与第一个罗兰圆14的直径，也就是第一个光栅圆15的半径，不重合，而是成一个角度α。输入/输出波导展开呈辐射状，并且各输入/输出波导连接平板波导区域的一端以一定的间距非均匀地排列在罗兰圆弧上。阵列波导中的每条波导正对中心输入/输出波导，非均匀地排列在半径比罗兰圆弧大一倍的光栅圆弧上，此光栅圆弧与罗兰圆弧在阵列波导与平板波导区交界曲线的中心点处相切。
平板波导区的设计也可以采用平场设计。输入波导末端分布在输入平板波导区的一条直线上，输入平板波导区和阵列波导区的交界曲线是由输入面上两个输入点同时消象差的条件决定的；输出波导末端分布在输出平板波导区的一条直线上，输出平板波导区和阵列波导区的交界曲线是由输出面上两个波长的成像点同时消象差的条件决定的。
根据本发明，对应相邻阵列波导在输入/输出平板波导区域有长度差ΔLs，那么中心波长衍射方程就变成了c*nsΔLs+naΔL＝mλc，则分别对应TE模和TM模的频谱响应峰值满足下面的等式：
其中c的取值为0，1，2，分别代表在输入和输出平板波导区均不引入光程差，在输入/输出平板波导区域引入光程差和在输入和输出平板波导区域均引入光程差。
从而可以得到偏振相关波长偏移PDλ，
并且输入/输出平板波导区的有效折射率差Δns＝ns(TE)-ns(TM)。
这样根据PDλ的关系式，阵列波导光栅完全偏振补偿的条件λTE＝λTM，就变为
c*ΔnsΔLs+ΔnaΔL＝0
结合中心波长衍射方程就可以求得相应的阵列波导区和输入/输出平板波导区的长度差ΔL和ΔLs。
通过使平板波导区和阵列波导区的交界曲线与平板波导区的光轴成一非九十度的特定角度，就可在平板波导区产生长度差，并且在平板波导区引入的长度差ΔLs可正，可负。当特定角度为九十度时，平板波导区长度差为零，即成为传统阵列波导光栅。
下面给出本发明的二个实施例，假设下列参数已知，ns＝1.458041，na＝1.455253，λc＝1555.75nm，m＝36。输入/输出平板波导区和阵列波导区的偏振相关波长偏移(PDλ)分别为Δλs，Δλa，满足Δn/n＝Δλ/λ。并且以罗兰圆结构设计平板波导区，输入/输出平板波导区的光轴与罗兰圆的直径，也是光栅圆的半径，成的角度为α。
实施例1：
Δλs＝0.6nm，Δλa＝-0.2nm；Δns＝5.6232*10-4，Δna＝-1.8708*10-4
求解得到α＝28.695°，ΔLs＝4.802μm，ΔL＝28.865μm。
器件大小为36.667mm×17.969mm。
最后得到的偏振非敏感阵列波导光栅的布局如图5所示。为了清晰起见，图中没有画出全部的阵列波导，而是画出了部分阵列波导作为示意。
实施例2：
Δλs＝0.6nm，Δλa＝0.2nm；Δns＝5.6232*10-4，Δna＝1.8708*10-4
求解得到α＝-47.620°，ΔLs＝-9.603μm，ΔL＝57.729μm。
器件大小为36.589mm×16.280mm。
最后得到的偏振非敏感阵列波导光栅的布局如图7所示。为了清晰起见，图中没有画出全部的阵列波导，而是画出了部分阵列波导作为示意。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种偏振非敏感的阵列波导光栅，包括至少一条输入波导(1)、输入平板波导区(2)、阵列波导区(3)、输出平板波导区(4)和至少一条输出波导(5)，其特征在于，光从输入波导(1)依次通过输入平板波导区(2)、阵列波导区(3)和输出平板波导区(4)传播至输出波导(5)时经过阵列波导区(3)中相邻两波导所对应的总光程差由在阵列波导区(3)中的光程差naΔL和在输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)至少一个中的光程差nsΔLs共同组成，其中na是阵列波导区(3)的有效折射率，ΔL是在阵列波导区(3)中该相邻两波导的长度差，ns是该平板波导区的有效折射率，ΔLs是对应该相邻两波导的光路在该平板波导区中的长度差；该平板波导区和阵列波导区(3)中的光程差以及由此决定的该平板波导区和阵列波导区(3)的几何形状是根据使得该平板波导区的双折射与阵列波导区(3)的双折射相补偿从而达到偏振非敏感而决定的。
2.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于所述的阵列波导区(3)，输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)的几何形状是根据两个不同偏振态的光从输入波导(1)依次经过输入平板波导区(2)，阵列波导区(3)，输出平板波导区(4)传播到输出波导(5)所经过的总光程相等而决定的。
3.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于，所述长度差ΔL和ΔLs满足c*ΔnsΔLs+ΔnaΔL＝0，式中c的取值为1，2，分别代表在输入平板波导区(2)或者输出平板波导区(4)中引入长度差和在输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中均引入长度差，Δna为阵列波导区(3)的横电模TE和横磁模TM的有效折射率差，即Δna＝na(TE)-na(TM)；Δns为输入平板波导区(2)或者输出平板波导区(4)的TE模和TM模的有效折射率差，即Δns＝ns(TE)-ns(TM)。
4.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于所述的输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)中至少有一个和阵列波导区(3)的交界曲线中心的切线与该平板波导区的光轴的夹角为大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夹角根据该平板波导区与阵列波导区(3)的双折射性质的差别而决定，所述夹角是一个使得该平板波导区的双折射与阵列波导区(3)的双折射相补偿从而达到偏振非敏感的角度。
5.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于，所述的至少一条输入波导(1)末端构成的输入面(6)是在第一个罗兰圆(14)上，所述输入平板波导区(2)和阵列波导区(3)的交界曲线(8)是在一个比第一个罗兰圆(14)半径大一倍的第一个光栅圆(15)上，并且第一个光栅圆(15)与第一个罗兰圆(14)在阵列波导(3)与输入平板波导区(2)交界曲线(8)的中心点相切；所述至少一条输出波导(5)末端构成的输出面(7)是在第二个罗兰圆上，所述输出平板波导区(4)和阵列波导区(3)的交界曲线(9)是在一个比第二个罗兰圆半径大一倍的第二个光栅圆上，并且第二个光栅圆与第二个罗兰圆在阵列波导(3)与输出平板波导区(4)交界曲线(9)的中心点相切。
6.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于，所述的至少一条输入波导(1)末端构成的输入面(6)在第一条直线上，所述输入平板波导区(2)和阵列波导区(3)的交界曲线(8)是由输入面(6)上两个输入点同时消象差的条件决定的；所述至少一条输出波导(5)末端构成的输出面(7)在第二条直线上，所述输出平板波导区(4)和阵列波导区(3)的交界曲线(9)是由输出面(7)上两个波长的成像点同时消象差的条件决定的。
7.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于其对应阵列波导区(3)中不同阵列波导所经过的总光程差主要由阵列波导区(3)的光程差和输入平板波导区(2)的光程差共同组成。
8.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于其对应阵列波导区(3)中不同阵列波导所经过的总光程差主要由阵列波导区(3)的光程差和输出平板波导区(4)的光程差共同组成。
9.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于其对应阵列波导区(3)中不同阵列波导所经过的总光程差主要由阵列波导区(3)的光程差以及输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)的光程差共同组成。
10.根据权利要求1所述的一种偏振非敏感的阵列波导光栅，其特征在于所述的阵列波导光栅是基于硅基二氧化硅或氮氧化硅材料，所述的输入平板波导区(2)和输出平板波导区(4)的双折射与阵列波导区(3)的双折射主要是由应力引起的不同的双折射。
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