CN202870343U

CN202870343U - 基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅

Info

Publication number: CN202870343U
Application number: CN 201220315061
Authority: CN
Inventors: 黄华茂; 胡海英
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2022-07-02

Abstract

本实用新型提供基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅，包括输入波导、耦合器、阵列波导、反射镜和输出波导，输入波导和输出波导位于耦合器的同一侧，阵列波导位于耦合器的另一侧；所述阵列波导由多根纳米线波导组成，每一根纳米线波导的一端与耦合器相连，另一端与一个反射镜相连；反射镜是由多模干涉器和环型波导构成的平面波导结构。本实用新型的反射式阵列波导光栅完全基于平面光波导工艺，而且宽度最窄的波导是单模波导，制作精度的要求与普通纳米线阵列波导光栅的要求完全一致。采用基于多模干涉器的反射镜，反射镜对波长和制备工艺的误差不敏感。阵列波导的结构设计灵活，可根据需要任意布局。

Description

基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅

技术领域

本实用新型涉及平面光波导集成器件领域，特别是涉及反射式阵列波导光栅。

背景技术

阵列波导光栅基于平面光波导技术，具有波长间隔小、通道数大、通道损耗均匀、尺寸小、易于集成、便于批量生产等优点，被认为是最适合用于大容量的密集波分复用系统的关键器件。阵列波导光栅的小型化一直是一个重要的研究课题。

目前应用最为广泛的阵列波导光栅基于硅基二氧化硅材料系统，典型尺寸在10cm²数量级。随着大规模集成器件的发展，器件的小型化是必然趋势。增大波导芯层和包层的折射率差可将光限制在更小的波导内，在相同的弯曲损耗下可减小波导的弯曲半径，在相同的串扰下可减小阵列波导的间隔，从而减小器件的尺寸。在基于硅纳米线的阵列波导光栅中，典型尺寸约为100μm²量级。

图1是一个典型的4×4的硅纳米线阵列波导光栅。其工作原理可描述如下。某一波长的光从输入波导1输入，在输入耦合器2中发生衍射，扩束后的衍射光耦合进含有N个波导的阵列波导3。在阵列波导3中，各相邻波导的几何长度依次递增，在其中传输的光的相位也依次发生偏移。这N束不同相位的光在输出耦合器4中发生干涉，若在相长干涉的聚焦点处放置输出波导5，则该波长的光从输出波导5输出。对于一束包含多个波长的光，其传输过程类似，由于在阵列波导3中发生的相位偏移是波长的函数，不同波长的光发生相长干涉的聚焦点的位置也不同，只要在相应的聚焦点放置输出波导5即可输出不同波长的光。这样即可实现解复用功能：从某一通道输入复合光，不同波长的光束分别从不同的通道输出。由于光路可逆，只要将输入端口和输出端口反过来用，就可以实现复用功能：从不同通道输入的不同波长的光束，从同一通道输出。

由于阵列波导光栅的结构关于阵列波导3的中心线对称，可以在中心线处加入反射镜6，构成如图2所示的反射式阵列波导光栅。反射式阵列波导光栅的阵列波导3的长度减少至原来的一半，输入波导1和输出波导5位于阵列波导3的同一侧，且输入耦合器2和输出耦合器4重合。这种结构不仅减少了单个阵列波导光栅所占的面积，可在一个晶圆上生产更多数量的芯片，而且减少了宽度较窄的阵列波导3的长度，提高了器件制备的效率和良率。

反射镜是反射式阵列波导光栅的一个要点。目前已有文献公布的方案包括金属反射镜、多层介质薄膜反射镜、布拉格光栅反射镜和光子晶体反射镜。

金属反射镜是在阵列波导3的端面镀金属薄膜，例如Cr-Au薄膜。多层介质薄膜反射镜是在阵列波导3的端面镀多层介质薄膜，例如SiO₂/TiO₂多层薄膜。这两种反射镜都需要将阵列波导3的端面进行研磨、抛光、镀膜等多道工艺，不仅工艺复杂，价格昂贵，而且末端反射面的平整度和粗糙度对AWG的损耗、信道串扰和传输谱宽等性能影响很大。

布拉格光栅反射镜是在阵列波导3的末端制备布拉格光栅。由于布拉格光栅具有较高的色散，因此这种反射镜只适用于较窄的波长范围。

光子晶体反射镜是在阵列波导3的末端制备尺寸小于300nm的周期分布的孔，而且孔与孔之间的间隙小于200nm，利用光子晶体的禁带效应进行反射。这种结构的制作精度很高，对设备和操作人员的要求都高，不适于工业化生产。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅，本实用新型的反射式阵列波导光栅完全兼容平面光波导工艺、反射镜对波长和制作误差不敏感、阵列波导布局灵活，具体技术方案如下。

基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅，其包括输入波导、耦合器、阵列波导、反射镜和输出波导，输入波导和输出波导位于耦合器的同一侧，阵列波导位于耦合器的另一侧；所述阵列波导由多根纳米线波导组成，每一根纳米线波导的一端与耦合器相连，每一根纳米线波导的另一端均各自连接一个反射镜。

上述的反射式阵列波导光栅中，所述反射镜是由多模干涉器和环型波导构成的平面波导结构。

上述的反射式阵列波导光栅中，所述多模干涉器包括一根单模输入波导、两根单模输出波导和一个多模波导，单模波导与多模波导之间采用模式变换器；所述输入波导的一端通过一个模式变换器与多模波导的一端相连，另一端与阵列波导中的一根纳米线波导相连；所述两根单模输出波导均有一端各自通过一个模式变换器与所述多模波导的另一端相连，其中一根单模输出波导的另一端与环型波导的一端相连，另一根单模输出波导的另一端与环型波导的另一端相连。

上述的反射式阵列波导光栅中，所述模式变换器为平面波导，且从一端到另一端的宽度逐渐变小，宽度大的一端与多模波导连接。

上述的反射式阵列波导光栅中，所述环型波导由若干根弯曲波导连接而成，所述环型波导具有开口，开口的两端为所述两根单模输出波导与环型波导的连接处。

阵列波导的结构包括但不限于以下三种方案。

方案1：阵列波导中的波导相互平行。

方案2：阵列波导中的波导呈扇形分布。

方案3：阵列波导中的波导呈不规则分布。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用反射式阵列波导光栅，不仅减少了单个阵列波导光栅所占的面积，可在一个晶圆上生产更多数量的芯片，而且减少了宽度较窄的阵列波导的长度，提高了器件制备的效率和良率。

2、本实用新型完全基于平面光波导工艺，而且宽度最窄的波导是单模纳米线波导，制作精度的要求与普通纳米线阵列波导光栅的要求完全一致。

3、本实用新型采用基于多模干涉器的反射镜，反射镜对波长和制备工艺的误差不敏感。

4、本实用新型阵列波导的结构设计灵活，可根据需要任意布局。

附图说明

图1 典型的4×4的硅纳米线阵列波导光栅的结构示意图。

图2 本实用新型方案1的结构示意图。

图3 本实用新型方案2的结构示意图。

图4 本实用新型方案3的结构示意图。

图5 基于多模干涉器的反射镜的结构示意图。

图中，1、输入波导，2、耦合器，3、阵列波导，4、耦合器，5、输出波导，6、反射镜，7、单模输入波导，8、模式变换器，9、多模波导，10、模式变换器，11、单模输出波导，12、环型波导。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。

如图2，为基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅的一种结构示意图，包括输入波导1、耦合器2、阵列波导3、反射镜6和输出波导5。输入波导1和输出波导5位于耦合器2的同一侧，阵列波导3位于耦合器2的另一侧；所述阵列波导3由多根硅纳米线波导组成，每一根硅纳米线波导的一端与耦合器2相连，另一端与一个反射镜6相连。

相邻硅纳米线波导的长度差ΔL可表示为：

其中m是衍射级数，λ ₀是中心波长，n _eff是阵列波导的有效折射率。ΔL是普通阵列波导光栅的相邻硅纳米线波导的长度差的1/2。

对耦合器2的罗兰圆结构进行调整，可改进信道插入损耗的一致性。

阵列波导3的布局可根据需要任意设计，但是两根硅纳米线波导之间的最小距离应大于1.3μm。如图3所示，阵列波导呈扇形分布。如图4所示，阵列波导呈不规则分布。

如图5，反射镜6是由多模干涉器和环型波导12构成的平面波导结构。所述多模干涉器包括一根单模输入波导7、两根单模输出波导11和一个多模波导9，单模波导与多模波导之间采用模式变换器8和10；所述单模输入波导7的一端通过一个模式变换器8与多模波导9的一端相连，另一端与阵列波导3中的一根硅纳米线波导相连；所述两根单模输出波导11均有一端各自通过一个模式变换器10与所述多模波导9的另一端相连，其中一根单模输出波导11的另一端与环型波导12的一端相连，另一根单模输出波导11的另一端与环型波导12的另一端相连。所述模式变换器（8和10）为平面波导，且从一端到另一端的宽度逐渐变小，宽度大的一端与多模波导9连接。所述环型波导12由若干根弯曲波导连接而成，环型波导12具有开口（即不封闭连接），开口的两端为所述两根单模输出波导与环型波导12的连接处。

本实例中的1×2多模干涉器基于对称干涉理论设计，多模波导9的宽度W _M为：

Figure DEST_PATH_RE-156196DEST_PATH_IMAGE002

其中w _s是多模干涉器的两根单模输出波导11之间的距离，w _s大于1.3μm。两根单模输出波导11的位置x _p约为：

多模波导9的长度L _M约为：

Figure DEST_PATH_RE-40975DEST_PATH_IMAGE004

其中n _Si是硅材料的折射率。x _p和L _M的精确值可通过数值方法仿真后确定。

为降低多模干涉器的插入损耗，可在单模波导与多模波导9之间采用宽度逐渐变化的波导作为模式变换器，波导在z处的宽度W应满足：

其中W ₀是波导最窄处的宽度，λ _eff是在z处的有效波长。W(z)满足但不限于如下曲线形式：直线、抛物线、双曲线、二次曲线。

环型波导12由若干根曲率半径大于3μm的硅纳米线弯曲波导连接而成。为进一步降低弯曲波导的辐射损耗，可增大弯曲波导的曲率半径。

本实用新型基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅的工作过程如下。某一波长的光从输入波导1输入，在耦合器2中发生衍射，扩束后的衍射光耦合进含有N个纳米线波导的阵列波导3。各纳米线波导的光分别进入一个多模波导9，通过多模干涉在多模波导9的末端形成两个等光强的像；这两个像分别耦合到多模干涉器的一个单模输出波导11，经由环型波导12又进入多模波导9；由于光路可逆，这两束光在多模波导9的输入端组合成一束光，并耦合到多模干涉器的单模输入波导7；从而将从该阵列波导输入的光反射回去，并沿原路返回。在阵列波导3中，各相邻波导的几何长度依次递增，在其中传输的光的相位也依次发生偏移。这N束不同相位的光在耦合器2中发生干涉，从相应的输出波导5输出。对于一束包含多个波长的光，其传输过程类似，由于在阵列波导3中发生的相位偏移是波长的函数，不同波长的光发生相长干涉的聚焦点的位置也不同，从相应的输出波导5输出即可实现解复用功能。由于光路可逆，只要将输入端口和输出端口反过来用，就可以实现复用功能。

Claims

1.基于多模干涉器反射镜的反射式阵列波导光栅，包括输入波导、耦合器、阵列波导、反射镜和输出波导，其特征是输入波导和输出波导位于耦合器的同一侧，阵列波导位于耦合器的另一侧；所述阵列波导由多根纳米线波导组成，每一根纳米线波导的一端与耦合器相连，每一根纳米线波导的另一端均各自连接一个反射镜。

2.如权利要求1所述的反射式阵列波导光栅，其特征在于所述反射镜是由多模干涉器和环型波导（12）构成的平面波导结构。

3.如权利要求2所述的反射式阵列波导光栅，其特征在于所述多模干涉器包括一根单模输入波导、两根单模输出波导（11）和一个多模波导，单模波导与多模波导之间采用模式变换器；所述输入波导的一端通过一个模式变换器与多模波导的一端相连，另一端与阵列波导中的一根纳米线波导相连；所述两根单模输出波导（11）均有一端各自通过一个模式变换器（10）与所述多模波导的另一端相连，其中一根单模输出波导（11）的另一端与环型波导（12）的一端相连，另一根单模输出波导（11）的另一端与环型波导（12）的另一端相连。

4.如权利要求3所述的反射式阵列波导光栅，其特征在于所述模式变换器为平面波导，且从一端到另一端的宽度逐渐变小，宽度大的一端与多模波导连接。

5.如权利要求2所述的反射式阵列波导光栅，其特征在于所述环型波导（12）由若干根弯曲波导连接而成，所述环型波导（12）具有开口，开口的两端为所述两根单模输出波导与环型波导（12）的连接处。