專利名稱：平頂型通帶波分復(fù)用器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光通信波分復(fù)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有平頂型通帶的波分復(fù)用器件。
背景技術(shù)：
波分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)是現(xiàn)代光纖通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。波分復(fù)用/解復(fù)用就是指通過特殊的技術(shù)，將不同波長的光合成復(fù)合光，以及將復(fù)合光中不同波長的光分離出來。波分復(fù)用(解復(fù)用)器件就是實現(xiàn)波分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)的器件。衍射蝕刻光柵是一種非常典型的集成型波分解復(fù)用器件，和其他的波分解復(fù)用器相比，衍射蝕刻光柵具有集成度高，體積小，波長分辨率高等優(yōu)勢。另一種典型的集成型波分復(fù)用/解復(fù)用器件為陣列波導(dǎo)光柵。
現(xiàn)有技術(shù)中的蝕刻衍射光柵由輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、衍射光柵、輸出波導(dǎo)組成。復(fù)合光從輸入波導(dǎo)入射，進入自由傳輸區(qū)自由發(fā)散傳播，經(jīng)過衍射光柵衍射之后，由于光柵不同齒之間存在相位差，再次通過自由傳播區(qū)聚焦，將各波長的光聚焦在成像曲面上不同的位置，并由輸出波導(dǎo)輸出，實現(xiàn)色散功能，即將不同波長的光分離開來，實現(xiàn)波分解復(fù)用的功能。傳統(tǒng)設(shè)計中相鄰光柵齒之間對于入射中心和出射中心的距離和的光程差為波長的整數(shù)倍(該倍率為光柵的衍射級次)。
現(xiàn)有技術(shù)中的陣列波導(dǎo)光柵，由輸入波導(dǎo)、自由傳輸區(qū)、陣列波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)組成。復(fù)合光從輸入波導(dǎo)入射，進入自由傳輸區(qū)自由發(fā)散傳輸，然后耦合到波導(dǎo)陣7中各條陣列波導(dǎo)，相鄰陣列波導(dǎo)存在一定長度差；從而對各波長的光產(chǎn)生不同的位相差，實現(xiàn)光柵的色散功能。經(jīng)過第二個自由傳輸區(qū)后，不同波長的光會聚于像面上不同點，將輸出波導(dǎo)置于相應(yīng)的位置，即可將不同波長的光分離出來，實現(xiàn)波分解復(fù)用的功能。傳統(tǒng)設(shè)計中相鄰陣列波導(dǎo)之間對于入射中心和出射中心的距離以及波導(dǎo)長度的和的光程差為波長的整數(shù)倍(該倍率為陣列波導(dǎo)光柵的衍射級次)。
在現(xiàn)有技術(shù)中波分復(fù)用/解復(fù)用器(包括衍射蝕刻光柵、陣列波導(dǎo)光柵)的帶通是高斯型，當信道的實際波長偏移設(shè)計中心波長時，器件對該信道的傳輸透過效率將迅速下降。這種很強的波長選擇性使得傳統(tǒng)的波分復(fù)用器件對通信系統(tǒng)中的信道光源波長的精度有非常高的要求。但是在實際情況中，大量的外部因素可能使工作波長發(fā)生漂移(包括光源本身的漂移，溫漂，折射率變化等等)，這大大的限制了波分復(fù)用/解復(fù)用器件的應(yīng)用。
解決波分復(fù)用/解復(fù)用器件通帶平坦化對提高實際系統(tǒng)效率有著巨大的意義和價值。因此，很多方法被提出用來實現(xiàn)波分復(fù)用器件頻譜平坦化。目前來實現(xiàn)波分復(fù)用器件頻譜平坦化有如下幾種方法1)基于輸入結(jié)構(gòu)的優(yōu)化如美國專利No.5,706,377.公開的方法是利用Y分支實現(xiàn)頻譜平坦化。Y分支中的尖角將增大器件的插損。
2)基于光柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
如美國專利No.5,926,587.公開的方法是利用兩個級聯(lián)光柵的方法實現(xiàn)頻譜平坦化。
在美國專利Patent No.6,298,186.公開的方法是使用迭代算法，用IFFT對光柵齒進行調(diào)整來達到預(yù)期希望的平坦化頻譜響應(yīng)。
3)基于輸出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化如M.R.Amersfoort等人發(fā)表的題為“Phased-array wavelengthdemultiplexer with flattened wavelength response”，Electron.lett.，1994，30，(4)，pp.300-302的文章中，采用多模輸出波導(dǎo)實現(xiàn)了頻譜平坦化，但這種方法只適合于波分復(fù)用/解復(fù)用器件直接與探測器連接使用的場合。
以上大部分的平坦化設(shè)計往往只是展寬了寬帶中心部分，對于頻譜響應(yīng)的邊緣部分下降仍然和傳統(tǒng)型相同。另外，大部分的平坦化設(shè)計使得在成像面上的像發(fā)生展寬，因此要求增加器件的尺寸，以擴大相鄰輸出信道之間的距離，這對于高通道波分復(fù)用器件是非常不利的。采用IFFT算法通過微調(diào)光柵實現(xiàn)頻譜響應(yīng)平坦化的方法比較耗費時間，同時具有結(jié)果不確定的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種通帶平、低串擾、頻譜響應(yīng)特性良好的平頂型通帶波分復(fù)用器件。本實用新型的目的是采用這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的它包括輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、衍射光柵和輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)位于自由傳播區(qū)的一側(cè)，衍射光柵位于自由傳播區(qū)的另一側(cè)，光柵不同齒之間有一定的相位差，其特征在于每個光柵齒中心位置在原有基礎(chǔ)上作微小的修整，修整的方向一般垂直于光柵齒面，光柵齒中心位置的修整幅度滿足公式r1n+r2n＝r10+r20+n·m·λ+f(θn)/k；其中k為光在自由傳播區(qū)的波矢。
本實用新型的目的還可采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)它包括依次設(shè)置的輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、陣列波導(dǎo)、自由傳播區(qū)和輸出波導(dǎo)，陣列波導(dǎo)位于兩個自由傳播區(qū)之間，相鄰陣列波導(dǎo)之間有一定的長度差和相位差，其特征在于陣列波導(dǎo)長度滿足ln＝l0+n·m·λ+f(θn)/k。
由于本實用新型所確定的光柵齒中心位置和陣列波導(dǎo)長度克服了現(xiàn)有技術(shù)中兩種光柵所存在的缺陷，它能得到的頻譜響應(yīng)具有平坦通帶，陡峭邊緣，低串擾等優(yōu)良性能。同時具有不展寬成像寬度、器件結(jié)構(gòu)緊湊的特點。


圖1本實用新型的結(jié)構(gòu)原理圖之一圖2本實用新型的工作結(jié)構(gòu)示意圖之一圖3本實用新型的衍射蝕刻光柵齒工作原理示意圖圖4本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖之二圖5本實用新型的局部結(jié)構(gòu)示意圖圖6本實用新型的空間相位調(diào)制函數(shù)曲線圖圖7本實用新型的調(diào)制函數(shù)參量對相對-1dB帶寬變化等高線圖圖8本實用新型的調(diào)制函數(shù)參量對紋波變化等高線圖圖9本實用新型的調(diào)制函數(shù)參量對品質(zhì)因素變化等高線圖圖10公知技術(shù)和本實用新型的三個中心信道頻譜響應(yīng)曲線比較圖
具體實施方式
參照附圖本實用新型包括輸入波導(dǎo)1、自由傳播區(qū)2、衍射光柵3和輸出波導(dǎo)4，輸入波導(dǎo)1和輸出波導(dǎo)4位于自由傳播區(qū)2的一側(cè)，衍射光柵3位于自由傳播區(qū)2的另一側(cè)，衍射光柵3不同齒之間有一定的相位差，每個光柵齒中心位置在原有基礎(chǔ)上作微小的修整，修整的方向一般垂直于光柵齒面，第n個光柵齒中心位置的修整幅度滿足公式r1n+r2n＝r10+r20+n·m·λ+f(θn)/k；其中k為光在自由傳播區(qū)的波矢。
根據(jù)基爾霍夫—惠更斯衍射公式，光柵成像面上的場分布能夠?qū)懗蒃out(x,z)=121λΣn∫nthfacetEg(x′,z′)r2(cosθi+cosθd)e-ikr2ds′,----(1)]]>其中λ是光在芯層介質(zhì)中的波長，k=2πλ]]>為波數(shù)，r2為光柵上點P′(x′，z′)到輸出點的距離，θi和θd分別為光相對于每個光柵齒的入射角和衍射角，光柵上的光場分布能夠近似表示為Eg(x′,z′)=121λ∫Ein(x,zin)r1(1+cosθ)e-ikridx----(2)]]>其中r1為輸入波導(dǎo)端面一點P(x，zin)到光柵上點P′(x′，z′)距離，θ為PP′和入射波導(dǎo)端面垂線的夾角。
傳統(tǒng)設(shè)計中，每個齒中心位置需滿足r1n+r2n＝r10+r20+n·m·λ其中，r1n，r2n分別表示第n個光柵齒到入射中心和出射中心的距離。這樣，每個齒對成像的貢獻總是相位相同，即相長的。
空間相位調(diào)制即是要對方程(2)的求和項中添加一個響應(yīng)的相位調(diào)制函數(shù)etf(0)。使得各個光柵齒對成像的貢獻不再是簡單的相長疊加關(guān)系。
通過對光柵齒面位置進行的微調(diào)，使得方程(1)和(2)均發(fā)生微小的相位變化。為了使得一個光柵齒上各點得到的相位變化量均衡，一般選取位移方向沿著光柵齒垂線的方向。這樣，當輸入和輸出點對應(yīng)光柵中心的角度相差不大時，方程(3)中的每一個齒面上各點發(fā)生的相位變化幾乎相等。
對于單個光柵齒，其按照上述方向發(fā)生移動Δr距離，發(fā)生的相位差為Δφ=2πΔr(1cosθi+1cosθd)λ----(3)]]>當每個齒的位移量滿足Δrn=f(θn)λ2π(1cosθi+1cosθd)----(4)]]>時，實際輸出光場便能夠近似表示為Eout(x,z)=121λΣn=1Neif(θn)∫nthfacetEg(x′,z′)r2(cosθi+cosθd)e-ikr2ds′----(5)]]>當每個光柵齒移動量在一個波長范圍之內(nèi)時，方程(1)的積分部分改變可以忽略不計。同時，由于相位調(diào)制項 是周期為2π的函數(shù)，因此，能夠把任何的調(diào)制函數(shù)f(θ)的值等效在[-π，π]的范圍之內(nèi)。此時，光柵齒的位移量就能夠基本同時滿足方程(1)的積分部分不變的要求和所需要的相位調(diào)制；在圖4、圖5中，本實用新型包括依次設(shè)置的輸入波導(dǎo)5、自由傳播區(qū)6、陣列波導(dǎo)7、自由傳播區(qū)8和輸出波導(dǎo)9，所述陣列波導(dǎo)7位于兩個自由傳播區(qū)6、8之間，相鄰陣列波導(dǎo)之間有一定的長度差和相位差，陣列波導(dǎo)長度滿足ln＝l0+n·m·λ+f(θn)/k。
在陣列波導(dǎo)入口處的光場分布也可以視為輸入場的遠場分布Egm(x′,z′)=1212∫Ein(x,zin)r1(1+cosθ)e-ikr1dx----(6)]]>其中λ是光在芯層介質(zhì)中的波長，k=2πλ]]>為波數(shù)，r1為輸入波導(dǎo)端面一點P(x，zin)到光柵上點P′(x′，z′)距離，θ為PP′和入射波導(dǎo)端面垂線的夾角。
光場被耦合到波導(dǎo)陣列的每一條波導(dǎo)中，傳輸?shù)降诙€自由傳播區(qū)，然后再次發(fā)生遠場衍射，根據(jù)不同波長在不通的輸出位置上成像。這個過程能夠表示成Eout(x,z)=121λΣn∫nthwaveguideEgout(x′,z′)r2(1+cosθd)e-ikr2ds′----(7)]]>其中r2為光柵上點P′(x′，z′)到輸出點的距離，θd分別為光相對于每條波導(dǎo)對出射點的角度。
傳統(tǒng)設(shè)計中陣列波導(dǎo)中每條波導(dǎo)的長度可以表示成ln＝l0+n·m·λ(8)其中，l0為中心波導(dǎo)長度，n和m分別表示波導(dǎo)的序號和陣列波導(dǎo)光柵的衍射級。當陣列波導(dǎo)的每一個波導(dǎo)長度發(fā)生變化Δln時，方程(5)上便可以重新寫成Eout(x,z)=121λΣneikΔln∫nthwaveguideEgout(x′,z′)r2(1+cosθd)e-ikr2ds′----(9)]]>這樣，選取適當?shù)摩n，使之滿足Δln＝f(θn)/k (10)便可以實現(xiàn)相位調(diào)制。因此，對于陣列波導(dǎo)光柵，空間相位調(diào)制能夠方便的通過對波導(dǎo)陣列7中不同波導(dǎo)進行長度修整而實現(xiàn)。
對于調(diào)制函數(shù)f(θ)，可選取其初始函數(shù)為f(θ)＝|Asinθ|P(11)其中A和P分別為相位調(diào)制強度和相位調(diào)制指數(shù)。但是這樣的相位調(diào)制將產(chǎn)生很惡劣的紋波和下降邊緣。為了在獲得寬通帶的同時也能夠獲得低紋波(定義為通帶內(nèi)極大值和極小值之間的最大差值)和陡峭的邊緣，在初始函數(shù)的基礎(chǔ)上增加了一個振蕩符號項(-1)n，其中，n代表第n個光柵齒。由此，光柵輸出光場能夠?qū)懗蒃out(x,z)=121λΣne′(-1)n|Asinθ|P∫nthfacetEg(x′,z′)r2(cosθi+cosθd)e-ikr2ds′----(12)]]>因此，最終選取的相位調(diào)制函數(shù)能夠?qū)懗扇缦滦问絝(θn)＝(-1)n|Asinθ|P(13)該相位調(diào)制函數(shù)由兩個參數(shù)決定相位調(diào)制強度A和相位調(diào)制指數(shù)P，另外還有一個振蕩項(-1)n。圖6表示了當A＝23，P＝1.8時空間相位調(diào)制函數(shù)曲線以及各個角度對應(yīng)的調(diào)制值大小。
對于相位調(diào)制函數(shù)的確定，也可以用不同的相位調(diào)制強度A和相位調(diào)制指數(shù)P確定的函數(shù)的線性組合來獲得。
光柵上的電場分布能夠看成是輸入光場的遠場衍射分布，或者說是輸入場的加權(quán)(權(quán)重因子為e-ikr1n/r1n]]>)傅立葉變換空間譜分布。對于一般的基模輸入場來說，能夠近似表達為一個高斯函數(shù)。其空間譜分布為G(u)=(2πω02)14e-π2ω02u2,----(14)]]>其中u＝sinθ/λ.其指數(shù)部分能夠更進一步寫成π2ω02u2=(πω0λsinθ)2.----(15)]]>當設(shè)定相位調(diào)制強度A為因子πω0/λ的線性函數(shù)時，本實用新型產(chǎn)生的相對帶寬增長比(Δλ-Δλ0)/Δλ0(其中Δλ和Δλ0分別代表應(yīng)用相位調(diào)制前后的通帶帶寬)將能夠避免輸入基模模場寬度以及中心工作波長變化的影響。在圖7中，相位調(diào)制強度A和相對帶寬增長比(Δλ-Δλ0)/Δλ0呈線性關(guān)系。因此，相位調(diào)制強度可以寫成下面的表達式A≈Cπω0λ(Δλ-Δλ0)Δλ0----(16)]]>其中，C為一個和帶寬定義有關(guān)的常數(shù)(對于-1dB帶寬來說其典型取值約為0.85)。在圖8中，相位調(diào)制強度A和通帶波紋呈正比關(guān)系不同的調(diào)制指數(shù)P將導(dǎo)致不通的頻譜響應(yīng)曲線輪廓?？偟膩碚f，當相位調(diào)制指數(shù)P較小時，產(chǎn)生的頻譜響應(yīng)的通帶能夠得到展寬，但是當通帶寬度超過一定限度后，其通帶中間部分將產(chǎn)生較為嚴重的紋波(主要表現(xiàn)為中心下陷)，同時頻譜響應(yīng)下降邊緣也比較緩慢(不利于降低串繞)。當相位調(diào)制指數(shù)P增大時，產(chǎn)生的頻譜響應(yīng)往往具有較平坦的中心通帶，同時通帶邊緣也更為陡峭。但是當通帶寬度增加時，大的調(diào)制指數(shù)P容易引起頻譜曲線具有很大的旁瓣(將引入較大的串繞)，這對于器件的整體性能來說也是非常不利的。一般，可用的相位調(diào)制指數(shù)P的范圍在0.0和4.0之間。
對于一個給定的帶寬要求，為了尋找合適的相位調(diào)制指數(shù)以達到最佳頻譜響應(yīng)，往往可以采用優(yōu)化方法來得到。在評價平坦化程度優(yōu)劣的時候，可以根據(jù)需要定義品質(zhì)因素η。這里，將η定義為-1dB帶寬和-31dB帶寬之比η=Δλ-1dBΔλ-31dB----(17)]]>對于嚴格高斯型響應(yīng)曲線來說，η的值為0.1794，對于理想的矩形響應(yīng)函數(shù)來說，η的值為1.0。一般說來，對于給定的P值，η首先隨著A的增加而增加(-1dB帶寬首先顯著增加)，然后突然跳躍下降(主要是由于旁瓣的大小超過-31dB)。圖9顯示了η隨A和P變化的等高線圖，其中一部分峰值點用“×”標記了。在實際設(shè)計中，對于一定的帶寬或者紋波要求，我們總是選取得那些峰值處的A和P作為參數(shù)進行空間相位調(diào)制，而獲得最佳的頻譜響應(yīng)。
衍射蝕刻光柵的對某一位置輸出波導(dǎo)的頻譜響應(yīng)函數(shù)可以表達為I=|∫F^wgEout(x,zc)dx|2∫Ein(x′)·Ein*(x′)dx′----(18)]]>其中，算子 表示輸出波導(dǎo)對光柵成像的耦合特性。
由于衍射蝕刻光柵的分光特性決定了在局部波長范圍內(nèi)，輸出位置和波長是呈線性變化的。同時假設(shè)對于一個信道間隔范圍內(nèi)的波長，其單模橫向場分布相同。對于輸出波導(dǎo)也為單模波導(dǎo)的傳統(tǒng)設(shè)計，衍射蝕刻光柵的頻譜響應(yīng)可由重疊積分公式求得I(λ)=|∫Eout(λ,x)·Ewg*(λ,x)dx|2∫Ein(λ,x′)·Ein*(λ,x′)dx′·∫Ewg(λ,x)·Ewg*(λ,x)dx----(19)]]>其中Eout是光柵在輸出面上的場分布，Ein和Ewg分別是輸入和輸出波導(dǎo)的模場分布函數(shù)。
在圖10中反映了本實用新型實現(xiàn)的平坦化頻譜(實線)和傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)的頻譜(虛線)。該圖實例為衍射蝕刻光柵，應(yīng)用的參數(shù)為

空間相位調(diào)制參數(shù)分別為A＝23，P＝1.5。兩者頻譜響應(yīng)的參數(shù)比較分別為

可以看到，應(yīng)用本實用新型之后，η比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增長了3.37倍，-1dB帶寬覆蓋了60％以上的信道間隔，串繞小于-35dB，紋波也控制在非常低的范圍內(nèi)，同時功率代價約為4.4dB。
權(quán)利要求1.一種平頂型通帶波分復(fù)用器件，它包括輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、衍射光柵和輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)位于自由傳播區(qū)的一側(cè)，衍射光柵位于自由傳播區(qū)的另一側(cè)，光柵不同齒之間有一定的相位差，其特征在于每個光柵齒中心位置在原有基礎(chǔ)上作微小的修整，修整的方向一般垂直于光柵齒面，光柵齒中心位置的修整幅度滿足公式r1n+r2n＝r10+r20+n·m·λ+f(θn)/k；其中k為光在自由傳播區(qū)的波矢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平頂型通帶波分復(fù)用器件，其特征在于所述衍射光柵的每個齒面作位移，其位移量由相位調(diào)制函數(shù)確定，相位調(diào)制函數(shù)表達式為f(θn)＝(-1)n|Asinθ|P其中A和P分別為相位調(diào)制強度和相位調(diào)制指數(shù)，標號n代表相應(yīng)第n個光柵齒，(-1)n.為振蕩項。在具體應(yīng)用時，f(θn)的值根據(jù)周期性原理取在[-π，π]之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平頂型通帶波分復(fù)用器件，其特征在于相位調(diào)制函數(shù)中的相位調(diào)制強度A可以表示成A≈Cπω0λ(Δλ-Δλ0)Δλ0]]>其中，ω0為入射場等效高斯束寬，λ為設(shè)計波長，(Δλ-Δλ0)/Δλ0為相對帶寬增長比(其中Δλ和Δλ0分別代表應(yīng)用相位調(diào)制前后的通帶帶寬)，C為一個和通帶帶寬定義有關(guān)的常數(shù)(對于-1dB帶寬來說其典型取值約為0.85)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平頂型通帶波分復(fù)用器件，其特征在于所述相位調(diào)制指數(shù)P決定了頻譜響應(yīng)曲線形狀，一般情況下P的范圍在0.0-4.0之間。
專利摘要本實用新型屬于光通信波分復(fù)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有平頂型通帶的波分復(fù)用器件。它包括輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、衍射光柵和輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)位于自由傳播區(qū)的一側(cè)，衍射光柵位于自由傳播區(qū)的另一側(cè)，光柵不同齒之間有一定的相位差，其特征在于每個光柵齒中心位置在原有基礎(chǔ)上作微小的修整，修整的方向一般垂直于光柵齒面，光柵齒中心位置的修整幅度滿足公式r
文檔編號G02B6/26GK2579094SQ02264878
公開日2003年10月8日 申請日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月18日
發(fā)明者石志敏, 何賽靈 申請人:石志敏, 何賽靈