一種通道損耗均勻且通帶響應(yīng)平坦的蝕刻衍射光柵器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及集成蝕刻衍射光柵器件，具體涉及一種通道損耗均勻且通帶響應(yīng) 平坦的蝕刻衍射光柵器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前用于光通信的集成光波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器件主要有陣列波導(dǎo)光柵(arrayed waveguide grating，簡稱AWG)和蝕刻衍射光概（etched diffraction grating，簡稱EDG) 兩種。其中蝕刻衍射光柵具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、受工藝容差影響小、可靠性高能優(yōu)點。N X N的EDG波長路由器可以通過N個波長實現(xiàn)N個輸入和輸出通道間的N2個鏈路連接，大大提 高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量，是全光路由系統(tǒng)的重要組成部件。然而，由于EDG波長路由器自由 光譜范圍（Free Spectral Region，簡稱FSR) -般較小，光柵齒面尺寸大，各輸入輸出通道 組合的插入損耗非均勻性大（如N = 4時所有鏈路間最大最小損耗相差約5dB)，而在通信中 一般要求輸出通道間的插入損耗非均勻性小于ldB，這就大大影響了 EDG波長路由器的可用 通道數(shù)。因此提高EDG波長路由器的插入損耗均勻性十分重要。同時，EDG的通道頻譜帶寬也 是其主要性能之一，頻譜帶寬的增加即頻譜平坦化對放寬通信系統(tǒng)波長控制要求，克服環(huán) 境溫度改變等具有重要意義。
[0003] 目前針對陣列波導(dǎo)光柵，已報導(dǎo)的提高輸出通道均勻性的技術(shù)主要有:擴大路由 器FSR并拋棄邊緣損耗較大通道、在輸出波導(dǎo)出加入特殊結(jié)構(gòu)，改善陣列波導(dǎo)和輸出平板區(qū) 界面場分布等。S · Kamei等人（S · Kamei，et al，"64 X 64channe 1 uniform-loss and cyclic-frequency arrayed-waveguide grating router module，''Electron · Lett ·， vol. 39，no. 4，pp83-84，2003)通過設(shè)計一個比所需更大FSR的AWG，只使用FSR中間損耗相差 小的一部分實現(xiàn)通道損耗均勾。H.Lu等人（H.Lu，et al/'Cyclic arrayed waveguide grating devices with flat-top passband and uniform spectral response,， Photon · Techno 1 · Lett ·，vol · 20，No · 1，pp3_5，2008)通過在輸出波導(dǎo)前結(jié)合MMI和線性 taper結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了AWG的通帶響應(yīng)平坦和損耗均勾。J.C.Chen等人（J.C.Chen，et al，〃 Waveguide grating routers with greater channel uniformity，"Electron·Lett， vol · 33，no · 23，pp · 1951-1952，1997)通過在陣列波導(dǎo)的入口和出口處增加一段輔助波導(dǎo)來 改變陣列波導(dǎo)和輸出平板波導(dǎo)交界面上的模場分布，從而提高了各輸出通道的插入損耗均 勻性，同時也實現(xiàn)了通帶響應(yīng)平坦。國家實用新型專利(ZL201220558264)通過調(diào)整AWG中陣 列波導(dǎo)的方向分散光能量提高了其損耗均勻性。
[0004] 然而，以上提高陣列波導(dǎo)光柵各輸出通道間插入損耗均勻性的技術(shù)大多數(shù)是以需 要增加額外的器件或者增大器件尺寸為代價，這樣增加了器件制作工藝的復(fù)雜度，而且對 頻譜的形狀沒有改善。對于蝕刻衍射光柵波長路由器，現(xiàn)有技術(shù)有提出通過旋轉(zhuǎn)光柵齒面 來實現(xiàn)損耗均勻，但還沒有一種技術(shù)能夠?qū)ξg刻衍射光柵同時實現(xiàn)提高損耗均勻性和通帶 響應(yīng)的平坦。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 針對【背景技術(shù)】的不足，本實用新型的目的在于提出了一種通道間損耗均勻且通帶 響應(yīng)平坦的蝕刻衍射光柵器件，解決了傳統(tǒng)蝕刻衍射光柵各輸出通道插入損耗相差較大的 問題，同時通帶響應(yīng)平坦的設(shè)計可以放寬光通信系統(tǒng)中其他部分的性能要求。
[0006] 本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0007] 本實用新型主要由至少一條輸入波導(dǎo)、平板波導(dǎo)區(qū)、輸出波導(dǎo)陣列和光柵反射齒 面形成光路結(jié)構(gòu)，輸入波導(dǎo)的入射光經(jīng)平板波導(dǎo)區(qū)發(fā)散后被光柵反射面反射，再經(jīng)過平板 波導(dǎo)區(qū)后被輸出波導(dǎo)陣列接收，所述光路采用羅蘭圓結(jié)構(gòu);光柵反射齒面的每個齒面均由K 個離散點連接構(gòu)成并形成曲面，器件的光譜響應(yīng)通帶相應(yīng)分成K個離散點;光柵反射齒面上 每個離散點滿足下面的光柵衍射方程，以此實現(xiàn)通帶響應(yīng)平坦，同時使得光柵反射面的反 射方向偏移常規(guī)閃耀光柵反射方向，以達到損耗均勻的效果：
[0009] 其中，I為中心輸入波導(dǎo)與羅蘭圓圓周相交點，0為中心輸出波導(dǎo)與羅蘭圓圓周相 交點，中心輸出波導(dǎo)為位于輸出波導(dǎo)陣列中間的波導(dǎo)，P為光柵極點，G n,k表示第η個齒面上 第k個離散點，m為衍射級次，η表示光柵齒面的序數(shù)，2Ν+1為光柵齒面的總數(shù)量，k表示每個 齒面中離散點的序數(shù)，K表示每個齒面中離散點的總數(shù);為光柵齒面上離散點對應(yīng)的光譜 響應(yīng)通帶內(nèi)的離散點的波長，neffk為1!^的平板區(qū)有效折射率。
[0010] 優(yōu)選地，本實用新型可包含多條輸入波導(dǎo)，所述的中心輸入波導(dǎo)為位于多條輸入 波導(dǎo)中間的波導(dǎo)。
[0011] 優(yōu)選地，本實用新型可包含一條輸入波導(dǎo)，所述的中心輸入波導(dǎo)為該條輸入波導(dǎo)。
[0012] 所述每個齒面中所有離散點對應(yīng)的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的離散點的波長λ!^λ。為中心 在平坦通帶波長范圍λκ之內(nèi)從.

[0014] 其中，λ。表示所述器件的光譜響應(yīng)通帶的中心波長。
[0015] 所述的平坦通帶波長范圍值和通道間隔Λλ相關(guān)，滿足〇〈λκ〈Λλ。
[0016] 所述的輸入波導(dǎo)數(shù)量與輸出波導(dǎo)陣列中的輸出波導(dǎo)數(shù)量相同，構(gòu)成ΝΧΝ端口的光 波長路由器。
[0017] 所述器件的Ν個通道占據(jù)整個自由光譜范圍，即通道間隔為自由光譜范圍的1/Ν。
[0018] 所述的輸入波導(dǎo)只有一條，所述器件具有1個輸入通道和Ν個輸出通道，Ν個通道占 據(jù)的光譜范圍小于整個自由光譜范圍。
[0019] 本實用新型的光柵反射齒面上每個齒面的內(nèi)離散點分別對中心波長附近光譜響 應(yīng)通帶中一定波長的離散點滿足干涉加強條件，從而達到通帶響應(yīng)平坦化效果；同時在此 條件下光柵反射面成為中心點位置不變但反射方向偏移常規(guī)閃耀光柵反射方向的曲面，使 得經(jīng)平板區(qū)傳輸后，光能量在輸出波導(dǎo)陣列附近分散，同時提高了輸出通道的損耗均勻性； 通帶響應(yīng)平坦化和通道損耗均勻的程度由上述波長離散點的范圍決定。
[0020] 本實用新型具有的有益效果是：
[0021] 1.本實用新型在不增加器件尺寸和引入額外結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以提高各通道之間 的損耗均勻性，同時實現(xiàn)蝕刻衍射光柵各輸出通道通帶響應(yīng)平坦化。
[0022] 2.本實用新型適用于基于二氧化硅，磷化銦，硅等的各種材料的波導(dǎo)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 制作工藝與傳統(tǒng)的蝕刻衍射光柵器件相同，有制作簡單，成本低等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本實用新型器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2是傳統(tǒng)設(shè)計(虛線)和采用本實用新型所述方案設(shè)計(實線）的16X16蝕刻衍射 光柵路由器頻譜圖，入射通道為#1。
[0025] 圖3是傳統(tǒng)設(shè)計(虛線)和本實用新型所述方案設(shè)計(實線）的16X16蝕刻衍射光柵 路由器頻譜圖，入射通道為#8。
[0026] 圖4為不同λκ下仿真得到的中心輸入輸出通道ldB帶寬值。
[0027] 圖5為不同λκ下仿真得到的16X16通道組合損耗均勻性數(shù)值。
[0028] 圖6為不同λκ下仿真得到的中心輸入波導(dǎo)最大損耗值。
[0029] 圖7為傳統(tǒng)設(shè)計(虛線)和采用本實用新型所述方案設(shè)計(實線）的1X8蝕刻衍射光 柵頻譜圖。
[0030] 圖中：1、輸入波導(dǎo)，2、平板波導(dǎo)區(qū)，3、輸出波導(dǎo)陣列，4、光柵反射齒面，5、中心輸入 波導(dǎo)，6、中心輸出波導(dǎo)，7、羅蘭圓。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結(jié)合附圖和實例對本實用新型作進一步說明。
[0032] 如圖1所示，本實用新型由至少一條輸入波導(dǎo)1、平板波導(dǎo)區(qū)2、輸出波導(dǎo)陣列3和光 柵反射齒面4形成光路結(jié)構(gòu)，從輸入波導(dǎo)1入射的光經(jīng)平板波導(dǎo)區(qū)2發(fā)散后被光柵反射面4反 射，再經(jīng)過平板波導(dǎo)區(qū)2被輸出波導(dǎo)3接收，從輸入波導(dǎo)在平板波導(dǎo)區(qū)的入口端點到各光柵 反射面中心再到輸出波導(dǎo)在輸出平板波導(dǎo)區(qū)的出口的總光程成等差級數(shù)遞增。其光路采用 羅蘭圓7結(jié)構(gòu)，即輸入波導(dǎo)1和輸出波導(dǎo)陣列3均置于羅蘭圓7的圓周上，光柵反射齒面4位于 半徑為羅蘭圓7兩倍的圓上且與羅蘭圓7圓周相切。
[0033] 本實用新型在傳統(tǒng)蝕刻衍射光柵設(shè)計的基礎(chǔ)上，在光柵反射齒面4的每個齒面均 由Κ個離散點連接構(gòu)成并形成曲面，器件的光譜響應(yīng)通帶也相應(yīng)分成Κ個離散點；對于中心 輸入波導(dǎo)5和中心輸出波導(dǎo)6,光柵反射齒面4上每個離散點滿足下面的光柵衍射方程，從而 達到通帶響應(yīng)平坦化效果，同時使得光柵反射面4中心點位置不變但反射方向偏移常規(guī)閃 耀光柵反射方向，以達到損耗均勻的效果：
[0035]其中，I為中心輸入波導(dǎo)5與羅蘭圓7圓周相交點，0為中心輸出波導(dǎo)6與羅蘭圓7圓 周相交點，中心輸出波導(dǎo)6為位于輸出波導(dǎo)陣列3中間的波導(dǎo)，Ρ為光柵極點，Gn,k表不第η個 齒面上第k個離散點，m為衍射級次，η表示光柵齒面的序數(shù)，2Ν+1為光柵齒面的總數(shù)量，k表 示每個齒面中離散點的序數(shù)，K表示每個齒面中離散點的總數(shù);為光柵齒面上離散點對應(yīng) 的光譜響應(yīng)通帶內(nèi)的離散點的波長，neffi為h的平板區(qū)有效折射率。
[0036] 確定了所以Gn,k的位置之后，光柵齒面4即由這些點的連線組成。圖中光柵反射齒 面4處虛線代表傳統(tǒng)設(shè)計的光柵平面齒面，實線代表本實用新型設(shè)計的曲面光柵齒面。平板 波導(dǎo)區(qū)2內(nèi)的虛線表示傳統(tǒng)設(shè)計中從中心輸入波導(dǎo)5傳播到光柵反射齒面4再經(jīng)光柵反射齒 面4反射傳播到輸出波導(dǎo)區(qū)域的光線，實線表示本實用新型設(shè)計中經(jīng)光柵齒面4反射后傳播 到輸出波導(dǎo)區(qū)域的光線。
[0037] 上述每個齒面中所有離散點的對應(yīng)的光譜響應(yīng)通帶內(nèi)的離散點的波