一種補償陣列波導(dǎo)光柵偏振敏感性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列波導(dǎo)光柵,具體涉及一種補償陣列波導(dǎo)光柵偏振敏感性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光通信技術(shù)領(lǐng)域,實現(xiàn)波分復(fù)用技術(shù)的器件有很多,主要有多層介質(zhì)薄膜波分 解復(fù)用器、光纖布拉格光柵波分解復(fù)用器、蝕刻衍射光柵波分解復(fù)用器和陣列波導(dǎo)光柵 (AWG :Arrayed Waveguide Grating)波分解復(fù)用器。相比于其他波分解復(fù)用器,AWG具有設(shè) 計靈活,插入損耗低,濾波特性良好,性能長期穩(wěn)定,以及易與光纖有效耦合等優(yōu)點。
[0003] 偏振敏感性問題一直是AWG應(yīng)用中十分關(guān)鍵的問題。由于信號光經(jīng)過普通單模光 柵傳輸后,偏振態(tài)將發(fā)生隨機變化。因此,對于光纖線路上的光器件來說,偏振不敏感就變 得非常重要。然而,在實際應(yīng)用中,光路上的光波導(dǎo)對于不同的入射偏振態(tài)常會表現(xiàn)出不同 的傳輸特性,這主要是波導(dǎo)中橫電模(TE)與橫磁模(TM)的傳播常數(shù)不同,引起TE模和TM 模的光在成像面上的像點發(fā)生偏移,即產(chǎn)生偏振相關(guān)波長漂移H) A S(H) A S:P〇larizati〇n Dependent wavelength Shift),從而使通道的頻譜相應(yīng)發(fā)生偏移,這就是所謂的陣列波導(dǎo) 光柵的偏振敏感性。該特性帶來的偏振相關(guān)波長漂移會對傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響,劣化傳 輸信號,增大光通信系統(tǒng)的誤碼率。因此,為了提高AWG的性能,它的偏振敏感性必須要消 除。
[0004] 目前,國內(nèi)外已經(jīng)報道的關(guān)于AWG的偏振補償技術(shù)主要有:無雙折射波導(dǎo)法、衍射 級次匹配法、偏振分束法、半波片法等。
[0005] 無雙折射波導(dǎo)法是采用偏正不敏感的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)降低AWG的偏振敏感性。 J. B. D. Soole等人考慮到引起波導(dǎo)雙折射的主要原因是波導(dǎo)結(jié)構(gòu),(J. B. D. Soole,et al. Polarisation-independent InP arrayed waveguide filter using square cross-section waveguides [J]. Electronics Letters,1996, Vol.32No. 4.)在此基礎(chǔ)上使 用具有正方形截面的無雙折射的波導(dǎo),消除AWG的偏振敏感性。但是此方法難以消除雙折 射性材料引起的AWG偏振敏感性。
[0006] 衍射級次匹配法是針對AWG中不同偏振態(tài)衍射級次的不同,通過改變AWG的波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)來降低AWG偏振敏感性。最近幾年,K.Maru等人(K Maru,et al.Silica-based 2.5 % -A arrayed waveguide grating using simple polarisation compensation method with core width adjustment[J]. Electronics Letters,2007,Vol. 43No. L )提 出改變在AWG陣列波導(dǎo)區(qū)上每根陣列波導(dǎo)的寬度,從而補償波導(dǎo)的偏振敏感性。但是此方 法只能夠部分補償波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的雙折射性,而對于材料雙折射性的補償能力有限。鄒 俊等人(Z Jun, et al. Ultra-Compact Birefringence Compensated Arrayed Waveguide Grating Triplexer Based on Silicon-On-Insulator[J]?Journal of Lightwave Technology,2013, VOL. 31,NO. 12.)對不同偏振態(tài)的光束使用不同的陣列波導(dǎo)區(qū)衍射級次 并結(jié)合平板波導(dǎo)區(qū)的幾何雙折射性來補償陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性。但是,在平板波導(dǎo)區(qū)中 兩種偏振態(tài)的分離是通過改變平板波導(dǎo)區(qū)幾何結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的,這會降低器件的性能。
[0007] 偏振分束法是對TE (橫電模)或TM (橫磁模)光束進行一定的處理。例如國家發(fā) 明專利(ZL03118878.8) "偏振無關(guān)的折疊式陣列波導(dǎo)光柵"中通過在折疊式陣列波導(dǎo)光柵 的反射鏡前安置法拉第旋轉(zhuǎn)器,使原有的TE光束變?yōu)門M光束,原有的TM光束變?yōu)門E光束, 從而實現(xiàn)偏振不敏感性。由于額外器件的引入會增加器件的復(fù)雜性和成本,以及工藝等因 素,此方法不能保證器件性能。
[0008] 目前,在AWG偏振補償技術(shù)中,在AWG中央加入半波片是較為成功的方法。H Takahashi 等人(H Takahashi, et al. Polarization-insensitive arrayed-waveguide grating wavelength multiplexer on silicon[J]. Optics Letters, 1992, Vol. 17, No. 7.) 在AWG的中間位置垂直開一窄槽,將半波片插入其內(nèi),波片的主軸和波導(dǎo)表面成45°角,可 實現(xiàn)TM和TE偏振態(tài)的反轉(zhuǎn),從而降低偏振敏感性。
[0009] 采用上述的AWG偏振色散補償技術(shù)大都需要增加額外器件或者額外的工藝步驟, 使得器件的制作及工藝變得復(fù)雜,性能變低,成本變高,而且殘留的波導(dǎo)雙折射很難得到補 償。例如,在半波片法中,通常半波片前后結(jié)構(gòu)不完全對稱,工藝誤差使半波片位置也不能 居中,TE、TM模式之間的串擾以及半波片僅對一定波長范圍有效,這些因素導(dǎo)致半波片法不 能保證完全補償偏振相關(guān)波長漂移。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 針對上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0011] -種補償陣列波導(dǎo)光柵偏振敏感性的方法,其步驟如下:
[0012] 步驟一:在陣列波導(dǎo)光柵AWG的陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中間位置插入半波片(6),使原 有的TE偏振態(tài)模式變?yōu)門M偏振態(tài)模式,原有的TM偏振態(tài)模式變?yōu)門E偏振態(tài)模式;
[0013] 步驟二:在AWG的輸入平板波導(dǎo)區(qū)⑵與輸出平板波導(dǎo)區(qū)⑷分別加入電極(7), 利用材料的熱光效應(yīng),改變輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的雙折射率實現(xiàn)光 學非對稱性,補償插入半波片(6)的殘留偏振敏感性。
[0014] 步驟一中所述的AWG由輸入波導(dǎo)(1)、輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)、陣列波導(dǎo)區(qū)(3)、輸出 平板波導(dǎo)區(qū)(4),及輸出波導(dǎo)(5)依次連接組成。
[0015] 步驟一中所述AWG中的兩種偏振態(tài)即TE偏振模態(tài)和TM偏振模態(tài)的光柵方程可以 表示為:
[0016]
[0017] 其中P表示陣列波導(dǎo)上半波片位置參數(shù),0(開始位置)到1(結(jié)束位置)之間,0.5 表示表示半波片(6)在陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中間位置;AL表示相鄰陣列波導(dǎo)之間的長度差;m 表示衍射級次;A TE表示TE模式的中心波長;A "表示TM模式的中心波長;R i表示輸入平 板波導(dǎo)羅蘭圓半徑;R。表示輸出平板波導(dǎo)羅蘭圓半徑;x 1表示輸入位置;x。表示輸出位置; 屯表示陣列波導(dǎo)輸入端波導(dǎo)間隔;d。表示陣列波導(dǎo)輸出端波導(dǎo)間隔;
[0018] 步驟一種所述AWG的偏振敏感性可以表示為:
[0019]
[0020]步驟一種所述在陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中間位置插入半波片(6),由于半波片前后結(jié)構(gòu) 不完全對稱、工藝誤差使半波片位置也不能居中、TE、TM模式之間的串擾以及半波片僅對一 定波長范圍有效等因素導(dǎo)致使用半波片(6)并不能完全補償偏振相關(guān)波長漂移。
[0021] 步驟二中所述實現(xiàn)AWG的光學非對稱性,可以由如下方式推導(dǎo)得到。典型AWG是 對稱結(jié)構(gòu)即氏=R。,屯=(1。= d,對于中心波長而言,輸入位置等于輸出位置Xi= -x。;要 消除AWG的偏振敏感性,TE模式的中心波長等于TM模式的中心波長,即
[0022]
[0023] 其中1表示陣列波導(dǎo)區(qū)TE、TM模的有效折射率差,即n g,TE-ng,TM;B si表示輸入平板 區(qū)TE、TM模的有效折射率差,即nsi,TE-n si,TM;B s。表示陣列波導(dǎo)區(qū)TE、TM模的有效折射率差, 艮Pns。,TE_ns。,TM;
[0024] 根據(jù)公式(6)可以看出,通過調(diào)節(jié)(Bsi _Bs。)從而能夠補償AWG的殘留偏振敏感性。 調(diào)節(jié)(Bsi-Bs。)可通過在AWG的輸入平板波導(dǎo)區(qū)⑵與輸出平板波導(dǎo)區(qū)⑷加入電極(7), 利用溫度對雙折射率的影響來實現(xiàn)。
[0025] 步驟二中所述的AWG的輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)各自都含有上包層 與基底。
[0026] 步驟二中所述在輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)加入電極的位置可以 是其各自的上包層上方、基底上方、左側(cè)面或右側(cè)面。
【附圖說明】
[0027] 圖1本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)示意圖;
[0028] 圖2在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)上方加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大剖面圖;
[0029] 圖3在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)上方加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大俯視圖;
[0030] 圖4在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)下方加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大剖面圖;
[0031] 圖5在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)下方加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大俯視圖;
[0032] 圖6在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)右側(cè)加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大剖面圖;
[0033] 圖7在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)右側(cè)加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大俯視圖;
[0034] 圖8在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)左側(cè)加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大剖面圖;
[0035]圖9在輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)左側(cè)加入電極時,輸入(輸出)平板波導(dǎo)區(qū)的放 大俯視圖;
[0036] 圖10以聚合物材料為例,聚合物材料雙折射隨溫度變化的示意圖;
[0037] 圖11以聚合物AWG為例,改變輸出平板波導(dǎo)溫度消除AWG偏振敏感性;
[0038] 圖12以聚合物AWG為例,改變輸入平板波導(dǎo)消除溫度AWG偏振敏感性;
[0039] 圖中,1輸入波導(dǎo);2輸入平板波導(dǎo);3陣列波導(dǎo);4輸出平板波導(dǎo);5輸出波導(dǎo);6半 波片;7電極;8上包層;9芯層;10下包層;11基底
【具體實施方式】:<