專利名稱：低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信波分復(fù)用領(lǐng)域，特別涉及一種低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器。
背景技術(shù)：
波分復(fù)用(WDM)技術(shù)能夠在單根光纖復(fù)用幾十甚至上百個(gè)波長(zhǎng)，以滿足增長(zhǎng)的對(duì)帶寬的需求，是提高通信能力的有效方法之一。波分復(fù)用技術(shù)現(xiàn)已提高得可以傳送數(shù)百個(gè)波長(zhǎng)的激光，每個(gè)波長(zhǎng)間的間隔1.6，0.8或0.4nm，甚至0.2nm，這種技術(shù)稱作密集波分復(fù)用(DWDM)。WDM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)途傳輸中，也開始進(jìn)入短程光通信網(wǎng)絡(luò)中。
波分復(fù)用器是波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件?，F(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有薄膜濾波、光纖光柵、集成平面波導(dǎo)等。其中集成平面波導(dǎo)波分復(fù)用器可以在很小的芯片上實(shí)現(xiàn)40通道以上的密集波分復(fù)用，它利用半導(dǎo)體工藝可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)，具有潛在的成本優(yōu)勢(shì)。最典型的集成平面波導(dǎo)波分復(fù)用器是陣列波導(dǎo)光柵(AWG)，它技術(shù)比較成熟，40通道的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用化。另一種是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的集成平面波導(dǎo)波分復(fù)用器，它具有更小的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)單面封裝，而且易于實(shí)現(xiàn)更高通道數(shù)的波分復(fù)用。盡管EDG制作工藝要求比AWG高，但它仍是非常有潛力的一種集成平面波導(dǎo)波分復(fù)用器。
回?fù)p是光器件的一個(gè)重要指標(biāo)，它是指光路中反射回到入射路徑的光能量與入射總光能量的比值，用dB表示?；?fù)p減弱了激光器的性能，而且光在光路中的多次折反射相干影響到光信號(hào)的質(zhì)量，使噪聲增加，誤碼率增大。一般光器件的回?fù)p來(lái)源于端面反射(Fresnel反射)和材料背向散射(Rayleigh背向散射)。而基于蝕刻衍射光柵的集成平面波導(dǎo)波分復(fù)用器是一種反射光柵型器件，因而回?fù)p的來(lái)源除端面反射和材料散射外還有光柵反射。在蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器中大多數(shù)波長(zhǎng)的光耦合到各個(gè)輸出波導(dǎo)中，輸入波導(dǎo)只可能接收到特定波長(zhǎng)范圍的光。如果輸入光不包含這些波長(zhǎng)，光柵的反射就不會(huì)造成回?fù)p。然而，由于溫度等環(huán)境的影響，入射光的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生漂移，如果波長(zhǎng)的漂移達(dá)到輸入波導(dǎo)能接收的波長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生回?fù)p。另外，光通信系統(tǒng)中用于光信號(hào)放大的EDFA的背景噪聲具有很寬的頻譜，這些噪聲光回到入射波導(dǎo)，將產(chǎn)生回?fù)p。
一般降低回?fù)p的方法是采用傾斜角度的界面，但這個(gè)方法只能降低界面造成的回?fù)p，對(duì)其他因素如光柵反射造成的回?fù)p無(wú)效。在光路中使用光隔離器可以整體的減小回?fù)p，但光隔離器的使用增加了的成本和復(fù)雜度，而且增加了額外的插入損耗。蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器由于其固有的輸入和輸出位置很接近的特點(diǎn)，導(dǎo)致器件回?fù)p的來(lái)源主要是光柵的反射。本發(fā)明提出了制作低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法。這種方法在最大限度提高回?fù)p性能的同時(shí)，與普通的減小回?fù)p的方法(如使用光隔離器)相比，沒有附加任何的幾何結(jié)構(gòu)，制作工藝也沒有改變，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本不增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器，保證輸入波導(dǎo)接收到最小的光回?fù)p。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下它包括輸入波導(dǎo)，輸出波導(dǎo)，蝕刻光柵，自由傳播區(qū)域。輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)位于同一半徑的圓上，而蝕刻光柵位于2倍此圓半徑為半徑，且與此圓相內(nèi)切的另一個(gè)圓上，蝕刻光柵的中心在兩圓的切點(diǎn)上。蝕刻光柵的每一個(gè)反射齒面的朝向都由入射方向和出射方向確定，使入射光反射到同一個(gè)輸出無(wú)像差點(diǎn)位置。
所說(shuō)的輸入波導(dǎo)確定的入射點(diǎn)位置和輸出無(wú)像差點(diǎn)位置滿足關(guān)系θd0＝θi-arcsin(2tgθi/m)，使得入射點(diǎn)位置在衍射光分布包絡(luò)的最小值處；式中θd0是輸出無(wú)像差點(diǎn)位置相對(duì)于蝕刻光柵的衍射角，θi是入射點(diǎn)位置相對(duì)于蝕刻光柵的入射角，m是光柵的衍射階數(shù)。
本發(fā)明采用成熟的半導(dǎo)體沉積和刻蝕工藝，在半導(dǎo)體材料基底上沉積得到單模平板波導(dǎo)(例如在硅基底上用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法制作三層二氧化硅光波導(dǎo))，光可以在波導(dǎo)的芯層單模傳輸，輸入輸出波導(dǎo)以及衍射光柵時(shí)通過(guò)干法刻蝕得到(例如用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕二氧化硅)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是它在最大限度提高回?fù)p性能的同時(shí)，與普通的減小回?fù)p的方法(如使用光隔離器)相比，沒有附加任何的幾何結(jié)構(gòu)，制作工藝也沒有改變，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本不增加。


圖1是蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)；圖2是低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器光柵齒面設(shè)計(jì)原理放大圖；
圖3是低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器在不同波長(zhǎng)輸入光入射時(shí)在輸出面的光場(chǎng)分布；圖4是低回?fù)p設(shè)計(jì)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器與兩種未采用低回?fù)p設(shè)計(jì)(聚集到入射點(diǎn)的設(shè)計(jì)，和普通無(wú)低回?fù)p的設(shè)計(jì))的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器在輸入波導(dǎo)處光場(chǎng)分布的比較；圖5是低回?fù)p設(shè)計(jì)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器與兩種未采用低回?fù)p設(shè)計(jì)(聚集到入射點(diǎn)的設(shè)計(jì)，和普通無(wú)低回?fù)p的設(shè)計(jì))的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器在輸入波導(dǎo)中頻譜響應(yīng)的比較。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器，包括輸入波導(dǎo)1，輸出波導(dǎo)2，蝕刻光柵3，自由傳播區(qū)域4。輸入波導(dǎo)1和輸出波導(dǎo)2的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)位于同一半徑的圓A上，而蝕刻光柵3位于以2倍圓A半徑為半徑，且與圓A相內(nèi)切的圓B上，蝕刻光柵的中心在兩圓的切點(diǎn)上。如圖2所示，蝕刻光柵的每一個(gè)反射齒面7的朝向都由入射方向和出射方向確定，使入射光反射到同一個(gè)輸出無(wú)像差點(diǎn)位置6。
輸入波導(dǎo)確定的入射點(diǎn)位置5和輸出無(wú)像差點(diǎn)位置6滿足如下關(guān)系θd0＝θi-arcsin(2tgθi/m)，使得入射點(diǎn)位置5在衍射光分布包絡(luò)的最小值處；式中θd0是輸出無(wú)像差點(diǎn)位置相對(duì)于蝕刻光柵的衍射角，θi是入射點(diǎn)位置相對(duì)于蝕刻光柵的入射角，m是光柵的衍射階數(shù)。
本發(fā)明的低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器件采用半導(dǎo)體工藝在硅片或其他基底材料上用PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)或FHD(火焰水氧發(fā))等工藝鍍上薄膜，形成平板波導(dǎo)。輸入輸出波導(dǎo)和衍射光柵采用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)或ICP(感應(yīng)耦合等離子體刻蝕)等方法進(jìn)行干法刻蝕，形成多個(gè)垂直小面組成的反射光柵。為了減小損耗，增大反射率，通常可以在刻蝕成型的反射面上鍍上一層金屬反射層。
1、輸出無(wú)像差位置的確定對(duì)于周期性光柵，其光柵方程為neffd(sinθi+sinθd)＝mλ (1)這里neff是波導(dǎo)的有效折射率，d是光柵周期，θi和θd分別是光的入射角和衍射角(如圖1)，m是光柵的衍射階數(shù)，λ是光波長(zhǎng)。
指定一個(gè)無(wú)像差點(diǎn)作為輸出點(diǎn)，它對(duì)應(yīng)的衍射角和波長(zhǎng)分別是θd0和λ0，于是、有neffd(sinθi+sinθd0)＝mλ0(2)根據(jù)(1)和(2)，我們可以預(yù)測(cè)可能進(jìn)入輸入波導(dǎo)的光波的波長(zhǎng)是λp＝2mλ0(sinθi)/[p(sinθi+sinθd0)]，p＝1，2，...(3)這里p是耦合回到輸入波導(dǎo)的光的衍射階數(shù)。
如果入射的波長(zhǎng)頻譜包括λp中任何一個(gè)波長(zhǎng)，則會(huì)被光柵反射和聚集到輸入波導(dǎo)位置，形成不希望的回?fù)p。
各個(gè)光柵齒單獨(dú)產(chǎn)生的光強(qiáng)分布具有除強(qiáng)度不同外相同的形狀，而這個(gè)強(qiáng)度分布是具有函數(shù)Sinc2(x)的形狀，如果把輸入波導(dǎo)置于這個(gè)分布的0值點(diǎn)處，輸入波導(dǎo)將會(huì)接受到接近于0的反射場(chǎng)(在理想的情況下，等于0)。
這里選取接近λ0的波長(zhǎng)作為確定這個(gè)Sinc2(x)形狀包絡(luò)的波長(zhǎng)，取p＝m，于是λm＝2λ0(sinθi)/(sinθi+sinθd0) (4)在這個(gè)波長(zhǎng)處我們選取最接近Sinc2(x)形狀最大值的第一個(gè)0值點(diǎn)，有neffa(sinα)＝λm(5)這里α是光柵齒面的有效寬度，而且有α＝d(cosθi)(如圖2)。α是輸入方向IP和反射方向PO的夾角，α＝αi+αd，α與入射角θi和反射角θd0的關(guān)系是α＝θi-θd0. (6)如果固定了輸入位置和入射角度，根據(jù)(4)(5)(6)可以得到輸出位置的衍射角θd0＝θi-arcsin(2tgθi/m) (7)如果指定的出射波導(dǎo)所在無(wú)像差點(diǎn)相對(duì)光柵的衍射角滿足(7)式，而且每個(gè)光柵齒面都把入射光反射到這個(gè)方向，這樣輸出波導(dǎo)就處于了最接近單個(gè)齒面衍射Sinc2(x)形狀最大值的第一個(gè)0值點(diǎn)，回?fù)p得到最大限度的減小。
2、光柵的確定光柵的設(shè)計(jì)在這里很重要，它使在同一輸入位置不同波長(zhǎng)的光入射，聚焦在一條直線上的不同輸出位置。要求在指定輸出范圍內(nèi)成像的像差很小，同時(shí)色散也保持線性。本發(fā)明蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)是基于Rowland圓(即圓A)的設(shè)計(jì)，入射點(diǎn)和出射點(diǎn)在Rowland圓上，而光柵在以2倍Rowland圓半徑為半徑的圓上，光柵與Rowland圓相切。這樣不同波長(zhǎng)的光在不同點(diǎn)入射可以很好的成像在輸出點(diǎn)，所成像的離焦像差和慧差為0，總的像差非常小。
如圖2所示，光程函數(shù)可以寫為IPi+k+Pi+kO-(IPi+PiO)＝kmλ0/neff(8)
這里I是入射點(diǎn)，O是垂直線上的輸出點(diǎn)。Pi，Pi+k是光柵上第i個(gè)和第i＋k個(gè)反射齒面的中點(diǎn)。(8)式確定的是一系列橢圓(如I與O重合，則是圓)，這些橢圓(或圓)與圖2中以2倍Rowland圓半徑為半徑的圓相交的點(diǎn)即是所求的光柵齒面的中點(diǎn)。
得到中點(diǎn)后，設(shè)置齒面的方向?yàn)槟芊瓷淙肷涔獾綗o(wú)像差輸出點(diǎn)的方向，整個(gè)光柵的位置就確定了。
3、設(shè)計(jì)實(shí)例及效果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)實(shí)例采用以下參數(shù)有效折射率neff＝1.4502，衍射階數(shù)m＝40，Rowland圈半徑R＝20000μm，入射角θi＝π/4(45度)，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ0＝1.5525μm(193.1THz)。于是根據(jù)式(4)和式(7)可以得到形成回?fù)p的波長(zhǎng)λm＝1.5934μm，θ0＝0.7354(42.1340度)。
根據(jù)(8)式得到光柵所有齒面后，我們用Kirchhoff-Huygens衍射方程來(lái)計(jì)算輸出場(chǎng)分布Eout(P′,λ)=12(neffλ)12η∫gratingEinc(P)|PP′|(cosαi+cosαd)e-j(2π|PP′|/λ)ds---(9)]]>這里P’是輸出區(qū)域的任意一點(diǎn)，P是光柵反射面的點(diǎn)，η是光柵面的反射率。αi和αd是相對(duì)于光柵反射面的入射角和衍射角，如圖2所示。
圖3所示是由上設(shè)計(jì)所得的低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器在不同波長(zhǎng)輸入光入射時(shí)在輸出面的光場(chǎng)分布?？梢钥闯觯斎氩▽?dǎo)的位置正好在衍射場(chǎng)分布包絡(luò)的最低點(diǎn)處，這樣進(jìn)入到輸入波導(dǎo)的光能很小，實(shí)現(xiàn)了低回?fù)p的目的。進(jìn)一步。我們疊加積分來(lái)得到輸出通道的頻譜響應(yīng)。I(λ)=|∫outputEout(P′,λ)E*eigen(P′,λ)-dy|2---(10)]]>這里Eeigen(P，λ)是輸出波導(dǎo)的本征模物分布。為了與未經(jīng)過(guò)低回?fù)p設(shè)計(jì)的普通蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器比較，這里給出兩個(gè)對(duì)比設(shè)計(jì)。這兩個(gè)光柵與低回?fù)p蝕刻衍射光柵保持相同的neff，m，R，θi值，其中第一個(gè)光柵使λ0＝λm＝1.5934μm反射聚集到輸入點(diǎn)，即θd0＝θi，此時(shí)入射光可以完全耦合回到入射波導(dǎo)；第二個(gè)光柵的輸出無(wú)像差點(diǎn)偏離0值點(diǎn)，θd0＝0.7604(43.5670度)而且耦合回到輸入波導(dǎo)的波長(zhǎng)λm＝1.5724。
圖4所示是低回?fù)p設(shè)計(jì)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器與兩種未采用低回?fù)p設(shè)計(jì)(聚集到入射點(diǎn)的設(shè)計(jì)，和普通無(wú)低回?fù)p的設(shè)計(jì))的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器在輸入波導(dǎo)處光場(chǎng)分布的比較?？梢钥闯鼍奂饺肷潼c(diǎn)的設(shè)計(jì)所得的場(chǎng)強(qiáng)分布最大，因?yàn)閹缀跛械娜肷涔舛歼M(jìn)入輸入波導(dǎo)；普通無(wú)低回?fù)p設(shè)計(jì)所得光場(chǎng)強(qiáng)度分布略低，但還是會(huì)形成較大回?fù)p；而低回?fù)p設(shè)計(jì)所得光強(qiáng)大大低于前兩者，回?fù)p得以有效降低。
圖5所示是低回?fù)p設(shè)計(jì)的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器與兩種未采用低回?fù)p設(shè)計(jì)(聚集到入射點(diǎn)的設(shè)計(jì)；和普通無(wú)低回?fù)p的設(shè)計(jì))的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器在輸入波導(dǎo)中頻譜響應(yīng)的比較。從頻譜分布的最高點(diǎn)看出，出聚集到入射點(diǎn)的設(shè)計(jì)所得回?fù)p為接近0dB，普通無(wú)低回?fù)p設(shè)計(jì)所得回?fù)p為-3.7dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足低回?fù)p要求；而低回?fù)p設(shè)計(jì)所得回?fù)p為-47.7dB，最大限度的降低了回?fù)p。
權(quán)利要求
1.一種低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器，包括輸入波導(dǎo)(1)，輸出波導(dǎo)(2)，蝕刻光柵(3)，自由傳播區(qū)域(4)；其特征在于輸入波導(dǎo)(1)和輸出波導(dǎo)(2)的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)位于同一半徑的圓(A)上，而蝕刻光柵(3)位于以2倍圓(A)半徑為半徑，且與圓(A)相內(nèi)切的圓(B)上，蝕刻光柵的中心在兩圓的切點(diǎn)上；蝕刻光柵的每一個(gè)反射齒面(7)的朝向都由入射方向和出射方向確定，使入射光反射到同一個(gè)輸出無(wú)像差點(diǎn)位置(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器，其特征在于所說(shuō)的輸入波導(dǎo)確定的入射點(diǎn)位置(5)和輸出無(wú)像差點(diǎn)位置(6)滿足關(guān)系θd0＝θi-arcsin(2tgθi/m)，使得入射點(diǎn)位置(5)在衍射光分布包絡(luò)的最小值處；式中θd0是輸出無(wú)像差點(diǎn)位置相對(duì)于蝕刻光柵的衍射角，θi是入射點(diǎn)位置相對(duì)于蝕刻光柵的入射角，m是光柵的衍射階數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低回?fù)p蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器。它包括輸入波導(dǎo)，輸出波導(dǎo)，蝕刻光柵，自由傳播區(qū)域。輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)位于同一半徑的圓上，而蝕刻光柵位于以2倍此圓半徑為半徑，且與此圓相內(nèi)切的另一個(gè)圓上，蝕刻光柵的中心在兩圓的切點(diǎn)上。蝕刻光柵的每一個(gè)反射齒面的朝向都由入射方向和出射方向確定，使入射光反射到同一個(gè)輸出無(wú)像差點(diǎn)位置。輸入位置和輸出無(wú)像差點(diǎn)位置滿足一個(gè)精確的關(guān)系，可以保證輸入波導(dǎo)所在位置接受到最小的光回?fù)p。本發(fā)明可以更好的應(yīng)用在波分復(fù)用系統(tǒng)中，它在最大限度提高回?fù)p性能的同時(shí)，與普通的減小回?fù)p的方法(如使用光隔離器)相比，沒有附加任何的幾何結(jié)構(gòu)，制作工藝也沒有改變，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本不增加。
文檔編號(hào)H04J14/02GK1420374SQ02159350
公開日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2002年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日
發(fā)明者盛鐘延, 何賽靈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)