專利名稱：采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)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寬通帶、極低串?dāng)_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(guò)特殊的技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光合成復(fù)合光，以及將復(fù)合光中不同波長(zhǎng)的光分離出來(lái)。波分復(fù)用(解復(fù)用)器件就是實(shí)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(zhǎng)分辨率高等優(yōu)勢(shì)。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。
典型的蝕刻衍射光柵由輸入波導(dǎo)1、自由傳播區(qū)2、衍射光柵3、輸出波導(dǎo)4組成。復(fù)合光從輸入波導(dǎo)1入射，進(jìn)入自由傳輸區(qū)2自由發(fā)散傳播，經(jīng)過(guò)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(guò)自由傳播區(qū)2聚焦，將各波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)色散功能，即將不同波長(zhǎng)的光分離開來(lái)，實(shí)現(xiàn)波分解復(fù)用的功能。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中輸出波導(dǎo)的接收部分為直波導(dǎo)。
典型的陣列波導(dǎo)光柵，由輸入波導(dǎo)6、自由傳輸區(qū)7、陣列波導(dǎo)8、輸出波導(dǎo)9組成。復(fù)合光從輸入波導(dǎo)6入射，進(jìn)入自由傳輸區(qū)7自由發(fā)散傳輸，然后耦合到波導(dǎo)陣列8中各條陣列波導(dǎo)，相鄰陣列波導(dǎo)存在一定長(zhǎng)度差，從而對(duì)各波長(zhǎng)的光產(chǎn)生不同的位相差，實(shí)現(xiàn)光柵的色散功能。經(jīng)過(guò)第二個(gè)自由傳輸區(qū)后，不同波長(zhǎng)的光會(huì)聚于像面上不同點(diǎn)，將輸出波導(dǎo)9置于相應(yīng)的位置，即可將不同波長(zhǎng)的光分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)波分解復(fù)用的功能。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中輸出波導(dǎo)的接收部分為直波導(dǎo)。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的波分復(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，這意味著當(dāng)信道的實(shí)際波長(zhǎng)偏移設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)時(shí)，器件對(duì)該信道的傳輸透過(guò)效率將迅速下降。這種很強(qiáng)的波長(zhǎng)選擇性使得傳統(tǒng)的波分復(fù)用器件對(duì)通信系統(tǒng)中的信道光源波長(zhǎng)的精度有非常高的要求。但是在實(shí)際情況中，大量的外部因素可能使工作波長(zhǎng)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(duì)提高實(shí)際系統(tǒng)效率有著巨大的意義和價(jià)值。因此，很多方法被提出用來(lái)實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用器件頻譜平坦化。目前來(lái)實(shí)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(guó)專利No.5,706,377.公開的方法是利用Y分支實(shí)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(guó)專利No.5,926,587.公開的方法是利用兩個(gè)級(jí)聯(lián)光柵的方法實(shí)現(xiàn)頻譜平坦化。
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(shí)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(cè)器連接使用的場(chǎng)合。
可以發(fā)現(xiàn)，大部分的平坦化設(shè)計(jì)往往具有較大的功率代價(jià)。因此，平坦化所帶來(lái)的大功率代價(jià)對(duì)提高器件的整體性能是非常不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種在輸出波導(dǎo)的入口采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，能夠用很小的功率代價(jià)，使光柵具有寬通帶、極低串?dāng)n等顯著改進(jìn)的頻譜響應(yīng)特性。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下它包括輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、衍射光柵或陣列波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)組成，在輸出波導(dǎo)的入口分別采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)，在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽。
本實(shí)用新型具有的有益的效果由于采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)，同時(shí)在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽，通過(guò)調(diào)整空氣槽的寬度，錐形波導(dǎo)的入口寬度，收斂形狀等參數(shù)的優(yōu)化，和傳統(tǒng)的輸出相比，本實(shí)用新型能夠用很小的功率代價(jià)，使波分復(fù)用器件具有寬通帶、極低串?dāng)_等顯著改進(jìn)的頻譜響應(yīng)特性。


圖1是蝕刻衍射光柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的輸出波導(dǎo)部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型的錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本實(shí)用新型的空氣槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是空氣槽消除耦合模擬圖(圖(a)為加空氣槽前，圖(b)為加空氣槽后)；圖7是傳統(tǒng)蝕刻衍射光柵的頻譜響應(yīng)與本實(shí)用新型的頻譜響應(yīng)的比較圖(實(shí)線為本專利實(shí)現(xiàn)的頻譜響應(yīng)，虛線為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻譜響應(yīng)，點(diǎn)劃線為僅引入錐形波導(dǎo)的頻譜響應(yīng)，點(diǎn)線為僅引入空氣槽的頻譜響應(yīng))。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖3所示，它包括輸入波導(dǎo)1、自由傳播區(qū)2、衍射光柵3、輸出波導(dǎo)4組成，在輸出波導(dǎo)4的入口5采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)11，在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽12。
如圖2、圖3所示，它包括輸入波導(dǎo)6、自由傳播區(qū)7、陣列波導(dǎo)8、輸出波導(dǎo)9組成，在輸出波導(dǎo)9的入口10采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)11，在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽12。
如圖3、圖4所示，在輸出波導(dǎo)9的入口采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)10是由入口寬度W、出口寬度w和收斂函數(shù)曲線決定1)出口寬度w和入口寬度W入為一個(gè)固定值，入口寬度W滿足w ≤W≤Wc-amin，單位為微米，其中Wc為器件相鄰信道輸出間距，amin為工藝決定的空氣槽最小寬度；2)線性收斂函數(shù)曲線的收斂角度θ滿足θ=arctan(W-w2l),]]>其中，l為錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度。
3)非線性收斂函數(shù)曲線w′(z)＝(W-w)·f(z/l)+w 0≤z≤l，則收斂角度θ滿足θ(z)＝arctan(W-w)·f′(z/l))，其中，l為錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度。
如圖3、圖5所示1)空氣槽(12)的寬度(a)滿足amin≤a≤Wc-W，單位為微米，其中amin為工藝可實(shí)現(xiàn)的空氣槽最小寬度；2)空氣槽(12)的寬度(b)必須大于錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度lb＞l。為加工方便，一般取上限為2倍長(zhǎng)度錐形波導(dǎo)lb＜2l。
一、錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)確定圖3表示了錐形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖，錐形波導(dǎo)的主要參數(shù)由入口寬度W、出口寬度w和收縮函數(shù)曲線決定。對(duì)于線性收斂函數(shù)，主要參數(shù)為收斂角度θ。
一般，出口寬度w和器件對(duì)應(yīng)的入射波導(dǎo)寬度相同，為一個(gè)固定值。入口寬度W滿足
w≤W≤Wc-amin(單位微米)其中，Wc為器件相鄰信道輸出間距，amin為工藝決定的空氣槽最小寬度。對(duì)于線性收斂函數(shù)，收斂角度θ滿足θ=arctan(W-w2l)]]>其中，l為錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度。對(duì)于非線性的收斂函數(shù)w′(z)=(W-w)·f(zl)+w---0≤z≤l,]]>則有θ(z)=arctan((W-w)·f′(zl))]]>對(duì)于近似平面波入射，當(dāng)θ小于一個(gè)域值θc時(shí)，整個(gè)錐形結(jié)構(gòu)引入的損耗將小于1dB，域值角度θc主要和材料的折射率差有關(guān)，折射率差越小，域值角度θc也越小。對(duì)于二氧化硅材料，一般0°＜θc＜1°。
對(duì)于非平面波入射也存在一個(gè)域值角度。在具體的二氧化硅材料實(shí)例中，采用的角度為θ＝arctan(1/250)＝0.2292°。
衍射蝕刻光柵的信道輸出間距能夠根據(jù)調(diào)節(jié)器件結(jié)構(gòu)方便的改變。對(duì)于輸入波導(dǎo)寬度一定，較小的間距能夠獲得較大的有效通帶。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)希望采用較小的信道寬度。
通過(guò)對(duì)不同錐形結(jié)構(gòu)入口寬度W的分析顯示，品質(zhì)因素和有效帶寬比均正比于W，損耗和W呈非線性關(guān)系，其在W等于單模波導(dǎo)寬度以及最大容許值附近變化緩慢。因此，在損耗允許的條件下，適當(dāng)?shù)倪x取較大的入口寬度。
錐形結(jié)構(gòu)的引入，使得偏離中心成像位置的光場(chǎng)分布能夠更多的耦合進(jìn)輸出波導(dǎo)，增加耦合效率；空氣槽能夠使信道間的耦合效應(yīng)大大降低(如圖6所示)，從而獲得極低的信道串?dāng)_，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的結(jié)合使得器件的頻譜響應(yīng)中心展寬，邊緣陡峭。
錐形波導(dǎo)和整個(gè)器件的其他波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同時(shí)完成制作。
二、空氣槽的結(jié)構(gòu)確定由于弱波導(dǎo)之間的耦合現(xiàn)象較為明顯，使得密集排列的輸出波導(dǎo)之間容易產(chǎn)生較大的串?dāng)_(如圖6(a)所示)，同時(shí)，由于錐形結(jié)構(gòu)的引入更進(jìn)一步加劇了串?dāng)_，使得衍射蝕刻光柵的頻譜性能惡化。因此，適當(dāng)?shù)脑谙噜彶▽?dǎo)之間引入空氣槽，能夠很好的阻止波導(dǎo)間耦合(如圖6(b)所示)，降低串?dāng)_。
空氣槽的原理主要是基于大折射率差波導(dǎo)的高反射性能，其主要為消除信道間由于短距離造成的耦合串?dāng)_。研究表明，空氣槽的寬度變化對(duì)于串?dāng)_的影響不大在錐形波導(dǎo)入口寬度以定的情況下，空氣槽寬度滿足amin≤a≤Wc-W(單位微米)其中，amin為工藝可實(shí)現(xiàn)的空氣槽最小寬度，對(duì)于二氧化硅材料，amin一般大于2微米。同時(shí)，較寬的空氣槽有利于實(shí)現(xiàn)頻譜響應(yīng)的陡邊，因此，往往選取所允許的最大寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
由于空氣槽作用主要為降低串繞，因此空氣槽的長(zhǎng)度必須滿足基本消除相鄰波導(dǎo)間的耦合效應(yīng)。對(duì)于一般的錐形波導(dǎo)，空氣槽長(zhǎng)度需要大于錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度；同時(shí)，由于制作方便考慮，一般其上限為2倍錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度2l＞b＞l。
三、頻譜響應(yīng)衍射蝕刻光柵的對(duì)某一位置輸出波導(dǎo)的頻譜響應(yīng)函數(shù)可以表達(dá)為I=|∫F^wgEout(x,zc)dx|2∫Ein(x′)·Ein*(x′)dx′]]>其中，算子 表示輸出波導(dǎo)對(duì)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(zhǎng)范圍內(nèi)，輸出位置和波長(zhǎng)是呈線性變化的。同時(shí)假設(shè)對(duì)于一個(gè)信道間隔范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，其單模橫向場(chǎng)分布相同。對(duì)于輸出波導(dǎo)也為單模波導(dǎo)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，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]]>其中Eout是光柵在輸出面上的場(chǎng)分布，Ein和Ewg分別是輸入和輸出波導(dǎo)的模場(chǎng)分布函數(shù)。當(dāng)兩者相等時(shí)，可以進(jìn)一步得到一個(gè)自卷積函數(shù)。
對(duì)于錐形波導(dǎo)和空氣槽設(shè)計(jì)，可以用波束傳播方法模擬光場(chǎng)傳輸，然后在穩(wěn)定位置再使用重疊積分計(jì)算耦合效率，進(jìn)而獲得頻譜響應(yīng)。
圖7是本實(shí)用新型應(yīng)用于蝕刻衍射光柵實(shí)現(xiàn)的平坦化頻譜(實(shí)線)和普通結(jié)構(gòu)的頻譜(虛線)，以及本實(shí)用新型部分結(jié)構(gòu)引入的頻譜的比較。該圖應(yīng)用的參數(shù)為

錐形結(jié)構(gòu)雖然能夠增加通帶帶寬，但同時(shí)也引入了很大的串?dāng)_(如圖7點(diǎn)劃線所示)；空氣槽能夠降低串?dāng)_，但是對(duì)增加帶寬的作用不大(如圖7點(diǎn)線所示)。當(dāng)兩者結(jié)合之后，1dB帶寬增加了47.4％，同時(shí)相鄰?fù)ǖ赖拇當(dāng)_降低了約15dB，達(dá)到-50dB左右，滿足了密集型波分復(fù)用的要求。同時(shí)，在對(duì)錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之后，本實(shí)用新型引入的功率損耗只有0.65dB，大大低于其他平坦化設(shè)計(jì)的功率代價(jià)。
另外，本實(shí)用新型也適用于其他波分復(fù)用器件，如反射式陣列波導(dǎo)光柵等。
權(quán)利要求1.采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，它包括輸入波導(dǎo)(1)、自由傳播區(qū)(2)、衍射光柵(3)、輸出波導(dǎo)(4)組成，其特征在于在輸出波導(dǎo)(4)的入口(5)采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)(11)，在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，其特征在于在輸出波導(dǎo)(4)的入口(5)采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)(11)是由入口寬度W、出口寬度w和收斂函數(shù)曲線決定
1)出口寬度w和入口寬度W入為一個(gè)固定值，入口寬度W滿足w≤W≤Wc-amin，單位為微米，其中Wc為器件相鄰信道輸出間距，amin為工藝決定的空氣槽最小寬度；2)線性收斂函數(shù)曲線的收斂角度θ滿足θ=arctan(W-w2l),]]>其中，l為錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度。
3.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，其特征在于在輸出波導(dǎo)(4)的入口采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)(10)是由入口寬度W、出口寬度w和收斂函數(shù)曲線決定1)出口寬度w和入口寬度W入為一個(gè)固定值，入口寬度W滿足w≤W≤Wc-amin，單位為微米，其中Wc為器件相鄰信道輸出間距，amin為工藝決定的空氣槽最小寬度；2)非線性收斂函數(shù)曲線W′(z)＝(W-w).f(z/l)+w 0≤z≤l，則收斂角度θ滿足θ(z)＝arctan((W-w)·f′(z/l))，其中，l為錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，其特征在于1)空氣槽(12)的寬度a滿足amin≤a≤Wc-W，單位為微米，其中amin為工藝可實(shí)現(xiàn)的空氣槽最小寬度；2)空氣槽(12)的長(zhǎng)度b必須滿足基本消除相鄰波導(dǎo)間的耦合效應(yīng)。
5.采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，它包括輸入波導(dǎo)(6)、自由傳播區(qū)(7)、陣列波導(dǎo)(8)、輸出波導(dǎo)(9)組成，其特征在于在輸出波導(dǎo)(9)的入口(10)采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)(11)，在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，其特征在于在輸出波導(dǎo)(9)的入口(10)采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)(11)是由入口寬度W、出口寬度w和收斂函數(shù)曲線決定1)出口寬度w和入口寬度W入為一個(gè)固定值，入口寬度W滿足w≤W≤Wc-amin，單位為微米，其中Wc為器件相鄰信道輸出間距，amin為工藝決定的空氣槽最小寬度；2)線性收斂函數(shù)曲線的收斂角度θ滿足θ=arctan(W-w2l),]]>其中，l為錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度。
7.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，其特征在于在輸出波導(dǎo)(9)的入口(10)采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)(11)是由入口寬度W、出口寬度w和收斂函數(shù)曲線決定1)出口寬度w和入口寬度W入為一個(gè)固定值，入口寬度W滿足w≤W≤Wc-amin，單位為微米，其中Wc為器件相鄰信道輸出間距，amin為工藝決定的空氣槽最小寬度；2)非線性收斂函數(shù)曲線w′(z)＝(W-w)·f(z/l)+w 0≤z≤l，則收斂角度θ滿足θ(z)＝arctan((W-w)·f′(z/l))，其中，l為錐形波導(dǎo)長(zhǎng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件，其特征在于1)空氣槽(12)的寬度a滿足amin≤a≤Wc-W，單位為微米，其中amin為工藝可實(shí)現(xiàn)的空氣槽最小寬度；2)空氣槽(12)的長(zhǎng)度b必須滿足基本消除相鄰波導(dǎo)間的耦合效應(yīng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種采用空氣槽漸變輸出波導(dǎo)的寬通帶低串?dāng)_波分復(fù)用器件。在波分復(fù)用器件輸出波導(dǎo)的入口采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)，在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽。本實(shí)用新型具有的有益的效果由于采用錐形結(jié)構(gòu)的漸變波導(dǎo)，同時(shí)在相鄰的波導(dǎo)之間引入空氣槽，通過(guò)調(diào)整空氣槽的寬度，錐形波導(dǎo)的入口寬度，收斂形狀等參數(shù)的優(yōu)化，和傳統(tǒng)的輸出相比，本實(shí)用新型能夠用很小的功率代價(jià)，使衍射蝕刻光柵具有寬通帶、極低串?dāng)n等顯著改進(jìn)的頻譜響應(yīng)特性。
文檔編號(hào)H04B10/12GK2585502SQ0221754
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者石志敏, 何賽靈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)