專(zhuān)利名稱(chēng)：一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波分復(fù)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)后，信息產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其發(fā)展規(guī)模和水平業(yè)已成為衡量綜合國(guó)力的重要指標(biāo)。光通信產(chǎn)業(yè)是其主要組成部分之一，引領(lǐng)著信息通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。作為波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中的核心部件之一，集成化的陣列波導(dǎo)光柵將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
1988年，Smit提出一種新型集成光波導(dǎo)型波分復(fù)用/解復(fù)用器——陣列波導(dǎo)光柵(AWG)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，作為光通信系統(tǒng)重要組成部分之一的AWG器件的性能日臻完善。目前盡管AWG器件已經(jīng)廣泛商用，但國(guó)內(nèi)外(尤其是日本)對(duì)AWG設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)及其相應(yīng)的物理基礎(chǔ)研究仍十分活躍。目前我國(guó)在AWG等集成化的波分復(fù)用器件方面十分缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，影響了我國(guó)在這個(gè)廣泛應(yīng)用的高端技術(shù)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
偏振敏感性是AWG中的一個(gè)相當(dāng)重要的問(wèn)題。由于經(jīng)過(guò)普通光纖傳輸后，信號(hào)光偏振態(tài)發(fā)生隨機(jī)變化。因此對(duì)于光纖線路上的光器件來(lái)說(shuō)，偏振非敏感非常重要。然而，由于波導(dǎo)中橫電(TE)、橫磁(TM)模的傳輸常數(shù)不同，引起TE模和TM模的光在成像面的像點(diǎn)發(fā)生偏移，從而使通道的頻譜響應(yīng)發(fā)生漂移，此即所謂偏振敏感性。由于現(xiàn)今的波分復(fù)用光通信系統(tǒng)正在向越來(lái)越小的波長(zhǎng)通道間隔(從1.6nm到0.8nm，甚至更小)邁進(jìn)，因此即使是一個(gè)很小的偏振相關(guān)波長(zhǎng)偏移(例如0.3-0.4nm)也將造成很大的影響。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵包括至少一條輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)、輸出平板波導(dǎo)區(qū)和至少一條輸出波導(dǎo)。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵中光從輸入波導(dǎo)依次通過(guò)輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)傳播至輸出波導(dǎo)時(shí)經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)區(qū)中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差僅是在陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差naΔL，其中na是陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔL是該相鄰兩波導(dǎo)的長(zhǎng)度差。
同時(shí)傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸相互垂直。
由于傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)，使得傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵通常具有偏振敏感性。
目前，國(guó)內(nèi)外已報(bào)導(dǎo)的偏振補(bǔ)償技術(shù)主要有半波片法、無(wú)雙折射波導(dǎo)法、衍射級(jí)匹配法以及三角形補(bǔ)償區(qū)法。
通過(guò)引入額外器件，可以消除集成光器件的偏振敏感性，在“Polarisation-insensitive arrayed-waveguide grating wavelength multiplexer onsilicon，”H.Takashi，Y.Hibino，and I.Nishi，Opt.Lett.，17(7)499-501，1992這篇文章中提到的，在陣列波導(dǎo)光柵的陣列波導(dǎo)區(qū)域的中間插入半波片。但是由于額外器件的引入，不但會(huì)增加器件的復(fù)雜性和成本，也會(huì)降低器件其它性能，如插損增大。
由于引起雙折射的原因主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料本身引起的，一種簡(jiǎn)單有效的辦法是采用偏振不敏感的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在“Polarization-independent InP arrayedwaveguide filter using square cross-section waveguides，”J.B.D.Sool，M.R.Amersforrt，H.P.Leblanc，N.C.Andreadakis，A.Raijhel，C.Caneau，M.A.Koza，R.Bhat，C.Youtseyand I.Adesida，Electron.Lett.，32323-324，1996這篇文章中提到使用具有正方形截面的無(wú)雙折射的波導(dǎo)。在“16 channel phased array wavelength multiplexer on InPwith low polarization sensitivity，”H.Bissessur，F(xiàn).Gaborit，B.Martin，P.Pagnod-Rossiaux，J.L.Peyre and M.Renaud，Electron.Lett.，30336-337，1994這篇文章中使用的是基于InP的層狀結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，利用厚的包層以及低的包層和芯層折射率差來(lái)實(shí)現(xiàn)低雙折射。但是這樣便限制了實(shí)現(xiàn)AWG可使用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料，不具備普遍適應(yīng)性。另外，低折射率差的InP層狀結(jié)構(gòu)波導(dǎo)實(shí)際中很難制作。對(duì)于常用的基于硅基二氧化硅材料的AWG，一種有效的方法是使用摻硼和磷的二氧化硅波導(dǎo)上包層，以控制應(yīng)力引起的波導(dǎo)雙折射。但這個(gè)方法需要精確地控制硼和磷的摻雜濃度，且需要兼顧多方面的因素，既要滿(mǎn)足包層和芯層的折射率差要求，又要達(dá)到消雙折射的要求，而且要使包層熔點(diǎn)盡可能低而容易實(shí)現(xiàn)高溫再流工藝。這樣嚴(yán)格的工藝要求而且需要使用劇毒的氣體自然增加了器件的制作成本。
另一種消除偏振敏感性的方法是利用鄰近的衍射級(jí)次來(lái)匹配不同的偏振，在“Polarization independent 8×8 waveguide grating multiplexer on InP，”M.Zimgible，C.H.Joyner，L.W.Stulz，Th.Gaigge and C.Dragone，Electron.Lett.，29201-201，1993以及“Design and realization of polarization independentphased array wavelength demultiplexers using different array order for TE and TM，”L.H.Spiekman，M.R.Amersfoort，A.H.de Vreede，F(xiàn).P.G.M.van Ham，A.Kuntze，J.W.Pedersen，P.Demeester和M.K.Smit，J.Lightwave Technol.，14991-995，1996這兩篇文章提到將TE和TM模式的通道頻譜響應(yīng)分別匹配到兩個(gè)相鄰的衍射級(jí)次，光柵的自由光譜范圍(FSR)要和兩個(gè)模式之間的波長(zhǎng)差相等。這樣，處于m衍射級(jí)的TE模才能和處于m-1衍射級(jí)的TM模重合。這個(gè)方法的一個(gè)主要缺陷在于，可用的FSR被偏振相關(guān)的波長(zhǎng)偏移限制，而這波長(zhǎng)偏移主要和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相關(guān)，一般僅為幾個(gè)納米左右。因此，這種方法僅適用于大的偏振色散的情況，并且由于偏振色散對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感，并且波導(dǎo)的生長(zhǎng)具有非均勻性和不可重復(fù)性，因此準(zhǔn)確的匹配是很難做到的。
在AWG的陣列波導(dǎo)區(qū)域加入三角形偏振補(bǔ)償區(qū)也可以達(dá)到AWG偏振不敏感的目的。但是制作過(guò)程中，在“Polarization compensated waveguide grating routeron InP，”P(pán).C.Chou，C.H.Joynerm and M.Zirngibl，Electron.Lett.，311662-1664，1995這篇文章中提到需要兩次波導(dǎo)生長(zhǎng)的步驟，而在“An improvedtechnology for eliminating polarization dispersion in integrated phasardemultiplexer，”C.G.M.Vreeburg，C.G.P.Herben，X.J.M.Leijtens，M.K.Smit，F(xiàn).H.Groen，J.J.G.M.van der Tor and P.Demeester，Proc.23rd Conf.on OpticalComm.(ECOC’97)3.83-3.86.這篇文章中提到需要兩次刻蝕步驟。除了增加制作難度外，由于偏振補(bǔ)償區(qū)波導(dǎo)的包層厚度變小，豎直方向的折射率差變小，使得相鄰陣列波導(dǎo)間的耦合增強(qiáng)，導(dǎo)致位相誤差變大。為了消除由于折射率差變小造成的彎曲散射損耗，偏振補(bǔ)償?shù)牟▽?dǎo)只能實(shí)施在直波導(dǎo)區(qū)域，于是需要額外的直波導(dǎo)，由此使得器件變大。
幾年前，在“Polarization dispersion compensated AWG demultiplexerfabricated in a single shallow etching step”，J.-J.He，B.Lamontagne，and E.S.Koteles，Electron.Lett.35，pp.737-738，1999這篇文章中，本發(fā)明人提出一種適合InP材料的更好的偏振補(bǔ)償方法，在AWG的平板波導(dǎo)區(qū)域加入偏振補(bǔ)償區(qū)。這種方法無(wú)需任何額外器件的插入或是額外的制作步驟，可以在一步光刻中完成，因此降低了制作損耗，并且取得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也適合基于平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的蝕刻衍射光柵器件。但是這種方法對(duì)于基于硅基二氧化硅材料的AWG不很合適，需要增加一個(gè)工藝步驟且影響器件的損耗性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，解決了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵偏振補(bǔ)償方法造成的器件性能變差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，包括至少一條輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)、輸出平板波導(dǎo)區(qū)和至少一條輸出波導(dǎo)。光從輸入波導(dǎo)依次通過(guò)輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)傳播至輸出波導(dǎo)時(shí)經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)區(qū)中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差由在陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差naΔL和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)至少一個(gè)中的光程差nsΔLs共同組成；該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差以及由此決定的該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的幾何形狀是根據(jù)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感而決定的。
進(jìn)一步地，所述的輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)中至少有一個(gè)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與該平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夾角根據(jù)該平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)的差別而決定，所述夾角是一個(gè)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感的角度。
本發(fā)明具有的有益效果是1.本發(fā)明所公開(kāi)的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵結(jié)合了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵和蝕刻光柵的雙重工作機(jī)制，利用平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)來(lái)補(bǔ)償陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)，工作原理簡(jiǎn)單，可以完全補(bǔ)償陣列波導(dǎo)光柵固有的雙折射，達(dá)到偏振非敏感的目的。
2.本發(fā)明所公開(kāi)的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵和傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵制作工藝完全兼容，不需要加入額外元件，不需要額外工藝步驟，不影響傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵原有性能。
3.本發(fā)明所公開(kāi)的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵可應(yīng)用于不同材料、不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的陣列光柵器件，且具有制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入平板波導(dǎo)區(qū)域結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖3是本發(fā)明的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的一種具體實(shí)施方式
中輸入平板波導(dǎo)區(qū)域結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的布局圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的布局圖。
圖中1、輸入波導(dǎo)，2、輸入平板波導(dǎo)區(qū)，3、陣列波導(dǎo)區(qū)，4、輸出平板波導(dǎo)區(qū)，5、輸出波導(dǎo)，6、輸入面，7、輸出面，8、輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線，9、輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線，10、輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸，11、輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸，12、中心輸入波導(dǎo)，13、中心輸出波導(dǎo)，14、第一個(gè)羅蘭圓，15、第一個(gè)光柵圓。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵包括至少一條輸入波導(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和至少一條輸出波導(dǎo)5；輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10是中心輸入波導(dǎo)12與陣列波導(dǎo)區(qū)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線8的中心點(diǎn)的連線，輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸11是中心輸出波導(dǎo)13與陣列波導(dǎo)區(qū)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線9的中心點(diǎn)的連線；6是由至少一條輸入波導(dǎo)1末端構(gòu)成的輸入面，7是由至少一條輸出波導(dǎo)5末端構(gòu)成的輸出面。這些結(jié)構(gòu)都是集成在同一基底上。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵中光從輸入波導(dǎo)依次通過(guò)輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)傳播至輸出波導(dǎo)時(shí)經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)區(qū)中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差僅是由在陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差naΔL構(gòu)成，其中na是陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔL是該相鄰兩波導(dǎo)的長(zhǎng)度差。
同時(shí)傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸相互垂直。
圖2為圖1中輸入平板波導(dǎo)區(qū)3的放大圖，輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的結(jié)構(gòu)與之類(lèi)似。傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸相互垂直。接著以羅蘭圓結(jié)構(gòu)為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明輸入平板波導(dǎo)區(qū)。輸入面6是在第一個(gè)羅蘭圓14上，輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線8是在一個(gè)比第一個(gè)羅蘭圓14半徑大一倍的第一個(gè)光柵圓15上，并且第一個(gè)光柵圓15與第一個(gè)羅蘭圓14在陣列波導(dǎo)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線8的中心點(diǎn)相切。輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10與第一個(gè)羅蘭圓14的直徑，也就是第一個(gè)光柵圓15的半徑重合。輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線8中心的切線與輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10相互垂直。輸入/輸出波導(dǎo)展開(kāi)呈輻射狀，并且各輸入/輸出波導(dǎo)連接平板波導(dǎo)區(qū)的一端以一定的中心間距均勻地排列在一個(gè)羅蘭圓上。陣列波導(dǎo)中的每條波導(dǎo)正對(duì)中心輸入/輸出波導(dǎo)，均勻地排列在以中心輸入/輸出波導(dǎo)為圓心的光柵圓上。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵滿(mǎn)足如下衍射方程nsdasinθi+naΔL+nsdasinθo＝mλ。其中，θi＝i·Δx/Lf，θo＝j(luò)·Δx/Lf。ns和na分別是輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率；θi和θo分別是輸入和輸出平板波導(dǎo)區(qū)的衍射角；da是陣列波導(dǎo)的間隔；ΔL是相鄰陣列波導(dǎo)間的長(zhǎng)度差；m是衍射級(jí)次；λ是入射波長(zhǎng)；i和j分別代表第幾根輸入和輸出波導(dǎo)；Δx是輸入或輸出波導(dǎo)間隔；Lf是平板波導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度。對(duì)于中心波長(zhǎng)λc來(lái)說(shuō)，它從中心輸入波導(dǎo)輸入，從中心輸出波導(dǎo)輸出，因此衍射角θi和θo均為零，則以上的衍射方程變?yōu)閚aΔL＝mλc。
引起雙折射的原因主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料本身引起的。由于雙折射，使得陣列波導(dǎo)區(qū)的橫電模(TE模)和橫磁模(TM模)的有效折射率不一致，也就是說(shuō)，na(TE)≠na(TM)。
那么，根據(jù)傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵中心波長(zhǎng)的衍射方程則分別對(duì)應(yīng)TE模和TM模的頻譜響應(yīng)峰值必須滿(mǎn)足na(TE)ΔLλTE=na(TM)ΔLλTM]]>由于陣列波導(dǎo)區(qū)TE模和TM模的有效折射率的不一致，從而導(dǎo)致偏振相關(guān)波長(zhǎng)偏移PDλ(polarization dependent wavelength)，并且Δλ=λTE-λTM-=Δnanaλ,]]>其中陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率差Δna＝na(TE)-na(TM)。
圖3給出本發(fā)明的一種偏振非敏感陣列波導(dǎo)光柵的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，光從輸入波導(dǎo)1依次通過(guò)輸入平板波導(dǎo)區(qū)2、陣列波導(dǎo)區(qū)3和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4傳播至輸出波導(dǎo)5時(shí)經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)區(qū)3中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差由在陣列波導(dǎo)區(qū)3中的光程差naΔL和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4至少一個(gè)中的光程差nsΔLs共同組成，其中ns是平板波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔLs是該相鄰兩波導(dǎo)在該平板波導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度差。該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)3中的光程差以及由此決定的該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)3的幾何形狀是根據(jù)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)3的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感而決定的。
如圖4所示，為圖3中輸入平板波導(dǎo)區(qū)3的放大圖，輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的結(jié)構(gòu)與之類(lèi)似。和傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵不同的在于，輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4中至少有一個(gè)和陣列波導(dǎo)區(qū)3的交界曲線中心的切線與該平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夾角根據(jù)該平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)3的雙折射性質(zhì)的差別而決定，所述夾角是一個(gè)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)3的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感的角度。以羅蘭圓結(jié)構(gòu)的輸入平板波導(dǎo)區(qū)為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明。這里羅蘭圓與光柵圓的設(shè)計(jì)與蝕刻光柵的幾何構(gòu)造類(lèi)似。輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10與第一個(gè)羅蘭圓14的直徑，也就是第一個(gè)光柵圓15的半徑，不重合，而是成一個(gè)角度α。輸入/輸出波導(dǎo)展開(kāi)呈輻射狀，并且各輸入/輸出波導(dǎo)連接平板波導(dǎo)區(qū)域的一端以一定的間距非均勻地排列在羅蘭圓弧上。陣列波導(dǎo)中的每條波導(dǎo)正對(duì)中心輸入/輸出波導(dǎo)，非均勻地排列在半徑比羅蘭圓弧大一倍的光柵圓弧上，此光柵圓弧與羅蘭圓弧在陣列波導(dǎo)與平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線的中心點(diǎn)處相切。
平板波導(dǎo)區(qū)的設(shè)計(jì)也可以采用平場(chǎng)設(shè)計(jì)。輸入波導(dǎo)末端分布在輸入平板波導(dǎo)區(qū)的一條直線上，輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線是由輸入面上兩個(gè)輸入點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的；輸出波導(dǎo)末端分布在輸出平板波導(dǎo)區(qū)的一條直線上，輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線是由輸出面上兩個(gè)波長(zhǎng)的成像點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)應(yīng)相鄰陣列波導(dǎo)在輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)域有長(zhǎng)度差ΔLs，那么中心波長(zhǎng)衍射方程就變成了c*nsΔLs+naΔL＝mλc，則分別對(duì)應(yīng)TE模和TM模的頻譜響應(yīng)峰值滿(mǎn)足下面的等式c*ns(TE)ΔLs+na(TE)ΔLλTE=c*ns(TM)ΔLs+na(TM)ΔLλTM]]>其中c的取值為0，1，2，分別代表在輸入和輸出平板波導(dǎo)區(qū)均不引入光程差，在輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)域引入光程差和在輸入和輸出平板波導(dǎo)區(qū)域均引入光程差。
從而可以得到偏振相關(guān)波長(zhǎng)偏移PDλ，Δλ=λTE-λTM=c*ΔnsΔLs+ΔnaΔLc*nsΔLs+naΔLλ,]]>并且輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的有效折射率差Δns＝ns(TE)-ns(TM)。
這樣根據(jù)PDλ的關(guān)系式，陣列波導(dǎo)光柵完全偏振補(bǔ)償?shù)臈l件λTE＝λTM，就變?yōu)閏*ΔnsΔLs+ΔnaΔL＝0結(jié)合中心波長(zhǎng)衍射方程就可以求得相應(yīng)的陣列波導(dǎo)區(qū)和輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度差ΔL和ΔLs。
通過(guò)使平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線與平板波導(dǎo)區(qū)的光軸成一非九十度的特定角度，就可在平板波導(dǎo)區(qū)產(chǎn)生長(zhǎng)度差，并且在平板波導(dǎo)區(qū)引入的長(zhǎng)度差ΔLs可正，可負(fù)。當(dāng)特定角度為九十度時(shí)，平板波導(dǎo)區(qū)長(zhǎng)度差為零，即成為傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵。
下面給出本發(fā)明的二個(gè)實(shí)施例，假設(shè)下列參數(shù)已知，ns＝1.458041，na＝1.455253，λc＝1555.75nm，m＝36。輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的偏振相關(guān)波長(zhǎng)偏移(PDλ)分別為Δλs，Δλa，滿(mǎn)足Δn/n＝Δλ/λ。并且以羅蘭圓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平板波導(dǎo)區(qū)，輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸與羅蘭圓的直徑，也是光柵圓的半徑，成的角度為α。
實(shí)施例1Δλs＝0.6nm，Δλa＝-0.2nm；Δns＝5.6232*10-4，Δna＝-1.8708*10-4求解得到α＝28.695°，ΔLs＝4.802μm，ΔL＝28.865μm。
器件大小為36.667mm×17.969mm。
最后得到的偏振非敏感陣列波導(dǎo)光柵的布局如圖5所示。為了清晰起見(jiàn)，圖中沒(méi)有畫(huà)出全部的陣列波導(dǎo)，而是畫(huà)出了部分陣列波導(dǎo)作為示意。
實(shí)施例2Δλs＝0.6nm，Δλa＝0.2nm；Δns＝5.6232*10-4，Δna＝1.8708*10-4求解得到α＝-47.620°，ΔLs＝-9.603μm，ΔL＝57.729μm。
器件大小為36.589mm×16.280mm。
最后得到的偏振非敏感陣列波導(dǎo)光柵的布局如圖7所示。為了清晰起見(jiàn)，圖中沒(méi)有畫(huà)出全部的陣列波導(dǎo)，而是畫(huà)出了部分陣列波導(dǎo)作為示意。
上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，包括至少一條輸入波導(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)和至少一條輸出波導(dǎo)(5)，其特征在于，光從輸入波導(dǎo)(1)依次通過(guò)輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)、陣列波導(dǎo)區(qū)(3)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)傳播至輸出波導(dǎo)(5)時(shí)經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差由在陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中的光程差naΔL和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)至少一個(gè)中的光程差nsΔLs共同組成，其中na是陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的有效折射率，ΔL是在陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中該相鄰兩波導(dǎo)的長(zhǎng)度差，ns是該平板波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔLs是對(duì)應(yīng)該相鄰兩波導(dǎo)的光路在該平板波導(dǎo)區(qū)中的長(zhǎng)度差；該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中的光程差以及由此決定的該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的幾何形狀是根據(jù)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感而決定的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述的陣列波導(dǎo)區(qū)(3)，輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的幾何形狀是根據(jù)兩個(gè)不同偏振態(tài)的光從輸入波導(dǎo)(1)依次經(jīng)過(guò)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)傳播到輸出波導(dǎo)(5)所經(jīng)過(guò)的總光程相等而決定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于，所述長(zhǎng)度差ΔL和ΔLs滿(mǎn)足c*ΔnsΔLs+ΔnaΔL＝0，式中c的取值為1，2，分別代表在輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)或者輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)中引入長(zhǎng)度差和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)中均引入長(zhǎng)度差，Δna為陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的橫電模TE和橫磁模TM的有效折射率差，即Δna＝na(TE)-na(TM)；Δns為輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)或者輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的TE模和TM模的有效折射率差，即Δns＝ns(TE)-ns(TM)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述的輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)中至少有一個(gè)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線中心的切線與該平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夾角根據(jù)該平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射性質(zhì)的差別而決定，所述夾角是一個(gè)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于，所述的至少一條輸入波導(dǎo)(1)末端構(gòu)成的輸入面(6)是在第一個(gè)羅蘭圓(14)上，所述輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(8)是在一個(gè)比第一個(gè)羅蘭圓(14)半徑大一倍的第一個(gè)光柵圓(15)上，并且第一個(gè)光柵圓(15)與第一個(gè)羅蘭圓(14)在陣列波導(dǎo)(3)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)交界曲線(8)的中心點(diǎn)相切；所述至少一條輸出波導(dǎo)(5)末端構(gòu)成的輸出面(7)是在第二個(gè)羅蘭圓上，所述輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(9)是在一個(gè)比第二個(gè)羅蘭圓半徑大一倍的第二個(gè)光柵圓上，并且第二個(gè)光柵圓與第二個(gè)羅蘭圓在陣列波導(dǎo)(3)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)交界曲線(9)的中心點(diǎn)相切。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于，所述的至少一條輸入波導(dǎo)(1)末端構(gòu)成的輸入面(6)在第一條直線上，所述輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(8)是由輸入面(6)上兩個(gè)輸入點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的；所述至少一條輸出波導(dǎo)(5)末端構(gòu)成的輸出面(7)在第二條直線上，所述輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(9)是由輸出面(7)上兩個(gè)波長(zhǎng)的成像點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于其對(duì)應(yīng)陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中不同陣列波導(dǎo)所經(jīng)過(guò)的總光程差主要由陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的光程差和輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)的光程差共同組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于其對(duì)應(yīng)陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中不同陣列波導(dǎo)所經(jīng)過(guò)的總光程差主要由陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的光程差和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的光程差共同組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于其對(duì)應(yīng)陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中不同陣列波導(dǎo)所經(jīng)過(guò)的總光程差主要由陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的光程差以及輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的光程差共同組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述的陣列波導(dǎo)光柵是基于硅基二氧化硅或氮氧化硅材料，所述的輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射主要是由應(yīng)力引起的不同的雙折射。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵。與傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵不同，所述偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的光程差由陣列波導(dǎo)區(qū)和平板波導(dǎo)區(qū)的光程差共同組成，利用平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)來(lái)補(bǔ)償陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)。平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，該夾角根據(jù)平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)差別決定。本發(fā)明在不改變傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵各個(gè)組成部分，同時(shí)不引入額外器件的基礎(chǔ)上，補(bǔ)償了偏振色散，解決了傳統(tǒng)偏振補(bǔ)償方法造成的器件性能變差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，適用于基于二氧化硅、磷化銦和硅等各種波導(dǎo)材料和各種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的陣列波導(dǎo)光柵，具有制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04J14/02GK1837869SQ200610050488
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者何建軍, 郎婷婷, 何賽靈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)