CN102183821A - 一种阵列波导光栅波分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光传输领域的波分复用技术，尤其是一种阵列波导光栅波分复用器，包括依次连接的输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导、输出波导，所述输入波导、输出波导的截面均包括芯层、包裹芯层的包层，所述芯层折射率比包层大，其不同之处在于：所述输出波导与输出平板波导相连接的一端为带空气槽输出波导，所述带空气槽输出波导是芯层两侧均刻蚀有空气槽的高折射率差波导。该复用器体积小、光纤之间的耦合损耗少并且AWG的波长偏振相关性好，信道间的抗串扰性能优良。

Description

一种阵列波导光栅波分复用器

技术领域

本发明涉及光传输领域的波分复用技术，尤其是一种阵列波导光栅波分复用器。

背景技术

随着光传输研究的发展，波分复用技术已经成为一种增大通信信息容量的有效手段。所谓波分复用是指将多个不同波长的光合到同一根波导或光纤中传输，解复用是将同一根波导或光纤中的不同波长的光按照波长分别分到不同波导或光纤中的技术。实现波分复用技术的关键部分是波分复用器。阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，简称AWG)型波分复用/解复用(WDM)器件具有信道间隔小、易于同其它器件集成、体积小、性能稳定、易于批量生产、以及成本低的特点而得到了快速的发展。

目前主要的制作AWG的材料是硅基二氧化硅与磷化铟。其中因为硅基二氧化硅波导具有传输损耗低、与普通单模光纤之间的耦合损耗低、制作工艺成熟等特点而成为目前AWG主导材料。特别是基于AWG的波分复用器，基本上都是利用硅基二氧化硅制作的。

为了保证与光纤之间的耦合损耗小，一般使用的硅基二氧化硅波导芯层相对包层的折射率差比较低，比如0.75％。低折射率差的波导制作的AWG缺点是尺寸较大，比如一个基于ITU 100GHz间隔的40通道的0.75％相对折射率差的硅基二氧化硅AWG，其芯片尺寸一般大于30mm×42mm，一块6英寸的硅片上能切割出的方形的单个AWG最多数量不超过6个，即使沿着AWG的边缘线切割出曲线型的AWG，其数量一般也只能达到20个左右。随着AWG市场的发展与竞争的加剧，对小尺寸的AWG要求越来约紧迫。虽然可以采用高折射率差的波导来制作小尺寸的AWG，但是高折射率差的波导与普通单模光纤之间的耦合损耗很大，需要用复杂的工艺制作三维的模场转换波导或高数值孔径的光纤来降低耦合损耗。而且高折射率差的波导对工艺要求更高——波导尺寸误差与折射率不均匀性对波导模场的折射率影响更大，则AWG的指标特性就更容易受到影响。

为了同时解决小尺寸问题以及与光纤之间的耦合损耗问题，目前有一种方法是采用低折射率波导制作AWG，但是在其所有的弯曲波导两侧刻上空气槽，从而达到波导的高折射率差。通过使用高折射率差的弯曲波导缩短弯曲波导的弯曲半径，例如：0.75％折射率差硅基二氧化硅波导一般弯曲半径要求大于5mm，而开了空气槽后的这种波导弯曲半径只需要0.2毫米左右。这样就可以将AWG的尺寸大大缩短。图1所示的是普通弯曲光波导结构图：带波导的芯片100，以及芯片上的波导101，图2表示的是普通弯曲波导截面图：硅衬低201，波导101，上包层202，下包层203。图3表示的是带空气槽的弯曲波导结构图：芯片300，波导301，空气槽302，图4表示的带空气槽的弯曲波导的截面图：衬底201，波导301，空气槽302，上包层202，下包层203。

这种方法虽然很好地降低了AWG芯片的尺寸，且能保证与光纤之间的耦合损耗较低，但是AWG是相位与偏振敏感器件，如图5所示是一个AWG的结构示意图：AWG芯片为400，包括输入波导401、输入平板波导402、阵列波导403、输出平板波导404，输出波导405。如果在其阵列波导上使用带空气槽的弯曲波导，则会比较容易影响其阵列波导相位，导致相位误差，而且这种高折射率差的波导，因为两侧的空气，其折射率相对波导层小得多，一般是偏振敏感的，所以会导致AWG的波长偏振相关性以及信道间的串扰变差。

发明内容

根据上述背景技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种阵列波导光栅波分复用器，该复用器体积小、光纤之间的耦合损耗少并且AWG的波长偏振相关性好，信道间的抗串扰性能优良。

为解决以上问题，本发明的技术方案如下：一种阵列波导光栅波分复用器，包括依次连接的输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导、输出波导，所述输入波导、输出波导的截面均包括芯层、包裹芯层的包层，所述芯层折射率比包层大，其不同之处在于：所述输出波导与输出平板波导相连接的一端为带空气槽输出波导，所述带空气槽输出波导是芯层两侧均刻蚀有空气槽的高折射率差波导。

按以上方案，所述输入波导与输入平板波导相连接的一端为带空气槽输入波导，所述带空气槽输入波导是芯层两侧均刻蚀有空气槽的高折射率差波导。

按以上方案，所述带空气槽输入波导、带空气槽输出波导分别为多模干涉波导、弯曲波导、直波导、锥形波导或其它任意结构中的一种或几种的组合。

按以上方案，所述空气槽内填充折射率低于芯层折射率的材料。

对比现有技术，本发明的有益优点在于：

输出波导与输出平板波导相连接的一端为带空气槽输出波导，所述带空气槽输出波导是芯层两侧均刻蚀有空气槽的高折射率差波导。优选的，所述输入波导与输入平板波导相连接的一端为带空气槽输入波导，所述带空气槽输入波导是芯层两侧均刻蚀有空气槽的高折射率差波导。以上方案实现了在低折射率差的波导结构上制作小型化的AWG芯片。而且仅输入波导/输出波导在与平板波导连接的部分制作成两侧为空气槽的高折射率波导，在实现了芯片的小型化的同时保留了常规低折射率差波导AWG的与普通单模光纤之间有较低的耦合损耗的优点以及较好串扰特性的优点。

附图说明

图1常规低折射率差波导俯视图；

图2常规低折射率差波导截面图；

图3带空气槽的波导俯视图；

图4带空气槽的波导截面图；

图5常规AWG结构图；

图6本发明的AWG示意图；

图7本发明的AWG输入及输出波导放大结构示意图；

图8本发明实施例的AWG光谱；

图9本发明实施例的AWG CAD图；

图10本发明实施例AWG在一个6英寸硅片上的布局图。

具体实施方式

AWG作为一个整体而言，优化芯片的尺寸可以从如下方面考虑：减小输入平板波导以及输出平板波导从而达到减小芯片尺寸。本发明就是通过将输入波导/输出波导在与平板波导连接的部分制作成两侧为空气槽的高折射率波导，减小输出波导在输出平板波导连接处的间距，从而在保证插损均匀性、串扰、带宽等所有光学指标的前提下，缩小输入平板波导以及输出平板波导的尺寸，从而减小阵列波导数量，进而极大地减小了AWG芯片的尺寸。

本发明的波导多路复用/解复用器结构如图6所示，图6是采用低折射率差的硅基二氧化硅波导制作的AWG。其结构关系具体如下：输入波导501与输入平板波导503相连接，输入波导501的一端为带空气槽输入波导502，输入波导501其余部位不带空气槽511，带空气槽输入波导502与输入平板波导503相连接，所述带空气槽输入波导502包层中位于芯层的两侧刻蚀有空气槽511。阵列波导504的两端分别与输入平板波导503、输出平板波导505相连接，输出平板波导505与输出波导507相连接，所述输出波导507的一端为带空气槽输出波导506，带空气槽输出波导506与输出平板波导505相连接，所述带空气槽输出波导506是芯层的两侧均刻蚀有空气槽511的高折射率差波导。其中波导503、504、505也均不带空气槽。

本发明实现AWG芯片小型化的基本原理如下：

如图5所示，假设常规的AWG输出波导405与输出平板波导404连接处的相邻输出波导405之间的间距为d。对于常规的芯层-包层相对折射率差为0.75％的低折射率差的硅基二氧化硅波导制作的AWG而言，d一般为25微米或更大，以保证相邻输出波导405之间的光信号耦合较小。而对于如图6所示的本发明的AWG而言，由于与输出平板波导505连接输出波导506为带空气槽的波导，是高折射率差波导，这样在与输出平板波导505连接处的波导506之间的间距就可以较小。假设输出波导上506在与输出平板波导505连接处的宽度为W₁，那么与输出平板波导505连接处的相邻波导506之间的间距为W₁+2微米就可以保证相邻波导之间的光信号耦合较小。通常W₁为微米量级，比如2微米。这样与输出平板波导505连接处的波导506之间的间距一般就远小于25微米。另外AWG的输入/输出平板波导的长度大小主要影响AWG的各个输出通道的插损均匀性。假设输入/输出平板波导的长度均为f，输出波导数为N，AWG的各个输出通道的插损均匀性为L_U，那么有

$L_U=-10\log \left(e^{-2{\left(\frac{N}{2}\frac{d}{f}\right)}^2/{\mathrm{\θ}}_0^2}\right),---\left(1\right)$

其中θ₀为常数。从公式(1)可以看出，在保证插损均匀性L_U不变的条件下，与输出平板波导505连接处的波导506之间的间距d越小，则需要的输入/输出平板波导的长度f就同比减小。同时f减小，那么需要的阵列波导数量就减小。假设与输出平板波导505连接处的波导506之间的间距d为4微米，那么其输入/输出平板波导的长度f就是图5所示的AWG的输入/输出平板波导长度的4/25。由于输入/输出平板波导长度可以很小、阵列波导数量可以减少，所以整体的AWG芯片尺寸就会大大减小。

另外，对于只需要一个输入波导的AWG而言，从减小AWG芯片尺寸的角度出发，输入波导502可以不带空气槽。此外，空气槽内可以填充各类折射率较低的材料以减小外界污染对波导的影响。

为了更好地理解本发明，依据本发明的原理，我们设计了一个40通道平顶型的基于ITU100GHz信道间隔的AWG。未开空气槽的波导芯层与包层折射率差为0.75％，为硅基二氧化硅材料。带空气槽的输入波导502与输入平板波导503连接端的结构为直波导513，以及连接513与503的多模干涉波导514(如图7所示)，其中多模干涉波导514宽为W₃，长为L_I。而输出波导506与输出平板波导505连接端的结构为直波导516，以及连接516与505的锥形波导515。锥形波导515长为L，该锥形波导与输出平板波导连接处的宽度为W₁，与直波导516之间的连接端的宽度与直波导宽度516一样为W₂，如图7所示。波导502、506的其它部分为弯曲波导，且这些弯曲波导与直波导宽度均为W₄。输出波导中所有带空气槽的弯曲波导与过渡波长宽度均为W₂。为了保证输入/输出波导上常规低折射率差直波导之间的连接损耗低，他们的连接处采用锥形波导过渡。

设计的AWG参数为：W₄与W₂均为2微米，衍射级数为24，W₃为5微米，L_I为316微米，W₁为3.65微米，两个相邻输出波导上模场转换结构与输出平板波导之间的连接处的间距d为5.65微米，L为50微米，输入波导数为1根，输出波导数为48根。输出波导上相邻常规低折射率差的直波导间距127微米。输入/输出平板波导长度均为3.5毫米，阵列波导为161根，阵列波导宽度5.5微米，在与输入/输出平板波导连接处相邻阵列波导间距8.15微米，输入/输出波导上常规低折射率差的直波导宽度6微米。所有波导芯层厚度5.5微米。

该器件具有平坦型光谱特性，模拟结果表明1dB、3dB带宽分别可达0.52nm以及0.65nm，如图8所示。插损均匀性按照小于0.5dB设计的AWG芯片尺寸小于24mm×10mm，如图9所示。在一块6英寸硅片上可以切出49个这样的AWG小片，如图10所示。

实施例中的各个参数并不是唯一的，输入、输出波导可以是大于或等于1的任意数，波分复用器的阵列波导数目可以是大于2的任意数，其它参数可以在本发明精神下任意选取。实施例中采用相邻输出通道中心波长间隔为0.8nm(100GHz)的密集波分复用器，是因为这两种器件应用比较多，具有代表性，在实际应用中，可以在本发明的精神下制作包括0.8nm在内的各种相邻输出通道中心波长间隔的波分复用器件。

以上实施例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式的限制，凡是依据本发明的技术本质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种阵列波导光栅波分复用器，包括依次连接的输入波导(501)、输入平板波导(503)、阵列波导(504)、输出平板波导(505)、输出波导(507)，所述输入波导(501)、输出波导(507)的截面均包括芯层、包裹芯层的包层，所述芯层折射率比包层大，其特征在于：所述输出波导(507)与输出平板波导(505)相连接的一端为带空气槽输出波导(506)，所述带空气槽输出波导(506)是芯层两侧均刻蚀有空气槽的高折射率差波导。

2.如权利要求1所述的阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：所述输入波导(501)与输入平板波导(503)相连接的一端为带空气槽输入波导(502)，所述带空气槽输入波导(502)是芯层两侧均刻蚀有空气槽的高折射率差波导。

3.如权利要求1所述的阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：所述带空气槽输入波导(502)、带空气槽输出波导(506)分别为多模干涉波导、弯曲波导、直波导、锥形波导或其它任意结构中的一种或几种的组合。

4.如权利要求1或2或3所述的阵列波导光栅波分复用器，其特征在于：所述空气槽内填充折射率低于芯层折射率的材料。

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