CN106443879B - 一种低窜扰的阵列波导光栅 - Google Patents

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Abstract

一种低窜扰的阵列波导光栅，包括输入波导区、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和输出波导区，输入波导区的各输入波导末端位于一个输入罗兰圆上并指向阵列波导区的输入面中心，阵列波导区的各阵列波导输入端位于一个输入光栅圆上并指向输入波导区的输出面中心，同时输入罗兰圆和输入光栅圆相切于输入平板波导区和阵列波导区交界线的中心；阵列波导区中的各相邻阵列波导之间的长度差为ΔL；各阵列波导的输入端中心点在输入光栅圆上的位置点投影到切线上，且相邻投影点的距离均相等，距离为固定值da；输出平板波导区和输出波导区的结构与输入波导区和输入平板波导区相同。本发明有效降低窜扰水平、满足片上光互连应用的需求。

Description

一种低窜扰的阵列波导光栅
技术领域
本发明涉及光通信器件，尤其是一种低窜扰的阵列波导光栅。
背景技术
阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，AWG)，作为一种波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)器件，在光通信和片上光谱仪中扮演着非常重要的角色。基于低折射率差平台(Silica-on-Silicon,硅上的二氧化硅平台)的AWG其性能已非常优秀，并已广泛商业应用，但是由于此类AWG的尺寸较大，难以实现高密度的集成，限制了其在小型化的片上光互连***中的应用。为了能实现高密度的光子集成，获得小型化的AWG将变得非常重要，这就使得人们将目光转向了高折射率差(比如，silicon-on-insulator,SOI)平台的AWG的研究，但是由于其亚微米尺度上的波导结构，工艺制作缺陷带来的波导侧壁粗糙和尺寸变化等将对AWG的性能产生重大影响，严重阻碍了其应用。基于高折射率差SOI平台的AWG性能的改进研究便成为了近年来的一个研究热点，W.Bogaerts等人(W.Bogaerts,et al,“Silicon-on-insulator spectral filters fabricated with CMOStechnology”,IEEE JSTQE,16(1),pp.33-44,2010；即W.Bogaerts等，SOI平台上利用CMOS技术制作的光谱滤波器，IEEE JSTQE,2010，16(1)：33-44)采用马鞍形结构的AWG布局，同时在阵列波导中引入宽直波导来产生相邻光路径的光程差和在阵列波导和平板波导连接处引入浅刻蚀波导来降低平板波导模式和阵列波导模式之间的失配，从而降低了AWG的窜扰和损耗。S.Pathak等人(S.Pathak,et al,“effect of mask discretization onperformance of silicon arrayed waveguide gratings”,IEEE PTL,26(7),pp.718-721,2014；即S.Pathak等，掩膜离散对硅阵列波导光栅性能的影响，光子技术快报，2014，26(7)：718-721)研究了掩膜制作技术对AWG窜扰的影响，提出了要采用高精度的掩膜离散方式来降低窜扰水平。J.Park等人(J.Park,et al,“performance improvement in siliconarrayed waveguide grating by suppression of scattering near the boundary of astar coupler”,Appl.Opt.,54(17),pp.5597-5602,2015；即J.Park等，通过抑制星型耦合器边界处散射来提高硅阵列波导光栅的性能，应用光学，2015，54(17)：5597-5602)通过抑制阵列波导和平板波导交界面处模式转换时引发的多模激发和散射损耗，降低了AWG的窜扰和损耗。
虽然以上这些方法都提高了高折射率差AWG的性能，但是它们还不足以满足实际的应用需求，特别是其窜扰水平，仍需要进一步提升。本发明将在现有优化的设计基础之上，通过进一步改进AWG的布局结构来进一步降低AWG的窜扰。
发明内容
为了克服现有的阵列波导光栅的窜扰水平较高、无法满足片上光互连应用的需求，本发明提供一种有效降低高折射率差平台上的AWG的窜扰水平、满足片上光互连应用需求的低窜扰的阵列波导光栅。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种低窜扰的阵列波导光栅，包括输入波导区、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和输出波导区，所述的输入波导区的各输入波导末端位于一个输入罗兰圆上并指向阵列波导区的输入面中心，阵列波导区的各阵列波导输入端位于一个输入光栅圆上并指向输入波导区的输出面中心，同时输入罗兰圆和输入光栅圆相切于输入平板波导区和阵列波导区交界线的中心；所述的输出波导区的各输入端位于一个输出罗兰圆上并指向阵列波导区的输出面中心，阵列波导区的各阵列波导输出端位于一个输出光栅圆上并指向输出波导区的输入面中心，且输出罗兰圆和输出光栅圆相切于输出平板波导区和阵列波导区交界线的中心；
所述的阵列波导区中的各相邻阵列波导之间的长度差为ΔL；各阵列波导的输入端中心点在输入光栅圆上的位置点投影到输入罗兰圆和输入光栅圆交点处的切线上，且相邻投影点的距离均相等，距离为固定值da；各阵列波导的输出端中心点在输出光栅圆上的位置点投影到输出罗兰圆和输出光栅圆交点处的切线上，且相邻投影点的距离均相等，距离为固定值da。
本发明的有益效果主要表现在：1、降低阵列波导光栅的窜扰水平，改善阵列波导光栅各输出通道的光谱响应形状，减小各通道响应波长的频率偏移；2、制作工艺与传统阵列波导光栅完全兼容，无需额外工艺步骤和引入额外元器件，不影响阵列波导光栅的其他性能；3、它可以在不同的材料平台中实现，特别适用于高折射率差的平台，比如氮化硅(Si3N4)和硅(Si)等平台。
附图说明
图1是本文明给出的阵列波导光栅的一种结构布局图。
图2是本发明提出的阵列波导光栅中的各阵列波导在光栅圆上的位置布局图。
图3是传统设计中阵列波导光栅的各阵列波导在光栅圆上的位置布局图。
图4是基于传统设计(各阵列波导在光栅圆上的相邻中心位置点间距为da)下，在SOI(绝缘体上的硅)平台上，当中心通道输入时(即从第8根输入波导输入)，得到的一个15通道的AWG的输出光谱图。
图5是基于本发明提出的设计后(各阵列波导在光栅圆上的中心位置点投影到输入/输出平板波导区和阵列波导区的交界线中心点处的切线上，且相邻投影点的距离为da)，在SOI平台上当中心通道输入时，得到的一个15通道的AWG的输出光谱图。
图6是基于传统设计下，在SOI平台上，当边缘通道输入时(即从第1根输入波导输入)，得到的该15通道的AWG的输出光谱图。
图7是基于本发明提出的设计后，在SOI平台上，当边缘通道输入时(即从第1根输入波导输入)，得到的该15通道的AWG的输出光谱图。
图8是基于传统设计下，在SOI平台上，当边缘通道输入时(即从第15根输入波导输入)，得到的该15通道的AWG的输出光谱图。
图9是基于本发明提出的设计后，在SOI平台上，当边缘通道输入时(即从第15根输入波导输入)，得到的该15通道的AWG的输出光谱图。
图10是在传统设计结构和本发明提出的设计结构下，中心通道输入时得到的该SOI AWG的边缘通道和中心通道响应频谱。
图11是在传统设计结构和本发明提出的设计结构下，中心通道输入时，得到的该SOI AWG的15个输出通道的中心响应波长偏离所设计中心波长的情况。
图中：1、输入波导区，2、输入波导区的输出面或输入波导区的各输入波导末端，3、输入波导区的输出面中心，4、输入平板波导区，5、输入罗兰圆，6、输入光栅圆，7、阵列波导区的输入面或阵列波导区的各阵列波导输入端，8、输入罗兰圆和输入光栅圆交点处的切线，9、阵列波导区的输入面中心或输入平板波导区和阵列波导区交界线的中心，10、阵列波导区，11、输出罗兰圆和输出光栅圆交点处的切线，12、阵列波导区的输出面中心或输出平板波导区和阵列波导区交界线的中心，13、阵列波导区的输出面或阵列波导区的各阵列波导输出端，14、输出光栅圆，15、输出罗兰圆，16、输出平板波导区，17、输出波导区的输入面中心，18、输出波导区的输入面或输出波导区的各输入端，19、输出波导区，20、罗兰圆的半径R，21、光栅圆的半径2R，22、输入波导区的输出面中心和阵列波导区的输入面中心的连线，23、各阵列波导末端的中心点在光栅圆上的位置点，24、23在罗兰圆和光栅圆交点处的切线上的投影点，25、相邻两根阵列波导的末端中心点在光栅圆上的位置点在罗兰圆和光栅圆交点处的切线上的投影点间距da，26、相邻两根阵列波导的末端中心点在光栅圆上的位置点间距da。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图11，一种低窜扰的阵列波导光栅，包括输入波导区1、输入平板波导区4、阵列波导区10、输出平板波导区16和输出波导区19，所述的输入波导区的各输入波导末端2位于一个输入罗兰圆5上并指向阵列波导区的输入面中心9，阵列波导区的各阵列波导输入端7位于一个输入光栅圆6上并指向输入波导区的输出面中心3，同时输入罗兰圆5和输入光栅圆6相切于输入平板波导区和阵列波导区交界线的中心9；所述的输出波导区的各输入端18位于一个输出罗兰圆15上并指向阵列波导区的输出面中心12，阵列波导区的各阵列波导输出端13位于一个输出光栅圆14上并指向输出波导区的输入面中心17，且输出罗兰圆15和输出光栅圆14相切于输出平板波导区和阵列波导区交界线的中心12；
所述的阵列波导区中的各相邻阵列波导之间的长度差为ΔL；各阵列波导的输入端中心点在输入光栅圆上的位置点23投影到输入罗兰圆和输入光栅圆交点处的切线8上，且相邻投影点的距离均相等，距离为da 25；各阵列波导的输出端中心点在输出光栅圆上的位置点23投影到输出罗兰圆和输出光栅圆交点处的切线11上，且相邻投影点的距离均相等，距离为da 25。
实例：在220nm厚的SOI平台上设计一个15×15的具有低窜扰和良好光谱形状的阵列波导光栅。由于是高折射率差的SOI材料，我们选择通用的“马鞍形”结构来布局阵列波导，即相邻阵列波导中相位差由宽的直波导引入，同时各阵列波导中的弯曲波导采用单模窄波导，窄波导和宽波导之间通过线性的adiabatic taper相连接，阵列波导中引入相位差的宽波导宽度为1μm，单模窄波导宽度为450nm。在这里，我们假设没有工艺误差，即波导制作完美，仅考虑AWG的理论损耗，然后比较采用传统设计(阵列波导在光栅圆上具有固定间距)和本发明提出的设计(阵列波导在光栅圆和罗兰圆交点处的切线上具有固定间距)后，AWG响应频谱的形状和窜扰变化。表1给出了一个15×15基于220nm厚SOI材料的AWG的基本设计参数：
Figure BDA0001135564820000061
Figure BDA0001135564820000071
表1
在我们的附图2中示意了本发明所采用的设计，即各阵列波导在光栅圆上的中心位置点投影到罗兰圆和光栅圆交点处的切线上时，相邻投影点间的距离恒定为da；同样地，附图3给出了传统阵列波导光栅的设计结构，即相邻阵列波导在光栅圆上的中心位置点之间距离恒定为da，所以在本发明提出的设计(附图2)中，相邻阵列波导在光栅圆上的中心位置点之间距离是变化的。
在不考虑AWG制作过程中产生的损耗和位相误差，附图4给出了阵列波导在传统布局设计下(如附图3所示)，当中心输入波导(第8根输入波导)输入时得到的该15通道的AWG的输出光谱图，从该图我们可以看出，远离中心输出通道的边缘通道的响应光谱逐渐出现了旁瓣，并且该旁瓣的幅度逐渐变大，增大了窜扰，而中心几个输出通道的响应光谱很完美，并未出现旁瓣。同样地，附图5给出了采用本发明提出的阵列波导布局设计后(如附图2所示)，当中心通道输入时，该AWG的输出光谱响应图，跟附图4中的中心几个输出通道一样，从图5得到的所有15个通道的响应光谱都很完美，并未出现类似于图4中的旁瓣现象。说明了本发明提出的阵列波导布局设计在改善AWG的输出频谱形状上的有效性。
更进一步地，我们比较了分别采用最边缘两个输入通道输入时，传统设计下和本发明提出的设计下得到的15个输出通道的响应光谱图。附图6给出了传统设计下，当第一根输入通道(最上边缘)输入时得到的15个通道的输出光谱，可以看出旁瓣出现的幅度变得更大，并且光谱的不对称形状变得更加严重。附图7给出了采用本发明的设计后，当第一根输入通道(最上边缘)输入时得到的15个通道的输出光谱，可以看出得到的15个输出光谱的形状很对称，并未出现附图6中的旁瓣现象。
同样地，附图8给出了传统阵列波导布局设计下，当最下边缘输入通道输入(第15根输入波导)时，得到的15个输出通道响应光谱图，可以看出和附图6一样，旁瓣现象非常严重，并且光谱形状畸形变化。附图9给出了采用本发明提出的阵列波导布局设计后，当最下边缘输入通道输入时，15个输出通道的频谱响应并未出现任何旁瓣，并且光谱十分对称。再一次说明了，本发明提出的设计结构在改善AWG的输出频谱响应形状和降低窜扰水平上具有重要作用。
为了更加清晰的对比传统设计和本发明设计之间的差别，我们挑选了在中心输入通道(第8根输入波导)下，两种设计结构得到的频谱响应的对比关系图，如附图10所示。可以看出，对于中心输出通道，两种设计结构下具有相同的输出频谱，然而对于两个最边缘输出通道，传统设计下的频谱出现了明显的旁瓣，增大了窜扰水平，而本发明设计下得到的边缘通道频谱与中心通道的响应频谱一样，并未出现任何旁瓣。此外，我们还可以看出，对于传统设计下的两个最边缘通道，其光谱的中心响应波长已经偏离实际的设计中心波长，导致频谱表现出非对称性。附图11给出了两种设计下得到的各通道的能量最大值响应波长和所设计的该通道的中心响应波长之间的差值，可以看出，传统设计下，随着输出通道序数逐渐远离中心输出通道，实际得到的中心响应波长逐渐偏离所设计的中心响应波长，并且越到最边缘通道，波长偏离值越大；而利用本发明的设计结构后，对于所有的输出通道，该通道的中心响应波长和所设计的中心响应波长完全一致，并未出现任何差异。再一次说明了利用本发明提出的阵列波导位置布局后，能有效降低AWG输出通道的窜扰水平和减小输出频谱的非对称特性。

Claims (1)

1.一种低窜扰的阵列波导光栅，包括输入波导区、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和输出波导区，所述的输入波导区的各输入波导末端位于一个输入罗兰圆上并指向阵列波导区的输入面中心，阵列波导区的各阵列波导输入端位于一个输入光栅圆上并指向输入波导区的输出面中心，同时输入罗兰圆和输入光栅圆相切于输入平板波导区和阵列波导区交界线的中心；所述的输出波导区的各输入端位于一个输出罗兰圆上并指向阵列波导区的输出面中心，阵列波导区的各阵列波导输出端位于一个输出光栅圆上并指向输出波导区的输入面中心，且输出罗兰圆和输出光栅圆相切于输出平板波导区和阵列波导区交界线的中心，其特征在于：
所述的阵列波导区中的各相邻阵列波导之间的长度差为ΔL；各阵列波导的输入端中心点在输入光栅圆上的位置点投影到输入罗兰圆和输入光栅圆交点处的切线上，且相邻投影点的距离均相等，距离为固定值da；各阵列波导的输出端中心点在输出光栅圆上的位置点投影到输出罗兰圆和输出光栅圆交点处的切线上，且相邻投影点的距离均相等，距离为固定值da；
采用马鞍形结构来布局阵列波导，即相邻阵列波导中相位差由宽的直波导引入，同时各阵列波导中的弯曲波导采用单模窄波导，窄波导和宽波导之间通过线性的绝热锥形波导相连接。
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