专利名称：三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光通信波分复用技术领域，特别是涉及一种具有宽通带极低纹波的频率响应的波分复用器件。
背景技术：
波分复用/解复用技术是现代光纤通信技术的关键技术。波分复用/解复用就是指通过特殊的技术，将不同波长的光合成复合光，以及将复合光中不同波长的光分离出来。波分复用(解复用)器件就是实现波分复用/解复用技术的器件。衍射蚀刻光栅是一种非常典型的集成型波分解复用器件，和其他的波分解复用器相比，衍射蚀刻光栅具有集成度高，体积小，波长分辨率高等优势。另一种典型的集成型波分复用/解复用器件为阵列波导光栅。
现有技术中的蚀刻衍射光栅由输入波导、自由传播区、衍射光栅、输出波导组成。复合光从输入波导入射，进入自由传输区自由发散传播，经过衍射光栅衍射之后，由于光栅不同齿之间存在相位差，再次通过自由传播区聚焦，将各波长的光聚焦在成像曲面上不同的位置，并由输出波导输出，实现色散功能，即将不同波长的光分离开来，实现波分解复用的功能。传统设计中相邻光栅齿之间对于入射中心和出射中心的距离和的光程差为波长的整数倍(该倍率为光栅的衍射级次)。
现有技术中的阵列波导光栅，由输入波导、自由传输区、阵列波导、输出波导组成。复合光从输入波导入射，进入自由传输区自由发散传输，然后耦合到波导阵7中各条阵列波导，相邻阵列波导存在一定长度差，从而对各波长的光产生不同的位相差，实现光栅的色散功能。经过第二个自由传输区后，不同波长的光会聚于像面上不同点，将输出波导置于相应的位置，即可将不同波长的光分离出来，实现波分解复用的功能。传统设计中相邻阵列波导之间对于入射中心和出射中心的距离以及波导长度的和的光程差为波长的整数倍(该倍率为阵列波导光栅的衍射级次)。
在现有技术中波分复用/解复用器(包括衍射蚀刻光栅、阵列波导光栅)的带通是高斯型，当信道的实际波长偏移设计中心波长时，器件对该信道的传输透过效率将迅速下降。这种很强的波长选择性使得传统的波分复用器件对通信系统中的信道光源波长的精度有非常高的要求。但是在实际情况中，大量的外部因素可能使工作波长发生漂移(包括光源本身的漂移，温漂，折射率变化等等)，这大大的限制了波分复用/解复用器件的应用。
解决波分复用/解复用器件通带平坦化对提高实际系统效率有着巨大的意义和价值。因此，很多方法被提出用来实现波分复用器件频谱平坦化。目前来实现波分复用器件频谱平坦化有如下几种方法1)基于输入结构的优化如美国专利No.5,706,377.公开的方法是利用Y分支实现频谱平坦化。Y分支中的尖角将增大器件的插损。
2)基于光栅结构的优化如美国专利No.5,926,587.公开的方法是利用两个级联光栅的方法实现频谱平坦化。
在美国专利Patent No.6,298,186.公开的方法是使用迭代算法，用IFFT对光栅齿进行调整来达到预期希望的平坦化频谱响应。
A.Rign等发表的一篇题为“Multigrating method for flattened spectralresponse wavelength multi/demultiplexer’，Electron.Lett.，1997，33，(20)，pp.1701-1702.的文章中采用多光栅实现频谱平坦化。其子光栅之间的比例是均匀的，通常以两个子光栅构成整体结构。
3)基于输出结构的优化如M.R.Amersfoort等人发表的题为“Phased-array wavelength demultiplexerwith flattened wavelength response”，Electron.lett.，1994，30，(4)，pp.300-302的文章中，采用多模输出波导实现了频谱平坦化，但这种方法只适合于波分复用/解复用器件直接与探测器连接使用的场合。
以上大部分的平坦化设计达到的相对带宽通常比较有限，设计方法不直观，并且一般比较难控制通带内的纹波，使得器件在密集波分复用系统中的应用得到了限制。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种宽通带、极低纹波、低串扰、频谱响应特性良好的平顶型波分复用器件。
本实用新型目的是采用这样的技术方案实现的它包括输入波导、自由传播区、衍射光栅和输出波导，输入波导和输出波导位于自由传播区的一侧，衍射光栅位于自由传播区的另一侧。整个光栅结构由根据3个聚焦中心确定的3个子光栅构成，3个聚焦中心沿聚焦面等距分布，所需要的通带宽度确定聚焦点之间的距离，对应3个聚焦点的3个子光栅交错排列，聚焦点之间的距离确定子光栅的齿数比例。
本实用新型的目的还可采用以下技术方案实现它包括依次设置的输入波导、自由传播区、阵列波导、自由传播区和输出波导，阵列波导位于两个自由传播区之间，相邻阵列波导之间有一定的长度差和相位差。整个波导阵列由根据3个聚焦中心确定的3个子波导阵列交替构成，3个聚焦中心沿聚焦面等距分布，所需要的通带宽度确定聚焦点之间的距离，对应3个聚焦点的3个子波导阵列互相交错排列，聚焦点距离确定子波导阵列波导数目的比例。
由于本实用新型所确定的聚焦点间距以及子光栅齿数(子阵列波导数)克服了现有技术中两种光栅所存在的缺陷，它能得到的频谱响应具有平坦通带，极低纹波，低串扰等优良性能。同时具有器件结构紧凑，色散特性好等特点。
图1是本实用新型的结构原理图；图2是衍射蚀刻光栅结构工作原理示意图；图3是衍射蚀刻光栅3焦点结构示意图(图1中A、B部分的放大图)；图4是本实用新型的另一个结构示意图；图5是阵列波导光栅3焦点结构示意图(图4中C、D部分的放大图)；图6是3焦点和2焦点方法纹波相对焦点间距变化比较图；图7是-1dB带宽相对焦点间距变化图；图8是子像峰值比例相对焦点间距变化图；图9是3焦点方法和2焦点方法频谱响应曲线比较图；图10是3焦点方法色散特性曲线图。
具体实施方式
如图1、图2所示本实用新型包括输入波导1、自由传播区2、衍射光栅3和输出波导4，输入波导1和输出波导4位于自由传播区2的一侧，衍射光栅3位于自由传播区2的另一侧，整个光栅结构A由根据3个聚焦中心(Poc1、Poc、Poc3)确定的3个子光栅构成，3个聚焦中心沿聚焦面B等距分布，所需要的通带宽度确定聚焦点之间的距离。每个光栅齿中心位置的确定根据所要求的通带宽度选择合适的“聚焦点”，总体上三个子光栅(对应三个聚焦点)互相交错，聚焦点间距确定子光栅的齿数比例。具有相同聚焦点的不同光栅齿之间距离输入点和输出“聚焦点”光程之和满足一定的相位差关系。
PicPl‾+PlPf(l)‾-(PicP‾0+P0Pf(l)‾)=lmλ0/neff----------(1)]]>
其中，Pic，Pl，Pf(l)分别为入射中心，第l个光栅齿的中心，以及第l个光栅齿对应的焦点。
根据基尔霍夫-惠更斯衍射公式，光栅成像面上的场分布能够写成Eout(x,z)=121λΣn∫nthfacetEg(x′,z′)r2(cosθi+cosθd)e-ikr2ds′,---(2)]]>其中λ是光在芯层介质中的波长，k=2πλ]]>为波数，γ2为光栅上点P′(x′，z′)到输出点的距离，θi和θd分别为光相对于每个光栅齿的入射角和衍射角，光栅上的光场分布能够近似表示为Eg(x′,z′)=121λ∫Ein(x,zi)r1(1+cosθ)e-ikr1dx,---(3)]]>其中γl为输入波导端面一点P(x，zin)到光栅上点P′(x′，z′)距离，θ为PP′和入射波导端面垂线的夹角。
传统设计中，每个光栅齿的聚焦中心Pf(l)为同一个点(即出射中心)，因此满足γ1n+γ2n＝γ10+γ20+n·m·λ其中，γ1n，γ2n分别表示第n个光栅齿到入射中心和出射中心的距离。3焦点方法是使不同的光栅齿聚焦到在出射中心附近的的三个焦点中的一个，使得出射面上有三个大小不等，互相部分重叠的像，从而形成一个展宽的像，进而达到改善频谱响应的目的。
根据所对应的三个焦点，可以把光栅齿视为三个子光栅，当三个光栅的齿互相交错的很均匀的时候，每一个光栅均在其对应的聚焦中心附近形成一个和入射光场分布形状相似，幅度较小的子像。子像间的峰值幅度大小和子光栅的光栅齿数成正比。当近似入射光场为高斯型分布时，在出射面上的场分布可以近似表达为Eout(x′′)=(2πw2)14[E1e-(x′′-a)2w2+E2e-x′′2w2+E3e-(x′′+a)2w2]-----(4)]]>其中2w为光场的有效宽度(即当x＝w的时候，场值为中心值的e-1)，E1，E2，E3分别为三个子像的幅度，a为边缘聚焦中心和中间聚焦中心之间的距离。为了使获得的频谱响应对称，通常选择E1＝E3。
对于输出波导为与输入波导相同的单模波导的情形，衍射蚀刻光栅的频谱响应可由重叠积分公式求得I(λ)=|∫Eout(λ,x)·Ewg*(λ,x)dx|2∫Ein(λ,x′)·Ein*(λ,x′)dx′·∫Ewg(λ,x)·Ewg*(λ,x)dx-----(5)]]>将(4)代入(5)，可以得到频谱响应为I(Δf)=|*[E1e-(DΔf-a)2w2+E2e-(DΔf)2w2+E3e-(DΔf+a)2w2](2πw2)12e-(DΔf)2w2|2]]>=(2E1e-a2+DΔf22w2ch(aDΔfw2)+E2e-DΔf22w2)2-----(6)]]>其一阶导数为I′(Δf)=2(2E1e-a2+(DΔf)22w2ch(DΔf·aw2)+E2e-(DΔf)22w2)]]>·-e-(DΔf)22w2(2E1w2e-a22w2(DΔf·ch(DΔf·aw2a·sh(DΔf·aw2)-)-E2·DΔfw2)-----(7)]]>容易看到，频谱响应的一阶倒数在Δf＝0即中心频率处始终为零。为了使得频谱响应的纹波在中心频率附近达到最小，应该使得其二阶倒数在中心频率处为零，即I′′(0)=2(2E1·e-a22w2+E2)·(2E1w2·e-a22w2·(a2w2-1)-E2w2)=0]]>(8)为了满足这一条件，(8)右边的两个括号必须有一个为零。第一个括号为零必须要求E2/E1的值为负数，即要求子像之间相差π的相位(相干相消)，这也同时意味着较大的能量损耗。因此，在实际中不可取。第二个括号为零可以得到等式E2E1=2e-a22w2(a2w2-1)-----(9)]]>
从(9)可以得到如下结论1.当a＜w的时候，频率中心处的变化曲率不能够为零，除非子像之间有π的相位差(较大能量损失)，因此，三焦点方法作用不明显，一般用二焦点即可。
2.当a＞w的时候，只要子像幅度满足(9)，能够使得频率响应在中心频率处曲率为零，完全消除纹波(如图6所示，而用双焦点方法将引入极大的纹波)。
由于子像间的幅度大小正比与子光栅间的光栅齿数，因此，只要按照互相交错的原则安排子光栅的排列，并使子光栅齿数间比例满足N2N1=2e-a22w2(a2w2-1)-----(10)]]>其中N1，N2为子光栅1和子光栅2的光栅齿数，即能够实现极低纹波的宽通带频率响应。，即能够实现极低纹波的宽通带频率响应。
图7显示了根据高斯近似得到的-1dB相对带宽(-1dB带宽与信道间隔的比)和a的变化关系。图8显示的是子像峰值比例相对焦点间距变化图。图8为3焦点方法和2焦点方法得到的频率响应纹波相对焦点间距变化比较图。可以看到，3焦点方法能够在焦点间距变大时仍然控制的很好。
在器件设计当中，器件的色散特性也是一个重要的性能指标。器件的色散特性DC(λ)一般定义如下，DC(λ)=∂τd∂λ,----------(11)]]>其中，τd为器件的群延迟，定义为τd≈λ022πc∂φ(λ)∂λ,-------(12)]]>其中，c为真空中的光速，φ(λ)为器件的相位响应，由重叠积分∫Eout(λ，x″)·Ewg*(λ，x″)dx决定。
在实际设计中，针对某一要求的-1dB通带带宽，由图7决定焦点的间距。然后根据(9)来确定子像峰值大小比例(即子光栅的齿数比例)，直接进行设计。
作为实例，假设对于一个信道间隔为100GHz、中心波长为1550nm的系统，需要-1dB通带宽度为60％。
从图7中可以看到，对应60％的相对带宽，子像峰值幅度比为E2/E1＝0.88(这里选取子光栅齿数之比为3∶4)。式(1)中的Pf(l)改写成 图9显示了用本实用新型和用传统的两点聚焦方法得到的频谱响应曲线(模拟计算采用的公式(3)和(4))。用三点法得到的-1dB带宽为62.00GHz，通带纹波为0.013dB。正如所预料的，通带纹波非常小。用两点聚焦法得到的-1dB带宽为60.95GHz，通带纹波为1.1869dB。这个纹波值已经超过了大多数密集波分复用系统所要求的最大纹波值，因此在应用中将极大的限制系统的性能。
图10显示的是三点聚焦法实现宽通带频率响应的色散特性曲线。可以看到，三焦点方法实现的频带展宽同样拥有很好的色散特性(在通带中的色散特性小于1ps/nm)。
采用三焦点方法能够在保持极低纹波的情况下增加器件的通带范围。一般说来，三焦点方法的有效范围为焦点距离a∈[w，2w]，对应的-1dB相对带宽范围为45％至85％。这一范围对于一个密集波分复用系统来说已经足够了。
本实用新型的另一个实施例如图4所示，阵列波导光栅包括输入波导5、自由传播区6、波导阵列7，自由传播区6和输出波导8，阵列波导位于两个自由传播区之间，相邻阵列波导之间有一定的长度差和相位差。整个波导阵列由根据3个聚焦中心(Poc1、Poc、Poc3，如图5所示)确定的3个子波导阵列交替构成，3个聚焦中心沿聚焦面等距分布，所需要的通带宽度确定聚焦点之间的距离，对应3个聚焦点的3个子波导阵列互相交错排列，子波导阵列1的会聚点为Poc1，子波导阵列2的会聚点为Poc，子波导阵列3的会聚点为Poc3，聚焦点距离确定子波导阵列波导数目的比例。每条波导的长度Ll应满足PicPinl‾+Ll+PoutlPf(l)‾-(PicPin0‾+L0+Pout0Pf(0)‾)=lmλ0/neff------(13)]]>其中，Pic，Pinl，Poutl，Pf(l)分别为入射中心，第l条波导的入口中心，第l条波导的出口中心，以及第l条波导所对应的聚焦中心。
焦点间距离根据所需通带带宽以及入射场有效宽度确定后，三个子波导阵列与子波导阵列2的波导数目比例由焦点间距决定，并满足方程(10)时，即可实现极低纹波的宽通带频率响应。
权利要求1.三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，它包括输入波导(1)、自由传播区(2)、衍射光栅(3)和输出波导(4)，输入波导和输出波导位于自由传播区的一侧，衍射光栅位于自由传播区的另一侧，其特征在于整个光栅结构(A)由根据3个聚焦中心(Poc1、Poc、Poc3)确定的3个子光栅构成，3个聚焦中心沿聚焦面(B)等距分布，所需要的通带宽度确定聚焦点之间的距离，对应3个聚焦点的3个子光栅交错排列，子光栅1的会聚点为Poc1，子光栅2的会聚点为Poc，子光栅3的会聚点为Poc3，聚焦点之间的距离确定子光栅的齿数比例。
2.根据权利要求1所述的三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，其特征在于衍射光栅(3)为由三个子光栅组成的光栅系统，每个光栅齿的槽面中心Pl应满足PicPi‾+PiPf(l)‾-(PicP0‾+P0Pf(l)‾)=lmλ0/neff]]>其中，Pic，Pl，Pf(l)分别为入射中心，第l个光栅齿的槽面中心，以及第l个光栅齿所对应的焦点。
3.根据权利要求1所述的三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，其特征在于三个焦点间的距离a由所要求的通带宽度决定，对应一个给定的通带宽度，有唯一的焦点间距a与之对应。
4.根据权利要求1所述的三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，其特征在于子光栅的光栅齿交错分布，子光栅1和子光栅3的齿数相等，与子光栅2的齿数比例由焦点间距决定，并满足下列方程N2N1=2ea22w2(a2w2-1)]]>其中，N1，N2为子光栅1和子光栅2的光栅齿数，a为焦点1和焦点2的距离，w为入射光场有效半宽。
5.三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，它包括输入波导(5)、自由传播区(6)、波导阵列(7)，自由传播区(6)和输出波导(8)，阵列波导位于两个自由传播区之间，相邻阵列波导之间有一定的长度差和相位差，其特征在于整个波导阵列由根据3个聚焦中心(Poc1、Poc、Poc3)确定的3个子波导阵列交替构成，3个聚焦中心沿聚焦面等距分布，所需要的通带宽度确定聚焦点之间的距离，对应3个聚焦点的3个子波导阵列互相交错排列，子波导阵列1的会聚点为Poc1，子波导阵列2的会聚点为Poc，子波导阵列3的会聚点为Poc3，聚焦点距离确定子波导阵列波导数目的比例。
6.根据权利要求5所述的三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，其特征在于波导阵列(7)为由三个子波导阵列组成的波导阵列系统，每条波导的长度Ll应满足PicPinl‾+Ll+PoutlPf(l)‾-(PicPin0‾+L0+Pout0Pf(0)‾)=lmλ0/neff]]>其中，Pic，Pinl，Poutl，Pf(l)分别为入射中心，第l条波导的入口中心，第l条波导的出口中心，以及第l条波导所对应的聚焦中心。
7.根据权利要求5所述的三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，其特征在于三个焦点间的距离a由所要求的通带宽度决定，对应一个给定的通带宽度，有唯一的焦点间距a与之对应。
8.根据权利要求5所述的三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件，其特征在于子波导阵列的波导交错分布排列，子波导阵列1和子波导阵列3的波导数目相等，与子波导阵列2的波导数目比例由焦点间距决定，并满足下列方程N2N1=2e-a22w2(a2w2-1)]]>其中，N1，N2为子波导阵列1和子波导阵列2的波导数目，a为焦点1和焦点2的距离，w为入射光场有效半宽。
专利摘要本实用新型属于光通信波分复用技术领域，特别是涉及一种三焦点实现的极低纹波宽通带波分复用器件。它包括输入波导、自由传播区、衍射光栅和输出波导，输入波导和输出波导位于自由传播区的一侧，衍射光栅位于自由传播区的另一侧，光栅不同齿之间距离输入输出中点光程之和有一定的相位差，整个光栅结构由根据沿聚焦面等距分布的3个聚焦中心确定的3个子光栅构成，所需要的通带宽度确定聚焦点间的距离，对应的3个子光栅交错排列，聚焦点之间的距离确定子光栅的齿数比例。本实用新型所确定的光栅齿中心位置克服了现有技术中两种光栅所存在的缺陷，它能得到的频谱响应具有平坦通带，极低纹波，低串扰等优良性能。同时具有器件结构紧凑，色散特性好的特点。
文档编号G02B6/124GK2615682SQ02280130
公开日2004年5月12日 申请日期2002年11月28日 优先权日2002年11月28日
发明者石志敏, 何赛灵 申请人:浙江大学