本实用新型涉及了一种阵列波导光栅路由器，特别是涉及了一种损耗均匀的阵列波导光栅路由器。
背景技术：
近年来，随着通信容量的指数递增，硅基集成光波导波分复用器件被广泛运用于光通信领域。其中阵列波导光栅路由器(Arrayed Waveguide Grating Router，简称AWGR)由于其具有成本低、体积小、结构紧凑、损耗小、串扰低、易于集成等优点成为光通信系统中实现波分复用功能的核心器件之一。
然而，一个N×N的阵列波导光栅路由器由于其输出光谱覆盖整个自由光谱范围(Free Spectral Region,简称FSR),导致边缘通道的m级干涉极大和m-1级干涉极大能量相近，最终导致边缘输出通道与中心输出通道之间存在固有的3dB损耗非均匀性。然而，在实际通信运用中往往要求波分复用器件的插入损耗非均匀性小于1dB，这大大降低了AWGR的循环路由功能，因此，提高AWGR输出信道在一个FSR内的插入损耗均匀性显得尤为重要。
近年来，国内外学者采用各种方法来提高AWGR的插入损耗均匀性，目前主要采用的技术主要有：通过一个多模干涉耦合器将边缘通道的m级干涉极大与m-1级干涉极大能量耦合到同一个输出信道，从而达到提高信道损耗非均匀性的目的。这种方法在输出波导端将存在很多波导交叉的节点，设计制作难度极大。还有通过在阵列波导输出端添加辅助波导，通过方向耦合器的方法来改变输出模场，从而实现各输出信道的损耗均匀性。由于二氧化硅等弱限制波导平台，方向耦合器之间的耦合效率较低，采用这种方法往往会设计锯齿状波导，通过提高波导损耗的方法来增加方向耦合器的耦合效率，这在增加设计复杂度的同时，也增加了制作难度，同时会引入不必要的波导损耗。其次国家实用新型专利(ZL200510126242.6)“采用损耗微调波导实现阵列波导光栅通道均匀性的方法”是通过在阵列波导光栅的输出波导的末端加入损耗微调波导，从而实现阵列波导光栅的输出信道插入损耗均匀。该方法在AWG的输出端增加了额外的损耗微调波导，导致整个结构极其复杂，体积较大。再者，国家实用新型专利(ZL2012104193432)“信道损耗均匀的波导光栅器件”是通过将阵列波导按照一定的角度倾斜，将能量在成像面上重新分布，类似于闪耀光栅的方法来提高AWGR输出信道损耗均匀性。这种方法，往往会额外增加AWGR的串扰，降低AWGR的性能。
技术实现要素：
针对背景技术的不足，本实用新型提供了一种损耗均匀的阵列波导光栅路由器，解决了阵列波导光栅路由器输出信道插入损耗非均匀性的问题。
本实用新型所采用的技术方案是：
本实用新型包括依次连接的输入波导、输入星型耦合器、阵列波导、Sinc函数耦合区、输出星型耦合器和输出波导；光从输入波导输入，到达输入星型耦合器，由于基尔霍夫衍射现象，光场在输入星型耦合器中得到扩大并由阵列波导所接收，阵列波导接收到的光经过Sinc函数耦合区后到输出星型耦合器中聚焦成像；Sinc函数耦合区将阵列波导传输过来的高斯型光场转变成Sinc函数型光场，Sinc函数型光场经傅里叶变换的远场成像为矩形光场，使得从输出星型耦合器输出矩形光场，实现阵列波导光栅路由器损耗均匀的功能。
所述Sinc函数耦合区包括平板耦合区和波导耦合区，阵列波导输出端连接到平板耦合区的输入端，平板耦合区的输出端连接到波导耦合区输入端，波导耦合区输出端连接到输出星型耦合器输入端；所述波导耦合区主要由2P+1根长度一致和宽度一致的波导组成，P表示阵列波导中的波导总根数，所述波导耦合区各根波导连接到平板耦合区的输出端，阵列波导的各根波导平板耦合区的输入端，使得沿阵列波导的各根波导对应的直线上均布置有一根波导耦合区的波导，阵列波导的相邻两根波导对应的直线之间的平行中间直线上均布置有一根波导耦合区的波导，阵列波导最外侧的两根波导外侧对应的直线上各布置有一根波导耦合区的波导，从而形成2P+1根波导，所述波导耦合区相邻波导之间的间距相同。
所述的波导耦合区和平板耦合区均由波导结构制成。
所述Sinc函数耦合区采用方向耦合器，通过特殊设计的方向耦合器来实现。
所述阵列波导包括P段长度呈等差数列的波导，P段波导的两端连接在输入星型耦合器和Sinc函数耦合区之间。
所述输入波导和输出波导均由N根波导组成，其中N为该阵列波导光栅路由器的通道数目。
所述输入星型耦合器将所述输入波导输入的光进行基尔霍夫衍射扩大，光场的扩大程度与所述输入波导宽度负相关，与所述输入星型耦合器的长度正相关。
所述的阵列波导中各波导长度为L+jΔL，其中j＝0,1,2…P-1，j表示波导序号，P表示波导总数，L为最短波导的长度，作为参考波导长度；ΔL为相邻波导的长度差，采用以下公式计算：
其中，m为衍射级次且为正整数，λ为真空中的光波长，na为光在阵列波导中的有效折射率。
所述阵列波导光栅路由器的自由光谱范围由以下公式计算：
其中，n为阵列波导光栅路由器的通道数目，Δλ为通道间隔。
所述阵列波导光栅路由器不仅可以基于二氧化硅平台设计制作，对氮化硅、氮氧化硅、磷化铟、绝缘体上硅等材料平台都适用。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型在不增加器件尺寸、不降低器件串扰、不增加器件制作工艺难度和不需要额外器件的基础上，实现阵列波导光栅路由器在一个自由光谱范围内所有输出信道的插入损耗非均匀性小于1dB。
本实用新型提出的Sinc函数耦合区具有设计简单，制作工艺容差大，损耗小等优点。
本实用新型提出的阵列波导光栅路由器不仅可以基于二氧化硅平台设计制作对氮化硅、氮氧化硅、磷化铟、绝缘体上硅等材料平台都适用。
附图说明
图1为本实用新型损耗均匀阵列波导光栅路由器的结构示意图；
图2为本实用新型Sinc函数耦合区结构示意图；
图3为普通设计阵列波导光栅路由器(虚线)和本实用新型损耗均匀阵列波导光栅路由器(实线)单个阵列波导输出光场的远场分布对比图；
图4为普通设计阵列波导光栅路由器中心输出信道(实线)和边缘输出信道(点线)的远场成像图；
图5为实时例的掩埋二氧化硅波导结构示意图；
图6为普通设计阵列波导光栅路由器的输出信道的仿真光谱图；
图7为本实用新型损耗均匀阵列波导光栅路由器的输出信道的仿真光谱图；
图中：1、输入波导，2、输入星型耦合器，3、阵列波导，4、Sinc函数耦合区，5、输出星型耦合器，6、输出波导，7、平板耦合区，8、波导耦合区，9、包层，10、芯层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型具体实施包括依次连接的输入波导1、输入星型耦合器2、阵列波导3、Sinc函数耦合区4、输出星型耦合器5和输出波导6；光从输入波导1输入，到达输入星型耦合器2，由于基尔霍夫衍射现象，光场在输入星型耦合器2中得到扩大并由阵列波导3所接收，阵列波导3接收到的光经过Sinc函数耦合区4后到输出星型耦合器5中聚焦成像；Sinc函数耦合区4将阵列波导3传输过来的高斯型光场转变成Sinc函数型光场，Sinc函数型光场经傅里叶变换的远场成像为矩形光场，使得从输出星型耦合器5输出矩形光场，实现阵列波导光栅路由器损耗均匀的功能。
如图2所示，Sinc函数耦合区4包括平板耦合区7和波导耦合区8，阵列波导3输出端连接到平板耦合区7的输入端，平板耦合区7的输出端连接到波导耦合区8输入端，波导耦合区8输出端连接到输出星型耦合器5输入端；所述波导耦合区8主要由2P+1根长度一致和宽度一致的波导组成，P表示阵列波导3中的波导总根数，所述波导耦合区8各根波导连接到平板耦合区7的输出端，阵列波导3的各根波导平板耦合区7的输入端，使得沿阵列波导3的各根波导对应的直线上均布置有一根波导耦合区8的波导，阵列波导3的相邻两根波导对应的直线之间的平行中间直线上均布置有一根波导耦合区8的波导，阵列波导3最外侧的两根波导外侧对应的直线上各布置有一根波导耦合区8的波导，从而形成2P+1根波导，所述波导耦合区8相邻波导之间的间距相同。
阵列波导3包括P段长度呈等差数列的波导，P段波导的两端连接在输入星型耦合器2和Sinc函数耦合区4之间。
输入波导1和输出波导6均由N根波导组成，其中N为该阵列波导光栅路由器的通道数目。
输入星型耦合器2将所述输入波导1输入的光进行基尔霍夫衍射扩大，光场的扩大程度与所述输入波导1宽度负相关，与所述输入星型耦合器的长度正相关。
本实用新型提出的阵列波导光栅路由器满足如下光栅方程：
ns(λ)dasinθ+na(λ)ΔL＝mλ
其中，λ为真空中光波长，ns(λ)为光在平板区的有效折射率，na(λ)为光在阵列波导中的有效折射率，da为阵列波导间距，ΔL为相邻阵列波导长度差，m为衍射级次，θ为衍射角度。根据以上光栅方程，根据衍射角度θ和输出星型耦合器的长度f即可将输出波导的位置确定下来。由于阵列波导光栅路由器的对称性，输入波导和输出波导呈轴对称关系，输入星型耦合器和输出星型耦合器也呈轴对称关系，因此输入波导的位置也可以确定下来，输入星型耦合器的长度也可确定下来。为了使得阵列波导光栅的成像误差较小，通常将输入和输出星型耦合器设计成罗兰圆结构，将阵列波导依次排列在罗兰圆周上，如图1所示。
图2中给出了本实用新型Sinc函数耦合区结构示意图，有一段平板耦合区和一段波导耦合区组成。平板耦合区的主要作用是将阵列波导输入过来的模斑进行扩散，以提高阵列波导向两侧辅助波导的耦合能量。平板耦合区越长，耦合到两侧辅助波导的能量也就越高，平板耦合区越短，耦合到两侧辅助波导的能量也会响应降低。当然，平板耦合区不能设计得太长，太长的平板耦合区会造成额外的损耗。在波导耦合区，波导之间的间距均相等，以至少满足最小制作工艺尺寸。光在经过平板耦合区后，会激发超模式，在经过波导耦合区传输一段距离后，这些超模式便又会耦合成相应波导的基模。波导耦合区的另一个作用是控制Sinc函数型光场主瓣和旁瓣之间的相位差，当相位差满足一定条件时，Sinc函数型光场即会形成，此时该光场的傅里叶变化即有平顶效果，即该光场的远场成像为类似矩形函数的平顶型光场。
图3给出了普通设计阵列波导光栅路由器(虚线)和本实用新型损耗均匀阵列波导光栅路由器(实线)单个阵列波导输出光场的远场分布对比图。我们知道，高斯函数的傅里叶变换仍然为高斯函数，由于普通设计AWGR的阵列波导输出光场为高斯型基模光斑，因此其远场衍射成像依然为高斯函数型光场。而Sinc函数的傅里叶变换为矩形函数，因此经过Sinc函数耦合区后本实用新型提出的损耗均匀的AWGR的每根阵列波导输出光场为近似Sinc函数型模斑，因此其远场衍射成像为近似矩形函数，形成如图3实线所示的近矩形光场。
图4给出了普通设计阵列波导光栅路由器中心输出信道(实线)和边缘输出信道(点线)的远场成像图。从本质上讲，阵列波导光栅路由器的输出光谱和普通的光栅输出光谱一样。因此，阵列波导光栅的输出光谱也是单缝衍射和多缝干涉相乘的结果。普通设计AWGR的单缝衍射光谱如图3中虚线所示，为高斯函数型光场，而本实用新型损耗均匀的AWGR的单缝衍射光谱如图3中实线所示，为近矩形函数型光场。图4中给出了中心输出信道和边缘输出信道的远场成像图，由于中心输出信道m级干涉极大在整个FSR的正中间，因此绝大部分能量都能集中在m级干涉极大上而被输出波导所接收，因此中心输出信道的理论插入损耗近乎为0。如图4中点线所示，边缘输出信道的m级干涉极大分布在FSR的边缘，和m－1级干涉极大的能量接近，而实际输出波导只能输出m级干涉极大的能量，因此理论上边缘输出信道的插入损耗为3dB。这就是阵列波导光栅路由器本质上存在3dB的损耗非均匀性的原因。从本质上来讲，是因为阵列波导输出端单缝衍射光场为高斯型光场所造成的，采用本实用新型提出的损耗均匀AWGR，由于Sinc函数耦合区的存在，使得其阵列波导单缝衍射光场为近矩形光场，因此可以从本质上解决AWGR输出信道插入损耗的非均匀性问题。
以下通过一个具体案例对本实用新型做进一步说明：
为方便说明，采用基于二氧化硅(SiO2)平台的十六通道阵列波导光栅路由器为实际设计案例来对本实用新型做进一步说明。
针对横电模(TE模)，采用掩埋型二氧化硅条形波导来设计本实用新型提出的损耗均匀阵列波导光栅路由器。其波导结构如图5所示，包层9折射率为n的SiO2，芯层10为折射率为n2的掺锗SiO2。在本实用新型中，采用芯层10为6μm×6μm的正方形结构。在光波波长1550nm时，纯SiO2折射率n2＝1.455，掺锗SiO2折射率n2＝1.465，则通过有限差分方法(FDM)计算得芯层10有效折射率为na＝1.460。
本案例中，十六通道损耗均匀阵列波导光栅路由器的主要设计参数如下表4所示。
表4十六通道AWGR主要设计参数
同时，采用二维时域有限差分的方案对本实用新型提出的Sinc函数耦合区进行仿真设计。在Sinc函数耦合区的平板耦合区长度为60微米，波导耦合区长度为80微米，波导宽度为7微米，波导间距为阵列波导间距一半9微米时，其输出光斑最接近Sinc函数，其远场衍射为近矩形光场，如图3中实线所示。
图6给出了现有常规设计阵列波导光栅路由器的输出光谱图，从图中可以看出，在一个自由光谱范围内，中心输出信道和边缘输出信道存在3dB的损耗非均匀性。图7中给出了本实用新型提出的损耗均匀的阵列波导光栅路由器的输出光谱图，从图中可以看出，在整个FSR范围内，输出信道的插入损耗非均匀性约为0.2dB，达到商用要求的1dB以内。由此可见，本实用新型具有其突出显著的技术效果。
以上结合附图详细描述了本实用新型损耗均匀的阵列波导光栅路由器的实施方式。注意，以上实施案例是用来解释说明本实用新型的，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权力要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都将落入本实用新型的保护范围。