一种阵列波导光栅光谱平坦化的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于平面光波导器件设计和平面光波导集成领域，具体涉及一种阵列波导光栅光谱平坦化的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，为了突破“电子瓶颈”的局限，光子作为新的信息的载体得到了广泛的重视。在长距离通信领域，光通信以高带宽、低损耗等优势取得了巨大的成功；随着技术的发展，光通信将朝着更高的集成密度和更短传输距离发展。为了在光通信系统中获得更大的数据传输量，波分复用技术尤其是基于平面光波导的波分复用器件得到了广泛的应用。
[0003]波分复用技术的一种传统核心器件就是阵列波导光栅(AWG，Arrayed WaveguideGrating)。平面光波导集成的阵列波导光栅由平板波导、阵列波导和输入输出波导构成，其作用机理为:多个波长的光信号由输入波导进入到输入平板波导区，在平板波导中衍射成一束光，几乎均匀地耦合进阵列波导端口 ；经过阵列波导传输后，由于光程不同，对某一个波长的光波来说，阵列波导末端的输出光相位呈等差数列排布，同时，不同波长在波导中的有效折射率不同，造成每一波长的光信号具有不同的相位差；在输出平板波导中，这些具有不同相位差的光信号将发生干涉，根据罗兰圆的反射特性，相同波长的光波将会聚到小圆的某一个具体位置，即相应输出波导的端口。
[0004]基于平面波导集成技术的阵列波导光栅具有结构紧凑、插入损耗小、覆盖波段宽、制作工艺简单等优点，但也存在一些不足之处。例如，对于普通的阵列波导光栅，光谱响应呈高斯型，其3dB带宽通常只有信道间隔的40%左右。优化阵列波导光栅的光谱响应、增大光谱的峰值半宽对器件的稳定使用具有重要的实际意义。
[0005]人们采用不同的方案增大阵列波导光栅器件的3dB带宽。一种方案为将阵列波导光栅和其他滤波元件组合，如日立电信株式会社在2007年提出将马赫-增德尔干涉结构和AWG级联，获得较宽的峰值半宽。这种方案增加了器件整体的复杂程度。另一种改善光谱的方案为，在AWG星形耦合器的两端采用特殊设计的输入/输出波导。例如，根特大学2012年提出在AWG的输入波导处增加一段多模干涉结构(MMI，multiple-mode interference)，使得输入平板波导的模场形成高阶模分量，以优化光谱形状。另外，在国家发明专利CN103278926中，天津工业大学对这一方案进行了进一步优化，提出具有倾斜角的锥形多模干涉结构，在增大半宽的同时更好地抑制了串扰。优化设计输入/输出波导的方案简单易行，便于自由设计，但是由于该方案改变了输入波导的端口宽度和形状，MMI的宽度往往大于输入/输出波导间隔，并不能够应用在多路分多路的MXN型阵列波导光栅中。
[0006]因此，本发明拟提出一种新的阵列波导光栅光谱平坦化方法，该方法兼顾制作简单和集成度高的需求，增大器件通道的峰值半宽。
【发明内容】
[0007](一 )要解决的技术问题
[0008]鉴于此，本发明要解决传统阵列波导光栅3dB带宽较窄，现有的方案不能兼顾制作简单和应用在多路大规模阵列波导光栅中的问题，拟采用在输入波导中心设计刻蚀孔洞的方法，提供一个阵列波导光栅光谱平坦化的方案。
[0009]( 二)技术方案
[0010]为实现上述目的，根据本发明，阵列波导光栅光谱平坦化的方案可以描述为:
[0011]—种光谱平坦化的阵列波导光栅设计方法，该方法和器件制作基于平面光波导技术。
[0012]这种光谱平坦化的阵列波导光栅设计，阵列波导光栅是单输入波导多输出波导型(IXN)和多输入波导多输出波导型(MXN)，其主要组成部分参照图1所示，包括输入波导(I)、输入星形耦合器平板波导(2)、波导阵列(3)、输出星形耦合器平板波导(4)、输出波导
(5)。其中输入/输出波导和波导阵列由条形或脊形波导组成。
[0013]为了获得平坦的光谱响应，如附图2，本发明在波导(包括输入波导、输出波导和波导阵列)和星形耦合器连接处，采用预展宽设计过渡条形波导(或脊型波导)和平板波导(6)，并在输入波导预展宽区，设计制作孔洞结构(7)。
[0014]孔洞结构是单个孔洞，或是多个孔洞的组合，且孔洞形状是任意设计的多边形。设计孔洞的原理是，孔洞结构会使波导预展宽区域的折射率分布发生改变，当高斯型的光模场经过孔洞区域，光模场的分布会因折射率的分布变化而发生改变；对孔洞区域进行计算和排布，可以使光场在经过该区域到达平板波导边缘时，变换为类似矩形的光模场分布；类似矩形的光模场经过阵列波导光栅后，聚焦在输出波导端面上，可以形成平坦的光谱响应。孔洞的设计方法为，采用FDTD方法计算孔洞结构对光模场分布的影响，获得在输入波导展宽区末端的光模场；对孔洞的形状、大小和位置等进行优化设计，得到最终的优化光谱。
[0015]如附图3，用于过渡条形波导(或脊型波导)和平板波导的预展宽区域，可以是直线锥形(8)、曲线锥形(9)(包括指数型、抛物线型、双曲线型等)、突变直线锥形(10)和突变曲线锥形(11)。
[0016](三)有益效果
[0017]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0018]1.本发明提供的这种阵列波导光栅光谱平坦化方法，方案简单、易于施行。只需在波导预展宽区域制作一些孔洞设计，无需增加额外的器件，即可达到平坦光谱的效果。
[0019]2.本发明提供的这种阵列波导光栅光谱平坦化方法，可以用于多路输入多路输出(MXN)的大型阵列波导光栅中。传统常用的平坦化设计采用在输入波导展宽区加入一段多模干涉丽I结构，丽I的宽度往往大于输入/输出波导间隔，无法应用在多路输入的AWG中。而本发明很好的规避了这一点，可以在不改变原有器件结构的基础上自由的加入孔洞的设计，应用更加灵活方便。
[0020]3.本发明提供的这种阵列波导光栅光谱平坦化方法，孔洞的深度和波导高度保持一致，不必增加额外的工艺步骤，制作简单，易于工艺实现。
【附图说明】
[0021]为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中:
[0022]图1是本发明提供的阵列波导光栅结构组成示意图；
[0023]图2为本发明平坦化设计的说明图；
[0024]图3为本发明的提供的不同预展宽区的形状；
[0025]图4说明了具体实施例中模场经过孔洞区域在平板波导边缘形成的光场分布和孔洞距离的变化关系；
[0026]图5为具体实施例中光谱平坦化后和未经优化的AWG光谱响应对比图。
[0027]附图标记说明
[0028]1.阵列波导光栅的输入波导
[0029]2.阵列波导光栅输入平板波导区
[0030]3.阵列波导区
[0031]4.阵列波导光栅输出平板波导区
[0032]5.阵列波导光栅输出波导
[0033]6.波导与平板波导用预展宽设计的楔形结构连接
[0034]7.孔洞结构局部图示
[0035]8.直线锥形预展宽区域
[0036]9.曲线锥形预展宽区域
[0037]10.突变直线锥形预展宽区域
[0038]11.突变曲线锥形预展宽区域
【具体实施方式】
[0039]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。
[0040]具体实施例:基于SOI的阵列波导光栅平坦化光谱方法。
[0041]选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线，顶层硅厚度为220nm，材料折射率为3.4744，；包层为3 μπι厚二氧化硅，折射率为1.44 ;上包层为空气，折射率为I。
[0042]波导尺寸(包括阵列波导、输入输出波导)均为450nm，采用脊型波导，刻蚀深度为130nm。设id个1X4的阵列波导光栅，中心波长在1565nm，通道间隔为8nm。
[0043]在本实施例中，采用如下平坦化方法:
[0044]1.保持原尺寸不变，在脊型波导(输入/输出波导和波导阵列)与平板波导的连接处，加入指数变化的锥形结构，作为预展宽区域。预展宽区域平缓地连接单模波导和平板波导，长度为20 μ m，宽度从450nm逐渐变化至2 μ m。
[0045]2.在预展宽区域的中心，刻蚀一个梯形的孔洞，孔洞长2 μπι，宽度从10nm直线变化至200nm，其刻蚀深度和波导保持一致，为130nm。孔洞的上缘距离平板波导150nm。
[0046]图4展示了光模场通过上述尺寸孔洞后，在平板波导边缘形成的模场分布，四条曲线分别表示孔洞上缘距离平板波导50nm、lOOnm、150nm和200nm时的模场包络。可以看出，当高斯型的模场通过孔洞区域后，模场分布会趋于矩形。
[0047]同时，本发明展示同样尺寸但未经过平坦光谱设计的阵列波导光栅作为对比。图5显示了加入光谱平坦化设计的阵列波导光栅和普通阵列波导光栅的光谱响应对比图，峰值半宽在孔洞设计的影响下，由原本只占通道间隔的50.25%提高到了通道间隔的80.51%,有了显著的改善。
[0048]上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种阵列波导光栅光谱平坦化的方法，阵列波导光栅由输入波导(I)、输入星形耦合器平板波导(2)、波导阵列(3)、输出星形耦合器平板波导(4)、输出波导(5)，输入/输出波导和波导阵列由条形或脊形波导组成，用于过渡条形波导或脊型波导和平板波导的预展宽区域出)，其特征在于，在输入波导预展宽区域出)，设计制作孔洞结构(7)。2.根据权利要求1中所述的阵列波导光栅光谱平坦化的方法，其特征在于，该阵列波导光栅是单输入波导多输出波导型I XN和多输入波导多输出波导型MXN，阵列波导光栅包括输入波导、输入星形耦合器平板波导、波导阵列、输出星形耦合器平板波导、输出波导。3.根据权利要求2中所述的阵列波导光栅光谱平坦化的方法，其特征在于，孔洞结构(7)是单个孔洞，或是多个孔洞的组合，且孔洞形状是任意设计的多边形。4.根据权利要求3中所述的阵列波导光栅光谱平坦化的方法，其特征在于，预展宽区域是直线锥形、曲线锥形、突变直线锥形或突变曲线锥形。5.根据权利要求4中所述的阵列波导光栅光谱平坦化的方法，其特征在于，曲线锥形包括指数型、抛物线型或双曲线型。
【专利摘要】本发明公开了一种阵列波导光栅光谱平坦化的方法，该方法基于平面光波导技术，对阵列波导光栅的通道带宽有改善作用。该方法包括，在阵列波导光栅的脊形或条形波导(包括输入波导、输出波导和波导阵列)和平板波导连接处(6)，设计制作带孔洞结构(7)的过渡区(预展宽区域)过渡条形波导(或脊型波导)和平板波导，以达到模场预展宽的效果。光模场经过波导传输、通过孔洞结构到达平板波导边界时，原有的高斯型模场变换为类似矩形的光模场分布，从而得到平顶的光谱响应。该方法简单易行，适用于大型多路输入多路输出阵列波导光栅，且仅需标准的平面波导制作工艺即可完成。
【IPC分类】G02B6/12
【公开号】CN105137538
【申请号】CN201510666225
【发明人】叶彤, 储涛, 付云飞
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年10月15日