专利名称：蚀刻衍射光栅波分复用器的制作方法
技术领域：
本发明创造属于光通信波分复用领域，特别涉及一种频谱性能优良、制作工艺简便的集成型平面波分复用器件。
技术背景光纤通信在短短数十年得到巨大的发展，最近几年更是急剧膨胀，如今光纤已经铺设到世界的每个角落。在很大程度上，光纤弥补了电缆通信的不足，使通信容量和质量大大增加。然而随着社会经济的发展，人们对信息的需求呈指数增长，通信业务也从电话、数据向视频、多媒体等宽带业务发展，传统光传输的带宽也不够用了。所幸在单根光纤上运用波分复用(WDM)技术能够成十几倍、几十倍、上百倍的增加系统容量，满足增长的对带宽的需求。
波分复用光纤通信系统中复用器/解复用器(Multiplexer/Demultiplexer)是最关键的器件。在传统光传输链路上，两端加上复用器/解复用器，就可能以较低的成本实现扩容。蚀刻衍射光栅是平面集成波导复用器/解复用器的一种，它利用半导体工艺，可以在很小的芯片上实现40通道以上的密集波分复用。
波分复用器件的频谱平坦化对系统应用来说很重要。国际上对波分复用的波长格点做了规定，但实际中波长在这些格点上由于种种因素(激光器不稳定，环境变化等)会产生偏移，这就要求波分复用器件对一定范围内的波长变化有容忍性，体现在器件性能上就是频谱的平坦化。
为了实现波分复用器件频谱平坦化，目前主要采用的方法如下美国专利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；M.R.Amersfoort等发表的另一篇题为“Passband broadening ofintegrated arrayed waveguide filters using multimodeinterference couplers”，Electron.Lett.，1996，32，(5)，pp.449-451的文章中，采用多模波导实现频谱平坦化，通过调节MMI的宽度来实现不同的3dB带宽。由于通过增大MMI宽度来增大3dB带宽的同时，也进一步增大了器件的插损、带宽内的纹波(ripple)、串扰等，使得器件性能比较明显的恶化。
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；A.Rign等发表的一篇题为“Multigratingmethod for flattened spectral response wavelengthmulti/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；Y.P.Ho等发表的一篇题为“Flat channel-passband-wavelength multiplexingand demultiplexing devicesby multiple-Roland-circle design”，IEEE Photon.Tech.Lett.，1997，9，(3)，pp.342-344.的文章中采用多个罗兰圈结构实现频谱平坦化。这些设计对光栅结构要求精确，在实际加工中不易实现，对误差敏感。同时，能量会分散到其他级次，引人大的损耗；M.R.Amersfoort等人发表的题为“Phased-array wavelengthdemultiplexer with 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。
发明内容
本发明创造的目的是提供一种结构简单、频谱性能优良的蚀刻衍射光栅波分复用器。
为了实现上述目的，本发明创造是采用这样的技术方案解决的它包括输入波导，输出波导阵列、自由传播区域和蚀刻凹面光栅，其特征在于所述输入波导与自由传播区域之间设有强限制渐变波导。
本发明创造与现有技术相比，由于在输入波导与自由传播区域之间设有强限制渐变波导，而该强限制渐变输入波导能够提供一个从单模到多模缓慢过渡的桥梁。在单模到多模过渡的过程中，光场能量分布逐渐由中心最大变化到光强峰值向两边分散，形成中心凹陷的有利频谱平坦化的模场形状；在强限制渐变输入波导两边包层为空气，其折射率差大，平面方向上属于强限制波导，其模场分布边缘陡直下降，因而可以实现更好的平坦化效果。
图1为本发明创造的结构示意图图2为本发明创造的局部结构示意图图3为本发明创造的光波导结构示意图图4为光信号在本发明创造中传播时场的变化图5为本发明创造的强限制渐变输入波导入口端宽度优化设计图6为本发明创造的强限制渐变输入波导长度优化设计图7为本发明创造的频谱响应具体实施方式
参照附图本发明创造包括输入波导1，输出波导阵列2、自由传播区域4和蚀刻凹面光栅5，所述输入波导1与自由传播区域4之间设有强限制渐变波导3；该强限制渐变输入波导3由梯形波导和楔形空腔7构成，楔形空腔7位于梯形波导的外侧，所述梯形波导与输入波导1相联通。
强限制渐变输入波导3边缘将与光纤阵列连接，间距调整到大于等于光纤的直径。输入波导1和输出波导2在器件的同一个侧边，这样只需要光纤阵列一次对准，有利于器件的封装。包含多个波长的光信号从输入波导1进入，光信号在进入自由传播区域4之前，单模的光束要经过强限制渐变输入波导3，光束的模式开始转变，光场的分布也发生变化。变化后的光场由强限制渐变输入波导3进入自由传播区域4之前开始扩散，在自由传播区域4中传播，光能量分布到蚀刻凹面光栅5的各个面上，经反射分波和聚焦后不同的波长的光聚集在不同的输出端口，由输出波导2导出。
强限制渐变输入波导3位于输入波导1、输出波导2与自由传输区4的连接区域。输入波导1和输出波导2为条形波导，两者由覆盖层6相隔，输入波导1、输出波导2和自由传播区域4均具有较高的折射率，覆盖层6的折射率稍低，强限制渐变波导3两侧的楔形空腔7的折射率很低。在梯形波导和两个楔形空腔7构成的强限制渐变波导3，光的分布由单峰的高斯形状转变成两个峰的形状；梯形波导的两端的宽度分别为W1和W2，其长度为L，其数值由优化方法确定。
强限制渐变输入波导3提供了一个从单模到多模缓慢过渡的桥梁。在单模到多模过渡的过程中，光场能量分布逐渐由中心最大变化到光强峰值向两边分散，形成中心凹陷的有利频谱平坦化的模场形状。
强限制渐变输入波导3两边包层为楔形空腔7折射率差大，平面方向上属于强限制波导，其模场分布边缘陡直下降，可以实现更好的平坦化效果。由于强限制渐变输入波导3两边是折射率为1的楔形空腔7，它与光栅反射面之后的空气一样，能够在工艺上同时形成。
二氧化硅光波导是目前制作集成光波导器件的最常用的材料之一，承袭半导体制作过程，其工艺也最成熟。本发明创造所述基手强制渐变输入波导3结构的蚀刻衍射光栅制作在平面光波导材料上。输入波导1和输出波导2通常制作成掩埋型条形波导，而自由传播区域4则是简单的层壮平板波导。
本发明创造所采用的强限制渐变输入波导3，可以得到很好的频谱响应。这种结构可以用在各种平面波分复用器件，包括阵列波导光栅和蚀刻衍射光栅。在制作工艺上本发明创造更适合于蚀刻衍射光栅。蚀刻衍射光栅需要两个掩模做两次光刻蚀刻，强限制渐变输入波导3的可以嵌入到第二次的光刻蚀刻中，没有增加工艺的复杂度。
强限制渐变输入波导3蚀刻衍射光栅设计步骤是1) 根据色散、自由光谱范围、器件尺寸、波导层折射率等确定光栅的位置和形状；2) 确定输入输出波导的位置；3) 引入强限制渐变输入波导，有两个参数需要调整；4) 用光束传播方法计算光场在渐变输入波导中的变化；5) 用标量衍射理论计算器件的频谱响应，得到评价频谱响应的几个量；6) 改变3)中的两个参数，重复4)，5)的计算；得到最佳的强限制渐变输入波导设计；这里给出一个设计实例，其参数如下
本实例以硅基底上的二氧化硅光波导材料为例，如图3所示。二氧化硅光波导是目前制作集成光波导器件的最常用材料之一，承袭半导体制作过程，其工艺也最成熟。输入输出波导通常制作成掩埋型条形波导，而自由传播区域则是简单的3层平板波导。在图3中，二氧化硅光波导由硅基底8，缓冲底层10、缓冲层6和波导芯层9构成，缓冲底层10位于硅基底8上，缓冲层6和波导芯层9均设置在缓冲底层10上而且缓冲层6覆盖在波导芯层9上。
以硅基底上的二氧化硅光波导材料为例，本发明创造的制造过程是1) 在硅基底上用PECVD等方法镀上一层较低折射率的二氧化硅缓冲层；2) 在二氧化硅缓冲层上镀上一层较高折射率的二氧化硅芯层，用于传导光能；3) 用第一张掩模在芯层上光刻和浅刻蚀出输入输出单模波导，用于与光纤的耦合；4)在刻好图形的芯层上镀上一层较低折射率的二氧化硅覆盖层；5)用第二张掩模在芯层上光刻和深刻蚀出衍射光栅面和强限制渐变输入波导；强限制渐变输入波导的优化设计强限制渐变输入波导3的模场变化情况计算，本发明创造采用较为精确的广角BPM算法。在给定角度下，BPM方法可以在传播方向上计算出很长距离的模场变化情况。在这些模场中选择最有利于平坦化的一个，并在这个位置上截止输入波导，光场进入自由空间。图4显示了输入波导模场在传播方向上的逐渐变化。
光场在自由空间的传播和在蚀刻光栅上的衍射可采用比较精确的二维标量衍射理论计算。输入光场到光栅的传播和光栅反射到输出位置两次衍射计算，可得输出光场。
光栅上的场分布可以用下式表示Egrating(x′,z′)=12(nλ)12∫taperEin(x,z)|rρg-rρt|(cosθi+cosθd)e-ik|rρg-rρt|ds----(1)]]>这里xz是蚀刻衍射光栅所在平面。Ein是BPM算法计算的归一化输入场分布， 是入射面到光栅齿面的距离，n和λ是有效折射率和中心波长，θi和θd是对应的入射角和衍射角。同样可以得到输出位置(x″，z″)处的场分布Eout(x′′,z′′)=12(nλ)12·∫gratingREgrating(x′,z′)|rρo-rρg|(cosθi′+cosθd′)e-ik|rρo-rρg|ds----(2)]]>这里引入了反射率R，相应的积分区域、距离和角度也改变了。
简化起见，使输入输出波导沿z方向，单模波导的本征模可以写成Eeigen(x)，计算得到的输出端面上的场为Eout(x)。耦合入输出波导的光能量用叠加积分表示为I=|∫outputEout(x)E*eigen(x)dx|2----(3)]]>由于蚀刻衍射光栅是线性色散器件，不同波长聚焦的场形状一样，只是位置线性变化。频谱响应可以写为I(λ)=|∫outputEout(x-k(λ-λ0))E*eigen(x)dx|2----(4)]]>这里λ0是设计的中心波长，k是光栅的线性色散率。
为了衡量频谱的性质，定义一个质量因子来定量评价得到的频谱响应3dB带宽与33dB带宽的比值。质量因子越接近于1，频谱性能就越优良。Q=Bandwidth3dBBandwidth33dB]]>另外频谱在3dB带宽内的波动也是衡量频谱性能的一个指标，这个值越小意味着光在这个范围内起伏变化越小。这个量定义为3dB带宽内各个极点峰值中的最大值减去最小值。
Ripple＝Extremummax-Extremummin损耗在无源光器件中也是很重要的指标，表示输出频谱最大值与输入强度的比值。Loss=max{10log(PoutPin)]]>与通常器件性能不一样，这里我们希望损耗相对大，因为频谱的峰值很大往往意味着有不均匀的尖峰存在。
本实施例中，根据信道间隔固定了渐变波导的开口为16微米。改变渐变波导入口宽度和波导的长度会得到不同的响应。图5、图6是本实施例中以质量因子为目标对强限制渐变输入波导的优化设计的结果，同样的对频谱响应起伏和损耗进行优化，可以得到优化的渐变波导结构。本实施例的优化结果是入口宽度为11微米，渐变波导长度为330微米。
图7是优化参数后本发明创造的频谱响应，其3dB带宽比同图中的高斯响应宽很多，质量因子达0.6以上，损耗约为4.6dB。
除以上实例外，不同的波导材料，不同的渐变波导形状，都可以用本发明创造实现频谱响应性能的提高。本发明创造也可用于其他光无源器件，如阵列波导光栅。
权利要求1.一种蚀刻衍射光栅波分复用器，包括输入波导(1)，输出波导阵列(2)、自由传播区域(4)和蚀刻凹面光栅(5)，其特征在于所述输入波导(1)与自由传播区域(4)之间设有强限制渐变波导(3)。
2.根据权利要求1所述的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于所述的强限制渐变输入波导(3)由梯形波导和楔形空腔(7)构成，楔形空腔(7)位于梯形波导的外侧，所述梯形波导与输入波导(1)相联通。
3.根据权利要求2所述的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于所述的梯形波导两端的宽度分别为W1和W2，其长度为L，其数值由优化方法确定。
4.根据权利要求1所述的蚀刻衍射光栅波分复用器，其特征在于所述强限制渐变波导两边楔形空腔(7)与反射光栅(5)同时刻蚀形成。
专利摘要本实用新型创造属于一种频谱性能优良、制作工艺简便的蚀刻衍射光栅波分复用器。它包括输入波导，输出波导阵列、自由传播区域和蚀刻凹面光栅，其特征在于所述输入波导与自由传播区域之间设有强限制渐变波导，该波导由梯形波导和楔形空腔构成，楔形空腔位于梯形波导的外侧，梯形波导与输入波导相联通。本实用新型创造与现有技术相比，由于在输入波导与自由传播区域之间设有强限制渐变波导，而该强限制渐变输入波导能够提供一个从单模到多模缓慢过渡的桥梁。在单模到多模过渡的过程中，光场能量分布逐渐由中心最大变化到光强峰值向两边分散，形成中心凹陷的有利频谱平坦化的模场形状，在不增加工艺的情况下器件能够实现适合通信应用的频谱性能。
文档编号G02B6/34GK2588390SQ0226523
公开日2003年11月26日 申请日期2002年6月30日 优先权日2002年6月30日
发明者盛钟延, 何赛灵 申请人:盛钟延