通带响应加宽的反射式阵列波导光栅波分复用器的制作方法

本实用新型平面光波导集成器件，具体涉及一种反射式阵列波导光栅器件。

背景技术：

随着全球网络业务的飞速发展，人们对数据的需求急剧增加，对通信网的带宽和容量也提出了更高的要求。光通信技术凭借其巨大的潜在带宽资源，成为支撑通信业务量增长的重要通信技术之一。在光通信中，波分复用(WDM)技术是扩展现存光网络通信容量和通信速率的主要手段。越来越趋成熟的波分复用技术在建设具有美好应用前景的全光网络方面具有其他技术无法比拟的优势。

目前用于光通信的波分复用技术的一种核心集成光波导器件是阵列波导光栅(AWG，Arrayed Waveguide Grating)。阵列波导光栅具有设计灵活、插入损耗低、滤波性能好、长期稳定、易与光纤耦合等优点。此外，阵列波导光栅还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件结合，实现单片集成，一块基片上可将几十甚至上千路光信号分离出来，具有巨大的潜在优势，因此，阵列波导光栅成为密集波分复用光网络中最理想的器件，是当今研究热点。对于在单个芯片上集成更多的器件从而降低芯片的成本，减小阵列波导光栅器件的尺寸具有重要意义。

平面光波导集成的阵列波导光栅由输入/输出波导、平板波导区和阵列波导组成，相邻阵列波导具有固定的长度差。其工作原理为：包含多个波长的光信号从输入波导进入到输入平板波导区，在平板波导中发生衍射，耦合进阵列波导，经阵列波导传输后，由于相邻的阵列波导具有相同长度差，在阵列波导与输出平板波导耦合区处，对于同一个波长的输出光具有相同的相位差，对于不同波长的光波具有不同的相位差，在输出平板波导区，输出光发生干涉聚焦到不同的输出光波导的端口位置。

目前针对阵列波导光栅，已有多种方案用于阵列波导的反射。一种方案为在阵列波导的端面镀上电介质或金属薄膜，J.B.D.Soole等人1996年提出在InP基AWG的解理面镀上金属反射覆盖层，输入/输出面也被解理镀上抗反射层。这种方案增加了器件制作工艺的复杂程度，并且端面反射面的粗糙度对AWG的性能会产生很大的影响。另一种方案是由Y.Ikuma等人在2007年提出的在阵列波导的末端连接环形反射镜，该环形反射镜由3dB耦合器及环形波导组成，但是器件尺寸仍然较大。另外，浙江大学2010年提出在AWG的阵列波导末端连接光子晶体，利用光子晶体的禁带效应进行反射。然而这种结构需要严格控制工艺过程和精度，以获得高反射率。

因此，本实用新型拟提出一种新的反射阵列波导光栅的方法，该方法不仅制作工艺简单，利于集成，还同时能增大器件的通道带宽。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种反射式阵列波导光栅波分复用器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种反射式阵列波导光栅波分复用器，包括输入波导、平板波导区、阵列波导、反射器和输出波导；所述输入波导的入射光经平板波导区衍射后，被反射器反射，再经过平板波导区后，被输出波导接收；所述平板波导采用罗兰圆结构；

输入波导和输出波导位于平板波导区的同一侧，阵列波导位于平板波导区的另一侧；所述阵列波导由多根纳米线波导组成，每一根纳米线波导的一端与平板波导区相连，另一端与反射器相连。

优选的，所述反射器为环形波导，所述环形波导的两端分别与相邻的两根纳米线波导连接。

进一步优化的是，每个所述反射器还包括两个模式变换器，所述模式变换器为平面波导，模式变换器的宽度从一端到另一端的逐渐变化，宽度大的一端与宽波导相连，宽度小的一端与环形波导相连，所述宽波导为所述纳米线波导。

另一种优选的方式是，所述反射器为分布布拉格反射光栅，相邻两阵列波导为一组，长度相同。

每组相邻的波导具有相同的长度差ΔL。而传统阵列波导光栅是每根相邻阵列波导都有相同的长度差。

本实用新型的反射式阵列波导光栅波分复用器，解决了制作工艺步骤复杂以及反射率受到一定波长范围限制的问题，同时反射设计可以增大器件的通道带宽，放宽对光通信系统中其他器件的要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。

图1是本实用新型器件方案1的结构示意图。

图2是本实用新型器件方案2的结构示意图。

图3是本实用新型器件方案3的结构示意图。

图4是本实用新型器件方案1中半圆形环形波导的结构示意图。

图5是本实用新型器件方案2中大于180度环形波导的结构示意图。

图6是本实用新型器件与传统器件的频谱响应对比图。实线为本实用新型器件的频谱响应，虚线为传统器件的频谱响应。

图中：1、输入波导，2、平板波导区，3、阵列波导，4、半圆形环形波导，5、输出波导，6、大于180度环形波导，7、分布布拉格反射光栅，8、宽波导，9、模式变换器，10、环形单模波导。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施进一步说明。

本实用新型所提出的一种反射式阵列波导光栅器件的结构示意图如图1所示。由输入波导1、平板波导区2、阵列波导3、半圆形环形波导4和输出波导5构成。从输入波导1进入的入射光，在平板波导区2发生衍射，而后被每根阵列波导3所接收，在一组阵列波导中，光从组内的一根阵列波导进入，经传输到达环形波导4，由环形波导4反射，进入到组内的另一根阵列波导中，从另一端输出，再次进入到平板波导2区，不同相位的光波在其中形成干涉，不同波长的光波干涉的聚焦点位置不同，被不同的输出波导所接收，从而实现反射式阵列波导光栅解复用的功能，由于光路可逆，将输入端口与输出端口对换，即可实现复用功能。

图4是本实用新型器件方案1中半圆形环形波导的结构示意图。半圆形环形波导包括一根环形单模波导10、两根宽输出波导8，单模波导与宽波导之间采用模式变换器9连接。两根宽波导8各通过一个模式变换器9与环形波导10的一端相连，构成反射的回路。

上述的反射式阵列波导光栅中，所述模式变换器9为平面波导，从一端到另一端的宽度逐渐变化，宽度大的一端与宽波导8相连，宽度小的一端与环形波导10相连。

图2是本实用新型器件方案2的结构示意图。与图1不同之处是，用大于180度环形波导6替代图1中的半圆形环形波导4。具有同样的技术效果。

图5是本实用新型器件方案2中大于180度环形波导的结构示意图。其结构与图4的半圆形环形波导的结构近似，不同之处在于其环形度为大于180度。

图3是本实用新型器件方案3的结构示意图。与图1、图2不同之处是，反射器为分布布拉格反射光栅，相邻两阵列波导为一组，长度相同。每组相邻的波导具有相同的长度差ΔL。而传统阵列波导光栅是每根相邻阵列波导都有相同的长度差。

根据阵列波导光栅的原理，满足方程

其中，n_g为阵列波导的群折射率，n_s为平板波导的有效折射率，n_c为阵列波导的有效折射率，m为衍射级数，R为平板波导罗兰圆直径，d_g为阵列波导间隔，d_io为输入/输出波导间隔，Δλ为信道间隔。

相比于传统的阵列波导光栅，d_g对应为原来的2倍(两根相邻的阵列波导为一组)，若要维持其他参数不变，则d_io需要变为原来的1/2。

每组阵列波导回路的总长度增量为ΔL，并且满足n_cΔL＝mλ₀,λ₀为中心波长。

下面采用一个具体实施例来对本实用新型作进一步说明：

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3.476，包层为3μm厚的二氧化硅，折射率为1.445，上包层为空气，折射率为1。

设计一个1×8的阵列波导光栅，中心波长为1550nm，信道间隔为1.6nm。

在本具体实施案例中，采用以下的方法：

1.设计一个传统的阵列波导光栅，衍射级数为38，罗兰圆直径318.02μm，长度差为21.5μm，输入/输出波导间隔为6μm。

2.在传统设计的基础上，保持其他参数不变，将输入/输出波导间隔变为3μm，阵列波导末端由一段环形波导连接。光信号从最下端的波导输入，从其余8通道的波导输出。

图6中虚线为传统设计下仿真的输出光谱图，实线为本实用新型设计仿真的输出光谱图。由图中可以看出，本实用新型设计的通道带宽有所增加，中心通道的通道带宽从19.375％增大到43.75％。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。