一种列阵波导光栅及其制备方法、应用和应用产品
阅读：453发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种列阵波导光栅及其制备方法、应用和应用产品专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种列阵 波导 光栅，包括输入波导、输入 耦合器 、阵列波导、输出耦合器和输出波导阵列；所述输入波导用于将光波输入到所述输入耦合器；所述输入耦合器用于将光波耦合进入每一条阵列波导中；所述输出耦合器用于对所述阵列波导传播过来的不同 相位 的光波进行干涉 叠加 ；所述输出波导阵列用于输出所述输出耦合器传播过来的不同 波长 的光波；所述阵列波导的波导宽度满足公式 所述输出波导阵列的波导宽度满足公式 采用本发明所述方案制得的傅里叶变换器具有更好的光 信号 传输性。，下面是一种列阵波导光栅及其制备方法、应用和应用产品专利的具体信息内容。
1.一种列阵波导光栅，其特征在于：包括输入波导、输入耦合器、阵列波导、输出耦合器和输出波导阵列；
所述输入波导用于将光波输入到所述输入耦合器；
所述输入耦合器用于将光波耦合进入每一条阵列波导中；
所述输出耦合器用于对所述阵列波导传播过来的不同相位的光波进行干涉叠加；
所述输出波导阵列用于输出所述输出耦合器传播过来的不同波长的光波；
所述阵列波导的波导宽度满足公式 所述输出波导阵列的波导宽度满
足公式
2.根据权利要求1所述列阵波导光栅，其特征在于：所述列阵波导光栅采用不含硅的聚合物材料制得。
3.根据权利要求2所述列阵波导光栅，其特征在于：所述阵列波导的衬底选自聚甲基丙烯酸甲酯，芯层选自SU-8，包层选自苯并环丁烯。
4.根据权利要求1所述列阵波导光栅，其特征在于：阵列波导与自由传输区之间和输出波导与自由传输区之间设有锥形波导结构。
5.根据权利要求4所述列阵波导光栅，其特征在于：所述锥形波导长度为18-25μm。
6.一种列阵波导光栅的制备方法，其特征在于，所述列阵波导光栅的制备方法，包括以下内容：
将苯并环丁烯旋涂在聚甲基丙烯酸甲酯衬底上，固化形成下包层，将SU-8旋涂在下包层表面形成波导层；经烘干、光刻、再烘干、交联、除胶形成波导；再旋涂苯并环丁烯经固化后即得。
7.根据权利要求2所述列阵波导光栅，其特征在于：所述波导层的厚度选自3.5-4.5μm。
8.如权利要求1-5任一所述列阵波导光栅用于在制备波长路由器、光分插复用器、波长选择器、多波长光源、多波长接收器、光谱分析仪、色散补偿器、多波长同时检测电路中的应用。
9.一种光谱分析仪，其特征在于：包括权利要求1-5任一所述列阵波导光栅。
10.一种波分复用器，其特征在于：包括权利要求1-5任一所述列阵波导光栅。
一种列阵波导光栅及其制备方法、应用和应用产品
技术领域
[0001] 本发明涉及光通信技术领域，具体而言，涉及一种列阵波导光栅及其制备方法、应用和产品。
背景技术
[0002] 目前光通信技术研究正向着大容量，高速率的方向发展。但在光通信网节点仍然在以“光-电-光”的方式进行数据处理，这种处理方式大大影响了通信速度和容量提升。根据摩尔定理，其不断增加的晶体管数量带来的较大能耗也是极大的限制了它的发展。基于全光网处理的方案使得信号只在光路中进行，能耗少，通信容量和速度理论上能够有较大的提高。要实现全光网系统就需要光信号处理器件，而光信号傅里叶变换器就是众多光信号处理器件中非常重要的一个。
发明内容
[0003] 傅里叶变换广泛的应用在科学研究和工程技术中，发挥着重要的作用，研究发现傅里叶变换本身是一种全局性变换，得到的是整体信号频谱，无法表述信号的时频局部特性，在非平稳信号的处理中这种信号的时频局部特性十分关键，为了处理非平稳信号，人们提出了许多信号处理理论：分数阶傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、Winger分布等。但Winger分布方法在对线性调频信号进行分析处理时会有交叉项干扰；短时傅里叶变换对线性调频信号分析处理时，虽然具有较快的速度，但估计精度不是很高；小波变换能够较好的完成线性调频信号的时频分析，但实时性能较差。分数阶傅里叶变换能很好的分析和处理非平稳信号，它作为傅里叶变换的广义形式具有能够同时在时域和频域对信号进行观察和处理的特性，避免传统傅里叶变换只能单独在时域或频域进行处理的问题。同时分数阶傅里叶变换与传统傅里叶变换相比多出一个自由参数，使其应用更灵活，适合处理多分量信号。
[0004] 本发明基于现有技术存在的不足，提供一种列阵波导光栅，可以实现分数阶光信号傅里叶变换，传统在电信号里面进行傅里叶变化，本发明实现了直接在光信号里面进行分数阶光信号傅里叶变换目的，大大提高通信效率和容量。
[0005] 本发明是通过如下技术方案来实现的：
[0006] 一种列阵波导光栅，包括输入波导、输入耦合器、阵列波导、输出耦合器和输出波导阵列；
[0007] 所述输入波导用于将光波输入到所述输入耦合器；
[0008] 所述输入耦合器用于将光波耦合进入每一条阵列波导中；
[0010] 所述输出波导阵列用于输出所述输出耦合器传播过来的不同波长的光波；
[0011] 所述阵列波导的波导宽度满足公式 所述输出波导阵列的波导宽度满足公式
[0012] 其中λ为入射光的波长，L为耦合器曲率半径，p为变换阶次。
[0013] 作为傅里叶变换的推广形式，引入了阶次p这一参数，是傅里叶变换算子的p次幂。当p＝1时分数阶傅里叶变换就是传统的傅里叶变换；当p＝-1时，分数阶傅里叶变换就是传统的傅里叶逆变换；最佳p值需要根据情况进行搜寻。根据帕塞瓦尔定律，经过分数阶傅里叶变换的光脉冲能量不变。为了避免过高的峰值功率对接收机产生不好的影响，阶次p的值应在0.9以内。在本申请实施例中给出的p是1/8。
[0015] 本发明一具体实施方式，所述阵列波导的衬底选自聚甲基丙烯酸甲酯，芯层选自SU-8，包层选自苯并环丁烯。
[0016] 本发明一具体实施方式，阵列波导与自由传输区之间和输出波导与自由传输区之间设有锥形波导结构。
[0017] 本发明一具体实施方式，所述锥形波导长度为18-25μm。优选为20μm。
[0018] 本发明提供了一种列阵波导光栅的制备方法，所述列阵波导光栅的制备方法，包括以下内容：
[0020] 本发明一具体实施方式，所述波导层的厚度选自3.5-4.5μm。优选为4μm。
[0022] 一种光谱分析仪，包括本申请所述的列阵波导光栅。
[0023] 一种波分复用器，包括本申请所述的列阵波导光栅。
[0024] 本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
[0025] 一、本发明设计制得的阵列波导光栅，可以实现光信号的分数阶光信号傅里叶变换；再辅以采用不含Si的材料制备，解决了采用含Si材料制得的AWG存在的热光效应和偏振问题；采用本发明所述方案制得的傅里叶变换器具有更好的光信号传输性。
[0026] 二、本发明所述设计结构可以使得平板区与阵列波导之间折射率变化更为平滑，减少光的反射；还可以使平板区衍射的入射光能更多的被波导接收，增加耦合效率。输出波导端口同样设计了锥形波导结构用于连接，这样主要是为了得到更大的光谱带宽。附图说明
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0028] 图1为本发明AWG结构示意图；
[0029] 图2为本发明输入输出阵列波导采样区域示意图；
[0030] 图3为本发明AWG制作流程示意图；
[0031] 图4为基于AWG的傅里叶变换器外形结构图；
[0032] 图5为本发明时域范围内输入波形图；
[0033] 图6为本发明AWG变换后的输出波形图；
[0034] 图7为本发明对比例1时域范围内输入波形图；
[0035] 图8为本发明对比例1输出波形图；
[0036] 图9为本发明对比例2中，在温度20℃和60℃时采用聚合材料制成的阵列波导光栅的传输光谱；
[0037] 图10为本发明对比例2中，在温度为20℃和60℃时常规硅材料阵列波导光栅的传输光谱。
具体实施方式
[0038] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明各实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0039] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040] 一、离散傅里叶变换
[0041] 一个标准的AWG结构是由两个平板耦合器组成，通过一组延迟线连接，如图1所示，一个平板耦合器能被设计成有公共焦点的结构，因此，曲率半径R等于平板长度L，L就是两个表面间的距离，如图2所示。
[0042] 在输出端平面振幅分布区域b(x)与输入平面振幅a(x)的模拟傅里叶变换成比例，这用于估算空间频谱x/(λL),λ是中心波长
[0043]
[0044] 输入和输出阵列波导采样区域分布如图2所示，因此，在第m个输出波导的光信号可以表示为：
[0045]
[0046] 其中di和d0是输入和输出波导光栅的宽度。在前面的表达式中，我已经设置N＝λL/did0目的是为了获得离散傅里叶变换。利用AWG进行傅里叶变换的设计指导原则是模拟对应的传统频率信号分离器，这种方法是值得研究的。其主要的不同在于离散傅里叶变换器有N个输入输出端口而AWG中是有N个波导光栅。虽然N＝λL/did0这个条件仅仅在单波长情况下才能达到满意的效果，但是这设备能用于宽频应用。此外，在平板中的角色散,由于折射率的频率相关性，导致了光信号通过光栅阵列的输出时造成它的线性相位变化，这在设备设计时要仔细考虑。为了简单，下面讨论一下在AWG中输入平板耦合器被标准分离器替代的情况。当设计参数满足条件N＝λL/dido时，平板耦合器是一个360°/N混合式，在输入和输出之间的区域有一个固定的相位相关。比如将输入波导数N设置为4时平板耦合器是标准的90°。
[0047] 引入在波导阵列中τ的延迟倍数，脉冲响应和AWG仪器的第m个输出的变换函数为[0048]
[0049]
[0050] 这里T＝Nτ为符号周期。另外通过运用δ(t)函数的样本性质等式3能被写成[0051]
[0052] 这里rectT(t)＝L是窗函数t的取值范围是-T/2＜t＜T/2。根据卷积理论，这个变换函数也能写成
[0053]
[0054] 二、离散分数阶傅里叶变换
[0055] AWG中第m个子通道波形是：
[0056]
[0057] 在符号周期T内，所有副载波是正交
[0058]
[0059] *表示复共轭，δmm'是克罗内克符号为了将一个模拟信号用离散信号表示，和使用离散傅里叶变换，时域波形 在t＝nτ内进行采样，获得等式(7)和(8)。
[0060] 在快速傅里叶变换的情况下，副载波波形是
[0061]
[0062] 当为了简化固定系数已经被忽略时，它是等式(7)的核函数。在m＝0和p＝1/8的情况下，快速傅里叶变化副载波的光谱是
[0063]
[0064] 如果将参数um设置为
[0065]
[0066] 那么副载波满足等式(8)的正交条件。在t＝nτ时的样本为：
[0067]
[0068] 和
[0069]
[0070] 如果平板参数设置为
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 图2中AWG设备能进行快速离散傅里叶变换。
[0075] 通过检查等式(16)，可以看出副载波是啁啾信号，呈现相同的光谱，m/T的变动和通过复合因子 进行叠加。在光纤链路中设置
[0076]
[0077] 副载波的啁啾特性能被用于色散补偿。式中D是色散参数，L是光纤链路长度。在本设计中将p设为1/8。
[0078] 三、温度与偏振不敏感聚合物阵列波导光栅
[0079] 目前阵列波导光栅(AWG)芯层主要是用二氧化硅构成，包层主要是Si构成。这样AWG就存在较大的热光效应，热光效应就是AWG的折射率会随着温度的变化而变化。为了稳定中心波长，需要增加温度控制元件进行温度调节，一般的做法是在AWG中加入负温度系数的材料，但这种做法并不适应以硅为材料的阵列波导光栅，因为AWG器件尺寸很小，很难控制阵列波导间的光程差。同时，阵列波导光栅中由于器件的尺寸与应力作用对于输出平板波导的聚焦处，横电波模式(TM)和横磁波模式(TE)这两种模式有相对偏移。为了解决这两个问题采用聚合材料代替以前的硅材料，来制造阵列波导光栅。
[0080] 本申请中选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制作衬底，SU-8 2005制作芯层，苯并环丁烯(BCB)制作包层。这些聚合物具有低双折射率、良好的热稳定性和低波长色散等优点。
[0081] 如在1550nm波长下，芯层折射率n1和包层折射率n2分别是1.571和1.560。有效折射率差Δ＝(n1-n2)/n1＝0.7％。折射率是聚合物的物理性质，通过测试得到。有效折射率差的作用就是说明光限制在波导中传输，通俗来说就是光的能量跑到包层中去的多少。
[0082] 具体的可选自采用以下方法制备：
[0083] 将苯并环丁烯(BCB)旋涂在PMMA基片上，在150℃下经过2小时固化形成下包层。将4μm厚的SU-8 2005旋涂在下包层上形成波导层；其中衬底厚度为9μm，上、下包层厚度都为8μm。此时样片先在65℃条件下烘10分钟，然后在90℃条件下烘20分钟去除芯层材料中的溶剂，然后通过光刻版紫外光刻30秒接着再65℃烘10分钟，再90℃烘10分钟，光照区实现紫外交联，在PGMEA(propyleneglygol-monomethylether-acetate)显影液中除胶40秒后，先后通过异丙醇与去离子水冲洗形成波导；在150℃下坚膜30秒，以提高芯、包层之间的附着力，之后旋涂BCB上包层固化后形成器件。流程如图3所示。
[0084] 四、基于AWG的傅里叶变换器设计
[0085] 根据前面所介绍的阵列波导光栅的基本工作原理和理论模型，可以对器件进行参数设计，而参数的选择将决定器件的性能。
[0086] 本设计采用1×8的形式为例，变换器外形结构设计如图4所示。为了使输入波导、输出波导和阵列波导与自由传输区的过渡更加平滑，在其间引入20μm长度的锥形波导结构。采用这样设计有利于减少光的反射，使得自由传输区和波导之间的折射率变化更加平滑；另一个目的是增加耦合率，使自由传输区衍射的入射光能更多的被波导接收。
[0087] 设计流程如下，以中心波长λ0为1550nm为例：
[0088] 1)根据设计要求，确定中心波长λ0，选取λ0＝1550nm，信道间隔Δλ＝0.8nm，信道数Nch＝8；
[0089] 2)确定平板波导和阵列波导的模式有效折射率ns＝1.567和nc＝1.563；
[0090] 3)波导芯区与包层的相对折射率差为0.7％；
[0091] 4)设定自由传输区长度Lsr为460μm；
[0092] 5)根据式(14)可得出曲率半径R为232.23μm；
[0093] 6)根据式(15)可得di为7.56μm；
[0094] 7)根据式(16)可得do为11.79μm；
[0095] 8)自由光谱范围和信道数存在的关系是 由此可以确定最大衍射级数
[0096]
[0097] 由式(18)中ng为波导的群折射率， 经过计算ng＝1.673，Nch＝8μm，计算得出m为226；
[0098] 9)相邻阵列波导长度差为 所以ΔL＝224.12μm；
[0099] 10)确定阵列波导数Ng，根据公式 ω0是输入波导模场等效宽度，可得到Ng为55。
[0100] 五、仿真实验
[0101] 实施例
[0102] 设输入为高斯激光脉冲，波长为1550nm，光功率0dBm，如图5所示时域范围内的输入波形。经过AWG变换后，输出波形如图6所示。
[0103] 对比例1
[0104] 在确定材料的基础上，未按照本申请所述方案制得相应尺寸的阵列波导光栅进行仿真实验：
[0105] 表1为物理参数的设定
[0106]
[0107]
[0108] 仿真实验结果如图7、8所示，结果可以看出当阵列波导光栅的尺寸发生变化后就不能得到光信号的傅里叶变换，即未按照本申请所述方案公式进行计算尺寸的阵列波导光栅，无法实现分数阶傅里叶变换。
[0109] 对比例2
[0110] 在确定阵列波导光栅尺寸的基础上，采用传统硅材料制得的设备也能实现光信号的傅里叶变换，但是传统硅材料制得的设备它有热光效应。热光效应就是AWG的折射率会随着温度的变化而变化。该设备需要稳定中心波长，因此为了解决该问题采用聚合材料。下面的仿真实验是两种材料的传输光谱图，图9为温度为20℃和60℃时，聚合材料制成的阵列波导光栅的传输光谱；图10为温度为20℃和60℃时，常规硅材料阵列波导光栅的传输光谱。
[0111] 通过比较图9和图10可以看出常规硅材料阵列波导光栅温度偏移很大，而聚合材料制成的阵列波导光栅温度偏移非常小。
[0112] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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