技术领域
[0001] 本实用新型涉及集成
阵列波导光栅器件，具体涉及一种信道损耗均匀的波导光栅器件。
背景技术
[0002] 集成光波导光栅波分复用器件主要有阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，简称AWG)和蚀刻衍射光栅(etched diffraction grating，简称EDG)。其中阵列波导光栅由于其结构紧凑、易于集成、性能优良、可靠性较高等优点，是光通信系统中实现波分复用功能的核心器件之一。一个N×N的AWG可以在其每个输出信道上同时传输N个不同的光频，大大提高了光传输系统的传输量，因此它也是实现光分差复用器和一个N×N光路由系统的核心组成部件。然而，由于普通的AWG在一个自由
光谱范围(Free Spectral Region, 简称FSR)内其中心信道和边缘信道的插入损耗之差为3dB，而在通信中通常要求输出信道间的插入损耗非均匀性至少小于1dB,这就大大降低了AWG实际可用的信道数和其循环特性的使用，因此，提高AWG的输出通道在一个FSR内信道插入损耗的均匀性是十分重要的。
[0003] 目前，已报导的提高AWG输出信道均匀性的技术主要有：改善阵列波导和输出平板波导区交界面上的模场分布法和双衍射级次合成法等。J.C.Chen等人(J.C.Chen, et al, "Waveguide grating routers with greater channel uniformity," Electron. Lett, vol.33, no.23, pp.1951-1952, 1997) 通过在阵列波导的入口和出口增加一段辅助波导来改变阵列波导和输出平板波导交界面上的模场分布，从而提高了各输出信道的插入损耗均匀性，同时也增加了可使用的输出信道数。K. TaKiguchi等人(K. Takiguchi, et al, "Arrayed-waveguide grating with uniform loss properties over the entire range of wavelength channels," Opt. Lett., vol.31, no.4, pp.459-461, 2006) 通过对边缘信道收集其相邻两个衍射级次的
能量，再利用一个多模干涉
耦合器（MMI）将相应输出波导输出的能量耦合到一个输出信道，从而达到提高信道均匀性的目的。Y. SaKamaki等人(Y. Sakamaki, et al, "Loss uniformity improvement of arrayed-waveguide grating with mode-field converters designed by wavefront matchingmethod,"Journal of Lightwave Technology，vol. no., pp. year)利用波前匹配法在阵列波导的输出端引入一系列模斑转换器以改变单根阵列波导在输出成像面上的远场分布，进而达到提高各输出信道插入损耗均匀性的目的。国家
发明专利(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。 [0004] 然而，以上提高阵列波导光栅各输出信道插入损耗均匀性的技术都是以需要增加额外的器件或者增加设计难度为代价，这样不仅增加了器件制作工艺的难度，还降低了器件的其它性能。
发明内容
[0005] 针对背景技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种信道损耗均匀的波导光栅器件，解决了传统阵列波导光栅和蚀刻衍射光栅的各输出信道在一个
自由光谱范围内插入损耗最大值与最小值之间具有3dB差异的问题。
[0006] 本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007] 一种信道损耗均匀的波导光栅器件，它包括至少一条输入波导、输入平板波导区、光栅单元阵列、输出平板波导区和输出波导阵列，从输入波导进入的入射光在输入平板波导区)发散后被光栅单元阵列中的每个单元所接收，经其透射或反射后通过输出平板波导区射向输出波导阵列；其特征在于：所述光栅单元阵列中的每个单元的中心出射光，按一定的
角度分布函数变化，经输出平板波导区的传输后，指向偏离输出波导阵列的中心，以此分散光栅单元阵列中各单元输出的光峰值能量在输出波导阵列上的分布，从而达到提高各输出信道插入损耗非均匀性的要求。
[0008] 所述的光栅单元阵列由一系列长度等差级数递增的波导阵列组成。 [0009] 所述波导阵列中每根光栅单元波导在输出平板波导区的入口处的朝向按一定的角度分布函数指向输出波导阵列，所述的角度分布函数满足如下关系式：
[0010]
[0011] 其中， 是各光栅单元波导的指向与输出平板波导区中心线的夹角，k表示第k根光栅单元波导，γ是第I根光栅单元波导的指向与输出平板波导区中心线的夹角，幂指数n是一个大于0的实数。
[0012] 所述的角度分布函数中幂指数n 和角度γ是根据对各输出信道的插入损耗非均匀性，即各输出信道插入损耗最大值与最小值之差，进行优化所得；经过优化后得到的幂指数n 为3。
[0013] 所述角度γ的值介于α和β之间，即 ，其中α 是第I根光栅单元波导和输出波导阵列中心的连线与输出平板波导区中心线的夹角，β是第I 根光栅单元波导和输出波导#1的连线与输出平板波导区中心线的夹角。
[0014] 所述光栅单元阵列是由一系列单元反射面构成的蚀刻光栅，从输入波导在输入平板波导区的入口端点到各单元反射面中心再到输出波导阵列在输出平板波导区的入口中心的总光学长度成等差级数递增。
[0015] 所述的蚀刻光栅中的各单元反射面朝向使得从输入波导入射到该反射面单元中心的光线的反射光线按一定的角度分布函数指向输出波导阵列，所述的角度分布函数满足如下关系式：
[0016]
[0017] 其中 表示蚀刻光栅第 个单元反射面中心反射光线与输出平板波导区中心线的夹角，γ是第I个单元反射面中心反射光线与输出平板波导区中心线的夹角，幂指数n是一个大于0的实数。
[0018] 所述输出波导阵列中的每一个波导的朝向偏离光栅单元阵列的中心。 [0019] 对应N个信道的波导光栅器件，N个信道占据所述波导光栅器件的整个自由光谱范围，即信道间隔为自由光谱范围的1/N。
[0020] 对应输入波导和输出波导数目相同的波导光栅器件，所述输入平板波导区的输入波导阵列和光栅单元阵列的入口处的结构设计与输出平板波导区的输出波导阵列和光栅单元阵列的出口处的结构设计对称，从而构成N×N端口的光
波长路由器。
[0021] 本实用新型具有的有益效果是：
[0022] 1.本实用新型可以在不增加芯片尺寸和额外器件的
基础上，实现阵列波导光栅和蚀刻衍射光栅的各输出信道在一个自由光谱范围内具有良好的插入损耗非均匀性，各输出信道的插入损耗最大值与最小值之差至少小于1dB。
[0023] 2.本实用新型适用于基于
二氧化
硅、磷化铟和硅等的各种波导材料和波导结构，制作工艺与传统波导光栅器件相同，具有制作简单、成本低等优点。
附图说明
[0024] 图1 是本实用新型所述的一种信道损耗均匀的波导光栅器件的结构示意图。 [0025] 图2(a)是传统阵列波导光栅的结构布局在输出平板波导区的放大图。 [0026] 图2(b)是采用传统阵列波导光栅的结构布局得到的输出
频谱图。
[0027] 图3(a)是本实用新型所述的阵列波导光栅的结构示意图。
[0028] 图3(b)是图3(a)中输出平板波导区的放大图。
[0029] 图3(c)是本实用新型所述的波导阵列在传统阵列波导光栅布局上实现波导朝向
位置变化的示意图。
[0030] 图4是不同幂指数下，阵列波导光栅损耗非均匀性随γ的变化情况。 [0031] 图5是对应于图4各条件下得到的相对于传统阵列波导光栅引入的额外损耗。 [0032] 图6是分别在普通阵列波导结构和本实用新型所述方法的阵列波导结构(对应=0.15和 =0.17两种情况)下，各光栅单元波导的指向与输出平板波导区中心线的夹角的变化情况。
[0033] 图7(a) 是采用本实用新型所述的的阵列波导光栅结构(对应 =0.17的情况)得到的输出频谱图。
[0034] 图7(b)是采用本实用新型所述的的阵列波导光栅结构(对应 =0.15的情况)得到的输出频谱图。
[0035] 图8是传统蚀刻衍射光栅的结构示意图。
[0036] 图9(a)是本实用新型所述的蚀刻衍射光栅的结构示意图。
[0037] 图9(b)是本实用新型所述的蚀刻衍射光栅在传统蚀刻衍射光栅布局上实现单元反射面中心反射光线朝向变化的结构示意图。
[0038] 图10是采用本实用新型所述方法的N×N端口的光波长路由器示意图。 [0039] 图中：1、输入波导，2、输入平板波导区，3、光栅单元阵列，3a、波导阵列，3b、蚀刻光栅，4、输出平板波导区，5、输出波导阵列，6、罗兰圆，7、光栅圆，8、输出平板波导区中心线，9、第I 个光栅单元(第I 根光栅单元波导或第I 个单元反射面)，10、第-I 个光栅单元(第-I 根光栅单元波导或第-I 个单元反射面)，11、第0个光栅单元(第0根光栅单元波导或第0个单元反射面)，12、第I 个光栅单元波导与输出波导#1的连线，13、第-I 个光栅单元波导与输出波导#Nch的连线，14、第1个光栅单元波导与其朝向位置的连线，15、输出波导#Nch，16、输出波导#1，17、输出波导阵列最中心的一根波导，18、传统阵列波导光栅的第I根光栅单元波导，19、传统阵列波导光栅的第-I根光栅单元波导，20、第I 根光栅单元波导和输出波导阵列中心的连线，21、第-I 根光栅单元波导与输出波导阵列的中心的连线，22、第I 个单元反射面中心与输出波导阵列中心的连线，23、第-I 个单元反射面中心与输出波导阵列中心的连线，24、第I个单元反射面的中心与输出波导#1的连线，25、第-I个单元反射面的中心与输出波导#Nch的连线。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图和
实施例对本实用新型作进一步说明。
[0041] 图1是本实用新型所述的一种信道损耗均匀的波导光栅器件的原理示意图，从输入波导1进入的入射光在输入平板波导区2发散后被光栅单元阵列3中的每个单元所接收，经其透射或反射后通过输出平板波导区4射向输出波导阵列5，由于干涉效应使得不同波长的光在不同的输出波导处形成相长相干而输出。与传统的波导光栅器件不同，本实用新型所述光栅单元阵列3中的每个单元的中心出射光，按一定的角度分布函数变化，经输出平板波导区4的传输后，指向偏离输出波导阵列5的中心，以此分散光栅单元阵列3中各单元输出的光峰值能量在输出波导阵列5上的分布，从而达到提高各输出信道插入损耗均匀性的要求。
[0042] 因为集成光波导光栅器件主要有阵列波导光栅和蚀刻衍射光栅，下面将以这两种器件为例详细的介绍本实用新型所述的一种信道损耗均匀的波导光栅器件。 [0043] 传统阵列波导光栅的各光栅单元波导的出口朝向如图2(a)所示，均指向输出波导阵列5的中心。由于光在波导中传输的基模模场分布可以用高斯分布来近似，所以当光经过波导阵列3a的传输，再由输出平板波导区4的衍射，最后在输出波导阵列5入口所在的罗兰圆6上形成干涉，其光能量的最大值将出现在输出波导阵列5的中心，那么在一个自由光谱范围内，边缘的输出波导15和16与输出波导阵列最中心的一根波导17之间的插入损耗就有3dB的差别，如图2(b)所示。如果要求输出波导阵列5的各信道之间损耗均匀性至少小于1dB，那么输出波导阵列5边缘的波导就不满足要求而不能被使用。基于这个原因，改变波导阵列3a的各波导朝向，使波导阵列3a中的每根光栅单元波导的中心朝向位置按设定的角度分布函数指向输出阵列波导5，该角度分布函数如下：
[0044]
[0045] 其中， 是各光栅单元波导的指向与输出平板波导区中心线8的夹角，k 表示第k根光栅单元波导，以波导阵列最中间的第0根光栅单元波导11作为分界，该波导以上的光栅单元波导的k值为正，以下的光栅单元波导的k值为负。波导阵列中第I个光栅单元波导与输出波导#1的连线12与输出平板波导区中心线8的夹角为β，由于对称性，波导阵列中的第-I 个光栅单元波导与输出波导#Nch的连线13与输出平板波导区中心线8的夹角为-β，α是第I根光栅单元波导和输出波导阵列中心的连线20与输出平板波导区中心线8的夹角，根据对称性，波导阵列中第-I 根光栅单元波导与输出波导阵列的中心的连线21与输出平板波导区中心线8的夹角为-α，γ是波导阵列第I 根光栅单元波导的指向与输出平板波导区中心线8的夹角，其值介于α和β之间，即 ,幂指数n是一个大于
0的实数。
[0046] 本实用新型中波导阵列3a中各光栅单元波导出口朝向位置的变化是在传统阵列波导光栅结构的基础上，不改变波导阵列3a出口各波导中心在光栅圆7上的位置，只是沿该中心略微转过一个角度，如图3(c)所示，传统阵列波导光栅的第I根光栅单元波导18经过角度偏移后变为了波导阵列3a的第I 根光栅单元波导9，其出口中心朝向输出波导16，同理传统阵列波导光栅的第-I 根光栅单元波导19经过角度变化后变为第-I根光栅单元波导10，其出口中心朝向输出波导15，经过角度变化后所有光栅单元波导不再均朝向输出波导阵列5的中心，而是朝向如图3(b)所示的以输出波导15和输出波导16为边界的输出波导阵列入口所在的罗兰圆6的一段，图3(b)是本实用新型所述的阵列波导光栅的输出平板波导区的放大图。
[0047] 在关系式(1)中有两个自由参量 和n, 一个自由光谱范围内良好的输出信道插入损耗均匀性的获得将是这两个参量最佳优化的结果。
[0048] 图8给出了传统蚀刻衍射光栅的结构示意图，各单元反射面反射的光线的能量最大值聚焦点在输出波导阵列5的中心。如果设定蚀刻衍射光栅的衍射级次为m，输出波导阵列5传输光的波长从下而上为 ，最中心的波导传输的光波长为 ，那么对于传统的蚀刻衍射光栅，各单元反射面的角度朝向均是以波长为 的m级衍射获得闪耀来设定的。若用高斯分布来近似光在波导中传输的基模模场，那么由各单元反射面闪耀的能量最大值将汇聚在输出波导阵列5的中心，而边缘信道的插入损耗与中心信道就会有至少3dB的差别。基于这个原因，改变单元反射面的角度朝向，使输入波导1入射到各单元反射面中心的反射光线按设定的角度分布函数指向输出波导阵列5，该角度分布函数如下： [0049]
[0050] 其中 表示蚀刻光栅3b第k 个单元反射面中心反射光线的指向与输出平板波导区中心线8的夹角，k表示蚀刻光栅的第k 个反射面，以蚀刻光栅的中心点作为分界点，该分界点以上的单元反射面对应的k 值为正，分界点以下的k 值为负。 表示蚀刻光栅的第I 个单元反射面的中心与输出波导#1的连线24与输出平板波导区中心线8的夹角， 表示蚀刻光栅的第-I个单元反射面的中心与输出波导#Nch的连线25与输出平板波导区中心线8的夹角， 表示蚀刻光栅3b的第I 个单元反射面中心与输出波导阵列中心的连线22与输出平板波导区中心线8的夹角， 表示蚀刻光栅的第-I 个单元反射面中心与输出波导阵列中心的连线23与输出平板波导区中心线8的夹角，是蚀刻光栅第I 个反射面中心反射光线的指向与输出平板波导区中心线8的夹角， ，幂指数n是一个大于0的实数。
[0051] 图9(a)是本实用新型所述的蚀刻衍射光栅的结构示意图，其中蚀刻光栅的单元反射面中心反射光线角度转动的示意图如9(b)。
[0052] 本实用新型是在不改变蚀刻光栅结构的基础上，使各单元反射面绕面中心稍微转动朝向角度，如图9(b)所示，蚀刻光栅3b的第I个单元反射面转动朝向角度，使第I个单元反射面中心反射的光线的指向从输出波导阵列5的中心转变为输出波导#1，该单元反射面闪耀的光波长从 转变为 ，同理转动蚀刻光栅3b的第-I 个单元反射面的朝向角度，使第-I个单元反射面中心反射的光线的指向从输出波导阵列5 的中心转变为输出波导#Nch，闪耀的光波长从 转变为 ，其他的单元反射面中心反射的光线的朝向角度的变化服从公式(2)从而使各单元反射面闪耀的光波长从集中在 的情况转变到分散 与 之间的情况，对应的由各单元反射面闪耀的光峰值能量的最大值也分散到了输出波导15和16之间，从而实现均匀信道损耗均匀性的目的。
[0053] 由于传统的输出波导阵列5的各波导入口的朝向均是指向光栅单元阵列3的出口中心，那么为了减小本实用新型所述的波导光栅器件带来的额外损耗，各输出波导入口的朝向也应该按照接收最大光能量来优化。
[0054] 图10是采用本实用新型所述的N×N端口的光波长路由器示意图，如图所示输入平板波导区2及其交界的输入波导1和光栅阵列3的入口的结构设计与输出平板波导区4及其交界的输出波导阵列5和光栅波导阵列3的出口的结构设计完全对称，那么当光从输出波导阵列5的中心波导输入时，N个输入波导将分别接收到各自波导对应波长的光能量，并且各信道的插入损耗非均匀性小于1dB，也就是说无论以输入波导还是输出波导作为输入，最终在输出各信道接收到的光能量之间的插入损耗非均匀性都小于1dB。 [0055] 接着，将以一个具体案例对本实用新型作进一步说明：
[0056] 以SiO2波导材料为例，波导尺寸为6μm×6μm，芯层折射率为1.47，包层折射率为1.46，设计一个1×16的阵列波导光栅。根据关系式(1)需要
选定 和n的值来确定各光栅单元波导偏离输出平板波导区中心线的角度 。根据所选波导材料与尺寸，算出α=0.142，β=0.192， 将在该范围内取值。首先，分别设定幂指数n=1、2、3，让波导阵列的第I根光栅单元波导9的朝向角度 在 与 间变化，而其他的光栅单元波导按照公式(1)的角度 变化，得到在不同的幂指数下，损耗非均匀性与朝向角度 的关系，如图4所示：幂指数n固定时，随着朝向角度 的增大，损耗非均匀性变小；在同一朝向角度下，幂级数次数n在一定范围内变化时，损耗非均匀性先变化到最小再逐渐增大(图4中，幂指数n=3，朝向角度 为 时，损耗非均匀性为负值是因为中心通道的损耗大于边缘通道)。因此设计中，在兼顾版图布局的情况下可以有两种方案选择幂指数n和朝向角度 来得到最优的损耗非均匀性：方案一，选定幂指数后，通过改变最边缘波导的朝向角度来实现良好的损耗非均匀性；方案二，选定波导朝向角度后，通过改变幂指数来实现良好的损耗非均匀性。图5是对应于图4各条件下得到的相对于传统阵列波导光栅引入的额外损耗。从图4和图5可以看出当幂指数n=3，朝向角度 =0.17时，各信道的损耗非均匀性小于0.4dB，额外损耗为
3dB，最边缘信道损耗为3.4dB；当幂指数n=3，朝向角度 =0.15时，各信道的损耗非均匀性小于1dB，额外损耗为2dB，也就是说最边缘信道损耗为3dB。后者最差的边缘信道的损耗虽然与传统设计一样，但是损耗非均匀性却比传统设计小2dB。故以此参数，即幂指数n=3，朝向角度 =0.15来模拟本实用新型所述的阵列波导光栅频谱响应，同时保证各输出波导接收能量最大化。图6是该情况下的波导阵列3a的各光栅单元波导偏离输出平板波导区中心线8的角度 的分布情况，为了作对比，传统阵列波导光栅中各波导对应的角度和按照本实用新型所述的(对应 =0.17的情况)各波导对应的角度也在图6中给出。图2(b)给出了在传统阵列波导光栅结构设计下其一个FSR内具有3dB损耗非均匀性的光谱图。从图7(a)和图7(b)采用本实用新型的阵列波导结构得到的输出频谱图中可见，在一个自由传输范围内输出信道损耗非均匀性分别为0.4dB和1dB,很明显可以看到本实用新型所述的阵列波导光栅实现了对各输出信道插损耗均匀性的提高，并且由输出频谱图可见对应N个信道(该实例中N=16)的波导光栅，所述N个信道占据所述阵列波导光栅的整个自由光谱范围，即信道间隔为阵列波导光栅的自由光谱范围的1/N。
[0057] 上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和
权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何
修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
