專利名稱：一種陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳輸領(lǐng)域的波分復(fù)用技術(shù)，尤其是一種陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器。
背景技術(shù)：
隨著光傳輸研究的發(fā)展，波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)成為一種增大通信信息容量的有效手段。所謂波分復(fù)用是指將多個不同波長的光合到同一根波導(dǎo)或光纖中傳輸，解復(fù)用是將同一根波導(dǎo)或光纖中的不同波長的光按照波長分別分到不同波導(dǎo)或光纖中的技術(shù)。實現(xiàn)波分復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵部分是波分復(fù)用器。陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating，簡稱 AffG)型波分復(fù)用/解復(fù)用(WDM)器件具有信道間隔小、易于同其它器件集成、體積小、性能穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)、以及成本低的特點而得到了快速的發(fā)展。目前主要的制作AWG的材料是硅基二氧化硅與磷化銦。其中因為硅基二氧化硅波導(dǎo)具有傳輸損耗低、與普通單模光纖之間的耦合損耗低、制作工藝成熟等特點而成為目前 AWG主導(dǎo)材料。特別是基于AWG的波分復(fù)用器，基本上都是利用硅基二氧化硅制作的。為了保證與光纖之間的耦合損耗小，一般使用的硅基二氧化硅波導(dǎo)芯層相對包層的折射率差比較低，比如0. 75%。低折射率差的波導(dǎo)制作的AWG缺點是尺寸較大，比如一個基于ITU IOOGHz間隔的40通道的0. 75%相對折射率差的硅基二氧化硅AWG，其芯片尺寸一般大于30mmX 42mm，一塊6英寸的硅片上能切割出的方形的單個AWG最多數(shù)量不超過 6個，即使沿著AWG的邊緣線切割出曲線型的AWG，其數(shù)量一般也只能達到20個左右。隨著 AWG市場的發(fā)展與競爭的加劇，對小尺寸的AWG要求越來約緊迫。雖然可以采用高折射率差的波導(dǎo)來制作小尺寸的AWG，但是高折射率差的波導(dǎo)與普通單模光纖之間的耦合損耗很大， 需要用復(fù)雜的工藝制作三維的模場轉(zhuǎn)換波導(dǎo)或高數(shù)值孔徑的光纖來降低耦合損耗。而且高折射率差的波導(dǎo)對工藝要求更高——波導(dǎo)尺寸誤差與折射率不均勻性對波導(dǎo)模場的折射率影響更大，則AWG的指標(biāo)特性就更容易受到影響。為了同時解決小尺寸問題以及與光纖之間的耦合損耗問題，目前有一種方法是采用低折射率波導(dǎo)制作AWG，但是在其所有的彎曲波導(dǎo)兩側(cè)刻上空氣槽，從而達到波導(dǎo)的高折射率差。通過使用高折射率差的彎曲波導(dǎo)縮短彎曲波導(dǎo)的彎曲半徑，例如0.75%折射率差硅基二氧化硅波導(dǎo)一般彎曲半徑要求大于5mm，而開了空氣槽后的這種波導(dǎo)彎曲半徑只需要0.2毫米左右。這樣就可以將AWG的尺寸大大縮短。圖1所示的是普通彎曲光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖帶波導(dǎo)的芯片100，以及芯片上的波導(dǎo)101，圖2表示的是普通彎曲波導(dǎo)截面圖硅襯低201，波導(dǎo)101，上包層202，下包層203。圖3表示的是帶空氣槽的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖芯片 300，波導(dǎo)301，空氣槽302，圖4表示的帶空氣槽的彎曲波導(dǎo)的截面圖襯底201，波導(dǎo)301， 空氣槽302，上包層202，下包層203。這種方法雖然很好地降低了 AWG芯片的尺寸，且能保證與光纖之間的耦合損耗較低，但是AWG是相位與偏振敏感器件，如圖5所示是一個AWG的結(jié)構(gòu)示意圖AWG芯片為400， 包括輸入波導(dǎo)401、輸入平板波導(dǎo)402、陣列波導(dǎo)403、輸出平板波導(dǎo)404，輸出波導(dǎo)405。如果在其陣列波導(dǎo)上使用帶空氣槽的彎曲波導(dǎo)，則會比較容易影響其陣列波導(dǎo)相位，導(dǎo)致相位誤差，而且這種高折射率差的波導(dǎo)，因為兩側(cè)的空氣，其折射率相對波導(dǎo)層小得多，一般是偏振敏感的，所以會導(dǎo)致AWG的波長偏振相關(guān)性以及信道間的串?dāng)_變差。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述背景技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供一種陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，該復(fù)用器體積小、光纖之間的耦合損耗少并且AWG的波長偏振相關(guān)性好，信道間的抗串?dāng)_性能優(yōu)良。為解決以上問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括依次連接的輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)的截面均包括芯層、包裹芯層的包層，所述芯層折射率比包層大，其不同之處在于 所述輸出波導(dǎo)與輸出平板波導(dǎo)相連接的一端為帶空氣槽輸出波導(dǎo)，所述帶空氣槽輸出波導(dǎo)是芯層兩側(cè)均刻蝕有空氣槽的高折射率差波導(dǎo)。按以上方案，所述輸入波導(dǎo)與輸入平板波導(dǎo)相連接的一端為帶空氣槽輸入波導(dǎo)， 所述帶空氣槽輸入波導(dǎo)是芯層兩側(cè)均刻蝕有空氣槽的高折射率差波導(dǎo)。按以上方案，所述帶空氣槽輸入波導(dǎo)、帶空氣槽輸出波導(dǎo)分別為多模干涉波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)、直波導(dǎo)、錐形波導(dǎo)或其它任意結(jié)構(gòu)中的一種或幾種的組合。按以上方案，所述空氣槽內(nèi)填充折射率低于芯層折射率的材料。對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益優(yōu)點在于輸出波導(dǎo)與輸出平板波導(dǎo)相連接的一端為帶空氣槽輸出波導(dǎo)，所述帶空氣槽輸出波導(dǎo)是芯層兩側(cè)均刻蝕有空氣槽的高折射率差波導(dǎo)。優(yōu)選的，所述輸入波導(dǎo)與輸入平板波導(dǎo)相連接的一端為帶空氣槽輸入波導(dǎo)，所述帶空氣槽輸入波導(dǎo)是芯層兩側(cè)均刻蝕有空氣槽的高折射率差波導(dǎo)。以上方案實現(xiàn)了在低折射率差的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上制作小型化的AWG芯片。 而且僅輸入波導(dǎo)/輸出波導(dǎo)在與平板波導(dǎo)連接的部分制作成兩側(cè)為空氣槽的高折射率波導(dǎo)，在實現(xiàn)了芯片的小型化的同時保留了常規(guī)低折射率差波導(dǎo)AWG的與普通單模光纖之間有較低的耦合損耗的優(yōu)點以及較好串?dāng)_特性的優(yōu)點。


圖1常規(guī)低折射率差波導(dǎo)俯視圖2常規(guī)低折射率差波導(dǎo)截面圖3帶空氣槽的波導(dǎo)俯視圖4帶空氣槽的波導(dǎo)截面圖5常規(guī)AWG結(jié)構(gòu)圖6本發(fā)明的AWG示意圖7本發(fā)明的AWG輸入及輸出波導(dǎo)放大結(jié)構(gòu)示意圖8本發(fā)明實施例的AWG光譜；
圖9本發(fā)明實施例的AWG CAD圖10本發(fā)明實施例AWG在一個6英寸硅片上的布局圖
具體實施方式
AWG作為一個整體而言，優(yōu)化芯片的尺寸可以從如下方面考慮減小輸入平板波導(dǎo)以及輸出平板波導(dǎo)從而達到減小芯片尺寸。本發(fā)明就是通過將輸入波導(dǎo)/輸出波導(dǎo)在與平板波導(dǎo)連接的部分制作成兩側(cè)為空氣槽的高折射率波導(dǎo)，減小輸出波導(dǎo)在輸出平板波導(dǎo)連接處的間距，從而在保證插損均勻性、串?dāng)_、帶寬等所有光學(xué)指標(biāo)的前提下，縮小輸入平板波導(dǎo)以及輸出平板波導(dǎo)的尺寸，從而減小陣列波導(dǎo)數(shù)量，進而極大地減小了 AWG芯片的尺寸。本發(fā)明的波導(dǎo)多路復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖6是采用低折射率差的硅基二氧化硅波導(dǎo)制作的AWG。其結(jié)構(gòu)關(guān)系具體如下輸入波導(dǎo)501與輸入平板波導(dǎo)503相連接，輸入波導(dǎo)501的一端為帶空氣槽輸入波導(dǎo)502，輸入波導(dǎo)501其余部位不帶空氣槽511， 帶空氣槽輸入波導(dǎo)502與輸入平板波導(dǎo)503相連接，所述帶空氣槽輸入波導(dǎo)502包層中位于芯層的兩側(cè)刻蝕有空氣槽511。陣列波導(dǎo)504的兩端分別與輸入平板波導(dǎo)503、輸出平板波導(dǎo)505相連接，輸出平板波導(dǎo)505與輸出波導(dǎo)507相連接，所述輸出波導(dǎo)507的一端為帶空氣槽輸出波導(dǎo)506，帶空氣槽輸出波導(dǎo)506與輸出平板波導(dǎo)505相連接，所述帶空氣槽輸出波導(dǎo)506是芯層的兩側(cè)均刻蝕有空氣槽511的高折射率差波導(dǎo)。其中波導(dǎo)503、504、505 也均不帶空氣槽。本發(fā)明實現(xiàn)AWG芯片小型化的基本原理如下如圖5所示，假設(shè)常規(guī)的AWG輸出波導(dǎo)405與輸出平板波導(dǎo)404連接處的相鄰輸出波導(dǎo)405之間的間距為d。對于常規(guī)的芯層-包層相對折射率差為0. 75%的低折射率差的硅基二氧化硅波導(dǎo)制作的AWG而言，d 一般為25微米或更大，以保證相鄰輸出波導(dǎo)405之間的光信號耦合較小。而對于如圖6所示的本發(fā)明的AWG而言，由于與輸出平板波導(dǎo)505 連接輸出波導(dǎo)506為帶空氣槽的波導(dǎo)，是高折射率差波導(dǎo)，這樣在與輸出平板波導(dǎo)505連接處的波導(dǎo)506之間的間距就可以較小。假設(shè)輸出波導(dǎo)上506在與輸出平板波導(dǎo)505連接處的寬度為W1,那么與輸出平板波導(dǎo)505連接處的相鄰波導(dǎo)506之間的間距為Wi+2微米就可以保證相鄰波導(dǎo)之間的光信號耦合較小。通常W1為微米量級，比如2微米。這樣與輸出平板波導(dǎo)505連接處的波導(dǎo)506之間的間距一般就遠(yuǎn)小于25微米。另外AWG的輸入/輸出平板波導(dǎo)的長度大小主要影響AWG的各個輸出通道的插損均勻性。假設(shè)輸入/輸出平板波導(dǎo)的長度均為f，輸出波導(dǎo)數(shù)為N，AffG的各個輸出通道的插損均勻性為Lu,那么有
廣 / \2 、
-判MLc7 =-IOlog e、2f) ，(1)
VJ其中Qtl為常數(shù)。從公式(1)可以看出，在保證插損均勻性、不變的條件下，與輸出平板波導(dǎo)505連接處的波導(dǎo)506之間的間距d越小，則需要的輸入/輸出平板波導(dǎo)的長度f就同比減小。同時f減小，那么需要的陣列波導(dǎo)數(shù)量就減小。假設(shè)與輸出平板波導(dǎo)505 連接處的波導(dǎo)506之間的間距d為4微米，那么其輸入/輸出平板波導(dǎo)的長度f就是圖5 所示的AWG的輸入/輸出平板波導(dǎo)長度的4/25。由于輸入/輸出平板波導(dǎo)長度可以很小、 陣列波導(dǎo)數(shù)量可以減少，所以整體的AWG芯片尺寸就會大大減小。另外，對于只需要一個輸入波導(dǎo)的AWG而言，從減小AWG芯片尺寸的角度出發(fā)，輸入波導(dǎo)502可以不帶空氣槽。此外，空氣槽內(nèi)可以填充各類折射率較低的材料以減小外界
5污染對波導(dǎo)的影響。為了更好地理解本發(fā)明，依據(jù)本發(fā)明的原理，我們設(shè)計了一個40通道平頂型的基于ITUlOOGHz信道間隔的AWG。未開空氣槽的波導(dǎo)芯層與包層折射率差為0. 75%，為硅基二氧化硅材料。帶空氣槽的輸入波導(dǎo)502與輸入平板波導(dǎo)503連接端的結(jié)構(gòu)為直波導(dǎo)513，以及連接513與503的多模干涉波導(dǎo)514 (如圖7所示)，其中多模干涉波導(dǎo)514寬為W3,長為 h。而輸出波導(dǎo)506與輸出平板波導(dǎo)505連接端的結(jié)構(gòu)為直波導(dǎo)516，以及連接516與505 的錐形波導(dǎo)515。錐形波導(dǎo)515長為L，該錐形波導(dǎo)與輸出平板波導(dǎo)連接處的寬度為W1，與直波導(dǎo)516之間的連接端的寬度與直波導(dǎo)寬度516 —樣為W2,如圖7所示。波導(dǎo)502、506 的其它部分為彎曲波導(dǎo)，且這些彎曲波導(dǎo)與直波導(dǎo)寬度均為W4。輸出波導(dǎo)中所有帶空氣槽的彎曲波導(dǎo)與過渡波長寬度均為W2。為了保證輸入/輸出波導(dǎo)上常規(guī)低折射率差直波導(dǎo)之間的連接損耗低，他們的連接處采用錐形波導(dǎo)過渡。設(shè)計的AWG參數(shù)為W4與W2均為2微米，衍射級數(shù)為24，W3為5微米，L1為316微米，W1為3. 65微米，兩個相鄰輸出波導(dǎo)上模場轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與輸出平板波導(dǎo)之間的連接處的間距d為5. 65微米，L為50微米，輸入波導(dǎo)數(shù)為1根，輸出波導(dǎo)數(shù)為48根。輸出波導(dǎo)上相鄰常規(guī)低折射率差的直波導(dǎo)間距127微米。輸入/輸出平板波導(dǎo)長度均為3. 5毫米，陣列波導(dǎo)為161根，陣列波導(dǎo)寬度5. 5微米，在與輸入/輸出平板波導(dǎo)連接處相鄰陣列波導(dǎo)間距8. 15 微米，輸入/輸出波導(dǎo)上常規(guī)低折射率差的直波導(dǎo)寬度6微米。所有波導(dǎo)芯層厚度5. 5微米。該器件具有平坦型光譜特性，模擬結(jié)果表明ldB、3dB帶寬分別可達0. 52nm以及 0. 65nm,如圖8所示。插損均勻性按照小于0. 5dB設(shè)計的AWG芯片尺寸小于24mmX 10mm,如圖9所示。在一塊6英寸硅片上可以切出49個這樣的AWG小片，如圖10所示。實施例中的各個參數(shù)并不是唯一的，輸入、輸出波導(dǎo)可以是大于或等于1的任意數(shù)，波分復(fù)用器的陣列波導(dǎo)數(shù)目可以是大于2的任意數(shù)，其它參數(shù)可以在本發(fā)明精神下任意選取。實施例中采用相鄰輸出通道中心波長間隔為0. Snm(IOOGHz)的密集波分復(fù)用器， 是因為這兩種器件應(yīng)用比較多，具有代表性，在實際應(yīng)用中，可以在本發(fā)明的精神下制作包括0. 8nm在內(nèi)的各種相鄰輸出通道中心波長間隔的波分復(fù)用器件。以上實施例只是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)本質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化和修飾，均仍屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括依次連接的輸入波導(dǎo)(501)、輸入平板波導(dǎo) (503)、陣列波導(dǎo)(504)、輸出平板波導(dǎo)(505)、輸出波導(dǎo)(507)，所述輸入波導(dǎo)(501)、輸出波導(dǎo)(507)的截面均包括芯層、包裹芯層的包層，所述芯層折射率比包層大，其特征在于所述輸出波導(dǎo)(507)與輸出平板波導(dǎo)(505)相連接的一端為帶空氣槽輸出波導(dǎo)(506)，所述帶空氣槽輸出波導(dǎo)(506)是芯層兩側(cè)均刻蝕有空氣槽的高折射率差波導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于所述輸入波導(dǎo)(501) 與輸入平板波導(dǎo)(503)相連接的一端為帶空氣槽輸入波導(dǎo)(502)，所述帶空氣槽輸入波導(dǎo) (502)是芯層兩側(cè)均刻蝕有空氣槽的高折射率差波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于所述帶空氣槽輸入波導(dǎo)(502)、帶空氣槽輸出波導(dǎo)(506)分別為多模干涉波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)、直波導(dǎo)、錐形波導(dǎo)或其它任意結(jié)構(gòu)中的一種或幾種的組合。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于所述空氣槽內(nèi)填充折射率低于芯層折射率的材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及光傳輸領(lǐng)域的波分復(fù)用技術(shù)，尤其是一種陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括依次連接的輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)的截面均包括芯層、包裹芯層的包層，所述芯層折射率比包層大，其不同之處在于所述輸出波導(dǎo)與輸出平板波導(dǎo)相連接的一端為帶空氣槽輸出波導(dǎo)，所述帶空氣槽輸出波導(dǎo)是芯層兩側(cè)均刻蝕有空氣槽的高折射率差波導(dǎo)。該復(fù)用器體積小、光纖之間的耦合損耗少并且AWG的波長偏振相關(guān)性好，信道間的抗串?dāng)_性能優(yōu)良。
文檔編號G02B6/12GK102183821SQ20111012725
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者劉 文, 王文敏 申請人:武漢光迅科技股份有限公司