一種縮小頻率偏差的n×n陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種縮小頻率偏差的N×N陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器。它包括N條輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)、輸出平板波導(dǎo)區(qū)和N條輸出波導(dǎo)；采用傾斜的羅蘭圓結(jié)構(gòu)在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)引入長(zhǎng)度差，消除了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍要求和衍射級(jí)次為整數(shù)兩者無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的矛盾，解決了自由光譜范圍出現(xiàn)偏差的問題，從而減小了輸出通道的頻率偏差。本實(shí)用新型在不改變傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器各個(gè)組成部分，同時(shí)不引入額外器件的基礎(chǔ)上，解決了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器輸出波長(zhǎng)出現(xiàn)頻率偏差的問題，適用于基于二氧化硅、磷化銦和硅等的波導(dǎo)材料和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，具體涉及一種縮小頻率偏差的 NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體工藝的最小特征尺寸按照摩爾定律持續(xù)減小，芯片集成度越來越高， 各個(gè)晶體管間的數(shù)據(jù)交換速度將無法跟上其本身的數(shù)據(jù)處理速度，基于金屬傳導(dǎo)的電互連 技術(shù)正面臨不可逾越的"電子瓶頸"。與電互連相比，光互連（Optical Interconnect)以光 子為信息載體，具有超高帶寬、超快傳輸速率、抗電磁干擾和低能耗等優(yōu)勢(shì)，將引發(fā)新一輪 的信息產(chǎn)業(yè)革命。
[0003] 硅基光互連技術(shù)具有功耗低、與半導(dǎo)體CMOS工藝兼容、可集成、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是 實(shí)現(xiàn)片間和片上光互連的理想平臺(tái)。光波長(zhǎng)路由器可以實(shí)現(xiàn)光節(jié)點(diǎn)上/下行波長(zhǎng)的智能分 配，高速無阻塞光域的選路交換，保證透明傳輸，是光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心器件之一。
[0004] 光波長(zhǎng)路由器可以用環(huán)形共振器（Ring resonator)，蝕刻衍射光柵（EDG)等方式 實(shí)現(xiàn)。但考慮較多波長(zhǎng)信道和制作要求時(shí)，陣列波導(dǎo)光柵（AWG)是光波長(zhǎng)路由器的最佳選 擇之一。AWG具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、性能優(yōu)良和可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)。由NXN型陣列波 導(dǎo)光柵（AWG)構(gòu)成的光波長(zhǎng)路由器正成為研究熱點(diǎn)。
[0005] 嚴(yán)重的輸出波長(zhǎng)頻率偏差是陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的一個(gè)相當(dāng)重要的問題。 對(duì)于普通的陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，其中心波長(zhǎng)由光柵方程n。A L = m入。（式1)決定， 其中，n。是陣列波導(dǎo)的有效折射率，AL是相鄰陣列波導(dǎo)在陣列波導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度差，m是衍射 級(jí)次，A。是中心波長(zhǎng)。其自由光譜范圍表示為FSH = Ai/(NcilL}(式2)，其中，N。是陣列 波導(dǎo)的群折射率。在NXN的光波長(zhǎng)路由應(yīng)用中，要求AWG的FSR正好是通道間隔的N倍， 而衍射級(jí)次m又必須是整數(shù)。因此兩個(gè)等式無法同時(shí)滿足。只能通過公式（2)求得陣列波 導(dǎo)長(zhǎng)度差在代入公式（1)得到的衍射級(jí)次m就近取整。那么根據(jù)整數(shù)m再反推回的FSR就 和實(shí)際要求的存在偏差，引起比較嚴(yán)重的頻率偏差現(xiàn)象，特別是當(dāng)傳輸通道數(shù)目較多，F(xiàn)SR 較大時(shí)，該現(xiàn)象就會(huì)更加明顯。對(duì)于光互連網(wǎng)絡(luò)而言，傳輸信號(hào)的頻率誤差將帶來嚴(yán)重的后 果，劣化傳輸信號(hào)，增大通信系統(tǒng)的誤碼率。因此，為了加大陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器在 光互連網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)一步應(yīng)用，必須減小其輸出波長(zhǎng)的頻率偏差。
[0006] 目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的減小陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器輸出波長(zhǎng)頻率偏差的方法主 要是與合波器結(jié)合的反饋法?在"32 X 32 arrayed-waveguide grating multiplexer with uniform loss and cyclic frequency characteristics"，K. Okamoto, T. Hasegawa，0? Ishida，et al.，Electronics Lett.，33 (22)，1865-1866, 1997 這篇文章中提到，利用一個(gè) NXM的陣列波導(dǎo)光柵（其中M >2N)，N個(gè)需要的通道位于M個(gè)輸出通道的中間，并且當(dāng)從 N個(gè)不同通道輸入時(shí)其聚焦波長(zhǎng)出現(xiàn)在N個(gè)輸出通道之外時(shí)利用一個(gè)合波器將其反饋到N 個(gè)中間輸出通道內(nèi)，由于只利用陣列波導(dǎo)光柵的M個(gè)輸出通道的中間N個(gè)通道，從而利用反 饋解決了頻率偏差問題。
[0007] 該方法成功地減小了陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器輸出波長(zhǎng)的頻率偏差。但是，由 于3dB合波器的引入，增大了工藝制作的復(fù)雜性，使器件的性能變低、成本變高。特別對(duì)于 具有較大色散的AWG，例如，超小尺寸的硅納米線陣列波導(dǎo)光柵，要實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)頻率偏差 的減小，該方法將變得十分困難，也就限制了該類陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器在光互連中 的應(yīng)用。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0008] 針對(duì)【背景技術(shù)】的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種縮小頻率偏差的NXN陣 列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，解決傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器減小輸出波長(zhǎng)的頻率偏差 方法造成的工藝變復(fù)雜、器件性能變差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增大等問題。
[0009] 本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 本實(shí)用新型依次包括N條輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)、輸出平板波導(dǎo) 區(qū)和N條輸出波導(dǎo)；光從N條輸入波導(dǎo)依次通過輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波 導(dǎo)區(qū)傳播至N條輸出波導(dǎo)；由N條輸入波導(dǎo)末端構(gòu)成的輸入面是在第一個(gè)羅蘭圓上，輸入平 板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線是在一個(gè)比第一個(gè)羅蘭圓半徑大一倍的第一個(gè)光柵圓 上，并且第一個(gè)羅蘭圓與第一個(gè)光柵圓在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線的中心 點(diǎn)相切；由N條輸出波導(dǎo)末端構(gòu)成的輸出面是在第二個(gè)羅蘭圓上，輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列 波導(dǎo)區(qū)的交界曲線是在一個(gè)比第二個(gè)羅蘭圓半徑大一倍的第二個(gè)光柵圓上，并且第二個(gè)羅 蘭圓與第二個(gè)光柵圓在輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線的中心點(diǎn)相切。
[0011] 輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸 的夾角和輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸 的夾角均為同一角度a，且a為大于〇°小于180°非90°的角度，并滿足關(guān)系式a = 90° -asin(ALsMa)，其中da為陣列波導(dǎo)區(qū)的中間陣列波導(dǎo)的中心與相鄰的陣列波導(dǎo)中心 的連線的距離，ALs是對(duì)應(yīng)相鄰陣列波導(dǎo)的光路在輸入平板波導(dǎo)區(qū)中的長(zhǎng)度差，也是對(duì)應(yīng) 相鄰陣列波導(dǎo)的光路在輸出平板波導(dǎo)區(qū)中的長(zhǎng)度差；陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器在陣列波 導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度差和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度差以及由此決定的輸入平板 波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)的幾何形狀是根據(jù)使得該陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由 器自由光譜范圍要求和衍射級(jí)次為整數(shù)兩者同時(shí)滿足時(shí)而決定的。
[0012] 光從N條輸入波導(dǎo)依次通過輸入平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)傳播 至N條輸出波導(dǎo)時(shí)經(jīng)過陣列波導(dǎo)區(qū)中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差由輸入平板波導(dǎo)區(qū)中 的光程差\ALs、陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差r^AL和輸出平板波導(dǎo)區(qū)中的光程差\ALs共同決 定，其中，ns是輸入平板區(qū)和輸出平板區(qū)中的有效折射率。
[0013] 所述N條輸入波導(dǎo)展開呈輻射狀，連接輸入平板波導(dǎo)區(qū)的一端排列在第一個(gè)羅蘭 圓的圓弧上；陣列波導(dǎo)中的每條波導(dǎo)正對(duì)中心輸入波導(dǎo)，排列在第一個(gè)光柵圓的圓弧上，此 第一個(gè)光柵圓和第一個(gè)羅蘭圓在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線的中心點(diǎn)處相 切；輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸與第一個(gè)羅蘭圓的直徑，也就是第一個(gè)光柵圓的半徑，不重合， 而是成一個(gè)角度P ;輸入平板波導(dǎo)區(qū)引入的長(zhǎng)度差A(yù)Ls = da ^sinP，其中，P為輸入平板 波導(dǎo)區(qū)的光軸和第一個(gè)羅蘭圓直徑之間的夾角。
[0014] 所述對(duì)應(yīng)NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，N個(gè)信道占據(jù)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路 由器的整個(gè)自由光譜范圍，即信道間隔為自由光譜范圍的1/N。
[0015] 所述輸入平板波導(dǎo)區(qū)的N條輸入波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)的N條輸出波導(dǎo)的 結(jié)構(gòu)對(duì)稱，從而構(gòu)成N X N端口的光波長(zhǎng)路由器。
[0016] 本實(shí)用新型具有的有益效果是：
[0017] 1.本實(shí)用新型有效減小陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器由于自由光譜范圍要求和衍 射級(jí)次為整數(shù)兩者無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)而引起的嚴(yán)重的輸出波長(zhǎng)頻率偏差，工作原理簡(jiǎn)單。
[0018] 2.本實(shí)用新型的制作工藝與傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的制作工藝完全兼 容，不需要加入額外元件，不需要額外工藝步驟，不影響傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的 其他性能。
[0019] 3.本實(shí)用新型應(yīng)用于不同材料、不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，具 有制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是6X6的陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的波長(zhǎng)路由示意圖。
[0021] 圖2是傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3是圖2輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)采用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)放大圖。
[0023] 圖4是本實(shí)用新型的陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖5是圖4輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)采用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)放大圖。
[0025] 圖6是6X6的傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸出頻譜圖。
[0026] 圖7是本實(shí)用新型的6X6的陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸出頻譜圖。
[0027] 圖8是6X6的傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器和本實(shí)用新型的6X6的陣列波導(dǎo) 光柵光波長(zhǎng)路由器的輸出波長(zhǎng)頻率偏差的比較圖。
[0028] 圖9是8X8的傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸出頻譜圖。
[0029] 圖10是本實(shí)用新型的8X8的陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸出頻譜圖。
[0030] 圖11是8X8的傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器和本實(shí)用新型的8X8的陣列波 導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸出波長(zhǎng)頻率偏差的比較圖。
[0031] 圖中：1、N條輸入波導(dǎo)，2、輸入平板波導(dǎo)區(qū)，3、陣列波導(dǎo)區(qū)，4、輸出平板波導(dǎo)區(qū)，5、 N條輸出波導(dǎo)，6、輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線，7、輸入平板波導(dǎo)區(qū) 的光軸，8、第一個(gè)羅蘭圓，9、第一個(gè)光柵圓，10、輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線， 11、輸入面，12、中心輸入波導(dǎo)，13、輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸，14、輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo) 區(qū)的交界曲線中心的切線，15、輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線，16、輸出面，17、 中心輸出波導(dǎo)，18、第一個(gè)羅蘭圓直徑，19、第二個(gè)羅蘭圓直徑，20、陣列波導(dǎo)區(qū)的中間陣列 波導(dǎo)的中心與相鄰的陣列波導(dǎo)中心的連線。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。的波長(zhǎng)路由示意圖
[0033] 如圖1所示的6X6的陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的波長(zhǎng)路由示意圖，第三輸入 通道為中心輸入通道。該陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的波長(zhǎng)路由功能為：當(dāng)波長(zhǎng)A1? 入6從第一輸入通道輸入時(shí)，第一輸出通道到第六輸出通道的輸出波長(zhǎng)依次為入'5 (入5)， 入'6( X 6)，X X 2，X 3，X 4 ;當(dāng)波長(zhǎng)A i?入6從第二輸入通道輸入時(shí)，第一輸出通道到第 六輸出通道的輸出波長(zhǎng)依次為X ' 6〇 6)，X X 2，X 3，X 4，X 5;當(dāng)波長(zhǎng)入i?X 6從第三輸 入通道輸入時(shí)，第一輸出通道到第六輸出通道的輸出波長(zhǎng)依次為入i，入2，入3，入4，入 5，入6;當(dāng)波長(zhǎng)A A6從第四輸入通道輸入時(shí)，第一輸出通道到第六輸出通道的輸出波長(zhǎng)依次為 入2，A 3，A 4，A 5，A 6，A " i ( A D ;當(dāng)波長(zhǎng)入i?入6從第五輸入通道輸入時(shí)，第一輸出通道 到第六輸出通道的輸出波長(zhǎng)依次為入3，入4，入5，入6,入"1(入1)，入"2(入2);當(dāng)波長(zhǎng)入1? 入6從第六輸入通道輸入時(shí)，第一輸出通道到第六輸出通道的輸出波長(zhǎng)依次為X 4，X 5，入6， 入"JX1), X" 2(x2)，X" 3(入3)。其中，X表示衍射級(jí)次為m時(shí)的輸出波長(zhǎng)，X'表示衍 射級(jí)次為m_l時(shí)的輸出波長(zhǎng)，X "表不衍射級(jí)次為m+1時(shí)的輸出波長(zhǎng)。
[0034] 為實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)路由功能，陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍是輸入/輸出 通道數(shù)與信道間距的乘積，表示為
[0035] FSR = NX A 入 （1)
[0036] 其中，N為陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸入/輸出通道數(shù)，A X為陣列波導(dǎo)光柵 光波長(zhǎng)路由器的信道間距，F(xiàn)SR是陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍。
[0037] 如圖2所示，是傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括N條輸入波導(dǎo) 1、 輸入平板波導(dǎo)區(qū)2、陣列波導(dǎo)區(qū)3、輸出平板波導(dǎo)區(qū)4和N條輸出波導(dǎo)5 ;輸入平板波導(dǎo)區(qū) 的光軸7是中心輸入波導(dǎo)12與輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線10的中心點(diǎn)的連 線，（若輸入波導(dǎo)數(shù)目為奇數(shù)，則是最中間一根輸入波導(dǎo)為中心輸入波導(dǎo)，若輸入波導(dǎo)數(shù)目 為偶數(shù)，則是最中間兩根輸入波導(dǎo)之一為中心輸入波導(dǎo)，圖示所選的是最中間兩根輸入波 導(dǎo)中上面一根為中心輸入波導(dǎo)），輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸13是中心輸出波導(dǎo)17與輸出平板 波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線15的中心點(diǎn)的連線。這些結(jié)構(gòu)都是集成在同一基底上。
[0038] 傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器中光從N條輸入波導(dǎo)1依次通過輸入平板波導(dǎo)區(qū) 2、 陣列波導(dǎo)區(qū)3和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4傳播至N條輸出波導(dǎo)5時(shí)經(jīng)過陣列波導(dǎo)區(qū)3中相鄰兩 波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差僅是由陣列波導(dǎo)區(qū)3中的光程差I(lǐng)ic^L構(gòu)成，其中，n。是陣列波導(dǎo)區(qū) 的有效折射率，AL是陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰兩波導(dǎo)的長(zhǎng)度差。
[0039] 傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心 的切線6與輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸7相互垂直，輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線 中心的切線14與輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸13相互垂直。
[0040] 圖3是圖2中輸入平板波導(dǎo)區(qū)2的放大圖，它與輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的結(jié)構(gòu)相同?，F(xiàn) 以羅蘭圓的結(jié)構(gòu)為例詳細(xì)說明輸入平板波導(dǎo)區(qū)：N條輸入波導(dǎo)1連接輸入平板波導(dǎo)區(qū)2的 一端均勻地排列在第一個(gè)羅蘭圓8上，陣列波導(dǎo)區(qū)3中的每條波導(dǎo)正對(duì)中心輸入波導(dǎo)12， 均勻地排列在第一個(gè)光柵圓9上，第一個(gè)光柵圓9的半徑是第一個(gè)羅蘭圓8的半徑的兩倍。 輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線10在第一個(gè)光柵圓9上，并且第一個(gè)光柵圓9和 第一個(gè)羅蘭圓8在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線10的中心點(diǎn)相切。輸入平板 區(qū)的光軸7與第一個(gè)羅蘭圓直徑18,也就是第一個(gè)光柵圓9的半徑重合。
[0041] 傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的中心波長(zhǎng)滿足如下衍射方程：
[0042] nc A L = m A c (2)
[0043] 其中，n。是陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，AL是陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰兩波導(dǎo)的長(zhǎng)度差，A。 是中心波長(zhǎng)，m是衍射級(jí)次。
[0044] 傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍滿足如下方程：
[0045] FSE = A|/(NcilL) (3)
[0046] 其中，N。是陣列波導(dǎo)區(qū)的群折射率。
[0047] 在NXN的光波長(zhǎng)應(yīng)用中，要求陣列波導(dǎo)光柵的自由光譜范圍正好是信道間隔的N 倍，即需滿足式（I) :FSR = NX A X。確定了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸入/輸 出通道數(shù)N和信道間隔△ A后，也就確定傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍 FSR。
[0048] 由于傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的中心波長(zhǎng)入。是已經(jīng)確定的，所以通過式 (3)可以求得傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰兩波導(dǎo)的長(zhǎng)度差A(yù)L。隨后 再將AL代入式（2)，可以得到傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的衍射級(jí)次m。通過式（2) 求得的衍射級(jí)次m-般不是整數(shù)，這與陣列波導(dǎo)光柵要求其衍射級(jí)次m為整數(shù)不符。因此， 對(duì)于傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，會(huì)對(duì)衍射級(jí)次m就近取整。這樣，根據(jù)整數(shù)m由式 (2)和式（3)反推的傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器實(shí)際的陣列波導(dǎo)區(qū)相鄰兩波導(dǎo)長(zhǎng)度差 與實(shí)際的自由光譜范圍就和理論要求存在偏差，從而引起比較嚴(yán)重的輸出波長(zhǎng)頻率偏差現(xiàn) 象。特別是當(dāng)輸入/輸出通道數(shù)N較多，自由光譜范圍FSR較大時(shí)，輸出波長(zhǎng)頻率偏差現(xiàn)象 會(huì)更加明顯。
[0049] 如圖4、圖5所示，本實(shí)用新型和傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器不同，輸入平 板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線6與輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸7的夾角和輸 出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線14與輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸13的 夾角均為同一角度a，且a為大于〇°小于180°非90°的角度，并滿足關(guān)系式a = 90° -asin(ALsMa)，其中da為陣列波導(dǎo)區(qū)的中間陣列波導(dǎo)的中心與相鄰的陣列波導(dǎo)中心 的連線20的距離（若陣列波導(dǎo)數(shù)目為奇數(shù)則是最中間一根陣列波導(dǎo)為中心陣列波導(dǎo)，若陣 列波導(dǎo)輸入為偶數(shù)則是最中間兩根陣列波導(dǎo)之一為中心陣列波導(dǎo)，圖示所選的相鄰陣列波 導(dǎo)為右邊相鄰陣列波導(dǎo)；另外，為了示意明白，陣列波導(dǎo)區(qū)的中間陣列波導(dǎo)的中心與相鄰的 陣列波導(dǎo)中心的連線20有一個(gè)移位），△ Ls是對(duì)應(yīng)相鄰陣列波導(dǎo)的光路在輸入平板波導(dǎo)區(qū) 2中的長(zhǎng)度差，也是對(duì)應(yīng)相鄰陣列波導(dǎo)的光路在輸出平板波導(dǎo)區(qū)4中的長(zhǎng)度差；陣列波導(dǎo) 光柵光波長(zhǎng)路由器在陣列波導(dǎo)區(qū)3的長(zhǎng)度差和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的 長(zhǎng)度差以及由此決定的輸入平板波導(dǎo)區(qū)2、陣列波導(dǎo)區(qū)3和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的幾何形狀是 根據(jù)使得該陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器自由光譜范圍要求和衍射級(jí)次為整數(shù)兩者同時(shí)滿 足時(shí)而決定的。
[0050] 光從N條輸入波導(dǎo)1依次通過輸入平板波導(dǎo)區(qū)2、陣列波導(dǎo)區(qū)3和輸出平板波導(dǎo)區(qū) 4傳播至N條輸出波導(dǎo)5時(shí)經(jīng)過陣列波導(dǎo)區(qū)3中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程差由輸入平板 波導(dǎo)區(qū)2中的光程差ns A Ls、陣列波導(dǎo)區(qū)3中的光程差n。A L和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4中的光程 差ns A Ls共同決定，其中，ns是輸入平板區(qū)2和輸出平板區(qū)4中的有效折射率。
[0051] N條輸入波導(dǎo)1展開呈輻射狀，連接輸入平板波導(dǎo)區(qū)2的一端排列在第一個(gè)羅蘭 圓8的圓弧上；陣列波導(dǎo)中的每條波導(dǎo)正對(duì)中心輸入波導(dǎo)12,排列在第一個(gè)光柵圓9的圓 弧上，此第一個(gè)光柵圓9和第一個(gè)羅蘭圓8在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線10 的中心點(diǎn)處相切；第一個(gè)光柵圓9的半徑是第一個(gè)羅蘭圓8的半徑的兩倍；這里羅蘭圓和 光柵圓的設(shè)計(jì)和蝕刻光柵的幾何構(gòu)造類似。輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸7與第一個(gè)羅蘭圓的直 徑18,也就是第一個(gè)光柵圓9的半徑，不重合，而是成一個(gè)角度P ;輸入平板波導(dǎo)區(qū)2引入 的長(zhǎng)度差A(yù)Ls = da ，其中，P為輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸7和第一個(gè)羅蘭圓直徑18 之間的夾角。
[0052] 對(duì)應(yīng)NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，N個(gè)信道占據(jù)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器 的整個(gè)自由光譜范圍，即信道間隔為自由光譜范圍的1/N。
[0053] 輸入平板波導(dǎo)區(qū)2的N條輸入波導(dǎo)1的結(jié)構(gòu)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的N條輸出波導(dǎo) 5的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，從而構(gòu)成N X N端口的光波長(zhǎng)路由器。
[0054] 縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的中心波長(zhǎng)滿足如下衍射方 程：
[0055] 2ns A Ls+nc A L = m 入 c (4)
[0056] 縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍滿足如下方 程：
[0057] FSR = X^/ (NcAL + 2 NffALe) (5)
[0058] 其中，Ns是輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的群折射率。
[0059] 在NXN的光波長(zhǎng)應(yīng)用中，要求陣列波導(dǎo)光柵的自由光譜范圍正好是信道間隔的N 倍，即需滿足式⑴：FSR = NX A入。確定了縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路 由器的輸入/輸出通道數(shù)N和信道間隔A A后，也就確定了縮小頻率偏差的NXN陣列波 導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍FSR。
[0060] 本實(shí)用新型通過采用傾斜的羅蘭圓結(jié)構(gòu)分別在在輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸出平板 波導(dǎo)區(qū)4引入長(zhǎng)度差A(yù)Ls，增加了一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，自由光譜范圍要求和衍射級(jí)次為整數(shù)兩者 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。因此，光柵級(jí)次m可以精確取整，通過式（4)和式（5)得到的實(shí)際的自由光 譜范圍FSR與設(shè)計(jì)值一致，解決了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的自由光譜范圍FSR出 現(xiàn)偏差的問題，從而有效減小了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器的輸出波長(zhǎng)的頻率偏差。 [0061] 陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器在陣列波導(dǎo)區(qū)3的長(zhǎng)度差和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸 出平板波導(dǎo)區(qū)4的長(zhǎng)度差以及由此決定的輸入平板波導(dǎo)區(qū)2、陣列波導(dǎo)區(qū)3和輸出平板波導(dǎo) 區(qū)4的幾何形狀是根據(jù)使得該陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器自由光譜范圍要求和衍射級(jí)次 為整數(shù)兩者同時(shí)滿足時(shí)而決定的。該輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)3的長(zhǎng)度差可由 下式得到：

【權(quán)利要求】
1. 一種縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，依次包括N條輸入波導(dǎo) (1) 、輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)、陣列波導(dǎo)區(qū)（3)、輸出平板波導(dǎo)區(qū)（4)和N條輸出波導(dǎo)（5);光從 N條輸入波導(dǎo)（1)依次通過輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)、陣列波導(dǎo)區(qū)（3)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)（4)傳 播至N條輸出波導(dǎo)（5);由N條輸入波導(dǎo)（1)末端構(gòu)成的輸入面（11)是在第一個(gè)羅蘭圓 (8)上，輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線（10)是在一個(gè)比第一個(gè)羅蘭圓（8)半徑 大一倍的第一個(gè)光柵圓（9)上，并且第一個(gè)羅蘭圓（8)與第一個(gè)光柵圓（9)在輸入平板波 導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線（10)的中心點(diǎn)相切；由N條輸出波導(dǎo)（5)末端構(gòu)成的輸出面 (16)是在第二個(gè)羅蘭圓上，輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線（15)是在一個(gè)比第 二個(gè)羅蘭圓半徑大一倍的第二個(gè)光柵圓上，并且第二個(gè)羅蘭圓與第二個(gè)光柵圓在輸出平板 波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線（15)的中心點(diǎn)相切；其特征在于：輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列 波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線（6)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸（7)的夾角和輸出平板波導(dǎo)區(qū) 和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線（14)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸（13)的夾角均為同一 角度a，且a為大于0°小于180°非90°的角度，并滿足關(guān)系式a =90° _asin(ALE/ d。)，其中da為陣列波導(dǎo)區(qū)的中間陣列波導(dǎo)的中心與相鄰的陣列波導(dǎo)中心的連線（20)的距 離，ALS是對(duì)應(yīng)相鄰陣列波導(dǎo)的光路在輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)中的長(zhǎng)度差，也是對(duì)應(yīng)相鄰陣列 波導(dǎo)的光路在輸出平板波導(dǎo)區(qū)（4)中的長(zhǎng)度差；陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器在陣列波導(dǎo)區(qū) (3)的長(zhǎng)度差和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)（4)的長(zhǎng)度差以及由此決定的輸 入平板波導(dǎo)區(qū)（2)、陣列波導(dǎo)區(qū)（3)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)（4)的幾何形狀是根據(jù)使得該陣列波 導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器自由光譜范圍要求和衍射級(jí)次為整數(shù)兩者同時(shí)滿足時(shí)而決定的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，其特 征在于：光從N條輸入波導(dǎo)（1)依次通過輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)、陣列波導(dǎo)區(qū)（3)和輸出平板 波導(dǎo)區(qū)（4)傳播至N條輸出波導(dǎo)（5)時(shí)經(jīng)過陣列波導(dǎo)區(qū)（3)中相鄰兩波導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的總光程 差由輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)中的光程差nsALs、陣列波導(dǎo)區(qū)（3)中的光程差r^AL和輸出平板 波導(dǎo)區(qū)⑷中的光程差nsALs*同決定，其中，\是輸入平板區(qū)⑵和輸出平板區(qū)⑷中的 有效折射率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，其 特征在于：所述N條輸入波導(dǎo)（1)展開呈輻射狀，連接輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)的一端排列在第 一個(gè)羅蘭圓（8)的圓弧上；陣列波導(dǎo)中的每條波導(dǎo)正對(duì)中心輸入波導(dǎo)（12)，排列在第一個(gè) 光柵圓（9)的圓弧上，此第一個(gè)光柵圓（9)和第一個(gè)羅蘭圓（8)在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列 波導(dǎo)區(qū)的交界曲線（10)的中心點(diǎn)處相切；輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸（7)與第一個(gè)羅蘭圓的 直徑（18)，也就是第一個(gè)光柵圓（9)的半徑，不重合，而是成一個(gè)角度0 ;輸入平板波導(dǎo)區(qū) (2) 引入的長(zhǎng)度差A(yù)Ls = da*Sin0，其中，@為輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸（7)和第一個(gè)羅蘭 圓直徑（18)之間的夾角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，其特 征在于：所述對(duì)應(yīng)NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，N個(gè)信道占據(jù)陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路 由器的整個(gè)自由光譜范圍，即信道間隔為自由光譜范圍的1/N。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮小頻率偏差的NXN陣列波導(dǎo)光柵光波長(zhǎng)路由器，其 特征在于：所述輸入平板波導(dǎo)區(qū)（2)的N條輸入波導(dǎo)（1)的結(jié)構(gòu)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)（4)的 N條輸出波導(dǎo)（5)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，從而構(gòu)成NXN端口的光波長(zhǎng)路由器。
【文檔編號(hào)】G02B6/12GK204142993SQ201420516767
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】陳冠廷, 郎婷婷, 鄒俊, 何建軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)