本實(shí)用新型平面光波導(dǎo)集成器件，具體涉及一種反射式陣列波導(dǎo)光柵器件。

背景技術(shù)：

隨著全球網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)的需求急劇增加，對通信網(wǎng)的帶寬和容量也提出了更高的要求。光通信技術(shù)憑借其巨大的潛在帶寬資源，成為支撐通信業(yè)務(wù)量增長的重要通信技術(shù)之一。在光通信中，波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是擴(kuò)展現(xiàn)存光網(wǎng)絡(luò)通信容量和通信速率的主要手段。越來越趨成熟的波分復(fù)用技術(shù)在建設(shè)具有美好應(yīng)用前景的全光網(wǎng)絡(luò)方面具有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

目前用于光通信的波分復(fù)用技術(shù)的一種核心集成光波導(dǎo)器件是陣列波導(dǎo)光柵(AWG，Arrayed Waveguide Grating)。陣列波導(dǎo)光柵具有設(shè)計(jì)靈活、插入損耗低、濾波性能好、長期穩(wěn)定、易與光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)。此外，陣列波導(dǎo)光柵還比較容易與光放大器、半導(dǎo)體激光器等有源器件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單片集成，一塊基片上可將幾十甚至上千路光信號分離出來，具有巨大的潛在優(yōu)勢，因此，陣列波導(dǎo)光柵成為密集波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中最理想的器件，是當(dāng)今研究熱點(diǎn)。對于在單個(gè)芯片上集成更多的器件從而降低芯片的成本，減小陣列波導(dǎo)光柵器件的尺寸具有重要意義。

平面光波導(dǎo)集成的陣列波導(dǎo)光柵由輸入/輸出波導(dǎo)、平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)組成，相鄰陣列波導(dǎo)具有固定的長度差。其工作原理為：包含多個(gè)波長的光信號從輸入波導(dǎo)進(jìn)入到輸入平板波導(dǎo)區(qū)，在平板波導(dǎo)中發(fā)生衍射，耦合進(jìn)陣列波導(dǎo)，經(jīng)陣列波導(dǎo)傳輸后，由于相鄰的陣列波導(dǎo)具有相同長度差，在陣列波導(dǎo)與輸出平板波導(dǎo)耦合區(qū)處，對于同一個(gè)波長的輸出光具有相同的相位差，對于不同波長的光波具有不同的相位差，在輸出平板波導(dǎo)區(qū)，輸出光發(fā)生干涉聚焦到不同的輸出光波導(dǎo)的端口位置。

目前針對陣列波導(dǎo)光柵，已有多種方案用于陣列波導(dǎo)的反射。一種方案為在陣列波導(dǎo)的端面鍍上電介質(zhì)或金屬薄膜，J.B.D.Soole等人1996年提出在InP基AWG的解理面鍍上金屬反射覆蓋層，輸入/輸出面也被解理鍍上抗反射層。這種方案增加了器件制作工藝的復(fù)雜程度，并且端面反射面的粗糙度對AWG的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。另一種方案是由Y.Ikuma等人在2007年提出的在陣列波導(dǎo)的末端連接環(huán)形反射鏡，該環(huán)形反射鏡由3dB耦合器及環(huán)形波導(dǎo)組成，但是器件尺寸仍然較大。另外，浙江大學(xué)2010年提出在AWG的陣列波導(dǎo)末端連接光子晶體，利用光子晶體的禁帶效應(yīng)進(jìn)行反射。然而這種結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格控制工藝過程和精度，以獲得高反射率。

因此，本實(shí)用新型擬提出一種新的反射陣列波導(dǎo)光柵的方法，該方法不僅制作工藝簡單，利于集成，還同時(shí)能增大器件的通道帶寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括輸入波導(dǎo)、平板波導(dǎo)區(qū)、陣列波導(dǎo)、反射器和輸出波導(dǎo)；所述輸入波導(dǎo)的入射光經(jīng)平板波導(dǎo)區(qū)衍射后，被反射器反射，再經(jīng)過平板波導(dǎo)區(qū)后，被輸出波導(dǎo)接收；所述平板波導(dǎo)采用羅蘭圓結(jié)構(gòu)；

輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)位于平板波導(dǎo)區(qū)的同一側(cè)，陣列波導(dǎo)位于平板波導(dǎo)區(qū)的另一側(cè)；所述陣列波導(dǎo)由多根納米線波導(dǎo)組成，每一根納米線波導(dǎo)的一端與平板波導(dǎo)區(qū)相連，另一端與反射器相連。

優(yōu)選的，所述反射器為環(huán)形波導(dǎo)，所述環(huán)形波導(dǎo)的兩端分別與相鄰的兩根納米線波導(dǎo)連接。

進(jìn)一步優(yōu)化的是，每個(gè)所述反射器還包括兩個(gè)模式變換器，所述模式變換器為平面波導(dǎo)，模式變換器的寬度從一端到另一端的逐漸變化，寬度大的一端與寬波導(dǎo)相連，寬度小的一端與環(huán)形波導(dǎo)相連，所述寬波導(dǎo)為所述納米線波導(dǎo)。

另一種優(yōu)選的方式是，所述反射器為分布布拉格反射光柵，相鄰兩陣列波導(dǎo)為一組，長度相同。

每組相鄰的波導(dǎo)具有相同的長度差ΔL。而傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵是每根相鄰陣列波導(dǎo)都有相同的長度差。

本實(shí)用新型的反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，解決了制作工藝步驟復(fù)雜以及反射率受到一定波長范圍限制的問題，同時(shí)反射設(shè)計(jì)可以增大器件的通道帶寬，放寬對光通信系統(tǒng)中其他器件的要求。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。

圖1是本實(shí)用新型器件方案1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型器件方案2的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實(shí)用新型器件方案3的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實(shí)用新型器件方案1中半圓形環(huán)形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實(shí)用新型器件方案2中大于180度環(huán)形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本實(shí)用新型器件與傳統(tǒng)器件的頻譜響應(yīng)對比圖。實(shí)線為本實(shí)用新型器件的頻譜響應(yīng)，虛線為傳統(tǒng)器件的頻譜響應(yīng)。

圖中：1、輸入波導(dǎo)，2、平板波導(dǎo)區(qū)，3、陣列波導(dǎo)，4、半圓形環(huán)形波導(dǎo)，5、輸出波導(dǎo)，6、大于180度環(huán)形波導(dǎo)，7、分布布拉格反射光柵，8、寬波導(dǎo)，9、模式變換器，10、環(huán)形單模波導(dǎo)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施進(jìn)一步說明。

本實(shí)用新型所提出的一種反射式陣列波導(dǎo)光柵器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由輸入波導(dǎo)1、平板波導(dǎo)區(qū)2、陣列波導(dǎo)3、半圓形環(huán)形波導(dǎo)4和輸出波導(dǎo)5構(gòu)成。從輸入波導(dǎo)1進(jìn)入的入射光，在平板波導(dǎo)區(qū)2發(fā)生衍射，而后被每根陣列波導(dǎo)3所接收，在一組陣列波導(dǎo)中，光從組內(nèi)的一根陣列波導(dǎo)進(jìn)入，經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)環(huán)形波導(dǎo)4，由環(huán)形波導(dǎo)4反射，進(jìn)入到組內(nèi)的另一根陣列波導(dǎo)中，從另一端輸出，再次進(jìn)入到平板波導(dǎo)2區(qū)，不同相位的光波在其中形成干涉，不同波長的光波干涉的聚焦點(diǎn)位置不同，被不同的輸出波導(dǎo)所接收，從而實(shí)現(xiàn)反射式陣列波導(dǎo)光柵解復(fù)用的功能，由于光路可逆，將輸入端口與輸出端口對換，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)用功能。

圖4是本實(shí)用新型器件方案1中半圓形環(huán)形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。半圓形環(huán)形波導(dǎo)包括一根環(huán)形單模波導(dǎo)10、兩根寬輸出波導(dǎo)8，單模波導(dǎo)與寬波導(dǎo)之間采用模式變換器9連接。兩根寬波導(dǎo)8各通過一個(gè)模式變換器9與環(huán)形波導(dǎo)10的一端相連，構(gòu)成反射的回路。

上述的反射式陣列波導(dǎo)光柵中，所述模式變換器9為平面波導(dǎo)，從一端到另一端的寬度逐漸變化，寬度大的一端與寬波導(dǎo)8相連，寬度小的一端與環(huán)形波導(dǎo)10相連。

圖2是本實(shí)用新型器件方案2的結(jié)構(gòu)示意圖。與圖1不同之處是，用大于180度環(huán)形波導(dǎo)6替代圖1中的半圓形環(huán)形波導(dǎo)4。具有同樣的技術(shù)效果。

圖5是本實(shí)用新型器件方案2中大于180度環(huán)形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)與圖4的半圓形環(huán)形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)近似，不同之處在于其環(huán)形度為大于180度。

圖3是本實(shí)用新型器件方案3的結(jié)構(gòu)示意圖。與圖1、圖2不同之處是，反射器為分布布拉格反射光柵，相鄰兩陣列波導(dǎo)為一組，長度相同。每組相鄰的波導(dǎo)具有相同的長度差ΔL。而傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵是每根相鄰陣列波導(dǎo)都有相同的長度差。

根據(jù)陣列波導(dǎo)光柵的原理，滿足方程

其中，n_g為陣列波導(dǎo)的群折射率，n_s為平板波導(dǎo)的有效折射率，n_c為陣列波導(dǎo)的有效折射率，m為衍射級數(shù)，R為平板波導(dǎo)羅蘭圓直徑，d_g為陣列波導(dǎo)間隔，d_io為輸入/輸出波導(dǎo)間隔，Δλ為信道間隔。

相比于傳統(tǒng)的陣列波導(dǎo)光柵，d_g對應(yīng)為原來的2倍(兩根相鄰的陣列波導(dǎo)為一組)，若要維持其他參數(shù)不變，則d_io需要變?yōu)樵瓉淼?/2。

每組陣列波導(dǎo)回路的總長度增量為ΔL，并且滿足n_cΔL＝mλ₀,λ₀為中心波長。

下面采用一個(gè)具體實(shí)施例來對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

選用基于硅絕緣體(SOI)材料的硅納米線，頂層硅厚度為220nm，材料折射率為3.476，包層為3μm厚的二氧化硅，折射率為1.445，上包層為空氣，折射率為1。

設(shè)計(jì)一個(gè)1×8的陣列波導(dǎo)光柵，中心波長為1550nm，信道間隔為1.6nm。

在本具體實(shí)施案例中，采用以下的方法：

1.設(shè)計(jì)一個(gè)傳統(tǒng)的陣列波導(dǎo)光柵，衍射級數(shù)為38，羅蘭圓直徑318.02μm，長度差為21.5μm，輸入/輸出波導(dǎo)間隔為6μm。

2.在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，將輸入/輸出波導(dǎo)間隔變?yōu)?μm，陣列波導(dǎo)末端由一段環(huán)形波導(dǎo)連接。光信號從最下端的波導(dǎo)輸入，從其余8通道的波導(dǎo)輸出。

圖6中虛線為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下仿真的輸出光譜圖，實(shí)線為本實(shí)用新型設(shè)計(jì)仿真的輸出光譜圖。由圖中可以看出，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的通道帶寬有所增加，中心通道的通道帶寬從19.375％增大到43.75％。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。