專利名稱：一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波分復(fù)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)后，信息產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，成為國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其發(fā)展規(guī)模和水平業(yè)已成為衡量綜合國力的重要指標(biāo)。光通信產(chǎn)業(yè)是其主要組成部分之一，引領(lǐng)著信息通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。作為波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中的核心部件之一，集成化的陣列波導(dǎo)光柵將得到越來越廣泛的應(yīng)用。
1988年，Smit提出一種新型集成光波導(dǎo)型波分復(fù)用/解復(fù)用器——陣列波導(dǎo)光柵(AWG)。經(jīng)過多年的發(fā)展，作為光通信系統(tǒng)重要組成部分之一的AWG器件的性能日臻完善。目前盡管AWG器件已經(jīng)廣泛商用，但國內(nèi)外(尤其是日本)對AWG設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)及其相應(yīng)的物理基礎(chǔ)研究仍十分活躍。目前我國在AWG等集成化的波分復(fù)用器件方面十分缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，影響了我國在這個(gè)廣泛應(yīng)用的高端技術(shù)產(chǎn)品的國際競爭力。
偏振敏感性是AWG中的一個(gè)相當(dāng)重要的問題。由于經(jīng)過普通光纖傳輸后，信號光偏振態(tài)發(fā)生隨機(jī)變化。因此對于光纖線路上的光器件來說，偏振非敏感非常重要。然而，由于波導(dǎo)中橫電(TE)、橫磁(TM)模的傳輸常數(shù)不同，引起TE模和TM模的光在成像面的像點(diǎn)發(fā)生偏移，從而使通道的頻譜響應(yīng)發(fā)生漂移，此即所謂偏振敏感性。由于現(xiàn)今的波分復(fù)用光通信系統(tǒng)正在向越來越小的波長通道間隔(從1.6nm到0.8nm，甚至更小)邁進(jìn)，因此即使是一個(gè)很小的偏振相關(guān)波長偏移(例如0.3-0.4nm)也將造成很大的影響。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵包括至少一條輸入波導(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)和至少一條輸出波導(dǎo)。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵中光從輸入波導(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)所對應(yīng)的總光程差僅是在陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差naΔL，其中na是陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔL是該相鄰兩波導(dǎo)的長度差。
同時(shí)傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入/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入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸相互垂直。
由于傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)，使得傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵通常具有偏振敏感性。
目前，國內(nèi)外已報(bào)導(dǎo)的偏振補(bǔ)償技術(shù)主要有半波片法、無雙折射波導(dǎo)法、衍射級匹配法以及三角形補(bǔ)償區(qū)法。
通過引入額外器件，可以消除集成光器件的偏振敏感性，在“Polarisation-insensitive arrayed-waveguide grating wavelength multiplexer onsilicon，”H.Takashi，Y.Hibino，and I.Nishi，Opt.Lett.，17(7)499-501，1992這篇文章中提到的，在陣列波導(dǎo)光柵的陣列波導(dǎo)區(qū)域的中間插入半波片。但是由于額外器件的引入，不但會(huì)增加器件的復(fù)雜性和成本，也會(huì)降低器件其它性能，如插損增大。
由于引起雙折射的原因主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料本身引起的，一種簡單有效的辦法是采用偏振不敏感的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在“Polarization-independent InP arrayedwaveguide filter using square cross-section waveguides，”J.B.D.Sool，M.R.Amersforrt，H.P.Leblanc，N.C.Andreadakis，A.Raijhel，C.Caneau，M.A.Koza，R.Bhat，C.Youtseyand I.Adesida，Electron.Lett.，32323-324，1996這篇文章中提到使用具有正方形截面的無雙折射的波導(dǎo)。在“16 channel phased array wavelength multiplexer on InPwith low polarization sensitivity，”H.Bissessur，F(xiàn).Gaborit，B.Martin，P.Pagnod-Rossiaux，J.L.Peyre and M.Renaud，Electron.Lett.，30336-337，1994這篇文章中使用的是基于InP的層狀結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，利用厚的包層以及低的包層和芯層折射率差來實(shí)現(xiàn)低雙折射。但是這樣便限制了實(shí)現(xiàn)AWG可使用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料，不具備普遍適應(yīng)性。另外，低折射率差的InP層狀結(jié)構(gòu)波導(dǎo)實(shí)際中很難制作。對于常用的基于硅基二氧化硅材料的AWG，一種有效的方法是使用摻硼和磷的二氧化硅波導(dǎo)上包層，以控制應(yīng)力引起的波導(dǎo)雙折射。但這個(gè)方法需要精確地控制硼和磷的摻雜濃度，且需要兼顧多方面的因素，既要滿足包層和芯層的折射率差要求，又要達(dá)到消雙折射的要求，而且要使包層熔點(diǎn)盡可能低而容易實(shí)現(xiàn)高溫再流工藝。這樣嚴(yán)格的工藝要求而且需要使用劇毒的氣體自然增加了器件的制作成本。
另一種消除偏振敏感性的方法是利用鄰近的衍射級次來匹配不同的偏振，在“Polarization independent 8×8 waveguide grating multiplexer on InP，”M.Zimgible，C.H.Joyner，L.W.Stulz，Th.Gaigge and C.Dragone，Electron.Lett.，29201-201，1993以及“Design and realization of polarization independentphased array wavelength demultiplexers using different array order for TE and TM，”L.H.Spiekman，M.R.Amersfoort，A.H.de Vreede，F(xiàn).P.G.M.van Ham，A.Kuntze，J.W.Pedersen，P.Demeester和M.K.Smit，J.Lightwave Technol.，14991-995，1996這兩篇文章提到將TE和TM模式的通道頻譜響應(yīng)分別匹配到兩個(gè)相鄰的衍射級次，光柵的自由光譜范圍(FSR)要和兩個(gè)模式之間的波長差相等。這樣，處于m衍射級的TE模才能和處于m-1衍射級的TM模重合。這個(gè)方法的一個(gè)主要缺陷在于，可用的FSR被偏振相關(guān)的波長偏移限制，而這波長偏移主要和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相關(guān)，一般僅為幾個(gè)納米左右。因此，這種方法僅適用于大的偏振色散的情況，并且由于偏振色散對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感，并且波導(dǎo)的生長具有非均勻性和不可重復(fù)性，因此準(zhǔn)確的匹配是很難做到的。
在AWG的陣列波導(dǎo)區(qū)域加入三角形偏振補(bǔ)償區(qū)也可以達(dá)到AWG偏振不敏感的目的。但是制作過程中，在“Polarization compensated waveguide grating routeron InP，”P.C.Chou，C.H.Joynerm and M.Zirngibl，Electron.Lett.，311662-1664，1995這篇文章中提到需要兩次波導(dǎo)生長的步驟，而在“An improvedtechnology for eliminating polarization dispersion in integrated phasardemultiplexer，”C.G.M.Vreeburg，C.G.P.Herben，X.J.M.Leijtens，M.K.Smit，F(xiàn).H.Groen，J.J.G.M.van der Tor and P.Demeester，Proc.23rd Conf.on OpticalComm.(ECOC’97)3.83-3.86.這篇文章中提到需要兩次刻蝕步驟。除了增加制作難度外，由于偏振補(bǔ)償區(qū)波導(dǎo)的包層厚度變小，豎直方向的折射率差變小，使得相鄰陣列波導(dǎo)間的耦合增強(qiáng)，導(dǎo)致位相誤差變大。為了消除由于折射率差變小造成的彎曲散射損耗，偏振補(bǔ)償?shù)牟▽?dǎo)只能實(shí)施在直波導(dǎo)區(qū)域，于是需要額外的直波導(dǎo)，由此使得器件變大。
幾年前，在“Polarization dispersion compensated AWG demultiplexerfabricated in a single shallow etching step”，J.-J.He，B.Lamontagne，and E.S.Koteles，Electron.Lett.35，pp.737-738，1999這篇文章中，本發(fā)明人提出一種適合InP材料的更好的偏振補(bǔ)償方法，在AWG的平板波導(dǎo)區(qū)域加入偏振補(bǔ)償區(qū)。這種方法無需任何額外器件的插入或是額外的制作步驟，可以在一步光刻中完成，因此降低了制作損耗，并且取得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也適合基于平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的蝕刻衍射光柵器件。但是這種方法對于基于硅基二氧化硅材料的AWG不很合適，需要增加一個(gè)工藝步驟且影響器件的損耗性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，解決了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵偏振補(bǔ)償方法造成的器件性能變差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，包括至少一條輸入波導(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)和至少一條輸出波導(dǎo)。光從輸入波導(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)所對應(yīng)的總光程差由在陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差naΔL和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)至少一個(gè)中的光程差nsΔLs共同組成；該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差以及由此決定的該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的幾何形狀是根據(jù)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感而決定的。
進(jìn)一步地，所述的輸入平板波導(dǎo)區(qū)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)中至少有一個(gè)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線中心的切線與該平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夾角根據(jù)該平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)的差別而決定，所述夾角是一個(gè)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感的角度。
本發(fā)明具有的有益效果是1.本發(fā)明所公開的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵結(jié)合了傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵和蝕刻光柵的雙重工作機(jī)制，利用平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)來補(bǔ)償陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)，工作原理簡單，可以完全補(bǔ)償陣列波導(dǎo)光柵固有的雙折射，達(dá)到偏振非敏感的目的。
2.本發(fā)明所公開的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵和傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵制作工藝完全兼容，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)光柵原有性能。
3.本發(fā)明所公開的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵可應(yīng)用于不同材料、不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的陣列光柵器件，且具有制作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入平板波導(dǎo)區(qū)域結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖3是本發(fā)明的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的一種具體實(shí)施方式
中輸入平板波導(dǎo)區(qū)域結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的布局圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的布局圖。
圖中1、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、輸出波導(dǎo)，6、輸入面，7、輸出面，8、輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線，9、輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線，10、輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸，11、輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸，12、中心輸入波導(dǎo)，13、中心輸出波導(dǎo)，14、第一個(gè)羅蘭圓，15、第一個(gè)光柵圓。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵包括至少一條輸入波導(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和至少一條輸出波導(dǎo)5；輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10是中心輸入波導(dǎo)12與陣列波導(dǎo)區(qū)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線8的中心點(diǎn)的連線，輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸11是中心輸出波導(dǎo)13與陣列波導(dǎo)區(qū)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線9的中心點(diǎn)的連線；6是由至少一條輸入波導(dǎo)1末端構(gòu)成的輸入面，7是由至少一條輸出波導(dǎo)5末端構(gòu)成的輸出面。這些結(jié)構(gòu)都是集成在同一基底上。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵中光從輸入波導(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)所對應(yīng)的總光程差僅是由在陣列波導(dǎo)區(qū)中的光程差naΔL構(gòu)成，其中na是陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔL是該相鄰兩波導(dǎo)的長度差。
同時(shí)傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入/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入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸相互垂直。
圖2為圖1中輸入平板波導(dǎo)區(qū)3的放大圖，輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的結(jié)構(gòu)與之類似。傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的輸入/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入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸相互垂直。接著以羅蘭圓結(jié)構(gòu)為例來詳細(xì)說明輸入平板波導(dǎo)區(qū)。輸入面6是在第一個(gè)羅蘭圓14上，輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線8是在一個(gè)比第一個(gè)羅蘭圓14半徑大一倍的第一個(gè)光柵圓15上，并且第一個(gè)光柵圓15與第一個(gè)羅蘭圓14在陣列波導(dǎo)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線8的中心點(diǎn)相切。輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10與第一個(gè)羅蘭圓14的直徑，也就是第一個(gè)光柵圓15的半徑重合。輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線8中心的切線與輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10相互垂直。輸入/輸出波導(dǎo)展開呈輻射狀，并且各輸入/輸出波導(dǎo)連接平板波導(dǎo)區(qū)的一端以一定的中心間距均勻地排列在一個(gè)羅蘭圓上。陣列波導(dǎo)中的每條波導(dǎo)正對中心輸入/輸出波導(dǎo)，均勻地排列在以中心輸入/輸出波導(dǎo)為圓心的光柵圓上。
傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵滿足如下衍射方程nsdasinθi+naΔL+nsdasinθo＝mλ。其中，θi＝i·Δx/Lf，θo＝j(luò)·Δx/Lf。ns和na分別是輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率；θi和θo分別是輸入和輸出平板波導(dǎo)區(qū)的衍射角；da是陣列波導(dǎo)的間隔；ΔL是相鄰陣列波導(dǎo)間的長度差；m是衍射級次；λ是入射波長；i和j分別代表第幾根輸入和輸出波導(dǎo)；Δx是輸入或輸出波導(dǎo)間隔；Lf是平板波導(dǎo)區(qū)的長度。對于中心波長λc來說，它從中心輸入波導(dǎo)輸入，從中心輸出波導(dǎo)輸出，因此衍射角θi和θo均為零，則以上的衍射方程變?yōu)閚aΔL＝mλc。
引起雙折射的原因主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料本身引起的。由于雙折射，使得陣列波導(dǎo)區(qū)的橫電模(TE模)和橫磁模(TM模)的有效折射率不一致，也就是說，na(TE)≠na(TM)。
那么，根據(jù)傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵中心波長的衍射方程則分別對應(yīng)TE模和TM模的頻譜響應(yīng)峰值必須滿足na(TE)ΔLλTE=na(TM)ΔLλTM]]>由于陣列波導(dǎo)區(qū)TE模和TM模的有效折射率的不一致，從而導(dǎo)致偏振相關(guān)波長偏移PDλ(polarization dependent wavelength)，并且Δλ=λTE-λTM-=Δnanaλ,]]>其中陣列波導(dǎo)區(qū)的有效折射率差Δna＝na(TE)-na(TM)。
圖3給出本發(fā)明的一種偏振非敏感陣列波導(dǎo)光柵的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，光從輸入波導(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)所對應(yīng)的總光程差由在陣列波導(dǎo)區(qū)3中的光程差naΔL和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4至少一個(gè)中的光程差nsΔLs共同組成，其中ns是平板波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔLs是該相鄰兩波導(dǎo)在該平板波導(dǎo)區(qū)的長度差。該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)3中的光程差以及由此決定的該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)3的幾何形狀是根據(jù)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)3的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感而決定的。
如圖4所示，為圖3中輸入平板波導(dǎo)區(qū)3的放大圖，輸出平板波導(dǎo)區(qū)4的結(jié)構(gòu)與之類似。和傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵不同的在于，輸入平板波導(dǎo)區(qū)2和輸出平板波導(dǎo)區(qū)4中至少有一個(gè)和陣列波導(dǎo)區(qū)3的交界曲線中心的切線與該平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夾角根據(jù)該平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)3的雙折射性質(zhì)的差別而決定，所述夾角是一個(gè)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)3的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感的角度。以羅蘭圓結(jié)構(gòu)的輸入平板波導(dǎo)區(qū)為例來詳細(xì)說明。這里羅蘭圓與光柵圓的設(shè)計(jì)與蝕刻光柵的幾何構(gòu)造類似。輸入平板波導(dǎo)區(qū)的光軸10與第一個(gè)羅蘭圓14的直徑，也就是第一個(gè)光柵圓15的半徑，不重合，而是成一個(gè)角度α。輸入/輸出波導(dǎo)展開呈輻射狀，并且各輸入/輸出波導(dǎo)連接平板波導(dǎo)區(qū)域的一端以一定的間距非均勻地排列在羅蘭圓弧上。陣列波導(dǎo)中的每條波導(dǎo)正對中心輸入/輸出波導(dǎo)，非均勻地排列在半徑比羅蘭圓弧大一倍的光柵圓弧上，此光柵圓弧與羅蘭圓弧在陣列波導(dǎo)與平板波導(dǎo)區(qū)交界曲線的中心點(diǎn)處相切。
平板波導(dǎo)區(qū)的設(shè)計(jì)也可以采用平場設(shè)計(jì)。輸入波導(dǎo)末端分布在輸入平板波導(dǎo)區(qū)的一條直線上，輸入平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線是由輸入面上兩個(gè)輸入點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的；輸出波導(dǎo)末端分布在輸出平板波導(dǎo)區(qū)的一條直線上，輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線是由輸出面上兩個(gè)波長的成像點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的。
根據(jù)本發(fā)明，對應(yīng)相鄰陣列波導(dǎo)在輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)域有長度差ΔLs，那么中心波長衍射方程就變成了c*nsΔLs+naΔL＝mλc，則分別對應(yīng)TE模和TM模的頻譜響應(yīng)峰值滿足下面的等式c*ns(TE)ΔLs+na(TE)ΔLλTE=c*ns(TM)ΔLs+na(TM)ΔLλTM]]>其中c的取值為0，1，2，分別代表在輸入和輸出平板波導(dǎo)區(qū)均不引入光程差，在輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)域引入光程差和在輸入和輸出平板波導(dǎo)區(qū)域均引入光程差。
從而可以得到偏振相關(guān)波長偏移PDλ，Δλ=λTE-λTM=c*ΔnsΔLs+ΔnaΔLc*nsΔLs+naΔLλ,]]>并且輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的有效折射率差Δns＝ns(TE)-ns(TM)。
這樣根據(jù)PDλ的關(guān)系式，陣列波導(dǎo)光柵完全偏振補(bǔ)償?shù)臈l件λTE＝λTM，就變?yōu)閏*ΔnsΔLs+ΔnaΔL＝0結(jié)合中心波長衍射方程就可以求得相應(yīng)的陣列波導(dǎo)區(qū)和輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的長度差ΔL和ΔLs。
通過使平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的交界曲線與平板波導(dǎo)區(qū)的光軸成一非九十度的特定角度，就可在平板波導(dǎo)區(qū)產(chǎn)生長度差，并且在平板波導(dǎo)區(qū)引入的長度差ΔLs可正，可負(fù)。當(dāng)特定角度為九十度時(shí)，平板波導(dǎo)區(qū)長度差為零，即成為傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵。
下面給出本發(fā)明的二個(gè)實(shí)施例，假設(shè)下列參數(shù)已知，ns＝1.458041，na＝1.455253，λc＝1555.75nm，m＝36。輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)的偏振相關(guān)波長偏移(PDλ)分別為Δλs，Δλa，滿足Δn/n＝Δλ/λ。并且以羅蘭圓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平板波導(dǎo)區(qū)，輸入/輸出平板波導(dǎo)區(qū)的光軸與羅蘭圓的直徑，也是光柵圓的半徑，成的角度為α。
實(shí)施例1Δλs＝0.6nm，Δλa＝-0.2nm；Δns＝5.6232*10-4，Δna＝-1.8708*10-4求解得到α＝28.695°，ΔLs＝4.802μm，ΔL＝28.865μm。
器件大小為36.667mm×17.969mm。
最后得到的偏振非敏感陣列波導(dǎo)光柵的布局如圖5所示。為了清晰起見，圖中沒有畫出全部的陣列波導(dǎo)，而是畫出了部分陣列波導(dǎo)作為示意。
實(shí)施例2Δλs＝0.6nm，Δλa＝0.2nm；Δns＝5.6232*10-4，Δna＝1.8708*10-4求解得到α＝-47.620°，ΔLs＝-9.603μm，ΔL＝57.729μm。
器件大小為36.589mm×16.280mm。
最后得到的偏振非敏感陣列波導(dǎo)光柵的布局如圖7所示。為了清晰起見，圖中沒有畫出全部的陣列波導(dǎo)，而是畫出了部分陣列波導(dǎo)作為示意。
上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，包括至少一條輸入波導(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)和至少一條輸出波導(dǎo)(5)，其特征在于，光從輸入波導(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)所對應(yīng)的總光程差由在陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中的光程差naΔL和在輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)至少一個(gè)中的光程差nsΔLs共同組成，其中na是陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的有效折射率，ΔL是在陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中該相鄰兩波導(dǎo)的長度差，ns是該平板波導(dǎo)區(qū)的有效折射率，ΔLs是對應(yīng)該相鄰兩波導(dǎo)的光路在該平板波導(dǎo)區(qū)中的長度差；該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中的光程差以及由此決定的該平板波導(dǎo)區(qū)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的幾何形狀是根據(jù)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感而決定的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述的陣列波導(dǎo)區(qū)(3)，輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的幾何形狀是根據(jù)兩個(gè)不同偏振態(tài)的光從輸入波導(dǎo)(1)依次經(jīng)過輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)，陣列波導(dǎo)區(qū)(3)，輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)傳播到輸出波導(dǎo)(5)所經(jīng)過的總光程相等而決定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于，所述長度差ΔL和ΔLs滿足c*ΔnsΔLs+ΔnaΔL＝0，式中c的取值為1，2，分別代表在輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)或者輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)中引入長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)中均引入長度差，Δna為陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的橫電模TE和橫磁模TM的有效折射率差，即Δna＝na(TE)-na(TM)；Δns為輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)或者輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的TE模和TM模的有效折射率差，即Δns＝ns(TE)-ns(TM)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述的輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)中至少有一個(gè)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線中心的切線與該平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，并且所述夾角根據(jù)該平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射性質(zhì)的差別而決定，所述夾角是一個(gè)使得該平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射相補(bǔ)償從而達(dá)到偏振非敏感的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于，所述的至少一條輸入波導(dǎo)(1)末端構(gòu)成的輸入面(6)是在第一個(gè)羅蘭圓(14)上，所述輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(8)是在一個(gè)比第一個(gè)羅蘭圓(14)半徑大一倍的第一個(gè)光柵圓(15)上，并且第一個(gè)光柵圓(15)與第一個(gè)羅蘭圓(14)在陣列波導(dǎo)(3)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)交界曲線(8)的中心點(diǎn)相切；所述至少一條輸出波導(dǎo)(5)末端構(gòu)成的輸出面(7)是在第二個(gè)羅蘭圓上，所述輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(9)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)光柵圓與第二個(gè)羅蘭圓在陣列波導(dǎo)(3)與輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)交界曲線(9)的中心點(diǎn)相切。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于，所述的至少一條輸入波導(dǎo)(1)末端構(gòu)成的輸入面(6)在第一條直線上，所述輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(8)是由輸入面(6)上兩個(gè)輸入點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的；所述至少一條輸出波導(dǎo)(5)末端構(gòu)成的輸出面(7)在第二條直線上，所述輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)和陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的交界曲線(9)是由輸出面(7)上兩個(gè)波長的成像點(diǎn)同時(shí)消象差的條件決定的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于其對應(yīng)陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中不同陣列波導(dǎo)所經(jīng)過的總光程差主要由陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的光程差和輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)的光程差共同組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于其對應(yīng)陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中不同陣列波導(dǎo)所經(jīng)過的總光程差主要由陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的光程差和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的光程差共同組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于其對應(yīng)陣列波導(dǎo)區(qū)(3)中不同陣列波導(dǎo)所經(jīng)過的總光程差主要由陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的光程差以及輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的光程差共同組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于所述的陣列波導(dǎo)光柵是基于硅基二氧化硅或氮氧化硅材料，所述的輸入平板波導(dǎo)區(qū)(2)和輸出平板波導(dǎo)區(qū)(4)的雙折射與陣列波導(dǎo)區(qū)(3)的雙折射主要是由應(yīng)力引起的不同的雙折射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵。與傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵不同，所述偏振非敏感的陣列波導(dǎo)光柵的光程差由陣列波導(dǎo)區(qū)和平板波導(dǎo)區(qū)的光程差共同組成，利用平板波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)來補(bǔ)償陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)。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平板波導(dǎo)區(qū)的光軸的夾角為大于0°小于180°非90°的角度，該夾角根據(jù)平板波導(dǎo)區(qū)與陣列波導(dǎo)區(qū)的雙折射性質(zhì)差別決定。本發(fā)明在不改變傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵各個(gè)組成部分，同時(shí)不引入額外器件的基礎(chǔ)上，補(bǔ)償了偏振色散，解決了傳統(tǒng)偏振補(bǔ)償方法造成的器件性能變差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，適用于基于二氧化硅、磷化銦和硅等各種波導(dǎo)材料和各種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的陣列波導(dǎo)光柵，具有制作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04J14/02GK1837869SQ200610050488
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者何建軍, 郎婷婷, 何賽靈 申請人:浙江大學(xué)