CN104570208B - 一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器，设置在底板上的AWG芯片区别于传统的曲臂式阵列波导结构，采用了正弦式曲臂阵列波导结构，通过改变正弦波的周期数来达到获取不同光程差的目的。还在输出的FPR（星型耦合器）上方设置有波导耦合结构，可以达到功分器的目的。该集成器件区别于传统的AWG结构，能够达到直式的AWG结构，同时能实现波导耦合和功分的功能，大大减少了AWG元件的尺寸，工艺也易于实现，具有体积小、重量轻、易于集成等优点，适于大规模生产。

Description

一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器

技术领域

本发明属于集成光子器件领域，涉及一种基于立体直式阵列波导光栅波分/功分器。

背景技术

AWG(Arrayed Waveguide Grating)是密集波分复用系统（DWDM）中的首选技术。一组具有相等长度差的阵列波导形成的光栅，使用具有分波的能力。其原理为：含有多个波长的复用信号光经中心输入信道波导输出后，在输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导区。因阵列波导端面位于光栅圆的圆周上，所以衍射光以相同的相位到达阵列波导端面上。经阵列波导传输后，因相邻的阵列波导保持有相同的长度差ΔL，因而在输出凹面光栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差，对于不同波长的光此相位差不同，于是不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并聚焦到不同的输出信道波导位置，经输出信道波导输出后完成了波长分配即解复用功能。这一过程的逆过程，即如果信号光反向输入，则完成复用功能，原理相同。目前国内外开发的DWDM技术主要有3种类型，它们分别基于阵列波导光栅和介质膜滤光片（TFF）以及光纤光栅（FBG）技术。AWG是一种平面波导器件，是利用PLC技术在芯片衬底上制作的阵列波导光栅。与FBG和TTF相比，AWG具有集成度高、通道数目多、插入损耗小、易于批量自动化生产等优点。

目前AWG发展的技术已经在向集成化、微小化发展，但AWG串联干扰迫使AWG采用堆叠技术和级联技术，以及罗兰环的弯曲占用体积导致AWG器件体积庞大而难以集成，在和功分器结合后更是体积巨大，成本高昂。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可以实现分出不同波长、减少器件尺寸、高度集成且可靠性高的基于立体直式阵列波导光栅波分器，同时提供一种基于该波分器的、功率平均分配的功分器。

技术方案：本发明的基于立体直式阵列波导光栅波分器，包括依次连接的输入波导、输入星型耦合器、正弦式曲臂阵列波导、输出星型耦合器、输出波导，所述输入星型耦合器和输出星型耦合器的构形均为直角梯形，二者的底角相等且斜边相对设置，所述正弦式曲臂阵列波导由平行设置的多个正弦式曲臂波导构成。

本发明波分器的优选方案中，正弦式曲臂波导的曲臂形状为正弦波形。

本发明波分器的优选方案中，正弦式曲臂阵列波导中，两相邻正弦式曲臂波导的长度差根据波分器的容量确定。通过确定的波分容量，按照现有的AWG计算方法可以计算出传统曲臂阵列波导长度，其每根曲臂波导长度和正弦式曲臂波导长度一致。

本发明的基于立体直式阵列波导光栅功分器，由上述基于立体直式阵列波导光栅波分器和设置在所述波分器中输出星型耦合器正上方的功分结构组成，所述功分结构包括依次连接的耦合波导阵列、耦合输出星型耦合器和耦合输出波导，所述耦合波导阵列由平行设置的多个耦合波导构成，所述耦合输出星型耦合器与输出星型耦合器的形状完全一致。

本发明功分器的优选方案中，所述耦合波导的曲臂形状为正弦波形，长度根据并列弯曲波导耦合原理来确定，耦合波导的输入侧的断面与耦合输出星型耦合器的梯形斜面平行。

本发明功分器的优选方案中，基于立体直式阵列波导光栅波分器与功分结构之间设置有隔离层。

本发明器件采用在硅晶圆上沉积二氧化硅（SiO2）膜层，再利用微影制程（Photolithography）及反应式离子蚀刻法（Reactive Ion Etch）定义出阵列波导及分光元件等，接著在最上层覆以保护层的方法，波导包括输入波导，两个梯形FPR中间的正弦式阵列波导，最终的输出波导和上层的耦合波导。正弦式阵列波导由于FPR的梯形形状，每个波导的周期不同，从而光程也不同，达到了分波的目的，而波导立体耦合结构能按用户要求分出功率，达到功分器集成的效果。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

同时具有功分和波分功能。目前现有的阵列波导大部分为符合罗兰球面原理的阵列波导，利用罗兰曲面的光程差特性来达到波分的目的。而本发明利用改变正弦式阵列波导的周期来改变光程长，通过改变梯形星型耦合器斜边的斜率以及改变正弦波的振幅等手段可以得到不同的周期差，达到滤出所需波长的目的。同时利用倏逝场耦合原理，可以通过改变耦合层厚度来达到分出用户要求的光功率的两路的目的。

集成度高，结构紧凑，成本低。传统的AWG阵列波导的器件按照罗兰曲面原则进行设计的，是弯曲结构，尺寸非常大但空间利用率不高，占据了波分器件的大部分空间。而本发明利用的正弦式阵列波导改变了传统AWG的结构，使得AWG从曲臂变为直通式，大大减小了器件长度，提高了空间利用率，节省了材料，降低了成本。同时解决了AWG的最大的体积过大的问题，使提高AWG集成度、采用AWG堆叠技术集成化成为可能。本发明将功分器和波分器的功能集中在一块芯片上，采用立体上下层结构，相比现有的波分器和功分器的平面简单级联更为紧凑和节省材料。

功分误差低。本发明利用倏逝场耦合来获取经过不同光程的光信号，获得的信号损失小，保真度高。相比于传统的AWG平面简单级联功分器的方法，此法损耗较小。

附图说明

图1为一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器主视图；

图2为一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器左视图；

图3为一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器右视图；

图4为一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器俯视图。

图中有：输入波导10、输入星型耦合器20、正弦式曲臂阵列波导30、输出星型耦合器40、输出波导50、耦合波导阵列60、耦合输出星型耦合器70、耦合输出波导80， 101、102、103、104、105和106为输入星型耦合器端部排列设置的多个输入波导。

具体实施方式

为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但本发明不限制于实施例。

本发明的基于立体直式阵列波导光栅波分器在结构上设有输入星型耦合器20，输出星型耦合器40，依次连接的直输入波导10（数目可调节），依次连接的输出波导50（数目可调节），正弦式曲臂阵列波导30。

本发明的基于立体直式阵列波导光栅功分器在结构上设有依次连接的耦合波导阵列60，耦合输出星型耦合器70和耦合输出波导80（数目可调节）。

图1是基于立体直式阵列波导光栅波分/功分器示意图，以该结构实现的器件同时拥有波分器和功分器两种器件的功能，缩小了器件体积，降低成本。该实施例是一个6*4的AWG器件，采用SOI材料，其自由光谱范围FSR为6△λ，△λ由AWG设计容量定，此例取用12nm，则FSR为中心波长由用户输入波长λ₀决定，此处采用1550nm的中心波长。则此AWG的衍射级数为22，正弦式阵列波导光栅30中各个波导长度差不小于11μm，其中最短波导长度不小于20μm。输入光信号通过输入波导10输入，经过FPR星型耦合器20输入在结构上设置的正弦波式的曲臂阵列波导30，由于FPR的结构是梯形，可以达到设置不同的周期数而获得不同光程，从而分出不同的波长的目的。 所以阵列波导的周期数不同，导致光程不同，其每根波导的光程差为11μm，达到波分效果。在到达输出端FPR40之前，在第一层输出的FPR上方设置有另一个FPR，且在上方的FPR上有小型的波导耦合结构。波导耦合结构能够均匀地分出光功率，达到功分器的目的。而且在上方的FPR上的波导耦合结构直接耦合了经过不同光程的光波，能节省AWG的曲臂部分。最后由输出波导50和耦合输出波导80输出。

图2为右视图，图3为左视图，图4为俯视图。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于立体直式阵列波导光栅功分器，其特征在于：该功分器由基于立体直式阵列波导光栅波分器和设置在所述波分器中输出星型耦合器（40）正上方的功分结构组成，所述功分结构包括依次连接的耦合波导阵列（60）、耦合输出星型耦合器（70）和耦合输出波导（80），所述耦合波导阵列（60）由平行设置的多个耦合波导构成，所述耦合输出星型耦合器（70）与输出星型耦合器（40）的形状完全一致；

所述基于立体直式阵列波导光栅波分器包括依次连接的输入波导（10）、输入星型耦合器（20）、正弦式曲臂阵列波导（30）、输出星型耦合器（40）、输出波导（50），所述输入星型耦合器（20）和输出星型耦合器（40）的构形均为直角梯形，二者的底角相等且斜边相对设置，所述正弦式曲臂阵列波导（30）由平行设置的多个正弦式曲臂波导构成。

2.根据权利要求1所述的基于立体直式阵列波导光栅功分器，其特征在于：所述耦合波导的曲臂形状为正弦波形，长度根据并列弯曲波导耦合原理来确定，耦合波导的输入侧的断面与耦合输出星型耦合器（70）的梯形斜面平行。

3.根据权利要求1或2所述的基于立体直式阵列波导光栅功分器，其特征在于：所述基于立体直式阵列波导光栅波分器与功分结构之间设置有隔离层。

4.根据权利要求1所述的基于立体直式阵列波导光栅功分器，其特征在于：所述正弦式曲臂波导的曲臂形状为正弦波形。

5.根据权利要求1或4所述的基于立体直式阵列波导光栅功分器，其特征在于：所述正弦式曲臂阵列波导（30）中，两相邻正弦式曲臂波导的长度差根据波分器的容量确定。