阵列波导光栅及具有其的波分复用/解复用器的制造方法

阵列波导光栅及具有其的波分复用/解复用器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤通讯技术领域，具体涉及一种阵列波导光栅及具有其的波分复用
/解复用器。
【背景技术】
[0002]波分复用技术(WavelengthDivis1n Multiplexing，WDM)，充分利用了单模光纤在低损耗区内的巨大带宽资源，将不同波长的光波信号复用在一起进行传输，在一根光纤上提供多个光纤通道来实现系统通信容量的增加，在高速光纤通信中起着重要的作用。
[0003]阵列波导光栅(Array Waveguide Gratings，AWG)由于结构紧凑、尺寸很小、插入损耗低、波分复用间隔窄等优点成为密集波分复用/解复用的典型器件。
[0004]传统的AWG，由输入波导、第一罗兰圆结构、阵列波导、第二罗兰圆结构、输出波导依次连接而成。由于罗兰圆结构的存在，阵列波导部分必须采用弯曲波导，工艺上难以保证弯曲波导规模制造的品质可靠性，从而影响AWG的性能，造成例如串扰、插入损耗等现象。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于解决阵列波导光栅采用罗兰圆及弯曲波导造成的工艺难度大、性能不高的技术问题。
[0006]为实现上述发明目的，本发明提供一种阵列波导光栅，包括依次连接的输入波导、第一平板波导、改变相位的阵列波导、第二平板波导及输出波导，阵列波导为直线型波导，第一及第二平板波导上设有具有自聚焦透镜作用的类光子晶体结构，类光子晶体结构实现输入波导和阵列波导之间及输出波导和阵列波导之间的光学传输。
[0007]作为本发明一实施方式的进一步改进，第一或第二平板波导沿Y向及Z向折射率不变，沿X向折射率为抛物线分布。
[0008]作为本发明一实施方式的进一步改进，类光子晶体结构为设置在第一平板波导和第二平板波导上截面面积渐变的孔或柱。
[0009]作为本发明一实施方式的进一步改进，孔在第一及第二平板波导上分别呈轴对称排列。
[0010]作为本发明一实施方式的进一步改进，位于同一行的孔或柱，其截面面积相同。
[0011]作为本发明一实施方式的进一步改进，孔或柱排列为正四边形晶格。
[0012]作为本发明一实施方式的进一步改进，孔或柱排列为正三角形晶格。
[0013]作为本发明一实施方式的进一步改进，第一及第二平板波导Z轴向长度为N/4节距，其中，N为奇数。
[0014]作为本发明一实施方式的进一步改进，孔或柱的横截面为圆形。
[0015]本发明的另一方面提供一种波分复用/解复用器，包括上述任一阵列波导光栅。
[0016]与现有技术相比，本发明提供的阵列波导光栅，由于自聚焦平板波导为矩形结构，阵列波导可以采用直线型，不需要连接弯曲波导。具有该阵列波导光栅的波分复用/解复用器插入损耗减小、结构简单、制造工艺难度低。
【附图说明】
[0017]图1是本发明阵列波导光栅一实施方式的俯视图；
图2是本发明平板波导X向折射率分布示意图；
图3是本发明阵列波导光栅一实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]以下将结合附图所示的【具体实施方式】对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
[0019]本发明中描述空间与位置的术语均是以平板波导为参照物，Y向为平板波导的厚度方向，Z向为输入波导-输出波导延伸的方向，X向与Y-Z平面垂直。在晶格排列中，定义沿Z向延伸的为行，沿X向延伸的为列。靠近平板波导的为近端，远离平板波导的为远端。
[0020]参考图1，本发明阵列波导光栅，包括依次连接的输入波导10、第一平板波导30、阵列波导50、第二平板波导70及输出波导90。其中，在第一及第二平板波导30、70上，制成类光子晶体平板自聚焦透镜结构，如此，平板波导可以被设置成折射率渐变的自聚焦型波导以代替传统的罗兰圆平板波导，实现输入波导10和阵列波导50之间及输出波导90和阵列波导50之间的光学传输。
[0021]具体地，第一及第二平板波导30、70为矩形，其上通过打孔的方式设置多个孔301。孔301沿Y向延伸，贯通第一或第二平板波导30、70的上、下表面。每一孔301的孔径沿Y向保持不变，以保证第一或第二平板波导30、70沿Y向的折射率不变。进一步的，孔301为圆形孔，损耗最小，也可为正多边形孔。孔301也可以柱状结构替代。
[0022]孔301排列为晶格结构，可以采用正四边形或正三角形晶格。
[0023]孔301的占空比与平板波导的折射率相关，因此可以通过调整孔的截面积大小来调节占空比，从而达到控制折射率的目的。孔301在第一和第二平板波导上沿X向截面积渐变，以实现X向折射率渐变，使其具有自聚焦透镜的成像性质。进一步的，孔301在第一或第二平板波导30、70上呈轴对称分布，其孔径自第一或第二平板波导30、70的中心沿X轴向两端逐渐增加。位于同一行的孔301，其孔径一致，以保证第一或第二平板波导30、70沿Z向的折射率不变。图2示出，采用本发明结构的平板波导，沿X向的折射率为抛物线分布，以X向中点为中心向两端对称分布且峰值位于中点，其满足自聚焦透镜的折射率分布特征，其中，η为折射率。由于罗兰圆平板波导实质为一自聚焦透镜，上述结构的平板波导具有和罗兰圆平板波导相同的成像性质。
[0024]与第一、第二平板波导30、70结构相应，阵列波导50采用直线型波导结构。每一条阵列波导50的一部分较其余部分直径增大，形成宽波导501，用以改变折射率。每一条阵列波导50可以取不同X向长度的宽波导以引入相位差，从而实现衍射聚。光经过第一或第二平板波导30、70可以实 现分束与聚焦。当宽谱光束从输入波导10入射，由输出波导90出射时，生成不同波长间隔的光束，因此本发明光子晶体直线形阵列波导光栅可应用于波分复用器。相反地，当多束光从输出波导90入射，由输入波导10出射时，会聚成一束光，因此本发明又可应用于解复用器。
[0025]由于第一或第二平板波导30、70是矩形，代替了传统的罗兰圆结构，阵列波导50可以直接做成直线型波导，衔接输入波导10与输出波导90，避免了弯曲波导所带来的损耗，工艺稳定性更高。
[0026]以下用一实施例具体说明本发明阵列波导光栅的结构。
[0027]参考图3，本实施例中，光子晶体直线形阵列波导光栅位于衬底20上。输入波导10的远端部宽800nm，由远端到近端，其宽度逐渐增加，近端部宽度在1000_1200nm之间。类似地，输出波导90的远端部宽800nm，由远端到近端宽度渐增，近端部宽度在1000_1200nm之间。输入波导10与输出波导90可以采用单层多根(IXy)的形式排列，也可采用多层多根(xXy)的排列形式。输入波导10与输出波导90不以对称分布为必要。
[0028]第一平板波导30与第二平板波导70均呈矩形，每一平板波导X向长度为120 μ m，Z向长度为85.3694 μm。每一平板波导上设置三百行孔301。以孔301的中心距衡量，孔301排列为正四边形晶格，孔间距为200nm。孔301的直径从平板波导中心沿X轴向两端递增，中心处孔径10nm，X轴两端处孔径90nm。同一行的孔301孔径一致。最靠近中心的二百行孔301，其孔径递增差值为0.3nm，孔径从1nm递增至70nm。剩余一百行孔301，其孔径递增差值为0.2nm，孔径从70nm递增至90nmo
[0029]阵列波导50的局部设置宽波导501。宽波导501处宽度为lOOOnm，常规部分宽度为 800nm。
[0030]本发明阵列波导光栅采用刻蚀工艺，在绝缘体上娃(Silicon On Insulator,SOI)材料上制作。该SOI材料包括顶层硅，以及埋层二氧化硅及衬底硅。其中，顶层硅厚度为220nm。输入波导10、第一平板波导30、阵列波导50、第二平板波导70及输出波导90均在顶层硅上刻蚀完成，刻蚀深度为220nm。刻蚀完成后，在第一、第二平板波导30、70上打孔以形成类光子晶体结构，打孔深度为220nm。埋层二氧化硅及衬底硅构成衬底20。阵列波导50通过紫外写入引入所需的光程差。因此，该光子晶体直线形阵列波导光栅的制作工艺简单，制作成本较低。
[0031]如此设置的第一、第二平板波导30、70分别作为阵列波导光栅的输入输出耦合器。当光束从N/4 (N为奇数)节距长度的第一平板波导30输入，各子午光线所经历的光程相同，到达阵列波导50时的相位也相同。第一平板波导30将光束扩束并耦合进光路后方的阵列波导。此时阵列波导50无需弯曲波导，直波导即可以实现很好的光束耦合，从而有效避免了弯曲波导引起的输出损耗。该阵列波导光栅的复用与解复用原理与传统的阵列波导光栅相同，但结构简单，可以减小插入损耗，工艺难度降低。
[0032]应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0033]上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种阵列波导光栅，其特征在于，包括依次连接的输入波导、第一平板波导、改变相位的阵列波导、第二平板波导及输出波导，所述阵列波导为直线型波导，所述第一及第二平板波导上设有具有自聚焦透镜作用的类光子晶体结构，所述类光子晶体结构实现输入波导和阵列波导之间及输出波导和阵列波导之间的光学传输。2.根据权利要求1所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述第一或第二平板波导沿Y向及Z向折射率不变，沿X向折射率为抛物线分布。3.根据权利要求1所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述类光子晶体结构为设置在第一平板波导和第二平板波导上截面面积渐变的孔或柱。4.根据权利要求3所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述孔或柱在第一及第二平板波导上分别呈轴对称排列。5.根据权利要求3所述的阵列波导光栅，其特征在于，位于同一行的孔或柱，其截面面积相同。6.根据权利要求3所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述孔或柱排列为正四边形晶格。7.根据权利要求3所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述孔或柱排列为正三角形晶格。8.根据权利要求1所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述第一及第二平板波导沿Z向长度均为N/4节距，其中，N为奇数。9.根据权利要求3所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述孔或柱的横截面为圆形。10.一种波分复用/解复用器，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的阵列波导光栅。
【专利摘要】本发明揭示了一种阵列波导光栅及具有其的波分复用/解复用器，包括依次连接的输入波导、第一平板波导、改变相位的阵列波导、第二平板波导及输出波导，阵列波导为直线型波导，第一及第二平板波导上设有具有自聚焦透镜作用的类光子晶体结构，类光子晶体结构实现输入波导和阵列波导之间及输出波导和阵列波导之间的光学传输。本发明的器件插入损耗小、结构简单、工艺难度低。
【IPC分类】G02B6/12
【公开号】CN104880767
【申请号】CN201510319673
【发明人】常江, 孙雨舟, 于登群, 张永干, 王冬寒
【申请人】苏州旭创科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月11日