通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成蚀刻衍射光栅器件，具体涉及一种通道损耗均匀且通带响应平坦 的蚀刻衍射光栅器件。
【背景技术】
[0002] 目前用于光通信的集成光波导光栅波分复用器件主要有阵列波导光栅（arrayed waveguide grating，简称 AWG)和蚀刻衍射光概（etched diffraction grating，简称 EDG) 两种。其中蚀刻衍射光栅具有结构紧凑、易于集成、受工艺容差影响小、可靠性高能优点。 NXN的EDG波长路由器可以通过N个波长实现N个输入和输出通道间的N2个链路连接，大 大提高了系统的数据传输量，是全光路由系统的重要组成部件。然而，由于EDG波长路由器 自由光谱范围（Free Spectral Region,简称FSR) -般较小，光栅齿面尺寸大，各输入输出 通道组合的插入损耗非均匀性大（如N = 4时所有链路间最大最小损耗相差约5dB)，而在 通信中一般要求输出通道间的插入损耗非均匀性小于ldB，这就大大影响了 EDG波长路由 器的可用通道数。因此提高EDG波长路由器的插入损耗均匀性十分重要。同时，EDG的通 道频谱带宽也是其主要性能之一，频谱带宽的增加即频谱平坦化对放宽通信系统波长控制 要求，克服环境温度改变等具有重要意义。
[0003] 目前针对阵列波导光栅，已报导的提高输出通道均匀性的技术主要有：扩大路 由器FSR并抛弃边缘损耗较大通道、在输出波导出加入特殊结构，改善阵列波导和输出 平板区界面场分布等。S.Kamei 等人（S.Kamei，et al，〃64X64channel uniform-loss and cyclic-frequency arrayed-waveguide grating router module，''Electron. Lett.，vol. 39, no. 4, pp83-84, 2003)通过设计一个比所需更大FSR的AWG，只使用 FSR中间损耗相差小的一部分实现通道损耗均匀。H. Lu等人（H. Lu, et al，"Cyclic arrayed waveguide grating devices with flat-top passband and uniform spectral response, "，Photon. Technol. Lett.，vol. 20, No. 1，pp3_5, 2008)通过在 输出波导前结合MMI和线性taper结构，实现了 AWG的通带响应平坦和损耗均匀。 J. C. Chen 等人（J. C. Chen, et al, ''Waveguide grating routers with greater channel uniformity, "Electron. Lett, vol. 33, no. 23, pp. 1951-1952, 1997)通过在阵列波导的入 口和出口处增加一段辅助波导来改变阵列波导和输出平板波导交界面上的模场分布，从 而提高了各输出通道的插入损耗均匀性，同时也实现了通带响应平坦。国家发明专利 (ZL201220558264)通过调整AWG中阵列波导的方向分散光能量提高了其损耗均匀性。
[0004] 然而，以上提高阵列波导光栅各输出通道间插入损耗均匀性的技术大多数是以需 要增加额外的器件或者增大器件尺寸为代价，这样增加了器件制作工艺的复杂度，而且对 频谱的形状没有改善。对于蚀刻衍射光栅波长路由器，现有技术有提出通过旋转光栅齿面 来实现损耗均匀，但还没有一种技术能够对蚀刻衍射光栅同时实现提高损耗均匀性和通带 响应的平坦。
【发明内容】
[0005] 针对【背景技术】的不足，本发明的目的在于提出了一种通道间损耗均匀且通带响应 平坦的蚀刻衍射光栅器件，解决了传统蚀刻衍射光栅各输出通道插入损耗相差较大的问 题，同时通带响应平坦的设计可以放宽光通信系统中其他部分的性能要求。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007] 本发明主要由至少一条输入波导、平板波导区、输出波导阵列和光栅反射齿面形 成光路结构，输入波导的入射光经平板波导区发散后被光栅反射面反射，再经过平板波导 区后被输出波导阵列接收，所述光路采用罗兰圆结构；光栅反射齿面的每个齿面均由K个 离散点连接构成并形成曲面，器件的光谱响应通带相应分成K个离散点；光栅反射齿面上 每个离散点满足下面的光栅衍射方程，以此实现通带响应平坦，同时使得光栅反射面的反 射方向偏移常规闪耀光栅反射方向，以达到损耗均匀的效果：
[0009] 其中，I为中心输入波导与罗兰圆圆周相交点，0为中心输出波导与罗兰圆圆周相 交点，中心输出波导为位于输出波导阵列中间的波导，P为光栅极点，G nik表示第η个齿面上 第k个离散点，m为衍射级次，η表示光栅齿面的序数，2Ν+1为光栅齿面的总数量，k表示每 个齿面中离散点的序数，K表示每个齿面中离散点的总数；A k为光栅齿面上离散点对应的 光谱响应通带内的离散点的波长，IieffkS λ ,的平板区有效折射率。
[0010] 优选地，本发明可包含多条输入波导，所述的中心输入波导为位于多条输入波导 中间的波导。
[0011] 优选地，本发明可包含一条输入波导，所述的中心输入波导为该条输入波导。
[0012] 所述每个齿面中所有离散点对应的光谱响应范围内的离散点的波长AkW λ。为 中心在平坦通带波长范围λ R之内从
到
询匀分布，具体为：
[0014] 其中，λ。表示所述器件的光谱响应通带的中心波长。
[0015] 所述的平坦通带波长范围λ _^取值和通道间隔Λ λ相关，满足〇〈 λ R〈 Λ λ。
[0016] 所述的输入波导数量与输出波导阵列中的输出波导数量相同，构成NXN端口的 光波长路由器。
[0017] 所述器件的N个通道占据整个自由光谱范围，即通道间隔为自由光谱范围的1/Ν。
[0018] 所述的输入波导只有一条，所述器件具有1个输入通道和N个输出通道，N个通道 占据的光谱范围小于整个自由光谱范围。
[0019] 本发明的光栅反射齿面上每个齿面的内离散点分别对中心波长附近光谱响应通 带中一定波长的离散点满足干涉加强条件，从而达到通带响应平坦化效果；同时在此条件 下光栅反射面成为中心点位置不变但反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向的曲面，使得经 平板区传输后，光能量在输出波导阵列附近分散，同时提高了输出通道的损耗均匀性；通带 响应平坦化和通道损耗均匀的程度由上述波长离散点的范围决定。
[0020] 本发明具有的有益效果是：
[0021] 1.本发明在不增加器件尺寸和引入额外结构的基础上，可以提高各通道之间的损 耗均匀性，同时实现蚀刻衍射光栅各输出通道通带响应平坦化。
[0022] 2.本发明适用于基于二氧化硅，磷化铟，硅等的各种材料的波导和波导结构，制作 工艺与传统的蚀刻衍射光栅器件相同，有制作简单，成本低等优点。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明器件的结构示意图。
[0024] 图2是传统设计（虚线）和采用本发明所述方案设计（实线）的16X 16蚀刻衍 射光栅路由器频谱图，入射通道为# 1。
[0025] 图3是传统设计（虚线）和本发明所述方案设计（实线）的16X 16蚀刻衍射光 栅路由器频谱图，入射通道为#8。
[0026] 图4为不同λ R下仿真得到的中心输入输出通道IdB带宽值。
[0027] 图5为不同λκ下仿真得到的16X16通道组合损耗均匀性数值。
[0028] 图6为不同λ R下仿真得到的中心输入波导最大损耗值。
[0029] 图7为传统设计（虚线）和采用本发明所述方案设计（实线）的1X8蚀刻衍射 光栅频谱图。
[0030] 图中：1、输入波导，2、平板波导区，3、输出波导阵列，4、光栅反射齿面，5、中心输入 波导，6、中心输出波导，7、罗兰圆。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0032] 如图1所示，本发明由至少一条输入波导1、平板波导区2、输出波导阵列3和光栅 反射齿面4形成光路结构，从输入波导1入射的光经平板波导区2发散后被光栅反射面4 反射，再经过平板波导区2被输出波导3接收，从输入波导在平板波导区的入口端点到各光 栅反射面中心再到输出波导在输出平板波导区的出口的总光程成等差级数递增。其光路采 用罗兰圆7结构，即输入波导1和输出波导阵列3均置于罗兰圆7的圆周上，光栅反射齿面 4位于半径为罗兰圆7两倍的圆上且与罗兰圆7圆周相切。
[0033] 本发明在传统蚀刻衍射光栅设计的基础上，在光栅反射齿面4的每个齿面均由K 个离散点连接构成并形成曲面，器件的光谱响应通带也相应分成K个离散点；对于中心输 入波导5和中心输出波导6,光栅反射齿面4上每个离散点满足下面的光栅衍射方程，从而 达到通带响应平坦化效果，同时使得光栅反射面4中心点位置不变但反射方向偏移常规闪 耀光栅反射方向，以达到损耗均匀的效果：
[0035] 其中，I为中心输入波导5与罗兰圆7圆周相交点，0为中心输出波导6与罗兰圆 7圆周相交点，中心输出波导6为位于输出波导阵列3中间的波导，P为光栅极点，G nik表不 第η个齿面上第k个离散点，m为衍射级次，η表示光栅齿面的序数，2N+1为光栅齿面的总 数量，k表示每个齿面中离散点的序数，K表示每个齿面中离散点的总数；λ k为光栅齿面上 离散点对应的光谱响应通带内的离散点的波长，Iieff1S λ ^勺平板区有效折射率。
[0036] 确定了所以Gnik的位置之后，光栅齿面4即由这些点的连线组成。图中光栅反射 齿面4处虚线代表传统设计的光栅平面齿面，实线代表本发明设计的曲面光栅齿面。平板 波导区2内的虚线表示传统设计中从中心输入波导5传播到光栅反射齿面4再经光栅反射 齿面4反射传播到输出波导区域的光线，实线表示本发明设计中经光栅齿面4反射后传播 到输出波导区域的光线。
[0037] 上述每个齿面中所有离散点的对应的光谱响应通带内