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
均匀分布，具体为：
[0039] 其中，λ。表示所述器件的光谱响应通带的中心波长。
[0040] 所述的平坦通带波长范围入_^取值和通道间隔Λ λ相关，满足〇〈λ Κ〈Λ λ。λκ 越大，通带响应平坦越好，损耗均匀性越好。
[0041] 包含多条输入波导1，其中心输入波导5为位于多条输入波导1中间的波导。优选 的输入波导1数量与输出波导阵列3中的输出波导数量相同，构成NXN端口的光波长路由 器。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。
[0042] 包含一条输入波导1，其中心输入波导5即为该条输入波导1。形成的器件具有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。
[0043] 本发明的原理如下：
[0044] 如图1所示，本发明从输入波导1进入的入射光在平板波导区2发散后，经光栅反 射面4反射后，在输出波导3处汇聚。从输入点到每个光栅齿面中点再到输出点的光程均 为波长整数倍，且成等差级数递增，从而形成干涉加强后输出。与传统的蚀刻衍射光栅器件 不同，本发明所述的各光栅反射面4由K个离散点连线构成，光栅光谱响应通带也相应分成 K个离散点，光栅反射面上每个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，故相比于传统设计，每个通道除中心波长外，中心波长附近的一定 范围的波长均能收集到更多能量，所以通带响应更平坦。传统的蚀刻衍射光栅路由器件中， 由于衍射级次高，光栅齿面大，光栅能量包络下降很快，各输入输出通道组合间的损耗差异 可达5dB (对4X 4波长路由器而言）。本发明中由于改变了光栅齿面上离散点的位置，使得 光栅反射齿面4成为反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向的曲面，反射方向不再对准输出 波导，因此分散了光能量，多个通道间的插入损耗差值得以弥补。
[0045] 而现有的光栅器件提出通过旋转光栅齿面来实现损耗均匀，但按照其设计的光栅 输出光谱通带顶端倾斜，会造成中心波长漂移。本发明提出的方法能使光栅光谱通带顶端 平坦，而且可以通过调整设计参数改变通带带宽，同时仍然保持损耗均匀的效果，灵活性大 且优化了器件多方面性能。
[0046] 由于传统的输入波导阵列和输出波导阵列的波导的朝向均是指向光栅反射齿面4 的入射和反射光线方向，那么为了减小本发明所述的光栅器件带来的额外损耗，各输入、输 出波导的朝向也需要按照接收能量最大的方向进行优化。
[0047] 下面以一个具体实例对本发明作进一步说明：
[0048] 基底选择材料磷化铟，其中波导芯层为铟镓砷磷，厚度0.35 μπι，上包层为 I. 65 μ m磷化铟，芯层下有I. 5 μ m磷化铟缓冲层，设计一个16 X 16的蚀刻衍射光栅波长路 由器，通道间隔为〇.8nm，即FSR为12.8nm。选取参数λκ=〇·5ηπι。在传统设计的基础上， 根据式（1)得到光栅反射齿面4的分布。
[0049] 16条输入波导的通道序号分别记为#1~#16,16条输出波导的通道序号分别记为 #1 ~#16。
[0050] 图2中虚线为传统设计下仿真的从边缘通道#1输出的光谱图，实线为本发明设计 仿真得出的光谱图。由图可得，传统设计从通道#1输入，16个输出通道的频谱为高斯型， IdB带宽0. lnm，16个通道损耗最小为0. 27dB，最大为18. 14dB，损耗均匀性为17. 88dB ;而 采用本发明设计，从通道#1输入，16个通道输出的频谱为梯形，IdB带宽为0. 6nm，IdB带宽 提高了 6倍，16个通道损耗最小为10. 43dB，最大为10. 99dB，损耗均匀性为0. 56dB，比传统 设计减小了 17. 32dB，损耗最大通道的损耗也比传统设计提高了 7. 15dB。
[0051] 图3中虚线为传统设计下仿真的从中心通道#8输出的光谱图，实线为本发明设计 仿真得出的光谱图。由图可得，传统设计从通道#8输入，16个通道损耗最小为0. 26dB，最 大为3. 80dB，损耗均匀性为3. 55dB ;而应用本发明设计，从通道#8输入，16个通道损耗最 小为9. 89dB，最大为10. 57dB，损耗均匀性为0. 68dB，比传统设计减小了 2. 87dB。
[0052] 传统设计和本发明设计的16X 16通道组合损耗均匀性分别为17. 89dB和I. 16dB， 采用本发明设计，整个器件的损耗均匀性提高了 16. 73dB
[0053] 通过调整λκ可以调整器件的平坦化和损耗均匀效果，但λ R的取值会直接影器件 的插入损耗。分别设定Xr= 〇· 3nm, 0· 4nm, 0· 5nm, 0· 6nm，通过仿真得到器件的IdB带宽、 16X 16通道损耗非均匀性和中心输入波导平均损耗如图4、图5、图6所示。从图4中可见， λκ值与IdB带宽基本成线性关系，λ ,取值越大，频谱通带IdB带宽越大，通带响应平坦化 效果越好，从图5可见，λ ,取值越大，器件的损耗均匀性越好，但从图6中可见，λ R取值越 大，器件的损耗也随之增大。λκ= 〇. 6nm时，中心输入波导平均损耗可增加至12dB。设 计时应综合考虑各方面需求，合理选择λ R。
[0054] 本发明针对普通的IXN蚀刻衍射光栅同样适用。同样选择上述材料和层状结构， 设计一个8通道，通道间隔为500GHz的蚀刻衍射光栅，FSR取为65nm。选择λ R= I. 7nm， 仿真得到光谱图如图7所示，其中虚线为传统设计下光谱，实线为本发明设计的光谱。器 件IdB带宽从传统设计的0. 6nm增至I. 7nm，损耗非均匀性从传统设计的0. 60dB减小到 0. 29dB〇
[0055] 从上述实例可见，本发明方法设计的光栅同时具有通带响应平坦和损耗均匀的效 果，对频谱通带带宽和损耗均匀性的改善十分显著，并可通过调整设计参数控制器件的IdB 带宽和损耗均匀性数值，该方法对NXN和I XN的蚀刻衍射光栅均适用。
[0056] 注意，上述实施例是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护 范围。
【主权项】
1. 一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，主要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，输入波导（1) 的入射光经平板波导区（2)发散后被光栅反射面（4)反射，再经过平板波导区（2)后被输 出波导阵列（3)接收，所述光路采用罗兰圆（7)结构；其特征在于： 光栅反射齿面（4)的每个齿面均由I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I个离散点；光栅反射齿面（4)上每个离散点满足下面的光栅衍射方程，W此 实现通带响应平坦，同时使得光栅反射面（4)的反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向，W 达到损耗均匀的效果：其中，I为中屯、输入波导（5)与罗兰圆（7)圆周相交点，0为中屯、输出波导化）与罗兰 圆（7)圆周相交点，中屯、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",k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，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，Κ表示每个齿面中离散点的总数；λk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，neffk为人k的平板区有效折射率。2. 根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其 特征在于：包含多条输入波导（1)，所述的中屯、输入波导（5)为位于多条输入波导（1)中间 的波导。3. 根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其 特征在于：包含一条输入波导（1)，所述的中屯、输入波导（5)为该条输入波导（1)。4. 根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其 特征在于： 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λ,Κλ。为中屯、 在平坦通带波长范围λ,之内从到均匀分布，具体为：其中，λ。表示所述器件的光谱响应通带的中屯、波长。5. 根据权利要求4所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其 特征在于：所述的平坦通带波长范围λΚ取值和通道间隔Δλ相关，满足〇<λκ<Δ入。6. 根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件， 其特征在于：所述的输入波导（1)数量与输出波导阵列（3)中的输出波导数量相同，构成 ΝΧΝ端口的光波长路由器。7. 根据权利要求6所述的一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件，其 特征在于：所述器件的Ν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。8. 根据权利要求1所述的一种通道损耗均匀且频谱通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器 件，其特征在于：所述的输入波导（1)只有一条，所述器件具有1个输入通道和Ν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。
【专利摘要】本发明公开了一种通道损耗均匀且通带响应平坦的蚀刻衍射光栅器件。本发明在传统蚀刻衍射光栅设计的基础上，光栅反射齿面的每个齿面均由多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多个离散点；每个光栅反射齿面上每个离散点均对光谱响应通带内的相应波长满足干涉加强条件，以实现通带响应平坦，同时光栅反射面的反射方向偏移常规闪耀光栅反射方向，使得经平板区传输后，光能量在输出波导阵列附近分散，以达到通道损耗均匀的效果。本发明在不改变蚀刻衍射光栅组成部分并不引入额外器件的基础上，实现了各通道带宽的增加，并且同时提高了蚀刻衍射光栅损耗均匀性；适用于基于磷化铟，二氧化硅，硅等各种材料的波导结构，具有制作简单、成本低等优点。
【IPC分类】G02B6/293, G02B5/18
【公开号】CN105319629
【申请号】CN201510737355
【发明人】何建军, 穆鸽
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年11月3日