兩點聚焦實現通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復用器件的製作方法

2023-07-06 04:04:31 2

專利名稱：兩點聚焦實現通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復用器件的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光通訊波分復用領域，特別涉及一種具有寬帶通、大的1dB帶寬的蝕刻衍射光柵(EDG)型波分復用器件。
背景技術：
波分復用/解復用技術是現代光纖通信技術的關鍵技術。波分復用/解復用就是指通過特殊的技術，將不同波長的光合成複合光，以及將複合光中不同波長的光分離出來。波分復用(解復用)器件就是實現波分復用/解復用技術的器件。衍射蝕刻光柵(EDG)型波分復用/解復用器是平面波導密集波分復用器件中很有發展潛力的一種，和其它類型的波分解復用器(如陣列波導光柵型解復用器)相比，它有集成度高結構緊湊、波長解析度高等優點，適用於多通道的波長分離。
圖1是傳統的EDG型復用/解復用器件的結構示意圖。傳統的EDG型復用/解復用器件由輸入波導1、自由傳播區2、凹面衍射光柵3、輸出波導4組成。複合光從輸入波導1入射，進入自由傳輸區2自由發散傳播，到達凹面衍射光柵3，由於凹面光柵同時有會聚和色散的功能，所以不同波長的入射光經反射後會聚在成像曲面上不同的位置，並由輸出波導輸出，即將不同波長的光分離開來，實現解復用的功能。一般來說，同一個EDG器件能同時作為復用器和解復用器，它們唯一的不同在於光通過器件的方向是相反的，為方便起見，下面只對解復用器作介紹，本實用新型對復用器也適用。
在常規的的設計方法中，波分復用/解復用器件的頻譜響應形狀為高斯形，當實際波長偏離設計值時，就造成接受能量的大大降低，所以，這種波分復用/解復用器件對系統中的光源的波長偏差有嚴格地要求，從而需要對雷射器、波分復用/解復用器件進行精確地溫控。在實際情況中，大量的外部因素可能使工作波長發生漂移(包括光源本身的漂移，溫漂，折射率變化等等)，尤其在WDM環形、總線型網絡中，信號需經過多個濾波器，使得總的帶寬更窄，這大大的限制了波分復用/解復用器件在WDM系統中的應用。而平坦的頻譜響應能夠有效的消除這些因素對器件性能造成的影響，使系統的穩定性大大提高，降低了使用成本。
目前已有一些方法用來實現波分復用/解復用器件頻譜的平坦化，例如M.R.Amersfoort等發表了令一篇題為「Phased-arrayed wavelength demultiplexerwith flattened wavelength response」，Electron.Lett.，1994，30(4)，pp.300-302的文章提出使用多模波導輸出來實現平坦化，但這種方法只適用于波分復用/解復用器直接與探測器相連的情況。
T.Chiba等在OECC(2000)，13B2-2裡提到使用interleaver來實現信號復共軛實現平坦化，但是這種方法使器件尺寸過大，不宜於集成，同時價格也相對昂貴。
A.Rigney等發表了令一篇文章，「Double-phased array for a flattened spectralresponse」，Proc.23rd ECOC，Edinburgh，UK，pp.79-82，Sept.1997，中提到使用雙相位陣列來實現平坦化，該方法和上一種方法類似，平坦化效果相對有限，而且複雜度增大。
K.Okamoto等發表了一篇題為「Eight-Channel flat spectral response Arrayed-waveguide multiplexer with asymmetrical Mach-Aehnder filters」，IEEEPhot.Tech.Lett.，vol.8，no.3，march 1996，pp.373-374.文章涉及一種使用M-Z幹涉儀來實現平坦化，但是這種方法會造成大的器件尺寸，大的插損，同時還有可能引起模斑變形。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種兩點聚焦實現通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復用器件，是將單一的凹面衍射光柵替換為聚焦點不同的多個子光柵，將入射光會聚於輸出波導附近的兩點，從而實現器件的通帶平坦化。
本實用新型的技術方案是它包括輸入波導、自由傳播區、凹面衍射光柵、輸出波導。凹面衍射光柵的結構為由兩個子光柵或兩個以上的子光柵組成的凹面衍射光柵系統，子光柵A1～An的會聚點為O1，子光柵B1～Bn的會聚點為O2。。
本實用新型的優點是它沒有引入額外的工藝步驟，並且不增加器件的尺寸，以較小的功率代價使器件具有寬通帶、大的1dB帶寬的特性。


圖1是傳統的EDG型復用/解復用器件的結構示意圖；圖2是本實用新型的EDG型復用/解復用器件的結構示意圖；圖3是由兩個子光柵組成的凹面衍射光柵系統示意圖；圖4是由N個會聚點不同的子光柵交替分布組成的凹面衍射光柵系統示意圖；圖5是傳統蝕刻衍射光柵在像面上的場分布和本實用新型實現的在像面上的場分布的比較；圖6是傳統蝕刻衍射光柵的高斯型頻譜響應和本實用新型實現的平頂形頻譜響應的比較。
具體實施方式
如圖2所示，本實用新型包括輸入波導1、自由傳播區2、凹面衍射光柵、輸出波導4。凹面衍射光柵5的結構為由多個會聚點不同的子光柵組成的凹面衍射光柵系統。
對於照射到光柵上的某一個波長的入射光，子光柵A1～An將照射到它上面的能量會聚於像面上的點O2，照射到子光柵B1～Bn上的能量則被會聚於像面上的點O2，會聚於O1和O2的這兩個場的形狀均為高斯形，如圖5所示，但是，將O1及O2間的距離調整到一個適當的值，這兩個場的疊加就使得像面上的總的場分布由傳統的高斯型變為雙峰型，從而使器件頻譜響應的形狀變為平頂形。
1、子光柵結構的確定首先應確定組成凹面光柵系統的子光柵的個數，一部分子光柵的成像點為O1，其餘部分的成像點為O2。然後分別確定每個子光柵的結構。
如圖3所示，是本實用新型第一個實施例的示意圖，凹面衍射光柵5為由兩個子光柵組成的凹面衍射光柵系統結構的確定，光柵系統由子光柵A1和子光柵B1兩部分組成，子光柵A1的成像點為O1，子光柵B1的成像點為O2，子光柵A1的各槽面中心Pi應滿足IPi+PiO1-(IO+OO1)=im0/neff......(1)]]>其中，I為入射點，O為光柵中點，neff為自由衍射區的有效折射率，λ0為中心波長，m為光柵的衍射級數，i為離光柵中點O的槽面數，這個條件使得中心波長的像差為0，同樣，子光柵B1的各槽面中點P′j應滿足IPj+PjO2-(IO+OO2)=jm0/neff......(2)]]>同時，各槽面中點位於半徑為R的光柵圓上。由這些條件可求出兩個子光柵中每個槽面中點的位置，各槽面中點確定後，過中點作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個光柵的結構。
圖4所示是本實用新型另外一個實施例的示意圖。凹面衍射光柵5由N個子光柵交替分布組成的凹面衍射光柵系統結構的確定，若光柵的總槽面數目也為N，則整個凹面衍射光柵系統由N個子光柵組成，每個子光柵上只有一個光柵槽面，對應於不同成像點O1和O2的子光柵交替分布，即相鄰的兩個子光柵中，一個子光柵上的各槽面中心Pi滿足IPi+PiO1-(IO+OO1)=im0/neff......(3)]]>另一個子光柵上的各槽面中心P′j滿足IPj+PjO2-(IO+OO2)=jm0/neff......(4)]]>同時，各槽面中點位於半徑為R的光柵圓上。由這些條件可求出各子光柵中每個槽面中點的位置，各槽面中點確定後，過中點作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個光柵的結構。
2、頻譜響應衍射蝕刻光柵的對某一位置輸出波導的頻譜響應函數可以表達為I=|F^wgEout(x,zc)dx|2Ein(x)Ein*(x)dx]]>其中，算子 表示輸出波導對光柵成像的耦合特性。
由於衍射蝕刻光柵的分光特性決定了在局部波長範圍內，輸出位置和波長是呈線性變化的。同時假設對於一個信道間隔範圍內的波長，其單模橫向場分布相同。對於輸出波導也為單模波導的傳統設計，衍射蝕刻光柵的頻譜響應可由重疊積分公式求得I=|Eout(,x)Ewg*(,x)dx|2Ein(,x)Ein*(,x)dxEwg(,x)Ewg*(,x)dx]]>其中Eout是光柵在輸出面上的場分布，Ein和Ewg分別是輸入和輸出波導的模場分布函數。當兩者相等時，可以進一步得到一個自卷積函數。
輸出模場的分布可通過標量波動理論來計算。將輸入波導(z＝0)處的光場分布用一模場半徑為ω0的高斯光斑來模擬，高斯光斑在平板波導中的菲涅耳衍射由一高斯束描述，這樣得到光柵槽面上的場分布E(x,z)=(2w2)14e-x2w2e-ik(z+x22R)+i......(5)]]>其中，2=02[1+(zz0)2],R=z[1+(z0z)2],=tan-1(z/z0),z0=neff02/.]]>然後通過二維Kirchhoff-Huygens衍射公式，可得到像面上各點的場E(x,z)=12(neff)1/2E(x,z)r0(cos(i+d)exp(-ikr0)ds......(6)]]>其中，r0為光柵上一點(x，z)到像面上一點(x′，z′)的距離，E(x，z)為光柵槽面上的電場，θi和θd分別為入射光和散射光與光柵槽面法線的夾角。得到輸出模場分布，就可以使用重疊積分計算耦合效率，進而獲得頻譜響應。
圖6是本實用新型的平頂形頻譜響應和傳統結構的高斯形頻譜響應的比較，該圖所用的參數為

相對於普通的高斯形的頻譜響應，實施例1的結構中，器件的1dB帶寬增加了283.4％，3dB帶寬增加了200.5％，有效帶寬比為0.455，損耗增加了4.7dB；實施例2中，器件的1dB帶寬增加了132.0％，3dB帶寬增加了112.2％，品質因素從0.1513增加到0.3291，損耗相應增加了4.5dB。
權利要求1.兩點聚焦實現通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復用器件，它包括輸入波導(1)、自由傳播區(2)、凹面衍射光柵、輸出波導(4)，其特徵在於凹面衍射光柵(5)的結構為由兩個子光柵或兩個以上的子光柵組成的凹面衍射光柵系統，子光柵A1～An的會聚點為O1，子光柵B1～Bn的會聚點為O2。
2.根據權利要求1所述的兩點聚焦實現通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復用器件，其特徵在於凹面衍射光柵(5)為由兩個子光柵組成的凹面衍射光柵系統結構的確定，光柵系統由子光柵A1和子光柵B1兩部分組成，子光柵A1的成像點為O1，子光柵B1的成像點為O2，子光柵A1的各槽面中心Pi應滿足IPi+PiO1-(IO+OO1)=im0/neff......(1)]]>其中，I為入射點，O為光柵中點，neff為自由衍射區的有效折射率，λ0為中心波長，m為光柵的衍射級數，i為離光柵中點O的槽面數，這個條件使得中心波長的像差為0，同樣，子光柵B1的各槽面中點P′j應滿足IPj+PjO2-(IO+OO2)=jm0/neff......(2)]]>同時，各槽面中點位於半徑為R的光柵圓上，由這些條件可求出兩個子光柵中每個槽面中點的位置，各槽面中點確定後，過中點作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個光柵的結構。
3.根據權利要求1所述的兩點聚焦實現通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復用器件，其特徵在於凹面衍射光柵(5)由N個子光柵交替分布組成的凹面衍射光柵系統結構的確定，若光柵的總槽面數目也為N，則整個凹面衍射光柵系統由N個子光柵組成，每個子光柵上只有一個光柵槽面，對應於不同成像點O1和O2的子光柵交替分布，即相鄰的兩個子光柵中，一個子光柵上的各槽面中心Pi滿足IPi+PiO1-(IO+OO1)=im0/neff......(3)]]>另一個子光柵上的各槽面中心P′j滿足IPj+PjO2-(IO+OO2)=jm0/neff......(4)]]>同時，各槽面中點位於半徑為R的光柵圓上。由這些條件可求出各子光柵中每個槽面中點的位置，各槽面中點確定後，過中點作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個光柵的結構。
專利摘要本實用新型公開了一種兩點聚焦實現通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復用器件。它包括輸入波導、自由傳播區、凹面衍射光柵、輸出波導。凹面衍射光柵的結構為由兩個子光柵或兩個以上的子光柵組成的凹面衍射光柵系統，子光柵A
文檔編號H04B10/12GK2552259SQ02265078
公開日2003年5月21日 申請日期2002年6月25日 優先權日2002年6月25日
發明者文泓橋, 石志敏, 何賽靈, 盛鍾延 申請人:浙江大學