一種基于立體直式陣列波導光柵波分器和功分器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于集成光子器件領域，涉及一種基于立體直式陣列波導光柵波分/功分器。
【背景技術】
[0002]AffG (Arrayed Waveguide Grating)是密集波分復用系統(DWDM)中的首選技術。一組具有相等長度差的陣列波導形成的光柵，使用具有分波的能力。其原理為:含有多個波長的復用信號光經中心輸入信道波導輸出后，在輸入平板波導內發生衍射，到達輸入凹面光柵上進行功率分配，并耦合進入陣列波導區。因陣列波導端面位于光柵圓的圓周上，所以衍射光以相同的相位到達陣列波導端面上。經陣列波導傳輸后，因相鄰的陣列波導保持有相同的長度差Δ?，因而在輸出凹面光柵上相鄰陣列波導的某一波長的輸出光具有相同的相位差，對于不同波長的光此相位差不同，于是不同波長的光在輸出平板波導中發生衍射并聚焦到不同的輸出信道波導位置，經輸出信道波導輸出后完成了波長分配即解復用功能。這一過程的逆過程，即如果信號光反向輸入，則完成復用功能，原理相同。目前國內外開發的DWDM技術主要有3種類型，它們分別基于陣列波導光柵和介質膜濾光片(TFF)以及光纖光柵(FBG)技術。AWG是一種平面波導器件，是利用PLC技術在芯片襯底上制作的陣列波導光柵。與FBG和TTF相比，AWG具有集成度高、通道數目多、插入損耗小、易于批量自動化生產等優點。
[0003]目前AWG發展的技術已經在向集成化、微小化發展，但AWG串聯干擾迫使AWG采用堆疊技術和級聯技術，以及羅蘭環的彎曲占用體積導致AWG器件體積龐大而難以集成，在和功分器結合后更是體積巨大，成本高昂。
【發明內容】
[0004]技術問題:本發明提供一種可以實現分出不同波長、減少器件尺寸、高度集成且可靠性高的基于立體直式陣列波導光柵波分器，同時提供一種基于該波分器的、功率平均分配的功分器。
技術方案:本發明的基于立體直式陣列波導光柵波分器，包括依次連接的輸入波導、輸入星型耦合器、正弦式曲臂陣列波導、輸出星型耦合器、輸出波導，所述輸入星型耦合器和輸出星型耦合器的構形均為直角梯形，二者的底角相等且斜邊相對設置，所述正弦式曲臂陣列波導由平行設置的多個正弦式曲臂波導構成。
[0005]本發明波分器的優選方案中，正弦式曲臂波導的曲臂形狀為正弦波形。
[0006]本發明波分器的優選方案中，正弦式曲臂陣列波導中，兩相鄰正弦式曲臂波導的長度差根據波分器的容量確定。通過確定的波分容量，按照現有的AWG計算方法可以計算出傳統曲臂陣列波導長度，其每根曲臂波導長度和正弦式曲臂波導長度一致。
[0007]本發明的基于立體直式陣列波導光柵功分器，由上述基于立體直式陣列波導光柵波分器和設置在所述波分器中輸出星型耦合器正上方的功分結構組成，所述功分結構包括依次連接的耦合波導陣列、耦合輸出星型耦合器和耦合輸出波導，所述耦合波導陣列由平行設置的多個耦合波導構成，所述耦合輸出星型耦合器與輸出星型耦合器的形狀完全一致。
[0008]本發明功分器的優選方案中，所述耦合波導的曲臂形狀為正弦波形，長度根據并列彎曲波導耦合原理來確定，耦合波導的輸入側的斷面與耦合輸出星型耦合器的梯形斜面平行。
[0009]本發明功分器的優選方案中，基于立體直式陣列波導光柵波分器與功分結構之間設置有隔離層。
[0010]本發明器件采用在矽晶圓上沉積二氧化矽(Si02)膜層，再利用微影制程(Photolithography)及反應式離子蝕刻法(Reactive 1n Etch)定義出陣列波導及分光元件等，接著在最上層覆以保護層的方法，波導包括輸入波導，兩個梯形FPR中間的正弦式陣列波導，最終的輸出波導和上層的耦合波導。正弦式陣列波導由于FPR的梯形形狀，每個波導的周期不同，從而光程也不同，達到了分波的目的，而波導立體耦合結構能按用戶要求分出功率，達到功分器集成的效果。
[0011]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:
同時具有功分和波分功能。目前現有的陣列波導大部分為符合羅蘭球面原理的陣列波導，利用羅蘭曲面的光程差特性來達到波分的目的。而本發明利用改變正弦式陣列波導的周期來改變光程長，通過改變梯形星型耦合器斜邊的斜率以及改變正弦波的振幅等手段可以得到不同的周期差，達到濾出所需波長的目的。同時利用倏逝場耦合原理，可以通過改變耦合層厚度來達到分出用戶要求的光功率的兩路的目的。
[0012]集成度高，結構緊湊，成本低。傳統的AWG陣列波導的器件按照羅蘭曲面原則進行設計的，是彎曲結構，尺寸非常大但空間利用率不高，占據了波分器件的大部分空間。而本發明利用的正弦式陣列波導改變了傳統AWG的結構，使得AWG從曲臂變為直通式，大大減小了器件長度，提高了空間利用率，節省了材料，降低了成本。同時解決了 AWG的最大的體積過大的問題，使提高AWG集成度、采用AWG堆疊技術集成化成為可能。本發明將功分器和波分器的功能集中在一塊芯片上，采用立體上下層結構，相比現有的波分器和功分器的平面簡單級聯更為緊湊和節省材料。
[0013]功分誤差低。本發明利用倏逝場耦合來獲取經過不同光程的光信號，獲得的信號損失小，保真度高。相比于傳統的AWG平面簡單級聯功分器的方法，此法損耗較小。
【附圖說明】
[0014]圖1為一種基于立體直式陣列波導光柵波分器和功分器主視圖；
圖2為一種基于立體直式陣列波導光柵波分器和功分器左視圖；
圖3為一種基于立體直式陣列波導光柵波分器和功分器右視圖；
圖4為一種基于立體直式陣列波導光柵波分器和功分器俯視圖。
[0015]圖中有:輸入波導10、輸入星型耦合器20、正弦式曲臂陣列波導30、輸出星型耦合器40、輸出波導50、親合波導陣列60、親合輸出星型親合器70、親合輸出波導80，101、102、103,104,105和106為輸入星型耦合器端部排列設置的多個輸入波導。
【具體實施方式】
[0016]為進一步說明本發明的內容及特點，下面結合實施例和說明書附圖對本發明做進一步說明，但本發明不限制于實施例。
[0017]本發明的基于立體直式陣列波導光柵波分器在結構上設有輸入星型耦合器20，輸出星型耦合器40，依次連接的直輸入波導10 (數目可調節)，依次連接的輸出波導50 (數目可調節)，正弦式曲臂陣列波導30。
[0018]本發明的基于立體直式陣列波導光柵功分器在結構上設有依次連接的耦合波導陣列60，耦合輸出星型耦合器70和耦合輸出波導80 (數目可調節)。
[0019]圖1是基于立體直式陣列波導光柵波分/功分器示意圖，以該結構實現的器件同時擁有波分器和功分器兩種器件的功能，縮小了器件體積，降低成本。該實施例是一個6*4的AWG器件，采用SOI材料，其自由光譜范圍FSR為6 Λ λ，Λ λ由AWG設計容量定，此例取用12nm，則FSR為中心波長由用戶輸入波長λ。決定，此處采用1550nm的中心波長。貝Ij此AWG的衍射級數為22，正弦式陣列波導光柵30中各個波導長度差不小于11 ym，其中最短波導長度不小于20 μ mo輸入光信號通過輸入波導10輸入，經過FPR星型耦合器20輸入在結構上設置的正弦波式的曲臂陣列波導30，由于FPR的結構是梯形，可以達到設置不同的周期數而獲得不同光程，從而分出不同的波長的目的。所以陣列波導的周期數不同，導致光程不同，其每根波導的光程差為11 μπι，達到波分效果。在到達輸出端FPR40之前，在第一層輸出的FPR上方設置有另一個FPR，且在上方的FPR上有小型的波導耦合結構。波導耦合結構能夠均勻地分出光功率，達到功分器的目的。而且在上方的FPR上的波導耦合結構直接耦合了經過不同光程的光波，能節省AWG的曲臂部分。最后由輸出波導50和耦合輸出波導80輸出。
[0020]圖2為右視圖，圖3為左視圖，圖4為俯視圖。
[0021]上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于立體直式陣列波導光柵波分器，其特征在于:該波分器包括依次連接的輸入波導(10)、輸入星型耦合器(20)、正弦式曲臂陣列波導(30)、輸出星型耦合器(40)、輸出波導(50)，所述輸入星型耦合器(20)和輸出星型耦合器(40)的構形均為直角梯形，二者的底角相等且斜邊相對設置，所述正弦式曲臂陣列波導(30)由平行設置的多個正弦式曲臂波導構成。
2.根據權利要求1所述的基于立體直式陣列波導光柵波分器，其特征在于:所述正弦式曲臂波導的曲臂形狀為正弦波形。
3.根據權利要求1或2所述的基于立體直式陣列波導光柵波分器，其特征在于:所述正弦式曲臂陣列波導(30)中，兩相鄰正弦式曲臂波導的長度差根據波分器的容量確定。
4.一種基于立體直式陣列波導光柵功分器，其特征在于:該功分器由權利要求1、2或3所述的基于立體直式陣列波導光柵波分器和設置在所述波分器中輸出星型耦合器(40)正上方的功分結構組成，所述功分結構包括依次連接的耦合波導陣列(60)、耦合輸出星型耦合器(70)和耦合輸出波導(80)，所述耦合波導陣列(60)由平行設置的多個耦合波導構成，所述耦合輸出星型耦合器(70)與輸出星型耦合器(40)的形狀完全一致。
5.根據權利要求4所述的基于立體直式陣列波導光柵功分器，其特征在于:所述耦合波導的曲臂形狀為正弦波形，長度根據并列彎曲波導耦合原理來確定，耦合波導的輸入側的斷面與耦合輸出星型耦合器(70)的梯形斜面平行。
6.根據權利要求4或5所述的基于立體直式陣列波導光柵功分器，其特征在于:所述基于立體直式陣列波導光柵波分器與功分結構之間設置有隔離層。
【專利摘要】本發明公開一種基于立體直式陣列波導光柵波分器和功分器，設置在底板上的AWG芯片區別于傳統的曲臂式陣列波導結構，采用了正弦式曲臂陣列波導結構，通過改變正弦波的周期數來達到獲取不同光程差的目的。還在輸出的FPR（星型耦合器）上方設置有波導耦合結構，可以達到功分器的目的。該集成器件區別于傳統的AWG結構，能夠達到直式的AWG結構，同時能實現波導耦合和功分的功能，大大減少了AWG元件的尺寸，工藝也易于實現，具有體積小、重量輕、易于集成等優點，適于大規模生產。
【IPC分類】G02B6-124, G02B6-122
【公開號】CN104570208
【申請號】CN201510054821
【發明人】孫小菡, 蔣衛鋒, 李元, 呂濤, 崔晗, 田勇
【申請人】東南大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年2月3日