專利名稱：非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，尤其是一種非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，屬于 集成光學(xué)器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
陣列波導(dǎo)光柵(AWG)是一種重要的角色散型無源器件，以其設(shè)計(jì)靈活、濾波特性良 好、性能穩(wěn)定可靠、插入損耗小、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著人們對(duì)大 容量數(shù)據(jù)交換的需求不斷增加，大通道數(shù)的陣列波導(dǎo)光柵成了目前一個(gè)重要的研究方向。 另一方面，全光網(wǎng)絡(luò)中也迫切需要一種能夠工作在各個(gè)波段陣列波導(dǎo)光柵。
如圖1所示，傳統(tǒng)的陣列波導(dǎo)光柵通常由輸入波導(dǎo)l、第一平板波導(dǎo)2、波導(dǎo)陣列3、第 二平板波導(dǎo)4、輸出波導(dǎo)5組成，這些部件集成在同一襯底上。通常兩個(gè)平板波導(dǎo)又稱為自 由傳播區(qū)域(FPR)，而其中的波導(dǎo)陣列3是整個(gè)陣列波導(dǎo)光柵的核心，輸入/輸出波導(dǎo)分別 位于兩個(gè)羅蘭圓(Rowland圓)圓周上， 一般對(duì)稱地分布在器件的兩端。兩個(gè)自由傳播區(qū)(羅 蘭圓結(jié)構(gòu))由陣列波導(dǎo)連接，陣列波導(dǎo)中各個(gè)波導(dǎo)在兩個(gè)羅蘭圓的接口處等間隔排列，且 相鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)度差為一常數(shù)，該常數(shù)等于陣列波導(dǎo)光柵中心通道波長(zhǎng)的整數(shù)倍。不同波長(zhǎng) 的光信號(hào)通過輸入波導(dǎo)進(jìn)入自由傳播區(qū)域(第一平板波導(dǎo))，發(fā)生衍射，耦合入陣列波導(dǎo)， 經(jīng)過陣列波導(dǎo)的色散作用，引起波前傾斜，再經(jīng)過第二個(gè)自由傳播區(qū)(第二平板波導(dǎo))在輸 出波導(dǎo)端的不同位置上成像，完成解復(fù)用功能。反之，可將不同輸入波導(dǎo)中的具有不同波 長(zhǎng)的光信號(hào)匯集到同一根輸出波導(dǎo)中，完成復(fù)用功能。
由于傳統(tǒng)AWG的陣列波導(dǎo)部分采用的是等間隔排列，相鄰陣列波導(dǎo)間的光程差也都相 等，這就導(dǎo)致了一個(gè)不容忽視的缺點(diǎn)波導(dǎo)陣列對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角度受到柵瓣的限制，通常 只有幾度，在要求通道數(shù)很大的情況下，要求AWG的平板波導(dǎo)區(qū)很長(zhǎng)，因而使得整個(gè)AWG 的面積急劇增大，以至于無法制作在一片晶片上。由于波導(dǎo)的彎曲半徑已經(jīng)可以做得很小， 達(dá)到2000wm左右，因此對(duì)大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵來說，影響器件尺寸的關(guān)鍵因素就是自 由傳播區(qū)的長(zhǎng)度。已知的現(xiàn)有技術(shù)中，在單片4英寸晶片上制作的AWG的最大通道數(shù)為512， 日本制造商N(yùn)TT制作的超過1000個(gè)通道數(shù)的AWG是通過制作在幾片晶片上實(shí)現(xiàn)的，這不 僅對(duì)微電子工藝是個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也極大地增加了成本。在目前光通信對(duì)大通道數(shù)的陣列 波導(dǎo)光柵的迫切要求下，低成本的大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵越來越受到了人們的關(guān)注。然而 由于傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)和原理上的限制，傳統(tǒng)的大通道數(shù)的陣列波導(dǎo)光柵必然導(dǎo)致器 件尺寸很大，以至于相應(yīng)的加工難度增大，甚至無法集成在一片晶片上。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種新的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造方法， 這種結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)大通道數(shù)時(shí)能明顯地減小器件的尺寸，這樣不僅降低了器件的制作難度， 還增加了器件的集成度，降低了成本。本發(fā)明是基于這樣的構(gòu)思由于非規(guī)則排列的波導(dǎo) 陣列具有很大的光束偏轉(zhuǎn)角度，可以用來改善大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵因?yàn)槠D(zhuǎn)角度受到柵
瓣限制而導(dǎo)致的器件過大的問題，從而大大提高在單個(gè)晶片上集成大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵 的能力。
根據(jù)以上發(fā)明構(gòu)思，非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)依次包括輸入波導(dǎo)、第一平板 波導(dǎo)、波導(dǎo)陣列、第二平板波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，其特征在于，所述的波導(dǎo)陣列是非等間隔排 列的，相鄰的陣列單元波導(dǎo)間的光程差不完全相等。
所述相鄰的陣列波導(dǎo)間的間隔非規(guī)則和光程差不完全相等可以有很多種實(shí)現(xiàn)方法，較 佳地有下面兩種。
第一種實(shí)現(xiàn)方法所述陣列波導(dǎo)由L個(gè)陣列單元個(gè)數(shù)(也就是光波導(dǎo)個(gè)數(shù))組成，相鄰 單元間距di和相鄰單元光程差ncAli (i=l,2,…，L-1)滿足如下的關(guān)系-
"X =夂y^
其中，nc為波導(dǎo)的基模等效折射率，i-l,2,…，L-1， ns為平板波導(dǎo)的等效折射率，ki 為波導(dǎo)陣列的衍射級(jí)數(shù)，ga為角度偏轉(zhuǎn)范圍因子，IAWG波導(dǎo)陣列的最大偏轉(zhuǎn)角度為士 arcsin(l/ga)， Ao為中心波長(zhǎng)，即，如果要求非規(guī)則陣列波導(dǎo)光柵(IAWG)的工作波長(zhǎng)在
PH 12之間，則中心波長(zhǎng)Ao-(、+入2)/2， A入max =(入2-^1)/2, △入=入0-入，入為工作波長(zhǎng)
范圍內(nèi)的任意波長(zhǎng)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，如果所有的通道不需要對(duì)稱分布，則中心波長(zhǎng)入o
的取值可以在("+X2)/2的基礎(chǔ)上作小范圍的調(diào)整，AAmax也可以在a2-^)/2的基礎(chǔ)上作 小范圍的調(diào)整。制作一個(gè)實(shí)際的非規(guī)則陣列波導(dǎo)光柵需要確定陣列波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸，也就
是要確定陣列單元個(gè)數(shù)L，相鄰單元間距di和相鄰單元光程差ncAli，通常的做法是，先在 一定范圍內(nèi)選取L個(gè)ki的值(都為整數(shù)， 一般允許重復(fù)選取)，然后根據(jù)公式(l)分別確定 出di和ncAli來。這些參數(shù)很大程度上決定了整個(gè)陣列波導(dǎo)光柵的性能，優(yōu)化這些參數(shù)是 優(yōu)化整個(gè)器件的性能的第一步，因而這一部分參數(shù)的確定和優(yōu)化也是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
第二種實(shí)現(xiàn)方法所述的波導(dǎo)陣列包括若干個(gè)非等間隔排列的子波導(dǎo)陣列(簡(jiǎn)稱子陣
列)，每個(gè)子陣列都具有相同的特征，共用一組結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，所述的特征參數(shù)包括陣列
單元(波導(dǎo))數(shù)N、相鄰單元間距di和相鄰單元光程差ncAlj (i:l，2,…，N-l)，其中nc為
波導(dǎo)的基模等效折射率，Ali為相鄰單元波導(dǎo)的長(zhǎng)度差。各個(gè)子陣列之間的關(guān)系，由另一
組結(jié)構(gòu)參數(shù)即母陣列的特征參數(shù)來描述，包括子陣列的個(gè)數(shù)M、相鄰子陣列的間距Dj和相 鄰子陣列的光程差ncALj (j-l,2，…，M-1)，其中Dj為相鄰子陣列對(duì)應(yīng)波導(dǎo)間(在各自子 陣列中處于相同位置的兩個(gè)波導(dǎo))的間距，ALj為相應(yīng)的長(zhǎng)度差。這三個(gè)參數(shù)分別與上述 子陣列的三個(gè)參數(shù)N, di，和Ali對(duì)應(yīng)，且描述的是各個(gè)子陣列之間的關(guān)系，因此將這三個(gè)參 數(shù)所描述的陣列稱為母陣列。從邏輯結(jié)構(gòu)上看，整個(gè)陣列波導(dǎo)可以看成是由滿足這些關(guān)系 的"子波導(dǎo)陣列"所組成的大的陣列，其參數(shù)包括子陣列的個(gè)數(shù)M、相鄰子陣列之間相應(yīng) 陣列單元間的間隔Dj和相鄰子陣列之間相應(yīng)陣列單元間的光程差A(yù)Lj 。
當(dāng)子陣列和母陣列的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別滿足一定的關(guān)系時(shí)，整個(gè)非規(guī)則陣列波導(dǎo)光 柵的各個(gè)陣列單元才能夠在主瓣方向上相位一致，形成相干加強(qiáng)的主瓣，而在其他任何方 向上相位都各不相等，不形成相干加強(qiáng)，以噪聲的形式分布在主瓣周圍。主瓣的方向隨輸 入光波長(zhǎng)的變化而改變，從而達(dá)到角色散的效果，可用來完成復(fù)用和解復(fù)用的功能。這種 關(guān)系可以用下述公式表示
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
<formula>formula see original document page 6</formula>(3)
其中，ns為平板波導(dǎo)的等效折射率，Pi為子陣列的衍射級(jí)數(shù)，qj為母陣列的衍射級(jí)數(shù)，ga 為角度偏轉(zhuǎn)范圍因子，IAWG波導(dǎo)陣列的最大偏轉(zhuǎn)角度為<formula>formula see original document page 6</formula>/為中心波長(zhǎng)， 即，如果要求非規(guī)則陣列波導(dǎo)光柵(IAWG)的工作波長(zhǎng)在、 ^2之間，則中心波長(zhǎng) 入0=(、+人2)/2， <formula>formula see original document page 6</formula>為工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意波長(zhǎng)。在實(shí) 際的設(shè)計(jì)中，中心波長(zhǎng)入0的取值可以在<formula>formula see original document page 6</formula>的基礎(chǔ)上作小范圍的調(diào)整，AAmax也可
以在a廠m)/2的基礎(chǔ)上作小范圍的調(diào)整。較佳地，相鄰子陣列間的間距要大于每個(gè)子陣 列自身的寬度與相鄰單元波導(dǎo)之間的最小間隔之和。
上述非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵的構(gòu)造方法的設(shè)計(jì)思路是陣列波導(dǎo)區(qū)的設(shè)計(jì)就是分別
確定子陣列和母陣列所包含的單元(波導(dǎo))個(gè)數(shù)N、 M，相鄰單元的間距di, Dj和光程差A(yù)
li, ALj。同樣，這些參數(shù)很大程度上決定了整個(gè)陣列波導(dǎo)光柵的性能，優(yōu)化這些參數(shù)是優(yōu)
化整個(gè)器件的性能的第一步，因而這一部分參數(shù)的確定和優(yōu)化也是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從公式(2)和(3)可以推導(dǎo)出非規(guī)則陣列的主瓣方向?yàn)?br> 6L" =arcsin(-~^~~). (4)
本發(fā)明的技術(shù)效果是針對(duì)大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵的單片集成需求和制作成本降低的 趨勢(shì)，通過非規(guī)則排列波導(dǎo)陣列的陣列單元，可以消除規(guī)則波導(dǎo)陣列中由于單元間距不可 能做得很小而導(dǎo)致的柵瓣，從而使波導(dǎo)陣列對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角度增大并且不受柵瓣的限制， 大大減小了自由傳播區(qū)的長(zhǎng)度，從而縮小了大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵的器件尺寸，實(shí)現(xiàn)大通 道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵的單片集成，以降低制作成本。主要應(yīng)用于光學(xué)濾波，光通信，光網(wǎng)絡(luò) 等領(lǐng)域。


圖1表示現(xiàn)有的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2表示本發(fā)明實(shí)施例之一的結(jié)構(gòu)示意圖3表示本發(fā)明另一實(shí)施例的非規(guī)則陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖4 (a)和(b)分別表示本發(fā)明實(shí)施例一和二的仿真結(jié)果(全部1075通道的傳輸譜)； 圖5 (a)和(b)分別表示實(shí)施例一和二的任一通道的傳輸譜；
圖6 (a)和(b)分別表示實(shí)施例一和二的折中工作模式的傳輸譜(即只使用其中的64 或者128個(gè)連續(xù)通道，這種工作模式可以在IAWG的整個(gè)工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意位置)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，通過兩種實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明 的限制。
實(shí)施例一不包含子陣列的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵的實(shí)現(xiàn)。
(1) 假定設(shè)計(jì)要求為波長(zhǎng)范圍(相當(dāng)于傳統(tǒng)AWG中的自由譜范圍)1.435um 1.650 um，通道間隔AA為0.2nm，通道總數(shù)為Nch=1075個(gè)，這些是最基本的參數(shù)。將中心波 長(zhǎng)入o定為(1. 435+1. 650) /2 = 1. 5425 y m，定義參數(shù)△入隨=(1. 65-1. 435) /2=0. 1075 y m。
(2) 作為一個(gè)例子，采用常用的折射率差為2.5%的硅基二氧化硅材料來實(shí)現(xiàn)該器件， 波導(dǎo)的芯子截面尺寸設(shè)計(jì)為3umX3um，則根據(jù)BPM數(shù)值計(jì)算可知，其陣列波導(dǎo)的基模等 效折射率nc為1.482043，自由傳播區(qū)的等效折射率ris為1.457507。
(3) 先根據(jù)子陣列單元波導(dǎo)的寬度a確定衍射角度，通常用e二人/a來估算。單元波 導(dǎo)的寬度通常由制作器件的材料、波導(dǎo)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、器件對(duì)插入損耗的要求、微加工方的
加工水平等幾個(gè)方面決定的，本實(shí)施例中取入為1.55um用于估算，a=3ym，所對(duì)應(yīng)的衍射 角度為e=、/a"29.6。。
(4) 確定角度偏轉(zhuǎn)范圍因子ga， IAWG的陣列波導(dǎo)輻射光束的最大偏轉(zhuǎn)角度為 arcsin(l/ga)。 IAWG的陣列波導(dǎo)的角度偏轉(zhuǎn)范圍要小于單個(gè)陣列波導(dǎo)單元的衍射角度，即 arcsin(l/ga)《9/2，或者ga>l/sin( e/2) "4，否則IAWG的通道均勻性變差；當(dāng)然ga 越大，通道均勻性越好，代價(jià)是器件損耗增加，尺寸也可能增大。根據(jù)以上條件，本實(shí) 施例中選取ga=10. 5994。
(5) 根據(jù)波導(dǎo)的尺寸和結(jié)構(gòu)，以及芯子和包層間的折射率差等參數(shù)確定單元波導(dǎo)間的 最小間距(即陣列中所有相鄰單元間隔di中的最小值(di)mJ ，在設(shè)計(jì)時(shí)通常使相鄰波導(dǎo)間
的串?dāng)_低于-1 OOdB，本實(shí)施例中取(di) min = 12 u m。
(6) 為了使通道間的串?dāng)_和各個(gè)通道的損耗達(dá)到一個(gè)合理的水平，同時(shí)考慮到單片集 成能力，選取陣列波導(dǎo)的個(gè)數(shù)為1400個(gè)。接下來選定1399個(gè)衍射級(jí)數(shù)(也就是一組整數(shù))， 用于確定整個(gè)波導(dǎo)陣列的尺寸，包括相鄰波導(dǎo)單元間距di和相鄰單元長(zhǎng)度差A(yù)" (i-l，2，…，1399)。這組整數(shù)選定后整個(gè)陣列波導(dǎo)區(qū)的尺寸參數(shù)就都定下來了，器件的性 能也隨之確定了，因此實(shí)際上設(shè)計(jì)整個(gè)陣列波導(dǎo)區(qū)的參數(shù)就是如何選定這組整數(shù)的問題。 對(duì)IAWG來說，這套衍射級(jí)數(shù)的選擇對(duì)其性能的影響很顯著，很大程度上決定了器件的串 擾，因而成了整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟之一，對(duì)器件性能的前期優(yōu)化工作也是優(yōu)化 這套整數(shù)。
通常是在某個(gè)給定的范圍內(nèi)選取出一組衍射級(jí)數(shù)的，不同的整數(shù)組合和排列所得到的 器件性能都有所不同，利用遺傳算法，模擬退火算法等優(yōu)化算法可以搜索出一組使得器件 性能最好的整數(shù)組合和排列來。先計(jì)算出波導(dǎo)陣列所對(duì)應(yīng)衍射級(jí)數(shù)ki的最小值為nsx (di)*/ (AAmaxXga) " 16，其中ns為光在兩個(gè)自由傳播區(qū)的等效折射率。通常把整數(shù) ki的選擇范圍取為(di)^ 2(di)^之間，這樣既可以得到較好性能，也不會(huì)產(chǎn)生較大的器件
尺寸，當(dāng)然如果能夠得到更好的器件性能的話，這個(gè)范圍也可以擴(kuò)大。事實(shí)上，在利用遺 傳算法等方法對(duì)波導(dǎo)陣列的衍射級(jí)數(shù)選取組合進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其選取范圍也是需要優(yōu)化的目
標(biāo)之一。
本實(shí)施例中子陣列的選取范圍選為16 48之間。隨機(jī)選取出以下一組衍射級(jí)數(shù)ki:
27 34 24 34 38 36 29 22 37 16 25 27 24 34 30 38 26 33 24 19 32 19 19 35 36 25
37 18 21 24 23 26 26 21 27 38 31 36 38 19 17 29 20 32 28 35 17 33 28 34 37 19 38
26 36 22 23 34 22 21 33 18 38 37 21 27 17 24 16 18 25 18 26 17 30 28 20 31 18 31
25 27 25 21 27 26 35 21 21 17 32 28 24 23 16 37 29 36 18 30 28 25 19 28 36 16 29
28 28281722231920183530352716353816332926382618332818 36
2038302717192738292618283617203732233331342121361632 38
3437302431342824362235262937263718362022262824342338 22
3737211721362428373630352925273525312126272134172524 30
2730332425242418213237283524312124272636352935342016 18
2017193035191922242829282034192716262835281824243526 26
3218303427282722372133173816203730323428383026161734 19
2823181921232518321932351618293424312418283138373725 33
1832282731342218342326373833341725322834161922293034 35
3227222437361618332237221821203238331928303731343228 22
1938243236361725183428282516182418373318303322312323 23
2016343034261922383017243138272523322624241834373320 22
2736362623322017363724162838203324343828213024282335 21
3219283237291619221624161832312026322918221935372325 37
2132331724353638302923303129232032173131293721222218 28
2517253819182729242520362816222617232529202419212321 28
20 33362132343716271638373638381620211727262235192926 21
2216331724321933251720162036272117162521183218182119 35
2034342638243817292921201631323129162329292035333326 34
3235233516282030271637371926341934283018283524332624 37
2925223132313018342527172028203022192936353536172138 29
3334292831172127243226273429273432252631333218302435 20
27 35201632362738203421293526252723332326182722362429 18
2816363318371821231629273417383433191619223137163129 33
3128173838333121253523382218251716362430253816322020 19
2831333419301718251619313617262026351731163530243828 16
2738363218162218202224343617352631191927373629303029 22
23 33273219312732342018271936302926172228301823293834 35
3738343032172916242823302525312721183429162422203638 28
3219372023233235201628292232262222323736163721322016 20
1722382418322531353830242534333522283629293021343629 20
16 3817262424273023183118363135253223372630162324263627
24 25252919352238202029303730331916182831362223233422 3520 3531353826242931303731181824203433172133222416181831
23 28232329342920262830243327323519342623171820291729 2318 3234172620342131333822222023241826293118323030353537
19 3521182426362122291626182337332036351633202619372131
28 3232201729173629272323271829263837231921211627352231
22 2920182030342518212432362934302030173632221716323123
20 2430223438213223323016173028292420312722283031271929
37 3619281936333636302321323227183638292838282828362822
24 2431272124211936192330162835381638162223211838212433
23 3533371619331820343426362926203229352422262116223119
16 2020222529302624341635303716222027253718302030233216
29 3633262628321719371736292334222532332420293526323128
29 1825172021343625343730193322302832362836162532302723
16 2226282618202934262419192924162120331928211825223122
23 30 29 30 22 33 33 32 18 19 25 38 20 20 35 18 26 29 25 34 32 28 31
得到波導(dǎo)陣列的衍射級(jí)數(shù)kj后，就可以根據(jù)公式(l)得到波導(dǎo)陣列的各個(gè)相鄰單元間 距di和各個(gè)相鄰單元間的長(zhǎng)度差A(yù)li，這樣整個(gè)非規(guī)則相控陣的陣列波導(dǎo)部分的尺寸就完 全確定了。非規(guī)則相控陣其他部分的尺寸的確定與常規(guī)相控陣完全相同。
根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方法，可以得到如圖2所示的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵。
實(shí)施例二包含子陣列的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵的實(shí)現(xiàn)
作為實(shí)施例一的一種特殊情況，實(shí)施例二的設(shè)計(jì)思想是在實(shí)施例一基礎(chǔ)上的進(jìn)一步改 進(jìn)和優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下
步驟(1) 一 (5)同實(shí)施例一； (6)為了使通道間的串?dāng)_和各個(gè)通道的損耗達(dá)到一個(gè)合理的水平，同時(shí)考慮到單片集 成能力，子陣列單元數(shù)N設(shè)計(jì)為40個(gè)，母陣列單元數(shù)M設(shè)計(jì)為35個(gè)，子陣列和母陣列的
單元數(shù)越多則串?dāng)_越小，但代價(jià)是器件的尺寸增大，要在器件尺寸和串?dāng)_之間找到一個(gè)平 衡，這里選定的子陣列和母陣列的單元個(gè)數(shù)所對(duì)應(yīng)的串?dāng)_約為-20dB，當(dāng)然經(jīng)過合理優(yōu)化， 這個(gè)串?dāng)_還可以進(jìn)一步降低，這一點(diǎn)后面還會(huì)講到。
接著為子陣列和母陣列選定兩組各自陣列的衍射級(jí)數(shù)，也就是兩組整數(shù)，每組整數(shù)的 個(gè)數(shù)分別為子陣列和母陣列的單元數(shù)減l，即分別為39個(gè)和34個(gè)，用于確定子陣列和母 陣列各個(gè)單元的具體尺寸，包括相鄰單元間距di， Dj和相鄰單元的長(zhǎng)度差A(yù)li， ALj (i=l, 2，…，39， j=l, 2,…，34)。規(guī)則陣列波導(dǎo)光柵和非規(guī)則陣列波導(dǎo)光柵的區(qū)別就在于， 前者的衍射級(jí)數(shù)各自相等，相當(dāng)于只有一個(gè)整數(shù)，而后者的衍射級(jí)數(shù)不完全相等，因而有 很多個(gè)衍射級(jí)數(shù)(子陣列有N-l個(gè)，母陣列有M-l個(gè))。這兩組整數(shù)選定后整個(gè)陣列波導(dǎo)區(qū) 的尺寸參數(shù)就都定下來了，器件的性能也隨之確定了，因此實(shí)際上設(shè)計(jì)整個(gè)陣列波導(dǎo)區(qū)的 參數(shù)就是如何選定兩組整數(shù)的問題。對(duì)IAWG來說，兩套衍射級(jí)數(shù)的選擇(分別對(duì)應(yīng)子陣列 和母陣列)對(duì)其性能的影響很顯著，很大程度上決定了器件的串?dāng)_，因而成了整個(gè)設(shè)計(jì)過 程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟之一，對(duì)器件性能的前期優(yōu)化工作也是優(yōu)化這兩套整數(shù)。
兩組整數(shù)分別是在兩個(gè)不同的范圍內(nèi)選定的，不同的整數(shù)組合和排列所得到的器件性 能都有所不同，利用遺傳算法，模擬退火算法等優(yōu)化算法可以搜索出兩組使得器件性能最 好的整數(shù)組合和排列來。先計(jì)算出子陣列所對(duì)應(yīng)衍射級(jí)數(shù)Pi的最小值為nsX(di)mi / (A
入maxXga) " 16，其中ns為光在兩個(gè)自由傳播區(qū)的等效折射率。通常把整數(shù)Pi的選擇范
圍取為(di)^ 2(di)^之間，這樣既可以得到較好性能，也不會(huì)產(chǎn)生較大的器件尺寸，當(dāng) 然如果能夠得到更好的器件性能的話，這個(gè)范圍也可以擴(kuò)大。事實(shí)上，在利用遺傳算法等 方法對(duì)子陣列和母陣列的整數(shù)選取組合進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，他們各自的選取范圍也是需要優(yōu)化的 目標(biāo)之一。
按照上面的步驟選好一組子陣列的衍射級(jí)數(shù)后，接下來就是選擇母陣列相應(yīng)的衍射級(jí) 數(shù)了。母陣列所對(duì)應(yīng)的整數(shù)選擇范圍與子陣列的整數(shù)選取有關(guān)系。由于相鄰子陣列間的間 距必須大于每個(gè)子陣列本身的寬度，否則相鄰兩個(gè)子陣列的首尾陣列單元會(huì)出現(xiàn)重疊的情 況，而且至少要比每個(gè)子陣列的寬度大(di)一，否則相鄰兩個(gè)子陣列首尾兩個(gè)單元之間的間 距就會(huì)小于(di)^,這將導(dǎo)致這兩個(gè)單元間出現(xiàn)不希望的耦合。因此(0》一=1^+ (di)min， 由于子陣列整數(shù)的選取是隨機(jī)的(我們采用了隨機(jī)選取整數(shù)的方法，當(dāng)然也可以不是隨機(jī) 的，但特征是陣列單元間距不完全相等。)，這就導(dǎo)致每次選取出來的整數(shù)組合所得到子 陣列總寬度Edi (因?yàn)镋d產(chǎn)A入隨XgaXi:pi/ns)—般各不相同，所以為了使相鄰子陣列首 尾兩個(gè)單元間的間隔大于(di)^，必須先選定子陣列的尺寸，再選定母陣列的尺寸。至于母 陣列衍射級(jí)數(shù)的選取范圍，通常為了盡可能地壓縮器件的尺寸(衍射級(jí)數(shù)取得越大，相應(yīng)
的單元間距和光程差也越大，這將導(dǎo)致器件尺寸增大。)，模擬比較發(fā)現(xiàn)，范圍選為(Dj)min (Di)min+ (di)min,或者(Dj)min (Dj)min + 2(di)mh，兩者所對(duì)應(yīng)器件的性能差別不大。
本實(shí)施例中子陣列的選取范圍選為16 32之間。隨機(jī)選取出以下一組衍射級(jí)數(shù)Pill28 17 18 23 25 30 30 29 20 22 30 30 26 25 26 18 22 25 16 18 16 30 23 18 17 29 30 18 18 16 22 16 21 28 18 20 24 21 25
在這個(gè)基礎(chǔ)上，選取母陣列所對(duì)應(yīng)的衍射級(jí)數(shù)qi: 922 922 919 928 908 929 913 905 922 931 925 908 925 925 911 911 912 917 925 919 919 915 929 905 913 930 930 910 919 913 916 914 922 931
得到子陣列和母陣列的衍射級(jí)數(shù)Pi和qi后，就可以根據(jù)公式(2)和(3)分別得到子陣列 的各個(gè)相鄰單元間距di和各個(gè)相鄰單元間的長(zhǎng)度差A(yù) Ij，以及各個(gè)相鄰子陣列間距Dj和各 個(gè)相鄰子陣列間的長(zhǎng)度差A(yù) Lj，這樣整個(gè)非規(guī)則相控陣的陣列波導(dǎo)部分的尺寸就完全確定 了。至于非規(guī)則相控陣其他部分的尺寸的確定，與常規(guī)陣列波導(dǎo)光柵完全相同，這里就不 再重復(fù)敘述了。
我們采用傅立葉光學(xué)理論模型來計(jì)算IAWG的傳輸譜，實(shí)施例1所得到的仿真結(jié)果如圖 4(a)所示，實(shí)施例2所得到的仿真結(jié)果如圖4(b)所示。從以上兩個(gè)圖可以看到所有通道對(duì) 某個(gè)特定通道的影響，邊緣通道的串?dāng)_值高達(dá)約-19dB,中心通道的串?dāng)_也達(dá)到-23dB。 IAWG 傳輸譜的特征是，各個(gè)通道對(duì)其附近通道的串?dāng)_很小，而對(duì)遠(yuǎn)方通道的串?dāng)_很大，如圖5(a) 和圖5(b)所示，通常某個(gè)通道對(duì)遠(yuǎn)方通道的串?dāng)_要比它附近通道高出約15dB，這個(gè)結(jié)論 正好與傳統(tǒng)的AWG相反。由于傅立葉光學(xué)理論中無法考慮在波導(dǎo)陣列的輸入端引入taper 波導(dǎo)，所以各個(gè)通道的插入損耗都比較大(為了能夠有更多的陣列波導(dǎo)個(gè)數(shù)，我們選擇輸 入波導(dǎo)的寬度3um，目的是使輸入光場(chǎng)能夠在第一個(gè)自由傳播區(qū)有足夠大的衍射角)，這是 我們的理論模型導(dǎo)致的，在實(shí)際中并不會(huì)出現(xiàn)這么大的插入損耗(在波導(dǎo)陣列的輸入端引 入t印er波導(dǎo))<>
降低串?dāng)_水平主要有三條措施1、增加波導(dǎo)陣列的單元個(gè)數(shù)，2、優(yōu)化各個(gè)單元波導(dǎo) 的位置，3、優(yōu)化整IAWG的設(shè)計(jì)等。其中第1點(diǎn)可以通過釆用多層光波導(dǎo)工藝(MLC)來實(shí) 現(xiàn)，而第2第3點(diǎn)則是通過合理的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。在不能做到這些措施的情況下，可以采用 一種折中的辦法，即，只用某個(gè)通道附近的那些通道(各個(gè)通道對(duì)其附近通道的串?dāng)_很小， 而對(duì)遠(yuǎn)方通道的串?dāng)_很大)，而不使用該通道遠(yuǎn)方的通道，這樣通道間的串?dāng)_就降低到了 -33dB -36dB，如圖6(a)和圖6(b)所示(分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例一和二)， 一共有64個(gè)連續(xù)的 通道可以同時(shí)使用。這相當(dāng)于一個(gè)可以在0. 25um的波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)且任意移動(dòng)的64通道 (通道間隔為0.2rra)的陣列波導(dǎo)光柵，這種功能在未來的全光網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)很有作用。我們 也可以同時(shí)使用128個(gè)連續(xù)通道，只是串?dāng)_要稍微增大了一些，但也在-30dB以上。比較
以上兩個(gè)實(shí)施例所得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，這兩種實(shí)現(xiàn)方法的效果很接近，幾乎沒什么差別， 只是在第二種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)過程中所選的衍射級(jí)數(shù)個(gè)數(shù)(即那套整數(shù)的個(gè)數(shù))較少。
權(quán)利要求
1.一種非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，包括輸入波導(dǎo)、第一平板波導(dǎo)、波導(dǎo)陣列、第二平板波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，其特征在于，所述的波導(dǎo)陣列非等間隔排列，相鄰的陣列單元波導(dǎo)間的光程差不完全相等。
2. 如權(quán)利要求1所述的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述波導(dǎo)陣列由L個(gè)陣列單元組成，且相鄰單元間距di和相鄰單元光程差ncAli滿足如下 關(guān)系<formula>complex formula see original document page 2</formula>其中，i:l，2,…，L-1， nc為波導(dǎo)的基模等效折射率，ru為平板波導(dǎo)的等效折射 率，ki為波導(dǎo)陣列的衍射級(jí)數(shù)，ga為角度偏轉(zhuǎn)范圍因子，如果要求所述波導(dǎo)光柵的 工作波長(zhǎng)在/^和入2之間，則入0= (Zh+入2) /2, aamax=(入2—、) /2，其中，入o和AAmax都可以在小范圍內(nèi)調(diào)整。
3. 如權(quán)利要求2所述的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述波導(dǎo)陣列中的單元波導(dǎo)之間的間距和光程差為非規(guī)則數(shù)列。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的波導(dǎo)陣列是一個(gè)由若干個(gè)非等間隔排列且具有相同特征的子波導(dǎo)陣列組成的母陣列，所述子陣列滿足以下關(guān)系 并且所述母陣列滿足以下關(guān)系<formula>complex formula see original document page 2</formula>其中，i=l,2,…，N-1， ,1,2,…，M-1， nc是波導(dǎo)的基模等效折射率，Ali是子陣 列中相鄰單元波導(dǎo)的長(zhǎng)度差，ALj是相鄰子陣列對(duì)應(yīng)波導(dǎo)間的長(zhǎng)度差，Pi是子陣列 的衍射級(jí)數(shù)，qj是母陣列的衍射級(jí)數(shù)，ns是平板波導(dǎo)的等效折射率，di是子陣列中 相鄰波導(dǎo)單元間的間距，Dj是相鄰子陣列對(duì)應(yīng)波導(dǎo)間的間距，ga是角度偏轉(zhuǎn)范圍因子；如果要求所述波導(dǎo)光柵的工作波長(zhǎng)在、和A2之間，則入0= (、+入2)/2， AAmax =(A2—、)/2，其中，Ao和AAmax都可以在小范圍內(nèi)調(diào)整。
5. 如權(quán)利要求4所述的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相鄰子陣列間的間距大于每個(gè)子陣列自身的寬度與相鄰單元波導(dǎo)之間的最小間隔之和。
6. 如權(quán)利要求4所述的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的子 陣列單元波導(dǎo)之間的間距和光程差為非規(guī)則數(shù)列。
7. 如權(quán)利要求4所述的非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的相 鄰子陣列對(duì)應(yīng)單元的間隔和長(zhǎng)度差為非規(guī)則數(shù)列。
全文摘要
一種非規(guī)則排列陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)依次包括輸入波導(dǎo)、第一平板波導(dǎo)、波導(dǎo)陣列、第二平板波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，其特征在于，所述的波導(dǎo)陣列非等間隔排列，相鄰的陣列單元波導(dǎo)間的光程差不完全相等。針對(duì)大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵的單片集成需求和制作成本降低的趨勢(shì)，該結(jié)構(gòu)通過非規(guī)則排列波導(dǎo)陣列的陣列單元，可以消除規(guī)則波導(dǎo)陣列中由于單元間距不可能做得很小而導(dǎo)致的柵瓣，從而使波導(dǎo)陣列對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角度增大并且不受柵瓣的限制，大大減小了自由傳播區(qū)的長(zhǎng)度，從而縮小了大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵的器件尺寸，實(shí)現(xiàn)大通道數(shù)陣列波導(dǎo)光柵的單片集成，以降低制作成本。
文檔編號(hào)G02B6/34GK101191872SQ20061014481
公開日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者徐安士, 李光元, 峰 肖 申請(qǐng)人:北京大學(xué)