專利名稱：兩點(diǎn)聚焦實(shí)現(xiàn)通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光通訊波分復(fù)用領(lǐng)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(fù)用器件。
背景技術(shù)：
波分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)是現(xiàn)代光纖通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。波分復(fù)用/解復(fù)用就是指通過(guò)特殊的技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光合成復(fù)合光，以及將復(fù)合光中不同波長(zhǎng)的光分離出來(lái)。波分復(fù)用(解復(fù)用)器件就是實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)的器件。衍射蝕刻光柵(EDG)型波分復(fù)用/解復(fù)用器是平面波導(dǎo)密集波分復(fù)用器件中很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N，和其它類型的波分解復(fù)用器(如陣列波導(dǎo)光柵型解復(fù)用器)相比，它有集成度高結(jié)構(gòu)緊湊、波長(zhǎng)分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于多通道的波長(zhǎng)分離。
圖1是傳統(tǒng)的EDG型復(fù)用/解復(fù)用器件的結(jié)構(gòu)示意圖。傳統(tǒng)的EDG型復(fù)用/解復(fù)用器件由輸入波導(dǎo)1、自由傳播區(qū)2、凹面衍射光柵3、輸出波導(dǎo)4組成。復(fù)合光從輸入波導(dǎo)1入射，進(jìn)入自由傳輸區(qū)2自由發(fā)散傳播，到達(dá)凹面衍射光柵3，由于凹面光柵同時(shí)有會(huì)聚和色散的功能，所以不同波長(zhǎng)的入射光經(jīng)反射后會(huì)聚在成像曲面上不同的位置，并由輸出波導(dǎo)輸出，即將不同波長(zhǎng)的光分離開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)解復(fù)用的功能。一般來(lái)說(shuō)，同一個(gè)EDG器件能同時(shí)作為復(fù)用器和解復(fù)用器，它們唯一的不同在于光通過(guò)器件的方向是相反的，為方便起見(jiàn)，下面只對(duì)解復(fù)用器作介紹，本實(shí)用新型對(duì)復(fù)用器也適用。
在常規(guī)的的設(shè)計(jì)方法中，波分復(fù)用/解復(fù)用器件的頻譜響應(yīng)形狀為高斯形，當(dāng)實(shí)際波長(zhǎng)偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，就造成接受能量的大大降低，所以，這種波分復(fù)用/解復(fù)用器件對(duì)系統(tǒng)中的光源的波長(zhǎng)偏差有嚴(yán)格地要求，從而需要對(duì)激光器、波分復(fù)用/解復(fù)用器件進(jìn)行精確地溫控。在實(shí)際情況中，大量的外部因素可能使工作波長(zhǎng)發(fā)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(huán)形、總線型網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)需經(jīng)過(guò)多個(gè)濾波器，使得總的帶寬更窄，這大大的限制了波分復(fù)用/解復(fù)用器件在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。而平坦的頻譜響應(yīng)能夠有效的消除這些因素對(duì)器件性能造成的影響，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，降低了使用成本。
目前已有一些方法用來(lái)實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用/解復(fù)用器件頻譜的平坦化，例如M.R.Amersfoort等發(fā)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(dǎo)輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)平坦化，但這種方法只適用于波分復(fù)用/解復(fù)用器直接與探測(cè)器相連的情況。
T.Chiba等在OECC(2000)，13B2-2里提到使用interleaver來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)共軛實(shí)現(xiàn)平坦化，但是這種方法使器件尺寸過(guò)大，不宜于集成，同時(shí)價(jià)格也相對(duì)昂貴。
A.Rigney等發(fā)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(lái)實(shí)現(xiàn)平坦化，該方法和上一種方法類似，平坦化效果相對(duì)有限，而且復(fù)雜度增大。
K.Okamoto等發(fā)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干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)平坦化，但是這種方法會(huì)造成大的器件尺寸，大的插損，同時(shí)還有可能引起模斑變形。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種兩點(diǎn)聚焦實(shí)現(xiàn)通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器件，是將單一的凹面衍射光柵替換為聚焦點(diǎn)不同的多個(gè)子光柵，將入射光會(huì)聚于輸出波導(dǎo)附近的兩點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)器件的通帶平坦化。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是它包括輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、凹面衍射光柵、輸出波導(dǎo)。凹面衍射光柵的結(jié)構(gòu)為由兩個(gè)子光柵或兩個(gè)以上的子光柵組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)，子光柵A1～An的會(huì)聚點(diǎn)為O1，子光柵B1～Bn的會(huì)聚點(diǎn)為O2。。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是它沒(méi)有引入額外的工藝步驟，并且不增加器件的尺寸，以較小的功率代價(jià)使器件具有寬通帶、大的1dB帶寬的特性。


圖1是傳統(tǒng)的EDG型復(fù)用/解復(fù)用器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的EDG型復(fù)用/解復(fù)用器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是由兩個(gè)子光柵組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)示意圖；圖4是由N個(gè)會(huì)聚點(diǎn)不同的子光柵交替分布組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)示意圖；圖5是傳統(tǒng)蝕刻衍射光柵在像面上的場(chǎng)分布和本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的在像面上的場(chǎng)分布的比較；圖6是傳統(tǒng)蝕刻衍射光柵的高斯型頻譜響應(yīng)和本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的平頂形頻譜響應(yīng)的比較。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，本實(shí)用新型包括輸入波導(dǎo)1、自由傳播區(qū)2、凹面衍射光柵、輸出波導(dǎo)4。凹面衍射光柵5的結(jié)構(gòu)為由多個(gè)會(huì)聚點(diǎn)不同的子光柵組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)。
對(duì)于照射到光柵上的某一個(gè)波長(zhǎng)的入射光，子光柵A1～An將照射到它上面的能量會(huì)聚于像面上的點(diǎn)O2，照射到子光柵B1～Bn上的能量則被會(huì)聚于像面上的點(diǎn)O2，會(huì)聚于O1和O2的這兩個(gè)場(chǎng)的形狀均為高斯形，如圖5所示，但是，將O1及O2間的距離調(diào)整到一個(gè)適當(dāng)?shù)闹担@兩個(gè)場(chǎng)的疊加就使得像面上的總的場(chǎng)分布由傳統(tǒng)的高斯型變?yōu)殡p峰型，從而使器件頻譜響應(yīng)的形狀變?yōu)槠巾斝巍?br> 1、子光柵結(jié)構(gòu)的確定首先應(yīng)確定組成凹面光柵系統(tǒng)的子光柵的個(gè)數(shù)，一部分子光柵的成像點(diǎn)為O1，其余部分的成像點(diǎn)為O2。然后分別確定每個(gè)子光柵的結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，是本實(shí)用新型第一個(gè)實(shí)施例的示意圖，凹面衍射光柵5為由兩個(gè)子光柵組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定，光柵系統(tǒng)由子光柵A1和子光柵B1兩部分組成，子光柵A1的成像點(diǎn)為O1，子光柵B1的成像點(diǎn)為O2，子光柵A1的各槽面中心Pi應(yīng)滿足IPi‾+PiO1‾-(IO‾+OO1‾)=imλ0/neff......(1)]]>其中，I為入射點(diǎn)，O為光柵中點(diǎn)，neff為自由衍射區(qū)的有效折射率，λ0為中心波長(zhǎng)，m為光柵的衍射級(jí)數(shù)，i為離光柵中點(diǎn)O的槽面數(shù)，這個(gè)條件使得中心波長(zhǎng)的像差為0，同樣，子光柵B1的各槽面中點(diǎn)P′j應(yīng)滿足IP′j‾+P′jO2‾-(IO‾+OO2‾)=jmλ0/neff......(2)]]>同時(shí)，各槽面中點(diǎn)位于半徑為R的光柵圓上。由這些條件可求出兩個(gè)子光柵中每個(gè)槽面中點(diǎn)的位置，各槽面中點(diǎn)確定后，過(guò)中點(diǎn)作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個(gè)光柵的結(jié)構(gòu)。
圖4所示是本實(shí)用新型另外一個(gè)實(shí)施例的示意圖。凹面衍射光柵5由N個(gè)子光柵交替分布組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定，若光柵的總槽面數(shù)目也為N，則整個(gè)凹面衍射光柵系統(tǒng)由N個(gè)子光柵組成，每個(gè)子光柵上只有一個(gè)光柵槽面，對(duì)應(yīng)于不同成像點(diǎn)O1和O2的子光柵交替分布，即相鄰的兩個(gè)子光柵中，一個(gè)子光柵上的各槽面中心Pi滿足IPi‾+PiO1‾-(IO‾+OO1‾)=imλ0/neff......(3)]]>另一個(gè)子光柵上的各槽面中心P′j滿足IP′j‾+P′jO2‾-(IO‾+OO2‾)=jmλ0/neff......(4)]]>同時(shí)，各槽面中點(diǎn)位于半徑為R的光柵圓上。由這些條件可求出各子光柵中每個(gè)槽面中點(diǎn)的位置，各槽面中點(diǎn)確定后，過(guò)中點(diǎn)作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個(gè)光柵的結(jié)構(gòu)。
2、頻譜響應(yīng)衍射蝕刻光柵的對(duì)某一位置輸出波導(dǎo)的頻譜響應(yīng)函數(shù)可以表達(dá)為I=|∫F^wgEout(x,zc)dx|2∫Ein(x′)·Ein*(x′)dx′]]>其中，算子 表示輸出波導(dǎo)對(duì)光柵成像的耦合特性。
由于衍射蝕刻光柵的分光特性決定了在局部波長(zhǎng)范圍內(nèi)，輸出位置和波長(zhǎng)是呈線性變化的。同時(shí)假設(shè)對(duì)于一個(gè)信道間隔范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，其單模橫向場(chǎng)分布相同。對(duì)于輸出波導(dǎo)也為單模波導(dǎo)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，衍射蝕刻光柵的頻譜響應(yīng)可由重疊積分公式求得I(λ)=|∫Eout(λ,x)·Ewg*(λ,x)dx|2∫Ein(λ,x′)·Ein*(λ,x′)dx′·∫Ewg(λ,x)·Ewg*(λ,x)dx]]>其中Eout是光柵在輸出面上的場(chǎng)分布，Ein和Ewg分別是輸入和輸出波導(dǎo)的模場(chǎng)分布函數(shù)。當(dāng)兩者相等時(shí)，可以進(jìn)一步得到一個(gè)自卷積函數(shù)。
輸出模場(chǎng)的分布可通過(guò)標(biāo)量波動(dòng)理論來(lái)計(jì)算。將輸入波導(dǎo)(z＝0)處的光場(chǎng)分布用一模場(chǎng)半徑為ω0的高斯光斑來(lái)模擬，高斯光斑在平板波導(dǎo)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(chǎng)分布E(x,z)=(2πw2)14e-x2w2e-ik(z+x22R)+iη......(5)]]>其中，ω2=ω02[1+(zz0)2],R=z[1+(z0z)2],η=tan-1(z/z0),z0=πneffω02/λ.]]>然后通過(guò)二維Kirchhoff-Huygens衍射公式，可得到像面上各點(diǎn)的場(chǎng)E′(x′,z′)=12(neffλ)1/2∫E(x,z)r0(cos(θi+θd)exp(-ikr0)ds......(6)]]>其中，r0為光柵上一點(diǎn)(x，z)到像面上一點(diǎn)(x′，z′)的距離，E(x，z)為光柵槽面上的電場(chǎng)，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(chǎng)分布，就可以使用重疊積分計(jì)算耦合效率，進(jìn)而獲得頻譜響應(yīng)。
圖6是本實(shí)用新型的平頂形頻譜響應(yīng)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高斯形頻譜響應(yīng)的比較，該圖所用的參數(shù)為

相對(duì)于普通的高斯形的頻譜響應(yīng)，實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)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(shí)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(zhì)因素從0.1513增加到0.3291，損耗相應(yīng)增加了4.5dB。
權(quán)利要求1.兩點(diǎn)聚焦實(shí)現(xiàn)通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器件，它包括輸入波導(dǎo)(1)、自由傳播區(qū)(2)、凹面衍射光柵、輸出波導(dǎo)(4)，其特征在于凹面衍射光柵(5)的結(jié)構(gòu)為由兩個(gè)子光柵或兩個(gè)以上的子光柵組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)，子光柵A1～An的會(huì)聚點(diǎn)為O1，子光柵B1～Bn的會(huì)聚點(diǎn)為O2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩點(diǎn)聚焦實(shí)現(xiàn)通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器件，其特征在于凹面衍射光柵(5)為由兩個(gè)子光柵組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定，光柵系統(tǒng)由子光柵A1和子光柵B1兩部分組成，子光柵A1的成像點(diǎn)為O1，子光柵B1的成像點(diǎn)為O2，子光柵A1的各槽面中心Pi應(yīng)滿足IPi‾+PiO1‾-(IO‾+OO1‾)=imλ0/neff......(1)]]>其中，I為入射點(diǎn)，O為光柵中點(diǎn)，neff為自由衍射區(qū)的有效折射率，λ0為中心波長(zhǎng)，m為光柵的衍射級(jí)數(shù)，i為離光柵中點(diǎn)O的槽面數(shù)，這個(gè)條件使得中心波長(zhǎng)的像差為0，同樣，子光柵B1的各槽面中點(diǎn)P′j應(yīng)滿足IP′j‾+P′jO2‾-(IO‾+OO2‾)=jmλ0/neff......(2)]]>同時(shí)，各槽面中點(diǎn)位于半徑為R的光柵圓上，由這些條件可求出兩個(gè)子光柵中每個(gè)槽面中點(diǎn)的位置，各槽面中點(diǎn)確定后，過(guò)中點(diǎn)作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個(gè)光柵的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩點(diǎn)聚焦實(shí)現(xiàn)通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器件，其特征在于凹面衍射光柵(5)由N個(gè)子光柵交替分布組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定，若光柵的總槽面數(shù)目也為N，則整個(gè)凹面衍射光柵系統(tǒng)由N個(gè)子光柵組成，每個(gè)子光柵上只有一個(gè)光柵槽面，對(duì)應(yīng)于不同成像點(diǎn)O1和O2的子光柵交替分布，即相鄰的兩個(gè)子光柵中，一個(gè)子光柵上的各槽面中心Pi滿足IPi‾+PiO1‾-(IO‾+OO1‾)=imλ0/neff......(3)]]>另一個(gè)子光柵上的各槽面中心P′j滿足IP′j‾+P′jO2‾-(IO‾+OO2‾)=jmλ0/neff......(4)]]>同時(shí)，各槽面中點(diǎn)位于半徑為R的光柵圓上。由這些條件可求出各子光柵中每個(gè)槽面中點(diǎn)的位置，各槽面中點(diǎn)確定后，過(guò)中點(diǎn)作入射光線的垂線作為光柵的閃耀面，這樣就確定了整個(gè)光柵的結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種兩點(diǎn)聚焦實(shí)現(xiàn)通帶平坦化的蝕刻衍射光柵波分復(fù)用器件。它包括輸入波導(dǎo)、自由傳播區(qū)、凹面衍射光柵、輸出波導(dǎo)。凹面衍射光柵的結(jié)構(gòu)為由兩個(gè)子光柵或兩個(gè)以上的子光柵組成的凹面衍射光柵系統(tǒng)，子光柵A
文檔編號(hào)H04B10/12GK2552259SQ02265078
公開(kāi)日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者文泓橋, 石志敏, 何賽靈, 盛鐘延 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)