專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于Si納米線的陣列波導(dǎo)光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光波導(dǎo)集成領(lǐng)域，特別是涉及一種基于Si納米線的陣列波導(dǎo)光柵。
背景技術(shù)：
Si和SiO2的高折射差(2.0)為實(shí)現(xiàn)納米光波導(dǎo)和超小尺度的集成光波導(dǎo)器件提供了可能性，已有少量相關(guān)研究的報(bào)道。由于側(cè)壁表面粗糙度引起的散射損耗隨著波導(dǎo)尺寸減小而迅速增大，納米光波導(dǎo)的單位長(zhǎng)度散射損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的微米波導(dǎo)。然而，需要注意的是，基于納米波導(dǎo)的光器件總體尺度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)光波導(dǎo)器件。而且已有新型錐形模式匹配結(jié)構(gòu)使得單模光纖和納米Si波導(dǎo)的耦合損耗降低到1dB。因此基于納米波導(dǎo)的光器件的總損耗可達(dá)到實(shí)用要求。這使得基于納米波導(dǎo)的超小尺度光器件越來(lái)越具有吸引力。陣列波導(dǎo)光柵(AWG)作為重要的DWDM器件，如何進(jìn)一步減小其尺度是一個(gè)重要的研究課題。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的AWG分別如圖1(a)和(b)所示。在傳統(tǒng)AWG中，輸入、輸出自由傳輸區(qū)并不交疊，且每條陣列波導(dǎo)包含三段直波導(dǎo)和兩段彎曲波導(dǎo)。
對(duì)于SOI納米波導(dǎo)而言，很小的波導(dǎo)間距(～2μm)即可使得相互間耦合幾乎可以忽略。然而，對(duì)于AWG(尤其是高衍射級(jí)情況)，為了實(shí)現(xiàn)足夠大的相鄰陣列波導(dǎo)光程差，陣列波導(dǎo)間距必須足夠大(遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于納米波導(dǎo)的無(wú)耦合距離)。若采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，則AWG的尺寸很大，不能實(shí)現(xiàn)最小化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于Si納米線的的陣列波導(dǎo)光柵，采用用交疊自由傳輸區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了陣列波導(dǎo)光柵的尺寸，提高集成度。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、輸入自由傳播區(qū)域、輸出自由傳播區(qū)域和多條陣列波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)均與自由傳輸區(qū)相連。輸入自由傳播區(qū)域和輸出自由傳播區(qū)域交疊；每條陣列波導(dǎo)包含了五段直波導(dǎo)和四段彎曲波導(dǎo)；第一段直波導(dǎo)的一端和輸入自由傳播區(qū)域的一端相連，第一段直波導(dǎo)的另一端依次經(jīng)第一段彎曲波導(dǎo)、第二段直波導(dǎo)、第二段彎曲波導(dǎo)、第三段直波導(dǎo)、第三段彎曲波導(dǎo)、第四段直波導(dǎo)、第四段彎曲波導(dǎo)與第五段直波導(dǎo)的一端相連，第五段直波導(dǎo)的另一端與輸出自由傳播區(qū)域的一端相連，輸入自由傳播區(qū)域的另一端接輸入波導(dǎo)，輸出自由傳播區(qū)域的另一端接輸出波導(dǎo)。
相鄰陣列波導(dǎo)中的第二直波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)和第四直波導(dǎo)平行排列。
本發(fā)明具有的有益的效果是1.兩個(gè)自由傳輸區(qū)交疊在一起，使得AWG尺寸減小到1mm2以下；2.每條陣列波導(dǎo)由五段直波導(dǎo)通過(guò)彎曲波導(dǎo)順次相連而成，增大了設(shè)計(jì)自由度，能夠得到更緊湊的結(jié)構(gòu)。


圖1.傳統(tǒng)AWG布局圖；圖2.本發(fā)明的交疊型AWG布局圖；圖3.本發(fā)明AWG設(shè)計(jì)流程.
圖4.AWG布局圖.(a)傳統(tǒng)等間距型結(jié)構(gòu)；(b)傳統(tǒng)變間距型結(jié)構(gòu)；(c)本發(fā)明交疊型AWG.
圖5.陣列波導(dǎo)各段直波導(dǎo)長(zhǎng)度.
圖6.超小尺寸AWG的頻譜響應(yīng)。
圖中1、輸入波導(dǎo)，2、自由傳播區(qū)域，3、5、7、9、11、直波導(dǎo)，4、6、8、10、彎曲波導(dǎo)，12、自由傳播區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，本發(fā)明包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、輸入自由傳播區(qū)域、輸出自由傳播區(qū)域和多條陣列波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)均與自由傳輸區(qū)相連。輸入自由傳播區(qū)域2和輸出自由傳播區(qū)域12交疊；每條陣列波導(dǎo)包含了五段直波導(dǎo)3、5、7、9、11和四段彎曲波導(dǎo)4、6、8、10；第一段直波導(dǎo)3的一端和輸入自由傳播區(qū)域2的一端相連，第一段直波導(dǎo)3的另一端依次經(jīng)第一段彎曲波導(dǎo)4、第二段直波導(dǎo)5、第二段彎曲波導(dǎo)6、第三段直波導(dǎo)7、第三段彎曲波導(dǎo)8、第四段直波導(dǎo)9、第四段彎曲波導(dǎo)10與第五段直波導(dǎo)11的一端相連，第五段直波導(dǎo)11的另一端與輸出自由傳播區(qū)域12的一端相連，輸入自由傳播區(qū)域2的另一端接輸入波導(dǎo)1，輸出自由傳播區(qū)域12的另一端接輸出波導(dǎo)13。
相鄰陣列波導(dǎo)中的第二直波導(dǎo)5、第三直波導(dǎo)7和第四直波導(dǎo)9平行排列。
作為一個(gè)實(shí)施例子，給出設(shè)計(jì)流程。相鄰陣列波導(dǎo)光程差為中心波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即ng(l)Ll-ng(l-1)Ll-1＝mλc， (1)式中ng(l)、Ll分別為第l條陣列波導(dǎo)的有效折射率和總長(zhǎng)度，m為衍射級(jí)，λc為中心波長(zhǎng)。由上式可得Ll=ng(l-1)ng(l)Ll-1+mλcng(l)····(2)]]>一旦選定了最短陣列波導(dǎo)長(zhǎng)度L0，即可由以上遞推公式確定長(zhǎng)度Ll。第l條陣列波導(dǎo)的總長(zhǎng)度Ll表示為L(zhǎng)l/2＝S1l+R1l(π/2-αl)+S2l+R2lπ/2+S3l. (3)式中S1l、S2l、S3l分別為第一、二、三段直波導(dǎo)長(zhǎng)度，R1l、R2l分別為第一、二段彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度，αl為第一段直波導(dǎo)的傾角，αl＝α0-lΔα， (4)其中α0為對(duì)應(yīng)于最短陣列波導(dǎo)的傾角，Δα為相鄰陣列波導(dǎo)的角間距(表示為Δα＝dg/LFPR，其中dg為相鄰波導(dǎo)的弧間距，LFPR為自由傳輸區(qū)的長(zhǎng)度)。根據(jù)幾何關(guān)系可得如下式子X(jué)l＝(LFPR+S1l)cosαl+R1l(1-sinαl)，(5)式中Xl表示第二段直波導(dǎo)在x方向的坐標(biāo)。由上式可得S1l＝Xl/cosαl-R1l(1-sinαl)/cosαl-LFPR. (6)第l條波導(dǎo)的高度Yl表示為Yl＝(LFPR+S1l)sinαl+R1lcosαl+S2l+R2l. (7)由此可得S2l＝Y(jié)l-Xltanαl+R1l(1-sinαl)tanαl-R1lcosαl-R2l. (8)圖2中兩個(gè)自由傳輸區(qū)頂點(diǎn)(O、O′)間距為L(zhǎng)s/2＝Xl-R2l-S3l， (9)即S3l＝Xl-R2l-Ls/2. (10)將(6)、(8)和(10)代入(3)可得R1l[π/2-αl+2(sinαl-1)/cosαl]+R2l(π/2-2)＝Ll/2+LFPR+Xl(tanαl-1-1/cosαl)+Ls/2-Yl(11)
為了能夠唯一確定各參數(shù)，在此引入另一個(gè)條件R1l＝R2l≡Rl， (12)由此可得Rl=Ll/2-Yl+Ls/2+LFPR-Xl(1/cosαl+1-tanαl)π-αl-2+2tanαl-2/cosαl····(13)]]>令al=1/cosαl+1-tanαlbl=π-αl-2+2tanαl-2/cosαl′···(14)]]>以及Xl=Xl-1+ΔXlYl=Yl-1+ΔYl,···(15)]]>其中ΔXl、ΔYl為第l、l-1條陣列波導(dǎo)直波導(dǎo)部分在x、y方向上的間距。將式(14)、(15)代入(13)可得alΔXl+ΔYl＝Ll/2+Ls/2+LFPR-αlXl-1-Yl-1-blRl. (16)設(shè)ΔXl＝ΔYl并令cl＝Ll/2+Ls/2+LFPR-αlXl-1-Yl-1，可得ΔXl=ΔYl=cl-blRlal+1····(17)]]>為了保證所有陣列波導(dǎo)的彎曲部分的曲率半徑Rl都大于允許最小值Rmin，設(shè)Rl滿(mǎn)足關(guān)系Rl＝Rmax-l(Rmax-Rmin)/(NWG-1)(其中l(wèi)＝0，...，NWG-1)。一旦選定彎曲半徑Rl，ΔXl(ΔYl)即可確定。因此根據(jù)遞推關(guān)系(2)、(4)、(15)，即可由(6)、(8)、(10)確定第l條陣列波導(dǎo)各部分長(zhǎng)度。
接下來(lái)推導(dǎo)最短陣列波導(dǎo)相關(guān)幾何關(guān)系式。根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)，由(3)、(5)、(7)以及(9)可得X0、Ls、Y0和L0的表達(dá)式如下，
L0/2＝S10+R10(π/2-α0)+S20+R20π/2+S30， (18a)X0＝(LFPR+S10)cosα0+R10(1-sinα0)，(18b)Y0＝(LFPR+S10)sinα0+R10cosα0+S20+R20，(18c)Ls/2＝X0-R20-S30. (18d)由以上各式可見(jiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)需要首先設(shè)定初始參數(shù)S10，S20，S30，R10，R20，α0，LFPR。至此，整個(gè)結(jié)構(gòu)完全確定。圖3給出了本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。
根據(jù)此流程，首先確定AWG的基本參數(shù)中心波長(zhǎng)λc、通道間隔Δλch、通道數(shù)Nch衍射級(jí)m、自由傳輸區(qū)長(zhǎng)度LFPR、陣列波導(dǎo)間隔dg、陣列波導(dǎo)數(shù)NWG，如表1所示。選取SOI納米波導(dǎo)芯層厚度為300nm，陣列波導(dǎo)寬度500nm(保證單模傳輸)。
表1.交疊形AWG各設(shè)計(jì)參數(shù).

作為對(duì)比，首先給出傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖4(a)為傳統(tǒng)等間距(ΔH＝30μm)的設(shè)計(jì)，圖4(b)為傳統(tǒng)變間距(恒定彎曲半徑Rl＝Rmin＝10μm)的設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，采用恒定彎曲半徑Rl的設(shè)計(jì)能將器件面積減小一半多(44.6％)。接下來(lái)采用本發(fā)明的交疊結(jié)構(gòu)，同樣取彎曲半徑Rl(＝10μm)，各初始參數(shù)如表2所示。根據(jù)遞推公式，可得到所有陣列波導(dǎo)相關(guān)幾何參數(shù)S1l、S2l、S3l，如圖5所示。
表1.交疊型AWG陣列波導(dǎo)初始參數(shù).

整個(gè)AWG的布局如圖4(c)所示。由此可見(jiàn)，利用交疊形新型結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步將器件面積減小約一半(56.7％)。
圖6為三維精確模型的數(shù)值模擬得到應(yīng)頻譜響應(yīng)。由圖可見(jiàn)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，基于納米波導(dǎo)的超小尺寸光器件的特性能完全可以達(dá)到基于微米波導(dǎo)的傳統(tǒng)AWG的水平。
權(quán)利要求
1.一種基于Si納米線的陣列波導(dǎo)光柵，包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、輸入自由傳播區(qū)域、輸出自由傳播區(qū)域和多條陣列波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)均與自由傳輸區(qū)相連；其特征在于輸入自由傳播區(qū)域(2)和輸出自由傳播區(qū)域(12)交疊；每條陣列波導(dǎo)包含了五段直波導(dǎo)(3、5、7、9、11)和四段彎曲波導(dǎo)(4、6、8、10)；第一段直波導(dǎo)(3)的一端和輸入自由傳播區(qū)域(2)的一端相連，第一段直波導(dǎo)(3)的另一端依次經(jīng)第一段彎曲波導(dǎo)(4)、第二段直波導(dǎo)(5)、第二段彎曲波導(dǎo)(6)、第三段直波導(dǎo)(7)、第三段彎曲波導(dǎo)(8)、第四段直波導(dǎo)(9)、第四段彎曲波導(dǎo)(10)與第五段直波導(dǎo)(11)的一端相連，第五段直波導(dǎo)(11)的另一端與輸出自由傳播區(qū)域(12)的一端相連，輸入自由傳播區(qū)域(2)的另一端接輸入波導(dǎo)(1)，輸出自由傳播區(qū)域(12)的另一端接輸出波導(dǎo)(13)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于Si納米線的陣列波導(dǎo)光柵，其特征在于相鄰陣列波導(dǎo)中的第二直波導(dǎo)(5)、第三直波導(dǎo)(7)和第四直波導(dǎo)(9)平行排列。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Si納米線的陣列波導(dǎo)光柵。第一輸入自由傳播區(qū)域和第二輸入自由傳播區(qū)域交疊；每條陣列波導(dǎo)包含了五段直波導(dǎo)和四段彎曲波導(dǎo)。第一段直波導(dǎo)的一端和第一自由傳播區(qū)域的一端相連，第一段直波導(dǎo)依次與各彎曲波導(dǎo)、直波導(dǎo)相向相連，第五段直波導(dǎo)的另一端與第二輸入自由傳播區(qū)域的一端相連，第一輸入自由傳播區(qū)域的另一端接輸入波導(dǎo)，第二輸入自由傳播區(qū)域的另一端接輸出波導(dǎo)。本發(fā)明兩個(gè)自由傳輸區(qū)交疊在一起，使得AWG尺寸減小到1mm
文檔編號(hào)G02B6/124GK1737620SQ20051006029
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者戴道鋅, 何賽靈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)