阵列波导光栅型梳状滤波器.pdf

一种阵列波导光栅型梳状滤波器，其功能是将一列频率等间隔的光波信号，交替分为奇数序和偶数序两列，并从两个信道输出；其光传输是由表面光波导构成，其中包括：一基底；一下包层，主要是二氧化硅材料，该层材料制备在基底表面；一芯层，主要是掺锗二氧化硅材料、或硅材料，该芯层制备在二氧化硅的下包层上；在芯层上刻蚀出光传输条状的矩形波导、或脊形波导；在刻蚀后的芯层表面再覆盖二氧化硅材料，作为上包层；该上下包层的作用是束缚光波、而芯层是传输光波。

1、  一种阵列波导光栅型梳状滤波器，其功能是将一列频率等间隔的光波信号，交替分为奇数序和偶数序两列，并从两个信道输出；其光传输是由表面光波导构成，其特征在于，其中包括：
一基底；
一下包层，是二氧化硅材料，该层材料制备在基底表面；
一芯层，是掺锗二氧化硅材料、或硅材料，该芯层制备在二氧化硅的下包层上；
在芯层上刻蚀出光传输条状的矩形波导、或脊形波导；
在刻蚀后的芯层表面再覆盖二氧化硅材料，作为上包层；
该上下包层的作用是束缚光波、而芯层是传输光波。

2、  根据权利要求1所述的阵列波导光栅型梳状滤波器，其特征在于，其中光传输条形波导的形状为由输入和输出条形波导、两个罗兰圆平板波导、以及曲线形的阵列波导相连接构成。

3、  根据权利要求2所述的阵列波导光栅型梳状滤波器，其特征在于，其中两个罗兰圆平板波导重合相交，构成闭合回路状的阵列波导，减小弯曲半径；其输入波导为奇数、输出波导为偶数、阵列波导为奇数。

4、  根据权利要求3所述的阵列波导光栅型梳状滤波器，其特征在于，其中减小弯曲半径，其弯曲半径r≤10mm。

5、  根据权利要求3所述的阵列波导光栅型梳状滤波器，其特征在于，其中基底为硅基底。

阵列波导光栅型梳状滤波器
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种阵列波导光栅型梳状滤波器。
背景技术
随着互联网在全球的蓬勃兴起，通信领域的信息传送量正在加速增长。为达到此增长目的，通常有三种复用的方法，即空分复用、时分复用和波分复用。空分复用是通过铺设新的光纤来增加信道数的，其成本最高；时分复用是通过对时间的划分来增加信道数的，可挖的潜力则十分有限；而波分复用是通过不同波长可在同一根光纤中传输的原理来增加信道数的，可使信号的传输成倍的提高。为此，在有限的光纤光缆条数下，大多数通信系统都使用了时分复用和波分复用的技术。目前，根据国际通信联盟(ITU)的规定，信道的信道间隔都在100GHz或200GHz，若想要对原系统进行低价扩容，人们首选光学梳状滤波器(Interleaver)，因为它可在不改变原有设备和系统的基础上，通过信道间隔减半的方法来进行，即：对信道间隔为200GHz的原系统，使用100GHz的Interleaver；对信道间隔为100GHz的原系统，使用50GHz的Interleaver，等等。该滤波器的功能是将一列等间隔的光波信号通过扩大信道间隔而交替分为奇数和偶数信道两列信号，即解复用；或将两列信号通过缩小信道间隔而复用为一列。由于Interleaver可以在不更换原有设备的基础上进行扩容，节省了开支。因此，Interleaver对现有光通信波分复用系统的升级，有着十分重要的作用，同时蕴藏着巨大的市场。目前市场上拥有的光学Interleaver为：光纤光栅型[1，2]、双折射晶体型[3，4]、马赫-曾德(Mach Zahdner)干涉型[5，6]，共振腔型[7]等，下面对各种类型给予简介。
光纤光栅型梳状滤波器是通过紫外光将具有特殊周期的模板内容刻入光纤，导致折射率沿轴产生周期性扰动，形成了光纤光栅，从而对透射和反射光进行调整，达到梳状滤波的作用。
双折射晶体型梳状滤波器是利用各向异性晶体的双折射效应，对通过其后的寻常光(o)和非寻常光(e)在空间上加以区别，经特定的路程、但不同光程(由不同折射率n(o)和n(e)引起)之后再复合，通过o光和e光之间的干涉来达到对不同波长信号进行梳状滤波的目的。
马赫-曾德(Mach Zahdner)干涉型梳状滤波器有多种表现形式，但它们都是通过两个3dB耦合、以及两根不同长度的臂组成。当光信号通过第一个3dB耦合时，被分成相等的两束，各自经不同长度臂后形成相位差，再在第二个3dB耦合中相互干涉，从而达到梳状滤波的目的。
共振腔型梳状滤波器是利用共振腔的多光束干射来进行频率选择的，其选定波长满足2d×sinθ＝mλ条件(其中d为共振腔间距、θ为腔内入射角、m为正整数)。例如迈克尔逊(Michelson)干涉、法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉等。
以上这些方法虽各有千秋，但不足之一是无法与硅基的微电子集成，不足之二是对未来1×N的梳状滤波只有通过多个级联才能形成，这样势必造成了过多的插入损耗。针对这一问题，本专利申请中所涉及的梳状滤波器是基于阵列波导光栅(AWG)原理制备的，它是一种平板光波导回路器件，因此可以与硅基微电子集成，也可以同其它平板光波导回路器件集成。不仅如此，AWG本身就是N×N的波分复用器件，利用其周期性(四个特性之一)，将它设计成1×N(N＝2，3，…)的Interleaver，形成一次滤波到位的优势，如：小串扰和均匀的输出信号强度等各种有利条件，而且进一步发展可形成周期特性的AWG级联。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种阵列波导光栅型梳状滤波器，其可通过改变AWG的形状和参数，来满足相邻阵列波导之间大路程差和器件小尺寸的要求(该路程差≥0.8mm)。为此，增大阵列波导弯曲曲率(即减小弯曲半径r)，使弯曲半径r≤10mm；将两个罗兰圆平板波导合并为一个，构成闭合回路式的阵列波导；平板波导周边由四个不同的圆弧构成，连接输入输出波导的两侧圆弧ab和gh为罗兰圆圆弧，其曲率半径为该平板波导直径的一半；连接阵列波导的两侧圆弧cd和ef为凹面光栅，其曲率半径为该平板波导的直径；两个中心轴线的夹角在10至170度之间。
本发明的目的之二是通过调整罗兰圆尺寸来减缓平板波导中的大角色散。由于该器件中的角色散(Δθ/Δλ)远大于通常AWG中的角色散(≤0.5度/nm)，为此，加宽条形波导在与平板波导连接处的间距，使其在6～30μm之间；增大罗兰圆直径，使其在1～4mm之间；这样可使角色散从5.0度/nm下降为1.0度/nm。对于Δλ＝0.4nm的序列信号，罗兰圆上相邻波导对光栅圆中心处某点的张角Δθ在0.4～2.0度之间，Δθ/Δλ≥1.0度/nm)。
本发明的目的之三是强调输入输出和阵列波导的奇偶特性。根据Interleaver一个输入二个输出地要求，将输入波导定为1、3、5、7等奇数条，输出波导为2、4、6、8等偶数条，阵列波导为7～2 5之间的奇数条。
本发明的技术方案是：
一种阵列波导光栅型梳状滤波器，其功能是将一列频率等间隔的光波信号，交替分为奇数序和偶数序两列，并从两个信道输出；其光传输是由表面光波导构成，其特征在于，其中包括：
一基底；
一下包层，主要是二氧化硅材料，该层材料制备在基底表面；
一芯层，主要是掺锗二氧化硅材料、或硅材料，该芯层制备在二氧化硅的下包层上；
在芯层上刻蚀出光传输条状的矩形波导、或脊形波导；
在刻蚀后的芯层表面再覆盖二氧化硅材料，作为上包层；
该上下包层的作用是束缚光波、而芯层是传输光波。
其中光传输条形波导的形状为由输入和输出条形波导、两个罗兰圆平板波导、以及曲线形的阵列波导相连接构成。
其中两个罗兰圆平板波导重合相交，构成闭合回路状的阵列波导，减小弯曲半径；其输入波导为奇数、输出波导为偶数、阵列波导为奇数。
其中减小弯曲半径，其弯曲半径r≤10mm。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是AWG型梳状滤波器的功能图。
图2是硅基二氧气硅条形波导制备横截面图，其中A、B、C为三个工艺过程。
图3是绝缘体上硅脊形波导制备横截面图，其中A、B、C为三个工艺过程。
图4 A是AWG型梳状滤波器的俯视图，右侧“1”为输入端，中间“2”为平板波导作为衍射区，上“3”为曲线形的阵列波导，左侧“4”为输出端；
图4B是图4A中心方框的部分“2”，两个平板波导是重合在同一层面。
图5是阵列波导光栅的原理图。
图6是50GHz频率间隔的光信号经过AWG型梳状滤波器(图4)后的数值模拟图。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明一种阵列波导光栅型梳状滤波器，其功能是将一列频率等间隔的光波信号，交替分为奇数序和偶数序两列，并从两个信道输出；其光传输是由表面光波导构成，其中包括：
一基底10；
一下包层11，主要是二氧化硅材料，该层材料制备在基底10表面；
一芯层12，主要是掺锗二氧化硅材料、或硅材料，该芯层制备在二氧化硅的下包层上；
在芯层上刻蚀出光传输条状的矩形波导13、或脊形波导，其中光传输条形波导13的形状为由输入和输出条形波导、两个罗兰圆平板波导1、4、以及曲线形的阵列波导3相连接构成，两个罗兰圆平板波导1、4重合相交，构成闭合回路状的阵列波导，如图4所示，减小弯曲半径r≤10mm；其输入波导为奇数、输出波导为偶数、阵列波导为奇数；
在刻蚀后的芯层表面再覆盖二氧化硅材料，作为上包层14；
该上下包层11、14的作用是束缚光波、而芯层12是传输光波。
请参阅图2是绝缘体上硅脊形波导制备横截面图，其与图1基本相同，包括：
一基底20；
一下包层21，主要是二氧化硅材料，该层材料制备在基底20表面；
一芯层22，主要硅材料，该芯层22制备在二氧化硅的下包层21上；
一上包层14，为二氧化硅材料，制作在芯层22上。
其区别是，图1所示的在芯层12上刻蚀出光传输条状的矩形波导13是刻蚀到下包层11。而图2所示的在芯层22上刻蚀出光传输条状的矩形波导23是刻蚀到芯层22的一部分，再覆盖上包层14。
1、合并罗兰圆平板波导以形成闭合的阵列波导
由于AWG型Interleaver具有较大的相邻阵列波导间路程差(≥0.8mm，通常AWG的路程差≤0.1mm)，而平板光学回路又不允许有很大的尺寸，所以我们通过增大阵列波导弯曲曲率(减小弯曲半径r，且r≤10mm)，在该波导足够长的情况下，使两个罗兰圆平板波导相交重合(交角在10～170度之间)，构成阵列波导的闭合回路。
通过上述方法，既可满足相邻阵列波导间大路程差的要求，又可缩减器件表面面积；同时，将减少输入输出波导放置在芯片的两侧(双边)，以便于操作人员用两个调试台分别独立地对裸片进行精确测量和封装。
2、减缓平板波导中的大角色散
将条形波导在罗兰圆和光栅圆上的间距调整在6～30μm之间，平板波导的直径调整在1～4mm之间，则平板波导中的角色散Δθ/Δλ在1.0～5.0度/nm之间；对于Δλ＝0.4nm的序列信号，罗兰圆上相邻输入(或输出)波导对应凹面光栅某点的张角Δθ在0.4～5.0度之间。平板波导的直径越大、波导间距越宽，角色散和张角就越小。
3、输入波导、输出波导和阵列波导的奇偶设置
将输入波导定为1、3、5、7等奇数条，输出波导为2、4、6、8等偶数条，阵列波导为7～2 5之间的奇数条。
原理说明
1、阵列波导光栅(AWG)
AWG的结构如图5所示，它由N个输入波导、N个输出波导、两个平板波导(slab)和波导阵列组成，都集成在同一衬底上。其中平板波导与输入输出波导相连接的一端是罗兰圆圆弧(用点虚线表示)，而平板波导与阵列波导相连接的另一端是凹面光栅(用长虚线表示)。凹面光栅所在的圆称之为光栅圆。整个器件是以阵列波导为中心，两个平板波导和输入输出波导分别对称地分布。
光栅圆的曲率半径就是罗兰圆的直径，可以证明，从罗兰圆上任一点来的光将近似地被光栅圆反射到圆上另一点，同时被衍射到圆上另一些焦点。阵列波导光栅就是根据这一原理来运作的。首先，光从输入波导进入输入平板波导，并产生衍射；然后，这些衍射波通过凹面光栅被阵列波导吸收，并通过相邻波导间的路程差对其相位进行周期性地调制；当这些被调制过的光波进入输出平板波导后，它们将以不同的信道波长聚焦到输出罗兰圆圆周的不同位置上，并从那里经输出波导输出。从而，实现对含有不同波长光信号的解复用过程，反过来又可以对不同波长的光波进行复用。
2、AWG型Interleaver中的单一平板波导
由于AWG中相邻阵列波导之间的路程差(ΔL)与自由频谱宽度(FSR)成反比，即FSR越小，路程差ΔL越大。例如，对于FSR＝200GHz，其ΔL≈0.4mm；对于FSR＝100GHz，其ΔL≈0.8mm；对于FSR＝50GHz，其ΔL≈1.6mm。因此，在相同信号分辨率下，两个输出的Interleaver具有最大的ΔL。而随着信号分辨率的减小，ΔL则会越来越大。
相邻阵列波导之间路程差(ΔL)的增大，必定会加大Interleaver器件的面积。为此，我们通过增大阵列波导弯曲曲率(即减小弯曲半径r，且r≤10mm)，来满足大路程差和小面积的双重要求。当弯曲进行到一个大的角度，且该阵列波导足够长的情况下，输入和输出波导、或阵列波导之间就会相交。条形波导相交会对光的模场产生扰动，从而引起能量的损失，所以将交会点确定在罗兰圆平板波导，交角在10～170度之间，如图4所示。由于光波的交叉传输不会改变自身振幅和位相，而在一个平板波导中又没有横向模场的限制，所以这一选择不会对输入输出信号产生任何影响。另一方面，两个罗兰圆平板波导相交重合，可以形成输入输出波导在芯片两侧(双边)，这有利于芯片的测量和封装。
3、AWG型Interleaver中角色散的优化
平板波导中的角色散(Δθ/ΔX)与ΔL/d成正比(d为波导在光栅圆上的间距)，所以在ΔL确定了以后，提高d值可以减缓大角色散。另一方面，d值不可过大。这不仅仅是因为提高d值会以平方关系增加平板波导直径，而且提高d值必定要开喇叭口，喇叭口中没有固定的模场，所以过大的喇叭口也会增加插入损耗(IL)。因此，在特定的工艺条件下，梳状滤波器中阵列波导在光栅圆上的间距d有一最佳值。
4、AWG型Interleaver中波导奇偶数的设置
由于光学Interleaver要求的是一个输入、两个输出，那么输入波导应放置在输入罗兰圆的零级位置，即输入罗兰圆的中轴线上；输出波导应放置在输入罗兰圆的±1级位置(无零级)，即紧邻输出罗兰圆中轴线的两侧对称位置上。从工艺加工的误差考虑，需要通过变换输入波导对系统进行微调；从工艺加工的稳定性考虑，需要条形波导两侧增加一些辅助的波导，以保护中心波导不被损坏；故将输入波导数应增为奇数条(如：3、5、7等)；输出光波导也该相应地增为偶数条(如：4、6、8等)，即始终保持输入罗兰圆零级位置上有波导和输出罗兰圆±1位置上有波导。另外，由于罗兰圆平板波导直径较小，衍射信号多集中在光栅圆的中央，为对应零级输入波导，所以将阵列波导数目确定为奇数。
图6展示的是50GHz频率间隔的光信号经过AWG型梳状滤波器(图4)后的数值模拟图，从输入平板波导的零级输入端输入、从输出平板波导的±1级输出端输出。