[发明专利]一种低串扰的硅基阵列波导光栅

说明书

本发明公开了一种低串扰的硅基阵列波导光栅，基底和上包层采用二氧化硅材料，主体波导光栅结构采用硅材料；主体波导光栅由三部分组成：输入输出波导、两个罗兰圆结构型自由传播区波导、阵列波导；在阵列波导以及输入输出波导和自由传播区波导的连接处，使用抛物线锥形波导作为过渡；在输出端优化调节波导的占空比来提高信道的分离度，降低信道串扰。本发明有效降低了损耗以及因宽度突变而引起的相位误差；增大了各信道的隔离度，降低信道串扰；在光通信与光信号处理、波分复用器系统中具有重要应用。

技术领域

本发明属于硅基光子集成、光波长复用以及信号处理等领域，尤其涉及一种低串扰的硅基阵列波导光栅。

背景技术

硅基阵列波导光栅是一种角色散型无源器件，由输入输出波导、自由传播波导(或自由传播区)和一系列具有固定长度差的阵列波导组成。阵列波导光栅多利用光束干涉原理，通过阵列波导引入一定的光程差，使得不同波长的光在自由传播波导中干涉成像，从而被不同的输出波导所接收。目前商用的阵列波导光栅器件采用低折射率差的光波导，如二氧化硅，其尺寸大约在cm²量级。为了实现更小尺寸器件，目前多用硅材料制作器件，可以将器件的尺寸缩小至μm²量级。但由于硅波导对工艺制作较为敏感，相比于低折射率差的器件，硅基光波导阵列波导光栅器件通常具有更高的串扰。

目前的硅基光波导阵列波导光栅设计中，多数采用传统的分段式设计，相关论文包括：1)Wu Y,Lang T N T,Song J,et al.Horseshoe-Shaped 16×16Arrayed WaveguideGrating Router Based on SOI Platform[C]//2017 16th International Conferenceon Optical Communications and Networks(ICOCN).2017；2)Dumon P,Bogaerts W,VanThourhout D,et al.Compact wavelength router based on a Silicon-on-insulatorarrayed waveguide grating pigtailed to a fiber array[J].Oe/14/2/oe Pdf,2006,14(2):664-0；3)Stanton E J,Volet N,Bowers J.Low-loss arrayed waveguide gratingat 2.0μm[C]//Cleo:ScienceInnovations.2017。上述论文输出信道数多为8个左右，同时为降低串扰或节约尺寸，在自由传播区采用罗兰圆设计，并作出改良，但输出信道的串扰仍然高于-20dB。而实现低串扰输出的设计，采用例如Zhiqun Zhang等人设计的两级级联阵列波导光栅，成功将信道数拓展至16的情况下，输出信道串扰低于-30dB，但是整体结构共使用了5个阵列波导光栅单元，硅基集成器件的紧凑尺寸特征被丢失，同时多级级联的损耗也会增大，降低器件性能。(Zhiqun,Zhang,Juan,et al.Low-crosstalk silicon photonicsarrayed waveguide grating[J].Chinese Optics Letters,2017)。因此进一步为降低整体结构的尺寸，Qing Fang等人采用折叠设计，通过在阵列波导光栅处添加多模干涉反射单元，将光路折返，进而实现器件尺寸减半的目标，然而这一方法不适用于具有更多输出信道的阵列波导光栅结构。(Qing F,Xiaoling C,Yingxuan Z,et al.Folded Silicon-Photonics Arrayed Waveguide Grating Integrated with Loop-Mirror Reflectors[J].IEEE Photonics Journal,2018,10(4):1-8.)。

根据以上分析可知，目前基于硅基光波导的阵列波导光栅，在面对输出信道需求上涨的情况下，难以实现低损耗、低串扰、小尺寸的设计，而无法实现这些性能指标，将会直接影响所设计器件的实际应用价值。