紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器及其设计方法

摘要

本发明公开了一种紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器及其设计方法，包括MZI交错滤波器、两输入波导、Bragg反射器型凹面衍射光栅、自由传输区以及两输出波导阵列，其方法是首先根据Bragg反射器型凹面衍射光栅角色散关系确定两输入波导相对光栅齿面的入射角关系，然后利用所设计凹面光栅波长间隔确定MZI交错滤波器结构参数，最终实现级联MZI交错滤波器的紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器设计。本发明与传统凹面衍射光栅波分复用器相比，将MZI交错滤波器输出的奇、偶信道光以不同角度分别入射到衍射光栅，利用MZI交错滤波器将波分复用器输出光频率间隔减半，充分利用了罗兰圆圆周长度，有效减小了器件尺寸，降低了工艺复杂性。

说明书

【技术领域】

本发明属于光通信、光探测技术领域，涉及一种紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器及其设计方法。

【背景技术】

波分复用器作为光通信、光探测领域的重要器件，广泛应用于光通信扩容、气体探测等。平面光波导型波分复用器有利于器件小型化、集成化，是波分复用器的主流发展方向。平面光波导型波分复用器主要包括阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、刻蚀衍射光栅(Etched Diffraction Grating，EDG)，而Bragg反射器型凹面衍射光栅作为一种新型EDG，因其小尺寸、高衍射效率、性能稳定、工艺简单得到广泛关注。其利用罗兰圆结构成像原理，入射光波导位于罗兰圆上，经光栅圆上的一系列光栅齿面反射后，在自由传输区衍射、干涉，并重新聚焦于罗兰圆上，有效提高了器件集成度。

Pierre Pottier等人基于1/4波长理论设计了椭圆线型Bragg反射器凹面衍射光栅，并基于此进行了微型光谱仪的设计与加工(Integrated Microspectrometer withElliptical Bragg Mirror Enhanced Diffraction Grating on Silicon on Insulator,ACS Photonics,2014,1(5):430-436)；杜炳政等人利用一维光子晶体能带理论控制Bragg反射器型凹面衍射光栅的衍射带中心波长(A design method based on photoniccrystal theory for Bragg concave diffraction grating,Optics Communications,2017,385:92-96)。上述研究均仅有一个输入波导，没有充分利用罗兰圆圆周，要实现密集波分复用，都面临器件尺寸大幅增加的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利于器件小型化的级联MZI交错滤波器的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器及其设计方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器，包括MZI交错滤波器、第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导阵列、第二输出波导阵列；第一输入波导和第二输入波导入射端口以及第一输出波导阵列和第二输出波导阵列的出射端口均在罗兰圆上，罗兰圆内切于光栅圆，且罗兰圆的直径等于光栅圆的半径；在罗兰圆与光栅圆的相切处设置凹面衍射光栅；入射端口到光栅内部为自由传输区。

本发明进一步的改进在于：

MZI交错滤波器包括第一直波导和第二直波导；第一弯曲波导、第二弯曲波导、第一耦合区、第三弯曲波导、第四弯曲波导、第一非对称臂、第二非对称臂、第五弯曲波导、第六弯曲波导、第二耦合区、第三直波导、第七弯曲波导以及第八弯曲波导；

第一弯曲波导由两个1/4圆弧连接而成，其两端分别与第一直波导、第一耦合区相切连接；第二弯曲波导为两个1/4圆弧连接而成，其两端分别与第二直波导、第一耦合区相切连接；第一耦合区、第二耦合区均由两段平行排列的直波导组成，且这两段直波导之间留有间距；第三弯曲波导和第四弯曲波导均为一个1/4圆弧，其两端分别与第一耦合区、非对称臂相切连接；第五弯曲波导和第六弯曲波导均为一个1/4圆弧，其两端分别与非对称臂、第二耦合区相切连接；第七弯曲波导为两端分别与第三直波导、输入波导相切连接的圆弧；第八弯曲波导为两端分别与第二耦合区、输入波导相切连接的圆弧。

罗兰圆内切于光栅圆中，光栅圆以O₁点为圆心，O₁C为半径；罗兰圆以O₂点为圆心，O₁C为直径，两圆的切点C为极点，极点C与罗兰圆上一点O₃的连线与O₁C间的夹角为闪耀角θ；凹面衍射光栅由两种材料n₁、n₂按厚度比h₁:h₂交替分布的圆形Bragg反射器在光栅圆上周期排列组成；折射率为n₂的材料对应各扇环的中心圆弧分布在以O₃点为圆心、相邻半径相差一个布拉格周期d的K个同心圆上，且该组同心圆中间的圆与光栅圆交于极点C；每个圆与光栅圆的交点及其后相邻同心圆对应交点与O₃点间连线的角平分线与该圆的交点为所取圆弧的起点，每个交点与O₃点间连线方向上均有N层圆弧。

一种紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：为保证输出波导完全分开，两输入波导相对光栅齿面的入射角之差满足：

其中，δ_λ为所设计凹面衍射光栅的相邻通道间隔，N为两输入波导分别对应的输出通道数，β为衍射角度，λ为入射波长，a为光栅周期，m为衍射级次，n_eff为自由传输区有效折射率；当相对光栅齿面的入射角较小且近似满足闪耀条件时，β近似为θ，d近似为mλ/2n_eff；

步骤2：根据MZI交错滤波器两分支波导长度差与凹面光栅波长间隔的关系：

完成MZI交错滤波器的设计；

步骤3：将MZI交错滤波器两输出分支波导以入射角同时输入到凹面衍射光栅，使各输入输出波导不交叉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅，通过级联MZI交错滤波器，将输出波导通道间隔减半。与现有设计相比，本发明充分利用了罗兰圆圆周，在通道间隔等性能保持不变的情况下，将器件尺寸减小一半。本发明为光通信中的密集波分复用器及光探测中的高精度微型光谱仪的小型化、集成化提供可行性方案。

【附图说明】

图1是级联MZI交错滤波器的Bragg反射器型凹面衍射光栅的结构示意图；

图2是SOI材料MZI交错滤波器的输出(a)场分布图与(b)归一化功率谱图；

图3是本发明整体结构的衍射谱图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明紧凑的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器，包括MZI交错滤波器、第一输入波导10-1、第二输入波导10-2、自由传输区11、凹面衍射光栅12、第一输出波导阵列13-1、第二输出波导阵列13-2。

MZI交错滤波器包括第一直波导1-1、第二直波导1-2、第一弯曲波导2-1、第二弯曲波导2-2、第一耦合区3、第三弯曲波导4-1、第四弯曲波导4-2、非对称臂5、第五弯曲波导6-1、第六弯曲波导6-2、第二耦合区7、第三直波导8、第七弯曲波导9-1、第八弯曲波导9-2。

第一弯曲波导2-1为两个1/4圆弧连接而成，其两端分别与第一直波导1-1、第一耦合区3相切连接；第二弯曲波导2-2为两个1/4圆弧连接而成，其两端分别与第二直波导1-2、第一耦合区3相切连接；第一耦合区3、第二耦合区7均由两段以一定间距平行排列的直波导组成；第三、第四弯曲波导4-1、4-2均为一个1/4圆弧，其两端分别与第一耦合区3、非对称臂5相切连接；第五弯曲波导6-1和第六弯曲波导6-2均为一个1/4圆弧，其两端分别与非对称臂5、第二耦合区7相切连接；第七弯曲波导9-1为两端分别与第三直波导8、输入波导10-1相切连接的圆弧；第八弯曲波导9-2为两端分别与第二耦合区7、输入波导10-2相切连接的圆弧。

光栅圆以O₁点为圆心，O₁C为半径；罗兰圆以O₂点为圆心，O₁C为直径，两圆的切点C称为极点，C点与罗兰圆上一点O₃的连线与O₁C间的夹角为闪耀角θ。凹面衍射光栅12由两种材料n₁、n₂按厚度比h₁:h₂交替分布的圆形Bragg反射器在光栅圆上周期排列组成。折射率为n₂的材料对应各扇环的中心圆弧分布在以O₃点为圆心、相邻半径相差一个布拉格周期d的K个同心圆上，且该组同心圆中间的圆与光栅圆交于极点C。每个圆与光栅圆的交点及其后相邻同心圆对应交点与O₃点间连线的角平分线与该圆的交点为所取圆弧的起点，每个交点与O₃点间连线方向上均有N层圆弧。

输入光由MZI交错滤波器的第一直波导1-1和第二直波导2-1输入，经第一弯曲波导2-1和第二弯曲波导2-2进入第一耦合区3进行3dB分光，并在第三弯曲波导4-1和第四弯曲波导4-2中得到两束近似相同的光。两束光分别经非对称臂5传输后产生相位差，在第二耦合区7处发生干涉并进行3dB分光，最终在第一输入波导10-1和第二输入波导10-2处得到两束波长交错分布的光。第一输入波导10-1的出射端与极点C的连线与O₃C间的夹角为第一输入波导10-1相对光栅齿面的入射角第二输入波导10-2的出射端与极点C的连线与O₃C间的夹角为第二输入波导10-2相对光栅齿面的入射角第一输入波导10-1的出射光经自由传输区11传输、凹面衍射光栅12衍射分光后，聚焦于第一输出波导阵列13-1，第二输入波导10-2的出射光经自由传输区11传输、凹面衍射光栅12衍射分光后，聚焦于第二输出波导阵列13-2。

采用上述装置设计级联MZI交错滤波器的Bragg反射器型凹面衍射光栅波分复用器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)为保证输出波导完全分开，两输入波导相对光栅齿面的入射角之差满足：

其中，δ_λ为所设计凹面衍射光栅的相邻通道间隔，N为两输入波导分别对应的输出通道数。当相对光栅齿面的入射角较小且近似满足闪耀条件时，β可近似为θ，d可近似为mλ/2n_eff；

2)根据MZI交错滤波器两分支波导长度差与凹面光栅波长间隔的关系：

完成MZI交错滤波器的设计；

3)将MZI交错滤波器两输出分支波导以入射角同时输入到凹面衍射光栅，合理布局使各输入输出波导不交叉；

4)设计完成。

如图2、图3所示，根据本发明原理，设计一个级联MZI交错滤波器的SOI材料Bragg反射器型凹面衍射光栅，各参数如下：输入波长范围为1.53μm～1.57μm，凹面衍射光栅相邻通道波长间隔δ_λ＝16nm；自由传输区硅折射率n₁＝3.45，其有效折射率n_eff＝2.849，SiO2折射率n₂＝1.44；Bragg反射器周期宽度d＝0.63μm，Si的填充比h₁＝0.7，闪耀角θ＝45°，光栅圆半径R＝384μm，输入、输出波导宽度t＝4μm，光栅尺数K＝161，衍射级次m＝2，两入射角(两入射角绝对值不要求相等)；MZI交错滤波器两臂长差ΔL＝52.7μm，两耦合区间距均为0.2μm，长度分别为18.8μm、56.4μm，各弯曲波导弯曲半径均为10μm。

根据上述参数进行模拟，模拟结果表明，由MZI交错滤波器输出的两束光经凹面衍射光栅后，在罗兰圆上得到高效分光，衍射效率大于80％，且两束输出光有效分离，最终输出波长间隔为所设计凹面衍射光栅波长间隔的一半，大大缩小了器件尺寸。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。