一种基于液晶波导的可调谐阵列波导光栅

摘要

一种基于液晶波导的可调谐阵列波导光栅，属于集成波导光器件，解决现有可调谐阵列波导光栅制备工艺复杂，成本较高，性能一致性较差的问题。本发明包括在光路上依次排列的输入耦合区、阵列波导区、输出耦合区和输出波导区；所述输入耦合区由第一直角梯形棱镜形状电极、第二直角梯形棱镜形状电极、凹透镜形状电极和第一凸透镜形状电极构成；所述阵列波导区由N条平行的直条形状电极构成；所述输出耦合区由第二凸透镜形状电极构成；所述输出波导区由M条平行的直条形状电极构成；上述各种形状电极均镀在液晶波导的液晶层上表面。本发明结构简单、易于制作、成本低廉，利用液晶层的电光效应，实现可调谐性能，有利于其解复用的波段频率调谐。

说明书

技术领域

本发明属于集成波导光器件，特别涉及一种基于液晶波导的可调谐阵列 波导光栅。

背景技术

阵列波导光栅(以下简称AWG)作为光纤通信网络中的最重要的光器件 之一，自从1988年被Smit提出后，逐步从实验室阶段走入商用阶段。如图1 所示，传统结构的AWG一般由五部分构成：输入波导1、输入自由传输区2、 阵列波导3、输出自由传输区4、输出波导5。由于阵列波导中相邻波导存在 一定的光程差nΔL，从而各个波长的光将产生不同的相位差，进而实现光栅色 散的功能。AWG实现功能是：将不同波长的组成的复合光中的各波长的光分 离出来，是一种实现波分解复用的器件。

作为重要的DWDM(密集波分复用)器件，如何增加现有AWG的可调 谐性能是一个重要的研究课题。传统的AWG中，所用的材料是低电光系数的， 电光调谐几乎不可行。现有集成可调谐的AWG技术方案，是在阵列波导3 中采用电光相移器，实现其连续调谐功能，在设计结构上，输入、输出平板 波导依旧都是采用罗兰圆结构的平板波导，构成阵列波导的各条波导则仍是 弯曲的矩形波导，以现有的集成波导工艺，制备工艺复杂，成本较高，性能 一致性较差；见Heck，M.J.R.，La Porta，A.，Leijtens，X.J.M et al.，Monolithic  AWG-based Discretely Tunable Laser Diode With Nanosecond Switching Speed， IEEE Photonics Technology Letters，2009，21(13)：905-907。

液晶的高电光系数(5V电压折射率变化典型值为0.2)为实现可调谐的 集成光电子器件提供了可能性，已经有部分相关研究的报道，例如可调谐开 关，可调谐SOI微环谐振器。由于集成光波导技术的发展，液晶波导良好的 电光效应为新型光电器件的研制提供了新的发展途径和方向。

发明内容

本发明提供一种基于液晶波导的可调谐阵列波导光栅，解决现有可调谐 阵列波导光栅制备工艺复杂，成本较高，性能一致性较差的问题。

本发明所提供的一种基于液晶波导的可调谐阵列波导光栅，包括在光路 上依次排列的输入耦合区、阵列波导区、输出耦合区和输出波导区，其特征 在于：

所述输入耦合区由光路上依次排列的第一直角梯形棱镜形状电极、第二 直角梯形棱镜形状电极、凹透镜形状电极和第一凸透镜形状电极构成，形成 光束准直扩束系统；其中，第一直角梯形棱镜形状电极和第二直角梯形棱镜 形状电极的形状相同，两者倒置拼接为矩形；

所述阵列波导区由N条平行的直条形状电极构成，形成一个平行直阵列 波导区，N≥3；

所述输出耦合区由第二凸透镜形状电极构成，形成光束的汇聚干涉区；

所述输出波导区由M条平行的直条形状电极构成，形成输出波导，M 为输出通道数，M≥1；

上述各种形状电极均镀在液晶波导的液晶层上表面；所述液晶波导的侧 剖面自上而下依次为液晶层、波导层、下包层、基底。

入射光从液晶波导的端面进入。

所述的可调谐阵列波导光栅，其进一步特征在于：

所述输入耦合区、阵列波导区、输出耦合区和输出波导区各部分之间的 间隙为10μm～1000μm；

所述第一直角梯形棱镜形状电极和第二直角梯形棱镜形状电极的上边长 为10μm～100μm，上下边长比为1∶2～1∶4，高为50μm～2000μm；

所述凹透镜形状电极，上下边长为20μm～400μm，高为50μm～2000 μm，焦距10μm～1000μm；

所述第一凸透镜形状电极，高为50μm～2000μm，焦距10μm～1000 μm；

所述第一直角梯形棱镜形状电极、第二直角梯形棱镜形状电极、凹透镜 形状电极和第一凸透镜形状电极之间间隙为5μm～20μm；

所述阵列波导区中，各直条形状电极形状和尺寸相同，宽度2μm～5μm， 长度500μm～3000μm，间隔10μm～20μm；

所述第二凸透镜形状电极，高为50μm～2000μm，焦距10μm～1000 μm；

所述输出波导区中，各直条形状电极形状和尺寸相同，宽度2μm～5μm， 长度100μm～1000μm，间隔10μm～50μm。

所述的可调谐阵列波导光栅，所述液晶波导的波导层材料为硅(Si)或者 氮化硅(Si₃N₄)，厚度为0.3μm～2.0μm；

所述输入耦合区、阵列波导区、输出耦合区和输出波导区的各电极材料 为氧化铟锡(ITO)。

本发明基于平板液晶波导，在传输光时，在构成输入耦合区的各电极上 设定合适的电压，使得各电极下方液晶波导构成等效第一直角梯形棱镜、第 二直角梯形棱镜、凹透镜和第一凸透镜光学元件；光经过输入耦合区，形成 准直扩束平行光，均匀地耦合进入阵列波导区，再由阵列波导区传送至输出 耦合区，在构成输出耦合区的第二凸透镜形状电极设定合适的电压，使得该 电极下方液晶波导构成等效第二凸透镜光学元件，光在输出耦合区中实现多 光束汇聚干涉，不同波长的光将在输出波导区中不同位置处的波导进行汇聚 输出，实现波分解复用的功能。

本发明可调谐的性能原理是：阵列波导区平行的直条形状电极的电压为：其中为施加于每条直条形状电极上，使得直条形状电极下 方液晶波导构成等效条形波导的电压；为附加在每条直条形状电极上，使 得各等效条形波导产生光程差的电压；设定每条直条形状电极上的电压可以控制阵列波导区中等效条形波导的光程差，达到输出光波长连续可调谐 的效果。

本发明结构简单、易于制作、成本低廉，阵列波导区由平行的直条形状 电极构成，相比传统AWG同等结构的弯曲型阵列波导，性能一致性好；利用 液晶层的电光效应，实现可调谐性能，有利于其解复用的波段频率调谐。

附图说明

图1为传统阵列波导光栅结构示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为液晶波导的侧剖面结构示意图；

图4为输入耦合区电极形状示意图；

图5为阵列波导区电极形状示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，本发明包括在光路上依次排列的输入耦合区7、阵列波导区 8、输出耦合区9和输出波导区10；上述各部分均镀在液晶波导6的液晶层 上表面；入射光从液晶波导6的端面进入。

如图3所示，所述液晶波导6自上而下依次为液晶层6-1、波导层6-2、 下包层6-3、基底6-4。

如图4所示，所述输入耦合区7由光路上依次排列的第一直角梯形棱镜 形状电极7-1、第二直角梯形棱镜形状电极7-2、凹透镜形状电极7-3和第一 凸透镜形状电极7-4构成，形成光束准直扩束系统；其中，第一直角梯形棱镜 形状电极7-1和第二直角梯形棱镜形状电极7-2的形状相同，两者倒置拼接为 矩形；

如图5所示，所述阵列波导区8由N条平行的直条形状电极构成，形成 一个平行直阵列波导区；

所述输出耦合区9由第二凸透镜形状电极构成，形成光束的汇聚干涉区；

所述输出波导区10由M条平行的直条形状电极构成，形成输出波导， M为输出通道数。

本发明的实施例1：

所述输入耦合区7、阵列波导区8、输出耦合区9和输出波导区10各部 分之间的间隙为300μm；

所述第一直角梯形棱镜形状电极7-1和第二直角梯形棱镜形状电极7-2， 上边长100μm，上下边长比1∶4，高2000μm，

所述凹透镜形状电极7-3，上下边长400μm，高2000μm，焦距500μm，

第一凸透镜形状电极7-4，高2000μm，焦距500μm，

所述第一直角梯形棱镜形状电极7-1、第二直角梯形棱镜形状电极7-2、 凹透镜形状电极7-3和第一凸透镜形状电极7-4之间间隙为20μm；

所述阵列波导区8由80条平行的直条形状电极构成，各直条形状电极形 状和尺寸相同，宽度5μm，长度3000μm，间隔20μm；

所述第二凸透镜形状电极，高2000μm，焦距500μm，

所述输出波导区10由8条平行的直条形状电极构成，各直条形状电极形 状和尺寸相同，宽度5μm，长度1000μm，间隔50μm。

所述的可调谐阵列波导光栅，所述液晶波导6的波导层6-2材料为氮化硅 (Si₃N₄)，厚度为0.3μm；

所述输入耦合区7、阵列波导区8、输出耦合区9和输出波导区10的各 电极材料为氧化铟锡(ITO)。

本发明的实施例2：

所述输入耦合区7、阵列波导区8、输出耦合区9和输出波导区10各部 分之间的间隙为50μm；

所述第一直角梯形棱镜形状电极7-1和第二直角梯形棱镜形状电极7-2， 上边长10μm，上下边长比1∶2，高50μm，

所述凹透镜形状电极7-3，上下边长20μm，高50μm，焦距100μm，

第一凸透镜形状电极7-4，高50μm，焦距100μm，

所述第一直角梯形棱镜形状电极7-1、第二直角梯形棱镜形状电极7-2、 凹透镜形状电极7-3和第一凸透镜形状电极7-4之间间隙为5μm；

所述阵列波导区8由10条平行的直条形状电极构成，各直条形状电极形 状和尺寸相同，宽度2μm，长度1000μm，间隔5μm；

所述第二凸透镜形状电极，高50μm，焦距100μm，

所述输出波导区10由2条平行的直条形状电极构成，各直条形状电极形 状和尺寸相同，宽度2μm，长度100μm，间隔10μm。

所述的可调谐阵列波导光栅，所述液晶波导6的波导层6-2材料为硅(Si)， 厚度为0.6μm；

所述输入耦合区7、阵列波导区8、输出耦合区9和输出波导区10的各 电极材料为氧化铟锡(ITO)。

本发明的实施例3：

所述输入耦合区7、阵列波导区8、输出耦合区9和输出波导区10各部 分之间的间隙为100μm；

所述第一直角梯形棱镜形状电极7-1和第二直角梯形棱镜形状电极7-2， 上边长50μm，上下边长比1∶3，高1000μm，

所述凹透镜形状电极7-3，上下边长150μm，高1000μm，焦距100，

第一凸透镜形状电极7-4，高1000μm，焦距100μm，

所述第一直角梯形棱镜形状电极7-1、第二直角梯形棱镜形状电极7-2、 凹透镜形状电极7-3和第一凸透镜形状电极7-4之间间隙为10μm；

所述阵列波导区8由50条平行的直条形状电极构成，各直条形状电极形 状和尺寸相同，宽度4μm，长度2000μm，间隔15μm；

所述第二凸透镜形状电极，高1000μm，焦距100m，

所述输出波导区10由4条平行的直条形状电极构成，各直条形状电极形 状和尺寸相同，宽度4μm，长度500μm，间隔25μm。

所述的可调谐阵列波导光栅，所述液晶波导6的波导层6-2材料为氮化硅 (Si₃N₄)，厚度为2.0μm；

所述输入耦合区7、阵列波导区8、输出耦合区9和输出波导区10的各 电极材料为氧化铟锡(ITO)。