一种补偿阵列波导光栅偏振敏感性的方法

摘要

本发明公开了一种补偿阵列波导光栅偏振敏感性的方法，是在阵列波导区中间加入半波片实现横电模(TE)与横磁模(TM)的反转，同时在输入平板波导区与输出平板波导区引入电极，利用材料的热光效应改变输入平板波导区与输出平板波导区各自的温度，改变对应的双折射率，从而补偿使用半波片后所残留的偏振敏感性。与传统利用半波片消除阵列波导光栅偏振敏感性的方法相比，本发明突破了仅使用半波片消除偏振敏感性的局限性，弥补了例如非理想的半波片位置所带来的过补偿或欠补偿现象，适用于各种结构的阵列波导光栅，具有结构简单，温控可调等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及阵列波导光栅，具体涉及一种补偿阵列波导光栅偏振敏感性的方法。

背景技术

在光通信技术领域，实现波分复用技术的器件有很多，主要有多层介质薄膜波分解复用器、光纤布拉格光栅波分解复用器、蚀刻衍射光栅波分解复用器和阵列波导光栅(AWG：Arrayed Waveguide Grating)波分解复用器。相比于其他波分解复用器，AWG具有设计灵活，插入损耗低，滤波特性良好，性能长期稳定，以及易与光纤有效耦合等优点。

偏振敏感性问题一直是AWG应用中十分关键的问题。由于信号光经过普通单模光栅传输后，偏振态将发生随机变化。因此，对于光纤线路上的光器件来说，偏振不敏感就变得非常重要。然而，在实际应用中，光路上的光波导对于不同的入射偏振态常会表现出不同的传输特性，这主要是波导中横电模(TE)与横磁模(TM)的传播常数不同，引起TE模和TM模的光在成像面上的像点发生偏移，即产生偏振相关波长漂移PDλS(PDλS:Polarization Dependent wavelength Shift)，从而使通道的频谱相应发生偏移，这就是所谓的阵列波导光栅的偏振敏感性。该特性带来的偏振相关波长漂移会对传输系统产生显著影响，劣化传输信号，增大光通信系统的误码率。因此，为了提高AWG的性能，它的偏振敏感性必须要消除。

目前，国内外已经报道的关于AWG的偏振补偿技术主要有：无双折射波导法、衍射级次匹配法、偏振分束法、半波片法等。

无双折射波导法是采用偏正不敏感的波导结构降低AWG的偏振敏感性。J.B.D.Soole等人考虑到引起波导双折射的主要原因是波导结构，(J.B.D.Soole,et al.Polarisation-independent InP arrayed waveguide filter using square cross-section waveguides[J].Electronics Letters,1996,Vol.32No.4.)在此基础上使用具有正方形截面的无双折射的波导，消除AWG的偏振敏感性。但是此方法难以消除双折射性材料引起的AWG偏振敏感性。

衍射级次匹配法是针对AWG中不同偏振态衍射级次的不同，通过改变AWG 的波导结构来降低AWG偏振敏感性。最近几年，K.Maru等人(K Maru,et al.Silica-based 2.5％-Δarrayed waveguide grating using simple polarisation compensation method with core width adjustment[J].Electronics Letters,2007,Vol.43No.1.)提出改变在AWG阵列波导区上每根阵列波导的宽度，从而补偿波导的偏振敏感性。但是此方法只能够部分补偿波导结构对应的双折射性，而对于材料双折射性的补偿能力有限。邹俊等人(Z Jun,et al.Ultra-Compact Birefringence Compensated Arrayed Waveguide Grating Triplexer Based on Silicon-On-Insulator[J].Journal of Lightwave Technology,2013,VOL.31，NO.12.)对不同偏振态的光束使用不同的阵列波导区衍射级次并结合平板波导区的几何双折射性来补偿阵列波导区的双折射性。但是，在平板波导区中两种偏振态的分离是通过改变平板波导区几何结构而实现的，这会降低器件的性能。

偏振分束法是对TE(橫电模)或TM(横磁模)光束进行一定的处理。例如国家发明专利(ZL03118878.8)“偏振无关的折叠式阵列波导光栅”中通过在折叠式阵列波导光栅的反射镜前安置法拉第旋转器，使原有的TE光束变为TM光束，原有的TM光束变为TE光束，从而实现偏振不敏感性。由于额外器件的引入会增加器件的复杂性和成本，以及工艺等因素，此方法不能保证器件性能。

目前，在AWG偏振补偿技术中，在AWG中央加入半波片是较为成功的方法。H Takahashi等人(H Takahashi,et al.Polarization-insensitive arrayed-waveguide grating wavelength multiplexer on silicon[J].Optics Letters,1992,Vol.17,No.7.)在AWG的中间位置垂直开一窄槽，将半波片插入其内，波片的主轴和波导表面成45°角，可实现TM和TE偏振态的反转，从而降低偏振敏感性。

采用上述的AWG偏振色散补偿技术大都需要增加额外器件或者额外的工艺步骤，使得器件的制作及工艺变得复杂，性能变低，成本变高，而且残留的波导双折射很难得到补偿。例如，在半波片法中，通常半波片前后结构不完全对称，工艺误差使半波片位置也不能居中，TE、TM模式之间的串扰以及半波片仅对一定波长范围有效，这些因素导致半波片法不能保证完全补偿偏振相关波长漂移。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种补偿阵列波导光栅偏振敏感性的方法，其步骤如下：

步骤一：在阵列波导光栅AWG的阵列波导区(3)中间位置插入半波片(6)， 使原有的TE偏振态模式变为TM偏振态模式，原有的TM偏振态模式变为TE偏振态模式；

步骤二：在AWG的输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)分别加入电极(7)，利用材料的热光效应，改变输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)的双折射率实现光学非对称性，补偿插入半波片(6)的残留偏振敏感性。

步骤一中所述的AWG由输入波导(1)、输入平板波导区(2)、阵列波导区(3)、输出平板波导区(4)，及输出波导(5)依次连接组成。

步骤一中所述AWG中的两种偏振态即TE偏振模态和TM偏振模态的光栅方程可以表示为：

$>\begin{array}{c}TE:\frac{n_{si,TE}{d}_i{x}_i}{R_i}+n_{g_{,TE}}P\Delta L+n_{g_{,TM}}\left(1-P\right)\Delta L-\frac{n_{so,TM}{d}_o{x}_o}{R_o}={\mathrm{m\lambda }}_{TE}\\ TM:\frac{n_{si,TM}{d}_i{x}_i}{R_i}+n_{g_{,TM}}P\Delta L+n_{g_{,TE}}\left(1-P\right)\Delta L-\frac{n_{so,TE}{d}_o{x}_o}{R_o}={\mathrm{m\lambda }}_{TE}\end{array}---\left(1\right)$>

其中P表示阵列波导上半波片位置参数，0(开始位置)到1(结束位置)之间，0.5表示表示半波片(6)在阵列波导区(3)中间位置；ΔL表示相邻阵列波导之间的长度差；m表示衍射级次；λ_TE表示TE模式的中心波长；λ_TM表示TM模式的中心波长；R_i表示输入平板波导罗兰圆半径；R_o表示输出平板波导罗兰圆半径；x_i表示输入位置；x_o表示输出位置；d_i表示阵列波导输入端波导间隔；d_o表示阵列波导输出端波导间隔；

步骤一种所述AWG的偏振敏感性可以表示为：

$>PD\lambda S=L_{TE}-L_{TM}=\frac{B_{si}{d}_i{x}_i}{R_i}+(2P-1)B_g\Delta L+\frac{B_{so}{d}_o{x}_o}{R_o}---\left(2\right)$>

步骤一种所述在阵列波导区(3)中间位置插入半波片(6)，由于半波片前后结构不完全对称、工艺误差使半波片位置也不能居中、TE、TM模式之间的串扰以及半波片仅对一定波长范围有效等因素导致使用半波片(6)并不能完全补偿偏振相关波长漂移。

步骤二中所述实现AWG的光学非对称性，可以由如下方式推导得到。典型AWG是对称结构即R_i＝R_o，d_i＝d_o＝d，对于中心波长而言，输入位置等于输出位置x_i＝-x_o；要消除AWG的偏振敏感性，TE模式的中心波长等于TM模式的中心波长，即

$>PD\lambda S=(2P-1)B_g\Delta L+\frac{{\mathrm{dx}}_i(B_{si}-B_{so})}{R}=0---\left(3\right)$>

其中B_g表示阵列波导区TE、TM模的有效折射率差，即n_g，TE-n_g，TM；B_si表示输入平板区TE、TM模的有效折射率差，即n_si，TE-n_si，TM；B_so表示阵列波导区TE、TM模的有效折射率差，即n_so，TE-n_so，TM；

根据公式(6)可以看出，通过调节(B_{si_}-B_so)从而能够补偿AWG的残留偏振敏感性。调节(B_si-B_so)可通过在AWG的输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)加入电极(7)，利用温度对双折射率的影响来实现。

步骤二中所述的AWG的输入平板波导区(2)与输出平板波导区各自都含有上包层与基底。

步骤二中所述在输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)加入电极的位置可以是其各自的上包层上方、基底上方、左侧面或右侧面。

附图说明

图1本发明的原理结构示意图；

图2在输入(输出)平板波导区上方加入电极时，输入(输出)平板波导区的放大剖面图；

图3在输入(输出)平板波导区上方加入电极时，输入(输出)平板波导区的放大俯视图；

图4在输入(输出)平板波导区下方加入电极时，输入(输出)平板波导区的放大剖面图；

图5在输入(输出)平板波导区下方加入电极时，输入(输出)平板波导区的放大俯视图；

图6在输入(输出)平板波导区右侧加入电极时，输入(输出)平板波导区的放大剖面图；

图7在输入(输出)平板波导区右侧加入电极时，输入(输出)平板波导区的放大俯视图；

图8在输入(输出)平板波导区左侧加入电极时，输入(输出)平板波导区的放大剖面图；

图9在输入(输出)平板波导区左侧加入电极时，输入(输出)平板波导区 的放大俯视图；

图10以聚合物材料为例，聚合物材料双折射随温度变化的示意图；

图11以聚合物AWG为例，改变输出平板波导温度消除AWG偏振敏感性；

图12以聚合物AWG为例，改变输入平板波导消除温度AWG偏振敏感性；

图中，1输入波导；2输入平板波导；3阵列波导；4输出平板波导；5输出波导；6半波片；7电极；8上包层；9芯层；10下包层；11基底

具体实施方式：

本发明所说的一种补偿阵列波导光栅偏振敏感性的方法，在于利用材料的热光效应，通过调节输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)的各自温度改变双折射，实现光学非对称性，从而补偿使用半波片(6)后所残留的偏振敏感性。

再根据插入半波片(6)的实际情形(过补偿：半波片位置偏左，负补偿：半波片位置偏右)调节输入平板波导区(2)以及输出平板波导区(4)的各自温度，改变其对应的双折射，可以完全消除阵列波导光栅偏振敏感性。

下面结合附图对本发明作进一步阐述：

步骤一：在阵列波导光栅AWG的阵列波导区(3)中间位置插入半波片(6)，使原有的TE偏振态模式变为TM偏振态模式，原有的TM偏振态模式变为TE偏振态模式；

步骤一中所述AWG中的两种偏振态即橫电模(TE模)和横磁模(TM模)的光栅方程可以表示为：

$>\begin{array}{c}TE:\frac{n_{si,TE}{d}_i{x}_i}{R_i}+n_{g_{,TE}}P\Delta L+n_{g_{,TM}}\left(1-P\right)\Delta L-\frac{n_{so,TM}{d}_o{x}_o}{R_o}={\mathrm{m\lambda }}_{TE}\\ TM:\frac{n_{si,TM}{d}_i{x}_i}{R_i}+n_{g_{,TM}}P\Delta L+n_{g_{,TE}}\left(1-P\right)\Delta L-\frac{n_{so,TE}{d}_o{x}_o}{R_o}={\mathrm{m\lambda }}_{TE}\end{array}---\left(1\right)$>

其中P表示阵列波导上半波片位置参数，0(开始位置)到1(结束位置)之间，0.5表示表示半波片(6)在阵列波导区(3)中间位置；ΔL表示相邻阵列波导之间的长度差；m表示衍射级次；λ_TE表示TE模式的中心波长；λ_TM表示TM模式的中心波长；R_i表示输入平板波导罗兰圆半径；R_o表示输出平板波导罗兰圆半径；x_i表示输入位置；x_o表示输出位置；d_i表示阵列波导输入端波导间隔；d_o表示阵列波导输出端波导间隔；

步骤一种所述AWG的偏振敏感性可以表示为：

$>PD\lambda S=L_{TE}-L_{TM}=\frac{B_{si}{d}_i{x}_i}{R_i}+(2P-1)B_g\Delta L+\frac{B_{so}{d}_o{x}_o}{R_o}---\left(5\right)$>

步骤一种所述在阵列波导区(3)中间位置插入半波片(6)，由于半波片前后结构不完全对称、工艺误差使半波片位置也不能居中、TE、TM模式之间的串扰以及半波片仅对一定波长范围有效等因素导致使用半波片(6)并不能完全补偿偏振相关波长漂移。

步骤二：在AWG的输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)分别加入电极(7)，利用材料的热光效应，改变输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)的双折射率实现光学非对称性，补偿插入半波片(6)的残留偏振敏感性。

步骤二中所述实现AWG的光学非对称性，可以由如下方式推导得到。典型AWG是对称结构即R_i＝R_o，d_i＝d_o＝d，对于中心波长而言，输入位置等于输出位置x_i＝-x_o；要消除AWG的偏振敏感性，TE模式的中心波长等于TM模式的中心波长，即

$>PD\lambda S=(2P-1)B_g\Delta L+\frac{{\mathrm{dx}}_i(B_{si}-B_{so})}{R}=0---\left(6\right)$>

其中B_g表示阵列波导区TE、TM模的有效折射率差，即n_g，TE-n_g，TM；B_si表示输入平板区TE、TM模的有效折射率差，即n_si，TE-n_si，TM；B_so表示阵列波导区TE、TM模的有效折射率差，即n_so，TE-n_so，TM；

根据公式(6)可以看出，如果半波片位于对称AWG结构的正中即P＝0.5，且输入、输出平板波导的双折射率一致，公式(6)完全可以成立。然而，工艺误差使半波片位置未必能居中，使得P不等于0.5。当半波片位置偏离AWG中间位置且靠近输入平板波导区，即P<0.5，导致欠补偿现象(即PDλS<0)；同理，当半波片位置偏离AWG中间位置且靠近输出平板波导区，即P>0.5时，导致过补偿现象(PDλS>0)。值得一提的是，残留的偏振敏感性不仅仅由不理想的半波片位置引起，也可由半波片前后结构不完全对称引起，即R_i≠R_o，d_i≠d_o；此外，半波片对偏振光旋转仅在一定波长范围有效也会导致在AWG的工作波段依然有残留的偏振敏感性。在这些情况下可以通过调节(B_{si_}-B_so)从而实现完全消除AWG的偏振敏感性。调节(B_si-B_so)可通过在AWG的输入平板波导区(2) 与输出平板波导区(4)加入电极(7)，利用温度对双折射率的影响来实现。

这里以基于聚合物材料的AWG为例，聚合物材料本身的双折射性较小，但是聚合物AWG依然呈现一定的偏振敏感性。聚合物材料的双折射B与温度T的关系可以由图6得出(J.Wang,et al.Polarization insensitive 25-Gbaud direct D(Q)PSK receiver based on polymer planar lightwave hybrid integration platform[J].Optics Express,2011,Vol.19,No.13.) 

B(T)＝10^-3+k(T-20)  (7)

其中常数k＝-5×10^-6/℃，因此式(6)可以表示为：

$>(2P-1)B_g\Delta L+\frac{{\mathrm{kdx}}_i(T_i-T_o)}{R}=0---\left(8\right)$>

T_o表示输出平板波导的温度；T_i表示输入平板波导的温度。

综上所述，由于工艺误差，AWG中半波片的位置不尽相同，对此通过调节输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)之间的温度差T_o-T_i，就能消除AWG的偏振敏感性；

本发明采用在输入平板波导区(2)、输出平板波导区(4)上包层上方(如图2所示)、下包层下方(如图3所示)、右侧面(如图4所示)或者左侧面(如图5所示)加入一块电极所示，通过电极改变输入平板波导区(2)与输出平板波导区(4)的温度，最终实现温度控制消除阵列波导光栅偏振敏感性。

下面给出本发明以聚合物AWG为例的两个模拟结果，其中R＝1000um，ΔL＝20um，x_i＝200um，d＝20um，B_g＝10^-3；

当P＝0.49时，通过计算得出T_o-T_i＝20℃，如果输入平板波导的温度保持在20℃时，只要增加输出平板波导温度，达到T_o＝40℃，从理论上消除偏振敏感性，通过传输函数模拟结果如图7所示；同理，当P＝0.51时，通过计算得出T_o-T_i＝-20℃，其模拟结果如图8所示。从结果显示，改变输入平板波导与输出平板波导的温度可以完全消除阵列波导光栅偏振敏感性。

本发明提供一种利用热光效应，通过调节波导温度，以消除阵列波导光栅偏振敏感性的方法，突破传统偏振色散补偿技术的局限性，实现正负可调消除残留偏振敏感性，适用于各种结构的阵列波导光栅，具有结构简单，温控可调等优点。