一种滤波器和输入通道级联实现频谱均匀的AWG路由器的制作方法

本实用新型涉及一种阵列波导光栅(AWG)光波长路由器，具体涉及一种滤波器和输入通道级联实现频谱均匀的AWG路由器。
背景技术：
：随着半导体工艺的最小特征尺寸按照摩尔定律持续减小，芯片集成度越来越高，各个晶体管间的数据交换速度将无法跟上其本身的数据处理速度，基于金属传导的电互连技术正面临不可逾越的“电子瓶颈”。与电互连相比，光互连(OpticalInterconnect)以光子为信息载体，具有超高带宽、超快传输速率、抗电磁干扰和低能耗等优势，将引发新一轮的信息产业革命。硅基光互连技术具有功耗低、与半导体CMOS工艺兼容、可集成、成本低等优点，是实现片间和片上光互连的理想平台。光波长路由器可以实现光节点上/下行波长的智能分配，高速无阻塞光域的选路交换，保证透明传输，是光互连网络系统的核心器件之一。光波长路由器可以用环形共振器(Ringresonator)，蚀刻衍射光栅(EDG)等方式实现。但考虑较多波长信道和制作要求时，阵列波导光栅(AWG)是光波长路由器的最佳选择之一。AWG具有结构紧凑、易于集成、性能优良和可靠性高等众多优点。由N×N型阵列波导光栅(AWG)构成的光波长路由器正成为研究热点。对于普通的阵列波导光栅光波长路由器，其中心波长由光栅方程ncΔL＝mλc(式1)决定，其中，nc是阵列波导的有效折射率，ΔL是相邻阵列波导在阵列波导区的长度差，m是衍射级次，λc是中心波长。其自由光谱范围表示为其中，Nc是阵列波导的群折射率。在N×N的光波长路由应用中，要求AWG的FSR正好是通道间隔的N倍，而衍射级次m又必须是整数。一般两个等式无法同时满足。只能通过公式(2)求得阵列波导长度差在代入公式(1)得到的衍射级次m就近取整。那么根据整数m再反推回的FSR就和实际要求的存在偏差，引起比较严重的频率偏差现象。同时在这种情况下，除了中心通道以外，其余输入通道的输出频谱需要用到衍射级次为m-1或者m+1的频谱，由于能量主要分布在m衍射级次，不同衍射级次的能量分布会有比较大的差异，于是光波长路由器面临一个自由光谱范围内信道插入损耗不均匀的实现困难。具体表现为，对于一个输入通道来说，所有输出通道频谱的插入损耗差异有至少3dB，而对于所有输入通道对应的输出频谱来说，损耗差异至少为6dB。目前国内外报道的减少阵列波导光栅光波长路由器输损耗差异的方法主要有在阵列波导与输出平板波导区连接处使用模式转换器的波前模式匹配方法和在阵列波导之间添加辅助波导的方法。SakamakiY,KameiS,HashimotoT,etal.LossUniformityImprovementofArrayed-WaveguideGratingWithMode-FieldConvertersDesignedbyWavefrontMatchingMethod[J].JournalofLightwaveTechnology,2009,27(24):5710-5715这篇文章中提到在阵列波导与输出平板波导区连接处使用模式转换器的波前模式匹配方法。该模式转换器将阵列波导中的基模转换为在输出平板区和输出波导之间的界面上具有平顶效果的远场场分布。这种方法使得对于一个输入通道对应的输出频谱的损耗而言，损耗差异由2.4dB降到了0.7dB。ShengZ,DaiD,HeS.ImproveChannelUniformityofanSi-NanowireAWGDemultiplexerbyUsingDual-TaperedAuxiliaryWaveguides[J].JournalofLightwaveTechnology,2007,25(10):3001-3007这篇文章中提到在阵列波导与输出平板波导连接处，在阵列波导之间添加辅助波导来实现阵列波导光栅波长解复用器频谱均匀化。该设计使得12个输出通道的频谱损耗差异小于0.5dB。这两种方法都成功减小了阵列波导光栅光波长路由器输出频谱损耗差异。但是都只是针对一个输入通道对应的输出频谱而言，而对于所有输入通道来说，由于要利用其他衍射级次，仍然会有3dB的损耗差异。技术实现要素：针对
背景技术：
的不足，本实用新型的目的在于提出一种滤波器和输入通道级联实现频谱均匀的AWG路由器，在阵列波导光栅(AWG)基础上连接增设滤波器和输入通道，以解决传统阵列波导光栅光波长路由器频谱插入损耗差异较大的问题，实现频谱损耗均匀。光波长路由器是光互连、光通信等系统中的核心器件之一，要求具有所有输出通道的波长循环路由功能。现有常利用具有N个输入通道和N个输出通道的N×N阵列波导光栅可以实现光波长路由，这种设计要求阵列波导光栅的自由光谱范围等于输出通道数目与输出通道间隔的乘积，光栅衍射级次为m。但是在这种情况下，除中心通道以外，其他输入通道所对应的输出频谱都需要用到m-1或者m+1的衍射级次。这样会使得N×N的阵列波导光栅路由器的中心通道所对应的所有输出通道的插入损耗差异至少为3dB,对于所有的输入通道，所有输出通道的频谱差异至少为6dB。为了减少这种损耗差异，实现所有通道的损耗均匀，不同于传统的阵列波导光栅光波长路由器的设计，本实用新型设计一种自由频谱范围大于N个信道宽度的阵列波导光栅，根据输入与输出的对应关系，采用在特定两个输入波导前加级联马赫曾德尔干涉仪(MZI)或者其他滤波器的方法，将输入光分为两束分别输入到对应输入通道中，只利用m衍射级次，实现除中心输入通道以外，其它输入通道所对应的输出频谱也能够实现频谱损耗均匀的目的。此实用新型适用于基于二氧化硅、硅、氮化硅、氮氧化硅、磷化铟等的各种波导材料和波导结构。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：本实用新型包括N条滤波输入波导、N-1个滤波器、2N-1条AWG输入波导、阵列波导光栅和N条输出波导；自由光谱范围大于阵列波导光栅中的2×N倍通道波长间隔，阵列波导光栅具有2N-1个输入输出通道，阵列波导光栅的中心输入端口(即第N个输入端口)经一AWG输入波导和第1个滤波输入波导连接；针对阵列波导光栅中除了中心输入端口以外的其他输入端口，将第n个输入端口和第N+n个输入端口组成一组输入端口，并分别经各自的AWG输入波导连接到同一滤波器的输出端，共计N-1组输入端口连接到N-1个滤波器，N-1个滤波器的输入端分别和其余N-1个滤波输入波导连接。所述的滤波器为1×2滤波器，将输入光进行分光处理。衍射级次波长范围中N个位于中间波长的光输入到N条滤波输入波导进而进入阵列波导光栅中，从除第1个滤波输入波导以外的其余N-1个滤波输入波导输入的光经各自的滤波器进行分束为波长不同的两束光，然后分别进入阵列波导光栅的两个输入通道，然后经阵列波导光栅波长路由后从输出波导输出，即依次通过阵列波导光栅的输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区传播至N条输出波导。由此本实用新型仅将衍射级次波长范围中N个位于中间的波长输入到阵列波导光栅中，使得阵列波导光栅所有输入通道所对应的输出频谱均实现频谱损耗均匀的目的，即实现了除阵列波导光栅所有输入通道的中心输入通道以外的其它输入通道所对应的输出频谱也能够实现频谱损耗均匀的目的。所述的阵列波导光栅(AWG)主要由从输入到输出依次布置的输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区构成，阵列波导区位于输入平板波导区和输出平板波导区之间。本实用新型中，对应N个输入输出通道的阵列波导光栅，N个通道波长间隔小于所述阵列波导光栅光波长的整个自由光谱范围，即FSR>NΔλ，其中FSR为阵列波导光栅光波长路由器的自由光谱范围，Δλ为阵列波导光栅光波长路由器的信道间距。本实用新型通过在阵列波导光栅的非中心输入端口特殊采用1×2滤波器及其两个AWG输入波导3作为基本单元级联，使得自由光谱范围大于N倍通道波长间隔的阵列波导光栅实现N×N的波长路由作用。除了阵列波导光栅中心输入端口以外的其他输入端口采用1×2滤波器与两个AWG输入波导级联进行输入，使得当原始输入光输入到阵列波导光栅对应通道后，某一部分波长的光对应的输出频谱不满足AWG波长路由条件时，根据阵列波导光栅内部的波长与输入输出通道之间的波长路由关系，将原始输入光中该部分波长的光通入阵列波导光栅对应通道以外的另一输入通道，进而实现原始输入光输入到阵列波导光栅的所有输出频谱均满足阵列波导光栅波长路由条件，以实现波长路由的作用。所述的滤波器采用的是级联马赫曾德尔干涉仪结构，也可以采用其余可达到同样分光效果的滤波器。本实用新型中，采用自由光谱范围大于2N个信道宽度的阵列波导光栅，衍射级次为m，该阵列波导光栅有2N-1个输入通道，第N个输入通道为中心通道，N个输出通道，在输入波导前加N-1个级联马赫曾德尔干涉仪或者其他1×2滤波器。表1表示的是光束经过滤波器一分为二时，相连接的两个输入波导和对应的波长分配范围。第一列为滤波器的一个分支连接的输入通道，第三列为滤波器的另一个分支连接的输入通道，第二列和第四列分别为滤波器的两个分支所对应的分配波长。比如第N+1个输入波导连接的滤波器将输入光分为λ2～λN和λ1两束，λ2～λN的光进入第N+1条输入波导，λ1的光进入第1条输入波导。因为阵列波导光栅的自由光谱范围大于2N个通道间隔，通过这种处理，所有输入通道的输出频谱都在m衍射级次，不会出现频谱的中心波长偏差的问题，而且在同一个衍射级次下，各个输出通道的损耗差异也比较小，因此可以实现频谱损耗均匀的效果。表1.滤波器与输入通道的连接关系和波长分配关系本实用新型具有的有益效果是：1.本实用新型所公开的一种除中心输入通道以外，采用1×2滤波器与特定两个输入波导级联结构来实现输出频谱插入损耗损均匀的阵列波导光栅路由器可以有效减少所有输出通道的插入损耗差异。2.本实用新型所公开的一种除中心输入通道以外，采用滤波器与特定两个输入波导级联结构来实现输出频谱插入损耗损均匀的阵列波导光栅路由器，可以有效减少自由光谱范围要求和衍射级次为整数两者无法同时实现而引起的严重的输出波长频率偏差。3.本实用新型所公开的一种除中心输入通道以外，采用滤波器与特定两个输入波导级联结构来实现输出频谱插入损耗损均匀的阵列波导光栅路由器，可以应用于不同材料、不同波导结构的阵列波导光栅光波长路由器，具有制作简单、成本低等优点。附图说明图1是阵列波导光栅光波长路由器的波长路由示意图。图2是传统阵列波导光栅光波长路由器的结构示意图。图3是本实用新型的阵列波导光栅光波长路由器的波长路由示意图。图4是级联马赫曾德尔干涉仪滤波器的结构示意图。图5是本实用新型的阵列波导光栅光波长路由器的结构示意图。图6是级联马赫曾德尔干涉仪滤波器滤波后的频谱图。图7是4×4的传统阵列波导光栅光波长路由器的输出频谱图。图8是采用本实用新型的4*4的阵列波导光栅光波长路由器的输入通道3和输入通道7的输出频谱图。图9是采用本实用新型的4*4的阵列波导光栅光波长路由器的输入通道4的输出频谱图。图10是采用本实用新型的4*4的阵列波导光栅光波长路由器的输入通道5和输入通道2的输出频谱图。图11是采用本实用新型的4*4的阵列波导光栅光波长路由器的输入通道6和输入通道1的输出频谱图。图中：滤波输入波导01、滤波器02、AWG输入波导03、阵列波导光栅04、N条输出波导05。具体实施方式下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。如图1所示的是4×4的阵列波导光栅光波长路由器的波长路由示意图。中心输入通道为输入通道2。该阵列波导光栅光波长路由器的波长路由功能为：当波长λ1,λ2,λ3,λ4的光从输入通道1输入时，输出通道1到输出通道4的输出光的波长依次为λ’4,λ1,λ2,λ3；当波长λ1,λ2,λ3,λ4的光从输入通道2输入时，输出通道1到输出通道4的输出光的波长依次为λ1,λ2,λ3,λ4；当波长λ1,λ2,λ3,λ4的光从输入通道3输入时，输出通道1到输出通道4的输出光的波长依次为λ2,λ3,λ4,λ”1；当波长λ1,λ2,λ3,λ4的光从输入通道4输入时，输出通道1到输出通道4的输出光的波长依次为λ3,λ4,λ”1,λ”2。λ’表示衍射级次为m-1时的输出波长，λ”表示衍射级次为m+1时的输出波长。当阵列波导光栅用于光波长路由功能时，由于相邻三个自由光谱范围不尽相同，边缘通道的输出波长会因与其他通道的输出波长不在同一个衍射级次下而出现较大的频率偏差。例如λ”2≠λ2，尤其对于硅纳米线的阵列波导光栅光波长路由器，由于硅的大材料色散，这个问题尤其严重。而且，由于衍射级次不同导致的能量差异，使得各个输出通道的损耗差异较大。为实现波长路由功能，阵列波导光栅光波长路由器的自由光谱范围是输入/输出通道数与信道波长间距的乘积，表示为：FSR＝N×Δλ其中，N为阵列波导光栅光波长路由器的输入/输出通道数，Δλ为阵列波导光栅光波长路由器的信道波长间距。如图2所示，传统阵列波导光栅光波长路由器包括N条输入波导、输入平板波导区、阵列波导区、输出平板波导区和N条输出波导；传统阵列波导光栅光波长路由器的中心波长满足如下衍射方程：ncΔL＝mλc其中，λc为中心波长，m为衍射级次。传统阵列波导光栅光波长路由器的自由光谱范围可由如下方程表示：其中，Nc是阵列波导的群折射率。在N×N的光波长路由应用中，要求阵列波导光栅的自由光谱范围正好是信道间距的N倍，即需满足式(1):FSR＝N×Δλ。确定传统阵列波导光栅光波长路由器的输入/输出通道数N和信道间距Δλ后，也就确定传统阵列波导光栅光波长路由器的自由光谱范围FSR。由于传统阵列波导光栅光波长路由器的中心波长λc是已经确定的，所以通过式(3)可以求得传统阵列波导光栅光波长路由器阵列波导区相邻两波导的长度差ΔL。随后再将ΔL代入式(2),可以得到传统阵列波导光栅光波长路由器的衍射级次m，因为m必须为整数，所以自由光谱范围一般不能满足公式(1)，这样除了中心通道以外，其余输入通道的输出频谱需要用到衍射级次为m-1或者m+1的频谱，就会引起比较严重的频率偏差现象。如图3所示，本实用新型AWG路由器结构包括N条滤波输入波导01、N-1个滤波器02、2N-1条AWG输入波导03、阵列波导光栅04和N条输出波导05；自由光谱范围大于阵列波导光栅04中的2N倍通道波长间隔，阵列波导光栅04具有2N-1个输入输出通道，阵列波导光栅04的中心输入端口(即第N个输入端口)经一AWG输入波导03和第1个滤波输入波导01连接；针对阵列波导光栅中除了中心输入端口以外的其他输入端口，将第n个输入端口和第N+n个输入端口组成一组输入端口，并分别经各自的AWG输入波导03连接到同一滤波器02的输出端，共计N-1组输入端口连接到N-1个滤波器02，N-1个滤波器02的输入端分别和其余N-1个滤波输入波导01连接。衍射级次波长范围中N个位于中间波长的光输入到N条滤波输入波导01进而进入阵列波导光栅02中，从除第1个滤波输入波导01以外的其余N-1个滤波输入波导01输入的光经各自的滤波器进行分束为波长不同的两束光，然后分别进入阵列波导光栅04的两个输入通道，然后经阵列波导光栅04波长路由后从输出波导05输出。阵列波导光栅AWG主要由从输入到输出依次布置的输入平板波导区、阵列波导区和输出平板波导区构成，阵列波导区位于输入平板波导区和输出平板波导区之间。除了阵列波导光栅02中心输入端口以外的其他输入端口采用1×2滤波器与两个AWG输入波导03级联进行输入，使得当原始输入光输入到阵列波导光栅02对应通道后，某一部分波长的光对应的输出频谱不满足AWG波长路由条件时，根据阵列波导光栅02内部的波长与输入输出通道之间的波长路由关系，将原始输入光中该部分波长的光通入阵列波导光栅02对应通道以外的另一输入通道，进而实现原始输入光输入到阵列波导光栅02的所有输出频谱均满足阵列波导光栅02波长路由条件，以实现波长路由的作用。滤波器02为1×2滤波器，将输入光进行分光处理。具体实施中，滤波器采用的是级联马赫曾德尔干涉仪结构，也可以采用其余可达到同样分光效果的滤波器。本实用新型的工作原理如下：图3是本实用新型的阵列波导光栅光波长路由器的波长路由示意图。通道间隔为△λ，图中阵列波导光栅光波长路由器的FSR>8×△λ。输入端口4作为中心输入通道。λ2为中心波长。根据图中所示，先给输入端口和输出端口进行编号。输入端口3～输入端口6与输出端口3～输出端口6为对应关系。根据阵列波导光栅的原理，得到对于λ1,λ2,λ3,λ4这四个波长来说，输入端口与输出端口的对应关系。表2.输入端口与输出端口的对应关系如表2所示，对于输入端口4来说，则当有λ1,λ2,λ3,λ4的光输入时，四个波长的光分别从输出端口3,4,5,6输出。而当λ1,λ2,λ3,λ4的光从输入端口5输入时，光会分别从输出端口2～输出端口5输出，为了达到输出端口6输出光为波长1的目的，从表中可以发现，λ1可以从输入端口6输入，从输出端口1输出，根据对称性，λ1可以从输入端口1输入，从输出端口6输出。于是，通过一个滤波器将输入光分为两束，波长范围为λ2,λ3,λ4的光继续从输入端口5输入，而λ1的光从输入端口1输入，它将从输出端口6输出。同样地，当波长为λ1,λ2,λ3,λ4的光从输入端口6输入时，会从输出端口1,2,3,4输出，为了保证输出端口5和输出端口6输出的光为λ1,λ2，将输入光分为λ1,λ2和λ3,λ4两束，λ1,λ2从输入端口2输入，根据表中数据可知，λ1,λ2会分别从输出端口5和输出端口6输出，而λ3,λ4从输入端口6输入，从输出端口3和输出端口4输出。同理，将输入光分为λ1,λ2,λ3和λ4两束，分别从输入端口3和输入端口7输入，同样可以从输出端口1～输出端口4输出。相对于自由光谱范围为N个通道间隔的传统阵列波导光栅光波长路由器来说，本实用新型的结构设计在两个方面降低了输出频谱的损耗差异：一是因为自由光谱范围大于通道数目和通道间隔的乘积，因此避免了对于同一个输入通道所对应的所有输出频谱，损耗差异至少为3dB的问题；二是由于所有输入通道的输出频谱都在m衍射级次，因此避免了中心输入通道与边缘输入通道损耗差异至少为3dB的问题。本实用新型路由器结构设计的阵列波导光栅的自由光谱范围比较大，所以对于中心4个波长来说，损耗均匀性比较好，损耗差异很小，而且通过输入通道与滤波器的级联可以达到输出频谱循环的目的。关于滤波器的设计，如图4所示，具体实施可以采用级联马赫曾德尔干涉仪的结构，级联马赫曾德尔干涉仪可以作为1×2或者2×2格形滤波器。通过设计定向耦合器的耦合系数和各级马赫曾德尔干涉仪的臂长差，可以达到在两个输出通道分别输出频谱为近似矩形的不同波长范围的光。随着级联级次的增加，输出频谱形状会越来越接近矩形，这样就可在不增加串扰和损耗的情况下，将输入光按照波长范围的不同分为两部分。图5是本实用新型的阵列波导光栅光波长路由器的结构示意图。从结构图上可以发现，滤波器与阵列波导光栅输入波导连接时，波导会有交叉，关于交叉波导结构的设计，已经有很多相关研究来解决这个问题。关于阵列波导光栅的设计，如图2所示，采用传统的马鞍形结构进行设计。本实用新型的实施例如下：下面给出本实用新型的一个实施例对本实用新型作进一步说明。假设以下参数可知：选用SOI，其中，Si芯层厚度为220nm，掩埋下包层SiO2的厚度为1μm,上包层SiO2的厚度为2μm。芯层硅波导的宽度为500nm,该宽度具有一个相对较好的制作容差。实施例：设计信道间距为20nm的4×4的AWGR，中心波长λc为1550nm,设计的自由光谱范围为80nm。图2为结构示意图，表3为相关的设计参数。表3.4×4的AWGR的设计参数在这种传统设计下，可以得到图6所示的四个输入通道对应的输出频谱图，(a),(b),(c),(d)分别表示输入通道1-4的输出频谱图。输入端口2为中心输入通道。而对频谱图进行数据分析，可以得到表4和表5，即各个输入通道与输出通道对应的输出频谱中心波长和插入损耗大小。因为m近似取整，由式(3)可得到m衍射级次的自由光谱范围为85.5nm，并不是4*20＝80nm，因此可以看出，当用到其他衍射级次时，会出现比较大的频差，以输入通道4为例，输出3和输出4输出频谱为m+1衍射级次，中心波长分别偏了1510-1506.02＝3.98nm和1530-1528.07＝1.93nm，而所有通道的频谱损耗差异为8.03-3.70＝4.33dB。表4.4×4的AWGR的输出频谱的中心波长表5.4×4的AWGR的输出频谱的插入损耗接下来，按照本实用新型，设计中心波长不同的级联马赫曾德尔干涉仪，图4为结构示意图，采用的是4阶的级联马赫曾德尔干涉仪，定向耦合器的耦合系数分别为0.5,0.13,0.12,0.5,0.25,各级臂长差分别为L1＝L0，L2＝2*L0，L3＝2*L0+0.5*λ0/n，L4＝2*L0，L0由式(6)可以得到，根据滤波范围的不同，采用不同的中心波长，所以L0有所不同，图7为不同中心波长下滤波器两个输出通道的频谱，(a)将波长范围分为1510nm和1530-1570nm两段，对应输入通道1和输入通道5，(b)将波长范围分1510nm-1530nm和1550-1570nm两段,分别对应输入通道2和输入通道6，(c)将波长范围分1510nm-1550nm和1570nm两段,分别对应输入通道3和输入通道7。接下来，设计信道间距为20nm的7*4的AWG，并在前面级联滤波器，图5为具体的结构示意图，中心波长λc为1550nm,衍射级次m＝3，自由光谱范围为313nm。表6为参数设计。表6.本实用新型的AWG的设计参数中心波长(nm)1550输入通道数7输出通道数4阵列波导数35衍射级次3平板区长度(um)25输入波导/输出波导间距(um)1.8阵列波导间距(um)1.8阵列波导长度差(um)6.96可以得到图8，图9，图10，图11所示的四个输入通道对应的输出频谱图，图8中的(a)(b)分别为输入通道3和7的输出频谱，λ1，λ2，λ3从输入通道3输入，并且从输出通道4,5,6输出，λ4从输入通道7输入，从输出通道3输出，因此从输出通道3-6可以得到输出频谱，同理图10中的(a)(b)分别为输入通道5和2的输出频谱,图11中的(a)(b)分别为输入通道6和1的输出频谱。图9为输入通道4的输出频谱，因为中心输入通道4不需要级联马赫曾德尔干涉仪，直接可以在输出通道3-6输出λ1，λ2，λ3，λ4的频谱。输入通道4为中心输入通道。而对频谱图进行数据分析，可以得到表6和表7，即各个输入通道与输出通道对应的输出频谱中心波长和插入损耗大小。因为自由光谱范围较大，只用到衍射级次为m的输出频谱，频差较小，最大频差为0.58nm，和通道间隔20nm来说，可以忽略。而所有通道的频谱损耗差异为4.54-3.83＝0.71dB，是上述传统设计的频谱差异4.33dB的近似六分之一。表6.本实用新型的AWG路由器的输出频谱中心波长表7.本实用新型的AWG路由器的输出频谱插入损耗从上面实施例可以看出，通过采用本实用新型的方法，可以使AWG路由器的输出频谱差异减小到1dB以下，并且还可以起到减小频差的效果。以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。当前第1页1 2 3