一种补偿阵列波导光栅偏振敏感性的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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H) A S(H) A S:P〇larizati〇n 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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 % -A arrayed waveguide grating using simple polarisation compensation method with core width adjustment[J]. Electronics Letters，2007,Vol. 43No. L )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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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】
[0010] 针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
[0011] -种补偿阵列波导光栅偏振敏感性的方法，其步骤如下：
[0012] 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；
[0013] 步骤二：在AWG的输入平板波导区⑵与输出平板波导区⑷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。
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016]
[0017] 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；AL表示相邻阵列波导之间的长度差；m 表示衍射级次；A TE表示TE模式的中心波长；A "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。表示输出平板波导罗兰圆半径；x 1表示输入位置；x。表示输出位置； 屯表示阵列波导输入端波导间隔；d。表示阵列波导输出端波导间隔；
[0018] 步骤一种所述AWG的偏振敏感性可以表示为：
[0019]
[0020]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。
[0021] 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 对称结构即氏=R。，屯=(1。= d，对于中心波长而言，输入位置等于输出位置Xi= -x。;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
[0022]
[0023] 其中1表示阵列波导区TE、TM模的有效折射率差，即n g,TE-ng,TM;B si表示输入平板 区TE、TM模的有效折射率差，即nsi,TE-n si,TM;B s。表示阵列波导区TE、TM模的有效折射率差， 艮Pns。，TE_ns。，TM;
[0024] 根据公式（6)可以看出，通过调节（Bsi _Bs。）从而能够补偿AWG的残留偏振敏感性。 调节（Bsi-Bs。）可通过在AWG的输入平板波导区⑵与输出平板波导区⑷加入电极（7)， 利用温度对双折射率的影响来实现。
[0025] 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。
[0026] 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】
[0027] 图1本发明的原理结构示意图；
[0028] 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；
[0029] 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；
[0030] 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；
[0031] 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；
[0032] 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；
[0033] 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；
[0034] 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；
[0035]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；
[0036] 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；
[0037] 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；
[0038] 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；
[0039] 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】：<