專利名稱：基于絕緣體上的硅(soi)材料的全內(nèi)反射型陣列波導(dǎo)光柵器件及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波分復(fù)用器件，特別是一種陣列波導(dǎo)光柵器件及其制法。
背景技術(shù)：
陣列波導(dǎo)光柵(AWG)器件是一種無源光波導(dǎo)器件，它除了具有復(fù)用和解復(fù)用的基本功能外，還能和其它器件構(gòu)成波長路由器、光分插復(fù)用器、多波長光源、多波長接收器、光譜分析儀等等，在光纖通信和波分復(fù)用系統(tǒng)中起著重要的作用，制作AWG器件的常用材料有二氧化硅SiO2、絕緣體上的硅SOI(Silicon-on-Insulator)、磷化銦、有機(jī)聚合物等。SOI材料是一種非常實用的材料，它的制作工藝與微電子工藝兼容，材料成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，采用SOI材料的AWG器件，一般為弱限制器件，由于波導(dǎo)曲率半徑較大，結(jié)構(gòu)不緊湊，使整個器件尺寸較大，如1×4路的AWG器件，一般在30毫米×30毫米量級；彎曲波導(dǎo)部分較長，產(chǎn)生的附加損耗較大；TE、TM模偏振補(bǔ)償?shù)男Ч患选?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用SOI材料的結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，TE、TM模偏振不敏感的全內(nèi)反射型陣列波導(dǎo)光柵器件及其制法。
本發(fā)明的目的是通過下述措施實現(xiàn)的包含輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)，特征是在輸入平板波導(dǎo)和輸出平板波導(dǎo)之間依次設(shè)置弧形過渡連接波導(dǎo)、陣列直波導(dǎo)、全內(nèi)反射波導(dǎo)、陣列直波導(dǎo)、弧形過渡連接波導(dǎo)，并依次連接，弧形過渡連接波導(dǎo)與輸入平板波導(dǎo)連接，另一弧形過渡連接波導(dǎo)與輸出平板波導(dǎo)連接，輸入輸出波導(dǎo)的軸線相互垂直。
所述2個陣列直波導(dǎo)通過全內(nèi)反射波導(dǎo)的連接，從外側(cè)陣列波導(dǎo)到內(nèi)側(cè)陣列波導(dǎo)構(gòu)成的交角，依次增大，最中間一對直波導(dǎo)相互垂直。所述全內(nèi)反射波導(dǎo)是采用濕法腐蝕反射凹槽來實現(xiàn)，靠近波導(dǎo)側(cè)的全內(nèi)反射鏡面。
一種制造基于絕緣體上的硅(SOI)材料的全內(nèi)反射型陣列波導(dǎo)光柵器件的方法，其步驟是1)確定輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)的路數(shù)；2)確定輸入平板波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)的半徑；3)確定陣列波導(dǎo)的路數(shù)m(m為奇數(shù))及其相鄰陣列波導(dǎo)的長度差ΔL；4)根據(jù)相位相差2π的整數(shù)倍的相鄰干涉級干涉效果相同的原理，以TE、TM模從輸入平板波導(dǎo)與最中間陣列波導(dǎo)的接口處到輸出平板波導(dǎo)與最中間陣列波導(dǎo)的接口處的相位差為2π的整數(shù)倍，用φiTE－φiTM＝2πn式先確定最中間一組直波導(dǎo)所需長度L0，其中φiT，為TE模的相位變化，φiTM為TM模的相位變化，φiTE=2πL0λTE-δiTE,φiTM=2πL0λTM-δiTM,]]>其中λTE、λTM分別是TE、TM模在光波導(dǎo)中的波長，δiTE、δiTM是第i組直波導(dǎo)的TE、TM模在全內(nèi)反射波導(dǎo)處反射產(chǎn)生的相位變化。其它陣列直波導(dǎo)的長度，從外側(cè)到內(nèi)側(cè)依次為Li＝L0＋iΔL，i從-(m-1)/2至(m-1)/2；5)以TE、TM模從輸入平板波導(dǎo)與第i個弧形過渡連接波導(dǎo)的接口處到輸出平板波導(dǎo)與第i個弧形過渡連接波導(dǎo)的接口處的相位差為2π的整數(shù)倍，并根據(jù)幾何關(guān)系求出陣列直波導(dǎo)的第i個弧形過渡連接波導(dǎo)的長度，直波導(dǎo)的長度和對應(yīng)的全內(nèi)反射角θi；6)在每對直波導(dǎo)連接處的外側(cè)確定反射鏡凹槽的位置。
7)在(100)面的SOI材料上，利用硅晶體各向腐蝕異性的特點，先濕法腐蝕制作全內(nèi)反射鏡凹槽；8)采用普通硅器件制作工藝，通過套刻和干法刻蝕制作輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)、弧形過渡連接波導(dǎo)、2個交接的陣列直波導(dǎo)、弧形過渡連接波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)。
本發(fā)明由于在輸入輸出平板波導(dǎo)之間采用了全內(nèi)反射波導(dǎo)，并利用全內(nèi)反射時TE、TM模產(chǎn)生的相位變化不同，進(jìn)行TE、TM模偏振補(bǔ)償，使整個器件結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸大大減小，如1×4路SOI材料的AWG器件，只有12毫米×12毫米；彎曲波導(dǎo)長度短，附加傳輸損耗?。籘E、TM模產(chǎn)生的偏振偏差可小于0.01納米。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的一個全內(nèi)反射波導(dǎo)的放大示意圖。
具體實施例方式
參照圖1、圖2，以二氧化硅上的硅結(jié)構(gòu)波導(dǎo)材料即空氣/Si/SiO2制作1×4路的AWG器件為例。絕緣體二氧化硅作為下限制層，上面是一層厚為7微米的硅，采用羅蘭圓原理制作出1路輸入波導(dǎo)1和4路輸出波導(dǎo)9，羅蘭圓半徑R為2207.64微米的輸入平板波導(dǎo)2和輸出平板波導(dǎo)8，陣列波導(dǎo)數(shù)為25路，相鄰波導(dǎo)的長度差ΔL為53.763微米?；⌒芜^渡連接波導(dǎo)3、7，陣列直波導(dǎo)4、6，波導(dǎo)寬均為5微米，刻蝕脊高為3微米的大截面波導(dǎo)，入射光波中心波長為1555.8納米。陣列波導(dǎo)所需第13路的直波導(dǎo)4和直波導(dǎo)6的長度和的最小值L0為8268微米。輸入波導(dǎo)1與輸入平板波導(dǎo)2的輸入弧形端面垂直連通的，4路輸出波導(dǎo)9與輸出平板波導(dǎo)8的輸出弧形端面也為垂直連通。輸入平板波導(dǎo)2的輸出弧形端面與弧形過渡連接波導(dǎo)3的連接處分別相垂直，輸出平板波導(dǎo)8的輸入弧形端面與弧形過渡連接波導(dǎo)7的連接處也分別相垂直?；⌒芜^渡連接波導(dǎo)3分別與一個直波導(dǎo)4相連接，其連接處相切；弧形過渡連接波導(dǎo)7分別與一個直波導(dǎo)6相連接，其連接處相切。直波導(dǎo)4與直波導(dǎo)6之間通過全內(nèi)反射波導(dǎo)5按排列依次連接；以其25個連接點的連線為軸，使弧形過渡連接波導(dǎo)3、直波導(dǎo)4與直波導(dǎo)6、弧形過渡連接波導(dǎo)7成軸對稱；直波導(dǎo)6與所述軸構(gòu)成25個交角，外側(cè)的交角小于其內(nèi)側(cè)的交角，第13個交角是45°，相鄰兩直波導(dǎo)之間的全內(nèi)反射角變化約為0.7°。在每對直波導(dǎo)4、6連接處中心的外側(cè)刻蝕全內(nèi)反射鏡凹槽10。
權(quán)利要求
1.一種基于絕緣體上的硅(SOI)材料的全內(nèi)反射型陣列波導(dǎo)光柵器件，包含輸入波導(dǎo)[1]、輸入平板波導(dǎo)[2]、輸出平板波導(dǎo)[8]、輸出波導(dǎo)[9]，其特征在于在輸入平板波導(dǎo)[2]和輸出平板波導(dǎo)[8]之間依次設(shè)置弧形過渡連接波導(dǎo)[3]、陣列直波導(dǎo)[4]、全內(nèi)反射波導(dǎo)[5]、陣列直波導(dǎo)[6]、弧形過渡連接波導(dǎo)[7]，并依次連接，弧形過渡連接波導(dǎo)[3]與輸入平板波導(dǎo)[2]連接，弧形過渡連接波導(dǎo)[7]與輸出平板波導(dǎo)[8]連接，輸入輸出波導(dǎo)[1、9]的軸線相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于絕緣體上的硅(SOI)材料的全內(nèi)反射型陣列波導(dǎo)光柵器件，其特征在于所述陣列直波導(dǎo)[4、6]通過全內(nèi)反射波導(dǎo)[5]的連接，從外側(cè)直波導(dǎo)[4、6]到內(nèi)側(cè)直波導(dǎo)[4、6]構(gòu)成依次增大的夾角，最中間一對直波導(dǎo)[4、6]相互垂直。
3.一種制造權(quán)利要求1所述的基于SOI材料的全內(nèi)反射型陣列波導(dǎo)光柵器件的方法，其步驟是1)確定輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)的路數(shù)；2)確定輸入平板波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)的半徑；3)確定陣列波導(dǎo)的路數(shù)及其相鄰陣列波導(dǎo)的長度差；4)以TE、TM模從輸入平板波導(dǎo)與最中間陣列直波導(dǎo)的接口處到輸出平板波導(dǎo)與最中間陣列直波導(dǎo)的接口處的相位差為2π的整數(shù)倍，確定最中間一組直波導(dǎo)所需長度；5)根據(jù)幾何關(guān)系求出每一路陣列波導(dǎo)的弧形過渡連接波導(dǎo)的長度，直波導(dǎo)的長度和對應(yīng)的全內(nèi)反射角；6)在每對直波導(dǎo)連接處的外側(cè)確定全內(nèi)反射鏡凹槽的位置；7)在(100)面的SOI材料上，先深刻蝕制作全內(nèi)反射鏡凹槽；8)制作輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)、弧形過渡連接波導(dǎo)、2個交接的陣列直波導(dǎo)、弧形過渡連接波導(dǎo)、輸出平板波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)。
全文摘要
基于SOI材料的全內(nèi)反射型陣列波導(dǎo)光柵器件及制法,包含輸入輸出波導(dǎo)、輸入輸出平板波導(dǎo),特點是在輸入輸出平板波導(dǎo)之間依次是弧形過渡連接波導(dǎo)、陣列直波導(dǎo)、全內(nèi)反射波導(dǎo)、陣列直波導(dǎo)、弧形過渡連接波導(dǎo),輸入輸出波導(dǎo)的軸線相垂直。制法是根據(jù)確定的參數(shù),以TE、TM模相位差的2π整數(shù)倍來確定陣列波導(dǎo)所需長度和全內(nèi)反射角,采用基本硅器件制作工藝制作。本器件結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、對TE、TM模偏振不敏感。
文檔編號G02B6/12GK1336739SQ01113309
公開日2002年2月20日 申請日期2001年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月7日
發(fā)明者江曉清, 王明華, 李柏陽, 李錫華, 周強(qiáng) 申請人:浙江大學(xué)