專利名稱：用于相位陣列的光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及波分復(fù)用系統(tǒng)，尤其涉及到用于相位陣列的一種改良的光柵結(jié)構(gòu)。
2.技術(shù)背景幾個信道沿著單一路徑的同時傳輸稱為波分復(fù)用。由于它對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和成本均有影響，所以這個技術(shù)在基于光纖的系統(tǒng)中是重要的。這個技術(shù)的主要優(yōu)點是可通過增加每根光纖攜帶的信道數(shù)來增加系統(tǒng)容量的能力。由于增加容量的能力，可使現(xiàn)有的系統(tǒng)提高等級而不致被取代。
在波分復(fù)用系統(tǒng)中，每個信道在不同的波長下工作。各波長由多路復(fù)用器合并到單一路徑中，并由去復(fù)用器予以分開。多路復(fù)用器和去復(fù)用器通常采用諸如衍射光柵、三棱鏡或全息照相等色散元件的形式。當(dāng)采用光柵時，多路分離靠通過光柵傳輸多路復(fù)用信號加以完成，該光柵把各波長彼此分開并對每個波長以稍為不同的方向進行衍射。多路復(fù)用則依靠反方向利用相同的器件來完成。
由于波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)展開，因而增加了對諸如增益平坦濾波器、可變衰減器和添一卸多路復(fù)用器等更為復(fù)雜的光子元件的需要。封裝這樣一種元件的有效方法是，采用平面光子器件。之所以選擇平面光子器件是因其在普通晶圓片上實現(xiàn)多個光學(xué)功能的能力。另外，為在非常密集的封裝中建立光網(wǎng)絡(luò)所需的傳遞多種功能(例如換向、衰減、監(jiān)控、多路復(fù)用和去復(fù)用等)的混合型封裝，可把有源器件加到晶圓片上。
當(dāng)把許多不同的元件組合到同一晶圓片上時，由每一元件所產(chǎn)生的噪聲或串?dāng)_往往干擾其它元件。這就極大地降低了整個系統(tǒng)的性能。對于通過網(wǎng)絡(luò)傳輸越來越多具有不同波長信號的密集型波分復(fù)用應(yīng)用中使用的相位陣列，串?dāng)_是尤其極需加以考慮的。每個波長必須準確地通向準確的檢波器或光纖，且必須不干擾其它的波長。
對相位陣列的其它一些要求，在最近的十年中也顯著地增加了。除了具有較少的串?dāng)_之外，相位陣列必須具有較佳的插入損耗，在個較大數(shù)目信道的情況下工作，以及具有較密的光譜間距。這些技術(shù)要求已經(jīng)導(dǎo)致開發(fā)出越來越大的器件。由于串?dāng)_與相位陣列中傳輸?shù)拈L度有關(guān)，所以這樣一種較大的器件對串?dāng)_就更為敏感。對于以下情況，即折射率、纖芯層或晶圓片上腐蝕的不均勻性而言，沿著每一光柵波導(dǎo)所積累的相位誤差隨著長度顯著地增加。
通常用于相位陣列的光柵包括多個相鄰布置而形成陣列的波導(dǎo)。波導(dǎo)陣列包括在筆直方向上延伸的第一部分，以順時針方向彎曲的第二部分以及在直線方向上延伸的第三部分。第二順時針彎曲部分具有固定的或可變的曲率半徑，把陣列的方向引到水平。于是，這陣列在相位陣列的相對側(cè)鏡像重復(fù)。
雖然，這樣一種常規(guī)光柵結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得巨大成功，但在技術(shù)上尚有改良的余地。例如，光柵的第一直線部分迫使波長的傳播距離比必需傳播的更長，從而為串?dāng)_增加了潛在因素。因此，在波分復(fù)用系統(tǒng)中，希望提供一種緊密型光柵結(jié)構(gòu)，它通過減少波長必需傳輸?shù)木嚯x來降低串?dāng)_。
發(fā)明概述上述的和其它的目的是提供一種具有一般S形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光柵。光柵包括多個彼此相鄰布置以形成陣列的波導(dǎo)。陣列包括以反時針方向彎曲的第一部分，以順時針方向彎曲的第二部分，以及在直線方向延伸的第三部分。各彎曲具有固定或可變的曲率半徑。各波導(dǎo)沿反時針彎曲部分的弧長從一個波導(dǎo)到下一個波導(dǎo)是不等的。第一反時針彎曲處的弧長接近于零。沿著反時針彎曲的不同弧長使得某些波導(dǎo)比其它波導(dǎo)更長。這導(dǎo)致諸波導(dǎo)完全分開。另外，光柵的總尺寸小于常規(guī)器件，導(dǎo)致串?dāng)_降低。
附圖簡述為了解其中本發(fā)明所獲諸優(yōu)點和目的之全貌，將用參考其圖示于附圖中特殊的實施例來提供本發(fā)明更為具體的描述。應(yīng)該理解，這些附圖僅僅描繪了本發(fā)明較佳的實施例，所以不要認為是對范圍的限制，通過使用這些附圖，將用額外的特殊性和細節(jié)來描述和說明本發(fā)明，其中

圖1是按照本發(fā)明，包括光柵在內(nèi)的波分復(fù)用系統(tǒng)用相位陣列的示意圖2是圖1的輸入波導(dǎo)和輸入板的較為詳細的視圖；圖3是圖2輸入板的較為詳細的視圖；圖4是圖1光柵的較為詳細的視圖。
圖5是圖1輸出板的輸出波導(dǎo)的較為詳細的視圖；圖6A是圖1相鄰陣列用較佳實施例光柵的示意圖；圖6B是圖1相位陣列用較佳實施例光柵的另一示意圖；圖7是其中插入有尺寸參考記號之圖1的相位陣列示意圖；以及圖8是其中插入有尺寸參考記號之圖1相位陣列輸入板和單個波導(dǎo)的示意圖。
較佳實施例的詳細描述本發(fā)明旨在提供一種多路復(fù)用系統(tǒng)，它包括具有S形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光柵。光柵包括多個彼此相鄰布置的波導(dǎo)，形成一陣列。每一半陣列包括形成反時針彎曲的第一部分。每個波導(dǎo)沿第一部分的弧長從陣列的第一波導(dǎo)變化到最后的波導(dǎo)。這種光柵結(jié)構(gòu)通過減少所有波長必須傳輸?shù)目偩嚯x來改進大家熟知的光柵，這個改進減少了串?dāng)_的潛在因素又增加了效率。
現(xiàn)在參照附圖，圖1示出用在波分復(fù)用系統(tǒng)中的相位陣列10。雖然圖示了相位陣列10，但是要理解，此處僅僅是可以使用本發(fā)明光柵的系統(tǒng)類型的一個示范。
相位陣列10最好形成在單個平面玻璃圓片上，并包括耦合到輸入板14的輸入波導(dǎo)12，以便與其作光通訊。把輸入板14耦合到光柵16，而把光柵16耦合到輸出板18。光柵16使輸入板14與輸出板18之間的光通信成為可能。把輸出板18耦合到輸出波導(dǎo)陣列20，以便在與其光通信。較佳的是，輸入波導(dǎo)12、輸入板14、光柵16、輸出板18和輸出波導(dǎo)陣列20，均通過光刻工藝用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)加以形成。
現(xiàn)在參考圖2，它圖示出圖1中輸入波導(dǎo)12和輸入板14較為詳細的視圖。輸入波導(dǎo)12將多路復(fù)用信號22傳遞給輸入板14。梯形的輸入板14把多路復(fù)用信號22沿著其長度衍射，使得信號的E場從窄形24a變成寬形24b。如正圖3中所示，在衍射后，寬形E場24b分裂成各窄形E場或模式波長26a-g，然后進入光柵16。在輸入板14上有許多漏斗形物28，它以最小的能量損耗把寬形E場24b分到光柵16中分開的各波導(dǎo)30a-g中。
現(xiàn)在參照圖4，它圖示出圖1中光柵的較為詳細的視圖。在離開輸入板14之后，模26a-d沿波導(dǎo)30a-d傳輸?shù)捷敵霭?8。每個波導(dǎo)30a-d的長度是這樣來選擇的，對一特定的波長，使得模式26a-d同相抵達輸出板18。正如在下面作更多的詳細描述那樣，在相繼的波導(dǎo)30a-d之間提供恒定的長度增量。雖然未作圖示，位于光柵16與輸出板18之間的許多漏斗形物有助于引導(dǎo)那里的各模式26a-d。正如圖5所示，梯形輸出板18衍射信號22′，使得模式26a-d合并成寬形E場24b′，然后變?yōu)檎蜤場24a′。于是，信號22′被傳遞到輸出波導(dǎo)陣列20。
現(xiàn)在參考圖6A，圖示出光柵16的第一半部分的較為詳細的視圖。對本技術(shù)領(lǐng)域熟煉的技術(shù)人員將會懂得，為了圖示的簡單化，光柵16的另一半已被省略。正如圖6B所示，光柵16的第二半部分是與圖6A所示一半相對的鏡像。光柵16的目的是將來自輸入板14的衍射信號引導(dǎo)通過長度變化的不同路徑，從而把衍射信號分成為具有所需相位圖形的多個模式。
光柵16包括許多彼此相鄰形成的波導(dǎo)30a-n(其中n＝波導(dǎo)數(shù))，形成一陣列32。陣列32包括呈反時針彎曲36的第一弓形部分34。第一弓形部分34過渡為順時針彎曲形式40的第二弓形部分38。照這樣，第二弓形部分38的彎曲方向與第一弓形部分相反。第二弓形部分38把陣列32帶到水平方向。第二弓形部分38過渡到直線形式44的部分42，該部分導(dǎo)向?qū)ΨQ平面46。正如圖6B所示，光柵16在對稱平面46之外繼續(xù)延伸，具有第二直線部分42′、順時針方向彎曲的第三弓形部分38′，以及反時針方向彎曲并耦合到輸出板18的第四弓形部分34′。
每一單個波導(dǎo)30a-n沿第1弓形部分34(和第四弓形部分34′)的弧長，從第一個波導(dǎo)30a的最小值到最后一個波導(dǎo)30n的最大值均增加一恒定值。較佳的是，第一波導(dǎo)30a沿第一個弓形部分34的弧長接近于零。通過遞增相鄰波導(dǎo)30a-n的弧長，每個波導(dǎo)30a-n的長度從第一波導(dǎo)30a處的最小值增加到最后一個波導(dǎo)30n的最大值。這使得通過光柵16傳播的各模式完全分離。另外，由于第一弓形部分34為光柵16提供了S形狀，光柵16的總尺寸小于常規(guī)設(shè)計。例如，在100GHz的16信道相位陣列中，常規(guī)光柵結(jié)構(gòu)(即，直線/順時針彎曲/直線)具有第一光柵臂長為14,670mm，而本光柵結(jié)構(gòu)(即，反時針彎曲/順時針彎曲/直線)則具有第一光柵臂長為13,772mm，在50GHz的40信道相位陣列中，常規(guī)光柵結(jié)構(gòu)具有第一光柵臂長為13,645mm，而本先柵結(jié)構(gòu)則具有第一光柵臂長為12,729mm。這個緊密型結(jié)構(gòu)減少了串?dāng)_又增加了效率。例如，在上述16信道的比較中，本光柵結(jié)構(gòu)具有8dB串?dāng)_水平的優(yōu)勢。
光柵16的效率，可從下面的模擬中更為完全地了解到。當(dāng)光通過光柵16的兩個對稱部分傳播時，從輸入板14到輸出板18的相移等于Phase[k]＝neff[k](L0+kdl) (1)其中k是求解相移的那個波導(dǎo)30；Phase[k]是沿波導(dǎo)30k從輸入板14到輸出板18的相移；neff[k]等于波導(dǎo)30k中的平均有效折射率；以及(L0+kdl)等于波導(dǎo)30k的長度。
在理論上，neff[k]是均勻的。這樣neff[k]＝neff0(2)Phase[k]＝neff0(L0+kdl)(3)兩波導(dǎo)30之間的相位差是不變的，且等于Phase[k]-Phase[k-1]＝neff0dl (4)利用工藝變化，有效折射率從一個波導(dǎo)30到另一個的變化Phase[k]＝neff0+dneff[k] (5)兩個相鄰波導(dǎo)30之間的相位差不再是常數(shù)。對長的L0，相位誤差被放大，且在相位陣列10的光譜傳輸中產(chǎn)生串?dāng)_。兩個波導(dǎo)30之間的相位差和相位增量變化變成為Phase[k]-Phase[k-1]＝neff0dl+(L0+kdl)dneff[k]-(L0+(k-1)dl)dneff[k-1] (6)<相位增量>＝(L0+n/2dl)<dneff> (7)其中n是波導(dǎo)30的數(shù)目。
由于相位誤差正比于光柵的長度，所以光柵16被設(shè)計得盡可能地減小L0。
現(xiàn)在參考圖7和8，將描述一優(yōu)化的S彎曲光柵結(jié)構(gòu)。在圖7中，F(xiàn)是輸入板14的長度，I0是輸入板14的輸入原點，Xd是在I0和對稱平面46之間的距離，R是彎曲半徑，以及θ0是輸入板14的傾斜角。對稱部分在右邊重復(fù)，在圖8中，Lt是漏斗狀物28的長度，ak是反時針彎曲部分36的弧長，bk是順時針彎曲部分40的弧長，lk是直線部分44的長度，以及p是兩個波導(dǎo)30之間的間距。
要優(yōu)化S彎曲結(jié)構(gòu)，從I0開始定義坐標系統(tǒng)。在兩個光柵波導(dǎo)之間的角度是固定的δθ=2arctan(p2f)]]>波導(dǎo)30k的取向等于θk=θ0+(k-n2)δθ]]>其中n是波導(dǎo)30的數(shù)目。
對于固定平板取向θ0和對稱平面Xd的位置，參數(shù)ak，bk和lk靠解下列的三個方程組來計算直線部分38垂直于對稱平面46；bk＝θk+ak所有波導(dǎo)30終止于對稱平面46；以及Xd＝(F+lt)cos(θk)+R(sin(θk+ak))-sin(θk)+sin(bk))+lk在兩個波導(dǎo)30之間的路程差等于dl。lk+R(ak+bk)-lk-1-R(ak-1+bk-1)=dl2]]>對于固定的平板取向，平面位置°經(jīng)優(yōu)化使得光柵16中最短直線部分38的長度等于零(0)。對稱平面46的位置恰好是所有路徑長度的補償(offset)。
最后，選擇平板取向θ0，使L0為最小。L0等于L0＝l0+Rb0(注意對于第一個波導(dǎo)30a，a0等于0)。
按照前面的計算，光柵16開始于輸入板14的圓形界面部分，終止于輸出板18的圓形交界面部分，波導(dǎo)30之間的長度增量恒定，而且是盡可能的小。逐漸增加反時針彎曲比常規(guī)的“直線/順時針彎曲/直線”結(jié)構(gòu)的起始直線部分更有利。雖然兩種結(jié)構(gòu)都為在光柵中的不同模式提供了恒定的傳輸行程增量，但S形結(jié)構(gòu)部分地避免了所有模式必須傳播的距離。這種對光柵中諸模式必須傳播的距離的總減少有利于在器件和波導(dǎo)變得較短時顯著地減少串?dāng)_和其它干擾。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員現(xiàn)在可以從前面的描述中懂得，可用種種形式來實現(xiàn)本發(fā)明的寬泛教導(dǎo)。所以盡管結(jié)合其特例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明的真正范圍不應(yīng)如此加以限制，因為對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員而言，在研究了附圖，說明書和隨后的權(quán)利要求書之后，其它的修改將變得顯而易見。
權(quán)利要求
1.一種相位陣列，其特征在于，包括輸入波導(dǎo)；輸入板，它與所述輸入波導(dǎo)耦合；光柵，它與所述輸入板耦合；輸出板，它與所述光柵耦合；以及輸出波導(dǎo)陣列，它與所述輸出板耦合，其中所述光柵包括對稱的兩半，所述兩半的每一個都具有一般S形的結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的相位陣列，其特征在于，所述光柵還包括第一弓形部分，它與所述輸入板耦合。
3.如權(quán)利要求2所述的相位陣列，其特征在于，所述光柵還包括第二弓形部分，它從所述第一弓形部分延伸出，所述第二弓形部分的彎曲方向與所述第一弓形部分相反。
4.如權(quán)利要求3所述的相位陣列，其特征在于，所述光柵還包括第一直線部分，它從所述第二弓形部分延伸出。
5.如權(quán)利要求4所述的相位陣列，其特征在于，所述光柵還包括第二直線部分，它從所述第一直線部分延伸出。
6.如權(quán)利要求5所述的相位陣列，其特征在于，所述光柵還包括第三弓形部分，它從所述第二直線部分延伸出。
7.如權(quán)利要求6所述的相位陣列，其特征在于，所述光柵還包括第四弓形部分，它從所述第三弓形部分延伸出并與所述輸出板耦合，所述第四弓形部分的彎曲方向與所述第三弓形部分相反。
8.如權(quán)利要求6所述的相位陣列，其特征在于，所述第三弓形部分是相對所述第三弓形部分的鏡像。
9.如權(quán)利要求7所述的相位陣列，其特征在于，所述第四弓形部分是相對所述第一弓形部分相對的鏡像。
10.一種光柵，其特征在于，它包括多個波導(dǎo)，它們彼此相鄰布置，形成一個陣列，所述陣列具有第一S形結(jié)構(gòu)，所述多個波導(dǎo)的各長度從所述陣列一邊的最小值開始向所述陣列相對邊的最大值遞增。
11.如權(quán)利要求10所述的光柵，其特征在于，所述第一S形結(jié)構(gòu)還包括第一弓形部分，從所述第一弓形部分延伸出的第二弓形部分，以及從所述第二弓形部分延伸出的直線部分，所述第二弓形部分的彎曲方向與所述第一弓形部分相反。
12.如權(quán)利要求11所述的光柵，其特征在于，所述第一弓形部分以反時針方向彎曲。
13.如權(quán)利要求11所述的光柵，其特征在于，所述第二弓形部分以順時針方向彎曲。
14.如權(quán)利要求10所述的光柵，其特征在于，所述陣列具有第二S形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在所述第一S形結(jié)構(gòu)的對面延伸。
15.如權(quán)利要求14所述的光柵，其特征在于，所述第二S形結(jié)構(gòu)是相對所述第一S形結(jié)構(gòu)的鏡像。
16.如權(quán)利要求14所述的光柵，其特征在于，所述第二S形結(jié)構(gòu)還包括第一弓形部分，從所述第一弓形部分延伸出的第二弓形部分，以及從所述第二弓形部分延伸出的直線部分，所述第二弓形部分的彎曲方向與所述第一弓形部分相反。
17.如權(quán)利要求16所述的光柵，其特征在于，所述第一弓形部分以反時針方向彎曲。
18.如權(quán)利要求16所述的光柵，其特征在于，所述第二弓形部分以順時針方向彎曲。
19.一種緊密型光柵，其特征在于，包括多個波導(dǎo)，它們彼此相鄰布置，形成一陣列，所述陣列包括第一反時鐘彎曲部分，從所述第一反時針彎曲的部分延伸出的第一順時針彎曲部分，以及從所述第一順時針彎曲部分延伸出的第一直線部分，其中所述多個波導(dǎo)具有遞增的弧長。
20.如權(quán)利要求19所述的緊密型光柵，其特征在于，所述陣列還包括第二直線部分，它從所述第一直線部分延伸出；第二順時針彎曲部分，它從所述第二直線部分延伸出；以及第二反時針彎曲部分，它從所述第二順時針彎曲部分延伸出，其中所述多個波導(dǎo)具有遞增的弧長。
全文摘要
提供一種具有一般S形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光柵。光柵包括多個彼此相鄰布置的波導(dǎo),形成一陣列。陣列(32)包括以反時針方向(36)彎曲的第一部分(34),以順時針方向(40)彎曲的第二部分(38),以及在直線方向延伸的第三部分(42)。每個波導(dǎo)沿反時針方向的弧長使得某些波導(dǎo)比其它波導(dǎo)長一點。這導(dǎo)致各波導(dǎo)完全分離。另外,光柵的總尺寸比常規(guī)器件較小,降低了串?dāng)_。
文檔編號G02B6/12GK1384925SQ00815044
公開日2002年12月11日 申請日期2000年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月29日
發(fā)明者B·豐德爾 申請人:康寧股份有限公司