專利名稱：具有平坦化通帶的相位器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相位器(phasar)、陣列波導(dǎo)光柵和光通信網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
在采用光纖傳輸線路的先進(jìn)的光通信網(wǎng)絡(luò)中，光學(xué)波分復(fù)用元件(WDM)越來(lái)越重要。石英光纖具有超過(guò)300太拉赫茲的傳輸帶寬。不過(guò)，這種極大的帶寬受到發(fā)送和接收端電子設(shè)備的限制。目前，這種通?；诠桦娮泳€路的電子發(fā)送器和接收器在商業(yè)上被限制于2至10千兆位/秒(Gbs)。期望將其進(jìn)一步增加到40Gbs，不過(guò)這種進(jìn)一步的增加是難以實(shí)現(xiàn)的。
由于這些原因，已經(jīng)提出了一種WDM，如圖1所示，其中多個(gè)(N)電子數(shù)據(jù)信道進(jìn)入發(fā)送器10，并且調(diào)制具有諸如N個(gè)輸出載波波長(zhǎng)λ1，λ2，...λN的激光器12的獨(dú)立的光發(fā)射器。適于將這些波長(zhǎng)按照WDM波長(zhǎng)梳(a WDM wavelength comb)設(shè)置，相鄰波長(zhǎng)λ1，λ2，...λN由下式給出的基本恒定的信道間隔分開(kāi)，ΔλS＝λi+1-λi(1)光學(xué)波分復(fù)用器14組合不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，并將該組合的信號(hào)輸出到單根光纖16。光接收器20包括一波分去復(fù)用器22，將其所接收的信號(hào)按照它們的光波長(zhǎng)，根據(jù)相同的波長(zhǎng)分布λ1，λ2，…λN，分離到N個(gè)光探測(cè)器24上。鑒于無(wú)源系統(tǒng)中通常意義上的互易性，波分去復(fù)用器一般基本上類似于輸入和輸出顛倒的波分多路復(fù)用器。
此外，可以將光增加/減少多路復(fù)用器(ADM)30置于發(fā)送機(jī)與接收機(jī)20之間的光路16中。光學(xué)增加/減少多路復(fù)用器30從光纖16上的光學(xué)信道中去掉波長(zhǎng)為λAD的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)信道，并將可能包含不同信息，但處于相同光載波波長(zhǎng)λAD的光學(xué)數(shù)據(jù)信號(hào)插回到光纖16上。ADM30一般由與WDM14，22非常類似的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。已經(jīng)提出了全光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，其中具有每個(gè)均包括一發(fā)送機(jī)10和接收機(jī)20的眾多節(jié)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)實(shí)用的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)相連，根據(jù)它們的波長(zhǎng)在節(jié)點(diǎn)之間路由信號(hào)。這種全光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的路由元件需要與ADM30類似的轉(zhuǎn)換元件。
為了最大化或者至少是增加光纖16的傳輸能力，應(yīng)該將波長(zhǎng)信道λ1，λ2，...λN設(shè)置成盡可能地彼此接近，具有最小的信道間隔ΔλS。在先進(jìn)的系統(tǒng)中，對(duì)于以1300或1550nm為中心的信號(hào)而言，該信道之間的間隔ΔλS為1nm或更小，其為石英光纖的最佳帶寬。這種緊密間隔的WDM網(wǎng)絡(luò)被稱為密集WDM網(wǎng)絡(luò)(DWDM)。
由于發(fā)送機(jī)10、接收機(jī)20和中間節(jié)點(diǎn)30的操作均關(guān)于同一組WDM波長(zhǎng)λ1，λ2，...λN這個(gè)事實(shí)，故上面所描述的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可能會(huì)遇到麻煩。無(wú)論如何都必須為每個(gè)分布式元件提供其自身的波長(zhǎng)校準(zhǔn)。由于環(huán)境和老化的結(jié)果，在一個(gè)元件處設(shè)定的波長(zhǎng)校準(zhǔn)可能與在另一個(gè)元件處所設(shè)定的波長(zhǎng)校準(zhǔn)不同。鑒于光信道的緊密間隔，網(wǎng)絡(luò)元件之間的任何非校準(zhǔn)都可能產(chǎn)生信道之間的干擾。
作為理想的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于所使用的光波長(zhǎng)，通常將光纖16、WDM14，22和ADM30設(shè)計(jì)成至少在它們的端口處為單模光纖。雖然每個(gè)激光器12都可能在極窄的帶寬上發(fā)射光，然而頻率敏感元件14，22，30的單模響應(yīng)通常具有接近于圍繞信道的中心波長(zhǎng)λ0的高斯分布的波長(zhǎng)(頻率)特性F(λ)＝exp[-(-λ-λ0)/ΔλG]。對(duì)于當(dāng)前的加工技術(shù)而言可以相當(dāng)自由地選擇高斯通帶ΔλG的值。不過(guò)，該通帶值受到抵消限制。對(duì)于密集WDM系統(tǒng)，使信道之間的間隔ΔλS盡可能小。高斯通帶ΔλG必須大體上小于信道之間的間隔ΔλS，以避免信道之間的干擾。另一方面，激光器12和其它頻率敏感元件的頻率特性會(huì)發(fā)生永久的或暫時(shí)的變化。如果通帶ΔλG太小，則峰相當(dāng)窄，波長(zhǎng)偏離峰值波長(zhǎng)λ0的小的變化會(huì)導(dǎo)致操作偏移到峰的旁邊，從而降低信號(hào)強(qiáng)度。也就是，對(duì)于強(qiáng)信號(hào)而言，應(yīng)該使通帶ΔλG盡可能大，以提供寬頂部的峰。
如美國(guó)專利5,629,992所述，Amersfoort等人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些問(wèn)題。這些專利描述了陣列式波導(dǎo)光柵，也稱為相位器，具有Hunsperger等人在美國(guó)專利4,773,663和Dragone在美國(guó)專利5,412,744和5,488,680中所描述的類型。特別是，Amersfoort等人描述了圖2的示意圖中說(shuō)明的WDM相位器40。單模波導(dǎo)42被耦合到長(zhǎng)度選定的多模波導(dǎo)44的一端，以在第一自由空間區(qū)域48的一個(gè)側(cè)壁47上在一個(gè)端口46處，從單模波導(dǎo)42產(chǎn)生雙倍的輻射圖象。多模波導(dǎo)44起到多模干涉儀(MMI)的作用。多個(gè)單模陣列波導(dǎo)50以星形耦合器的形式耦合到第一自由空間區(qū)域48的另一側(cè)的端上。該陣列波導(dǎo)50的另一端耦合到第二自由空間區(qū)域52的一側(cè)。該陣列波導(dǎo)50具有其間相差預(yù)定長(zhǎng)度的長(zhǎng)度，起到陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的作用，其操作與平面衍射光柵相似。單模輸出波導(dǎo)54沿輸出壁56耦合到第二自由空間區(qū)域50的另一側(cè)。AWG導(dǎo)致來(lái)自輸入波導(dǎo)42的多波長(zhǎng)信號(hào)被波長(zhǎng)去復(fù)用到各個(gè)輸出波導(dǎo)54上。由于該裝置的互易性，可以顛倒輸入和輸出的功能，使得可以將同樣的結(jié)構(gòu)用作波長(zhǎng)多路復(fù)用器和波長(zhǎng)去復(fù)用器。Amersfoort等人希望波導(dǎo)的位置和數(shù)量比下面介紹的單個(gè)輸入的例子更寬。
前面描述的對(duì)于單模元件的高斯波長(zhǎng)分布，涉及在單模光纖的輸出處感受的強(qiáng)度的高斯空間分布。不過(guò)，因?yàn)槎嗄２▽?dǎo)44通常在端口46處包含兩個(gè)緊密間隔的峰，故在第一自由空間區(qū)域48中產(chǎn)生的空間輸出圖案不是高斯分布，而是在其峰值處比相同帶寬的相應(yīng)的高斯分布更加平坦。從而，多模波導(dǎo)44與相位器40其余部分之間的自由空間的波長(zhǎng)特性也被平坦化。結(jié)果，通過(guò)使用多模干涉濾波器44，有可能獲得相位器的窄波長(zhǎng)響應(yīng)，可是對(duì)于圍繞中間值的小波長(zhǎng)變化其波長(zhǎng)響應(yīng)具有更小的變化。然而，由于單模功率分布到更寬的區(qū)域上，所以Amersfoort等人的MMI解決方法遭受2到3dB的功率損失。在美國(guó)專利5,889,906中披露了一種類似的方法，其中使用多模部件，不是如Amersfoort等人那樣為了平坦化各個(gè)信道通帶，而是為了獲得不同信道的更好的均勻性。
在美國(guó)專利5,412,744中，通過(guò)將一個(gè)Y-耦合器設(shè)置在單模輸入波導(dǎo)42與分別耦合到自由空間區(qū)域48中的兩個(gè)單模波導(dǎo)之間，Dragone擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)相位器的通帶。結(jié)果對(duì)于跨在自由空間區(qū)域48的輸入壁上更大區(qū)域的一個(gè)模式，擴(kuò)展了強(qiáng)度。這種方法具有類似的2至3dB的功率損失。
在美國(guó)專利5,488,680中，Dragone提出了級(jí)聯(lián)波長(zhǎng)路由裝置如相位器的優(yōu)點(diǎn)。他所提出的其中一種結(jié)構(gòu)包括一馬赫—曾德?tīng)?Mach-Zehnder)干涉儀(MZI)，MZI兩個(gè)輸出波導(dǎo)之間的一3dB交叉耦合器，和一具有在其輸入壁上接收MZI兩個(gè)波導(dǎo)的第一自由空間區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)相位器。該幾何結(jié)構(gòu)為，一個(gè)輸出波導(dǎo)將一個(gè)波長(zhǎng)的輻射會(huì)聚在該相位器的一個(gè)輸出端，另一個(gè)輸出波導(dǎo)對(duì)另一個(gè)波長(zhǎng)的輻射進(jìn)行會(huì)聚，波長(zhǎng)之間具有約0.9dB的波動(dòng)。從而，馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x和相位器的組合的通帶被平坦化。
Thompson等人在“Si上SiO2平面波長(zhǎng)去復(fù)用器新穎的低損耗和通帶平坦化”(“An original low-loss and pass-band flattened SiO2on Si planar wavelength demultiplexer”，OFC’98 Technical Digest，Optical Fibre Conference，1988，2，22-27，圣何塞，加利福尼亞，P.77)中披露了另一種相位器通帶平坦化技術(shù)。兩個(gè)相位器串聯(lián)排列。第一相位器具有等于信道間隔的自由光譜區(qū)。該自由光譜區(qū)為在其上頻率特性重復(fù)的頻率范圍。在大多數(shù)單級(jí)相位器設(shè)計(jì)中，所有的N個(gè)信道間隔都處于一個(gè)自由光譜區(qū)范圍內(nèi)。盡管理論上Thompson設(shè)計(jì)提供了更小損耗的展寬，不過(guò)實(shí)際上難以制造可獲得最佳性能的相位器。
因此，需要提供一種相位器設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)提供以低損耗的通帶平坦化。
發(fā)明概述在所附權(quán)利要求書中限定了本發(fā)明的多個(gè)方面和特征。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種相位器，諸如波長(zhǎng)復(fù)用器或去復(fù)用器的光耦合器，該相位器包括兩個(gè)自由空間區(qū)域之間的陣列式波導(dǎo)光柵，特別適用于發(fā)送分開(kāi)一波長(zhǎng)信道間隔的多個(gè)不同波長(zhǎng)信號(hào)的波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)。馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)接收一光輸入信號(hào)，并將該輸入信號(hào)分成兩部分，使各部分通過(guò)不同長(zhǎng)度的波導(dǎo)，從而在兩部分之間引入一取決于波長(zhǎng)的相位差。將MZI設(shè)計(jì)成具有一等于信道間隔的自由光譜區(qū)，使得MZI對(duì)于每個(gè)WDM信號(hào)表現(xiàn)出相同的光學(xué)特性。MZI信號(hào)的兩部分被輸入到一多模干涉儀(MMI)中，多模干涉儀輸出到第一自由空間區(qū)域。MMI的長(zhǎng)度最好為兩個(gè)最低級(jí)模式的拍頻長(zhǎng)度之半的整數(shù)，使得MMI與自由空間區(qū)域問(wèn)界面處的最大強(qiáng)度的橫向位置取決于來(lái)自MZI的信號(hào)的相位差。在MMI的一側(cè)上MZI的輸入端橫向間隔設(shè)置，使得從MMI輸出到自由空間區(qū)域的信號(hào)具有與該相位器的壁的光學(xué)色散相匹配的橫向空間光學(xué)色散。從而，對(duì)于該相位器的每個(gè)通帶相位器的傳輸特性被平坦化。或者，可以將這種配置設(shè)置在輸出一側(cè)。
希望波長(zhǎng)—色散元件(a wavelength-dispersive element)具有盡可能小的信道間隔。不過(guò)，信道間隔越小，相鄰信道之間的干擾，如串?dāng)_所引發(fā)的問(wèn)題越大。為了克服該問(wèn)題，需要具有平坦通帶頻譜的波長(zhǎng)色散元件。
通常，通過(guò)波長(zhǎng)色散元件的信號(hào)可以來(lái)自于多個(gè)不同的發(fā)射激光器，將每個(gè)激光器設(shè)計(jì)成在極窄的波長(zhǎng)帶內(nèi)的波長(zhǎng)處進(jìn)行發(fā)射。由于一個(gè)或更多的激光器偏離到該窄波長(zhǎng)帶以外，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸中的誤差。
在美國(guó)專利5,629,992中嘗試解決該問(wèn)題。該專利提出使用多模干涉濾波器，在其連接到頻率色散元件的輸入端的一端產(chǎn)生輸入信號(hào)的多個(gè)圖象。本發(fā)明的實(shí)施例提出對(duì)這種裝置的改進(jìn)。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明現(xiàn)在將參照


本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中相同部分由相同的標(biāo)記表示，其中圖1為波分復(fù)用(WDM)光纖通信系統(tǒng)的示意圖；圖2為通過(guò)使用多模干涉濾波器擴(kuò)展相位器通帶的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的示意圖；圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通帶擴(kuò)展的相位器的實(shí)施例的示意圖；圖4為圖3的一部分的部件分解圖；圖5A至5H為表示多模干涉儀的輸出平面處以輸入到多模干涉儀的信號(hào)的相位差為函數(shù)的強(qiáng)度峰的橫向位移的曲線；圖6和7包含與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用本發(fā)明可獲得的通帶平坦化曲線；圖8到13為本發(fā)明另一些實(shí)施例的示意性說(shuō)明；圖14表示AWG復(fù)用/去復(fù)用器芯片的波導(dǎo)圖案；圖15示意性地表示AWG復(fù)用/去復(fù)用器的功能；圖16表示光學(xué)基板的示意性透視圖；圖17示意性地表示現(xiàn)有技術(shù)的多模干涉濾波器；圖18示意性地表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的裝置；圖19示意性地表示傳統(tǒng)MMI的輸入和輸出處波導(dǎo)模式的分布；圖20示意性地說(shuō)明連接波導(dǎo)被設(shè)計(jì)成錐形，使波導(dǎo)朝向MMI橫向擴(kuò)展的情形；圖21示意性地說(shuō)明MMI本身具有橫向?qū)挾雀淖兊那樾危粓D22說(shuō)明對(duì)于具有平行側(cè)面的MMI的濾波器響應(yīng)的模擬結(jié)果；圖23示意性地說(shuō)明具有寬度從16至20um逐漸變化的MMI的類似曲線。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述圖3的光路中示意性地說(shuō)明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。在圖4的部件分解圖中更加詳細(xì)地表示出接近多模干涉儀44的光路部分。該光路包括一馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)60，其產(chǎn)生一分布式波長(zhǎng)信號(hào)的線性色散，以平衡多波長(zhǎng)信號(hào)λ1，λ2，…λN的中心信道波長(zhǎng)附近的相位器40的色散。馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x60接收單模光纖62或其它光波導(dǎo)上的多波長(zhǎng)信號(hào)。Y-耦合器64或其它類型的50∶50光焦度分束器將該信號(hào)分到MZI60的兩個(gè)單模波導(dǎo)臂66，68，最好具有相等的強(qiáng)度。這兩個(gè)臂66，68具有相差為ΔL的不同的物理長(zhǎng)度，使得當(dāng)信號(hào)通過(guò)MZI60時(shí)，在相同波長(zhǎng)λi的信號(hào)之間產(chǎn)生相差Δ。不過(guò)，該相差取決于由公式(1)給出的波長(zhǎng)大小 其中neff(λC)為在WDM梳(a WDM comb)的中心波長(zhǎng)λC處兩個(gè)波導(dǎo)66，68的有效光學(xué)折射率。假設(shè)波導(dǎo)具有相似的結(jié)構(gòu)。不過(guò)，從公式(2)看出更相關(guān)的長(zhǎng)度是包括折射率的光學(xué)長(zhǎng)度，而不是物理長(zhǎng)度。通過(guò)電信號(hào)動(dòng)態(tài)地改變波導(dǎo)中的折射率是眾所周知的技術(shù)，例如，利用Nishihara等人在Optical Integrated Circuits(McGraw-Hill，1985，ISBN 0-07-046092-2)中所描述的熱—光，電—光或壓電—電效應(yīng)。可以將MZI設(shè)計(jì)成工作在更高階模m下，其中具有額外的2π倍的相差。該級(jí)次表示為m=ΔLneff(λC)λC(1-λCneff(λC)dneff(λC)dλ)---(3)]]>光學(xué)裝置的自由光譜區(qū)ΔλFSR為其上光譜特性重復(fù)的波長(zhǎng)差，通常相當(dāng)于光波長(zhǎng)的下一個(gè)更高的倍數(shù)。在更高級(jí)次，自由光譜區(qū)逐漸變窄。對(duì)于工作在高階模中的MZI60，該自由光譜區(qū)表示為ΔλFSR=λCm---(4)]]>根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，使自由光譜區(qū)ΔλFSR基本上等于信道之間的間隔ΔλS，結(jié)果將MZI60設(shè)計(jì)成工作在下式給出的高階模m=λCΔλS---(5)]]>該等式不必精確相等，不過(guò)ΔλFSR應(yīng)該精確地位于信道間隔ΔλS的0.25/N之內(nèi)，其中N為輸出信道的數(shù)量。對(duì)于1300至1550nm的紅外輻射，對(duì)于低于1nm的信道間隔，級(jí)次m大于1000。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果是MZI60的光譜響應(yīng)對(duì)于每個(gè)WDM波長(zhǎng)λ1，λ2，...λN都相同，不過(guò)對(duì)于圍繞WDM波長(zhǎng)的中心值很小的波長(zhǎng)變化來(lái)說(shuō)，光譜響應(yīng)可能具有顯著的變化。最好將波導(dǎo)臂64，68設(shè)計(jì)成工作在等于信道間隔的自由光譜區(qū)，使得對(duì)于穿過(guò)MZI60的N個(gè)WDM波長(zhǎng)λ1，λ2，...λN中的每一個(gè)進(jìn)行信號(hào)校準(zhǔn)，具有0相差Δ。當(dāng)相位器輸出信道的數(shù)量N為偶數(shù)時(shí)，可能要求兩臂64，68之間為180°相差。
MZI的波導(dǎo)66，68具有靠近MMI44時(shí)緊密接近的端部。不過(guò)，它們的緊密接近沒(méi)有延伸到一個(gè)比較明顯的距離，相互作用長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于Dragone提出的3dB的耦合長(zhǎng)度。結(jié)果，進(jìn)入通過(guò)MMI44的波長(zhǎng)成分具有相等的強(qiáng)度，不過(guò)具有隨波長(zhǎng)改變的相差。通過(guò)MMI部分44的長(zhǎng)度的輕微地減小，可以部分消除緊密接近過(guò)程中任何不需要的耦合。
如圖4更好地表示的那樣，兩個(gè)波導(dǎo)臂66，68分別耦合到多模干涉儀(MMI)44中，兩個(gè)臂66，68之間在MMI44縱向一端上具有一間隙。最好在MZI的波導(dǎo)66，68進(jìn)入MMZ44時(shí)，通過(guò)測(cè)量MZI波導(dǎo)66，68的中心之間的間隔G而測(cè)量該間隙。不過(guò)，它們的緊密接近沒(méi)有延伸到一個(gè)明顯的距離，相互作用長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于Dragone提出的3dB耦合長(zhǎng)度。雖然MZI60與MMI44緊密耦合，其間沒(méi)有清晰的界面，不過(guò)認(rèn)為在兩個(gè)MZI波導(dǎo)66，68上傳播的給定波長(zhǎng)的信號(hào)等強(qiáng)度地進(jìn)入MMI44，但具有隨兩個(gè)信號(hào)的波長(zhǎng)而改變的相差。
選擇MMI44的長(zhǎng)度LMMI基本上等于兩個(gè)最低階模之間拍頻長(zhǎng)度Lπ的一半，即LMMI=Lπ2---(6)]]>其中拍頻長(zhǎng)度表示為L(zhǎng)π=λC2(n0-n1)≈4nCW3λC---(7)]]>其中n0和n1為MMI44支持的基模和下一個(gè)高階模的有效光學(xué)折射率。公式(7)右側(cè)拍頻長(zhǎng)度的2-D工程基本上取決于W，而W是MMI部分的寬度，nC為波導(dǎo)芯區(qū)域的有效折射率。假設(shè)僅支持兩個(gè)非簡(jiǎn)并模，不過(guò)本發(fā)明不限于此。如Soldano等人在“基于自成象原理的光學(xué)多模干涉裝置及應(yīng)用”(“Optical multimode interferencedevice based on self-imaging principles and applications”，IEEEJournal Lightwave Technology，Vol.13，No.4，pp.615-627，1995)中描述的，較寬的MMI支持眾多的模式，使用成對(duì)的或者一般的干涉，產(chǎn)生近乎完美的成象。不過(guò)，在本發(fā)明中不特別要求完美的成象。而是需要獲得高斯峰的線性色散和低串?dāng)_，使用僅支持兩個(gè)橫模的較小的MMI部分可以更好地實(shí)現(xiàn)，因此引入大約0.3dB的額外的損耗。
作為優(yōu)選的硅上二氧化硅(silica on silicon)工藝，對(duì)于芯—包層折射率差為0.0075和7μm×7μm芯的摻Ge石英波導(dǎo)，拍頻長(zhǎng)度Lπ基本上等于750μm，從而LMMI基本上等于350μm，該值可能包含某種基本上地說(shuō)明波導(dǎo)交叉耦合的減小，其中MMI寬度基本上為20μm。可能將MMI長(zhǎng)度增大拍頻長(zhǎng)度的倍數(shù)，使得可接受的長(zhǎng)度基本上為拍頻長(zhǎng)度的1/2，3/2，5/2等，不過(guò)必須記住，拍頻長(zhǎng)度對(duì)MMI長(zhǎng)度的增加改變了色散的符號(hào)。
可以認(rèn)為，來(lái)自MMI44兩個(gè)輸入端的光信號(hào)是獨(dú)立傳播的。不過(guò)，根據(jù)信號(hào)之間的相位差兩個(gè)輻射信號(hào)相干涉。在半拍頻長(zhǎng)度下，在MMI44與第一自由空間區(qū)域48之間的端口46處的強(qiáng)度分布，在端口46上具有空間色散，該色散對(duì)于有限的相位差范圍例如-90°和90°之間，隨相差Δ大體呈線性變化。
在寬度WMMI為20μm，半拍頻長(zhǎng)度為350μm的MMI的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，其中輸入波導(dǎo)之間間隔G為10μm，并與寬度為7μm的單模波導(dǎo)進(jìn)行比較。對(duì)于-180°到+135°范圍內(nèi)的相差Δ，在距離MMI的中心為60μm的寬度上，計(jì)算以dB測(cè)量的光強(qiáng)度I。結(jié)果為圖5A至5H中曲線所示。僅考慮圖5C至5G，當(dāng)相差Δ在-90°到90°之間變化時(shí)，強(qiáng)度峰的位置改變了大約10μm。而且，峰值位置基本上地隨相差線性變化。因?yàn)橄辔徊铍S波長(zhǎng)變化，如從公式(2)顯然可以看出，故可以由橫向MMI色散dλ/dy)MMI表示峰值位置的改變，其符號(hào)取決于MZI60的上分支66更長(zhǎng)還是下分支68更長(zhǎng)，分別導(dǎo)致正號(hào)和負(fù)號(hào)。
對(duì)于本發(fā)明的簡(jiǎn)單的實(shí)施例，一般來(lái)說(shuō)，MMI44支持在MMI輸出平面46的中心處具有一個(gè)橫向峰值的基模和在該位置處具有兩個(gè)橫向峰值的第一諧振模。兩個(gè)MZI波導(dǎo)66，68基本上地與兩個(gè)諧振峰中相應(yīng)的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。在半拍頻長(zhǎng)度處，零相差產(chǎn)生了具有小諧振峰的強(qiáng)基本峰；在正或負(fù)相差處，一個(gè)或另一個(gè)諧振峰更為突出，峰的中央相對(duì)中心具有橫向位移。
對(duì)于大于大約90°的相差，橫向位置與波長(zhǎng)之間的線性關(guān)系被破壞。這些大的相差相應(yīng)于WDM梳之間的波長(zhǎng)。對(duì)于本發(fā)明的運(yùn)用而言，位置與波長(zhǎng)之間非一致性作用的精確大小是不重要的。
如圖3的部件分解示意圖所示，設(shè)計(jì)相位器40，使得第一空間區(qū)域48沿包括MMI44與第一自由空間區(qū)域48之間的端口46的壁，具有空間色散dλ/dy)WALL。如果載有區(qū)別波長(zhǎng)的信號(hào)的假想的波導(dǎo)在相應(yīng)于計(jì)算而得的包括空間色散dλ/dy)WALL的位置被耦合到第一自由空間區(qū)域48中，則所有不同的波長(zhǎng)應(yīng)該被聚焦在圖3的第二自由空間區(qū)域52的輸出壁56上單一點(diǎn)處。另一種觀察光色散的方法是考慮在壁47上固定位置處進(jìn)入第一自由空間的多波長(zhǎng)信號(hào)，并確定該信號(hào)在第二自由空間區(qū)域52的輸出壁56上的波長(zhǎng)色散。設(shè)計(jì)MMI44的橫向色散，以補(bǔ)償輸出壁56上的波長(zhǎng)色散，使得對(duì)于輸出壁56上單個(gè)點(diǎn)表現(xiàn)出展寬的通帶。假設(shè)將相位器40設(shè)計(jì)成具有對(duì)稱的輸入和輸出幾何結(jié)構(gòu)，則空間色散能夠使波導(dǎo)42上輸入的多波長(zhǎng)信號(hào)波長(zhǎng)去復(fù)用到輸出波導(dǎo)54中，對(duì)于反方向的多路復(fù)用是類似的，不過(guò)這種分離是在WDM梳的不同的波長(zhǎng)之間。當(dāng)受到單個(gè)波長(zhǎng)的有限通帶的限制時(shí)，本發(fā)明的補(bǔ)償是有用的。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)計(jì)該相位器和MMI，使得相位器的空間色散與MMI橫向色散相等dλdy)MMI=dλdy)WALL---(7)]]>當(dāng)然，重要的是在壁46處MMI和相位器的色散的符號(hào)相同。相位器色散dλ/dy)WALL的符號(hào)取決于分支50的長(zhǎng)度增加是正的還是負(fù)的。在圖3中表示出具有正確符號(hào)色散的例子。還理解到該等式不必要精確相等，兩者之間25％的差異仍然會(huì)產(chǎn)生有利的結(jié)果。由于信道之間間隔與自由光譜區(qū)相等，所以MMI的橫向色散可以表示為ΔλS2G=dλdy)WALL---(8)]]>即，在與MMI的交界處半信道間隔被擴(kuò)展到跨過(guò)MZI波導(dǎo)之間的間隔。按照通常的對(duì)稱相位器設(shè)計(jì)，在輸入和輸出壁上的空間色散相等。如果在輸出壁上波導(dǎo)間隔為d，那么輸入波導(dǎo)的間隔G應(yīng)該基本上等于該值的一半。對(duì)于利用小于一半的信道之間相位間隔的更加謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)而言，G可能小于d的一半，例如為0.4，而仍保持兩個(gè)空間色散相等。
如上所述，每個(gè)精確的WDM波長(zhǎng)λ1，λ2，…λN應(yīng)該以零相差Δ(或者對(duì)于偶數(shù)個(gè)N值為180°)進(jìn)入MMI44，從而每個(gè)波長(zhǎng)將具有橫向位于自由空間區(qū)域48與半拍頻長(zhǎng)度的MMI44之間端口56的中間處的峰值。所有這些精確對(duì)準(zhǔn)的信號(hào)，將根據(jù)波長(zhǎng)被去復(fù)用到圖3中對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)54上。而且，由于色散的匹配，從MZI60進(jìn)入MMI44的相差Δ在±90°之間的信號(hào)也將在相位器上精確地傳播，被去復(fù)用到適當(dāng)?shù)妮敵霾▽?dǎo)54上。這種180°的相位窗相當(dāng)于半個(gè)信道間隔ΔλS。結(jié)果，頻譜響應(yīng)對(duì)于半個(gè)信道間隔來(lái)說(shuō)基本上為平坦的，從而與相位器表現(xiàn)出的典型的高斯響應(yīng)相比更加平坦。
在圖6的曲線中表示使用本發(fā)明可獲得的通帶平坦化的一個(gè)例子，是在計(jì)算的基礎(chǔ)上作出的。當(dāng)將MMI設(shè)計(jì)成具有30μm的較大寬度，并且波導(dǎo)間隔G為10μm時(shí)，用圖6的雙峰曲線70表示該相位器的頻譜響應(yīng)。當(dāng)將MMI設(shè)計(jì)成具有18.5μm的寬度，具有同樣的10μm的間隔G，使得MMI僅支持兩個(gè)模式時(shí)，可以獲得更好的頻譜響應(yīng)。所產(chǎn)生的頻譜響應(yīng)由平坦化的曲線72表示。該響應(yīng)應(yīng)該與在MZI的輸出之間使用3dB耦合器而不是MMI的Dragone相位器的雙峰曲線74所表示的響應(yīng)進(jìn)行比較，如圖7所示。兩個(gè)峰中的每一個(gè)相當(dāng)于Dragone相位器通常的高斯響應(yīng)。Dragone的峰值有兩個(gè)，因?yàn)镸ZI在沿相位器壁的兩個(gè)不同點(diǎn)處輸入信號(hào)。如果不使用MZI，則頻譜響應(yīng)應(yīng)該相應(yīng)于兩個(gè)峰之一。
圖3中表示的相位器是一種線性的交互的裝置。因此，如上所述它可以被用做去復(fù)用器或復(fù)用器，其中不同波長(zhǎng)信號(hào)被單獨(dú)輸入到各相應(yīng)的波導(dǎo)54，并且單波長(zhǎng)復(fù)用的信號(hào)被輸出到波導(dǎo)62上。通過(guò)類似的擴(kuò)展，可以將MZI和MMI設(shè)置在N個(gè)輸出波導(dǎo)的每一個(gè)之上，而不是在一個(gè)輸入波導(dǎo)上設(shè)置一對(duì)。并且，眾所周知，可以將圖3中所說(shuō)明的去復(fù)用器概括為具有多于一個(gè)輸入波導(dǎo)62的光學(xué)分束器。在這種情形中，每個(gè)輸入波導(dǎo)具有其自身的MZI和MMI，且將MMI設(shè)置在第一自由空間區(qū)域的輸入壁上精確選擇的位置處。
圖3中說(shuō)明的MZI60與MMI44之間的界面的幾何形狀僅是建議性的。最好在MMI44附近，兩個(gè)MZI波導(dǎo)66，68從不同側(cè)面以等彎曲路徑對(duì)稱地接近MMI44。
上面所描述的設(shè)計(jì)和計(jì)算已經(jīng)假設(shè)了直接連接到對(duì)稱設(shè)置的MZI波導(dǎo)上的矩形MMI的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。在圖8到13中表示出其它設(shè)計(jì)。在圖8中，MZI波導(dǎo)66，68非對(duì)稱地設(shè)置在MMI44的輸入側(cè)。在圖9中，MMI44是錐形的。結(jié)果，從MZI波導(dǎo)66，68輸入的輻射場(chǎng)被壓縮到輸出側(cè)。于是需要確定輸出側(cè)而不是輸入側(cè)的MMI橫向色散。這種朝外的逐漸變細(xì)允許放寬對(duì)MZI與MMI之間界面的設(shè)計(jì)。在圖10中，MMI44是錐形和轉(zhuǎn)變角度的。Besse等人在“具有自由選擇的功率分裂比的新型1×2多模干涉耦合器”(“New 1×2 multimodeinterference couplers with free selection of power splitting ratios”，ECOC94)和Besse在瑞士專利申請(qǐng)No.03 310/93-3，4，11，1993中描述了具有類似性能的多模部分的不同結(jié)構(gòu)，例如蝶形和轉(zhuǎn)變角度的MMI。在Chen等人的美國(guó)專利5,889,906的圖2B到2H中也表示出了類似的多模部分，其中該多模部分被用做不同的目的。
在圖11中，錐形部分80將MZI波導(dǎo)66，68耦合到MMI44上。錐形部分80從MZI一側(cè)的單模逐漸變成MMI一側(cè)的雙模。這允許單模場(chǎng)分布從MZI分支更有效地耦合到MMI中。
在圖12中，錐形部分80直接耦合到圖3的第一自由空間區(qū)域48中。每個(gè)錐形部分本身起到所需的多模部分的作用。
除了波導(dǎo)66，68具有稍微呈錐形的在MMI部分44的入口處絕熱地改變寬度的部分82以外，圖13的實(shí)施例與圖2和3相似。
因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了相位器中平坦化的通帶，從而使多波長(zhǎng)通信系統(tǒng)能夠忍受波長(zhǎng)偏移和網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)之間其它形式的非校準(zhǔn)。通過(guò)稍稍增加該相位器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，不必要附加的材料或控制，就可以獲得平坦化。
現(xiàn)在將描述本發(fā)明更多的實(shí)施例。
陣列波導(dǎo)光柵是一種平面結(jié)構(gòu)，包括若干陣列式信道波導(dǎo)，這些信道波導(dǎo)一起起到分光計(jì)中衍射光柵的作用。
AWG多路復(fù)用器是一種組合不同波長(zhǎng)的光信號(hào)的裝置相反，AWG去復(fù)用器將多路復(fù)用的信號(hào)分裂成多個(gè)信號(hào)。AWG復(fù)用器一般包括兩個(gè)通常被稱為耦合器的連接到陣列波導(dǎo)光柵任何一端上的可聚焦的平板區(qū)域(slab region)，和多個(gè)連接到該平板區(qū)域之一上的輸入波導(dǎo)，以及一個(gè)或多個(gè)連接到另一平板區(qū)域上的輸出波導(dǎo)。AWG去復(fù)用器一般包括兩個(gè)連接到陣列波導(dǎo)光柵任何一端的會(huì)聚平板區(qū)域，一個(gè)或多個(gè)連接到其中一個(gè)平板區(qū)域的輸入波導(dǎo)，和多個(gè)連接到另一平板區(qū)域的輸出波導(dǎo)。
由于AWG沿兩個(gè)方向工作，故通過(guò)反方向使用，通?？梢詫⒍嗦窂?fù)用器用做去復(fù)用器。通過(guò)采用多個(gè)輸入和輸出波導(dǎo)可以獲得更為靈活的裝置。那么該裝置的功能取決于輸入該裝置的信號(hào)的性質(zhì)，即輸入是多個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)復(fù)用信號(hào)，還是多個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)。
如圖14所示，典型的AWG復(fù)用器/去復(fù)用器包括兩個(gè)連接到陣列波導(dǎo)光柵110任一端上的可聚焦平板區(qū)域114，下文中稱之為耦合器。光柵110包括一信道波導(dǎo)112陣列，圖中僅表示出部分波導(dǎo)。輸入的多個(gè)WDM信號(hào)被色散并同時(shí)被聚焦到各自規(guī)定的輸出波導(dǎo)122上。
圖14所示的結(jié)構(gòu)中，在基板18上形成有第一和第二耦合器114，多個(gè)陣列波導(dǎo)112，多個(gè)連接到第一耦合器上的輸入/輸出波導(dǎo)120，和多個(gè)連接到第二耦合器上的輸入/輸出波導(dǎo)122。最好一個(gè)挨一個(gè)地設(shè)置陣列波導(dǎo)112和/或輸入/輸出波導(dǎo)120，122。
每個(gè)波導(dǎo)112，120，122具有一個(gè)芯115，至少一種包層材料116覆蓋在芯的一側(cè)上。
耦合器114最好是星形耦合器，而星形耦合器在本領(lǐng)域中是眾所周知的，具有彎曲的輸入和輸出表面。該平板的輸入/輸出端的彎曲可增強(qiáng)信號(hào)的聚焦，不過(guò)也可以在耦合器附近使相鄰波導(dǎo)彼此傾斜分開(kāi)，從而減小串?dāng)_。
波導(dǎo)陣列裝置最好包括一具有不同長(zhǎng)度的波導(dǎo)112的陣列110，以對(duì)輸入信號(hào)提供不同的光路長(zhǎng)度。最好該陣列的相鄰波導(dǎo)之間的光路長(zhǎng)度差為常數(shù)L，其中L＝mλC/nC，λC為光柵的中心波長(zhǎng)，nC為信道波導(dǎo)的有效折射率，m為整數(shù)。進(jìn)入波導(dǎo)陣列入射端的光在每個(gè)信道中受到與信道長(zhǎng)度成正比的不同的相位偏移，并從波導(dǎo)陣列的輸出端射出，以形成自由空間衍射圖案。此衍射圖案峰值的角位置與相鄰波導(dǎo)信道之間的相對(duì)相移有關(guān)。該光柵起到m級(jí)相位光柵的作用。最好使用單模信道波導(dǎo)使之能夠在光柵中進(jìn)行精確的相位控制。
該裝置按照如下方式工作。來(lái)自輸入波導(dǎo)的光在第一平板內(nèi)部擴(kuò)展成2D發(fā)散波，并激勵(lì)陣列波導(dǎo)信道的輸入端，陣列波導(dǎo)在本例中沿圍繞平板輸入端的半徑為r的圓弧曲線開(kāi)始。在通過(guò)陣列波導(dǎo)之后，設(shè)置在半徑為r的圓上的光柵端面處的光被輻射成2D光波，作為會(huì)聚波陣面進(jìn)入第二平板區(qū)域，并且在設(shè)置輸出波導(dǎo)的平板出射端處會(huì)聚成一個(gè)焦點(diǎn)。
陣列110中的信號(hào)光路長(zhǎng)度差導(dǎo)致所輻射球面波的依賴于波長(zhǎng)的傾斜，會(huì)聚成偏移的焦點(diǎn)。光柵出射端上的信道波導(dǎo)的間距一般大約為17μm。
通過(guò)考慮它與傳統(tǒng)衍射光柵的相似性，可以更好地理解該過(guò)程。如果陣列中的信道均具有相同長(zhǎng)度，那么情況將與傳統(tǒng)的衍射光柵相似，且衍射圖案的中心強(qiáng)度峰將處于該陣列的端面的法線上。改變?nèi)肷涞疥嚵兄械墓獠ㄩL(zhǎng)將導(dǎo)致衍射圖案的旁瓣沿橫向移動(dòng)，不過(guò)中心的主峰將保持不動(dòng)。為了改善分光計(jì)中所使用類型的衍射光柵的效率，通常在光柵上的每個(gè)劃線中引入一輕微的傾斜。這種稱做“閃耀”的方法引起中心峰值中的大部分光偏移到其中一個(gè)衍射級(jí)，導(dǎo)致有用信號(hào)大大增強(qiáng)。通過(guò)在每個(gè)波導(dǎo)信道之間引入線性相移，可在波導(dǎo)陣列中模擬此閃耀過(guò)程。這導(dǎo)致零級(jí)衍射峰與陣列的軸成很大角度，不過(guò)，大量向前傳播的光存在于有用的衍射級(jí)中。
隨著波長(zhǎng)的改變，衍射光束的角位置改變，能夠或者對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，或者在去復(fù)用器的情形中對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行分離。
已經(jīng)證明陣列光柵的波長(zhǎng)分辨率Δλ與傳統(tǒng)衍射光柵的波長(zhǎng)分辨率具有相同的表達(dá)式Δλ=λNm]]>其中N為陣列中信道波導(dǎo)的數(shù)量，M為衍射級(jí)。
因此，為了得到高分辨率，需要大量信道和大量衍射級(jí)。
該裝置的各個(gè)波導(dǎo)最好為單模的，或者基本上是單模波導(dǎo)，以便盡可能地減小相位誤差。
參見(jiàn)圖15中示意性表示的裝置，對(duì)于沿箭頭“A”方向傳輸?shù)男盘?hào)，該裝置包括一個(gè)輸入波導(dǎo)和多個(gè)輸出波導(dǎo)。該裝置起到去復(fù)用器的作用，將眾多波長(zhǎng)的輸入信號(hào)分裂成多個(gè)輸出信號(hào)，其中每個(gè)信號(hào)為單一波長(zhǎng)?？梢詫⑼瑯拥墓鈻欧捶较蛴米龆嗦窂?fù)用器，如箭頭“B”所示。
圖16示意性地表示如何在基板上形成光波導(dǎo)。將石英波導(dǎo)限定為由下列部分組成·硅，SiO2(石英)等的基板118；·通過(guò)熱氧化或者火焰水解沉積或其它方法，沉積一(可能摻雜的)石英緩沖層119，當(dāng)然不要求在石英基板上進(jìn)行沉積；·通過(guò)火焰水解沉積(FHD)或等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積，沉積一(可能摻雜)石英包層116；以及·由包層和緩沖區(qū)圍繞的一個(gè)或多個(gè)(可能摻雜)芯115?？梢酝ㄟ^(guò)用FHD沉積一層芯玻璃和固化步驟，然后用光刻掩模和蝕刻形成芯通路而形成芯。可以通過(guò)FHD建立包層和任何其它的后續(xù)層。
為了表示光波導(dǎo)的特征，定義了下列參數(shù)n基板基板118的折射率n緩沖區(qū)緩沖區(qū)119的折射率
n包層包層116的折射率n芯芯115的折射率t基板基板118的厚度t緩沖區(qū)緩沖區(qū)119的厚度t包層包層116的厚度t芯芯115的厚度W芯芯115的寬度限定根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所制造的波導(dǎo)具有下列特征折射率(RI)n芯＞n包層，n緩沖區(qū)n基板＞＞n緩沖區(qū)，n包層，n芯(對(duì)于Si基板)n基板＜n芯(對(duì)于SiO2基板)尺寸t基板＞＞t包層+t緩沖區(qū)t包層，t緩沖區(qū)＞t芯可以將本發(fā)明的實(shí)施例用于圖14中所示的AWG復(fù)用器/去復(fù)用器中，前面已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了描述。最好，將這種裝置形成為由FHD制造的平面硅上二氧化硅集成芯片。不過(guò)，也可以使用其它基板。本發(fā)明還可以用于多種其它光學(xué)裝置中。
圖17公開(kāi)了一種多模干涉濾波器124，在輸入波導(dǎo)120與耦合器114的連接處采用干涉濾波器124，將從波導(dǎo)輸入的光耦合到稱做陣列波導(dǎo)光柵110的一波長(zhǎng)色散元件上。
在圖18所示的實(shí)施例中，通過(guò)增加一在輸入波導(dǎo)120與多模區(qū)域127之間起模式成型器/變換器作用的錐形部分126，改進(jìn)了該裝置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種錐形部分的使用提高了波導(dǎo)傳輸功能的截止頻率的銳度。朝向多模部分126方向錐形部分寬度增加。最好(但非排外的)為絕熱錐形，將該錐形設(shè)置成絕熱地傳輸光信號(hào)，使得沿波導(dǎo)傳輸?shù)男盘?hào)模式不與更高階模耦合，直至多模部分到達(dá)為止。該錐形的尺寸一般為大約500μm長(zhǎng)，大約6到16μm寬。當(dāng)然，如前面圖11的例子所示，該波導(dǎo)錐形不必與MMI具有相同的寬度。
如從圖18中可以看出，輸入波導(dǎo)和多模部位在其之間的連接處具有相同的寬度，將該裝置設(shè)計(jì)成可絕熱地傳輸光信號(hào)。
本發(fā)明的裝置具有多種應(yīng)用，尤其是用于開(kāi)關(guān)，路由器，多路復(fù)用器和波導(dǎo)陣列裝置中。
因而，最佳實(shí)施例的系統(tǒng)具有通過(guò)使用MMI濾波器，以及通過(guò)絕熱錐形部分的設(shè)置得以改善的傳輸特性。
圖19示意性地表示傳統(tǒng)MMI濾波器的輸入和輸出處波導(dǎo)模式的分布，也就是說(shuō)，具有在連接波導(dǎo)與形成MMI自身的區(qū)域之間寬度突變的濾波器。其中MMI構(gòu)成AWG輸入的一部分，在MMI輸出端的模式形狀與每個(gè)AWG信道的波長(zhǎng)響應(yīng)一致。
圖20示意性地表示連接波導(dǎo)為錐形的情形，從而朝向MMI方向波導(dǎo)橫向展寬。在這種情形中，MMI輸出中的兩個(gè)峰被平坦化，當(dāng)用于諸如AWG的裝置中時(shí)，給出平坦化的信道波長(zhǎng)響應(yīng)。
圖21示意地說(shuō)明MMI本身具有變化的橫向?qū)挾榷慑F形的情形，使得在遠(yuǎn)離連接波導(dǎo)方向MMI橫向展寬。在這種情形中，在MMI的輸入端僅激發(fā)幾個(gè)模式。這具有在MMI輸出處，從而在濾波器函數(shù)處使模式形狀的外邊緣陡峭的作用。
已經(jīng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了模擬。圖22說(shuō)明對(duì)于具有平行側(cè)面(即沿其長(zhǎng)度的寬度為恒定)寬度為16um，長(zhǎng)度為183um的MMI的濾波器響應(yīng)的模擬結(jié)果。作為比較，圖23示意性地說(shuō)明了對(duì)于具有寬度從16到20um逐漸變化，長(zhǎng)度為183um的MMI的類似的曲線。縱坐標(biāo)為dB，橫坐標(biāo)為任選的波長(zhǎng)單位，在兩個(gè)圖中單位相同?？梢钥闯鲥F形MMI具有方形、平坦的濾波器分布。
權(quán)利要求
1.一種通帶平坦化的相位器，包括一包含由多個(gè)陣列波導(dǎo)耦合的兩個(gè)自由空間區(qū)域的相位器，并且至少一個(gè)光波導(dǎo)被設(shè)置在第一個(gè)自由空間區(qū)域的輸出側(cè)，多個(gè)光波導(dǎo)被設(shè)置在第二個(gè)自由空間區(qū)域的輸出側(cè)，一設(shè)置在其中一個(gè)光波導(dǎo)與其中一個(gè)自由空間區(qū)域之間的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x，其一側(cè)耦合到所述一個(gè)波導(dǎo)，并且在其第二側(cè)具有兩個(gè)端口；以及一多模波導(dǎo)，其支持多于一個(gè)橫向限定的模，并且具有第一端和第二端，該第一端在其間具有間隔的至少兩個(gè)位置與馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x的所述的兩個(gè)端口耦合，該第二端與所述一個(gè)自由空間區(qū)域耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的相位器，其中所述間隔提供的所述多模波導(dǎo)的橫向色散，基本上等于所述兩個(gè)自由空間區(qū)域和所述陣列波導(dǎo)的橫向色散。
3.如權(quán)利要求1所述的相位器，其中所述多模波導(dǎo)具有基本上等于所述多模波導(dǎo)支持的基模與下一高階模之間附加半拍頻長(zhǎng)度的倍數(shù)的長(zhǎng)度。
4.如權(quán)利要求3所述的相位器，其中所述間隔提供的所述多模波導(dǎo)的橫向色散，基本上等于所述兩個(gè)自由空間區(qū)域和所述陣列波導(dǎo)的橫向色散。
5.如權(quán)利要求1所述的相位器，其中所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x包括一光耦合器，將單端口一側(cè)的光信號(hào)耦合成雙端口側(cè)的兩個(gè)光信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的相位器，其中所述光耦合器為Y-形耦合器。
7.如權(quán)利要求1所述的相位器，其中所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x包括兩個(gè)具有不同光學(xué)長(zhǎng)度的單模波導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求7所述的相位器，其中各個(gè)錐形波導(dǎo)具有連接到所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x各自的所述單模波導(dǎo)的第一單模端，和耦合到所述多模波導(dǎo)的第二多模端。
9.如權(quán)利要求7所述的相位器，進(jìn)一步包括至少一個(gè)用于改變與所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x的所述單模波導(dǎo)相關(guān)的折射率的電控裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的通帶平坦化的相位器，其中在所述的馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x與所述多模波導(dǎo)之間沒(méi)有將所述兩個(gè)端口的光信號(hào)耦合成3dB或更大的交叉耦合器。
11.如權(quán)利要求1所述的相位器，其中所述相位器插入波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中，用于傳送按照波長(zhǎng)梳被分開(kāi)一信道間隔的多個(gè)WDM波長(zhǎng)，其中所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x具有一基本上等于所述信道間隔的自由光譜區(qū)。
12.一種相位器，包括一在傳輸波長(zhǎng)帶內(nèi)為單模的第一輸入信道；一光學(xué)分束器，具有一耦合到所述第一光纖上的輸入端口，和兩個(gè)接收基本上具有所述輸入端口上接收的信號(hào)能量的輸出端口；一耦合到所述兩個(gè)輸出端口上的第一和第二波導(dǎo)，其具有相差一選定光學(xué)長(zhǎng)度的不同的光學(xué)長(zhǎng)度；一在所述傳輸波長(zhǎng)帶上為多模的多模波導(dǎo)，其具有一耦合到其間具有一橫向間隔的所述第一和第二波導(dǎo)上的、并且長(zhǎng)度基本上等于所述傳輸波長(zhǎng)帶的附加半拍頻長(zhǎng)度倍數(shù)的長(zhǎng)度的輸入側(cè)，并且具有一輸出側(cè)；一第一自由空間區(qū)域，以其第一側(cè)耦合到所述多模波導(dǎo)的所述輸出側(cè)；一具有預(yù)定長(zhǎng)度差的波導(dǎo)陣列，其耦合到所述第一自由空間區(qū)域的第二側(cè)；一第二自由空間區(qū)域，以其第一側(cè)耦合到所述波導(dǎo)陣列上；以及至少一個(gè)耦合到所述第二自由空間區(qū)域的第二側(cè)上的輸出波導(dǎo)。
13.一種相位器，包括一在傳輸波長(zhǎng)帶內(nèi)為單模的第一輸入信道；一光學(xué)分束器，具有一耦合到所述第一光纖上的輸入端口，和兩個(gè)接收近似具有所述輸入端口上接收的信號(hào)能量的輸出端口；耦合到所述兩個(gè)輸出端口上的，并且具有相差一預(yù)定光學(xué)長(zhǎng)度的不同的光學(xué)長(zhǎng)度的第一和第二波導(dǎo)；一在所述傳輸波長(zhǎng)帶上為多模的多模波導(dǎo)，其具有一耦合到其間具有一橫向間隔的所述第一和第二波導(dǎo)上的輸入側(cè)；一第一自由空間區(qū)域，以其第一側(cè)耦合到所述多模波導(dǎo)的所述輸出側(cè)；一具有預(yù)定長(zhǎng)度差的波導(dǎo)陣列，其耦合到所述第一自由空間區(qū)域的第二側(cè)；一第二自由空間區(qū)域，以其第一側(cè)耦合到所述波導(dǎo)陣列上；以及至少一個(gè)輸出波導(dǎo)，其耦合到所述第二自由空間區(qū)域的第二側(cè)；其中所述間隔在與所述第一自由空間區(qū)域相鄰的所述多模波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生的橫向色散，基本上等于所述第一和第二自由空間區(qū)域和所述陣列波導(dǎo)所產(chǎn)生的橫向色散。
14.如權(quán)利要求13所述的通帶平坦化的相位器，其中所述多模波導(dǎo)具有基本上等于所述傳輸波長(zhǎng)帶的附加半拍頻長(zhǎng)度倍數(shù)的長(zhǎng)度，并具有一輸出側(cè)。
15.一種波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)，包括載有多個(gè)具有各自光載波波長(zhǎng)的光信號(hào)的多個(gè)單模光信道，所述系統(tǒng)包括一波長(zhǎng)路由相位器，該相位器包括一第一自由空間區(qū)域；一第二自由空間區(qū)域；多個(gè)耦合到所述第一和第二空間區(qū)域的第一側(cè)上的，其間具有預(yù)定光學(xué)長(zhǎng)度差的光學(xué)長(zhǎng)度的陣列光學(xué)波導(dǎo)；一具有一光學(xué)分束器的馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x，包括其一側(cè)上的連接到所述單模光信道之一上的一端口，和其第二側(cè)上的兩個(gè)端口；以及一多模波導(dǎo)，其中在所有的所述WDM梳處中為多模的，其以第一縱向端耦合到所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x的所述兩端口，并以第二縱向端耦合到所述第一和第二自由空間區(qū)域之一上。
16.如權(quán)利要求15所述的通信系統(tǒng)，其中所述光載波波長(zhǎng)按照WDM梳設(shè)置，相鄰波長(zhǎng)分開(kāi)一波長(zhǎng)信道間隔，其中所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x具有基本上等于所述波長(zhǎng)信道間隔的自由光譜區(qū)。
17.如權(quán)利要求15所述的通信系統(tǒng)，其中在與所述一個(gè)自由空間區(qū)域的界面處，所述多模波導(dǎo)的空間橫向光學(xué)色散基本上等于所述第一和第二自由空間區(qū)域和與所述多模波導(dǎo)相鄰的所述陣列波導(dǎo)的空間橫向光學(xué)色散。
18.如權(quán)利要求17所述的通信系統(tǒng)，其中所述光載波波長(zhǎng)按照WDM梳設(shè)置，相鄰波長(zhǎng)分開(kāi)一波長(zhǎng)信道間隔，其中所述馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x具有基本上等于所述波長(zhǎng)信道間隔的自由光譜區(qū)。
19.如權(quán)利要求15所述的通信系統(tǒng)，其中所述單模光信道包括光纖，還包括多個(gè)通過(guò)所述光纖互連的通信節(jié)點(diǎn)(communication node)。
20.一種光學(xué)裝置，包括一基本上為單模的光連接到一多模干涉(MMI)濾波器上的輸入/輸出波導(dǎo)，所述多模干涉濾波器被光學(xué)連接到一波長(zhǎng)色散元件上，所述輸入/輸出波導(dǎo)通過(guò)該輸入/輸出波導(dǎo)與MMI濾波器之間的橫向錐形波導(dǎo)部分耦合。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述錐形波導(dǎo)部分和所述MMI濾波器在其間的連接處具有相同寬度。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述錐形波導(dǎo)部分和所述MMI濾波器在其間的連接處不具有相同寬度。
23.根據(jù)權(quán)利要求20到22中任何一個(gè)所述的裝置，其中該錐形波導(dǎo)部分成錐形，使得朝向MMI濾波器方向其橫向?qū)挾韧ǔＪ窃黾拥摹?br> 24.根據(jù)權(quán)利要求20到23中任何一個(gè)所述的裝置，其中將該輸入/輸出波導(dǎo)的所述錐形安排設(shè)計(jì)成絕熱地傳輸光信號(hào)。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至24中任何一個(gè)所述的裝置，該裝置為光耦合器。
26.一種波長(zhǎng)色散裝置(a wavelength dispersive device)，包括至少一個(gè)基本為單模的第一輸入/輸出光波導(dǎo)；多個(gè)基本為單模的第二輸入/輸出波導(dǎo)；一波長(zhǎng)色散元件，將所述至少一個(gè)第一光波導(dǎo)與至少一個(gè)所述多個(gè)第二波導(dǎo)進(jìn)行光耦合，并包括至少一個(gè)光學(xué)相互作用區(qū)域；以及在臨近所述光學(xué)相互作用區(qū)域的所述第一和第二波導(dǎo)其中至少一個(gè)的一端設(shè)置一多模波導(dǎo)，所述至少一個(gè)第一或第二波導(dǎo)在多模波導(dǎo)附近橫向成錐形。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的波長(zhǎng)色散裝置，其中所述波長(zhǎng)色散元件包括多個(gè)連接一對(duì)光學(xué)相互作用區(qū)域的陣列波導(dǎo)，在光學(xué)相互作用區(qū)域上耦合所述第一和第二波導(dǎo)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中相鄰陣列波導(dǎo)之間的長(zhǎng)度差是恒定的。
29.一種多路復(fù)用器，去復(fù)用器，或多路復(fù)用器/去復(fù)用器，包括根據(jù)權(quán)利要求20至28中任何一個(gè)所述的光學(xué)裝置。
30.一種開(kāi)關(guān)，包括根據(jù)權(quán)利要求20至28中任何一個(gè)的光學(xué)裝置。
31.一種波長(zhǎng)路由器，包括根據(jù)權(quán)利要求20至28中任何一個(gè)所述的光學(xué)裝置。
32.一種多模干涉濾波器，包括具有一寬度的波導(dǎo)區(qū)域，該寬度與通過(guò)該裝置的光傳播方向橫切，其中該寬度沿通過(guò)該裝置的光傳播方向而改變。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的濾波器，包括相對(duì)濾波器的輸入和輸出區(qū)域設(shè)置的至少一個(gè)輸入波導(dǎo)和至少一個(gè)輸出波導(dǎo)，以便限定通過(guò)濾波器的光傳播方向。
34.根據(jù)權(quán)利要求32或33所述的濾波器，其中沿著通過(guò)該裝置的光傳播方向，該波導(dǎo)區(qū)域的寬度基本上呈線性變化。
35.根據(jù)權(quán)利要求32到34中任何一個(gè)所述的濾波器，其中該波導(dǎo)區(qū)域的至少一個(gè)橫向邊緣是曲線。
全文摘要
一種通帶平坦化的相位器,包括兩個(gè)自由空間區(qū)域(48,52),通過(guò)具有預(yù)定長(zhǎng)度差的多個(gè)波導(dǎo)(50)耦合,從而起到陣列波導(dǎo)光柵的作用。該相位器尤其適用于波分復(fù)用(WDM)光通信系統(tǒng)。輸入波導(dǎo)通過(guò)馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)(64)耦合到第一自由空間區(qū)域,該馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x具有不同長(zhǎng)度的兩個(gè)波導(dǎo)臂(66,68),接收基本上相等的輸入信號(hào)量。臂的長(zhǎng)度不同,使得在其間產(chǎn)生一相差。在WDM網(wǎng)絡(luò)中,該波導(dǎo)臂產(chǎn)生一相差,使得MZI的自由光譜區(qū)等于波長(zhǎng)信道間隔,從而使MZI的波長(zhǎng)響應(yīng)對(duì)于每個(gè)WDM波長(zhǎng)均相同。MZI的兩個(gè)輸出端以一橫向間隔耦合到多模干涉儀(MMI)(44)的輸入端,其中MMI中提供的橫向空間色散等于傳統(tǒng)相位器的橫向空間色散。從而,大部分通帶相等地通過(guò)該相位器。
文檔編號(hào)G02B6/28GK1387628SQ0081515
公開(kāi)日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2000年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月1日
發(fā)明者欣德里克·F·布爾特威斯, 馬丁·R·阿默斯弗爾特, 理查德·I·蘭明, 馬克·沃蘭申, 弗雷德里克·M·范·德?tīng)枴じチ刑?申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾光電子英國(guó)有限公司, 凱瑪塔荷蘭有限公司