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基于可調(diào)的三端口濾波器的平面光波電路的制作方法

文檔序號:2738722閱讀:197來源:國知局
專利名稱:基于可調(diào)的三端口濾波器的平面光波電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種基于平面光波電路(planar lightwave circuit, PLC):技術(shù)的波長選 擇裝置。特別是,本發(fā)明涉及一種整體集成在單個PLC上的可調(diào)光分插(add/dr叩)模 塊(TOA固)。發(fā)明背景
在現(xiàn)有技術(shù)中,波長選擇器的結(jié)構(gòu)是通過自由空間耦合的松散結(jié)構(gòu)。這種類型的組 件受很多因數(shù)限制。元件的光學(xué)準(zhǔn)直非常敏感而且生產(chǎn)造價高。為了相對于環(huán)境因素具 有可靠性和堅固性,需要在單片集成平面光波電路(PLC)上實現(xiàn)盡可能多的所需功能。
平面光波電路(PLC)是將波導(dǎo)制在平面村底上。波導(dǎo)被低折射率包層材料包圍, 用于將光信號限制在波導(dǎo)線路內(nèi)。PLC通常被構(gòu)造為硅基二氧化硅型組件,該組件包括 下包層、波導(dǎo)芯和上包層,在該硅組件內(nèi),二氧化硅下包層沉積在硅襯底上,波導(dǎo)芯是 摻鍺硅,硼磷酸鹽硅玻璃的上包層沉積在波導(dǎo)芯上。作為選擇,PCL可在InGaAsP或透 光聚合物或玻璃中制成。在PCL中形成的結(jié)構(gòu)包括信道波導(dǎo)和平板區(qū)域,該信道波導(dǎo) 將信號限制在垂直于光傳播方向的平面內(nèi),該平板區(qū)域?qū)⒐庑盘栂拗圃谝粋€方向并可使 波前(wavefront)在限定區(qū)域內(nèi)沿正交方向傳播。在光通信中,尺寸通常被限制在單模 傳輸。
分離復(fù)用光束的典型解復(fù)用器是被構(gòu)造為PLC的陣列波導(dǎo)衍射光柵(AWG)。該 AWG是Dmgone在平面光波電路芯片上利用輸入和輸出"星形耦合器"將分散的波導(dǎo)陣 列組合在一起而發(fā)明的。如Dragone在美國專利No.5,002,350 (1991年3月)中所教導(dǎo) 的,AWG可以作為DWDM解復(fù)用器和DWDM復(fù)用器。其它例如中階梯光柵的色散裝 置也可以在PLC中實現(xiàn)復(fù)用/解復(fù)用功能。
于2006年4月11日授權(quán)給Ducellier等的美國專利號7,027,684和于2004年12月 16日以Ducellier等名義公開的美國專利公開號2004/0252938分別涉及單層和多層平面 光波電路波長選擇開關(guān)(WSS),如圖1和圖2所示。如圖1所示的單級裝置包括PLC2, PLC 2在其中部具有輸入AWG和在輸入AWG的每一側(cè)具有多個輸出AWG。入射到輸 入AWG的輸入光信號被分散成多個波長分量,這些多個波長分量通過透鏡3以不同的 角度被引入到可傾斜鏡陣列4。通過相鄰PLC 2的第一圓柱形透鏡將光準(zhǔn)直到一個方向(例如垂直方向),同時圓柱形開關(guān)透鏡6將輸出光沿水平方向聚焦到可傾斜鏡4。每一 個波長信道到達(dá)不同的可傾斜鏡4,可傾斜鏡4通過透鏡3將這些單個波長信道重新引 導(dǎo)到所需的任一個輸出AWG以將它們重新組合。對于單層裝置,可傾斜鏡4繞單軸旋 轉(zhuǎn)從而在色散平面(也就是PLC2所在的平面)內(nèi)重新定向波長信道。
如圖2所示的兩級裝置11,包括與PLC 2類似的第二 PLC 12,第二 PLC 12疊加 在PLC 2上并具有多個輸入或輸出AWG和端口 。第二圓柱形透鏡15疊加在第一圓柱 形透鏡5上,用于將光束聚焦到第二 PLC 12的輸出AWG。對于兩級裝置,可傾斜鏡 14繞兩個垂直的軸旋轉(zhuǎn)以重新定向色散平面(如上所述)內(nèi)的波長信道,并且該可傾斜 鏡14從與色散平面呈銳角旋轉(zhuǎn)到與色散平面(也就是PLC 12所在的平面)平行。
在前面所提的Ducellier裝置中,AWG呈直線狀陣列終止于芯片邊緣,由此在AWG 輸出端沒有曲率,焦距出現(xiàn)在無限遠(yuǎn)。因此,要求外部體光學(xué)(bulk-optic)透鏡不僅僅 起到場透鏡的作用,而是該外部體光學(xué)透鏡要作為全(空間)傅立葉變換透鏡。所以, 不僅要求將外部透鏡被對準(zhǔn)得非常好(也就是相對昂貴并且對非對準(zhǔn)極度敏感),而且 要求大部分光路處于空中。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是,提供一種在整體PLC上的可調(diào)分插濾波器。
本發(fā)明的另一個目的是,通過在信道波導(dǎo)和PLC上的平板波導(dǎo)之間的界面處提供 虛擬光瞳以聚焦每個波導(dǎo)信道,來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。另一個透鏡系統(tǒng)包括PLC上 的多個芯片透鏡,用于將空間分散的解復(fù)用器的焦平面變換到PLC邊緣的大致平面上。 芯片透鏡用平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的反射表面實現(xiàn),該反射表面具有表面曲率以提供光功率。 [10]因此,本發(fā)明涉及在平面光波電路(PLC)中的可調(diào)分插濾波器,其包括輸入端口 ,其用于將包含多個波長信道的輸入光信號發(fā)射到所述PLC;第一解復(fù)用器,其具有輸入光瞳和輸出光瞳,所述第一解復(fù)用器用于將所述輸入光 信號空間分離成所述多個波長信道;平板波導(dǎo)區(qū)域,其包括上下被低折射率包層包圍的高折射率芯層,所述平板波導(dǎo)區(qū) 域用于將所述分離的波長信道從所述第一解復(fù)用器傳輸?shù)椒植宥丝?;透鏡系統(tǒng),其在所述平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi),所述透鏡系統(tǒng)用于將多個從所述第一解復(fù)用 器的所述輸出光瞳分離的波長信道聚焦到所述PLC邊緣的直線上;單獨的反射器,其適于沿著所述PLC的所述邊緣橫向移動,以反射所述分離的波長信道;分插端口,其位于所述反射器內(nèi)的透射窗口內(nèi),所述分插端口可作為接收一個或多 個所述分離的波長信道的分離端口,或作為輸入新的波長信道的插入端口,所述分插端 口可根據(jù)所述透射窗口沿聚焦于所述PLC邊緣的所述分離光波信道的橫向移動調(diào)節(jié);第二解復(fù)用器,其具有輸入光瞳和輸出光瞳,所述輸入光曈與所述反射器和所述分 插端口進(jìn)行光學(xué)耦合,所述第二解復(fù)用器用于接收和復(fù)用反射自所述反射器的一個或多 個所述波長信道以及任一新的波長信道,所述任一新的波長信道從所迷平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的所述透鏡系統(tǒng)的所述插入端口被輸入;以及輸出端口,其被光學(xué)耦合到所述第二解復(fù)用器的所述輸出光瞳,用于輸出所述復(fù)用 波長信道;其中,將所述第一解復(fù)用器的所述輸出光瞳相對于所述第二解復(fù)用器的所述輸入光 瞳定位,以使聚焦于所述反射器的至少一個波長通道被光學(xué)耦合到所述第二解復(fù)用器的 所述輸入光瞳。[11]本發(fā)明的另一個特征是,提供的第一解復(fù)用器和第二解復(fù)用器均包括陣列波導(dǎo)光 柵。[12]本發(fā)明的進(jìn)一步特征是,第一解復(fù)用器和第二解復(fù)用器的空間分離波長信道沿著公 共圓(common circle )以反射形式通4言。[13]本發(fā)明的另一個特征是,公共圓包括羅蘭圓(Rowland circle )。[14]本發(fā)明的另一個特征是,將平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的透鏡系統(tǒng)限定為遠(yuǎn)心(telecentric )透鏡系統(tǒng)。[15]本發(fā)明的另一個特征是,每個反射波長通道的主光線以等角度入射到反射器上。 [16]本發(fā)明的另一方面涉及如權(quán)利要求1中所限定的在平面光波電路(PLC)上的可調(diào) 分插濾波器,其中,透鏡系統(tǒng)包括在平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的至少一個反射表面,反射表面具 有曲率從而傳遞光功率。[17]本發(fā)明的另一個特征是,所述至少一個反射面通過梯度折射率方法制作以引起全內(nèi) 反射,并且至少所述一個反射表面的分離波長通道的所有入射角度大于全內(nèi)反射的臨界 角。[18]本發(fā)明的本方面更特別的是,所述至少一個反射表面被刻蝕以將其暴露于空氣界 面。[19]可替代的,所述至少一個反射表面被刻蝕并被金屬化。[20]本發(fā)明的另一方面包括反射器,反射器包括獨立的PLC,所述獨立的PLC包括置 于透射窗口內(nèi)的分插端口波導(dǎo)。[21]在本發(fā)明的另一個具體實施例中,反射器PLC包括的分插端口波導(dǎo)包含馬赫-曾德 爾干涉儀。


[22]本發(fā)明將參考代表其優(yōu)選實施例的附圖進(jìn)行更具體的描述,其中[23]圖1是現(xiàn)有技術(shù)基于波長選擇開關(guān)的PLC平面圖;[24]圖2是現(xiàn)有技術(shù)基于波長選擇開關(guān)的多層PLC側(cè)視圖;[25]圖3是根據(jù)本發(fā)明的基于三端口分插濾波器的PLC平面圖;[26]圖4是在圖3裝置芯片邊緣的反射器的詳細(xì)圖,該反射器包括分插端口 ;[27]圖5是在圖3裝置芯片邊緣的另一反射器的詳細(xì)圖,該反射器包括在分插端口的馬赫-曾德爾耦合器;[28]圖6A是在沒有附加透鏡的情況下,從光瞳AOl和A02輸出的光場示意圖;[29]圖6B是才艮據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的從光瞳AOl和A02輸出的光場示意圖,其光場被場透鏡糾正;[30]圖7是如圖3所示的三端口可調(diào)分插濾波器的原理示意圖,原理性的示出了 PLC 和曲面透4竟M1、 M2和M3的層結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
[31]如圖3所示,本發(fā)明涉及單片PLC IO上的三端口可調(diào)濾波器,包括輸入(INPUT) 端口 Fl (也就是單模光纖)、輸出(OUTPUT)端口 F2和分插(ADD/DROP )端口 F3。 裝置的功能在于可以對給定的波分復(fù)用(WDM)信道進(jìn)行選擇,并且該信道或者可 以a )通過ADD/DROP端口 F3被插入到經(jīng)由輸入端口 Fl發(fā)射的信號中以從OUTPUT 端口 F2輸出,或者b)通過ADD/DROP端口 F3從經(jīng)由INPUT端口 Fl發(fā)射的信號分離出,而任何剩 余信道從OUTPUT端口 F2輸出。假設(shè)這些功能互相排斥,那么可將一個功能或另 一個功能分配給該ADD/DROP端 口,但不能將兩個功能同時分配給該ADD/DROP端口。所有未被選擇的其它信道以最小的衰減從INPUT端口 Fl直接被傳輸?shù)絆UTPUT端口 F2 (所謂的快速(EXPRESS) 配置)。[32]此裝置的近似整體平面實施原理如圖3所示。PLC芯片IO以黑色輪廓描繪。芯片 10內(nèi)的元件將在下文詳細(xì)描述。如下文所述,代表三端口 Fl, F2, F3的光纖101, 102, 103利用光纖插針(ferrule )或者其它PLC芯片被光學(xué)連接到芯片10。這種光纖/芯片接 口結(jié)構(gòu)100以矩形表示。如果裝置期望的功能符合選項a),如上段所描迷,那么F3代 表ADD端口 ,若符合選項b),則F3代表DROP端口 。[33]從光纖尾纖INPUT Fl和OUTPUT F2端口發(fā)射出的光信號通過它們各自的陣列波 導(dǎo)光柵(AWG)結(jié)構(gòu)AWG 1 120和AWG 2 130傳輸,在所示光瞳AOl (陣列輸出1 ) 和A02處射出陣列。AWG 120, 130分離并合并這些光信號的波長分量。視AO1和A02 為更大公共光瞳的子光瞳,那么這些波長分離(wavelength-separated )的光場,通過AWG 輸出端和用Ml、 M2和M3表示的一系列曲面鏡表面,遠(yuǎn)心聚焦到位于芯片10邊緣F3 的界面平面12 ,而該AWG輸出端位于兩個AWG的公共圓?;谌鐖D3中代表的優(yōu) 化設(shè)計的假設(shè),本發(fā)明的優(yōu)選實施例在刻蝕的玻璃-空氣(glass-air)界面Ml、 M2、 M3 處引起全內(nèi)反射(TIR)。 2006年8月3日提交的美國專利號60/821,346中公開了類似 的光瞳結(jié)構(gòu),在此通過參考將其合并入本申請中。[34]聚焦透鏡Ml 、 M2和M3可以用與羅蘭圓和包括AWG陣列的信道波導(dǎo)相同的方式 和掩膜步驟來光刻限定。具體地說,在圖中光線出現(xiàn)的區(qū)域122, 124, 126對應(yīng)于平板 波導(dǎo)區(qū)域,這些區(qū)域終止于Ml, M2, M3代表的曲面界面。如圖7所示的原理圖,在 界面的平板一側(cè)會發(fā)現(xiàn)普通平板波導(dǎo)層,也就是高折射芯層Cl,它被低折射率包層CL 上下包圍,而界面的另一側(cè)上,在112、 114、 116區(qū)域,這些層被刻蝕掉。因此,平板 區(qū)域122、 124、 126接合于空氣(對于純?nèi)珒?nèi)反射界面)或者金屬化界面(需要另一個 沉積步驟)。這些被刻蝕的區(qū)域112、 114、 116也可以用其他低折射率材料填充。 [35]設(shè)計反射表面聚焦透鏡M1、 M2、 M3的幾何結(jié)構(gòu)所要考慮的問題恰好與離軸望遠(yuǎn) 鏡所要考慮的問題相同,它們均受所有入射角度大于全內(nèi)反射的臨界角這個條件限制。如 果只有一個光場,例如準(zhǔn)直單波導(dǎo)輸出或?qū)尾▽?dǎo)耦合到另一個單波導(dǎo),那么應(yīng)該只需要一個反射表面,并通過光刻限定,它和要求任意大的光瞳的設(shè)計的復(fù)雜程度是一樣的。 [36]另一方面,根據(jù)本發(fā)明在三端口 TOADM情況下,為了調(diào)節(jié)多個光束角(field angle),單個反射器是不夠的,而需要更多的元件(如通常的光學(xué)設(shè)計),每一個元件均 引起較小的光線彎曲,因而引起較小的像差(aberration)。[37]在耦合至ADD/DROP光纖103的F3端的過程中可實現(xiàn)所需的功能,如圖4所詳 示,其中,聚焦場的入射角度已經(jīng)被放大。根據(jù)ADD/DROP路徑期望的通帶特性, ADD/DROP光纖(假定其為單模光纖)可以是以下情況之一 直接被設(shè)置于芯片的焦平面12 (如果期望高斯通帶,以及模式大小與PLC芯片 輸出匹配); 被絞接到熱膨脹芯光纖(如果期望高斯通帶,但是需要的模式大小大于標(biāo)準(zhǔn)單模 光纖); 被耦合到多模波導(dǎo),使用代表PLC芯片的ADD/DROP反射器結(jié)構(gòu)108 (如果期望平坦通帶并且最低損耗并不重要);或者 被耦合到馬赫-曾德爾耦合器104,或利用芯片界面焦點隨波長偏移的其他一些方法實現(xiàn),其自由光譜范圍和信道間隔相等,如圖5所示(如果期望平坦通帶并且最低損耗并不重要)。[38]因為EXPRESS路徑期望最低損耗,ADD/DROP端口 F3的反射器結(jié)構(gòu)108的區(qū)域 106是反射鏡,同時透射窗口 105可實現(xiàn)到輸入波導(dǎo)103的耦合。因此成像系統(tǒng)需要遠(yuǎn) 心聚焦,這將在下文詳細(xì)描述。選擇光信道的調(diào)節(jié)機理是橫向移動ADD/DROP反射器 結(jié)構(gòu)108的過程,從而透射窗口 105與對應(yīng)于空間分離并聚焦的波長信道的期望信道中 心的波長對準(zhǔn)。[39]在一個實施例中,ADD/DROP端口 F3的ADD/DROP反射器結(jié)構(gòu)108利用彎曲結(jié) 構(gòu)作往復(fù)運動,并在垂直于這些彎曲結(jié)構(gòu)的方向被推動,引起沿預(yù)期方向(未示出)的 幾乎純平移(沒有旋轉(zhuǎn)),在彎曲結(jié)構(gòu)上輸出光纖103和位于F3的反射器結(jié)構(gòu)108的反 射表面106停留在由兩個彎曲延伸所支撐的平臺上。[40]從光瞠AOl和A02出射的場沿著羅蘭圓到達(dá)芯片10內(nèi)的虛焦點,如圖6A所示。 虛線代表3個這種波長分量的主光線軌跡(也就是光線從光瞳中心到輸出的聚焦斑的中 心)。在EXPRESS路徑,對于所有不對應(yīng)于ADD/DROP信道的波長,期望從一個光瞳 射出的光會從位于焦點12處的平面發(fā)射鏡106反射。但是要求主光線的入射方向與鏡 的法向方向成大小相等但方向相反的角度。可以從圖6A清楚的看到,這只對一種波長 是有可能的,并不是對所有的波長。為了滿足所有波長,需要設(shè)置透鏡M (大致可將其 歸類為場透鏡),如圖6B所示意。透鏡M矯直來自每個子光瞳的主光線,以使所有波 長的入射方向與反射鏡106的法向方向成大小相等但方向相反的角度,如所要求的那樣。 因此,使用曲面鏡結(jié)構(gòu)Ml, M2, M3形成的場透鏡實現(xiàn)了近似整體功能。
權(quán)利要求
1、一種平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其包括輸入端口,其用于將包含多個波長信道的輸入光信號發(fā)射到所述PLC;第一解復(fù)用器,其具有輸入光瞳和輸出光瞳,所述第一解復(fù)用器用于將所述輸入光信號空間分離成所述多個波長信道;平板波導(dǎo)區(qū)域,其包括上下被較低折射率包層包圍的高折射率芯層,所述平板波導(dǎo)區(qū)域用于將所述分離的波長信道從所述第一解復(fù)用器傳輸?shù)椒植宥丝?;透鏡系統(tǒng),其在所述平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi),所述透鏡系統(tǒng)用于將來自所述第一解復(fù)用器的所述輸出光瞳的多個分離的波長信道聚焦到所述PLC邊緣的直線上;單獨的反射器,其適于沿著所述PLC的所述邊緣橫向移動,以反射所述分離的波長信道;分插端口,其位于所述反射器內(nèi)的透射窗口內(nèi),所述分插端口可作為接收一個或多個所述分離的波長信道的分離端口,或作為輸入新的波長信道的插入端口,所述分插端口可以作為所述透射窗口沿聚焦于所述PLC邊緣的所述分離光波信道的橫向移動的函數(shù)而被調(diào)節(jié);第二解復(fù)用器,其具有輸入光瞳和輸出光瞳,所述輸入光瞳與所述反射器和所述分插端口進(jìn)行光學(xué)耦合,所述第二解復(fù)用器用于接收和復(fù)用反射自所述反射器的一個或多個所述波長信道以及任一新的波長信道,所述任一新的波長信道從所述平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的所述透鏡系統(tǒng)的所述插入端口被輸入;以及輸出端口,其被光學(xué)耦合到所述第二解復(fù)用器的所述輸出光瞳,用于輸出所述復(fù)用波長信道;其中,將所述第一解復(fù)用器的所述輸出光瞳相對于所述第二解復(fù)用器的所述輸入光瞳定位,以使聚焦于所述反射器的至少一個波長通道被光學(xué)耦合到所述第二解復(fù)用器的所述輸入光瞳。
2、 如權(quán)利要求1所限定的平面光波電路PLC可調(diào)分插濾波器,其中,所述第一解 復(fù)用器和所述第二解復(fù)用器均包括陣列波導(dǎo)光柵。
3、 如權(quán)利要求2所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述第 一解復(fù)用器和所述第二解復(fù)用器的所述空間分離波長信道沿著公共圓以反射形式通訊。
4、 如權(quán)利要求3所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述公 共圓包括羅蘭圓。
5、 如權(quán)利要求1所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,在所述平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的所述透鏡系統(tǒng)包括遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)。
6、 如權(quán)利要求5所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,每個反射波長通道的主光線以相同的角度入射到所述反射器。
7、 如權(quán)利要求1所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述透 鏡系統(tǒng)包括平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的至少一個反射表面,所述反射表面具有曲率以傳遞光功 率。
8、 如權(quán)利要求7所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述至 少一個反射面通過梯度折射率方法制作以引起全內(nèi)反射,并且在所述至少一個反射表面 上的分離波長信道的所有入射角大于全內(nèi)反射的臨界角。
9、 如權(quán)利要求8所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述至 少 一個反射表面被刻蝕以將其暴露于空氣界面。
10、 如權(quán)利要求7所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述 至少 一個反射表面被刻蝕并被金屬化。
11、 如權(quán)利要求1所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述反 射器包括獨立的PLC,所述獨立的PLC包括置于所述透射窗口內(nèi)的分插端口波導(dǎo)。
12、 如權(quán)利要求11所限定的平面光波電路PLC中的可調(diào)分插濾波器,其中,所述 分插端口波導(dǎo)包括馬赫-曾德爾干涉儀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種整體集成在單個平面光波電路(PLC)中的可調(diào)光學(xué)分插模塊。本發(fā)明通過PLC上的信道波導(dǎo)和平板波導(dǎo)交界面的虛光瞳聚焦每一個波導(dǎo)信道,克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點,并且PLC上的附加芯片透鏡將空間分散的解復(fù)用器的焦平面變換到PLC邊緣的大致平面。芯片透鏡用平板波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的反射表面實現(xiàn),該反射表面具有表面曲率以提供光功率。
文檔編號G02B6/28GK101246239SQ20081000815
公開日2008年8月20日 申請日期2008年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月12日
發(fā)明者埃里塞歐·蘭奈利 申請人:Jds尤尼弗思公司
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