專利名稱：矩形通帶復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及光通信領(lǐng)域，尤其涉及具有改進(jìn)特性的無損矩形 通帶復(fù)用器。
背景技術(shù)：
在釆用波分復(fù)用(WDM)的通信網(wǎng)絡(luò)中，對于解復(fù)用器/復(fù)用器(此 后以通用術(shù)語"復(fù)用器"指代)有利的是呈現(xiàn)出矩形通帶以及零色散的 特性，這些特性增強(qiáng)了復(fù)用器的"級聯(lián)性"。有一種裝置，即人們所 熟知的波導(dǎo)光柵路由(WGR)顯示了其作為復(fù)用器的價值。(可參考文 獻(xiàn)，例如"基于光學(xué)控相陣列的新聚焦及發(fā)散平面元件"(M.K.Smit， "New Focusing and Dispersive Planar Component Based On An Optical Phased Array, " 0e"raw. Le". ， Vol 24， pp.385-386 (1988》；"用于 具有納米分辨率的波分復(fù)用器/解復(fù)用器的陣列波導(dǎo)光柵" (H.Takahashi， et al， "Arrayed-Waveguide Grating For Wavelength Division Multi/Deplexer With Nanometer Resolution, "Electron丄ett. Vol. 26, pp. 87-88, (1990));以及"利用兩個星形耦合器平面結(jié)構(gòu)的NxN 光纖復(fù)用器"(C.Dragone, "An NxN Optical Multiplexer Using A Planar Arrangement Of Two Star Couplers,"正EE Photon.Technol丄ett. Vol. 3 ， pp. 812-815，(麗))).
正如本技術(shù)領(lǐng)域里人所知的，通過WGR有4艮多方法可以達(dá)到矩 形通帶。第一種方法涉及圖像失西己(imgagemismatching)的應(yīng)用，比如 使用Y分支多模干涉(MMI)耦合器或者輸入波導(dǎo)上的短干涉(short hom),或改變光柵臂的長度和損耗。(可參考文獻(xiàn)，例如"具有寬且 基本平坦的通帶的頻率路由裝置，，(C.Dmgone， "Frequency RoutingDevice Having A Wide And Substantially Flat Passband， " United States PatentNo. 5, 412, 744， (1995));"利用多模千涉耦合器對集成陣列波 導(dǎo)濾波器拓寬通帶，，(M.R.Amersfoort， et al. ， "Passband Broadenting Of Integrated Arrayed Waveguide Filters Using Multimode Interference Couplers, " Electron. Lett., Vol 32， pp.449-451, (1996));"具有拋 物線波導(dǎo)號角的平頻譜響應(yīng)陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器"(K.Okamato and A.Sugita , "Flat Spectral Response Arrayed-Waveguide Grating Multiplexer With Parabolic Waveguide Horns, " Electron Lett. ， Vol.32, pp.l661-1662， (1996));"用于拓寬波長路由器的通帶的高效技術(shù)" (C.Dragone, "Efficient Techniques For Widening The Passband Of A Wavelength Router, " J,Lightwave.Technol.I， Vol.16, pp.l895-1906， (Oct 1998));以及"用于平坦化頻譜響應(yīng)波長復(fù)用器/解復(fù)用器的多光 才冊法，，(A.Rigny, etal.， "Multigrating Method For Flattened Spectral Response Wavelength Multi/Demultiplexer, " Electron. Lett. ， Vol.33, pp.l701-1702， (1997)))。然而4艮不幸地，圖象失配呈現(xiàn)出本征損耗， 而且通帶角度(passband corner)越尖銳，損耗越大?？梢哉J(rèn)識到的是， 可將矩形通帶視為N條并排(side-by-side)的一階高斯通帶。結(jié)果，由 圖像失配創(chuàng)建的矩形通帶的透射比(transmissivity)必須為<=1/N。
第二種通過WGR達(dá)到矩形通帶的方法是采用同步光柵，同步光 柵具有兩個相干連接的干涉儀，該干涉儀具有相同的空間離散但不同 的自由頻譜范圍。(可參考文獻(xiàn)，例如"具有寬闊且基本平坦的通帶的 頻率路由裝置，，(C.Dragone ， "Frequency Routing Device Having a Wide And Substantially Flat Passband, " United States Patent No. 5, 488, 680， (1996));"基于硅平面波導(dǎo)解復(fù)用器的原始低損耗及平坦化通帶二氧 化珪，，(G.H.B.Thompson, et al., "An Original Low-Loss And Pass-Band Flattened Si02 on Si Planar Wavelength Demultiplexer, " Optical Fiber Conference Digest, pp.77, (1998));以及"緊湊且低損耗的集成盒 狀通帶復(fù)用器，，(C.R.Doerr， et al. ， "Compact And Low-Loss Integratedbox-Like Passband Multiplexer,"正EE Photon. Technol. Lett. ， Vol. 15 ， pp.918畫920， (July 2003)》.
最近，有技術(shù)顯示可以通過將兩臂干涉儀相干連接到WGR構(gòu)造 復(fù)用器，從而形成只有很少或沒有本征損耗的N=2類型的通帶。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人開發(fā)了低損耗矩形通帶復(fù)用器，其包括相干連接到波導(dǎo)光 柵路由(WGR)的三臂干涉儀，從而大致形成沒有本征損耗的N=3類型 的通帶。
從這種創(chuàng)新的構(gòu)造所得到的復(fù)用器特別緊湊而且很容易構(gòu)造。


通過參考附圖，可以更完整地了解本發(fā)明，其中 圖l是根據(jù)本發(fā)明的低損耗矩形通帶復(fù)用器的示意圖； 圖2是優(yōu)選用于圖1中的復(fù)用器的三臂干涉儀及與其相關(guān)聯(lián)的耦 合器的示意圖3顯示了從根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的封裝復(fù)用器的16個輸出測得的 透射比；
圖4(a)顯示了測得的透射比的圖形，圖4(b)顯示了根據(jù)本發(fā)明構(gòu) 造的封裝復(fù)用器的信道9的群延遲；
圖5(a)顯示了測得的透射比，圖5(b)同時顯示了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造 的封裝復(fù)用器(實(shí)線)和經(jīng)改進(jìn)設(shè)計的模擬(虛線)的群延遲；
圖6顯示了由圖2(a)中的干涉儀發(fā)射的計算解復(fù)用頻譜，3x3耦 合器在圖6(a)中是單段的，在圖6(b)中是雙段的。
具體實(shí)施例方式
首先參照圖1,其為本發(fā)明的低損耗矩形復(fù)用器100的示意圖。 更具體地說，復(fù)用器包括具有基本等于信道間隔(channel spacing)的自由頻譜范圍(FSR)的三臂干涉儀110，與具有更大FSR的M臂干涉儀 120相連。在首選的實(shí)施例中，M臂干涉儀120具有連4秦到兩個星形 耦合器130、 140的M個波導(dǎo)120[1J...120[M],每根波導(dǎo)具有線性增 加的路徑長度。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員很快就可以將熟知的M臂干涉儀120認(rèn)作"頻 率路由裝置"，它用作光頻(opticalfrequency)復(fù)用器和光頻解復(fù)用器。 這樣的頻率路由裝置在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是為人所熟知的，在1996年1 月30日授予Dragone的序號為5, 488， 680的美國專利中對其有更詳 細(xì)的描述，其全部內(nèi)容作為參考被引入本說明書中。
可以知道，星形耦合器130、 140每個都包括通過自由空間區(qū)域 連接到多個輸出端口的多個輸入端口。(耦合器130的)多個(M個)輸 出端口連4妄到M個波導(dǎo)，波導(dǎo)向星形耦合器140相應(yīng)的相應(yīng)多個(M 個)輸入端口提供預(yù)定量的路徑長度差。優(yōu)選地，這些裝置由波導(dǎo)形成。
三臂干涉儀IIO包括三根波導(dǎo)llO[l]、 110[2]、 110[3],各呈現(xiàn)出 線性增加的路徑長度。三根波導(dǎo)110[1]、 110[2]、 110[3]連接到兩個耦 合器117、 119, 一端連接一個。
為達(dá)到本發(fā)明的目的，優(yōu)選地，這兩個耦合器117、 119并不是 諸如那些(130, 140)連接到M臂干涉儀120的星形耦合器。部分是因 為當(dāng)端口數(shù)量較小和當(dāng)整個布里淵區(qū)(Brillouin zone)必須使用于特定 應(yīng)用時，星形耦合器呈現(xiàn)出較高的額外損耗。
例如，當(dāng)從外部輸入到外部輸出端口時，3x3的星形耦合器典型 地呈現(xiàn)出~1.8dB的附加損耗。此外，如果耦合到三臂干涉儀110的 第二耦合器是星形耦合器，就會發(fā)射出到達(dá)較高的衍射級的所不希望 的光進(jìn)入WGR,引起串?dāng)_(crosstalk)。因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實(shí)施 例采用包括第一耦合器117的Y分支模式耦合器116和包括第二耦合 器119的3x3定向耦合器(directional coupler)的模式[或相當(dāng)?shù)?x3的 多模干涉(MMI)耦合器]。
現(xiàn)在參照圖2(a)，其為前述三臂干涉儀210和耦合器217、 219的示意圖。特別地，組成三臂干涉儀210的三臂210[1]、 210[2]、 110[3] 的臂長呈現(xiàn)出線性增加的長度。也就是說，臂210[2]比臂210[1]長AL， 臂210[3]比臂210[2]長2AL。
在干涉儀210的相對端是井禹合器217和219,他們分別在圖2(b) 和圖2(c)/(d)中有相應(yīng)更詳細(xì)的圖示。先來參照圖2(b),圖中顯示了包 括Y分支耦合器216才莫式的耦合器217。因?yàn)檫@只是對于耦合器217 的首選實(shí)施例，所以應(yīng)該注意的是，任何低損耗1x3耦合器都適用。
從另一個方面看，可認(rèn)為耦合器217是一系列1x2的分離器 (splitter),在這個例子中，是4個lx2的分離器。此外，如果對組成 (comprise)耦合器217的1x2分離器進(jìn)行選擇性的分H就可以實(shí)現(xiàn)既 達(dá)到非常低的損耗又能取得所需的光分比(split ratio)。可被充分認(rèn)識 到的是，這種1x3耦合器設(shè)計的顯著優(yōu)點(diǎn)是，對于波長、極化 (polarization)和制造的改變而言，其光分比是穩(wěn)健的。
更具體地說，如果組成耦合器217的1x2分離器每個都是50/50 分離器，那么引導(dǎo)入三臂(210[1]、 210[2]和210[3])的凈光分比為 25/50/25。這對于這里所述的矩形通帶來說是相當(dāng)理想的光分比。另 一方面，如果光分比為66.7/33.3的兩個lx2分離器用于最外層的兩個 分離器中，且光分比為50/50的兩個1x2分離器用于另外的兩個，那 么所導(dǎo)致的凈分離為33.3/33.3/33.3，平均分配到三臂210[1]、 210[2] 和210[3]中。
現(xiàn)在關(guān)注三臂干涉儀210的另一端，具體的是耦合器219，我們 同樣注意到所顯示的耦合器219也是簡單的3x3定向耦合器。本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可認(rèn)識到的是，如果如圖2(c)中所示使用這種簡單的3x3 定向耦合器，從中間端口 220[2]將有相對較小的輸出，因此將對總的 裝置損耗和通帶形狀產(chǎn)生負(fù)面的影響。
然而，通過使用在圖2(d)中顯示的雙級3x3定向耦合器，可以有 效地模擬(emulate)3x3星形耦合器。更詳細(xì)地講，參照圖2(d),可以 發(fā)現(xiàn)干涉儀的臂210[1]和210[3]出一系列連續(xù)的彎曲，造成局部本征模(localeigenmode)之間的一系列相移。具體的是，第一相移為 35度， 接著大致為~270(即~90)度，再^r著大致為~90度，其中這些相位可 以以360度為模(modulo)。依此，這樣構(gòu)造的雙級3x3耦合器的輸出 基本上等于穿過(across)三個輸出220[1]、 220[2]和220[3]的透射比。 注意，可以用相當(dāng)?shù)腗MI耦合器代替每個定向耦合器而不偏離本發(fā) 明的精神。
參照圖6,有另 一種方法可以理解單級和雙級3x3耦合器的運(yùn)作。 圖6顯示了從圖2(a)中所示的干涉儀的端口 220[1](實(shí)線)、220[2](點(diǎn)線) 和220[3](虛線)計算所得的解復(fù)用頻譜，其中3x3耦合器在圖6(a)中是 單段的，在圖6(b)中是雙段的。因?yàn)樵趩味务詈掀鞯那闆r下輸出端口 220[1]...220[3]之間的相對相位是+/-90度，圖6(a)中的所有三個通帶 在自由頻譜范圍內(nèi)都不是相等地分配的。當(dāng)用于圖l的裝置時，會造 成更窄的通帶。將雙級耦合器i殳計成在輸出220之間具有+/-120度的 相對相位。這樣圖6(b)中的全部三個通帶在自由頻鐠范圍內(nèi)得以相等 的分配，這與以真正的星形耦合器替換3x3耦合器的情況一樣。這就 加寬了圖1中的裝置的通帶。
現(xiàn)在，很有必要分析一下3x3定向耦合器的運(yùn)行。可知，簡單的 3x3定向耦合器的輸7W輸出矩陣如下
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，0與耦合器的長度成比例。為使通帶中具有零色散， =兀/2。 這保證了到耦合器的其中 一個外端口的輸入在耦合器另 一側(cè)上產(chǎn)生 對稱的輸出，因而使得通帶中的全部波長具有通過裝置的相同的平均 路徑長度。
在具有 =兀/2的3x3耦合器輸出處的功率分配在進(jìn)入(launch)外部波導(dǎo)時分別為1/4、 1/2、 1/4。前述用于三臂干涉儀輸入處的4個Y 分支耦合器的模式產(chǎn)生同樣的功率分配，而且，與此同時，對于波長、 極化及制造(WPF)的變化反應(yīng)不敏感。在雙段3x3耦合器的情況下， 這樣的功率分配的工作同樣良好。
這樣的模式匹配能夠有利地為通帶邊緣保證~ 100%的透射比。 另一方面，如果不用更為理想的Y分支耦合器而是用三根耦合的波導(dǎo) (定向的或MMI的耦合器)做成1x3耦合器，由于耦合器中較小的WPF 變化所引起的干涉儀臂中的所希望功率分配的偏離會導(dǎo)致較高通帶 紋波(passband ripple)。
可認(rèn)識到的是，定向(以及MMI)耦合器是"綁定的(bounded)"， 這與星形耦合器形成鮮明的對比，因此這些耦合器的輸出之間的相位 差不必是單調(diào)的。然而可以顯示，對于尸x尸定向(或MMI)耦合器， 僅在P〈4時，當(dāng)進(jìn)入單輸入時，從輸出到輸出相位單調(diào)地變化。因 此，如果想要其路徑長度差單調(diào)地增加的話，則連接到WGR的干涉 儀中的臂的最大數(shù)量是3。
可以很快認(rèn)識到此臂數(shù)限制的影響，例如，假如試圖使用4x4定 向耦合器把本設(shè)計擴(kuò)大到包括四臂干涉儀。要構(gòu)造這樣的裝置，四臂 干涉儀的臂長的分配的比例則必須是0:2:1:3，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容 易地認(rèn)識到這是不可能緊湊地得到實(shí)現(xiàn)的。
然而，束綽耦合器的另外一個結(jié)果是從圖1中干涉儀117出現(xiàn) 的解復(fù)用圖像隨波長在空間上來回跳動，而不是如使用星形耦合器情 況下的的鋸齒模式。這導(dǎo)致形成的通帶不像N=P通帶一樣具有高的品 質(zhì)因數(shù)(figure of merit)(l-dB通帶寬度由20-dB通帶寬度劃分)。盡管束 綽耦合器(bounded coupler)有這些限制，這里使用的多級3x3定向耦合 器仍然能到實(shí)現(xiàn)所需的鋸齒狀。
已設(shè)計出16-ch版的復(fù)用器并隨后進(jìn)行了構(gòu)造。其通過使用硅基 二氧化硅波導(dǎo)制造而成，纖芯包層指數(shù)對比(core-cladding index contmst)為0.80%,纖芯高度為6.0|im。該裝置呈現(xiàn)出以下特性信道空間(channel spacing)為100GHz;有包括波導(dǎo)光柵路由(WGR)的82臂； WGR中的運(yùn)行光柵級數(shù)(operating grating order)83;彎曲半徑為 4.1mm;波導(dǎo)輸出端口寬度為11.5nm，以及兩個星形耦合器中的0.13 rad的光柵臂俘獲角。
所采用的3x3定向耦合器(此設(shè)計使用單段設(shè)計)包括三根波導(dǎo)， 其外部兩根以10mm的半徑彎曲到8.2pm的中心至中心間隔。此外， 波導(dǎo)的初始寬度為4.3pm， 一旦三臂都平行則擴(kuò)增到4.8pm。波導(dǎo)的 平直部分長度是820pm。
隨后從制成的晶片切割(dic)出芯片，光纖帶組件(assembly)固定到 芯片左側(cè)面，該組件隨后凈t改置于保護(hù)性封裝里。
在工作時，呈現(xiàn)出的極化相關(guān)波長偏移為26pm。為了將三臂干 涉儀和WGR波長對準(zhǔn)，有必要驅(qū)動臂中的熱光移相器(thermo叩tic phase shifter),使得以4卯mW驅(qū)動最長的臂，以470mW驅(qū)動中間臂。
圖3顯示了測得的16個信道(所有信道的移相器設(shè)置是相同的) 的透射比。包括一個連接器最壞情況插入損耗為5.8dB,通帶中的最 壞情況峰-峰波紋為l.OdB。最壞串?dāng)_(距信道中心士30GHz)為23.4 dB。 通帶品質(zhì)因數(shù)為0.56nm/0.96nm = 0.58。圖4是顯示信道9的測得的透 射比和群延遲的圖。損耗為光纖到光纖，包括一個連4妄器和單個任意 極化(arbitrary polarization)。
為幫助理解這些性能特征，通過使用本征才莫分析和sine束傳播 (sine propagation)法模擬了該裝置。通過使用所展示裝置的設(shè)計參數(shù)和 弱化3x3耦合器中的耦合使其明顯弱于期望值(最佳是~50%)，可以 得到圖5的實(shí)線曲線。很容易可以認(rèn)識到的是，對于這些初步裝置， 模擬和實(shí)驗(yàn)之間的相近匹配意味著3x3定向耦合器中的耦合很可能太 弱。這可能是因?yàn)槟Ｊ较嚓P(guān)的蝕刻引起中央波導(dǎo)比外部波導(dǎo)更窄，導(dǎo) 致三根波導(dǎo)之間的傳播常數(shù)(傳播常數(shù))失配。
當(dāng)以正確的耦合器強(qiáng)度重新進(jìn)行模擬，而且對設(shè)計作出調(diào)整，通 過將光柵臂(grating arm)數(shù)改成88、將兩個星形耦合器中的光柵入口填充角(fillangle)改成0.155rad、將輸出波導(dǎo)寬度改成14.5jnn,就可以 得到圖5中的虛線曲線?？梢钥吹剑瑩p耗降低了 2dB,紋波和色散消 失了，并且串?dāng)_改進(jìn)了〉7dB。此經(jīng)改進(jìn)的通帶的品質(zhì)因數(shù)為0.59。 這足以媲美品質(zhì)因數(shù)為0.45的WGR同步的兩臂干涉儀組成的備選復(fù) 用器。如果將3x3耦合器改成圖2(d)中的雙段設(shè)計，通帶的品質(zhì)因數(shù) 甚至提高得更多。
可以認(rèn)識到的是，應(yīng)該可以證明根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置所特有的 提高的品質(zhì)因數(shù)對于高頻鐠效率系統(tǒng)和諸如波長分插利用(wavelength add-drop)的高級聯(lián)裝置來說是極其有益的。
此處雖然用一些特定例子討論和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員會明白本說明書中所披露的技術(shù)并不受其限制。因此，本發(fā)明 僅受權(quán)利要求所附權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括1×3光耦合器；三臂干涉儀，與所述1×3耦合器光連接，其中所述三臂呈現(xiàn)出線性增加的路徑長度；以及3×3耦合器，與所述干涉儀光連接，所述3×3耦合器是從由定向耦合器或多模干涉(MMI)耦合器組成的組中選出的一個。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述lx3光 耦合器包括Y分支耦合器的設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述3x3耦 合器是單級耦合器，并呈現(xiàn)出局部本征模之間的大致為90度的相移。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述3x3耦 合器是雙級耦合器，并呈現(xiàn)出大致為-35度、-270度及 90度的相 移，或其以360度為模的相移。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，還包括 M臂干涉儀，與所述3x3井禹合器光連接，其中，所述三臂干涉儀呈現(xiàn)出基本等于信道間隔的自由頻譜范 圍，而所述]\4臂干涉儀呈現(xiàn)出充分大于(》)所述三臂干涉儀的自由頻 譜范圍的自由頻譜范圍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述M臂干 涉儀的M臂呈現(xiàn)出線性增加的路徑長度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述三臂干 涉儀的第一臂呈現(xiàn)出路徑長度L，所述三臂干涉儀的第二臂呈現(xiàn)出以 大致等于AL的量大于所述第一臂的路徑長度，所述三臂干涉儀的第 三臂呈現(xiàn)出以大致等于2 △ L的量大于所述第二臂的路徑長度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低損耗的矩形通帶復(fù)用器，包括相干連接到波導(dǎo)光柵路由(WGR)的三臂干涉儀，形成大致為N＝3類型的通帶，而沒有本征損耗。該三臂干涉儀具有基本等于信道間隔的自由頻譜范圍(FSR)，并且與具有更大FSR的M臂干涉儀相連。所述三臂干涉儀包括與1×3耦合器和3×3耦合器光連接的三根波導(dǎo)，每根波導(dǎo)的路徑長度呈線性增加。該1×3耦合器可由一系列Y分支耦合器構(gòu)造而成。
文檔編號G02B6/293GK101292184SQ200680038498
公開日2008年10月22日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月18日
發(fā)明者C·R·德爾 申請人:盧森特技術(shù)有限公司