专利名称：矩形通带复用器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及光通信领域，尤其涉及具有改进特性的无损矩形 通带复用器。
背景技术：
在釆用波分复用(WDM)的通信网络中，对于解复用器/复用器(此 后以通用术语"复用器"指代)有利的是呈现出矩形通带以及零色散的 特性，这些特性增强了复用器的"级联性"。有一种装置，即人们所 熟知的波导光栅路由(WGR)显示了其作为复用器的价值。(可参考文 献，例如"基于光学控相阵列的新聚焦及发散平面元件"(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 具有纳米分辨率的波分复用器/解复用器的阵列波导光栅" (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"利用两个星形耦合器平面结构的NxN 光纤复用器"(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，(丽))).
正如本技术领域里人所知的，通过WGR有4艮多方法可以达到矩 形通带。第一种方法涉及图像失西己(imgagemismatching)的应用，比如 使用Y分支多模干涉(MMI)耦合器或者输入波导上的短干涉(short hom),或改变光栅臂的长度和损耗。(可参考文献，例如"具有宽且 基本平坦的通带的频率路由装置，，(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对集成阵列波 导滤波器拓宽通带，，(M.R.Amersfoort， et al. ， "Passband Broadenting Of Integrated Arrayed Waveguide Filters Using Multimode Interference Couplers, " Electron. Lett., Vol 32， pp.449-451, (1996));"具有抛 物线波导号角的平频谱响应阵列波导光栅复用器"(K.Okamato and A.Sugita , "Flat Spectral Response Arrayed-Waveguide Grating Multiplexer With Parabolic Waveguide Horns, " Electron Lett. ， Vol.32, pp.l661-1662， (1996));"用于拓宽波长路由器的通带的高效技术" (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"用于平坦化频谱响应波长复用器/解复用器的多光 才册法，，(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，图象失配呈现出本征损耗， 而且通带角度(passband corner)越尖锐，损耗越大。可以认识到的是， 可将矩形通带视为N条并排(side-by-side)的一阶高斯通带。结果，由 图像失配创建的矩形通带的透射比(transmissivity)必须为<=1/N。
第二种通过WGR达到矩形通带的方法是采用同步光栅，同步光 栅具有两个相干连接的干涉仪，该干涉仪具有相同的空间离散但不同 的自由频谱范围。(可参考文献，例如"具有宽阔且基本平坦的通带的 频率路由装置，，(C.Dragone ， "Frequency Routing Device Having a Wide And Substantially Flat Passband, " United States Patent No. 5, 488, 680， (1996));"基于硅平面波导解复用器的原始低损耗及平坦化通带二氧 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"紧凑且低损耗的集成盒 状通带复用器，，(C.R.Doerr， et al. ， "Compact And Low-Loss Integratedbox-Like Passband Multiplexer,"正EE Photon. Technol. Lett. ， Vol. 15 ， pp.918画920， (July 2003)》.
最近，有技术显示可以通过将两臂干涉仪相干连接到WGR构造 复用器，从而形成只有很少或没有本征损耗的N=2类型的通带。
发明内容
发明人开发了低损耗矩形通带复用器，其包括相干连接到波导光 栅路由(WGR)的三臂干涉仪，从而大致形成没有本征损耗的N=3类型 的通带。
从这种创新的构造所得到的复用器特别紧凑而且很容易构造。
通过参考附图，可以更完整地了解本发明，其中 图l是根据本发明的低损耗矩形通带复用器的示意图； 图2是优选用于图1中的复用器的三臂干涉仪及与其相关联的耦 合器的示意图3显示了从根据本发明构造的封装复用器的16个输出测得的 透射比；
图4(a)显示了测得的透射比的图形，图4(b)显示了根据本发明构 造的封装复用器的信道9的群延迟；
图5(a)显示了测得的透射比，图5(b)同时显示了根据本发明构造 的封装复用器(实线)和经改进设计的模拟(虚线)的群延迟；
图6显示了由图2(a)中的干涉仪发射的计算解复用频谱，3x3耦 合器在图6(a)中是单段的，在图6(b)中是双段的。
具体实施例方式
首先参照图1,其为本发明的低损耗矩形复用器100的示意图。 更具体地说，复用器包括具有基本等于信道间隔(channel spacing)的自由频谱范围(FSR)的三臂干涉仪110，与具有更大FSR的M臂干涉仪 120相连。在首选的实施例中，M臂干涉仪120具有连4秦到两个星形 耦合器130、 140的M个波导120[1J...120[M],每根波导具有线性增 加的路径长度。
本领域的技术人员很快就可以将熟知的M臂干涉仪120认作"频 率路由装置"，它用作光频(opticalfrequency)复用器和光频解复用器。 这样的频率路由装置在本技术领域内是为人所熟知的，在1996年1 月30日授予Dragone的序号为5, 488， 680的美国专利中对其有更详 细的描述，其全部内容作为参考被引入本说明书中。
可以知道，星形耦合器130、 140每个都包括通过自由空间区域 连接到多个输出端口的多个输入端口。(耦合器130的)多个(M个)输 出端口连4妄到M个波导，波导向星形耦合器140相应的相应多个(M 个)输入端口提供预定量的路径长度差。优选地，这些装置由波导形成。
三臂干涉仪IIO包括三根波导llO[l]、 110[2]、 110[3],各呈现出 线性增加的路径长度。三根波导110[1]、 110[2]、 110[3]连接到两个耦 合器117、 119, 一端连接一个。
为达到本发明的目的，优选地，这两个耦合器117、 119并不是 诸如那些(130, 140)连接到M臂干涉仪120的星形耦合器。部分是因 为当端口数量较小和当整个布里渊区(Brillouin zone)必须使用于特定 应用时，星形耦合器呈现出较高的额外损耗。
例如，当从外部输入到外部输出端口时，3x3的星形耦合器典型 地呈现出~1.8dB的附加损耗。此外，如果耦合到三臂干涉仪110的 第二耦合器是星形耦合器，就会发射出到达较高的衍射级的所不希望 的光进入WGR,引起串扰(crosstalk)。因此，本发明结构的优选实施 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[或相当的3x3的 多模干涉(MMI)耦合器]。
现在参照图2(a)，其为前述三臂干涉仪210和耦合器217、 219的示意图。特别地，組成三臂干涉仪210的三臂210[1]、 210[2]、 110[3] 的臂长呈现出线性增加的长度。也就是说，臂210[2]比臂210[1]长AL， 臂210[3]比臂210[2]长2AL。
在干涉仪210的相对端是井禹合器217和219,他们分别在图2(b) 和图2(c)/(d)中有相应更详细的图示。先来参照图2(b),图中显示了包 括Y分支耦合器216才莫式的耦合器217。因为这只是对于耦合器217 的首选实施例，所以应该注意的是，任何低损耗1x3耦合器都适用。
从另一个方面看，可认为耦合器217是一系列1x2的分离器 (splitter),在这个例子中，是4个lx2的分离器。此外，如果对组成 (comprise)耦合器217的1x2分离器进行选择性的分H就可以实现既 达到非常低的损耗又能取得所需的光分比(split ratio)。可被充分认识 到的是，这种1x3耦合器设计的显著优点是，对于波长、极化 (polarization)和制造的改变而言，其光分比是稳健的。
更具体地说，如果组成耦合器217的1x2分离器每个都是50/50 分离器，那么引导入三臂(210[1]、 210[2]和210[3])的净光分比为 25/50/25。这对于这里所述的矩形通带来说是相当理想的光分比。另 一方面，如果光分比为66.7/33.3的两个lx2分离器用于最外层的两个 分离器中，且光分比为50/50的两个1x2分离器用于另外的两个，那 么所导致的净分离为33.3/33.3/33.3，平均分配到三臂210[1]、 210[2] 和210[3]中。
现在关注三臂干涉仪210的另一端，具体的是耦合器219，我们 同样注意到所显示的耦合器219也是简单的3x3定向耦合器。本领域 的技术人员可认识到的是，如果如图2(c)中所示使用这种简单的3x3 定向耦合器，从中间端口 220[2]将有相对较小的输出，因此将对总的 装置损耗和通带形状产生负面的影响。
然而，通过使用在图2(d)中显示的双级3x3定向耦合器，可以有 效地模拟(emulate)3x3星形耦合器。更详细地讲，参照图2(d),可以 发现干涉仪的臂210[1]和210[3]出一系列连续的弯曲，造成局部本征模(localeigenmode)之间的一系列相移。具体的是，第一相移为 35度， 接着大致为~270(即~90)度，再^r着大致为~90度，其中这些相位可 以以360度为模(modulo)。依此，这样构造的双级3x3耦合器的输出 基本上等于穿过(across)三个输出220[1]、 220[2]和220[3]的透射比。 注意，可以用相当的MMI耦合器代替每个定向耦合器而不偏离本发 明的精神。
参照图6,有另 一种方法可以理解单级和双级3x3耦合器的运作。 图6显示了从图2(a)中所示的干涉仪的端口 220[1](实线)、220[2](点线) 和220[3](虚线)计算所得的解复用频谱，其中3x3耦合器在图6(a)中是 单段的，在图6(b)中是双段的。因为在单段耦合器的情况下输出端口 220[1]...220[3]之间的相对相位是+/-90度，图6(a)中的所有三个通带 在自由频谱范围内都不是相等地分配的。当用于图l的装置时，会造 成更窄的通带。将双级耦合器i殳计成在输出220之间具有+/-120度的 相对相位。这样图6(b)中的全部三个通带在自由频镨范围内得以相等 的分配，这与以真正的星形耦合器替换3x3耦合器的情况一样。这就 加宽了图1中的装置的通带。
现在，很有必要分析一下3x3定向耦合器的运行。可知，简单的 3x3定向耦合器的输7W输出矩阵如下
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，0与耦合器的长度成比例。为使通带中具有零色散， =兀/2。 这保证了到耦合器的其中 一个外端口的输入在耦合器另 一侧上产生 对称的输出，因而使得通带中的全部波长具有通过装置的相同的平均 路径长度。
在具有 =兀/2的3x3耦合器输出处的功率分配在进入(launch)外部波导时分别为1/4、 1/2、 1/4。前述用于三臂干涉仪输入处的4个Y 分支耦合器的模式产生同样的功率分配，而且，与此同时，对于波长、 极化及制造(WPF)的变化反应不敏感。在双段3x3耦合器的情况下， 这样的功率分配的工作同样良好。
这样的模式匹配能够有利地为通带边缘保证~ 100%的透射比。 另一方面，如果不用更为理想的Y分支耦合器而是用三根耦合的波导 (定向的或MMI的耦合器)做成1x3耦合器，由于耦合器中较小的WPF 变化所引起的干涉仪臂中的所希望功率分配的偏离会导致较高通带 紋波(passband ripple)。
可认识到的是，定向(以及MMI)耦合器是"绑定的(bounded)"， 这与星形耦合器形成鲜明的对比，因此这些耦合器的输出之间的相位 差不必是单调的。然而可以显示，对于尸x尸定向(或MMI)耦合器， 仅在P〈4时，当进入单输入时，从输出到输出相位单调地变化。因 此，如果想要其路径长度差单调地增加的话，则连接到WGR的干涉 仪中的臂的最大数量是3。
可以很快认识到此臂数限制的影响，例如，假如试图使用4x4定 向耦合器把本设计扩大到包括四臂干涉仪。要构造这样的装置，四臂 干涉仪的臂长的分配的比例则必须是0:2:1:3，本领域技术人员可以容 易地认识到这是不可能紧凑地得到实现的。
然而，束绰耦合器的另外一个结果是从图1中干涉仪117出现 的解复用图像随波长在空间上来回跳动，而不是如使用星形耦合器情 况下的的锯齿模式。这导致形成的通带不像N=P通带一样具有高的品 质因数(figure of merit)(l-dB通带宽度由20-dB通带宽度划分)。尽管束 绰耦合器(bounded coupler)有这些限制，这里使用的多级3x3定向耦合 器仍然能到实现所需的锯齿状。
已设计出16-ch版的复用器并随后进行了构造。其通过使用硅基 二氧化硅波导制造而成，纤芯包层指数对比(core-cladding index contmst)为0.80%,纤芯高度为6.0|im。该装置呈现出以下特性信道空间(channel spacing)为100GHz;有包括波导光栅路由(WGR)的82臂； WGR中的运行光栅级数(operating grating order)83;弯曲半径为 4.1mm;波导输出端口宽度为11.5nm，以及两个星形耦合器中的0.13 rad的光栅臂俘获角。
所采用的3x3定向耦合器(此设计使用单段设计)包括三根波导， 其外部两根以10mm的半径弯曲到8.2pm的中心至中心间隔。此外， 波导的初始宽度为4.3pm， 一旦三臂都平行则扩增到4.8pm。波导的 平直部分长度是820pm。
随后从制成的晶片切割(dic)出芯片，光纤带组件(assembly)固定到 芯片左侧面，该组件随后净t改置于保护性封装里。
在工作时，呈现出的极化相关波长偏移为26pm。为了将三臂干 涉仪和WGR波长对准，有必要驱动臂中的热光移相器(thermo叩tic phase shifter),使得以4卯mW驱动最长的臂，以470mW驱动中间臂。
图3显示了测得的16个信道(所有信道的移相器设置是相同的) 的透射比。包括一个连接器最坏情况插入损耗为5.8dB,通带中的最 坏情况峰-峰波紋为l.OdB。最坏串扰(距信道中心士30GHz)为23.4 dB。 通带品质因数为0.56nm/0.96nm = 0.58。图4是显示信道9的测得的透 射比和群延迟的图。损耗为光纤到光纤，包括一个连4妄器和单个任意 极化(arbitrary polarization)。
为帮助理解这些性能特征，通过使用本征才莫分析和sine束传播 (sine propagation)法模拟了该装置。通过使用所展示装置的设计参数和 弱化3x3耦合器中的耦合使其明显弱于期望值(最佳是~50%)，可以 得到图5的实线曲线。很容易可以认识到的是，对于这些初步装置， 模拟和实验之间的相近匹配意味着3x3定向耦合器中的耦合很可能太 弱。这可能是因为模式相关的蚀刻引起中央波导比外部波导更窄，导 致三根波导之间的传播常数(传播常数)失配。
当以正确的耦合器强度重新进行模拟，而且对设计作出调整，通 过将光栅臂(grating arm)数改成88、将两个星形耦合器中的光栅入口填充角(fillangle)改成0.155rad、将输出波导宽度改成14.5jnn,就可以 得到图5中的虛线曲线。可以看到，损耗降低了 2dB,紋波和色散消 失了，并且串扰改进了〉7dB。此经改进的通带的品质因数为0.59。 这足以媲美品质因数为0.45的WGR同步的两臂干涉仪组成的备选复 用器。如果将3x3耦合器改成图2(d)中的双段设计，通带的品质因数 甚至提高得更多。
可以认识到的是，应该可以证明根据本发明构造的装置所特有的 提高的品质因数对于高频镨效率系统和诸如波长分插利用(wavelength add-drop)的高级联装置来说是极其有益的。
此处虽然用一些特定例子讨论和描述了本发明，但是本领域的技 术人员会明白本说明书中所披露的技术并不受其限制。因此，本发明 仅受权利要求所附权利要求的限制。
权利要求
1.一种光学器件，包括1×3光耦合器；三臂干涉仪，与所述1×3耦合器光连接，其中所述三臂呈现出线性增加的路径长度；以及3×3耦合器，与所述干涉仪光连接，所述3×3耦合器是从由定向耦合器或多模干涉(MMI)耦合器组成的组中选出的一个。
2. 根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述lx3光 耦合器包括Y分支耦合器的设置。
3. 根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述3x3耦 合器是单级耦合器，并呈现出局部本征模之间的大致为90度的相移。
4. 根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述3x3耦 合器是双级耦合器，并呈现出大致为-35度、-270度及 90度的相 移，或其以360度为模的相移。
5. 根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，还包括 M臂干涉仪，与所述3x3井禹合器光连接，其中，所述三臂干涉仪呈现出基本等于信道间隔的自由频谱范 围，而所述]\4臂干涉仪呈现出充分大于(》)所述三臂干涉仪的自由频 谱范围的自由频谱范围。
6. 根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述M臂干 涉仪的M臂呈现出线性增加的路径长度。
7. 根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述三臂干 涉仪的第一臂呈现出路径长度L，所述三臂干涉仪的第二臂呈现出以 大致等于AL的量大于所述第一臂的路径长度，所述三臂干涉仪的第 三臂呈现出以大致等于2 △ L的量大于所述第二臂的路径长度。
全文摘要
本发明提供了一种低损耗的矩形通带复用器，包括相干连接到波导光栅路由(WGR)的三臂干涉仪，形成大致为N＝3类型的通带，而没有本征损耗。该三臂干涉仪具有基本等于信道间隔的自由频谱范围(FSR)，并且与具有更大FSR的M臂干涉仪相连。所述三臂干涉仪包括与1×3耦合器和3×3耦合器光连接的三根波导，每根波导的路径长度呈线性增加。该1×3耦合器可由一系列Y分支耦合器构造而成。
文档编号G02B6/293GK101292184SQ200680038498
公开日2008年10月22日 申请日期2006年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者C·R·德尔 申请人:卢森特技术有限公司