專利名稱：用集成光學構成的波長多路分離器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及采用集成光學構成的波長多路分離器，特別是這樣的多路分離器，它包含(a)至少一個入口波導，該波導是由幾個不同波長的信道中多個光學信號饋送的；(b)多個出口波導，使得每一波導與一個上述波長信道相交(traversed)；(c)一相鄰集成波導組件，相鄰集成波導從一側連接到入口波導，從另一側分別通過入口連接器和出口連接器連接到出口波導，使得組件的波導的長度以組件構成相位網(wǎng)絡的方式在波導間遞增；(d)排列在入口連接器入口處的擴模波導；以及(e)排列在出口連接器出口處并且在每一種情況下連接到一個出口波導的多個減模波導。
這樣的多路分離器是眾所周知的，特別可以從美國專利5,002,350中得知。為了使光學損耗最小，該專利中揭示了集成波導組件波導之間的最鄰近耦合，在入口連接器出口和出口連接器入口處形成相位網(wǎng)絡。經(jīng)研究，這種連接方式對于以美國專利5,136,671中所揭示的方式構成的這種(類型)的多路分離是不利的。另外，這樣一種多路分離器的一個重要問題是要在一可接受的預定串擾限定電平上對通入每一獨立信道的帶寬實行最佳化。
本發(fā)明的目的是精確構筑一種無需借助于上述強耦合而且光能損耗小的光波長多路分離器，在強耦合方式中，通過每一獨立信道的帶寬是按照預定的低電平串擾而最佳化的。
讀者在閱讀本說明書后將能實現(xiàn)本發(fā)明的上述以及其他的目的，上述類型的光波長多路分離器相對于下述特征是值得注意的，即，擴模波導排列在入口連接器的入口處并且與入口波導相連，而減模波導排列在出口連接器的出口處并且每一個與出口波導相連，并且?guī)缀纬叽缡窍嗤模瑢挾劝雌溟L度呈線性變化，上述擴模和減模波導在與相關連接器連接處的寬度是固定的，從而使通過信道的帶寬最佳，而將出口信道之間的串擾限制在預定的電平上。
按照本發(fā)明一種形式的實施例，其結構還包含入口連接器和形成相位網(wǎng)絡的波導組件每一波導一端之間的減模波導，和該組件每一波導另一端和出口連接器之間的擴模波導，擴模和減模波導的幾何尺寸相同，寬度隨長度呈線性變化，并且其尺寸把上述組件波導間的鄰近耦合(proximity coupling)作用減弱到預定的低電平。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點在閱讀了本發(fā)明的說明書和權利要求書以后將變得清楚起來。


圖1是按照本發(fā)明的多路分離器的主要元件的結構圖；圖2和圖3分別是形成圖1所示多路分離器部分的入口連接器和出口連接器的結構圖；圖4是沿圖2所示截線A、B和C的連接器的三個示意部分，以及圖5用于說明通過信道的帶寬實現(xiàn)最佳的過程與接受的串擾限制電平的函數(shù)關系，而這是通過按照本發(fā)明的多路分離器的設計來實現(xiàn)的。
參見圖1，按照本發(fā)明的多路分離器以熟知的方式包含入口波導1；入口連接器2，它安裝在波導1和相鄰波導的相鄰組件或網(wǎng)絡3之間，相鄰波導正對連接到連接器2的部分的端部與出口連接器4相連，出口連接器4介于這些端部和N個出口波導51至5n之間(本例中N＝8)。
除了各種擴模器和減模器之外，按照本發(fā)明的所有多路分離器的波導是單模的。這些波導和連接器集成在平面襯底內(nèi)，平面襯底由玻璃借助于如采用集成光學的熟知技術制成，如借助于離子擴散或汽相化學淀積(簡稱為CVD)的任何一種技術。
下面描述非限定性的例子。圖1所示的多路分離器可以在波導1入口處從8個激光二極管接收經(jīng)調制的光線；這些光線位于波長λ1至λ8，約1,550nm，使得這些波長的間距等于Δλ＝1.6nm。多路分離器的功能是通過分別在出口波導51至5？中再次找到波長為λ1至λ？的光線(而這些光線先前在波導1中是混合在一起的)這一方式，使這些光線在多路分離器D的出口處分開。
為此，波導組件3必須起到相位網(wǎng)絡的作用。因此，可以以熟知的方法包含多個相鄰波導(例如25個)，使得波導的長度在波導間以增量ΔL增大。這個增量ΔL定義了一個沿組件3的任意兩個相鄰波導傳播的光線之間的比例相移差Δφ，因此可用作一相位網(wǎng)絡。
現(xiàn)在參見圖2和4，說明入口連接器2的結構和功能。它是通過例如在多路分離器D的襯底6上淀積一“芯”層來構筑的，傳統(tǒng)上是按照要形成的波導的結構蝕刻形成的，使得層7被與離散光纖相應的元件相似的“覆蓋”層8所覆蓋。
檢查圖4中的截面A、B和C時，發(fā)現(xiàn)圖2中的芯層7包含一“自由”傳播區(qū)9，即沒有橫向限制，使得該區(qū)域9介于具有橫向限制的區(qū)域10和11之間。
在芯層的區(qū)域10中，有一個中央擴模波導12；區(qū)域11中，有多個減模波導13j(本例中，j＝1到25)。擴模器12的入口與入口波導1的出口相連，而擴模器12的出口與芯區(qū)9相連，光線在芯區(qū)9中的傳播不受橫向限制。減模器13的入口是規(guī)則分布的，間距為p，與半徑為R的圓弧上區(qū)域9的出口相交，圓弧的曲率中心與擴模器12的出口重合。圖2和圖4的結構在徑向被強烈壓縮。特別是在圖2所示的結構中，所使用的半徑為R的圓弧與線段d相似。
入口連接器1可以與一個以上的入口波導相連，因而可以包含許多擴模器，這些擴模器分布在相同半徑R的圓弧上，因而曲率中心按照共焦結構位于減模器13j的入口所限定的圓弧的中心處。
因此，引入波導1中的光橫越過擴模器2轉入芯區(qū)9(沒有橫向限制)，以便通過減模器13j由組件3的波導最后匯集起來。
圖4所描述的出口連接器4是通過上面結合入口連接器2的描述所說明的原理設計和構筑的。與連接器2一樣，連接器4包含一芯區(qū)14，在該芯區(qū)14中，光的傳播是不受橫向限制的，因而該芯區(qū)通過一組擴模波導15j與組件3(相位網(wǎng)絡)的波導出口相連，擴模波導15j與連接器2的減模器13j一樣，以間隔p規(guī)則分布在半徑為R的圓弧上。
引入多路分離器D的入口波導1的波長為λi的光線，其每一條光線均通過以間隔p′規(guī)則排列在按照連接器2所描述的共焦結構的半徑為R的圓弧上的減模器16i而由出口波導5？中的一個波導匯集。這是一種對間隔為p’的半徑為R的圓弧上每一減模器16i的曲線-線性坐標x的恰當選擇，間隔p’使這些減模器分開，可以獲得波長為λi(在本例中，i＝1到8)的光線的所要求的多路分離。讀者可以看到，坐標x可以表述成下面的關系nwΔL+vspxiR=mλ1]]>式中xi是相應于波長λi的坐標；nw和ns分別是在波導和平面波導中傳播的模的有效折射率(9或14)；m是衍射級。
如果選擇使減模器16i具有恒定的間隔p’，則在相位網(wǎng)絡3出口處由擴模器15j形成的圓弧曲率中心處衍射的多路分離波長組的中心波長λ0與這些波長的間距Δλ可以表示成如下關系ΔL=mλ0nw]]>dxdλ=m.R.ngns.p.nw=pΔλ]]>式中，dx/dλ是裝置的波長彌散。ng＝nw(1-dnw/dλ)是組(group)折射率。
最后，出口波導5？的數(shù)N必須保持在相位網(wǎng)絡的自由光譜間隔ISL內(nèi)，即NΔλ<ISL=λm]]>一般，將接收功率P1信號并發(fā)射功率P2信號的光學裝置所獲得的以分貝表示的衰減(Attdb)用分貝(db)表述成下面的關系Attdb=-10log(P2P1)]]>按照本發(fā)明的多路分離器D的重要特征，擴模器12和減模器16具有相同的幾何尺寸，并呈錐形，因而它們的寬度隨其長度呈線性變化。結合圖5讀者將看到，它們確定的模的擴大或減少可以以這樣的方式來選擇，即，通過保持某一串擾限制電平使通過多路分離信道的帶寬為最佳(例如在3dB)，而串擾限制電平又是用剩余光信號在去多路分離信道以外的信道波長上的衰減量測得的。
因此，讀者應當注意，按照本發(fā)明可以獲得受到限制的串擾，而無需采用諸如擴模器12的擴模器。但是，在多路分離器的出口處，通過每一信道的帶寬(band)將極窄，多路分離器成為無用。
又，按照本發(fā)明，多路分離器D的入口處和出口處使用的擴模器和減模器的幾何尺寸是相同的，它使光能的損耗為最小，因為通過這種途徑，可以避免入口波導和出口波導之間模的不一致。
按照本發(fā)明的另一個特征，相位網(wǎng)絡3波導兩端安裝的減模器13j和擴模器15i也具有相同的幾何尺寸，其寬度隨其長度線性變化，并且它們具有這樣的尺寸，即將網(wǎng)絡波導之間的鄰近耦合作用減小到一可忽略的值。
鄰近耦合對給定的網(wǎng)絡波導與其相鄰波導之間的光傳播負有責任，并且可以表征為光信號在穿過相位網(wǎng)絡以后留在波導中的衰減量。如果假定網(wǎng)絡的單個波導是由信號P1激勵并發(fā)射信號P2，那么該衰減量可以借助于上述的一般關系來計算。這里考慮，如果網(wǎng)絡每一波導中的信號衰減大于20dB，那么網(wǎng)絡波導之間的鄰近耦合可以忽略。按照本發(fā)明的多路分離器的這一良好的功能特征在前文中引述的美國專利5,002,350中所揭示的多路分離器中是沒有的。
如上所述，具有上述尺寸的擴模器12和減模器16i是相鄰信道中的串擾與以波長表示的信道寬度之間的折衷。
人們已經(jīng)注意到，置于出口連接器4出口處的減模器16i是通過按照所要求的波長來選擇的方式排列的。如果選擇以間隔p’(以μm表示)來排列減模器16j，則具有彌散dx/dλ的多路分離器產(chǎn)生按照下述關系以波長Δλ(以nm表示)規(guī)則分開的信道P′=dxdλΔλ]]>
如果入口連接器12和出口連接器4具有相同的尺寸，則出口連接器4出口處相位網(wǎng)絡3衍射的模與入口連接器2入口處模式擴模器12的出口處形成的模相同，并且其位置xi取決于正被考慮的信道的波長λi。饋送到出口連接器4出口處模式減模器16i內(nèi)的光是衍射模與減模器入口處接受的模之間的總和。因此，通過把這些模的幅度放置在高斯近似框架內(nèi)，表征為具有被考慮的相鄰信道波長的光信號的衰減的耦合系數(shù)可以簡單地用函數(shù)表示為AttdB=4.34[dxdλ(λ-λi)w]2---(1)]]>式中，AttdB是以分貝表示的光信號的衰減，λ是相鄰被考慮的信道波長λi的波長，w是在入口連接器擴模器12出口處和出口連接器減模器16i入口處形成的強度曲線(intensity profile)的最大值的1/e2處測得的模半徑。
函數(shù)(1)圖示于圖5中，圖中示出了模w不同半徑值的情況。在信道λi的中心處具有較大曲率的曲線17對應于4μm的模w半徑，曲線18對應于6μm的模w半徑。
如果假設可以將每一多路分離的信道應用于圍繞其中心波長的功能頻帶±dλ內(nèi)，則相鄰信道中經(jīng)多路分離的信道的串擾Xtalk可以由下式把λ-λi項以信道中心的波長(Δλ-dλ)來替換間隔而計算得到Xtalk=4,34(dxdλ(Δλ-dλ)w)2]]>曲線17的串擾Xtalk在49dB以上，比起通常的22dB串擾的指標要優(yōu)越得多。當Δλ＝1.6nm時，在相鄰信道的功能頻帶(±0.4nm)極限處，曲線18上測得的串擾準確地是22dB。
在光信號的預定衰減電平(例如3dB)處定義的信道波長峰值的寬度ΔλFWHM對于二曲線17和18是不同的。在等式(1)中，λ-λi項用峰值的半寬度ΔλFWHM/2來代替，則得到下面的形式ΔλFWHM=2wAttdB4.34dxdλ]]>
在光信號的3dB衰減處，信道寬度(以波長表示)的表達式簡化成下面的形式ΔλFWHM=1.66(wdxdλ)]]>當模w的半徑從4μm增加到6μm時，以波長表示的信道寬度從0.66nm增加到0.88nm，即，在3dB衰減下的帶寬大于使用頻帶±0.4nm。
所以，通過調整擴模器12出口處和減模器16i入口處形成的公共模W的半徑，超過22分貝的串擾可以被轉換成更大的信道寬度(以波長計)。這一半徑w的選擇使得人們可以為其寬度必須明顯是2w數(shù)量級的擴模器或減模器大寬度端部提供所需的尺寸。
通過上述描述的非限定例子，現(xiàn)在我們可以描述按照本發(fā)明設計用來滿足下述特征的一種形式的多路分離器的實施例-信道數(shù)(N)＝8-以波長表示的信道間距(Δλ) ＝1.6nm-中心波長(λ0) ＝1,550nm-相鄰信道中的串擾(Xtalk) ＝22dB-去多路分離的信道的功能頻帶(±dλ)＝±0.4nm-每一信道中3dB的帶寬(ΔλFWHM)盡可能大。
為了獲得這些特征，人們必須首先定義衍射級(m)，該衍射級在網(wǎng)絡3的自由頻譜間隔(ISL)中提供8個間距為1.6nm的信道。事實上，人們選擇一個小于該極限(121)的衍射級，以便使8個信道或m＝60的光損耗的變化最小。
人們可以容易地推算出形成相位網(wǎng)絡的組件3波導長度的增量ΔL對于nw＝1.45，ΔL＝mλ0/nw＝64.14μm為了使按照本發(fā)明的多路分離器做得很小，組件3的波導入口端和出口端必須盡可能接近，然而必須使信道之間鄰近耦合的衰減保持在大于上述的20dB。所以，人們選擇p＝18μm按照本發(fā)明，引入多路分離器的擴模器和減模器具有向擴模器或減模器的縱軸傾斜0.5°的直線橫向邊緣，使其一端具有17μm最大寬度，另一端具有6.7μm最小寬度，這對應于波導在制造過程中這一端所連接的單模波導的直徑，確保折射率比Δn/n＝0.75％。
對于減模器16i的間隔p’，人們可以選擇等于p或p’＝18μ-m的值，以便在任何時候都使鄰近耦合保持在20dB以上。
最后，人們分別按照排列在出口連接器4的入口和出口的擴模器和減模器選擇圓弧的公共半徑，以便獲得一間距Δλ＝1.6nm。該半徑是R=ns.p.p′.nxm.Δλ·ng=4893.75μm]]>如此計算的參數(shù)可以構筑入口連接器2和出口連接器4，因而應當是(與連接器2的入口和連接器4的出口數(shù))相同的，以便避免入口波導和出口波導之間模的不一致。
當然，本發(fā)明并不局限于上面通過舉例描繪和描述的實施例形式。所以，如上所述，入口連接器可以同樣通過許多擴模器連接到數(shù)個入口波導，從而這些入口可以交替使用。按照光的可逆原理，本發(fā)明的多路分離器還可以用于光波長多路分離器的形式。
權利要求
1.一種用集成光學構筑的波長多路分離器，它包含a)至少一個入口波導(1)，它由幾個不同波長信道中的多個光信號饋送；b)多個出口波導(5i)，每一所述出口波導與上述波長的信道相交；c)相鄰集成波導組件(3)，所述相鄰集成波導從一側連接到入口波導(1)，以及分別通過一入口連接器(2)和一出口連接器(4)從另一側連接到出口波導(5i)，從而所述組件(3)的波導長度以所述組件(3)構成一相位網(wǎng)絡的方式從波導到波導遞增；d)排列在入口連接器(2)的入口處并與入口波導(1)相連的擴模波導(12)；e)排列在出口連接器(4)出口處并且在每一種情況下均與出口波導(5i)中的一個相連的多個減模波導(16i)，其特征在于，所述擴模波導(12)和所述減模波導(16i)的幾何尺寸相同，其寬度隨其長度線性變化，從而在與相關連接器連接處限定了上述擴模波導和減模波導的寬度，從而使通過某一信道的帶寬最佳，而將出口信道(5i)之間的串擾限制在一預定電平上。
2.如權利要求1所述的多路分離器，其特征在于，它還包含f)入口連接器(1)與形成相位網(wǎng)絡的波導組件(3)每一波導端部之間的減模波導(13j)，和g)組件(3)每一波導另一端和出口連接器(4)之間的擴模波導(15j)，所述擴模波導(15j)和減模波導(13j)具有相同的幾何尺寸，所述幾何尺寸的寬度隨其長度作線性變化，并且所述尺寸將所述組件(3)各波導之間的鄰近耦合減小到某一預定的低電平上。
3.如權利要求1所述的多路分離器，其特征在于，每一連接器(2，4)包含一芯區(qū)(9，14)，并且光的傳播沒有在至少一個入口擴模器(12，15j)和多個出口減模器(13j，16i)之間的橫向限制。
4.如權利要求1所述的多路分離器，其特征在于，所述出口波導之間的串擾對應于高于20dB的給定信道中的信號衰減。
5.如權利要求2所述的多路分離器，其特征在于，所述組件(3)各波導之間的鄰近耦合對應于高于20dB的給定波導中的信號衰減。
6.如上述任何一個權利要求所述的用汽相化學淀積CVD構成的多路分離器，其特征在于，所述入口波導(1)和出口波導(5)以及組件(3)的波導均是單模的，所述擴模器和所述減模器具有直線橫向邊緣，所述直線橫向邊緣向其縱軸傾斜近似0.5°，并且在與相關入口或出口連接器的連接處，擴模器或減模器的寬度近似為17μm。
7.如權利要求2所述的多路分離器，其特征在于，給定信道中的帶寬λFWHM大于近似±0.1nm。
8.以光學波長多路復用器形式的如權利要求1至5中任何一個權利要求所述多路分離器的使用。
9.以光學波長多路復用器的如權利要求6或7的多路分離器的使用。
全文摘要
一種多路分離器,它包含:a)入口波導(1);b)多個出口波導(文檔編號G02B6/12GK1176031SQ96192003
公開日1998年3月11日 申請日期1996年12月9日 優(yōu)先權日1995年12月22日
發(fā)明者丹尼斯·M·特魯歇 申請人:康寧股份有限公司