CN100337416C - 用于稀疏波分复用的集成型解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于稀疏波分复用的集成型解复用器。其色散部件是经过特别设计而使输出面在一条直线上，输入光纤和输出光纤阵列与自由传播区域直接耦合，省略了输入和输出波导的制作。与原有器件相比，芯片尺寸大大减小，成本降低。采用多模光纤输出可使器件具有宽而平坦的频谱响应，对温度和偏振引起的波长深移不敏感，适合应用于稀疏波分复用光传输系统中。

Description

用于稀疏波分复用的集成型解复用器

                          技术领域

本发明涉及光通信波分复用领域，特别涉及一种适用于稀疏波分复用的低成本、频谱性能优良、制作工艺简便的集成型平面波分复用器件。

                          背景技术

光纤通信在短短数十年得到巨大的发展，最近几年更是急剧膨胀，如今光纤已经铺设到世界的每个角落。在很大程度上，光纤弥补了电缆通信的不足，使通信容量和质量大大增加。然而随着社会经济的发展，人们对信息的需求呈指数增长，通信业务也从电话、数据向视频、多媒体等宽带业务发展，传统光传输的带宽也不够用了。所幸在单根光纤上运用波分复用(WDM)技术能够成十几倍、几十倍、上百倍的增加系统容量，满足增长的对带宽的需求。

波分复用技术现已提高得可以传送数百个波长的激光，每个波长间的间隔1.6，0.8或0.4nm，甚至0.2nm，这种技术称作密集波分复用(DWDM)。DWDM产品的目标一直是满足不断增长的长途传输容量要求，然而短程网的带宽扩容的市场也非常巨大，其首选技术还是成熟的波分复用技术。DWDM技术在广域网应用获得巨大成功，当然也可以应用在要求更低的短途应用中，但这需要付出昂贵的代价，超过敷设新光缆这种“空分复用”技术。因此，不能简单地将广域网DWDM方案用短程网。

CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)稀疏波分复用技术继承了光通信波分复用的优点，提供了短途应用承受得起的扩容技术。CWDM采用比DWDM稀疏得多的波长间隔，牺牲了DWDM中通道数目多的优势，同时也抛弃了支持密集通道所需的高昂成本，取得服务提供商除扩容以外另一个迫切需要的价格优势。广域网由于传输距离很长，中间要用很多个放大器，DWDM系统在很长的距离上用密集的波长通道共用光纤和放大器，可以大幅度降低成本。短途网由于距离短，损耗不是影响性能的主要因素，也可以不需要使用放大器，简单采用和广域网一样的DWDM设备不合算。CWDM技术在光纤更宽的损耗窗口中划分频谱很宽的波长通道，可以使用无温控激光器，对滤波器的要求也大大降低，可以大幅度降低成本。

解复用器是波分复用光纤通信系统中最关键的器件。现有的实现技术主要有薄膜滤波、光纤光栅、平面集成波导等。其中平面集成波导解复用器可以在很小的芯片上实现40通道以上的密集波分复用，它利用半导体工艺可以进行大批量生产，具有潜在的成本优势。目前阵列波导光栅AWG等平面集成波导器件成本居高不下主要原因是尺寸大，每个硅片上可制作的芯片数目较少；器件要求严格，成品率低；需要温度控制。

目前用平面集成技术实现稀疏波分复用解复用器的报道甚少。McMullin等在“Theory and simulation of a concave diffraction grating demultiplexerfor coarse WDM systems”Lightwave Technology，Journal of，Volume：20Issue：4，April 2002，Page(s)：758-765中提到类似器件，但是它没有省略输入输出波导，并无尺寸优势。而且采用多模平板波导，需要很厚的波导，增加了工艺制造的难度，还会引人应力等问题。同时由于多个模式的存在，聚集性能和频谱响应都不理想。

                          发明内容

本发明的目的是提供一种用于稀疏波分复用的集成型解复用器，省略了输入和输出波导的制作，其工艺简单，成本低廉而且频谱性能优良。

本发明采用的技术方案如下：

方案1：它包括自由传播区、蚀刻凹面光栅；在自由传播区的输入端和输出端分别采用输入光纤、输出光纤阵列直接耦合，输入端和输出端在芯片的切割平面上，输入光纤和输出光纤阵列垂直于切割平面；包含多个波长的光信号从输入光纤进入，在光纤末端与芯片边缘的连接处耦合入自由传播区域，扩散传播后经蚀刻凹面光栅反射分波，聚焦后不同波长的光聚集在不同的输出端口，由输出光纤阵列导出。输入端采用标准单模光纤，自由传播区采用单模平板波导，输出端采用标准多模光纤阵列。

方案2：它包括两个自由传播区、阵列波导光栅；在两个自由传播区的输入端和输出端分别采用输入光纤、输出光纤阵列直接耦合，输入端和输出端在芯片的切割平面上，输入光纤和输出光纤阵列垂直于切割平面；包含多个波长的光信号从输入光纤进入，耦合入自由传播区，经阵列波导光栅传输至另一个自由传播区，由输出光纤阵列导出。输入端采用标准单模光纤，两个自由传播区采用单模平板波导，输出端采用标准多模光纤阵列。

本发明具有的有益的效果是：解复用器采用平面集成波导技术，采用成熟的半导体工艺可以实现解复用芯片的批量生产，用于干涉聚集光束的自由传播区域都采用单模平板波导。解复用器的色散部件，是经过特别设计使不同波长聚集在同一条输出直线上。这样可以省略输入波导和输出波导，使光纤阵列可以直接与解复用芯片联结。输入光纤使用标准单模光纤承载多波长信号，可以传输较远的距离，同时与单模平板波导的耦合效率高，能量损耗小。输出光纤采用标准多模光纤，其大的数值孔径更容易接受色散后的单个通道的光，而其大的芯层直径可以使输出光纤可以接收很宽波长范围的光，增大了通道的带宽，可以省略解复用器本身的温度控制模块，减小了器件的体积，降低了成本和功耗；同时对整个稀疏波分复用系统中各种因素影响的波长偏移具有很好的容忍性。同时在这个宽的通道频谱响应中，通带的顶部平坦，波长的偏移对功率的影响很小，大大减小了由于波长偏移引起的功率变化的影响。解复用器的色散性能都设计成适合标准稀疏波分复用波长间隔以及波导输出间距的值，使紧密排列的光纤阵列满足稀疏波分复用的要求。可以应用于CWDM系统的波长分配，尤其是从单模光纤到多模光纤局域网或接入网；也可以用于CWDM收发器来增加单根光纤的传输容量；可以实现低成本的稀疏波分复用通道监控；在光纤接入的无源网络PON中，可以作为无源器件倍增带宽。

                         附图说明

图1是基于蚀刻衍射光栅(EDG)的稀疏波分复用的解复用器结构示意图；

图2是基于阵列波导光栅(AWG)的稀疏波分复用的解复用器结构示意图；

图3是基于蚀刻衍射光栅(EDG)的稀疏波分复用的解复用器的色散特性；

图4是基于蚀刻衍射光栅(EDG)的稀疏波分复用的解复用器各通道频谱响应；

图5是基于蚀刻衍射光栅(EDG)的稀疏波分复用的解复用器的通道均匀性。

                       具体实施方式

图1是本发明的一个实例，基于蚀刻衍射光栅(EDG)的稀疏波分复用的解复用器结构示意图，包括输入光纤1，输出光纤阵列2、自由传播区域3和蚀刻凹面光栅4。包含多个波长的光信号从输入光纤1进入，在光纤末端与芯片边缘的连接处耦合入自由传播区域3，光在自由传播区域3中扩散传播，光能量分布到蚀刻凹面光栅4的各个面上，经反射分波和聚焦后不同的波长的光聚集在不同的输出端口，由输出光纤阵列2导出。

图2是本发明的另一个实例，基于阵列波导光栅(AWG)的稀疏波分复用的解复用器结构示意图，包括输入光纤5，输出波光纤阵列6、两个自由传播区域7和阵列波导光栅8。

输入光纤采用标准单模光纤，直径是标准的125微米，芯层直径9微米左右。输出光纤采用标准多模(62.5/125)光纤，外径125微米，芯层直径62.5微米。其他多模光纤如50/125微米，100/140微米的也可以使用。前者会减小通道频谱响应的通带宽度，后者有较大的通带宽度，但一般不应用在光通信中。

这里以基于蚀刻衍射光栅(EDG)的解复用器为设计例子说明本发明的具体实现形式，而基于阵列波导光栅(AWG)的解复用器的设计可以完全使用相同的设计。

解复用芯片采用半导体工艺在硅片或其他基底材料上镀上薄膜，形成平板波导。芯片图形转移上去后切割形成单个解复用芯片。衍射光栅采用RIE和ICP等干法刻蚀，形成多个垂直小面组成的反射光栅。为了减小损耗，增大反射率，通常可以在刻蚀成型的反射面上镀上一层金属反射层，或者把光栅面刻蚀成直角的V形齿，利用全反射减小透射损耗。

光栅的设计在这里是至关重要的，它使不同波长的光聚集在一条直线上，在指定点附近的像差很小，色散也保持线性。通常EDG的结构是基于Rowland圆的设计，入射点和出射点在Rowland圆上，而光栅在以2倍Rowland圆半径为半径的圆上，光栅与Rowland圆相切。这样不同波长的光入射可以很好的成像在输出点，这些点上的离焦像差和慧差为0，总的像差非常小。但是制作的解复用器并不需要非常严格的像差控制，我们可以通过减小像差要求来达到聚集在直线上的要求。

如图1所示，光程函数可以写为：

这里I是入射点，O是垂直线上的输出点。P0是光栅上的参考点，P是光栅上的任意一点。通常我们只需要确定光栅每个反射齿面的中点就可以得到光栅。这样可以取G(x)的值为整数值k，P0和P也相应是齿面的中点。这样光程函数可以写为：

F(k，λ)＝n_eff[IP_k+P_kO-(IP₀+P₀O)]-kmλ              (2)

假设这些点的坐标分别是I(x_I，y_I)，O(x_O，y_O)，P_k(x_Pk，y_Pk)和P_o(x_Po，y_Po)。于是式(2)可以增加一个变量写成：

$F(k,\mathrm{\λ},y_O)=n_{\mathrm{eff}}\left[\begin{array}{c}\sqrt{{(x_I-x_{P_k})}^2+{(y_I-y_{P_k})}^2}+\sqrt{{(x_O+x_{P_k})}^2+{(y_O-y_{P_k})}^2}\\ -(\sqrt{{(x_I-x_{P_0})}^2+{(y_I-y_{P_0})}^2}+\sqrt{{(x_O-x_{P_0})}^2+{(y_O-y_{P_0})}^2})\end{array}\right]-\mathrm{km\λ}...\left(3\right)$

为了降低垂直直线上指定点O₀(x_O0，y_O0)附近位置成像的像差，光栅上的点P_k(x_Pk，y_Pk)应该满足方程

$F(k,{\mathrm{\λ}}_0,y_{O_0})=0...\left(4\right)$

这里λ₀是聚集在O0点处的中心波长。

同时也要满足在O₀(x_O0，y_O0)点处的对y0的导数为0：

$F^{\′}(k,{\mathrm{\λ}}_0,y_{O_0})=0...\left(5\right)$

根据式(4)，光栅点P_k(x_Pk，y_Pk)是在以O0和I为焦点的椭圆上(如果O0和I重合，则在圆上)。

令x＝0为输入和输出点所在的直线上，式(5)可以表示为：

$F^{\′}(k,{\mathrm{\λ}}_0,y_{O_0})=n_{\mathrm{eff}}\left[\begin{array}{c}(y_{O_0}-y_{P_k})/\sqrt{{(x_{O_0}-x_{P_k})}^2+{(y_{O_0}-y_{P_k})}^2}\\ -(y_{O_0}-y_{P_0})/\sqrt{{(x_{O_0}-x_{P_0})}^2+{(y_{O_0}-y_{P_0})}^2}\end{array}\right]-\mathrm{kmD}...\left(6\right)$

这里 $D=\frac{\mathrm{d\λ}}{{\mathrm{dy}}_O}{|}_{y_O=y_{O_0}},$ 是光栅的色散率。

(5)，(6)两个方程已经确定了光栅所有的中心点位置，在这些点上加上光栅面整个光栅就确定了。

这里给出这个实例的设计例子：

设计参数	取值
		输入点(μm)：I	(0，0)
光栅参考点(μm)：P0	(8000，0)
		指定输出点(μm)：O	(0，-500)
设计波长(nm)：λ0	1550
		光栅阶数：m	8
色散(μm/nm)：D	6.25
		平板波导有效折射率：neff	1.47
通道间隔(nm)	20
		通道数	8

这里有效折射率取1.47，是使用最常使用的二氧化硅波导材料。我们用比较精确的标量衍射理论模拟计算EDG的性能，使用的模拟参数：

输入高斯光束束腰(um)：w0	10
		输出平面(um)：	X＝0；y＝-1100～100；
输出多模光纤结构(um/um)：芯层/包层	62.5/125
		通道中心波长(nm)：	1470nm到1610nm间隔20nm

图3是光栅的色散曲线，看得出线性度很好，与设计值6.25μm/nm非常接近。但是随着输出的范围增大，线性度会变差，因为这里的输出范围相比传统的带输出波导的EDG大的多。尽管如此，在这里的输出范围，线性保持得很好。

图4是8个通道的频谱响应。可以看出通带很宽，而且顶部很平，几乎没有带内波纹。这是因为多模光纤具有大的芯层直径。这样的特性，非常适用于CWDM的应用。对于中心通道，只引人了0.03dB的附加损耗。各个通道的3dB带宽也几乎相同，为10nm。

图5显示了通道的均匀性，最大的损耗差值为1.5dB。可以看到损耗随着远离中心通道而增加。这是由单个光栅齿的衍射包络所决定的。如果光栅齿面减小，均匀性可以增加，但是这样会增大工艺制作的难度。

Claims (4)

1.用于稀疏波分复用的集成型解复用器，它包括自由传播区(3)、蚀刻凹面光栅(4)，其特征在于：在自由传播区(3)的输入端和输出端分别采用输入光纤(1)、输出光纤阵列(2)直接耦合，输入端和输出端在芯片的切割平面上，输入光纤和输出光纤阵列垂直于切割平面；包含多个波长的光信号从输入光纤(1)进入，在光纤末端与芯片边缘的连接处耦合入自由传播区域(3)，扩散传播后经蚀刻凹面光栅(4)反射分波，聚焦后不同波长的光聚集在不同的输出端口，由输出光纤阵列(2)导出。

2.根据权利要求1所述的用于稀疏波分复用的集成型解复用器，其特征在于：输入端采用标准单模光纤，自由传播区(3)采用单模平板波导，输出端采用标准多模光纤阵列。

3.用于稀疏波分复用的集成型解复用器，它包括两个自由传播区(7)、阵列波导光栅(8)，其特征在于：在两个自由传播区(7)的输入端和输出端分别采用输入光纤(5)、输出光纤阵列(6)直接耦合，输入端和输出端在芯片的切割平面上，输入光纤和输出光纤阵列垂直于切割平面；包含多个波长的光信号从输入光纤(5)进入，耦合入自由传播区，经阵列波导光栅(8)传输至另一个自由传播区，由输出光纤阵列(6)导出。

4.根据权利要求3所述的用于稀疏波分复用的集成型解复用器，其特征在于：输入端采用标准单模光纤，两个自由传播区(3)采用单模平板波导，输出端采用标准多模光纤阵列。

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