CN101010898B - 双级式光学双向收发器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含双级式滤光器的平面光波电路，用于双向收发器中。第一级包含非色散性滤光器，它可将某一波长范围(如激光源的信号信道)内的光被发射至输入/输出波导上，而另一波长范围(如一个或多个检测器信道)内的光将被从输入/输出波导转至第二级。第二级包含反射式衍射光栅，其分辨率高于第一级，可提供比第一级窄2至5倍的通带。

Description

双级式光学双向收发器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年6月4日提交的60/576,594号、2004年6月4日提交的60/576,595号和2004年6月8日提交的60/577,604号美国专利申请的优先权，在此通过参考，将这些申请全部结合入本发明中。

技术领域

本发明涉及一种双极型滤光器，特别涉及一种用于光纤入户(FTTH)光网络的平面光波电路(PLC)光学双向收发器。

发明背景

单纤三向器件或语音-数据-视频(VDV)处理器等双向收发器充当由FTTH光网络进入用户家中的光网关。单纤三向器件是一个结构极其紧凑、成本很低的接入设备，它能够接收两个高速信道(例如电话和互联网为1490nm，视频为1550nm)，而同时又在第三信道上进行发送(例如信息输出为1310)。所有这些信号均被复用至一条光纤上，以实现简化安装。对于商业应用，视频信道可以省略，从而形成一个双信道双向收发器，或称高速信道。或者可以增加额外的输出信息信道和额外的输入数据信道。

典型的高速信道和单纤三向器件要求对常规PLC设计技术提出了相当大的挑战。光学体系结构要求将标称波长为1310nm的激光耦合至单模光纤上，以便从用户家中传输光信号。在同一条光纤的另一个方向上，由用户家外传来的标称波长为1490nm和1550nm的光被采集、解复用并引至光检测器。困难来自于在这些波长下的可用通带。在1310nm信道上，预期要有一个50nm至100nm的通带，它可以提供较大的余量，使激光能够基本不发热地工作，而检测器信道需要的是仅10nm至20nm宽的通带。此外，激光二极管以单一的横向模式工作，而公用的输入/输出光纤是单模光纤；因此，激光信道的路径上的所有点都必须与单模光纤兼容。换言之，激光信道的路径必须可逆。在现有技术、特别是那些在PLC中使用单衍射结构的设计中，还没有对具有基本上不相同的通带信道的宽波长范围(～1250nm至1600nm)进行寻址的实用方法。

采用现有技术的设备，例如在2002年12月10日授予Althaus的第6,493,121号美国专利中披露的一种，示于图1中，它使用多个单独制作的薄膜滤光片(thin film filters，TFF)2a和2b，将它们被置于沿准直光束路径上的特定位置，来实现VDV处理器(单纤三向器件1)的功能。TFF 2a和TFF 2b与分立的激光器3和光电检测器4a及光电检测器4b相耦合，并被封装在独立的圆柱式(Transistor-Outline，TO)封装6中，然后再分别被装入一个组件中。一个有两个输入信道(1490nm和1550nm)的输入信号经光纤7进入单纤三向器件1。第一信道由第一TFF 2a解复用，并被引至第一光电检测器4a，第二信道由第二TFF 2b解复用，并被引至第二光电检测器4b。输出信道(1310nm)在激光器3中产生，并经第一TFF 2a和第二TFF2b输出光纤7。遗憾的是，这种设备的组装是非常劳动密集型的工作，需要将所有元件被调整至装配公差非常小。旨在简化封装结构继而简化装配过程的尝试披露于2004年5月4日授予Althaus等人的6,731,882号和2004年1月29日授予Melchoir等人的6,575,460号美国专利中。进一步的发展(如图2所示)包括在一个微型半导体工作台9上安装所有元件，以确保可重复的精确的校准。遗憾的是，所有这些解决方案都仍然牵涉到带有TO封装的多个TFF的校准问题。在2004年2月17日授予Baumann等人的6,694,102号美国专利中披露了一种不使用TFF的现有技术解决方案的例子，该专利公开了一种使用多个马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的双向复用器。

在光学中，衍射光栅是在一个反射性或透明基片上的精细的、平行的、等距的槽阵列(“线”)，这些槽可产生衍射和相互干涉效应，将反射或透射的电磁能量集中于离散的方向(称为“级”或“光谱级”)上。

槽的尺寸和间距取决于所研究的波长的“级”。在衍射光栅使用最为普遍的光学领域，每毫米内应开有数百或数千个槽。

零级对应于正透射或镜面反射。根据几何(线)光学预测，更高的级会使入射光束相对该方向发生偏移。在法向入射情况下，由几何光学所预测，衍射线相对该方向的偏移角θ由下式给出，其中m为光谱级，λ为波长，d为相邻槽对应部分之间的间距：

$\mathrm{\θ}=\±{\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{m\λ}}{d}\right)$

由于衍射光束的偏移角与波长有关，衍射光栅具有色散作用，即它可以将入射光束在空间上分成构成其的波长分量，形成光谱。

由衍射光栅产生的光谱级可能会重叠，这取决于入射光束的光谱成分和光栅上每单位距离内槽的数目。光谱级越高，进入相邻较低级的重叠部分就越大。衍射光栅经常被用于单色仪和其他光学仪器中。

通过控制槽的横截面形状，可以将衍射能量中的大部分以感兴趣的顺序集中起来。此技术称为“闪耀”。

最初刻出的是高分辨率的衍射光栅。构造高质量刻线机是一项很大的工作。之后的光刻技术可以由全息干涉图样来生成光栅。全息光栅有正弦形的槽，因此不很明亮，但优选在单色仪中使用，因为它们所产生的杂散光水平比闪耀光栅要低得多。复制技术可以由母光栅生成高质量的复制品，这样可以有助于降低光栅的成本。

平面波导反射式衍射光栅包括按次序排列的刻面(facet)阵列。图3中示出了一个简单衍射光栅的性能。具有多个波长信道λ₁、λ₂、λ₃...的光束11以特定的入射角θ_in进入光栅节距为Λ、衍射级为m的衍射光栅12。根据以下光栅方程，光束按照波长和级以角度θ_out分散开：

mλ＝Λ(sinθ_in+sinθ_out)             (1)

由光栅方程(1)可知，一个衍射级的构成情况取决于入射光的波长λ_N。在考虑光谱的构成时，必须知道衍射角θ_Nout如何随入射波长θ_in变化。相应地，将式(1)对θ_Nout取微分，假设入射角θ_in不变，则得到下式：

${\∂\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Nout}}/\∂\mathrm{\λ}=m/\mathrm{\Λ}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Nout}}---\left(2\right)$

dθ_Nout/dλ是对应于波长λ的微小变化的散射角θ_Nout的变化，称为衍射光栅的角色散。角色散随级数m增加、光栅节距Λ减小和散射角θ_Nout增大而增大。衍射光栅的线性色散则为角色散与系统有效焦距的乘积。

由于不同波长λ_N的光会以不同的角度θ_Nout衍射，每一级m被拉伸为一个频谱。一个给定衍射光栅所能生成的级数受到光栅节距Λ的限制，因为θ_Nout不能超过90°。最高阶数由Λ/λ_N给出。因此，粗光栅(Λ较大)产生的级数多，而细光栅则只能产生1个或2个。

衍射光栅的自由光谱区(FSR)定义为给定级中不会与相邻级内相同带宽重叠的最大带宽。级数m对于确定可获得连续色散的自由光谱区很重要。对于一个给定的“输入-光栅-输出”式配置，光栅对所优选的波长λ在优选的衍射级m工作，其他波长将遵循其他衍射级的相同路径。在以下情况下各级间发生第一次重叠：

mλ_m＝(m+1)λ_m+1                  (3)

${\mathrm{\λ}}_{m+1}=\frac{m{\mathrm{\λ}}_m}{(m+1)}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_m}{m+1}---\left(5\right)$

闪耀光栅是衍射光栅的槽受到控制中的一个以便以闪耀角w形成直角三角形的光栅，如图3所示。通过选择闪耀角w，可以优化衍射光栅的总体效率曲线，特别是对于给定的波长。

基于平面波导衍射的装置在近红外(1550nm)区可对密集波分复用(DenseWavelength Division Multiplexing，DWDM)提供优异的性能。特别地，通常工作在高衍射级数(40至80)、大入射角(约60°)和大光栅节距条件下的阶梯光栅的发展已经导致了干涉路径之间较大的相位差。由于光栅刻面的尺寸随衍射级数变化，长期以来都认为这种较大的相位差是可靠地制造基于衍射的平面波导装置所必需的。这样，由于需要较大的衍射级数，现有装置就被局限在较小的波长范围内工作(见式5)。

此外，对于在平面波导平台上制造的基于衍射光栅的装置，现有技术中遇到的一个普遍问题是，由于在靠近反射刻面F处的S存在导电金属(一种反射涂层)，使一个偏振发生场排斥，从而产生与偏振有关的损耗。

通过光纤传播的光信号的偏振状态不确定，要求(解)复用器对偏振基本不敏感，以便最大程度降低与偏振有关的损耗。在接近利特罗(Littrow)条件应用的反射光栅和闪耀光栅中，两种偏振的光会从反射刻面上均等地反射(图3中的F)。然而，金属化的侧壁刻面S引入了一个阻止偏振方向平行于该表面(TM)的光在该表面附近存在的边界条件。此外，与另一偏振光相比，一种偏振光将优选被侧壁S上的金属吸收。最终，侧壁金属的存在证明了其在与偏振相关的损耗(PDL)方面对设备性能的影响。

有多种方法和装置可以降低衍射光栅的偏振敏感度。Chowdhury在5,966,483号和6,097,863号美国专利中介绍了一种降低偏振敏感度的方法，即选择减小传输带宽内波长的第一和第二衍射效率之间的差别。这种解决办法作用有局限性，因为它要求对闪耀角和闪耀波长的选择进行限制。

Sappey等人在6,400,509号美国专利介绍的降低偏振敏感度的方法是，加入反射台阶表面和横向立式表面，其间使用一个平板分开。这种解决办法作用也有局限性，因为它要求在一些表面上要有反射层，其他表面上没有反射层，这就额外增加了对反射界面进行选择性处理的加工步骤。

光栅的自由光谱区正比于光栅刻面的尺寸。长期以来都认为，衍射级数较小的光栅不能通过光刻蚀方法可靠地形成，因为较小的级数通常意味着步长小于光刻分辨率或与之相当。光刻分辨率和之后的加工步骤会模糊不清，使光栅性能遭到大大的降低。这样，由于实际情况，刻蚀光栅的应用范围仅限于衍射级数较大的情况，通常要超过10级。长期以来业界一直认为级数范围接近1级的装置难以实现。

在单纤三向器件的设计中考虑的其他重要问题有：1310nm信道与1490nm和1550nm信道之间的光隔离，以及每个信道的插入损耗，必须将其保持在最小值。这对于1310nm激光信道尤其真实，因为激光二极管与波导芯片的耦合是一个困难的工艺，需要由滤光器损耗提供较宽松的公差。此外，所有信道均需要一个非常平而宽的通带。

在VDV处理器中，在波长为1310nm的激光源与1490nm和1550nm的接收器信道之间有时需要接近50dB的隔离度。在一个基于光栅的装置中，背景光的主要来源是刻面侧面的散射。刻面自身的布置会对特定波长的光产生相位相干的干涉，使其发散和会聚。反射刻面与非反射侧壁之间的圆角也将是周期性的，因此在空间上相干，但相位不合适，形成亮度较低的周期性叠影。刻面相糙度在空间上不相干，产生随机的低亮度背景光。因此，如果一个较强的激光信号入射在光栅上，而接收器信道也从该光栅获得，则接收器信道中将有激光器所引发的较强的背景，其强度通常比激光的强度低30dB。～50dB的隔离度更接近于实际VDV处理器的要求。

本发明的一个目的是提供一种具有高隔离度、低插入损耗的双级式滤光器平面光波电路双向收发器，以克服现有技术的缺点。

在一种常规的反射式光栅装置中，选择分光计输出角，以使预期波长的信号向预定位置的吞吐量最大化。其中基本没有考虑到Littrow辐射，该辐射的强度可能会很大，可以达到几乎与预期输出水平相当的强度。在光通信领域，沿某个输入路径返回的光可能对系统的整体性能造成灾难性影响。相应地，基于反射式光栅的装置可能会使通信系统产生问题。其结果是，对于通信系统中的几乎所有元件，都有最大“回波损耗”或“背反射”的要求，而使用反射式光栅技术要达到这些要求相当困难，因为在此类技术中，装置中都包含一个基本布置，旨在对直接反射回输入光纤的高强度光进行优化。

此外，如果要使用多个衍射级，以使同一个波长在分光计中以若干不同的角度出现，则存在第二衍射级强度极弱(低至无穷小量)的可能性。因此，诸如集成式解复用器信道监测器等产品在第二衍射级信道中得到差而且可能不足的响应度。

目前，在光通信系统中使用的波长分离装置的性质基本上都属于透射类，例如采用阵列式波导光栅或薄膜滤光器，其中没有因为直接从光学元件反射回光线而导致强的干涉。

本发明的一个目的是提供一种复用器/解复用器，其输入和输出端口依照光栅刻面衍射包络线优化布置，以使对输入端口的背反射最小，而由不同衍射级采集的输出光最强，以克服现有技术的缺点。

理想情况下，即使激光波长有小波动，复用/解复用系统也能够一贯地发挥作用，这要求复用器/解复用器设计有频域内的平坦通带。

目前对阵列式波导光栅(AWG)和阶梯光栅刻蚀波导分光计均存在多种设计，它们用于光通信领域的光学复用/解复用或光信道监测器/性能监测器(OCM/OPM)。常规情况下，分光计单元的平坦通带性能的实现是以较高的插入损耗为代价，具体是将通带形状由理想的窄峰高斯频带形状退化，基于波导的装置中的分光计普遍采用此方式。频带形状的退化方式是，加宽分光计单元入口或出口处的光学孔径，和/或对干涉元件引入像差，例如散焦、彗形像差、球形像差等。即使对于理想的设计，平坦通带顶部具有窄带截止的情况会在仅靠分光计透射时发生。此外，通带平坦化不会导致现有设计发生暂时窄化。

使用常规的基于光栅的装置，例如在2001年10月2日授予Jian-Jun He的6,298,186号和2001年2月13日授予Han等人的6,188,818号美国专利中所披露的装置，平坦通带性能只能通过牺牲每个信道峰值处的传输才能获得。此外，在时域中没有伴随频域中通带平坦化的脉冲缩短情况。

因此，本发明的一个目的是提供一种复用器/解复用器，它包含一对光栅，其被顺序使用以使经第一光栅发出的光在系统的第二光栅中形成入射角循环偏移量，以此克服现有技术的缺点。

发明内容

相应地，本发明涉及一种双级式滤光器平面光波电路装置，用于从系统波导接收第一和第二输入信道并将输出信道传输至系统波导上，它包括：

激光发射器，用于传输输出信道；

非衍射式滤光器，它有第一通带，用于将输出信道复用到系统波导上，并将第一和第二输入信道与输出信道分开；

衍射光栅滤光器，用于对第一和第二输入信道进行解复用，第一输入信道和第二输入信道均具有比第一通带窄的第二通带。

衍射光栅滤光器包含输入端口，用于接收第一输入信道和第二输入信道；衍射光栅，接收以某个入射角发送的第一输入信道和第二输入信道；以及第一输出端口和第二输出端口，用于从衍射光栅滤光器分别输出第一输入信道和第二输入信道。

双级式滤光器平面光波电路装置还包含分别被光耦至第一端口和第二端口的第一输出波导和第二输出波导，分别用于传输第一输入信道和第二输入信道；以及

分别被光耦至第一输出端口和第二输出端口的第一光电检测器和第二光电检测器，用于将输入信道转换为电信号。

相应地，本发明涉及一种平面波导光学装置，它包括：

输入端口，用于发射由多个光信道组成的输入光信号；

反射式波导衍射光栅，用于将光信号分散至衍射包络线，该衍射包络线具有主衍射峰、多个较高级衍射峰以及其间的多个衍射谷；以及

第一组多个输出端口，输出所述光信道；

其中，所述输入端口位于所述衍射峰之一处，以限制由反射式波导衍射光栅反射后重新进入输入端口的光线量。

本发明的另一方面涉及一种平面波导光学装置，它包括：

输入端口，用于发射由多个光信道组成的输入光信号；

反射式波导衍射光栅，用于将光信号分散至衍射包络线，该衍射包络线具有主衍射峰、多个较高级衍射峰以及其间的多个衍射谷；以及

第一组多个输出端口，沿主衍射峰布置，用于输出所述光信道；

本发明的另一方面涉及一种平面波导光学装置，它包括：

输入端口，用于发射由多个光信道组成的输入光信号；

反射式波导衍射光栅，用于将光信号分散至衍射包络线，该衍射包络线具有主衍射峰、多个较高级数衍射峰以及其间的多个衍射谷；

第一组多个输出端口，用于输出所述光信道；以及

第二组多个输出端口，沿较高级衍射峰中的一个布置，用于从其输出光。

相应地，本发明涉及一种光信道解复用器装置，用于将输入光信号分至多个具有给定信道间隔的输出信道带中，它包括：

输入端口，用于以给定信道间隔发射包含多个光信道带的输入光信号；

第一光栅，它有基本上等于给定信道间隔的第一级FSR，用于将每个光信道带基本分散在相同的输出角范围；

第二光栅，它有第二级和第二FSR，用于从第一反射光栅接收光信道带，以相同的输出角引导光信道带之一内的每个波长的光，以及以不同的输出角引导每个光信道带；以及

多个输出端口，用于输出多个光信道带中的各个信道带。

本发明的另一方面涉及一种光信道复用器装置，用于将多个输入信道带以给定的信道间隔合并到一个输出信号中，它包括：

多个输入端口，用于输入多个光信道带中的各个信道带；

第一反射式光栅，它有第一FSR和第一级，用于从其相应的输入端口以不同的输入角接收每个光信道带，以及将每个光信道带基本引向相同的输出角范围；

第二反射式光栅，它有第二级和基本等于给定信道间隔的第二FSR，用于将每个光信道带合并为输出信号；以及

输出端口，用于输出输出信号。

附图说明

下文将参照附图对本发明进行更为详细的介绍，这些图代表其中的优选实施方式，其中：

图1示出一种常规的基于薄膜滤光片的单纤三向器件；

图2示出一种常规的基于薄膜滤光片的单纤三向器件，它使用一个半导体基片；

图3示出一种常规的反射式衍射光栅；

图4示出一种根据本发明给出的衍射光栅；

图5示出一种根据本发明给出的反射式凹面衍射光栅PLC滤光器；

图6示出一种根据本发明给出的双级式滤光器；

图7示出图6中滤光器第二级的输出光谱；

图8示出图6中滤光器第一级的输出光谱；

图9是一个反射式衍射光栅的输出角与频率关系图；

图10是一种根据本发明给出的双光栅负色散复用器/解复用器的顶视图；

图11示出一种图10装置中第二衍射光栅的输入角与频率、输出角与频率的关系图；

图12是图10装置中第二衍射光栅的角误差与频率的关系图；

图13示出根据本发明给出一种包括平面波导反射式衍射光栅的光学装置的替代实施方式，其输入波导位于衍射包络线的极小值处；

图14示出对图13装置从中心刻面得到的一条衍射包络线；

图15示出根据本发明给出一种包括平面波导反射式衍射光栅的光学装置的替代实施方式，其输入波导位于衍射包络线的极小值处，第一组输出波导和第二组输出波导则位于衍射包络线的极大值处；

图16示出在输入波导物理上位于输出波导附近情况下的光谱；

图17示出在输入波导已被置于第三衍射包络线极小值处情况下的光谱。

具体实施方式在平面光波电路(PLC)衍射光栅设计中主要考虑的一个问题是反射与侧壁刻面F和S的工艺性。进一步而言，迄今为止对刻面可制造性的一个主要限制就是光刻分辨率的限制。典型的光刻工艺的分辨率限制在0.5-1.0μm范围内，因此用光栅实现合理性能的最低要求是反射刻面尺寸F必须大于此分辨率，比如说2.5-5μm或者更大尺寸。

在图4中，假设输入角θ_in和输出角θ_Nout分别相同，以简化光路径。此假设仅用于简化对刻面几何形状的数学处理。相应地：

F≈Λcosθ_in；而且                     (6)

式(1)简化为

mλ≈2Λsinθ_in                        (7)

综合式6和7得到

$F\≈\frac{\mathrm{m\λ}}{2\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}}---\left(8\right)$

由图1可知：

$\frac{S}{F}{\≈\tan \mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}---\left(9\right)$

历史上不可避免地采用了45°至65°的入射角和输出角，导致光栅刻面纵横比F/S约为1(见图3和式9)。对于DWDM应用，在1550nm波长下，由式(6)可知，10-17μm的反射面F和非反射面S刻面尺寸都可以容易地由现有技术获得。这使得光栅刻面F可以加工，但要以大的非反射刻面(或侧壁)S为代价，导致与偏振相关的损耗。在现有技术中，刻面尺寸变化也通过改变衍射级m，即调整式(8)的分子来实现。

通信网络已从DWDM演变为CWDM和FTTH网络。后两种网络体系结构的信道跨越大的波长范围，从～1250nm到～1630nm。这种宽范围不能通过高衍射级装置实现，而且经常需要级数低至1。现有技术的实践者不了解或没有利用式(8)。在较低的衍射级m和45°至65°的工作角θ_in和θ_out下，对平面波导衍射光栅得出的刻面尺寸F过小，在实践中难以制造。现有的基于平面波导衍射的装置包括AWG和阶梯光栅。它们都依赖于较高的衍射级；因为引导路由的缘故，AWG需要高级数工作，阶梯级数则采用高级数来保持更容易制造的较大的刻面尺寸。因此，现有技术在对平面波导平台中的CWDM或FTTH网络体系结构进行寻址方面有着固有的局限性。

本发明认识到了式(8)的重要性，特别是可以通过分母的角关系来增大光栅刻面纵横比F/S。由于减小了散射角，刻面尺寸会随tanθ_in呈线性增大。此外，发明人还认识到，刻面纵横比F/S增大可使装置的与偏振相关的损耗改善，自由光谱区也更大。例如，在硅基二氧化硅(silica-on-silicon，SoS)技术中，衍射级小于等于5(对CWDM或FTTH网络可得出最小的实用自由光谱区)、在1550nm波长下，反射刻面F的尺寸要超过5.0μm，将要求F/S被增至3以上，这可以通过将散射角减小至大约25°来实现。这样，本发明包括具有非反射刻面(或侧壁)的反射比率至少为3的所有平面波导衍射光栅设计。其他平面波导材料包括硅石、氮氧化硅、氮化硅、绝缘体上外延硅或磷化铟。

PDL的量主要取决于纵横比F/S和非反射刻面的长度S。常规阶梯设计的纵横比为～1，并受到与侧壁相关的PDL的很大影响；然而，对于超过3的F/S，非反射刻面对PDL的影响要小得多。进一步增大F/S，可以设计出非反射式光栅刻面尺寸S小于或等于被发射光波长的可制造刻面，如S≤3000nm，优选≤2500nm，更优选≤2000nm，且最优选≤1550nm。对于这种光栅，光与金属化侧壁的相互作用长度如此小以使装置的无PDL运行成为可能。

因此，当我们讨论tan(θ)小，即实现1/3的比率或θ＜25°的范围时，我们可以减小与侧壁相关的PDL。

从可制造性角度看，如果反射刻面F大，尽管光刻分辨率受限制，刻面本身也能够被忠实地复制。较小的非反射刻面S将不可能被忠实地复制，而是被略微变圆，但光栅性能不受影响。现有技术的实践者无疑已经认识到节距按照式(1)对散射进行控制。然而，很常见的是让光栅的节距等于反射刻面(图3中的侧壁S)之间的法向距离。按照这一观点，对侧壁S的扭曲可以与对节距的变形等效。这是一种错误的概念，实际上节距由式(6)给出。与直觉相反的是，节距是随F增大，而非S。本发明的发明人认识到了这一事实，可以增大纵横比，即减小S/F，如式(9)所示，而没有影响节距的风险。实际上，光栅复制的保真度不仅受光刻技术的限制，还受掩模本身特征精度的限制。此限制比光刻分辨率要小若干个数量等级(100倍)。

综合式(8)和(9)，我们发现：

$S\≈\frac{\mathrm{m\λ}}{2}---\left(10\right)$

因此，通过选择较小的衍射级数(m＝3、2或1，在必要情况下)，几乎可以消除PDL，因为侧壁尺寸S会小于波长。

在图4和图5所示的优选实施方式中，色散PLC滤光器19包含凹面反射式衍射光栅20，它在芯片22内给出的平板波导21的边缘上形成。输入端口由波导23的某一端确定，它由芯片22的边缘延伸至平板波导21，用以传输包含多个波长信道(λ₁，λ₂，λ₃...)的输入波分复用(WDM)信号。衍射光栅20如上参照图4规定，其纵横比(F/S)大于5，侧壁长度S小于或等于波长信道(λ₁，λ₂，λ₃...)的平均波长。输入波导23的位置要确保入射角θ_in小于45°，优选小于30°，更优选小于15°，光栅节距Λ的选择要确保光栅20可以实现5级或更小级别的衍射。衍射光栅20将输入信号色散为其各种组成波长，并将每个波长信道会聚在以输出波导25充当的独立输出端口上，其端部沿罗兰环所定义的光栅20的焦线26布置，以便传输回芯片22的边缘。所示装置也可被用于复用几个波长信道、将波导25输入到一个输出信号中，再经输入波导23传出至芯片22的边缘。输入端口和输出端口表示在平板波导21上的位置，在这些位置，光可以被发射或捕获；而这些端口可以与其他传输装置进行光耦合，或被简单地阻塞。

以下是使用上述光学装置的具体例子：

θ_in＝5°        5°        5°          6°

m＝1             2          3            2

λ_avg＝1550nm    1550nm     1550nm       1550nm

Λ＝8892nm       17784nm    26676nm      14828nm

F＝8858nm        17716nm    26574nm      14747nm

S＝775nm         1550nm     2325nm       1550nm

F/S＝11.4        11.4       11.4         9.5

对于高速信道或单纤三向器件，相应的通带100nm的激光，和～20nm的检测器信道。这样的装置要采用单衍射结构并不切实际，因为各个信道要共享公共的物理色散。假设已选择了分光计板条区，以便以最小的合理引导波导宽度来处理光栅输出处的20nm通带。100nm通带信道所需的波导宽度应足够大，以支持无数种模式，如果此信道需要可逆路径，就将形成对制造公差具有高敏感度的装置。

参照图6，依据本发明的双级式滤光器包括非色滤光器31、色散滤光器32、激光源33和在平面光波电路(PLC)芯片36内形成的第一光电检测器34和第二光电检测器35。当检测器信道中的一个被省略时，可提供单个的光电检测器34。非色散滤光器31优选为波长选择定向耦合器，即特定宽度、间距和耦合长度的两个平行波导，它将接收器信道与激光信道分开。作为替代方式，非色散滤光器31可以是与波长相关的模态干涉(MMI)滤光器或与相位相关的波长分光器，例如一台设计用以分离波带的MachZehnder干涉仪。除单级耦合器之外，可以使用多级耦合器或MMI，它们可以提供比通常由单级滤光器生成的通带更平坦的通带，这使信道外边缘处的插入损耗稍有改善，而在此处单级滤光器的通带将开始变窄(roll off)。

激光源33沿波导41将数据信道传输至非色散滤光器31，后者将数据信道复用至输出波导42上。系统波导43(如光纤)被光耦至PLC芯片36边缘处的输出波导42。监测器光电二极管46可以置于最接近激光源33背刻面的位置；而本发明的结构允许将监测器光电二极管46置于激光源33上游，激光源33经抽头耦合器(tap coupler)47被光耦，后者分出激光的一小部分(2％)。背刻面监测器对激光器产生的光进行测量，但不是实际耦合至波导41，即进入PLC芯片36的光；而下游光电二极管46可以直接测量已被耦合至波导41中的光。

检测器信道必须通过滤光器的两级，即非色散滤光器31和色散滤光器32，并由基于光栅的色散滤光器32处理。色散滤光器32最好类似于色散滤光器19，如图5中所示，包含凹面反射式衍射光栅50，其焦线56优选由罗兰环确定。如上所述，在非色散滤光器31与色散滤光器32之间延伸的发射波导53的位置应确保入射角θ_in小于45°，优选小于30°，更优选小于15°。此外，衍射光栅50的节距Λ选择要确保衍射光栅50提供5级或更小级数的衍射。

典型的基于光栅的解复用器会显示出相对较窄的通带，它们难以如双向收发器应用的要求而变宽、变平。对此，本发明在输出端口沿焦线56包含有多模输出波导51和多模输出波导52。多模波导51和多模输出波导52支持无数种模式集合，用于对光栅输出的光谱响应进行平坦化处理，如图7所示。另一种替代方案是，第一输出波导51和第二输出波导52分别包含与第一端口和第二端口相邻的多模段，以及一个远程的单模段，用于向衍射光栅滤光器31提供平坦化的光谱响应。波导51和波导52将光从输出端口分别引至第一光电检测器34和第二光电检测器35。

本发明通过加入双级滤光器为检测器信道和信号信道实现变化的通带，其中的激光信道与检测器信道相隔离，后者被进一步使用高分辨率的色散元件进行解复用。因此激光信道的通带就由滤光器的第一级确定，例如具有波长选择性的定向耦合器31，而检测器信道的通带则主要由滤光器的第二级确定，例如基于光栅的色散元件32。定向耦合器31可被设计为易于覆盖100nm的通带，如图8所示。光栅对检测器信道进行进一步的处理。

如图7和图8中所示，较窄的传输通带用于检测器信道，而激光信道则很宽。1490nm和1552nm处的检测器信道会经过滤光器的两个级，它们会被色散滤光器32色散为较窄的带。色散滤光器32中所使用的输出波导51和输出波导52可以使通带变得非常平坦且宽，可跨越所感兴趣的整个范围。1310nm辐射仅在经过滤光器的第一级后即被提取，例如具有波长选择性的定向耦合器，其损耗极低。在损耗方面，激光信道远优于其他单纤三向器件滤光器，在其他的单纤三向器件滤光器中，激光信道必须通过一个或几个基于光栅的元件。这里的双级式结构可以确保从激光源33到第一光电检测器34和第二光电检测器35没有直接路径，而两个信道总是反传播的，使激光源33与第一光电检测器34和第二光电检测器35之间实现非常高的隔离度。隔离度较标准光栅的30dB的典型水平有显著提高，可以超过某些客户所要求的50dB规范。

重新整理式(1)得到输出角与光频率的关系，得：

${\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{mc}}{\mathrm{fn\Λ}}-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}---\left(11\right)$

参照图9，输出角随光频率平稳单调变化。如果衍射光栅针对锐利成像设计，而输入和输出孔径可被准确地确定，则此光栅装置的光学通带形状将是窄通带形状，实际上在峰值处没有插入损耗。在传统设计中，通过使光栅变形或使光学孔径加宽来将通带变宽，使得在频率扫掠时，输出孔径上的响应迟钝。结果可以是一个扁平并可能是侧面锐利的通带，其代价是峰值处有插入损耗。

由式11可见，对于给定的光频率，通过改变输入角可以使输出角变化。实际上这是一个粗/细折射率误差校正要素，用于标准的基于阶梯光栅的光学解复用器和OCM/OPM。同样，由式1得出，对于给定(固定)的输出角，光频率(或波长)可以随输入角变化。

通常，随着光频率在ITU栅格信道的通带上变化，通常光的输出角将会变化(如图9)，而光将扫掠经过输出波导。然而，如果可以使输入角按相反方向变化，即引入一些频率不敏感性，则可以将输出角保持固定在适当的位置。为了可以用作复用器/解复用器，在调谐至ITU栅格上的下一频率之前，光必须投射到下一个输出波导上，在新的通带上对频率变化的不敏感性不变。

按照本发明，引入了角与频率的关系，如图9所示，但其图案会以受控周期进行重复，例如在采用ITU栅格间隔时为每100GHz。为此，在图9的第一衍射光栅之前加入第二衍射光栅，它具有所需周期的自由光谱区(FSR)，如100GHz，其所选择几何形状可实现所需的角度变化。

将式(1)重新整理为频率表达式，并减去同一输入/输出角组合的连续衍射级的频率，差值为恒定频率(忽略折射率随光频率的变化)，它就是光栅的FSR。

$f=\frac{\mathrm{mc}}{\mathrm{n\Λ}(\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}+\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}})}---\left(12\right)$

$f_{m+1}-f_m=\mathrm{FSR}=\frac{c}{\mathrm{n\Λ}(\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}+\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}})}=\frac{f}{m}---\left(13\right)$

给定FSR所需的衍射级数由下式给出：

$m=\frac{f}{\mathrm{FSR}}---\left(14\right)$

对于FSR为100GHz、中心频率f为194.0THz的情况，所需的级数m＝1940。随着频率相对进行FSR计算的点发生实质性偏移，波导材料的折光率色散将导致FSR发生微小误差。通过微调衍射级可以容易地对此进行补偿。

对于类似的几何形状，光栅刻面尺寸将会按级缩放。而衍射级较低(m～20)的标准解复用器的刻面尺寸为～10μm，高衍射级数的光栅的刻面尺寸为～1mm。

为了理解对频率不敏感的设计如何工作，可想象采用罗兰环几何形状的高级数(FSR＝100GHz)光栅分光计。为了计算方便，将高衍射级数的分光计的输出角选择为与标准级数(m～20)设计中所使用的输入角相同。我们安置高级数分光计罗兰环以使此分光计的输出位于标准分光计的输入处。对光栅和高级数分光计输入进行布置以使从高级数分光计到标准分光计的光耦合达到最优化。输入角和输出角，以及光栅几何形状的选择都仅是为了计算的方便。

参照图10，一个包含多个光信道带的WDM光信号在平面光波电路芯片110边缘处被输入至光学波导109，然后在输入端口112处进入第一平板波导111。第一凹面反射式光栅113具有相对较高的级数，例如大于1000，优选大于1500，更优选大于1800，而FSR相对较小，例如基本与待输出光信道带的信道间隔相同。由于FSR较小，第一光栅113将每个信道带色散在同一个输出角的小范围内，经孔径114进入第二平板波导116。第二凹面反射式光栅117位于与第一反射光栅113面对面相对的第二平板波导116的一侧。第一反射式光栅113和第二反射式光栅117具有光功率，它们将光沿罗兰环118所确定的同一条线会聚。第二反射光栅117的级数比第一反射光栅113低得多，例如小于100，优选小于50，更优选小于25，而FSR则大得多，例如比第一光栅的FSR大10倍，它被设计为针对每个信道带将输入角的小范围(对应于第一光栅113输出角的小范围)转换为一个输出角，即对于波长的小范围，第二光栅117的输出角保持相同。相应地，单个信道内波长带中每个波长将被精确地引导至输出端口，如输出端口119a，119b，119c上的同一点，该端口对应于某个输出波导，如输出波导120a，120b，120c。当下一个信道带与第二光栅117相遇时，频率已经增大，但输入角返回此范围的低端，结果使第二光栅117的输出角变化。在新信道带中，第二光栅117的新输出角将对所有波长保持固定，该信道带被输出至第二输出端口，如输出端口119b。其他如光纤等波导被安装至平面光波电路芯片110的边缘，用于传输光信号。

此装置也可以以相反方式使用，用于将多个输入光信道带复用为一个输出信号。在此情况下，第二反射式光栅117以不同的输入角接收每个信道带，第二反射式光栅117将该信道带转换为以同一小范围的输出角通过孔径114传输。之后第一反射光栅113将小范围的输入角转换为一个输出角，从而将所有信道组合到一个输出波导109上。

在这种双光栅结构中，随着输入频率的调整，第一分光计的输出角将按照第二光栅的理想信道间隔(即输入信号和输出信号)以循环方式变化。如果第一分光计的几何形状和刻面间隔选择适当，则图案将每100GHz(或其他所需的信道间隔)重复一次，输出角的变化会转化为第二分光计输入角的变化。输入角随光频率的变化在每个信道的波长带中对所有波长提供恒定的输出角，从而将输出图像接近精确地固定在指定输出波导上。参照式11，第二光栅117的设计可确保输入角θ_in的变化能补偿频率f的变化，从而在信道带给定波长范围内提供恒定的输出角θ_out。对于下一个信道带，频率会保持增加，但输入角θ_in将返回重复范围的低端，这将使下一信道有一个新的θ_out。

实际上，由于硅石的折光率色散，即折光率随光频率变化，第一分光计113的输出不会精确地以100GHz为周期循环，导致当频率在整个ITU栅格内调整时输出角逐渐漂移。这种漂移可以被部分补偿，方法是针对固定的输入孔径位置，将第二分光计117的输出端口119a和119b相对于其通常位置进行重新定位。此外，如前所述，可以对第一光栅7的衍射级数进行修改，以便将此周期调节为所需的值。

图11示出第二分光计117的输入角θ_in(即第一分光计113的输出角θ_out)与频率的接近周期性的关系，以及第二分光计117的输出角θ_out对光频率的阶跃响应。折射率色散为

n＝1.452061-1.342485×10^-5(λ-1545)

其中λ在这些计算中以纳米为单位。

图11以图形方式将对第二光栅117的输入角和第二光栅117的输出角作为光频率的函数，示出输入角的周期性以及得出的输出角的阶跃响应。

折射率(二氧化硅波导)与波长的细微相关性导致在C带的宽频率范围内可以基本观察不到第二分光计117的平均输入角的偏移；然而通常第二分光计117的输出角会呈现出预期的阶跃性能，即在每个ITU栅格的较大部分上，阶变几乎呈现不出斜率。硅基二氧化硅设计中，典型波导模式的角的含量(angular content)将类似几度的幅度上。如果耦合进入这些输出波导的角可以被固定在此模式角含量的一个小部分内，则耦合将保持不变。

图12示出了整个栅格内输出角相对其平均位置的偏差。由此图可见，输出角实际上是被固定在其所需的平均位置两侧2毫度范围内。输出波导之间的实际间隔约为15μm，因此第二光栅输出位置的实际误差将对应于～0.3μm。

依据本发明提出的双光栅减色散设计已经在时域和频域中都体现了优越性。而在具有经过良好优化的窄(高斯)通带的标准单光栅设计中，当在时域和频域之间变换时，频率的改善会受到限制。变宽的瞬时脉冲会出现，因为从输入经光栅近端边缘到任何输出的光路径与经过光栅远端边缘的路径相差一个非零长度，这表示存在变宽的脉冲。如上所述，平顶通带通常通过对光栅引入像差或增大输入或输出孔径获得；然而，这些解决方案都不能及时减小光在经过光栅的不同路径中的传播，即标准的平顶设计不会使瞬时响应变窄。在依据本发明的双光栅减色散配置中，沿第一光栅113至第二光栅117输入的一条短路径传播的一束光将会沿一条长路径从第二光栅117传播至第二光栅的输出端口119a。反之对于起初从第一光栅113沿长路径传播的光，之后它会走短路径。其结果是，在频域加宽的同时实现了时间压缩。相应地，负色散双光栅装置可以在比标准设计的扁平通带装置高得多的数据比特率下应用。

图10中所示的两光栅均以罗兰环形状工作的装置是为简化计算而提供的第一种实施方式的示例；但还有其他可能更合适的方案供选择。一种方案是将第一光栅设计成一个更适于沿第二光栅罗兰环的一条弦成像的形状，罗兰环中心针作为第二光栅的输入。第二种方案是制作第一光栅来准直其衍射光，即成像至无限远处，而第二光栅采用相同方式构造，以重新会聚其衍射光。

第一光栅的输出将需要被第二光栅高效地采集。与此同时在第一光栅和第二光栅之间需要某种形式的孔径，因为将有来自多个级的光从靠近第二光栅预定输入的第一光栅发出。大部分孔径的将被简单地实现，是由于大级数的光栅刻面形体很大，从而导致第一光栅的衍射包络线变窄。如果闪耀适当，则仅有预定的衍射级会以任何合理的强度到达第二光栅上。为防止级间交迭导致第二光栅光谱混乱，也需要孔径来限制从第一光栅到第二光栅的角度范围。

负色散分光计对也可以采用AWG来设计；然而在此情况下大FSR的第一分光计在相位控制方面会有许多缺点。对于基于刻蚀光栅的装置，刻面形状是一个AWG不能直接模拟的参数，即在大FSR的第一光栅发出辐射时，可以采用直形、圆形、抛物线形、椭圆形或其他刻面形状来控制辐射的相位。

双光栅装置的总传输量(即任何通带的高度)可以非常高。衍射光栅被设计为在受限角度区域内是象散的并对该区域闪耀的效率可以达到～0.5dB的额外损耗。对于光栅对装置，～1dB的理论插入损耗并不出乎意料。传统的信道平坦化技术经常需要超过其两倍的损耗来获得差得多的性能。通带的锐度，即通带两翼的陡峭程度，可以通过窄化给定光学波导模式宽度所覆盖的频带宽度加以提高。实现这一目的的一种简单方式是增大第二光栅系统的罗兰环的直径，更一般地讲，即增加第二光栅系统的物理色散。第一光栅系统也需要作适当改变。通带的宽度仅由上文刚刚提到的孔径加以限制。对于一个40信道，100GHz设计，应该可以实现～40-50GHz的宽度。根据两翼的陡峭程度，这些数值可以表示-0.5dB、1dB和-3dB的宽度，它们每个都处于几千兆赫兹范围内。

双光栅配置的性能可预期达到近变换极限(near transform-limited)，从而可以在高于标准平顶设计允许值的比特率上提供良好的光学性能。

本发明可被用来制造高传输量、超平超窄通带、高比特率兼容的复用器/解复用器。本发明适用于DWDM、CWDM、1310/1550nm分光器、梳状滤光器或光信道监测器，所有这些均需要正确选择第一光栅和第二光栅的衍射级。

光栅的衍射效率是单个刻面衍射包络线的相干叠加。多数刻面的位置控制着从光栅发出的特定波长的光的模式形状，而单个刻面的尺寸则控制着不同角度/波长的不同模式的相对强度。此衍射包络线本质上是一个(sin(x)/x)²强度分布。通过认真选择在衍射包络线极小值处对分光计输入的位置，并使所需的输出以该分布的极大值为中心，应该可以实现分光计输出的最佳透射率和向分光计输入的反射光最少。

如果次衍射级与主衍射级同时被采用，则需要将第二输出置于衍射包络线的其他极大值处，这样可以改善在第二输出处采集到的信号，同时可降低第二信号强度对光栅刻面方向微小变化的敏感程度。

对光栅刻面衍射包络线的极小值和次(或较高)极大值的有目的的利用是新近的事。一种清楚地使用这些极小值或极大值的设计通过整体考虑光栅性能来安置光栅分光计的输入和输出。

参照图13，一种简单的光学解复用器设计有一个输入信道221和四个输出信道222a-222d，用于粗波分复用(CWDM)。一个由中心波长λ₁-λ₄确定的具有多个光信道的光信号经输入信道221发射至要入射到光栅224上的平板波导区223。光栅224根据波长对光信道进行色散，其中λ₁-λ₄的每个光信道被输出信道222a-222d之一采集。

图14中示出图13装置从中心刻面开始的衍射包络线。请注意高级数主极大值231和多个较高级数极大值232和它们之间的极小值233。通过将输入波导221移至衍射包络线的极小值233，回光强度会大大降低。此外，通过将输出信道222a-222d移至主极大值231或至少较高级数极大值232，所透射的光将被最大化。很明显，优选将输入波导221和输出波导222a-222d置于极小值233和极大值231上。

参照图15，由于衍射包络线的位置、光栅241的设计以及输入端口242的位置都是相关的，故解复用器装置240的设计是一个从光栅241设计开始的迭代过程，通常是为衍射包络线提供足够数量的较高级数极小值和极大值。光栅241最好采用凹面反射式光栅，如上参照图4和图5所述，其焦线沿罗兰环243布置。接下来，选择输入端口242的初始试验位置，对得到的衍射包络线进行分析。假设输入端口242未被正确置于所需的较高级数极小值处，则会选择第二试验位置。此过程会继续，直至输入端口242与所需的较高级数极小值相匹配。现在可以基于主级数极大值选择主输出端口244(如第n级)，基于较高级数极大值的位置(如第n-1级)选择第二输出端口246，它被光耦至输出波导247(如用于由光电检测器组成的光信道监测检测器阵列248)。理想情况下所有输出端口244和246均沿着由罗兰环确定的光栅241的焦线243布置。

图16示出一种情况下的光谱，其中输入端口242实际位于输出端口244附近，使输入端口242落在主衍射峰内某处，这对于基于阶梯光栅的解复用器是非常典型的情况。回光信号的强度251可以与主输出信号的强度252相比较，可能导致电信级光学元件所不可接受的非常强的回波损耗。一个类似的光谱被计算出并被示于图17中，图中输入端口242已被置于第三衍射包络线极小值处。请注意，沿输入信道返回的光的强度253减小近240dB。

输入信道中部的快速下降是衍射包络线在输入端口242自身跨度内显著最小化的结果。

第二组输出端口246位于较高级数的衍射包络线极大值232处，见图14，用于采集重复信号，与经主输出端口244对进入主输出波导244a的光的采集并行进行，这在作为集成式解复用器/光信道监测器时尤其有用。在此情况下，主解复用器输出端口244将适合于主衍射包络线极大值231的区域，而波长相同但光栅241衍射级不同的第二输出端口246(如信道监测器波导)将适合于一个次级或较高级衍射包络线极大值232的区域。相应地，对解复用器每个信道λ₁-λ₄内光功率的监测可以通过测量耦合至不同级的光来完成，而不是通过插入抽头耦合器后对该光信号进行解复用/监测的方式。

Claims (20)

1.一种光信道解复用器装置，其用于将输入光信号按给定的信道间隔分为多个输出光信号带，它包括：

输入端口，其用于发射输入光信号；

第一光栅，其具有第一级和基本上等于给定信道间隔的第一FSR，用于将每个光信号带分散在一个相同的输出角范围上；

第二光栅，其具有第二级和第二FSR，用于从所述第一反射光栅接收光信号带，并以相同的输出角引导每个光信号带内的每个波长，以及以不同的输出角引导每个光信号带；以及

多个输出端口，用于输出所述多个光信号带中的各个信号带。

2.根据权利要求1中所述的装置，其中所述第一和第二光栅均为反射式光栅。

3.根据权利要求2中所述的装置，其中所述第一和第二光栅均为具有确定第一和第二焦线的光功率的凹面反射式光栅。

4.根据权利要求3中所述的装置，其中所述第一和第二光栅面对面放置在一对相互连接的平板波导的相对侧。

5.根据权利要求4中所述的装置，其中所述第一和第二焦线形成公共焦线。

6.根据权利要求5中所述的装置，其中所述公共焦线为罗兰环。

7.根据权利要求6中所述的装置，其中所述输入和输出端口沿所述公共焦线布置。

8.根据权利要求7中所述的装置，还包括从所述输入和输出端口中的每一个延伸出的波导。

9.根据权利要求8中所述的装置，其中所述第一和第二反射式光栅以及所述平板波导对形成平面光波电路。

10.根据权利要求4中所述的装置，其中所述第二焦线确定罗兰环；并且其中所述第一焦线确定以所述第二光栅为中心的所述第二焦线的弦。

11.根据权利要求4中所述的装置，其中所述第一光栅对所述输入光信号进行准直。

12.根据权利要求1中所述的装置，其中所述第一级数大于1000；而所述第二级数小于100。

13.根据权利要求1中所述的装置，其中所述第二FSR至少比第一FSR大10倍。

14.一种光信道复用器装置，用于将多个输入光信号带按给定的信道间隔合并为一个输出信号，所述装置包括：

多个输入端口，其用于输入所述多个光信号带中的各个信号带；

第一反射式光栅，其具有第一FSR和第一级，所述第一反射式光栅用于以不同的输入角接收来自其相应输入端口的所述光信号带中的每一个，以及将每个光信号带基本引至相同的输出角范围上；

第二反射式光栅，其具有第二级和基本等于所述给定信道间隔的第二FSR，所述第二反射式光栅用于将每个光信号带合并入所述输出信号中；以及

输出端口，其用于输出所述的输出信号。

15.根据权利要求14中所述的装置，其中所述第一和第二光栅均为具有确定第一和第二焦线的光功率的凹面反射式光栅。

16.根据权利要求15中所述的装置，其中所述第一和第二光栅在一对相互连接的平板波导的相对端面对面放置。

17.根据权利要求16中所述的装置，其中所述第一和第二焦线形成一个公共焦线。

18.根据权利要求17中所述的装置，其中所述公共焦线为罗兰环。

19.根据权利要求14中所述的装置，其中所述第一级数大于1000；而所述第二级数则小于100。

20.根据权利要求14中所述的装置，其中所述第二FSR至少比所述第一FSR大10倍。

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