CN101042454A

CN101042454A - 光码分多址编解码器及其制造方法

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Publication number: CN101042454A
Application number: CNA2006100343810A
Authority: CN
Inventors: 马君显
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-09-26

Abstract

本发明涉及一种光码分多址编解码器及其制造方法，其中，该编解码器包括平面光波导，该平面光波导内集成有依次串联的多个光延时线和多个光栅。通过在平面光波导上集成光延时线和光栅形成光编解码器，可在大幅度提高编解码器的码字容量和编解码速率的同时，大幅度增强器件稳定性、减少器件尺寸和降低成本。

Description

光码分多址编解码器及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及一种光码分多址(Optical CDMA)编解码器及其制造方法，特别涉及一种基于平面波导的光码分多址编解码器及其制造方法。

【背景技术】

现有基于时间/波长双自由度的光码分多址(CDMA)编解码器在原理上一般采用光纤光栅和光纤延迟线的结合实现编码，即采用特定的光纤光栅选定符合码字波长特征的光信号，再用光纤延迟线对于所选定的光信号脉冲按照码字的时间特征进行一定的时间延迟，从而实现二维编码。

如图1所示，现有基于时间/波长二维光CDMA编码器1的基本结构为具有一个节点的树型结构。其中，树干11既为输入也为输出端，由单根光纤构成。树干11与呈放射状结构的支路通过节点12连接，支路的数量m等于编码波长的个数。各支路中分别包括一段特定长度的光纤延迟线131、132、...、13m和一个特定波长的光纤光栅151、152、...、15m组合而成，光纤延迟线131-13m的主要作用是对于编码光脉冲产生时间延迟，其关键参数是总长度；光栅151-15m的主要作用是选出符合码字波长参数的光信号，其关键参数是对于特定波长的反射系数。光栅151-15m与光纤延迟线13可通过连接点接合，光栅151-15m位于光纤延迟线131-13m的末端。光栅151-15m和光纤延迟线131-13m可选用符合编码要求的商用器件；连接点可采用商用光纤连接器活动连接，也可直接用光纤熔接机进行永久性熔接，而连接多个支路的节点12可以采用商用1×m光纤功率耦合器，该耦合器与光纤延迟线131-13m的连接同样可以采用活动连接或者熔接。位于支路末端的光纤光栅151-15m的作用如同一个反射式的窄带(光学波长)带阻滤波器，可将特定波长的光信号反射回支路结构的节点12。这样，特定波长的光脉冲信号，或者说特定波长的码片经由光纤光栅151-15m选出后，经过相应长度的光纤延迟线131-13m来回两个光程的时间延迟，再回到节点12。编解码器1在节点12处汇总得到的背离节点方向的光信号脉冲流即为编码信号。

上述光CDMA基本编解码器结构及其制作方法存在下列不足：(1)这种由分立元器件组合而成的编解码器结构，在光纤光栅与光纤延迟线之间以及光纤延迟限线与功率耦合器之间必然存在连接，这种连接无论是采用光纤活动连接器还是采用光纤熔接机直接熔接均无法避免功率损耗。由于上述树状结构的每个支路分别对应于不同波长的信号编码，因此各支路之间的功率损耗差异将直接影响到整个编解器的光谱均衡，从而造成误码因素。另外，由于各个支路中的光纤光栅的反射率也无法避免的存在差异，该差异将与上述因素一起，共同劣化编解码器的误码率指标。(2)光纤延迟线的延迟误差受制于光纤的机械加工精度及其材料的热胀冷缩，编码信号脉冲两次通过同一段光纤，使得由此造成的时间延迟误差得到两倍放大。理论计算，当码片速率达到10Gbps，每个单路的长度总误差应不超过数十纳米，但是，一般认为光纤加工以及光纤熔接造成的长度误差至少应在微米量级。(3)实际制作的光纤光栅与码字存在波长失配问题。由于光纤光栅加工误差和温度、应力等变化，光栅的实际反射波长和码字设计波长之间必然存在差异。以较为常用的商用光纤布拉格光栅(FBG)为例，该种光栅一般采用紫外激光照射通过模版曝光敏感光纤芯的方法获得，这种工艺一般会造成实际的光纤光栅反射波长偏离码字波长的误差达到数百纳米。根据理论估计，这可能会造成10^-8的误码率。

为了改善上述光CDMA编解码器基本原型存在结构和制作方法方面的不足，可以采用将单个光纤延迟线和光纤光栅一次加工成型的制作方法。该方法先在一段足够长的光纤末端上加工出光纤光栅，后根据码字设计精确截取所需要的光纤长度，这样，可避免单个支路中光纤延迟线与光纤光栅之间进行再次连接，使得整个编解码器中的连接点数目减少了近一半，功率损耗问题和光纤长度的加工误差问题到相应的缓解。然而由于在光纤耦合器与光纤延迟线之间仍然存在连接，特别是，在工艺上很难控制光纤功率耦合器的光谱均衡。因此树型结构各个支路之间的光谱均衡问题依然存在。

对编解码器结构和制作方法的进一步改进是采用将全部光纤延迟线和光纤光栅串联的结构。如图2所示，在这种光编码器中使用多个特定长度的光纤延迟线231、232、...、23m将多个光纤光栅251、252、...、25m依次串联，每个光纤光栅251-25m之间间隔一定的距离，使得每一个更靠近末端的光纤光栅都可以重复利用它前面的所有光纤作为对于选定信号波长脉冲的延迟。实际实现这种编解码器需要在串联结构的始端节如一个三端口的光环行器。其所用光栅类型可为光纤布拉格光栅(FBG)，或者阵列波导光栅(AWG)。由于采用了串联结构，避免了树状结构必然存在的节点，从而有效避免了功率耦合器件必然存在的光谱均衡问题。尽管如此，对于现有商用采用模版曝光方法加工光栅的技术而言，由于单个光栅的总体尺度大约为厘米量级，当光纤延迟线在数十到数百厘米的长度范围时，欲严格控制两次曝光所用不同模版之间的距离达到微米的量级，实现起来还有相当的难度。如果考虑到各个光纤光栅的反射系数均衡等因素，采用这种加工方法的编解码器指标及其成品率，实际上很难达到实用化对于尺度、稳定性和成本的要求。当码片速率达到10GBPS时，该问题将更加突出。

阵列波导光栅作为光波分复用的关键器件，对于波长具有可达纳米的分辨率，且尺寸小巧。采用该光栅制作光CDMA编解码器，可以有效改善采用FBG存在的波长失配、光栅物理尺度较大等不足，但是光纤延迟线的大尺度和低精度问题依然存在，另外如何将两者集成在一起形成一个可实用的编解码器整体是采用阵列波导光栅带来的一个新的问题。

【发明内容】

为了解决现有技术基于光纤的光CDMA编解码器由于其自身结构和制作工艺的局限性而产生的产品指标不理想的技术问题，本发明提供了一种基于平面光波导的光CDMA编码器。

本发明解决现有技术基于光纤的光CDMA编解码器由于其自身结构和制作工艺的局限性而产生的产品指标不理想的技术问题所采用的技术方案是：提供一种一种码分多址光编码器，该编码器包括平面光波导，该平面光波导内集成有依次串联的多个光延时线和多个光栅。

根据本发明一优选实施例，按码字时间特征确定光延时线的长度。

根据本发明一优选实施例，光栅为反射特定波长的反射型平面波导光栅。

根据本发明一优选实施例，根据码字波长特征确定光栅的中心反射波长。

本发明解决现有技术基于光纤的光CDMA编码器由于其自身结构和制作工艺的局限性而产生的产品指标不理想的技术问题所采用的另一技术方案是：提供一种光码分多址编码器制造方法，该方法包括：a.制备平面光波导；b.在平面光波导内集成依次串联的多个光延时线和多个光栅。

根据本发明一优选实施例，在步骤a中，通过离子注入法、化学气相沉积法、火焰水解涂覆法、离子交换法、复合波导法或溶胶凝胶法制备平面光波导。

根据本发明一优选实施例，步骤b包括：利用干涉法、相位掩模曝光法或电子束曝光刻蚀法制备光栅。

上述光编码器及其制造方法优点在于：通过在平面光波导内集成光延迟线和光栅，其制造方法灵活、准确，增强了产品的稳定性、降低了产品成本以及尺寸限制。

【附图说明】

图1是现有技术树型结构光CDMA编解码器的结构示意图；

图2是现有技术基于光纤的串联形式的光CDMA编解码器的结构示意图；

图3是本发明基于平面光波导的光CDMA编解码器的结构示意图；

图4是图3所示的光CDMA编解码器中光栅的放大示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参见图3，图3是本发明光CDMA编码器一实施例的结构示意图。在本实施例中，CDMA编码器3包括平面光波导30上，平面光波导30依次首尾连接有多个光延迟线331、332、...、33m和多个光栅351、352、...、35m，其中按码字的时间特征设定各光延迟线331-33m的长度，并根据码字的波长特征设定光栅351-35m的中心反射波长。

虽然，本发明的基于平面光波导的光CDMA编解码器的总体拓扑结构与如图2所示的基于光纤的编解码器的整体拓扑结构大致相同，但是两者在内在物理结构、设计方法、材料、制作方法、外观、整体尺度、整体指标等方面存在根本不同。下面将就编解码器的两个基本器件(光延迟线和光栅)说明二者的差异：

对于平面波导光延迟线，在制作材料方面，光纤延迟线一般采用商用光导纤维，一般通过预制棒经过拉丝、涂覆、保护等后工序制成，在内在结构与制作方法方面与一般通信用光导纤维无异。而制作平面波导光延迟线所用的材料为平面波导，它们可以根据需要在不同的基底上采用镀膜或者沉积等方法附着上一层或者多层波导材料，再经过刻蚀、保护等后工艺制成，因此在内在材料、结构、尺度等方面可以具有较大的灵活性。在制作方法方面，光纤延迟线一般通过对于现有的光纤经过精确长度测量、切割等工艺制取，而平面波导光延迟线，可以根据需要设计波导基底、波导材料、结构、尺度等，通过在材料上直接形成，并用电子束精密刻蚀等方法制取。由于平面波导延迟线所采用的工艺更为灵活、精密，因此比之光纤延迟线具有较高的精度、重复性、成品率等优点，特别适合在小的物理尺度上进行集成，以便实现具有功能的集成光路。

对于平面波导光栅，在材料方面，光纤光栅基于通信光纤，平面波导光栅基于平面波导，两者的不同与上述延迟线的区别基本一致，在此不再赘述。在制作方法方面，光纤光栅一般在通信光纤的基础上通过加工获得。例如，其中一种较为常用的方法是，用一块沿着光纤轴向具有周期性的模版掩模，利用强紫外激光照射，以在光纤纤心引起折射率呈周期性永久变化，形成光栅。而平面波导光栅，一般可以通过在平面波导上进行光刻、电子束刻蚀或者压印等工艺制作。相比之下，平面波导光栅制作工艺更为灵活、精密，因此，不仅所获得的器件具有较高的指标，而且特别适合光路集成。平面波导光栅的结构如图4所示。需要指出的是，阵列波导光栅是与图4所示的基于衍射原理完全不同的另外一种概念意义上的“光栅”，该光栅并非常规的衍射器件，而是采用干涉仪方法让两束采取不同波导阵列路径的光干涉，从而可以达到纳米精度的波长分辨率，主要用作密集波分复用器件。采用阵列波导光栅的优点在于技术比较成熟，其不足在于需要考虑与光延迟线的集成等问题。

作为实例，下面通过三个光栅和三个光延迟线集成在一起的二维光CDMA编解码器对本发明进行示范性描述。其中假设采用的是p＝3的素数码扩展的跳频扩时码，则有关码字下表所示：

跳频扩时码	跳频扩时序列
跳频扩时码	跳频扩时序列	C0H1	λ000λ100λ200
C1H1	λ0000λ1000λ2	C0H1	λ000λ100λ200

C2H1	λ00000λ10λ20
C2H1	λ00000λ10λ20	C0H2	λ000λ200λ100
C1H2	λ0000λ2000λ1	C0H2	λ000λ200λ100
C1H2	λ0000λ2000λ1	C2H2	λ00000λ20λ10

考虑系统将采用ASE宽谱光源(1525～1565nm)，根据国际电联(ITU)关于波分复用的波长标准来选择需要的波长，分别为λ₀＝1542.936nm(194.3THz)，λ₁＝1547.715nm(193.7THz)，λ₂＝1551.721nm(193.2THz)。

根据有关公式，计算可得到光栅周期如下表所示，器件产生延时的波导总长为41068.5μm，通过模拟，当刻蚀深度达到500nm时，光栅反射率可以达到90％以上。

波长(nm)	1542.936	1547.715	1551.721
波长(nm)	1542.936	1547.715	1551.721	周期(nm)	529.864	531.510	532.890

光栅的制作可以采用干涉法、相位掩模曝光法、电子束曝光刻蚀法等，以下以电子束曝光法为例：

电子束曝光制作光栅图形是用电子束直接往衬底的光致抗蚀剂上写入衍射光栅周期图形。用于这个目的，电子束曝光的最大问题是周期精度。一般，电子束曝光法里，电子束的位置精度为最小单位2.5nm的整数倍。现在研究人员已经开发了可以直接曝光任意周期衍射光栅的两种方法。

第一种方法叫做场尺寸调制法，用电脑调节加在电子束曝光设备偏光板上的电压，实现电子束扫描画场尺寸以0.05％为单位伸缩。这时，由于写入描画场里的衍射光栅图形也以同样比例伸缩，所以可以以0.0012nm精度控制其周期，可能实现几乎任意周期的衍射光栅图形。在这种方法中，由于是改变描画场的尺寸，所以产生场和场之间的不吻合，即产生所谓的缝隙误差。在有的曝光图形里，这会成为问题。

第二种方法是WAVE(Weighted-dose Allocation Variable-pitchEB-lithograph)法。通过控制位置和权重来实现多个曝光图形的多重曝光。用这种方式能实现远高于电子束设备最小曝光位置精度的图形。在最小位置精度为2.5nm的电子束设备上，设定辅助图样数为3，权重分成16级，则可以得到最小衍射光栅周期精度0.025nm。这种方法的有点该设备不用手动，只用相应的控制设备软件即可。

现在制作玻璃光波导的方法主要有5种，分别是离子注入法、RF溅射/等离子体增强化学汽相沉积法、火焰水解涂覆法、离子交换技术、复合波导和溶胶凝胶技术。离子交换技术工艺简单，易操作，成本低廉，能够制作复杂的玻璃光波导，目前已成为制作玻璃光波导的首选方案。

利用K+2Na+二次离子交换制作波导，在扩散形成波导过程中，交换离子受到有浓度梯度的化学势的作用和受到玻璃基片中由于交换离子运动速度的不同，形成内建电场和外电场的作用，获得不同的交换离子浓度，从而形成渐变的折射率变化的玻璃波导，波导的性能与外加电场、扩散系数和离子迁移差率有关。

选用BK7玻璃为衬底，在玻璃表面利用蒸发的方法，镀上一层厚度大约5000@的ITO膜，甩上厚度1.5μm左右的AZ4620胶，经过光刻、烘烤，将要扩散的图形暴露出来，利用湿法腐蚀的方法，用浓度为5％的稀盐酸将图形上的ITO膜去除，得到需要的波导扩散窗口1然后，在扩散炉中，将清洗干净后的玻璃基片放在坩埚中，用纯KNO3晶体覆盖基片，升温至一定温度后，KNO3晶体就会熔融，基片在熔融的KNO3溶液中进行第一次离子交换，形成表面波导(交换温度T1，交换时间t1)；之后去除基片上所有的ITO膜，在熔融温度的NaNO3溶液中进行第二次离子交换(交换温度T2，交换时间t2)，进行Na+反扩散，通过两次的离子交换，得到不同的离子浓度分布，改变玻璃内部的折射率分布，形成所需光波导。

与上述编码器对应的一种自相关解码器采用与上述编码器类似的物理结构，只是各光延迟线的长度刚好和对应的编码器中的光延迟线长度相关互补，以便使得两者的时间自相关和互相关值刚好符合码字设计值。由于本解码器以及多维解码器的原理和物理结构与编码器相同，在此不再进行赘述。

在本发明的上述实施例中，仅以特定实施例对本发明进行了示范性说明，但本领域技术人员在不脱离本发明精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变化。

Claims

1.一种光码分多址编解码器，其特征在于：所述编解码器包括平面光波导，所述平面光波导内集成有依次串联的多个光延时线和多个光栅。

2.根据权利要求1所述的编解码器，其特征在于：按码字时间特征确定所述光延时线的长度。

3.根据权利要求1所述的编解码器，其特征在于：所述光栅为反射特定波长的反射型平面波导光栅。

4.根据权利要求3所述的编解码器，其特征在于：根据码字波长特征确定所述光栅的中心反射波长和带宽。

5.一种光码分多址编解码器制造方法，其特征在于：所述方法包括：

a.制备平面光波导；

b.在所述平面光波导内集成依次串联加工多个光延时线和多个光栅。

6.根据权利要求5所述的编解码器制造方法，其特征在于：在所述步骤a中，通过离子注入法、化学气相沉积法、火焰水解涂覆法、离子交换法、复合波导法或溶胶凝胶法制备所述平面光波导。

7.根据权利要求5所述的编解码器制造方法，其特征在于：所述步骤b包括：利用干涉法、相位掩模曝光法或电子束曝光刻蚀法制备所述光栅。