CN101075006A - 具有减小的驱动电压、耦合到紧凑的低损耗阵列波导光栅的非对称马赫－曾德干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有减小的驱动电压、耦合到紧凑的低损耗阵列波导光栅(AWG)以提供具有低波动较宽通带的非对称马赫－曾德干涉仪(MZI)。该集成装置具有用于提高产量的紧凑的可堆叠设计。装置的输入和输出被调准成位于一条直线并布置在硅芯片的相对侧，MZI具有与AWG相反的曲率。为了实现这种调准，在光信号被结合并耦合进入AWG之前，MZI的波导臂彼此交叉而没有光耦合。

Description

具有减小的驱动电压、耦合到紧凑的低损耗阵列波导光栅的非对称马赫-曾德干涉仪

技术领域

[01]本申请涉及一种集成阵列波导光栅(AWG)复用器/解复用器，其采用非对称输入的马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)以获得具有低波动的较宽通带，特别地，本发明涉及一种采用紧凑设计的集成MZI-AWG，以提高制造效率。

发明背景

[02]增加光网络中的传输容量要求诸如AWG(也称作波导光栅路由器WGR)的解复用器具有较宽通带和在该通带内具有较低波动，特别地，因为通过光网络传播的较高比特率信号具有待传输的较宽光谱。此外，采用可重构光插分模块(ROADM)的光网络的光信号穿过级联的解复用器和复用器。因此，必须使每一级的损耗达到最小。

[03]在AWG的“平顶(flat-top)”设计中，通带具有尽可能宽和平的形状，在过去该设计已经被用来加宽通带以扩展传输特性。平顶型AWG的一个例子是基于抛物线形喇叭的设计，其能够增加0.5dB通带到大约50％信道间隔，以一些功率损耗为代价。

[04]也已经提出了其他的设计来改善通带特性，并减小功率损耗，例如在CorradoDragone以AT&T公司名义申请的第5,488,680号的美国专利中。如图1所示，该现有技术设计10包括第一频率路由元件(frequency routing element)12，该第一频率路由元件12至少有一个输入端和耦合到光栅14的P个输出端，其中P＞2。与抛物线形喇叭设计相比，这种方法在提供宽通带的同时显著减少了插入损耗。在一构造中，Dragone公开了一种被耦合到AWG 14的输入端的马赫-曾德结构12。MZI 12由输入Y-分支耦合器16和在AWG 14的平板接口22处的3dB耦合器20组成，该Y分支耦合器16将光功率平等地分到两个不同长度的波导臂18，18’中。公开的MZI 12具有和第二光栅14相同的曲率，意味着MZI 12的较短波导18和光栅的较短臂位于同一侧。这种结构的一个缺点是其不能被紧密地堆叠，这减少了可印制到一块晶片的器件的总数目。

[05]C.R.Doerr以朗讯技术有限公司名义申请的第6,728,446号美国专利公开了一种类似的集成结构。Doerr展示了一种替换的设计30，参见图2，其允许堆叠MZI-AWG并最大化波导数目。在这种设计中，MZI 32由一个Y分支耦合器34，两个具有不同延迟的波导臂36，36’，和最后在AWG42的平板接口44处的3dB耦合器40组成，所述波导臂36，36’耦合进入完全180度耦合器38，该耦合器38将每一臂36，36’的能量传送到另一臂。Doerr在这种设计中加入180度耦合器38可“翻转”MZI 32的曲率，使得整个设计更紧凑和可堆叠。然而，跨过宽波长光谱将一个臂中的光100％地传送到另一臂的完美180度耦合器的制造具有很大难度。耦合器的工艺偏差、波长和偏振灵敏度都可能导致整个通带形状的偏振相关损耗(PDL)、色散(CD)和偏振模色散(PMD)的性能退化。

[06]因此，为克服现有技术的局限性，非常需要一种具有宽的平顶通带的可堆叠AWG。

发明内容

[07]因此，本发明的一个目的是提供一种能提供具有大致平坦的顶部的较宽通带，且具有紧凑的、可堆叠的设计的集成式MZI-AWG装置。

[08]本发明的另一个目的是提供一种具有减小的驱动电压的输入MZI。

[09]本发明已经发现在制造非对称输入MZI的过程中，在耦合器输入到AWG之前，使长臂物理上跨过较短的臂，这样便利用可堆叠设计以低损耗实现了通带加宽效应，从而省去了定向耦合器的制造及其带来的性能缺陷。

[10]因此，本发明的一个方面是提供一种光学复用器/解复用器，包括：非对称马赫-曾德干涉仪(MZI)，其被光学耦合到阵列波导光栅(AWG)，其中

[11]所述MZI包括一对彼此之间具有光程差(optical path length difference)的波导臂，它们被设置以使得该波导臂对之间彼此交叉而基本没有光学耦合，并共同来限定第一曲率，以及

[12]所述AWG适于将多波长光信号在空间上分成彼此之间具有预定信道间隔的光信道，所述AWG限定与第一曲率相反的第二曲率，并且其中

[13]所述MZI具有基本等于所述AWG的信道间隔的自由光谱范围(FSR)。

[14]特别地，本发明提供一种MZI，其包括输入定向耦合器，用于在一对波导臂之间基本平等地分配引入输入端的光，并在输出定向耦合器处将光耦合以将其耦合入AWG，其中该波导臂对之间光程差近似为c/n/dnu，其中c是光速，n是有效折射率，且dnu是AWG的信道间隔。

[15]本发明实施例中，输入定向耦合器包括第一输入端和第二输入端，该第一输入端与第二输入端之间的相位差等于AWG的信道间隔的一半。

[16]在进一步的实施例中，本发明包括与一对波导臂相关联的光学移相器。

[17]在本发明的可替换实施例中，光学复用器/解复用器包括：非对称马赫-曾德干涉仪(MZI)，其被光学耦合到阵列波导光栅(AWG)，其中

[18]所述MZI包括一对彼此之间具有光程差的波导臂，它们被设置以使得该波导臂对之间彼此交叉而基本没有光学耦合，并共同来限定第一曲率，以及

[19]所述AWG适于将多波长光信号在空间上分成彼此之间具有预定信道间隔的光信道，所述AWG限定与第一曲率相反的第二曲率。

[20]本发明还提供一种光学复用器/解复用器，其中MZI的光场与AWG的光场基本同步。

[21]本发明的实施例还包括与MZI的一对波导臂相关联的光学移相器，所述光学移相器将MZI的光场同步调节到AWG的光场。

附图说明

[22]根据下述结合附图的详细说明，本发明更多的特征和优点将变得明显，其中：

[23]图1是现有技术中公开的集成MZI-AWG装置的示意图；

[24]图2是现有技术中公开的还包括定向耦合器的集成MZI-AWG装置的示意图；

[25]图3是根据本发明的集成MZI-AWG装置的示意图；

[26]图4是图3所示装置的MZI部分的局部放大图；

[27]图5A是用于100GHz间隔装置的MZI产生的光场的图表；

[28]图5B是用于同样的100GHz装置的AGW产生的光场的图表；

[29]图6A是为图5A和图5B的叠加图表；

[30]图6B是图6A产生的传输结果的图表；

[31]图7A是AWG象场与MZI场不正确同步的图表；

[32]图7B是图7A所产生的传输结果的图表；

[33]图8A是MZI场和AWG场的图表，其中MZI曲率倒转而不与波导臂相交；

[34]图8B是图8A所产生的传输结果的图表；

[35]图9是图1的现有技术的装置的晶片按比例布置的示意图；

[36]图10是根据本发明的装置的晶片按比例布置的示意图；

[37]图11A是如图2所示的多个包括180度耦合器的装置的叠加光谱的图解说明，用来测量偏振模色散(PMD)对波长的关系；

[38]图11B是如图3所示的多个装置的叠加光谱的图解说明，利用交叉的波导测量偏振模色散(PMD)对波长的关系；

[39]图12是在波导交叉角范围所测量的串扰值的图解说明；

[40]图13是在波导交叉角范围所测量的插入损耗的图解说明。

[41]需要注意的是在所有附图中，相同的附图标记表示相同的特征。

具体实施方式

[42]图3示出的是根据本发明的集成MZI-AWG装置100。MZI 102被耦合至AWG104，因此MZI 102的输入端106和106’与装置130的输出位于同一个硅芯片的相对侧，基本成一直线，并且MZI的波导臂110，110’的曲率与AWG的波导臂120的曲率相反。根据本发明MZI 102将来自输入端106和106’的光耦合到定向耦合器108，该定向耦合器108将该光在波导臂110，110’之间平等地分配。两个臂110，100’的光程差(path length difference)产生选定的相位延迟。重要的是，较长光程波导110’在靠近AWG波导臂120的较长光程区域位置处被耦合到平板自由空间区域118的平板接口116；而较短光程波导110在靠近AWG波导臂120的较短光程区域位置处被耦合到平板接口116。为了实现MZI 102和AWG 104之间相反的曲率，在112处交叉波导110，110’。这样便倒转了相位延迟输入110’进入平板118的位置，省去了加入180度定向耦合器的复杂性。

[43]装置100被制造成集成平面硅波导装置。MZI 102包括两个信道波导输入106和106’，它们被耦合进入到3dB定向耦合器108，该定向耦合器108的输出是信道波导110，110’。这些信道波导110，110’之间具有接近c/n/dun的光程差，这里c是光速，n是有效折射率，以及dnu是AWG的信道间隔。设计光信道波导交叉112以使得两个光信道波导110，110’之间在交叉点112基本不发生光耦合。信道波导110，110’在末端的3dB定向耦合器114中被耦合，并输入到AWG结构104的平板118。获得的马赫-曾德干涉仪具有等于AWG的信道间隔的自由光谱范围。AWG 104包括：平板118，其被耦合到波导光栅120，波导光栅120被光学耦合入平板122，以及输出信道波导130。在波分复用系统(WDM)中，AWG将包括多个波长的光信号在空间上分成多个波段信道。每个信道都具有中心频率和信道间隔，信道间隔等于中心频率之间的频率差。

[44]为了理解马赫-曾德干涉仪如何产生低损耗宽频带响应，可以关注平板118的入口平面116处发生了什么。MZI-AWG的传输相当于MZI成像的场(在该平面的左侧)和AWG成像的场(从该平面的右侧)的卷积(convolution)。

[45]图5A的图表示出了用于100GHz间隔装置的MZI产生的场。随着频率改变，抵达进入定向耦合器114的两个波导的光由于不同的相位而发生干涉。

[46]图5B示出了AWG产生的场。随着频率改变，AWG平移(translate)输出波导的图像。

[47]图6A示出了前两个图形的叠加。在中心频率(194THz)，阵列产生的图像以对称的方式很好地耦合到MZI产生的图像。虽然两个场自身粗糙地叠加，其从193.98THz到194.02THz保持很好耦合。图6B示出了传输结果，其具有宽通带和良好的串扰。

[48]由于工艺偏差，MZI可能没被正确地调节到AWG。这种情况下，MZI的图像将无法正确地与AWG产生的图像同步，如图7A的例子所示。获得的传输结果(参见图7B)变得不对称且通带和串扰质量降级。

[49]分别在MZI臂110/110’顶部放置加热器111能够将MZI调整到AWG并校正工艺偏差。通过加热一个或另一个加热器，可以产生从0到pi的相移以校正两臂110和110’之间的相位差。其它已知的移相器，例如电光移相器，同样可以被取代。

[50]本发明中，我们发现其有利的一点，即能够使用两个输入106和106’中的一个来减少调整MZI到AWG所需的最大热量。MZI的两个输入106和106’具有相似的光谱，但是它们之间的相移为信道间隔的一半，即具有pi的相位差。所以，如果MZI的一个输入需要小相移p0，则另一个输入将根据该相移提供完全异相的光谱，但是将以pi-p0正确地调整。通过选择最接近调整设定值的输入，只需要从0到pi/2调整MZI臂，因此，减少了调整MZI所需热量的最大值。

[51]图8A和8B示出了如果将MZI中的曲率反向但不交叉波导臂110，110’时发生了什么。在中心频率(194THz)，阵列产生的图像以对称的方式被耦合到MZI产生的图像(图8A)。另一方面，这两个图像远离中心时很快将其自身分开。图8B示出了传输结果，其具有差的串扰的非常窄的通带。

[52]图9示出了Dragone设计的晶片布局图，其中可在8英寸晶片上印制20个电路。这可与图10比较，图10示出了利用本发明设计方法设计的紧密堆叠晶片布局图，其中可在8英寸晶片上印制57个电路，产量提高了100％-150％。

[53]集成MZI-AWG装置100具有适于有效晶片产量的紧凑设计，类似于Doerr公开的反相曲率，而不需要180度定向耦合器。180度耦合器增加了到装置的长度和波长灵敏度。此外，Doerr教导了180度耦合器和90度耦合器之间的移相补偿，例如热光移相器，来校正耦合器不可避免的缺陷。

[54]图11A示出了与180度定向耦合器相关的偏振模色散(PMD)损失(penalty)。180度耦合器的长度大约是3dB定向耦合器的两倍。图中表示出了几个芯片的叠加光谱。PMD损失在Doerr装置通带的中心显示出非常高的PMD值，高的PMD值可通过交叉的波导设计被大大地降低，因为(在交叉的波导设计中)光必须穿过较少耦合区域，因此，降低了整体PMD和其对于任何工艺或应力变化的敏感度。

[55]与180度耦合器相比，本发明公开的交叉的信道波导是相对消色差的，如图11B所示。经交叉112的大部分光将通过。小百分比的光将在包层中作为杂散光辐射，或被作为串扰引导进入其它波导。杂散光可能影响性能，因为其以与耦合器进入平板相同的方向辐射，并可能被再次耦合入AWG阵列。为了最小化这些有害的效应(其可产生插入损耗或串扰退化)，交叉角必须大。在一个优选实施例中，波导之间的角度是30度。图12示出了其它波导中交叉角θ从90度减少到30度时所测量的串扰。小于30度的角产生的串扰对于大多数应用都不可接受。图13中的数据：当交叉角为20-90度之间时，所测得的插入损耗。

[56]相比现有技术中昂贵而复杂的方法，本发明提供了相对简单的解决方案，并改善了通带性能。

[57]需要注意的是，在此虽然是与解复用功能相结合描述了本发明的装置，但是为本领域技术人员所公知的是，该装置可反向操作用作复用器。在反向的复用操作中，本公开文本中标识为输入元件将变为输出，反之亦然。

[58]本发明的上述实施例只是作为示范。因此，本发明的范围仅由所附加的权利要求书的范围来限定。

Claims (15)

1、一种光学复用器/解复用器，包括：

非对称马赫-曾德干涉仪MZI，其被光学耦合到阵列波导光栅AWG，其中

所述MZI包括一对彼此之间具有光程差的波导臂，所述波导臂被设置以使得所述波导臂对彼此交叉而基本没有光学耦合，并共同来限定第一曲率，以及

所述AWG适于将多波长光信号在空间上分成多个光信道，所述多个光信道之间具有预定的信道间隔，所述AWG限定与所述第一曲率相反的第二曲率，并且其中

所述MZI具有基本等于所述AWG的所述信道间隔的自由光谱范围FSR。

2、根据权利要求1所限定的光学复用器/解复用器，其中所述MZI包括输入定向耦合器，所述输入定向耦合器将引入输入端的光在所述波导臂对之间基本平等地分配，并在输出定向耦合器处将光耦合以将其耦合入所述AWG，其中所述波导臂对之间的光程差近似为c/n/dnu，其中c是光速，n是有效折射率，且dnu是所述AWG的信道间隔。

3、根据权利要求2所限定的光学复用器/解复用器，其中所述输入定向耦合器包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述第二输入端之间具有的相位差等于所述AWG的信道间隔的一半。

4、根据权利要求3所限定的光学复用器/解复用器，还包括与所述波导臂对相关联的光学移相器。

5、根据权利要求4所限定的光学复用器/解复用器，其中所述光学移相器包括设置在所述波导臂对中的至少一个的上面的加热器。

6、根据权利要求2所限定的光学复用器/解复用器，其中所述波导臂对彼此以至少30度的角交叉。

7、根据权利要求1所限定的光学复用器/解复用器，包括集成硅波导装置。

8、根据权利要求1所限定的光学复用器/解复用器，其中所述MZI的至少一个输入端和所述AWG的多个输出端设置在硅芯片的相对侧。

9、一种光学复用器/解复用器，包括：

非对称马赫-曾德干涉仪MZI，其被光学耦合入阵列波导光栅AWG，

所述AWG包括具有曲率的波导阵列，在第一和第二平板区域之间，所述AWG被耦合以将包含多个波长的光信号在空间上分成多个波段信道，每个信道都具有中心频率和信道间隔，信道间隔包括中心频率之间的频率差；在空间上分开的位置，设置多个输出信道波导以耦合每个信道的光，所述多个输出信道波导被光学耦合到所述第二平板区域；

所述非对称MZI包括第一耦合器，所述第一耦合器将输入光信号在一对波导臂之间基本平等地分配，所述波导臂对之间具有近似等于c/n/dnu的光程差，其中c是光速，n是折射率，且dnu是所述AWG的信道间隔，所述波导臂与第二耦合器结合以将光信号光学耦合到所述AWG；

其中所述MZI的自由光谱范围FSR基本等于所述AWG的信道间隔，并且所述波导臂对之间物理上交叉而基本没有光耦合，使得所述波导臂对的曲率与所述波导阵列的曲率相反。

10、根据权利要求9所限定的光学复用器/解复用器，其中所述MZI的所述第一耦合器和所述第二耦合器包括输入定向耦合器和输出定向耦合器，并且其中所述第一定向耦合器包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述第二输入端之间的相位差等于所述AWG的信道间隔的一半。

11、根据权利要求10所限定的光学复用器/解复用器，还包括与所述波导臂对相关联的光学移相器。

12、根据权利要求11所限定的光学复用器/解复用器，其中所述光学移相器包括设置在所述波导臂对中的至少一个的上面的加热器。

13、一种光学复用器/解复用器，包括：

非对称马赫-曾德干涉仪MZI，其被光学耦合到阵列波导光栅AWG，其中

所述MZI包括一对彼此之间具有光程差的波导臂，所述波导臂对被设置以使得所述波导臂对之间彼此交叉而基本没有光学耦合，并共同来限定第一曲率，以及

所述AWG适于将多波长光信号在空间上分成多个光信道，所述多个光信道之间具有预定的信道间隔，所述AWG限定与第一曲率相反的第二曲率。

14、根据权利要求13所限定的光学复用器/解复用器，其中所述MZI的光场与所述AWG的光场基本同步。

15、根据权利要求14所限定的光学复用器/解复用器，还包括与所述MZI的波导臂对相关联的光学移相器，用来将所述MZI的光场的同步调节到所述AWG的光场。

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