CN101246239B - 基于可调的三端口滤波器的平面光波电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种整体集成在单个平面光波电路(PLC)中的可调光学分插模块。本发明通过PLC上的信道波导和平板波导交界面的虚光瞳聚焦每一个波导信道，克服了现有技术的缺点，并且PLC上的附加芯片透镜将空间分散的解复用器的焦平面变换到PLC边缘的大致平面。芯片透镜用平板波导区域内的反射表面实现，该反射表面具有表面曲率以提供光功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于平面光波电路(planar lightwave circuit，PLC)技术的波长选择装置。特别是，本发明涉及一种整体集成在单个PLC上的可调光分插(add/drop)模块(TOADM)。
发明背景
在现有技术中，波长选择器的结构是通过自由空间耦合的松散结构。这种类型的组件受很多因数限制。元件的光学准直非常敏感而且生产造价高。为了相对于环境因素具有可靠性和坚固性，需要在单片集成平面光波电路(PLC)上实现尽可能多的所需功能。
平面光波电路(PLC)是将波导制在平面衬底上。波导被低折射率包层材料包围，用于将光信号限制在波导线路内。PLC通常被构造为硅基二氧化硅型组件，该组件包括下包层、波导芯和上包层，在该硅组件内，二氧化硅下包层沉积在硅衬底上，波导芯是掺锗硅，硼磷酸盐硅玻璃的上包层沉积在波导芯上。作为选择，PCL可在InGaAsP或透光聚合物或玻璃中制成。在PCL中形成的结构包括信道波导和平板区域，该信道波导将信号限制在垂直于光传播方向的平面内，该平板区域将光信号限制在一个方向并可使波前(wavefront)在限定区域内沿正交方向传播。在光通信中，尺寸通常被限制在单模传输。
分离复用光束的典型解复用器是被构造为PLC的阵列波导衍射光栅(AWG)。该AWG是Dragone在平面光波电路芯片上利用输入和输出“星形耦合器”将分散的波导阵列组合在一起而发明的。如Dragone在美国专利No.5,002,350(1991年3月)中所教导的，AWG可以作为DWDM解复用器和DWDM复用器。其它例如中阶梯光栅的色散装置也可以在PLC中实现复用/解复用功能。
于2006年4月11日授权给Ducellier等的美国专利号7,027,684和于2004年12月16日以Ducellier等名义公开的美国专利公开号2004/0252938分别涉及单层和多层平面光波电路波长选择开关(WSS)，如图1和图2所示。如图1所示的单级装置包括PLC 2，PLC 2在其中部具有输入AWG和在输入AWG的每一侧具有多个输出AWG。入射到输入AWG的输入光信号被分散成多个波长分量，这些多个波长分量通过透镜3以不同的角度被引入到可倾斜镜阵列4。通过相邻PLC 2的第一圆柱形透镜将光准直到一个方向(例如垂直方向)，同时圆柱形开关透镜6将输出光沿水平方向聚焦到可倾斜镜4。每一个波长信道到达不同的可倾斜镜4，可倾斜镜4通过透镜3将这些单个波长信道重新引导到所需的任一个输出AWG以将它们重新组合。对于单层装置，可倾斜镜4绕单轴旋转从而在色散平面(也就是PLC 2所在的平面)内重新定向波长信道。
如图2所示的两级装置11，包括与PLC 2类似的第二PLC 12，第二PLC 12叠加在PLC 2上并具有多个输入或输出AWG和端口。第二圆柱形透镜15叠加在第一圆柱形透镜5上，用于将光束聚焦到第二PLC 12的输出AWG。对于两级装置，可倾斜镜14绕两个垂直的轴旋转以重新定向色散平面(如上所述)内的波长信道，并且该可倾斜镜14从与色散平面呈锐角旋转到与色散平面(也就是PLC 12所在的平面)平行。
在前面所提的Ducellier装置中，AWG呈直线状阵列终止于芯片边缘，由此在AWG输出端没有曲率，焦距出现在无限远。因此，要求外部体光学(bulk-optic)透镜不仅仅起到场透镜的作用，而是该外部体光学透镜要作为全(空间)傅立叶变换透镜。所以，不仅要求将外部透镜被对准得非常好(也就是相对昂贵并且对非对准极度敏感)，而且要求大部分光路处于空中。
发明内容
本发明的目的是，提供一种在整体PLC上的可调分插滤波器。
本发明的另一个目的是，通过在信道波导和PLC上的平板波导之间的界面处提供虚拟光瞳以聚焦每个波导信道，来克服现有技术的缺点。另一个透镜系统包括PLC上的多个芯片透镜，用于将空间分散的解复用器的焦平面变换到PLC边缘的大致平面上。芯片透镜用平板波导区域内的反射表面实现，该反射表面具有表面曲率以提供光功率。
因此，本发明涉及在平面光波电路(PLC)中的可调分插滤波器，其包括：
输入端口，其用于将包含多个波长信道的输入光信号发射到所述PLC；
第一解复用器，其具有输入光瞳和输出光瞳，所述第一解复用器用于将所述输入光信号空间分离成所述多个波长信道；
平板波导区域，其包括上下被低折射率包层包围的高折射率芯层，所述平板波导区域用于将所述分离的波长信道从所述第一解复用器传输到分插端口；
透镜系统，其在所述平板波导区域内，所述透镜系统用于将多个从所述第一解复用器的所述输出光瞳分离的波长信道聚焦到所述PLC边缘的直线上；
单独的反射器，其适于沿着所述PLC的所述边缘横向移动，以反射所述分离的波长信道；
分插端口，其位于所述反射器内的透射窗口内，所述分插端口可作为接收一个或多个所述分离的波长信道的分离端口，或作为输入新的波长信道的插入端口，所述分插端口可根据所述透射窗口沿聚焦于所述PLC边缘的所述分离光波信道的横向移动调节；
第二解复用器，其具有输入光瞳和输出光瞳，所述输入光瞳与所述反射器和所述分插端口进行光学耦合，所述第二解复用器用于接收和复用反射自所述反射器的一个或多个所述波长信道以及任一新的波长信道，所述任一新的波长信道从所述平板波导区域内的所述透镜系统的所述插入端口被输入；以及
输出端口，其被光学耦合到所述第二解复用器的所述输出光瞳，用于输出所述复用波长信道；
其中，将所述第一解复用器的所述输出光瞳相对于所述第二解复用器的所述输入光瞳定位，以使聚焦于所述反射器的至少一个波长通道被光学耦合到所述第二解复用器的所述输入光瞳。
本发明的另一个特征是，提供的第一解复用器和第二解复用器均包括阵列波导光栅。
本发明的进一步特征是，第一解复用器和第二解复用器的空间分离波长信道沿着公共圆(common circle)以反射形式通信。
本发明的另一个特征是，公共圆包括罗兰圆(Rowland circle)。
本发明的另一个特征是，将平板波导区域内的透镜系统限定为远心(telecentric)透镜系统。
本发明的另一个特征是，每个反射波长通道的主光线以等角度入射到反射器上。
本发明的另一方面涉及如权利要求1中所限定的在平面光波电路(PLC)上的可调分插滤波器，其中，透镜系统包括在平板波导区域内的至少一个反射表面，反射表面具有曲率从而传递光功率。
本发明的另一个特征是，所述至少一个反射面通过梯度折射率方法制作以引起全内反射，并且至少所述一个反射表面的分离波长通道的所有入射角度大于全内反射的临界角。
本发明的本方面更特别的是，所述至少一个反射表面被刻蚀以将其暴露于空气界面。
可替代的，所述至少一个反射表面被刻蚀并被金属化。
本发明的另一方面包括反射器，反射器包括独立的PLC，所述独立的PLC包括置于透射窗口内的分插端口波导。
在本发明的另一个具体实施例中，反射器PLC包括的分插端口波导包含马赫-曾德尔干涉仪。
附图说明
本发明将参考代表其优选实施例的附图进行更具体的描述，其中：
图1是现有技术基于波长选择开关的PLC平面图；
图2是现有技术基于波长选择开关的多层PLC侧视图；
图3是根据本发明的基于三端口分插滤波器的PLC平面图；
图4是在图3装置芯片边缘的反射器的详细图，该反射器包括分插端口；
图5是在图3装置芯片边缘的另一反射器的详细图，该反射器包括在分插端口的马赫-曾德尔耦合器；
图6A是在没有附加透镜的情况下，从光瞳AO1和AO2输出的光场示意图；
图6B是根据本发明实现的从光瞳AO1和AO2输出的光场示意图，其光场被场透镜纠正；
图7是如图3所示的三端口可调分插滤波器的原理示意图，原理性的示出了PLC和曲面透镜M1、M2和M3的层结构。
具体实施方式
如图3所示，本发明涉及单片PLC 10上的三端口可调滤波器，包括输入(INPUT)端口F1(也就是单模光纤)、输出(OUTPUT)端口F2和分插(ADD/DROP)端口F3。装置的功能在于：可以对给定的波分复用(WDM)信道进行选择，并且该信道或者可以
a)通过ADD/DROP端口F3被插入到经由输入端口F1发射的信号中以从OUTPUT端口F2输出，或者
b)通过ADD/DROP端口F3从经由INPUT端口F1发射的信号分离出，而任何剩余信道从OUTPUT端口F2输出。
假设这些功能互相排斥，那么可将一个功能或另一个功能分配给该ADD/DROP端口，但不能将两个功能同时分配给该ADD/DROP端口。所有未被选择的其它信道以最小的衰减从INPUT端口F1直接被传输到OUTPUT端口F2(所谓的快速(EXPRESS)配置)。
此装置的近似整体平面实施原理如图3所示。PLC芯片10以黑色轮廓描绘。芯片10内的元件将在下文详细描述。如下文所述，代表三端口F1，F2，F3的光纤101，102，103利用光纤插针(ferrule)或者其它PLC芯片被光学连接到芯片10。这种光纤/芯片接口结构100以矩形表示。如果装置期望的功能符合选项a)，如上段所描述，那么F3代表ADD端口，若符合选项b)，则F3代表DROP端口。
从光纤尾纤INPUT F1和OUTPUT F2端口发射出的光信号通过它们各自的阵列波导光栅(AWG)结构AWG 1 120和AWG 2 130传输，在所示光瞳AO1(阵列输出1)和AO2处射出阵列。AWG 120，130分离并合并这些光信号的波长分量。视AO1和AO2为更大公共光瞳的子光瞳，那么这些波长分离(wavelength-separated)的光场，通过AWG输出端和用M1、M2和M3表示的一系列曲面镜表面，远心聚焦到位于芯片10边缘F3的界面平面12，而该AWG输出端位于两个AWG的公共圆。基于如图3中代表的优化设计的假设，本发明的优选实施例在刻蚀的玻璃-空气(glass-air)界面M1、M2、M3处引起全内反射(TIR)。2006年8月3日提交的美国专利号60/821,346中公开了类似的光瞳结构，在此通过参考将其合并入本申请中。
聚焦透镜M1、M2和M3可以用与罗兰圆和包括AWG阵列的信道波导相同的方式和掩膜步骤来光刻限定。具体地说，在图中光线出现的区域122，124，126对应于平板波导区域，这些区域终止于M1，M2，M3代表的曲面界面。如图7所示的原理图，在界面的平板一侧会发现普通平板波导层，也就是高折射芯层C1，它被低折射率包层CL上下包围，而界面的另一侧上，在112、114、116区域，这些层被刻蚀掉。因此，平板区域122、124、126接合于空气(对于纯全内反射界面)或者金属化界面(需要另一个沉积步骤)。这些被刻蚀的区域112、114、116也可以用其他低折射率材料填充。
设计反射表面聚焦透镜M1、M2、M3的几何结构所要考虑的问题恰好与离轴望远镜所要考虑的问题相同，它们均受所有入射角度大于全内反射的临界角这个条件限制。如果只有一个光场，例如准直单波导输出或将单波导耦合到另一个单波导，那么应该只需要一个反射表面，并通过光刻限定，它和要求任意大的光瞳的设计的复杂程度是一样的。
另一方面，根据本发明在三端口TOADM情况下，为了调节多个光束角(fieldangle)，单个反射器是不够的，而需要更多的元件(如通常的光学设计)，每一个元件均引起较小的光线弯曲，因而引起较小的像差(aberration)。
在耦合至ADD/DROP光纤103的F3端的过程中可实现所需的功能，如图4所详示，其中，聚焦场的入射角度已经被放大。根据ADD/DROP路径期望的通带特性，ADD/DROP光纤(假定其为单模光纤)可以是以下情况之一：
·直接被设置于芯片的焦平面12(如果期望高斯通带，以及模式大小与PLC芯片输出匹配)；
·被绞接到热膨胀芯光纤(如果期望高斯通带，但是需要的模式大小大于标准单模光纤)；
·被耦合到多模波导，使用代表PLC芯片的ADD/DROP反射器结构108(如果期望平坦通带并且最低损耗并不重要)；或者
·被耦合到马赫-曾德尔耦合器104，或利用芯片界面焦点随波长偏移的其他一些方法实现，其自由光谱范围和信道间隔相等，如图5所示(如果期望平坦通带并且最低损耗并不重要)。
因为EXPRESS路径期望最低损耗，ADD/DROP端口F3的反射器结构108的区域106是反射镜，同时透射窗口105可实现到输入波导103的耦合。因此成像系统需要远心聚焦，这将在下文详细描述。选择光信道的调节机理是横向移动ADD/DROP反射器结构108的过程，从而透射窗口105与对应于空间分离并聚焦的波长信道的期望信道中心的波长对准。
在一个实施例中，ADD/DROP端口F3的ADD/DROP反射器结构108利用弯曲结构作往复运动，并在垂直于这些弯曲结构的方向被推动，引起沿预期方向(未示出)的几乎纯平移(没有旋转)，在弯曲结构上输出光纤103和位于F3的反射器结构108的反射表面106停留在由两个弯曲延伸所支撑的平台上。
从光瞳AO1和AO2出射的场沿着罗兰圆到达芯片10内的虚焦点，如图6A所示。虚线代表3个这种波长分量的主光线轨迹(也就是光线从光瞳中心到输出的聚焦斑的中心)。在EXPRESS路径，对于所有不对应于ADD/DROP信道的波长，期望从一个光瞳射出的光会从位于焦点12处的平面发射镜106反射。但是要求主光线的入射方向与镜的法向方向成大小相等但方向相反的角度。可以从图6A清楚的看到，这只对一种波长是有可能的，并不是对所有的波长。为了满足所有波长，需要设置透镜M(大致可将其归类为场透镜)，如图6B所示意。透镜M矫直来自每个子光瞳的主光线，以使所有波长的入射方向与反射镜106的法向方向成大小相等但方向相反的角度，如所要求的那样。因此，使用曲面镜结构M1，M2，M3形成的场透镜实现了近似整体功能。
Claims (12)
1.一种平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其包括：
输入端口，其用于将包含多个波长信道的输入光信号发射到所述PLC；
第一解复用器，其具有输入光瞳和输出光瞳，所述第一解复用器用于将所述输入光信号空间分离成多个分离的波长信道；
平板波导区域，其包括上下被较低折射率包层包围的高折射率芯层，所述平板波导区域用于将所述分离的波长信道从所述第一解复用器传输到分插端口；
透镜系统，其在所述平板波导区域内，所述透镜系统用于将来自所述第一解复用器的所述输出光瞳的多个分离的波长信道聚焦到所述PLC边缘的直线上；
单独的反射器，其适于沿着所述PLC的所述边缘横向移动，以反射所述分离的波长信道；
分插端口，其位于所述反射器内的透射窗口内，所述分插端口可作为接收一个或多个所述分离的波长信道的分离端口，或作为输入新的波长信道的插入端口，所述分插端口可以作为所述透射窗口沿聚焦于所述PLC边缘的所述分离的波长信道的横向移动的函数而被调节；
第二解复用器，其具有输入光瞳和输出光瞳，所述输入光瞳与所述反射器和所述分插端口进行光学耦合，所述第二解复用器用于接收和复用反射自所述反射器的一个或多个所述波长信道以及来自于所述平板波导区域内的所述透镜系统的，从所述插入端口输入的任一所述新的波长信道；以及
输出端口，其被光学耦合到所述第二解复用器的所述输出光瞳，用于输出所述复用波长信道；
其中，将所述第一解复用器的所述输出光瞳相对于所述第二解复用器的所述输入光瞳定位，以使聚焦于所述反射器的至少一个波长信道被光学耦合到所述第二解复用器的所述输入光瞳。
2.如权利要求1所限定的平面光波电路PLC可调分插滤波器，其中，所述第一解复用器和所述第二解复用器均包括阵列波导光栅。
3.如权利要求2所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述第一解复用器和所述第二解复用器的分离的波长信道沿着公共圆以反射形式通讯。
4.如权利要求3所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述公共圆包括罗兰圆。
5.如权利要求1所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，在所述 平板波导区域内的所述透镜系统包括远心透镜系统。
6.如权利要求5所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，每个反射的波长信道的主光线以相同的角度入射到所述反射器。
7.如权利要求1所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述透镜系统包括平板波导区域内的至少一个反射表面，所述反射表面具有曲率以传递光功率。
8.如权利要求7所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述至少一个反射面通过梯度折射率方法制作以引起全内反射，并且在所述至少一个反射表面上的分离波长信道的所有入射角大于全内反射的临界角。
9.如权利要求8所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述至少一个反射表面被刻蚀以将其暴露于空气界面。
10.如权利要求7所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述至少一个反射表面被刻蚀并被金属化。
11.如权利要求1所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述反射器包括独立的PLC，所述独立的PLC包括置于所述透射窗口内的分插端口波导。
12.如权利要求11所限定的平面光波电路PLC中的可调分插滤波器，其中，所述分插端口波导包括马赫-曾德尔干涉仪。
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