CN102388329A - 在输入和输出平板区域中具有不同半径的阵列波导光栅(awg) - Google Patents

在输入和输出平板区域中具有不同半径的阵列波导光栅(awg) Download PDF

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Abstract

本发明公开一种阵列波导光栅(AWG)电路,在所述平板区域中具有不同的半径以补充和/或更换使能无热AWG的其它机械技术。本发明还公开无热AWG的双波段交织对,具有改善的成本、空间和中心波长属性,例如用于光学线路终端(OLT)和远程结点(RN)应用。

Description

在输入和输出平板区域中具有不同半径的阵列波导光栅(AWG)
相关申请信息
本申请要求享有2009年2月26日递交的发明名称为“ArrayedWaveguide Grating(AWG)With Different Radii in the Input and Output SlabRegions”的美国临时专利申请61/155,569的权益,这里以引用的方式并入该申请的全部作为参考。
技术领域
本发明涉及无热(温度不敏感)AWG。更具体而言,本发明涉及由具有不同半径的两个平板区域构成的新颖性AWG配置。
背景技术
通常利用加热器或者帕尔特冷却器稳定/温度控制AWG复用器以稳定信道波长。这要求几瓦特的恒定电功率消耗以及用于温度控制的其它设备。参考图1,示出了具有类似形成的输入12和输出14平板波导区域的典型AWG 10。图1还示出了涉及机械补偿方案的用于热稳定的技术。在该方案中,在输入结点和平板区域12之间的界面处切断输入波导。将单独输入芯片附接到金属杆20,该金属杆20固定到稳定支柱。金属杆随着环境温度改变长度并且沿着平板波导12的界面偏移输入波导以补偿AWG中经过波长的热漂移。
本发明解决了在将固定有金属杆的可移动芯片附接到AWG的平板区域时严格对准容限的问题。
将在T处阵列波导中的有效波长表示为λ0/nc(T),其中nc=βc/k(βc:波导的传播常数)。在温度从T改变到T+ΔT时,有效系数nc变为nc(T+ΔT)=nc(T)+ΔT·dnc/dT。硅玻璃中nc的温度依赖性为dnc/dT=1.1×105(1/deg)。将在T+ΔT处波导的有效波长表示为:
λ 0 n c ( T + ΔT ) = λ 0 n c ( T ) + d n c dT · ΔT ≅ λ 0 - λ 0 n c d n c dT · ΔT n c ( T ) - - - ( 1 )
根据等式(1)已知,温度改变ΔT的有效系数变化与量为下面等式的波长改变Δλ等效:
Δλ = - λ 0 n c d n c dT · ΔT - - - ( 2 )
由于相对于波长改变的焦点位置x的分散由K.Okamoto在Fundamentals of Optical Waveguides,2nd Edition(Elsevier,New York,2006)第九章中给出为:
Δx Δλ = - N c fΔL n s d λ 0 , - - - ( 3 )
因此,通过下面等式获得焦点位置x相对于温度变化的偏移:
Δx = N c fΔL n s d · d n c dT · ΔT n c - - - ( 4 )
另一方面,补偿杆的热膨胀以下面等式偏移输入波导:
Δx1=-(αrodchip)LΔT    (5)
其中L是补偿杆的长度,并且αrod和αchip分别是金属杆和AWG芯片的热膨胀系数(αrod>αchip)。在输入波导偏移Δx1时,输出侧处的焦点位置移动Δx*=Δx1。在Δx*=-Δx保持时,取消由于温度改变导致的焦点位置的偏移。通过下面的等式使用等式(4)和(5)获得对于金属杆的长度L的无热条件:
( α rod - α chip ) L = N c fΔL n s d · 1 n c d n c dT - - - ( 6 )
对于具有平板界面处的输入/输出波导间隔D=27μm,平板阵列界面处的阵列波导间隔d=15μm,第一和第二平板的焦点长度f=19.854mm,路径长度差异ΔL=31.0μm,信道间隔Δλ=0.8nm(100GHz),信道数量N=64,以及操作波长λ0=1.55μm的典型AWG,对于以20℃居中的温度变化ΔT=±50℃,焦点位置的偏移为大约Δx=±19.4μm。
在将可移动芯片附接到原始AWG芯片时,输入波导到第一平板区域的正确位置的对准要求精细的精确度。对于100-GHzAWG,典型的中心波长精确度为±0.032nm(±5GHz)。由于输入/输出波导间隔D=20μm与0.8nm(100GHz)的信道间隔相对应,因此这与±1μm的位置精确度相对应。由于±1μm的对准精确度非常严格,因此初始对准和上胶处理的任何故障容易导致不符合规范的中心波长(频率)。这是机械无热化AWG的较低产量和较高成本的主要原因。
本发明实现较大的对准容限,从而实现无热AWG的较高产量和较低成本。
发明内容
通过本发明克服现有技术的缺点并且提供其它的优点,在一个方面,本发明涉及一种阵列波导光栅,所述阵列波导光栅具有朝向输入平板波导延伸的多个输入信号波导,所述输入平板波导以位于其端部之间的输入平板波导半径为特征;以及从输出平板波导延伸的多个输出信号波导,所述输出平板波导以位于其端部之间的输出平板波导半径为特征。所述输入平板波导半径与所述输出平板波导半径不同。
还关于所述输入或者输出信号波导实现机械致动稳定装置,用于根据环境温度偏移所述信号波导。
所述机械致动稳定装置可以包括单独芯片区域,所述输入或者输出信号朝向所述输入或者输出平板波导横跨所述芯片区域,所述芯片区域可根据温度移动从而相对于所述输入或者输出平板波导偏移所述输入或者输出信号波导。更加接近所述单独芯片的所述输入或者输出平板波导具有更大的半径并且因此对于所述单独芯片的移动具有更大的容限。
公开了改善的阵列波导光栅电路,具有如这里公开的多个阵列波导光栅,在一个示例中,包括至少两对交织的阵列波导光栅。
此外,经过本发明的技术实现其它的特征和优点。这里详细描述了本发明的其它实施例和方面并且被认为是请求保护的本发明的一部分。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求书中具体地指出了并且清楚地请求保护了被认为是本发明的主题。通过下面结合附图进行的详细描述,本发明的前述和其它目的,特征和优点将变得显而易见,在附图中:
图1是传统的机械无热化AWG的示意图;
图2是根据本发明在输入和输出平板区域中具有不同半径(例如第一平板中的曲率半径f1大于第二平板中的曲率半径f)的无热AWG的示意图;
图3是根据本发明在输入和输出平板区域中具有不同半径(例如第二平板中的曲率半径f大于第一平板中的曲率半径f1)的无热AWG的示意图;
图4是具有信道间隔Δλ=0.8nm(100GHz)和信道数量Nch=32的AWG的周期属性的图;
图5是根据本发明在一个芯片中并入两对无热双波段AWG的电路的示意图;
图6是根据本发明使用双波段无热AWG的WDM-PON架构的示意图;
图7描述了干涉滤波器的带通滤波特性;
图8是用于OLT应用的双波段无热AWG电路的示意图;
图9示出了C-波段和L-波段AWG的解复用属性;以及
图10是用于RN应用的双波段无热AWG电路的示意图。
具体实施方式
根据本发明,图2和图3示出了根据本发明在输入和输出平板区域中具有不同半径的无热AWG的示意性配置。图2示出了其中第一平板112中的曲率半径f1大于第二平板114中的曲率半径f的类型I无热AWG 100。图3示出了其中第一平板212中的曲率半径f1小于第二平板214中的曲率半径f的类型II无热AWG 200。该技术可以结合上面讨论的分别涉及金属杆120、220的补偿技术一起使用。
在根据本发明的类型I无热AWG 100的一个实施例中,示例性参数包括第一平板的曲率半径f1=29.414mm,输入波导间隔D1=40μm,第二平板的曲率半径f=19.854mm,以及输出波导间隔D=27μm。其它示例性参数可以与传统AWG(图1)中的参数相同,分别是:路径长度差异ΔL=31.0μm,信道间隔Δλ=0.8nm(100GHz),信道数量N=64,以及操作波长λ0=1.55μm。在一个实施例中,f1和D1应该比f和D大大约50%。
通过下面等式获得焦点位置x相对于于温度变化的偏移:
Δx = N c fΔL n s d · d n c dT · ΔT n c - - - ( 7 )
与传统的AWG(图1)相比较,在输入波导偏移Δx1时,输出处的焦点位置移动Δx*=(f/f1)·Δx1。在Δx*=-Δx保持时,抵消由于温度改变导致的焦点位置的偏移。然后通过使用等式(5)和(7)将用于类型I AWG的无热条件表示为:
Δx * = f f 1 · Δ x 1 = - f f 1 · ( α rod - α chip ) L ^ ΔT = - N c fΔL n s d · d n c dT · ΔT n c , - - - ( 8 )
其中
Figure BDA0000097828680000053
是类型I无热AWG中补偿杆的长度。上面的等式简化为:
( α rod - α chip ) f f 1 · L ^ = N c fΔL n s d · 1 n c · d n c dT . - - - ( 9 )
通过等式(6)和(9)的比较,已知
Figure BDA0000097828680000055
与L相关为:
L ^ = f 1 f L . - - - ( 10 )
等式(10)表明输入波导应该比传统的无热AWG(图1)多移动f1/f(图2中的1.5)倍。换句话说,对准精确度变为±1.5μm,其与传统的无热AWG技术相比大50%。对于无热AWG,大50%的对准容限允许实现较高的产量和较低的成本。
在根据本发明的类型II无热AWG 200(图3)的一个实施例中,示例性参数包括第二平板的曲率半径f=29.414mm,输出波导间隔D=40μm,第一平板的曲率半径f1=19.854mm,和输入波导间隔D1=27μm。其它示例性参数可以与传统AWG(图1)中的参数相同,分别是:路径长度差异ΔL=31.0μm,信道间隔Δλ=0.8nm(100GHz),信道数量N=64,以及操作波长λ0=1.55μm。在一个实施例中,f和D应该比f1和D1大大约50%。
将焦点位置x相对于温度变化的偏移给出为:
Δx = N c fΔL n s d · d n c dT · ΔT n c - - - ( 11 )
注意这里f=29.414mm,其比等式(4)中的f大大约50%。在类型IIAWG中,输出波导应该移动以取消由于环境温度改变导致的焦点位置移动。将输出波导对于温度改变ΔT的偏移表示为:
Δx = ( α rod - α chip ) L ^ ΔT - - - ( 12 )
其中
Figure BDA0000097828680000059
是类型II无热AWG中补偿杆的长度。通过下面等式根据等式(11)和(12)获得对于类型IIAWG的无热条件:
( α rod - α chip ) L ^ = N c fΔL n s d · 1 n c · d n c dT . - - - ( 13 )
由于f(=29.414mm)比传统的无热AWG大大约50%,输入波导应该比传统AWG多移动1.5倍。换句话说,对准精确度变为±1.5μm,其比传统无热AWG技术大50%。对于无热AWG,大50%的对准容限允许更高的产量和更低的成本。
在图2和图3中,对于类型I无热AWG,第一平板的曲率半径f1比第二平板的曲率半径f大大约50%,并且对于类型II无热AWG,第二平板的曲率半径f比第一平板的曲率半径f1大大约50%。因此,获得了比传统的无热AWG大50%的±1.5μm的对准容限。
在类型I无热AWG中第一平板的曲率半径f1是第二平板的曲率半径f的两倍时并且在类型II无热AWG中第二平板的曲率半径f是第一平板的曲率半径f1的两倍时,可以获得是传统的无热AWG的两倍的±2.0μm的对准容限。
通常,但是并非限制,根据本发明,平板半径之间的差异应该至少为大约30%。
本发明还解决了在来自ITU-T(国际电信联合电信标准部门)电网规范的双波段AWG滤波器中波长未对准的问题。由于AWG的操作原理,该问题难于解决。通常,利用AWG的周期属性以实现WDM-PON系统中的双波段操作(例如参见S.J.Park,et al.,“Fiber-to-the-Home services based onWavelength-Division-Multiplexing Passive Optical Network”,IEEE Jour.ofLightwave Tech.,vol.22,no.11,pp.2582-2591,Nov.2004.)。图4中示出了AWG的典型周期属性。AWG的信道间隔Δλ和信道数量Nch为Δλ=0.8nm(100GHz)和Nch=32。图4中的单独线路类型表明在第1号,第16号和第32号输出端口处的解复用属性。
在AWG的每一个输出端口处能够解复用具有不同波长的信号。为具有不同波长的信号分别标注被称为AWG的“衍射级次”的唯一号码m。根据下面的等式,衍射级次m与AWG的中心带通波长λc(输出端口Nch/2)相关(K.Okamoto,Fundamentals of Optical Waveguides,2nd Edition,Elsevier,NewYork,2006,chapter 9):
λ c = n c ΔL m - - - ( 14 )
其中nc和ΔL分别指代阵列波导中的芯的有效系数和几何路径长度差异。在确定了AWG配置时,nc和ΔL是固定值。对于图4所示的AWG,nc=1.45476并且ΔL=62.87μm。以等式(14)为基础,对于m=59,中心带通波长为λc,m=59=1550.116nm(193.4THz)(C-波段)并且对于m=58的波长为λc,m=58=1576.842nm(190.122THz)(L-波段)等等。
由Novera Optics(现在为LG-Nortel)提出的WDM-PON系统采用单个AWG以同时支持C-波段下游信号和L-波段上游信号。这对于OLT(光学线路终端)和RN(远程结点)设备的成本和空间节约相当有利。
然而,在对于双波段AWG使用循环属性时,不能将C-波段和L-波段中的中心波长同时调节到ITU-T规范。在上面提及的示例中,C-波段中的中心波长为被精确调节到ITU-T规范的λc,m=59=1550.116nm(193.4THz)。但是,L-波段中的中心波长为偏离ITU-T规范0.22THz(=22GHz)的λc,m=58=1576.842nm(190.122THz)。这简单地由于AWG的理论属性(等式4)导致。而且,由于硅玻璃的折射率分散,L-波段中的信道间隔为大约104GHz。因此,L-波段中的整个波长与ITU-T波长偏离。
在本发明的一个方面中,提供在C-波段和L-波段中均具有全部被调节到ITU-T规范的中心波长的双波段AWG。作为示例,图5示出了在一个芯片中并入两对双波段AWG的无热AWG电路500。AWG交织,在区域530、540中输入和输出平板区域共用相同的芯层;并且也可以具有机械无热方案的元件(仅作为示例放置,经过平板波导表面表示切割线510、520);以及如上面讨论的对于输入和输出平板波导的不同半径。
对于C-波段和L-波段,AWG的信道间隔Δλ和信道数量Nch为Δλ=0.8nm(100GHz)和Nch=64。对于C-波段AWG,路径长度差异和衍射级次分别为ΔL=30.81μm和m=29并且对于L-波段AWG分别为ΔL=30.66μm和m=28。以独立优化规范的ΔL和m对为基础,将C-波段和L-波段中的中心波长全部调节到ITU-T规范。对于大应用利用64个信道中的40个信道并且在WDM-PON系统中使用64个中的32个。如图所示,由于对于彼此交叉的波长没有确定效果,因此两个双波段AWG的平板区域能够在相同的层中交叉。因此,当前双波段AWG的芯片尺寸变得几乎与周期AWG的相同。因此,当前发明的双波段AWG保持对于OLT和RN设备的成本和空间节约的优点。
图6中示出了使用双波段无热AWG的示例性WDM-PON架构600。在光学线路终端610中,通过双波段无热AWG复用/解复用32个C-波段波长可调谐LD(下游)和32个L-波段(上游)PD。在远程结点620处,下游C-波段信号由另一双波段无热AWG解复用并且分布在每一个订户ONU630中。通过PD检测ONU#i(i=1~32)处的下游信号λi。在RN处由双波段无热AWG复用来自L-波段T-LD的上游信号λ′i并且将其发送到OLT。通过使用薄膜干涉滤波器执行C-波段和L-波段信号的粗糙复用/解复用。
图7(a)和7(b)中示出了干涉滤波器的带滤波特性。利用该滤波器全部反射32个C-波段信号并且全部传输32个L-波段信号。
应该将OLT处的32个C-波段T-LD以及每一个ONU处的32个L-波段T-LD的操作波长严格对准到ITU-T指定波长。然后,必须在中心办公室处监测和控制全部T-LD的波长。由于在一个芯片(图5)中设置两对双波段AWG,可以使用双波段AWG#1用于波长监测目的而使用另一双波段AWG#2用于信号复用/解复用。
图8是在OLT应用中使用的当前发明的双波段无热AWG电路800的示意图。来自32个T-LD的C-波段下游信号由C-波段AWG#2复用,由干涉滤波器反射,并且耦合到传输光纤。32个C-波段信号中的一部分(~10%)由光学分接头从主信号提取并且被引入到C-波段AWG#1的输入。然后分接的信号由AWG#1复用并且由C-波段波长监测器PD检测。AWG交织,输入和输出平板区域共用区域830、840中的相同芯层;并且也可以具有机械无热方案的元件(仅作为示例放置经过平板波导示出的切割线810、820);以及如上面讨论的对于输入和输出平板波导的不同半径。
来自订户ONU的上游信号经过干涉滤波器,由L-波段AWG#2解复用,并且由L-波段PD检测。32个L-波段信号中的一部分(~10%)由光学分接头从主信号提取并且被引入到L-波段AWG#1的输入,由AWG#1解复用,并且由L-波段波长监测器PD检测。图9示出了在中心三个输出端口处C-波段和L-波段AWG的解复用属性。在T-LD的波长偏离其ITU-T指定波长时,来自AWG的解复用功率由于高斯形状的AWG滤波器特性而降低。由于LD的光学功率由LD本身的反馈控制保持恒定,因此由波长监测器PD检测的功率改变通常表明在T-LD中发生的波长偏离。然后,OLT中的全部T-LD和订户ONU被监测并且被校正到其各自ITU-T波长。
图10中示出了对于RN应用的双波段无热AWG电路1000。对于该RN应用,两对双波段无热AWG独立处理两组WDN-PON系统。在图10中,双波段AWG#1连接OLT1和ONU1~ONUN(N=32),并且双波段AWG#2连接OLT2和ONUN+1~ONU2N(N=32)。AWG交织,输入和输出平板区域共用区域1030、1040中的相同芯层;并且也可以具有机械无热方案的元件(仅作为示例放置的经过平板波导表示的切割线1010、1020);以及如上面讨论的对于输入和输出平板波导的不同半径。
全部这些变化被认为是请求保护的本发明的一部分,并且上面实施例的各种组合也被认为是本发明的一部分。这里公开的阵列波导光栅和电路的制造和使用也形成请求保护的本发明的一部分。
尽管在这里详细阐述和描述了优选实施例,但是对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是,在不偏离本发明的精神的情况下可以进行各种修改、增加、替代等等并且因此将这些认为在如下面的权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种阵列波导光栅,包括:
朝向输入平板波导延伸的多个输入信号波导,所述输入平板波导以位于其端部之间的输入平板波导半径为特征;以及
从输出平板波导延伸的多个输出信号波导,所述输出平板波导以位于其端部之间的输出平板波导半径为特征;
其中所述输入平板波导半径与所述输出平板波导半径不同。
2.如权利要求1所述的阵列波导光栅,还包括:
关于所述输入信号波导实现的机械致动稳定装置,用于根据环境温度偏移所述输入信号波导,并且其中所述输入平板波导半径大于所述输出平板波导半径。
3.如权利要求2所述的阵列波导光栅,其中所述输入平板波导半径比所述输出平板波导半径大至少大约30%。
4.如权利要求1所述的阵列波导光栅,还包括:
关于所述输出信号波导实现的机械致动稳定装置,用于根据环境温度偏移所述输出信号波导,并且其中所述输出平板波导半径大于所述输入平板波导半径。
5.如权利要求4所述的阵列波导光栅,其中所述输出平板波导半径比所述输入平板波导半径大至少大约30%。
6.如权利要求1所述的阵列波导光栅,还包括:
关于所述输入和/或输出信号波导实现的机械致动稳定装置,用于根据环境温度偏移所述信号波导。
7.如权利要求6所述的阵列波导光栅,其中所述机械致动稳定装置包括单独芯片区域,所述输入或者输出信号朝向所述输入或者输出平板波导横跨所述芯片区域,所述芯片区域可根据温度移动从而相对于所述输入或者输出平板波导偏移所述输入或者输出信号波导。
8.如权利要求7所述的阵列波导光栅,其中更接近所述单独芯片的所述输入或者输出平板波导具有更大半径并且因此对于所述单独芯片的移动具有更大容限。
9.一种包括多个如权利要求6所述的阵列波导光栅的阵列波导光栅电路。
10.如权利要求9所述的阵列波导光栅,其中所述多个阵列波导光栅包括至少两对交织的阵列波导光栅。
11.一种用于稳定阵列波导光栅的方法,包括:
提供朝向输入平板波导延伸的多个输入信号波导,所述输入平板波导以位于其端部之间的输入平板波导半径为特征;并且
提供从输出平板波导延伸的多个输出信号波导,所述输出平板波导以位于其端部之间的输出平板波导半径为特征;
其中所述输入平板波导半径与所述输出平板波导半径不同。
12.如权利要求11所述的方法,还包括:
使用关于所述输入信号波导实现的机械致动稳定装置,用于根据环境温度偏移所述输入信号波导,并且其中所述输入平板波导半径大于所述输出平板波导半径。
13.如权利要求12所述的方法,其中所述输入平板波导半径比所述输出平板波导半径大至少大约30%。
14.如权利要求11所述的方法,还包括:
使用关于所述输出信号波导实现的机械致动稳定装置,用于根据环境温度偏移所述输出信号波导,并且其中所述输出平板波导半径大于所述输入平板波导半径。
15.如权利要求14所述的方法,其中所述输出平板波导半径比所述输入平板波导半径大至少大约30%。
16.如权利要求11所述的方法,还包括:
使用关于所述输入和/或输出信号波导实现的机械致动稳定装置,用于根据环境温度偏移所述信号波导。
17.如权利要求16所述的方法,其中所述机械致动稳定装置包括单独芯片区域,所述输入或者输出信号朝向所述输入或者输出平板波导横跨所述芯片区域,所述芯片区域可根据温度移动从而相对于所述输入或者输出平板波导偏移所述输入或者输出信号波导。
18.如权利要求17所述的方法,其中更接近所述单独芯片的所述输入或者输出平板波导具有更大半径并且因此对于所述单独芯片的移动具有更大容限。
19.一种稳定阵列波导光栅电路的方法,包括如权利要求16所述稳定多个阵列波导光栅。
20.如权利要求19所述的方法,其中所述多个阵列波导光栅包括至少两对交织的阵列波导光栅。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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