CN1149139A - 集成光学中用的消色差器件 - Google Patents

Abstract

一种消色差器件，包括一双模波导和两对分别用于入射和出射的单模波导。适当选择双模波导的长度和宽度，可在该波导中使1260至1360纳米窗口中的光耦合大于1480至1580纳米窗口中的光耦合，从而补偿在这两个窗口中其变化显著地与此相反的邻近耦合，这邻近耦合是指单模入射波导作为一方与单模出射波导作为另一方之间产生的光耦合。本发明可应用于2×n耦合器，在1260至1360纳米和1480至1580纳米的频谱窗口能获得低的介入损耗，并能消色差。

Description

集成光学中用的消色差器件

本发明涉及集成光学中的一种消色差器件，尤其涉及一种在1260至1360纳米和1480至1580纳米的频谱窗口中介入损耗较低的器件，这种器件包括：

a)一双模集成波导，它位于一衬底表面的附近，并且其纵轴、长度和宽度都平行于衬底表面，和

b)两对单模波导，分别用于入射和出射，每根波导与双模波导的一端相连，并且每对波导从双模波导开始对称地且逐渐地发散离开双模波导的纵轴。

当前被称为“2至2耦合器”或“2×2耦合器”的器件是为人所知的，这种器件尤其可以通过以本申请人的名义申请的法国专利申请2680418的内容中了解到。该申请中描述的器件是为在上述两个标准化的频谱窗口中进行单模光纤通信而设计的。该器件的目的是保证从入射波导接收到的光强按一预定的分配比在两个出射波导之间分配，同时在这两个频谱窗口中保持基本上消色差。为达到这一目的，该器件包括两根波导的X形接头，入射和出射波导都连接于此。接头中的波导是通过在玻璃衬底中进行离子扩散而制得的。预定的分配比可以通过适当地选择X形接头中波导轴之间的角度来实现。但对于其较佳实施例，已经发现当所选的半角小于大约0.7度，尤其是通过离子扩散来制造波导时，会重新出现明显的色差。

另外，目前集成光学中需要一种介入损耗低的2×2耦合器，它在两入射和两出射间四种可能光通路的每一条通路上光能损耗都较低，例如每条所述光通路上的损耗最大值应小于4分贝。

为了达到这一目的，基本的方法是降低附加损耗——换句话说，就是降低未在2×2耦合器的出射处射出的光能和在衬底中损耗的光能。附加损耗可以通过减小上述专利所描述的器件之X形接头中波导之间的半角来降低，例如，选择小于0.7度的半角。但，如上所述，所得的器件要受到色差的影响，这在上述的两个频率窗口中进行的光纤通信中是不受欢迎的。

因此，本发明的目的是提供一种集成光学中用的2×2耦合器，它具有令人满意的消色差能力，从而使上述频谱窗口中的介入损耗较低。

本发明的这一目的，连同通过参阅以下描述而清楚的其它目的，可通过一种集成光学中用的、在1260至1360纳米和1480至1580纳米的频谱窗口中具有低介入损耗的消色差器件来获得。所述的消色差器件包括：a)一双模波导1，它集成在一衬底表面附近，并且所具有的纵轴〔X〕、长度〔L〕和宽度〔W〕都平行于衬底的表面；和b)两对单模波导，分别用于入射和出射，每根波导与双模波导的一端相连，并且每对波导自双模波导的轴〔X〕对称地且逐渐地发散开去；该器件的不寻常之处在于，按某一方式选择双模波导的长度〔L〕和宽度〔W〕，可以使得在该波导中1260至1360纳米窗口中的光耦合大于1480至1580纳米窗口中的光耦合，从而补偿在这两个窗口中其变化明显地与此相反的邻近耦合，这邻近耦合是指单模入射波导作为一方和单模出射波导作为另一方之间产生的光耦合。

通过补偿器件各个部分出现的光耦合可以保证器件在所述的两个频谱窗口中具有消色差性，这在以下描述将会看到。

依照本发明器件较佳实施例的另一特征，每根单模波导的轴在该波导连接双模波导一端的地方相对轴〔X〕倾斜一个大约小于0.7度的角度。由于该连接角度较小，故使附加损耗，以至介入损耗最小。一般地说，为了限制损耗，要求选择的连接角越小越好；但是，如果该角度过小，则会有在单模波导间引入耦合的危险。

阅读以下描述并参照附图，将清楚地了解本发明器件的其它特征和优点，其中：

图1是本发明器件中波导结构的平面图；

图2示出的曲线可用以解释本发明器件中双模波导的尺寸选择；以及

图3示出了图1所示器件的介入损耗随频率变化的曲线，曲线的频率范围覆盖了上述两个频谱窗口。

通过在一例如由玻璃制成的衬底上建立如图1所示的波导结构可获得本发明的器件。用掩模和离子(如铊离子)扩散等集成光学技术中熟知的方法可保证建立所需的结构。

图1所示的结构包括一双模波导1，该波导具有纵轴〔X〕、长度〔L〕和宽度〔W〕，它们都与衬底表面平行；而且波导尺寸允许光波依照对称的基本模式和非对称的次级模式传输，结构中还包括两对单模波导，分别为2、3和4、5，每根单模波导与双模波导的一端相连。每对波导从双模波导开始，对称地并逐渐地发散离开轴〔X〕。每对波导中的各波导具有相同的宽度，并且适于光的单模传播。 $R=\frac{I_2}{I_1+I_2}$

通常，波导2和3称为“入射”波导，而波导4和5则称为“出射”波导。因此，强度为I₀并且通过波导2的入射口E₁进入器件的光能，除了被损耗的之外，在出射口S₁和S₂处分配于出射波导4和5之间，测得的光能为I₁和I₂，用该器件便可保证按比值R在器件的出射口分配光能，其中I₂为从出射波导5出射的光强，波导5与入射波导2相对，强度为I₀的光能就是从入射波导2入射的。

依照上述专利的原理，如果适当选择X形接头中各波导的半角，就可把上述比值设定为一个预定值。为了限制接头的色差，最好将角度范围限制在大约小于0.7度。

依照本发明，实现了一个2×2耦合器，它能建立预定的分配比R，同时把介入损耗降低至低于某一给定的等级，并将消色差性保持在一个令人满意的水平上。

如上所述，为了通过降低附加损耗来降低介入损耗，必须减小入射和出射波导的轴的角度。在这方面，依照本发明的较佳实施例，使每根单模波导的轴在该波导与双模波导的一端相连的地方相对于轴〔X〕倾斜大致小于0.7度的角度〔α〕。

然后，必须降低由这一选择而引起的色差。依照本发明的一个重要特征，可以通过选择双模波导的长度〔L〕和宽度〔W〕来实现色差的降低；适当选择长度〔L〕和宽度〔W〕可在该波导中建立一种光耦合，使在1260至1360纳米窗口中的光耦合大于1480至1580纳米窗口中的光耦合，从而本发明器件各连续部分中形成的不同光耦合相互补偿，现将参照图2予以说明。

在本器件的双模波导1中，由入射波导至两个出射波导的光耦合是因对称的基模和非对称的次级模间的干涉引起的。可以证明，射入每根出射波导的光强是这两个传播模式之间的累积相移的正弦函数，这导出了下列有关分配比R的数学表达式：

且

其中：

—Δ是双模波导1中两个模式之间的相移；

—λ是光的波长；

—L和W分别是双模波导的长度和宽度；而

—Δn(λ，λ〕是双模波导中传播的两种模式间的折射率(phase-index)差。

从这一关系可清楚看到，相移Δ与光波长的一次方成反比，因此它在1310纳米处的值大于1550纳米处的值。由此，如果正弦函数的变化方向是增大的，那么1310纳米处的光耦合(它是Δ的正弦函数)也大于1550纳米处的光耦合。

在以单模入射波导作为一方，以出射波导作为另一方的相近部分中，光耦合的性质与邻近耦合器中的相同。从而由于(众所周知的)1550纳米处模的宽度大于1310纳米处观察到的宽度，并且模式由此更为强烈地影响相邻的波导，所以1550纳米处的光耦合大于1310纳米处的光耦合。可以看到，该耦合作为波长的函数而变，变化的方向与由双模波导中的传播而引入的变化方向相反。

依照本发明，利用了光耦合中这两个相反的变化，使它们相互补偿，从而提高了本发明器件的消色差性。

考虑到两个相邻部分2、3和4、5中的光耦合以及双模波导1中的光耦合，可将分配比R写成下式： $R={\sin }^2\[\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δn}(\mathrm{\λ},W)\·(L+L_0\left(\mathrm{\λ}\right))}{\mathrm{\λ}}\]$ 其中L₀表示等效于两入射波导2和3作为一方，两出射波导4和5作为另一方之间的耦合的等价长度。

应注意，等价耦合长度L₀(λ)是波长的函数，而折射率的差是该波长和双模波导宽度两者的函数。

图2示出两分配比R_λ1和R_λ2随双模波导L的长度而变的曲线，曲线分别对应于波长λ₁＝1310纳米和λ₂＝1550纳米，两个波长都位于上述频谱窗口中。

依照上述说明，图2中所示的分配比作为双模波导有效长度L的函数按正弦变化。当L＝0时，光耦合只由入射和出射单模波导间的邻近耦合产生。长度L₀(λ)等价于该耦合，只有它在分配比中起作用。由于该邻近耦合在λ₂＝1550纳米处大于在λ₁＝1310纳米的，所以代表该耦合的长度L₀(λ₂)也将大于长度L₀(λ₁)，因此(因为正弦函数曲线在L＝0的区域中的斜率为负)分配比R_λ2将较小并“超前”于分配比R_λ1。

一般地说，分配比R_λ的振荡周期等于λ/Δn(λ，W)。由于该周期与波长λ一次方成正比，所以可以看到比值R_λ1的振荡周期小于比值R_λ2的振荡周期。该结果再次表明在双模波导1中传播时1310纳米处的光耦合大于1550纳米处的光耦合。由于分配比R_λ2略微“超前”，因此它将与具有较短振荡周期的分配比R_λ1交叉。

依照本发明，通过调节双模波导的宽度〔W〕可以精确地进行耦合补偿。通过二阶的依赖关系，宽度调节可以影响折射率的差Δn(λ，W)，Δn(λ，W)在上述给出的分配比R的表达式中有一定影响。

实际上，为了依照本发明做出分配比为(例如)0.5的2×2耦合器，应这样选择双模波导的宽度〔W〕和长度〔L〕，使图2所示的两根曲线在0.5纵坐标处交叉，并具有相近的斜率。在这一工作点上，两个窗口中的耦合比基本相等，从而确保获得所需的消色差性。当然，为了设置一个数值不同于0.5的分配比，可以进行类似的操作。

图3示出了介入损耗随频率而变的曲线V₁至V₄，这四条曲线是在本发明器件的各种光通路上测得的，即分别从E₁至S₁，从E₁至S₂，从E₂至S₁以及从E₂至S₂，曲线的频谱范围覆盖了单模光纤通信中所用的两个窗口。

因此，可以进行上述选择，制造出多组耦合器，其变化如下：

—角度α从0.4度变化至0.8度，步长为0.2度；

—双模波导的宽度从7微米变化至10微米，步长为1微米；

—长度〔L〕从0变化至900微米，步长为25微米；并且对每一耦合器制备与图2和图3对应的曲线。利用该方法获得的信息，便可选择耦合器的特征参数，作为为介入损耗(该损耗应越小越好)设立的规格函数。由此观点，发现角度α＝0.8度的耦合器不能令人满意。

对于一个连接角α为0.4度，单模波导的曲率半径r为100毫米，双模波导的宽度〔W〕(在用来制造波导的掩模上测得)为7微米的本发明的耦合器，在通过离子交换技术制造耦合器的情况下，单模波导的宽度为3微米，而双模波导的长度为375微米，这时观察到在所述频谱窗口中，四条光通路的最大介入损耗为在1480纳米处的3.675分贝。因此，本发明事实上达到了所述的目标，即完成一个介入损耗小于4分贝并且在所述频谱窗口中呈现良好消色差性能，同时图3曲线中观察到的色差不超过0.5分贝的2×2耦合器。

一般地说，为了使介入损耗小于3.8分贝，本发明的耦合器的特征最好在下列范围中选择：

0.1度＜α-＜0.7度，且最好0.2度＜α-＜0.7度

100微米＜L＜1000微米，且最好100微未＜L＜750微米

4微米＜W＜9微米，且最好6微米＜W＜9微米

20微米＜r＜200微米，且最好50微米＜r＜200微米。

通常，角度α在单模波导中距离双模波导的相邻端1微米的地方测出。

关于宽度〔W〕，所述的下端和上端取决于所用的集成光学技术，而且分别对应于波导1中单模传播和双模传播之间的转变点以及双模传播和三模传播之间的转变点。

当然，本发明不局限于所述的实施例，该实施例仅仅是一个例子。因此，本发明还能扩展到2×n耦合器，2×n耦合器包括一至少用其一个出射口与具有集成波导的分光装置相连的2×2耦合器，其中分光装置适用于把入射的光功率在n个出射口中分配，n为大于2的整数，如前述专利申请所述。本发明也能扩展到其中的各单模波导并不具有相同宽度的耦合器，虽然本发明并不需要依靠宽度不同的单模波导来获得所需的消色差性。

Claims (9)

1.一种集成光学中用的消色差器件，该器件在1260至1360纳米和1480至1580纳米的频谱窗口中具有低的介入损耗，并且包括：

a)一双模波导1，它在一衬底的表面附近被集成，并且具有纵轴〔X〕、长度〔L〕和宽度〔W〕，它们都平行于衬底的表面；和

b)两对单模波导2、3和4、5，分别用于入射和出射，每根波导与双模波导1的一端相连，每对波导自双模波导1开始对称地并逐渐地发散离开轴〔X〕；其特征在于，按某一方式选择双模波导1的长度〔L〕和宽度〔W〕，使得该波导中从1260至1360纳米的窗口中的光耦合大于1480至1580纳米的窗口中的光耦合，从而补偿在这两个窗口中其变化显著地与此相反的邻近耦合，这邻近耦合是指以单模入射波导2和3为一方与以单模出射波导4和5为另一方之间产生的邻近耦合。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，每一单模波导的轴在该波导与双模波导1的一端相连的地方，相对轴〔X〕的倾斜角〔α〕小于大约0.7度。

3.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，双模波导的长度〔L〕在100微米和750微米之间。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的器件，其特征在于，双模波导的宽度在4微米和9微米之间，且最好在6微米和9微米之间。

5.如前述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于，两个频率窗口中的最大介入损耗小于3.8分贝。

6.如前述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于，最大色差小于0.5分贝。

7.如前述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于，入射和出射单模波导的曲率半径在20微米和200微米之间，最好在50微米和200微米之间。

8.如前述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于，器件出射口处的光功率按R＝0.5的比例分配。

9.一种集成光学中使用的2×n型消色差器件，其特征在于，包括一个对应于权利要求1至9中任何一项的器件，和连接在该器件的至少一个出口和耦合器n个出口间的辅助分光装置。

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