CN1171559A - 具有平坦光谱响应的信号混合器/信号分离器 - Google Patents

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Abstract

新的信号混合器/信号分离器包括具有相邻焦点的复合聚焦机构。对于每个不同波长信号,将一个或多个输入路径的多个象投射到一个或多个输出路径上。在每个不同波长信号的中心波长附近,使产生的光谱响应变平坦。对于通道带宽、插入损耗和串音的理想组合,能够使焦点的数目和间隔、以及输入、输出路径的波型场半径达到最佳值。

Description

具有平坦光谱响应的信号混合器/信号分离器
本发明涉及光学连接器，包括根据光学信号的波长选择其路由的信号混合器(multiplexer)和信号分离器(demultiplexer)。
光学信号以特有波长，也称作通道进行传输。各通道之间在波长上的间隔通常只有一个纳米那么小，因此将不同波长的信号组合起来和分解开来的光学路由器必须能够敏感如此小的波长差。为了以高效率和相邻通道间低串音传输不同波长信号，需要精密地设计器件。
然而，信号与其预期的波长略有漂移，尤其是在信号源。除非能够容许更高的串音，否则漂移信号的传输效率常常会大大降低。此外，在制造或使用期间，路由器本身的传输特性可能发生变化。
把不同波长信号组合起来或分解开来的器件分别称作信号混合器和信号分离器。通常，这两种器件间的唯一区别是光在其中传输的方向。信号混合器把在各专用路径中分别传输的不同波长信号路由选择到一个公用路径中。信号分离器把在该公用路径中一起传输的光学信号路由返回到各专用路径中。
在信号混合器和信号分离器中，采用两种光学机构来选择公用路径与各专用路径间光学信号的路由，即色散(dispersion)和聚焦(focusing)。色散从角度上区分不同波长的信号，聚焦是将角度上有区别的信号转变为空间上有区别的信号。
例如，可以这样排列聚焦机构，在不同光学信号的每个波长上形成公用路径的分立的图象。色散机构使图象在焦线上相对位移开，位移量的大小随不同信号的波长而变。在与不同波长信号的位移图象相对应的位置中，各专用路径沿焦线排成列阵。因此，每个不同波长信号在焦线上的不同位置中形成一个分立的公用路径图象，各专用路径位于与不同波长信号的图象位置相一致的焦线上。
在公用路径和各专用路径中光能量以波型场定义的图案分布在光传输方向横截面上。通常，在每个波型场中光幅度分布是高斯分布。当成象的公用路径的中心幅度与各专用路径的中心幅度分别严格对准时，产生最大耦合效率。不同波长信号的波长的任何漂移会使成对的波型场(mode field)的中心幅度失准，降低耦合效率。
光谱响应曲线是在波长域上以分贝损耗为单位测量耦合效率。分贝的较小变化(例如1至3分贝)通常是可以容许的，波长的相应范围定义为通道带宽。我的一份美国专利申请号为08/581186、申请日为1995年12月29日题目为“带宽可调的波长信号混合器”，演示了在通道带宽与串音衰减之间采取折衷的可能性。波型场的半径定义在中心光强度的1/e2处，为了以低串音衰减为代价增大带宽，能够增加波型场的半径。因此，在设计中，能够把过剩串音衰减转变为更大的带宽。
光谱响应曲线的理想形状是与倒的顶帽相似的矩形形状。响应曲线的底部最好是尽可能地平坦，以使带宽内的分贝偏差减至最小，两侧应尽可能地陡直，以使带宽的尺寸达到最大同时维持相邻通道间所需的串音衰减。
美国专利号5412744公开了一种波长路由器，可作为具有平坦响应曲线的信号混合器或信号分离器。共焦的星形耦合器把两组波导(路径)连接到相控阵的相对的两端。由星形耦合器执行聚焦功能，由相控阵执行色散功能。利用Y形连接器连接相邻波导的远处一端，可获得平坦的响应。从两个相邻的波型场收集光，将其重迭的响应曲线组合起来。
然而，在成对的相邻波导之间为了维持所需程度的串音衰减，需要增大间隔。与没有Y形耦合器的类似器件相比，为了避免过剩的串音，每三个波导中只能使用一个。这大大减少了能够通过器件选择路由的不同波长信号的数目。
《电子快报》1994年2月17日(Vol.30，No.4)发表了M.R.Amersfoort等人撰写的“具有平坦波长响应的相控阵波长信号分离器”文章，在输出列阵中用多模波导代替单模波导，使光谱响应变平坦。由于可以将探测器与多模输出波导相连接，在单模光学网络中，不能采用该器件来选择不同波长信号的路由。
《光学快报为1995年1月1日(Vol.20，No.1)发表了 K.Okamoto和H.Yamada等人的题为“具有平坦光谱响应的列阵波导光栅信号混合器”的另一篇文章，公开了对相控阵的改进，在信号混合器中产生接近于平坦的光谱响应。然而，为实现光谱响应的改进所需的路程长度变化是难以实现的。
在本发明的一个或多个不同实施例中，以在单模光学网络中实际能够实现的方式，使信号混合器和信号分离器的光谱响应变平坦。采用复合聚焦与一般波长色散相组合，以容纳光学信号的更大的波长变化，不会有传输效率的过剩变化或降低串音衰减。
本发明的一种表述是作为信号混合器或信号分离器，包括用公用路径传送多个不同波长信号；用各专用路径分别传送不同波长信号；用中间路径耦合公用路径与各专用路径之间的不同波长信号的现有的特征。在中间路径中，用一个色散机构使不同波长信号在角度上分散开，在中间路径中，用一个聚焦机构将不同波长信号在角度上的分散转变为焦线上在空间上的分散。
然而，与现行的信号混合器或信号分离器对比，本发明的聚焦机构是一种具有两个或多个相邻焦点(即相邻的主焦点)的复合聚焦机构，在焦线上在相对偏移的位置上产生每个不同波长信号的多个象点。使各专用路径位于在焦线上，每个路径与不同波长信号中一个信号的多个象点相重合。
色散机构和聚焦机构都能够采用不同的形式。例如，在本发明一个实施例中，色散机构是一个衍射光栅，聚焦机构是该衍射光栅的一个反射表面。光栅的交错小面与产生相邻焦点、具有偏移曲率中心的不同圆对准。从两个圆之间的一个重合点，与无限远相共轭的相邻的焦点位于各自半径到偏移中心的中间。
另一个实施例包括一个实现色散的相控阵波导，为了产生相邻的焦点，在各自耦合中对列阵的一端或两端作了改进。通常，位于相控阵的相对两端处的中间波导以与公用路径和各专用路径分别共焦的关系会聚到一个焦点上。然而，本发明提供了将交替的中间波导会聚到至少一个耦合器中的多于一个的焦点上。与上述实施例的小面相类似，交替波导的端头能够与产生相邻焦点、具有偏移曲率中心的不同圆对准。然而，与上述的实施例对比，不同圆的中心最好与相邻焦点重合。
本发明的另一种表述是作为根据光学信号波长选择其路由的光学连接器。此外，公用路径在不同波段内传送若干个这样的光学信号，以列阵排列的各专用路径在不同波段内分别传送光学信号。聚焦器以光学信号的每个波长对公用路径分别成象。波长色散器根据其波长使公用路径的成象在列阵的内端上偏移开来。
此外，对聚焦器进行了改进，在列阵的内端上每个波长至少形成两个偏移的象。于是，在列阵内端处的各个位置上能够形成一个以上波长的相应图象。列阵的各专用路径的中心分别在形成不同波长相应象的各个位置上，以致在公用路径与各专用路径之间能够对每个波段中的更宽的波长范围进行耦合，不增加效率的变化。
聚焦器与波长色散器一起构成公用路径与各专用路径之间的若干个光学耦合，表示每个耦合的光谱响应曲线在波长域上以分贝损耗来定义的。能够将波段定义为分贝变化小于预定量的邻接的波长组。最好，每个波长的多个象点的偏移量使每个波段内的波长范围超出一个象点所能达到的范围。利用两个以上的相邻焦点能够进一步使光谱响应曲线变平坦。例如，对于本实施例，最好是用具有三个等间隔象点的聚焦机构。
形成多个相邻的焦点(即每个波长的多个偏移的象点)是一种使波长路由器的光谱响应变平坦的有效、简单和直接的方法。于是，利用与制备一般聚焦机构类似器件的相同制备技术，实际上能够实现本发明，增加的麻烦或成本是最小的。
除了本发明作为装置的各种表述外，本发明还能够独立地表述为一种选择公用路径与若干个专用路径间不同波长信号路由的方法。关键的步骤包括：(a)在各专用路径的内端上形成由公用路径传送的每个不同波长信号的第一和第二图象集；(b)使第一和第二图象集相对偏移开，以致不同波长信号中每个信号的两个象在各专用路径的内端上是偏移开的。每个不同波长信号的两个象的偏移距离最好小于各专用路径的内端的中心间距。
尽管使象偏移开的步骤会导致相邻的各专用路径之间串音有一些增加，但是本发明还提供了对路径的内端尺寸(即波型场的半径)的调节，使串音衰减维持在最低的可接受的水平上。为了提供通道带宽、串音衰减和传输效率(例如插入损耗)的所需的组合，能够使相邻焦点的数目、相邻焦点间的间隔、和路径内端的尺寸达到最佳化。
图1A是波长信号混合器/信号分离器用反射-衍射光学元件聚焦和色散不同波长信号的示意图。
图1B是使反射-衍射光学元件改进成能定义两个相邻焦点的类似的示意图。
图2是沿图1B所示信号混合器/信号分离器焦线剖面的放大图。
图3A是由叠加在各个专用路径波型场上由公用路径多个象产生的衍射场的图形。
图3B是公用路径与一个专用路径之间光学耦合的光谱响应曲线的图形。
图4A是与图3A图形相类似的图形，但是，衍射场伴随两焦点间间隔的增大而变化。
图4B是与图3B图形相类似的图形，表明间隔变化对光谱响应曲线的影响。
图5A是波长信号混合器/信号分离器用一个相控阵和两个光学耦合器聚焦和色散不同波长信号的示意图。
图5B是表明现行光学耦合器更详细细节的剖面图。
图5C是将光学耦合器改进成每个耦合器内定义两个相邻焦点的剖面图。
图6A是沿一个耦合器焦线剖面的放大图。
图6B是沿另一个耦合器焦线剖面的放大图。
图7A是在图5C所示信号混合器/信号分离器中由叠加在一个专用路径波型场上由公用路径的多个象对产生的衍射场的图形。
图7B是在图5C所示信号混合器/信号分离器中公用路径与一个专用路径之间光学耦合的光谱响应曲线的图形。
图8是对信号混合器/信号分离器进行改进，在每个耦合器中包括三个相邻焦点的剖面图。
图9A是在图8所示信号混合器/信号分离器中由叠加在一个输出路径波型场上由输入路径的三个象产生的衍射场的图形。
图9B是使图8所示信号混合器/信号分离器的相同输入路径与输出路径间光学耦合的光谱响应曲线图形。
用范围很宽的各种聚焦机构和色散机构能够构造波长信号混合器和信号分离器。用相同的光学元件能够执行聚焦和色散的功能，或者能够用单独的光学元件执行每个功能。为了说明本发明，图1A-4B指用一个反射-衍射光学元件执行聚焦和色散功能的实施例，其余的图5A-9B指用一个相控阵执行色散功能，用一对光学耦合器执行聚焦功能的实施例。
图1A和1B将现有信号混合器/信号分离器10与本发明的改进的信号混合器/信号分离器50进行对比。二者都能够理解为作为集成平面光学元件实现的，这是本发明较佳的形式。信号混合器/信号分离器10包括一个传送若干个不同波长信号“λ1-λn”公用波导(路径)12和若干个分别传送不同波长信号“λ1”和“λn”的专用波导(路径)14a和14b。为了简化说明，图中仅示出两个专用波导14a和14b，但是通常要采用许多。反射衍射光栅16通过一个中心条形波导(中心路径)18将公用和各专用波导12和14a-b耦合起来。
由于能够采用其他的具有反射-衍射光学元件的聚焦机构，反射衍射光栅16包括顺次递进的阶式小面20，其中心22位于半径为“R”、曲率中心为“C”所定义的弧线24上。小面20以闪耀角取向，因此，垂直于小面20的直线26从其各自的中心22伸展，会聚到一个闪耀点“B”。闪耀点“B”和曲率中心“C”都位于所谓的罗兰圆28上，罗兰圆通常是反射光栅16的切线，直径等于光栅曲率半径“R”。与无限远共轭的焦点“F”与罗兰圆28的中心重合。
公用波导12的内端32和各专用波导14a和14b的内端34a和34b也位于罗兰圆28上。罗兰圆28定义一条焦线，内端32、34a和34b的象与目标共轭位于该焦线上。在多路传输模式中，通过公用波导12发射的每个不同波长信号“λ1-λn”作为其内端32的象投射到各专用波导内端34a和34b的一个不同内端上。在多路传输模式中，各专用波导14的内端34a-b的象共同投射到公用波导12的内端32上。
通过内端32和34a-b传送的光能量分布在垂直于传播方向延伸的波型场上。通常，在波型场中，光强度具有高斯分布。在波型场中峰值强度的位置能够看作是物点，其真正位置在罗兰圆28上；也能够看作是象点，其投射的位置在罗兰圆28上。例如，在特定的波长(即λ1和λn)，在公用波导的内端32上的物点42作为与各专用波导内端34a和34b上物点44a和44b相重合的两个不同象点投射，在相同的波长上，在内端34a和34b上的物点44a和44b作为与内端32上物点42相重合的公用象点投射。
无论是公用波导12还是各专用波导14a-b的物点42和44a-b上发射的每个不同波长成象到罗兰圆28上的特定位置。然而，物点42和44a-b仅仅对应于波长“λ1”和“λn”上相互的象点。在其他波长上，象点偏离罗兰圆28上相互的物点42和44a-b。
公用和各专用波导12和14a-b间的耦合效率与相应目标与象波型场之间的重迭积分有关。由于目标场和象场中的光强度分布都是接近高斯分布的，重合时的任何偏差将减小其耦合效率。于是，不同波长信号“λ1-λn”的波长的任何变化能够大大改变其通过信号混合器/信号分离器10传输的效率。
新的信号混合器/信号分离器50允许不同波长信号“λ1-λn”的波长有较大的变化，通过调节波型场的尺寸和投射的图象场(也称为衍射场)的形状，不会增加其传输效率的变化。与信号混合器/信号分离器10类似，新的信号混合器/信号分离器50包括一个公用波导52和若干个专用波导54a和54b，通过一个条形波导58由反射衍射光栅56进行耦合。
然而，与上述实施例对比，反射衍射光栅56包括两组各自的中心62和63位于两个相对倾斜的弧线64和65上的交错的小面集60和61。尽管垂直于小面60和61、从其各自的中心62和63伸展的直线66会聚到一个闪耀点“B”上，但是弧线64和65具有两个不同的曲率中心“C1”和“C2”。最好是，两个弧线64和65都具有相同的曲率半径“R”，但是，与两个在角度上移开的罗兰圆68和69相切，罗兰圆在其各自的曲率中心上限定相邻的焦点“F1”和“F2”。
还是与上述实施例相对比，公用和各专用波导52和54a-b在宽度上是逐渐变尖，以调节其各自内端72和74a-b上的波型场的半径。波型场的半径定义为最大强度的l/e2(即，从波型场中物点开始的距离，此处的光强度是在目标点上光强度的1/e2)。波导的锥度在内端72和74a-b与各自的外端76和78a-b之间提供了逐步绝热的过渡，外端76和78a-b将信号混合器/信号分离器50耦合到光学网络(未示出)上。
在公用波导内端72上的物点82和在各专用波导内端74a-b上的物点84a-b作为相邻象点对被反射衍射光栅56投射，在图2的放大截面图中能够看出。为简单起见，两个罗兰圆68和69及其相应的焦线画成重迭线。在多路分解模式中，将物点82投射为象点对86a-87a和86b-87b。象点86a和87a跨在各专用波导54a内端74a上物点84a，象点86b和87b跨在各专用波导54b内端74b上物点84b。在多路传输模式中，将目标点84a和84b投射为跨在物点82上的重合的象点对90a-91a和90b-91b。
罗兰圆68上成对的象点86a-87a、86b-87b、90a-91a、和90b-91b之间的距离对应于曲率中心“C1”与“C2”之间距离的两倍，但是小于不同波长信号“λ1-λn”之间在罗兰圆上的波长色散。由于成对的象点86a-87a、86b-87b、90a-91a、和90b-91b不是与其所跨的物点82、84a、或84b严格重合，能够预料到耦合效率有小量的降低。然而，不同波长信号“λ1-λn”的任何的略微的波长漂移使象点配对(例如86a，87a)一个数(例如86a)移到靠近所跨的物点(例如84a)，同时使其他数(例如87a)向远处移动同样的距离，可以预料，波长的略微漂移将产生耦合效率的小量变化。
形成衍射场的相应的成对象场比从内端72或74a-b上一个波型场的一次投射图象要宽。这企图增大通道的带宽以及串音。然而，通过降低内端72和74a-b上波型场的半径，能够使串音衰减恢复到所需的最低程度。早先所述的公用和各专用波导52和54a-b的内端72和74a-b与外端76和78a-b之间锥形使内端72和74a-b上波型场的半径能够在尺寸上不同于与网络连接的外端76和78a-b上的波导宽度。
在申请日为1995年12月29日的美国专利申请号08/581186中公开了在通道宽度与串音衰减之间为实现理想的折衷而调节波型场的半径的详细情况。该项申请在此作为参考文献用。
交错的小面60和61还引入一个会减小衍射光栅16单值地色散波长的自由光谱范围的第二周期数。等间隔的波长在公共方向上衍射，增加的衍射峰被迭加在主衍射峰的中路上，由中间波长和衍射阶数的商大致地间隔主衍射峰。增加的衍射峰使自由光谱范例降低到与不同焦点“F1”和“F2”数相对应的倍数分之一。例如，两个焦点使自由光谱范围减小到二分之一，三个焦点使自由光谱范围减小到三分之一。
尽管减小，用新的信号混合器/信号分离器传输的通道范围(即工作带宽)必须保持在自由光谱范围之内。在必要时，为了恢复所需的自由光谱范围，能够减小衍射阶数。然而，减小衍射阶数也减小焦线上所需的波长线性色散。通过增大光栅的曲率半径“R”或减小光栅的节距，能够解决后一个问题。
另一方面，通过把具有相似曲率中心的小面60和61组合在一起，能够抑制增加的衍射峰。例如，光栅16的一半可以具有中心在“C1”邻接小面60，光栅16的另一半可以具有中心在“C2”邻接小面61。尽管抑制了增加的衍射峰，这一办法能够产生较小的通道带宽和相邻通道之间较低的串音衰减。
以下提供根据本发明实施例的两个数值化的例子。总体设计参数如下：
中心通道波长                1550nm
相邻通道之间的波长间隔      1.0nm
在焦线上的波长色散          20.0：μ/nm
使之达到最佳值的变量为如下：
                            例A       例B
中心(C1、C2)之间的间隔      7.0：m   8.5：μm
波型场的半径(W)             6.0：m   5.1：μm
在插入损耗“IL”(定义为每个波段的最小损耗)、损耗波纹“ΔIL”(定义为相对每个波段最小损耗，通道中心处的损耗增加)、通道带宽“Δ λF”(定义为在每个波段最小损耗3分贝内的波长范围)、和串音衰减“Xtalk”(定义为相对于每个波段的最小损耗，相邻通道中心的衰减)之间导致的折衷为：
                            例A       例B
插入损耗(IL)              1.9dB     3.0dB
损耗波纹(ΔIL)            0.0dB     2.0dB
通道带宽(ΔλF)           1.0nm     1.21nm
串音衰减(Xtalk)           22.0dB    22.0dB
给定相邻通道中心上22.0dB的串音衰减“Xtalk”，例A和B的通道带宽“ΔλF”都比单独使波型场的半径“W”达到最佳值所能得到的0.75nm带宽要宽。然而，两个光栅中心“C1”和“C2”之间的间隔增加也导致更高的插入损耗“IL”和损耗波纹“ΔIL”，对于较大的带宽“ΔλF”，这可以针对需要进行平衡。
图3A和3B提供了例A的图形表示，图4A和4B提供了例B的类似的表示。例如，图3A示出叠加在内端74a的波型场94上的衍射场92的强度分布。在从物点84a测量的距离范围上以分贝损耗表示两个场92和94的强度。过去，使衍射场与目标场重合。然而，本发明的两个焦点“F1”和“F2”改进了衍射场92，以包括跨在物点84a的两个侧瓣。衍射场92的象点86a和87a明显在两个侧瓣的峰值强度附近。
波型场94的位置是固定的，但是，衍射场92的位置在罗兰圆68和69上漂移，与波长有关。对于某一特定波长的最大传输效率，衍射场严格与固定的波型场94匹配，与这一衍射场比较，平坦的衍射场92的小量漂移对于两个场92和94之间的重迭面积影响很小，对于相邻波长的传输效率的影响相应地也很小。
图3B示出公用波导52与专用波导54a间耦合的光谱响应曲线96。光谱响应曲线96计算为衍射场92和波型场94之间的重迭积分。通道带宽“ΔλF”在1549.5nm和1550.5nm之间，在相邻通道(1549nm和1551nm)上的串音衰减“Xtalk”是22dB。在中心波长(1550nm)上插入损耗“IL”是1.9dB，无损耗波纹“ΔIL”。在带宽“ΔλF”内，显然，耦合效率的很小变化是与1550nm中心波长附近的波长有关。
图4A和图4B示出了使曲率中心“C1”和“C2”进一步分开到8.5：m间隔的影响。衍射场102的象点86a和87a与窄的波型场104的物点84a进一步分开。相应的光谱响应曲线106的通道带宽“ΔλF”(1.21nm)显著地放大，但是串音衰减“Xtalk”22dB维持相同。然而，插入损耗“IL”和损耗波纹“ΔIL”都增大。
也能够单独地考虑相邻焦点“F1”和“F2”的影响，具有相同的结果。例如，可以将焦点“F1”和“F2”理解为在各自的罗兰圆68和69上产生公用路径52的两个不同的象组。在每个象组中，公用路径52的象的位移与波长有关。然而，由于曲率中心“C1”和“C2”在两个罗兰圆68和69上也是分开的，因此两组象相互间也是分离开的。于是，两个不同波长的象能够叠加在象组重迭的每个位置上。在这些位置上还有各专用路径54a-b，能够用每个专用路径54a-b传送两个不同的波长，具有相同的效率。由于曲率中心“C1”和“C2”及其相应的焦点“F1”和“F2”进一步分离开，这些波长从最后光谱响应曲线的多个峰值强度显现出来(见图4B)。
图5A-图9B所示的其余实施例采用不同的色散机构和聚焦机构来产生多个焦点(即每个波长的多个分开的象点)。图5A示出现有相控阵信号混合器/信号分离器110的总体构造。以平面形式实现，信号混合器110包括一个公用波导(路径)112和一个专用波导(路径)114a-114n列阵，由一个相控阵116和两个光学耦合器118和120(中间路径)互连。相控阵116是一个光程长度差发生器，具有若干个不同长度的中间波导(路径)122，使不同波长信号“λ1-λn”在角度上色散开。
图5B详细示出两个光学耦合器118和120。中间波导122的相对的两端部分124和126把外表上平行的路径会聚到分开的焦点“C”和“D”上。端部124的端头小面128位于曲率半径为AR、曲率中心在焦点“C”上的弧线130上。同样，端部126的端头小面132位于曲率半径为“R”、曲率中心在焦点“D”上的弧线134上。
在多路分解模式中，公用波导112发射的若干个不同波长信号“λ1-λn”通过条形波导136的自由空间发送，作为平行波前进入中间波导122。中间波导122改变光程长度，最好相邻波导之间的光程长度差不变，将不同波长信号“λ1-λn”的平行波前转变成根据其各自波长相互倾斜的波前。不同波长信号“λ1-λn”的相互倾斜波前通过条形波导138的自由空间在各自的会聚路径上从中间波导122出射，根据其波长聚焦到焦线140上的不同的点上。专用波导114a-c位于焦线140上，其位置对应于不同波长信号“λ1-λn”预计焦点位置。
在多路传输模式中，各专用波导114a-c通过条形波导138从焦线140上不同的位置上从发送路径发射不同波长信号“λ1-λn”。不同波长信号“λ1-λn”作为相互倾斜的波前进入中间波导122，但是，通过条形波导136作为平行波前从会聚路径出射到焦点“C”。公用波导112与焦点“C”对准，传送组合的不同波长信号“λ1-λn”。
图5C-7B所示的新的相控阵信号混合器/信号分离器150与信号混合器/信号分离器110的排列相似，但是，包括为改善光谱响应的焦点对“C1-C2”和“D1-D2”。类似的特征包括：一个公用波导152和三个(预计为八个或更多个)专用波导154a、154b和154c，由一个相控阵156和两个光学耦合器158和160互连。
与前述的实施例对比，相控阵156的中间波导162的相对两端都划分成交错的端部分组164-165和166-167。在耦合器158里，端部分164通过条形波导176会聚到焦点“C1”，端部分165同样地会聚到焦点AC2。端部分164的端面168位于中心在焦点AC1的弧线170上，端部分165的端面169位于中心在焦点AC2的弧线171上。在耦合器160中，端部分166通过条形波导178会聚到焦点“D1”，端部分167同样地会聚到焦点“D2”。端部分166的端面172位于中心在焦点“D1”的弧线174上，端部分167的端面173位于中心在焦点“D2”的弧线175上。所有的弧线170、171、174、和175具有相同的曲率半径“R”。
图6A和图6B示出了两个条形波导176和178之间与公用和专用波导152和154a-c之间各自相交的放大截面图。条形波导176沿焦线180与公用波导152的内端面182连接。条形波导178沿焦线190与分别的专用波导的内端面184a、184b、和184c连接。
在多路分解模式中，在公用波导152的内端182上的波型场的物点192被投射为象点对196a-197a、196b-197b、和196c-197c。在多路传输模式中，各专用波导内端184a-c上各自波型场的物点194a、194b、和194c被投射为重合的象点对200a-201a、200b-201b、和200c-201c。所有的象点对之间的间隔等于焦点“C1”和“C2”以及“D1”和“D2”间的间隔之和。
与前述实施例相似，交错的端部分组164-165和166-167引入一个减小相控阵信号混合器/信号分离器150自由光谱范围的第二周期。成对的焦点“C1”、“C2”和“D1”、“D2”产生主衍射峰的附加衍射峰中路。此外，能够使自由光谱范围重新扩大，通过减小衍射阶数包括所需的工作带宽，这是通过减小中间波导162之间的光程长度差实现的。最好是通过相应地增大曲率半径“R”实现各自焦线180和190上不同波长的所需线性色散。同样地，也能够使对准的端部分164-165和166-167按组组合，以抑制附加的衍射峰。
该实施例的数值举例具有如下基本参数：
中心通道波长                1550nm
相邻通道之间的波长间隔      1.6nm
在焦线上的波长色散          11.25μ/nm
使变量达到最佳化，产生的折衷结果如下：
每个耦合器的焦点数          2
相邻焦点之间的间隔                5.0μm
波型场的半径(W)                   3.7μm
插入损耗(IL)                     2.9dB
每个通道中心的损耗波纹(ΔIL)     2.3dB
3分贝损耗内的通道带宽(Δ8F)      1.4nm
0.4nm内的串音衰减(Xtalk)         22.0dB
图7A和7B的图形表示本实施例作为公用路径152与专用路径154b之间耦合的预计性能。衍射场212的强度分布是公用波导的端面182上波型场的两个投射象的叠加。象点196b和197b在两个侧瓣的最大强度附近，两个侧瓣跨在专用波导154b的端面184b上波型场214的物点194b。
产生的光谱响应曲线216，其带宽“ΔλF”等于1.4nm，在0.4nm相邻通道波长内的串音衰减“Xtalk”为22dB。在1550nm中心波长上的损耗是插入损耗“IL”与损耗波纹“ΔIL”之和。然而，利用图8所示的三个等间隔的焦点能够去除大部分的损耗波纹“ΔIL”。
图示的信号混合器/信号分离器220具有所谓的“N×N”构造，以三个输入波导222a、222b、和222c和三个输出波导224a、224b、和224c表示。输入或输出波导中的任何一个都能够起公用波导的作用，相对的输入或输出波导中能够起专用波导的作用。
相控阵226和两个共焦的光学耦合器228和230使输入波导222a-c与输出波导224a-c互连。相控阵226的中间波导232的相对的端部分被分为交错的端部分组234-235-236和238-239-240。在耦合器228中，端部分234通过条形波导246会聚到焦点“C+1”，同样，端部分235会聚到焦点“C0”，端部分236会聚到焦点“C-1”。端部分234的端面254位于中心在焦点“C+1”的弧线250上，端部分235的端面255位于中心在焦点“C0”的弧线251上，端部分236的端面256位于中心在焦点“C-1”的弧线252上。三个焦点“C+1”、“C0”、和“C-1”最好是等距离地位于焦线248上。
耦合器230最好是镜面对称的。端部分238的端面258位于中心在焦点“D+1”的弧线264上，端部分239的端面259位于中心在焦点“D0”的弧线265上，端部分240的端面260位于中心在焦点“D-1”的弧线266上。三个焦点“D+1”、“D0”、和“D-1”最好是等距离地位于焦线268上；所有的弧线250、251、252、264、265、和266最好具有相同的曲率半径“R”。
然而，产生三个焦点组“C+1”、“C0”、“C-1”和“D+1”、“D0”、“D-1”的三个交错的端部分组234-235-236和238-239-240使自由光谱范围减小到三分之一。与前述实施例相似，以尺寸为代价，能够恢复所需的自由光谱范围。
给定与最近的实施例相同的基本参数，使变量进一步达到最佳化，产生的折衷如下：
每个耦合器的焦点数            3
相邻焦点之间的间隔            3.04μm
波型场的半径(W)               3.2μm
插入损耗(IL)                 3.3dB
每个通道中心的损耗波纹(ΔIL) 0.0dB
3分贝损耗内的通道带宽(ΔλF) 1.4nm
0.4nm内的串音衰减(Xtalk)     22.0dB
图9A和9B表示输入波导222b和输出波导224b之间典型的耦合。有三个不明显侧瓣的衍射场272叠加在输出波导224b内端处的波型场274上。由于耦合器228和230是等同的，形成衍射场272的三个波型场的象点276、277、和278，其分开的间隔是相邻焦点间距离的两倍。象点277最好是与波型场274的物点282对准，象点276和278最好是等距离地从物点282间隔开。
从光谱响应曲线284测量的带宽“λF”和串音衰减“Xtalk”与最近的实施例相同，但是，在中心波长处的损耗波纹“IL”已消除，插入损耗“IL”仅有少许增加。在绝大部分带宽上显然可见相当平坦的带通。
为了平衡竞争性设计的兴趣，在每个耦合器中能够采用多一些或少一些的焦点。例如，耦合器228或230的一个能够以一个焦点排列，而耦合器228或230的另一个能够以二个或多个焦点排列。当仅有一个耦合器具有多个焦点时，所投射象点之间的间隔与焦点之间的间隔匹配。
信号混合器/信号分离器220的输入和输出波导结构也能够运用于前述的任何一个实施例，因为能够用焦点数产生衍射场。对位置、交错图案、焦点的间隔作各种改进也能实现特定的目的。
尽管各实施例是以平面形式实现的，但是，本发明也能够以立体光学或平面与立体元件组合的混合光学来实现。

Claims (61)

1.一种波长信号混合器/信号分离器，包括：
传送许多不同波长信号的一个公用路径；
分别传送不同波长信号的各个专用路径；
将所述公用路径与所述各专用路径之间不同波长信号耦合的一个中间路径；
在所述中间路径里，使所述公用路径传送的不同波长信号在角度上散开的一个色散机构；
在所述中间路径里，将不同波长信号的角度色散转变为焦线上的空间分散的一个聚焦机构，其特征在于：
所述的聚焦机构具有相邻的焦点，在焦线上相对偏移的位置中产生不同波长信号中每个信号的多个象点；
所述的各专用路径位于焦线上，使得所述的各专用路径中每一个路径与不同波长信号中一个信号的多个象点相重合。
2.根据权利要求1的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的色散机构是一个将所述公用路径与各专用路径耦合的、具有多个不同长度中间路径的光程长度差发生器。
3.根据权利要求2的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的光程长度差发生器在相邻中间路径之间具有恒定的光程长度差。
4.根据权利要求2的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的公用路径和所述的光程长度差发生器是由一个第一耦合器互连的，所述的各专用路径和所述的光程长度差发生器是由一个第二耦合器互连的。
5.根据权利要求4的信号混合器/信号分离器，其特征在于：至少在所述第一和第二耦合器中的一个耦合器里形成所述的聚焦机构。
6.根据权利要求5的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的中间路径包括在所述第一耦合器里会聚于至少一个焦点的第一端和在所述第二耦合器里会聚于至少一个焦点的第二端。
7.根据权利要求6的信号混合器/信号分离器，其特征在于：中间路径的所述第一端，其中一些终止在第一圆弧上，另一些终止在第二圆弧上，圆弧定义的二个曲率中心在所述公用路径附近。
8.根据权利要求6的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述中间路径第二端，其中一些终止在第一圆弧上，另一些终止在第二圆弧上，圆弧定义的二个曲率中心在所述各专用路径附近。
9.根据权利要求7的信号混合器/信号分离器，其特征在于：
所述中间路径第二端，其中一些终止在第一圆弧上，另一些终止在第二圆弧上，圆弧定义的二个曲率中心在所述各专用路径附近。
10.根据权利要求8的信号混合器/信号分离器，其特征在于：每个波长信号的象点在焦线上相隔一段距离，该距离大于各专用路径附近两曲率中心之间的间隔。
11.根据权利要求6的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述中间路径所述第一端的一部分会聚于第一焦点，所述第一端的其余部分会聚于与所述第一焦点相邻的第二焦点。
12.根据权利要求11的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述第一端一些和另一些是以交错图案排列的。
13.根据权利要求11的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述第一端一些和另一些是以分组方式排列的。
14.根据权利要求7的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述中间路径所述第一端的一些会聚于第一焦点，所述第一端的另一些会聚于与所述第一焦点相邻的第二焦点。
15.根据权利要求6的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述中间路径所述第二端的一些会聚于第一焦点，所述第二端的另一些会聚于与所述第一焦点相邻的第二焦点。
16.根据权利要求15的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述第二端一些和另一些是以交错图案排列的。
17.根据权利要求15的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述第二端一些和另一些是以分组方式排列的。
18.根据权利要求8的信号混合器/信号分离器，其特征在于：中间路径所述第二端的一些会聚于第一焦点，所述第二端的另一些会聚于与所述第一焦点相邻的第二焦点。
19.根据权利要求1的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的色散机构是一个衍射光学元件。
20.根据权利要求19的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的聚焦机构是所述衍射光学元件的弯曲反射表面。
21.根据权利要求20的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的衍射光学元件包括限定一个所述焦点的第一组小面和限定另一个所述焦点的第二组小面。
22.根据权利要求21的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的第一和第二组小面是以交错的图案排列的。
23.根据权利要求21的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的第一和第二组小面是以分组方式排列的。
24.根据权利要求21的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的第一和第二组小面位于各自的圆弧上。
25.根据权利要求21的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述圆弧的曲率中心位于所述衍射光学元件的各自的罗兰圆上。
26.根据权利要求25的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述焦点位于各自的罗兰圆的中心。
27.根据权利要求25的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的公用路径和所述的各专用路径的内端也位于罗兰圆上。
28.根据权利要求21的信号混合器/信号分离器，其特征在于：每个不同波长信号的象点相隔一段距离，该距离小于不同波长信号在焦线上被所述衍射光学元件波长色散的间隔。
29.根据权利要求2的信号混合器/信号分离器，其特征在于：
(a)所述的公用路径和所述的每个专用路径都具有内端和外端；
(b)所述的内端与所述的中间路径相邻近；
(c)为了相对调节相邻各专用波导之间的波长带宽和串音衰减，所述的内端和外端，其宽度是可变的。
30.根据权利要求19的信号混合器/信号分离器，其特征在于：
(a)所述的公用路径和所述的每个专用路径都具有内端和外端；
(b)所述的内端与所述的中间路径相邻近；
(c)为了相对调节相邻各专用波导之间的波长带宽和串音衰减，所述的内端和外端，其宽度是可变的。
31.根据权利要求29的信号混合器/信号分离器，其特征在于：增大所述的内端和外端的宽度，使在相邻各专用波导之间的串音衰减处于预定量值时的波长带宽达到最大。
32.根据权利要求31的信号混合器/信号分离器，其特征在于：公用路径的所述内端的尺寸与各专用路径的所述内端的相同，以降低耦合损失。
33.根据权利要求31的信号混合器/信号分离器，其特征在于：限制所述内端和外端之间的过渡斜率，在所述内端与外端之间提供一个绝热过渡。
34.根据权利要求1的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的聚焦机构至少有三个焦点。
35.根据权利要求34的信号混合器/信号分离器，其特征在于：每个不同波长信号的相应象点等间隔地分布在焦线上。
36.根据权利要求1的信号混合器/信号分离器，其特征在于：所述的色散机构使自由光谱范围中的不同波长信号在角度上色散开，所述聚焦机构的所述相邻焦点减小自由光谱范围。
37.根据权利要求36的信号混合器/信号分离器，其特征在于：使自由光谱范围缩小的倍数等于相邻焦点的数目。
38.根据权利要求36的信号混合器/信号分离器，其特征在于：
(a)若干个不同波长信号覆盖一个工作带宽；
(b)不同波长信号按所述色散机构衍射阶数函数关系在角度上色散开；
(c)调节衍射阶数的大小，维持自由光谱范围大于工作带宽。
39.一种根据光学信号的波长选择其路由的光学连接器，包括：
在不同波段内传送若干个光学信号的公用路径；
在不同波段内分别传送光学信号的以列阵排列的各个专用路径；
通过以光学信号的每个波长使所述公用路径分别成象，将所述公用路径与所述各个专用路径互连的聚焦器；
与所述聚焦器光学耦合的波长色散器，根据其波长使公用路径的象在列阵的所述端上位置上位移开来，其特征在于：
所述的聚焦器是这样排列的，对于每个波长在列阵的所述端上至少形成两个象；
使每个波长的两个象发生偏移，在列阵的所述端的每个位置上能够形成不同波长的相应象；
使列阵的所述专用路径中心分别位于所述的形成不同波长的相应象的位置上，在所述公用路径和各专用路径之间，能够使每个波段内更宽的波长范围进行耦合，不会增加效率的变化。
40.根据权利要求39的光学连接器，其特征在于：
(a)所述的聚焦器和所述的波长色散器在所述公用路径与各专用路径之间形成若干个光学耦合；
(b)表示所述的光学耦合的光谱响应曲线在波长域上以分贝损耗来定义；
(c)所述的波段被定义为分贝损耗小于预定量的一组邻接的波长，
(d)每个波长的两个象的偏移量超过每个波段内的波长范围，超出范围与其他方法形成每个波长单个象有关。
41.根据权利要求40的光学连接器，其特征在于：
(a)所述的每个公用路径和各专用路径传送在整个波型场上分布的光能量；
(b)所述的聚焦器在从所述公用路径到所述各专用路径的光传输的方向上把所述公用路径波型场的重迭象投射到所述的每个专用路径上。
42.根据权利要求41的光学连接器，其特征在于：所述的聚焦器在从所述各专用路径到所述公用路径的光传输的相反方向上把所述各专用路经波型场的重迭图象投射到所述的公用路径上。
43.根据权利要求41的光学连接器，其特征在于：
(a)公用路径的重迭图象在整个衍射场表现为各自光能量分布；
(b)在所述的公用与各专用路径之间，光学耦合的响应曲线进一步是以各专用路径的衍射场与波型场之间的重迭积分定义的。
44.根据权利要求41的光学连接器，其特征在于：
(a)象点定义在公用路径波型场的所述象的峰值强度上；
(b)重迭图象的所述象点的间隔距离小于列阵所述端上所述各专用路径中心之间的间隔。
45.根据权利要求44的光学连接器，其特征在于：重迭图象的所述象点的间隔距离量大于从各自波型场的最大强度到在1/e2处所定义的各专用路径波型场的半径。
46.根据权利要求44的光学连接器，其特征在于：所述的聚焦器包括至少两个相邻的焦点，每个波长形成至少两个象。
47.根据权利要求44的光学连接器，其特征在于：所述的相邻的焦点位于列阵的所述的端上。
48.根据权利要求47的光学连接器，其特征在于：
(a)所述的公用路径包括一个与所述波长色散器相邻的内端；
(b)所述的聚焦器包括位于公用路径的所述内端上的至少两个附加相邻焦点。
49.根据权利要求48的光学连接器，其特征在于：所述的象点的间隔量是公用路径的所述内端上所述相邻焦点间间隔和各专用路径列阵的所述端上所述相邻焦点间间隔之和。
50.根据权利要求39的光学连接器，其特征在于：所述的聚焦器包括位于列阵的所述的端上的三个焦点。
51.根据权利要求50的光学连接器，其特征在于：所述的三个焦点是等距地隔开的。
52.一种在一个公用路径与若干个专用路径之间选择不同波长信号路由的方法，其特征在于包括以下步骤：
沿公用路径传送若干不同波长信号；
沿各专用路径分别传送不同波长信号；
在各专用路径的内端上形成由公用路径传送的不同波长信号中每个信号的第一图象集；
在各专用路径的内端上形成由公用路径传送的不同波长信号中每个信号的第二图象集；
使第一图象集与第二图象集相对偏移，每一个不同波长信号的两个象在各专用路径的内端上是偏移开的。
53.根据权利要求52的方法，其特征在于：相对偏移的步骤包括：使每个不同波长信号的两个象间隔一段距离，该距离小于各专用路径内端的中心间隔距离。
54.根据权利要求52的方法，其特征在于：
(a)光能量以具有各自半径的波型场分布在各专用路径的内端上；
(b)所述的相对偏移的步骤具有增大各专用路径间串音的影响。
55.根据权利要求54的方法，其特征在于：所述的相对位移的步骤伴以调节各专用路径内端波型场半径，以抵消串音增大的另一个步骤。
56.根据权利要求52的方法，其特征在于：所述的形成第一和第二图象集的步骤包括：在各个专用路径内端上形成公用路径内端的象。
57.根据权利要求56的方法，其特征在于：象点定义在各自图象的峰值强度上，所述的形成第一和第二图象集的步骤把一个以上波长的象点叠加在各专用路径的内端上。
58.根据权利要求57的方法，其特征在于：不同波长至少有三个象点叠加在各专用路径的内端上。
59.根据权利要求52的方法，其特征在于：表示公用路径与各专用路径之间的光学耦合的响应曲线是以波长域上分贝损耗来定义的，第一和第二图象集的偏移量使与不同波长信号相邻的响应曲线变平坦。
60.根据权利要求52的方法，其特征在于进一步包括如下步骤：
(a)在各专用路径的内端上形成公用路径传送不同波长信号中每个信号的第三图象集；
(b)第三图象集相对第一和第二图象集有相对偏移，在各专用路径的内端上使不同波长信号中每个信号的三个象产生位移。
61.根据权利要求60的方法，其特征在于：所述的相对位移的步骤包括使第一、第二和第三图象集等量地位移。
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