CN1243994C - 用于光信息处理和光电子信息处理的光子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光子器件(1)，包括：第一部件(2，4)，它包含适合于与光子相互作用的材料(4)；第二部件(5)，它包含适合于与光子相互作用的材料(5)，所述第一部件(2，4)的区域(3)与所述第二部件(5)的区域(6)互相对接，其中至少部分的所述第一表面区域(3)和部分的所述第二表面区域(6)确定低温粘接区，基于有固有特性优点的材料组合，该光子器件适合于多种应用，而不会引入对光信号质量产生负面影响的多余效应。

Description

用于光信息处理和光电子信息处理的光子器件
技术领域
本发明一般涉及光子器件，具体涉及用于光和光电子信息处理以及用于发射和存储光信号的光子器件。
背景技术
随着增大的信息密度和不断增加的传送信号的信息传输速率，人们对光和光电子器件十分感兴趣，即，与光子相互作用的器件。然而，在许多不同应用的情况下，必须使用不同的材料。连接这些不同材料而不会引入反射，吸收或不产生杂散光中心往往是很困难的。由于这些有害效应，不但造成损耗而且还使误码率减小或携带光信号信息的信噪比减小。更有甚者，若杂散光反馈到放大系统，则可以发生这样的情况，基于这个系统的放大特性，产生干扰噪声信号的无用强度，往往也使其他信号的放大特性下降。
发明内容
本发明的目的是，基于有特征优点材料的优选组合，在不引入多余串音或其他对光信号质量有负面影响的效应条件下，改善上述存在的问题并提供适合于多种应用的光子器件。
利用这样一种光子器件以十分简单方式达到这个目的，该光子器件包括：包含光学材料的第一部件，包含光学材料的第二部件，其中所述第一部件的区域与所述第二部件的表面区域互相对接，其特征是，表面所述第一表面区域的至少一部分和所述第二表面区域的一部分确定一个低温粘接区，所述第一部件和所述第二部件用一种溶液结合起来，并且所述第一部件包括一块带有波导的玻璃。
按照本发明，定义低温粘接区为这样一个区域，其中借助于低温粘接过程或方法，至少第一部件的光学材料或物品的表面区连接或粘接到第二部件的光学材料或物品的表面区，1999年11月1日申请的美国专利申请“Low Temperature Joining of Phosphate Glass”详细地描述这种过程和方法，系列号为09/430,885，该文件合并在此供参考。其他材料的连接，即，以下一些材料的连接和粘接，例如，氧化物玻璃，SiO2玻璃，特别是，掺杂SiO2玻璃，多涂层玻璃，氟化物玻璃，硫属化物玻璃；晶体的连接，特别是，LiNbO3晶体；半导体，特别是，半导体GaAs，InP，GaAsP，GaAlAs，Si，和上述材料混合物的连接，在美国专利和商标事务所申请的PCT申请“Low Temperature Joining ofMaterials”(Atty.Dkt.No.SGT-32 P1 WO)中详细地给以描述，它是与本申请同日申请且是上述美国专利申请“Low Temperature Joiningof Phosphate Glass”部分申请的继续，1999年11月1日申请，系列号为09/430,885，这个部分申请的继续也合并在此供参考。
利用常规技术连接两种波导材料是费时和昂贵的。按照普通现有技术的处理方法，在第一步，待连接的两种器件必须经受波导结构化过程。仅仅在第二步，连接这两个器件。因此，必须以很高的精确度对准两种波导结构。此外，常规技术的另一个缺点是，必须分别地连接每个器件。
然而，此处采用的低温粘接过程允许低成本的批量生产：以大块状方式连接多个衬底，然后再分割成各个单片。此后，波导的制作是在已经连接的衬底上进行。所以，按照本发明，在光子器件中不需要对准波导。
本发明低温粘接过程的另一个优点是，与环氧树脂粘合方法比较，本发明低温粘接过程改进了粘接器件的可靠性和寿命。
在本发明的描述中，术语“光子”和“光”基本上用于电磁能量的产生，传输和吸收的相同物理基础效应，然而，在一般情况下，我们遇到的是光子特性，若讨论非常小的强度或在发生吸收，产生或发射的效应时，则使用术语“光子”；而在强度起伏很小或干涉，衍射和折射是主要效应时，光应当是大量光子的更合适表示。
基于上述的连接过程和方法，所述低温粘接利用机械方式和光学方式连接所述第一表面区域和所述第二表面区域，这种方法的优点是，非常小的损耗，基本上没有杂散光中心，或反射不会引入到跨越这个低温粘接区的光子传播路径。
按照本发明的要点，与光子的所述相互作用包括：一种或多种相互作用类型，例如，光子传输，光子反射，光子引导，光子吸收，光子产生，光子发射，光子衍射，光子折射，叠加光子，光子干涉产生。
基于所述低温粘接过程和方法的广泛应用性，可以把许多不同材料粘接在一起以获得不同应用的最佳特性。因此，在许多应用中，所述第一部件的光学材料至少有这样一个部分，其折射率不同于所述第二部件的光学材料中至少一个部分的折射率。
若所述光子器件包括所述第一部件的光学材料表面区中确定的波导和所述波导被所述第二部件的光学材料覆盖，则按照本发明可以得到基本无限制的多个二维波导结构，且借助于这种结构可以互连不同的光学器件。因此，确定基本二维的光学芯片，它依靠连接有源和/或无源光学部件的二维波导结构是合适的。
基于在“Three dimensional microscopic modifications in glassesby a femtosecond laser”，SPIE Conference on Laser Applications inMicroelectronic and Optoelectronic Manufacturing IV，San Jose，California，January 1999，SPIE Vol.3618，p.307-317中详细描述的过程，该文完整地合并在此供参考，波导确定在块状材料的区域中，如上所述，该块状材料适合于连接二维波导结构。重要的是，利用连接有源和/或无源光学部件的波导确定基本三维的光学芯片。
此外，若二维波导结构的表面连接到有源和无源光学部件，则可以实现表面安装光路，电子和半导体工业中的安装和组合技术可以得到广泛的应用。
在一个优选实施例中，所述光子器件是发射器，而所述第一部件包括光源，和所述第二部件包括分束器，用于把光源发射的光子传播路径分割成多条传播路径。最好是，调制器连接到分束器，用于调制通过调制器传输的光子相位，因此，可以得到幅度或强度调制和信号光相位的附加调制。
在另一个优选实施例中，所述光子器件是放大器，而所述第一部件包括波长相关分束器，把不同波长分割成不同的传播路径；和所述第二部件包括放大材料，用于放大与波长相关分束器一条传播路径相关的至少一个波长。
若所述波长相关分束器把光分割成多个不同的波长和每个不同波长是与一条不同的传播路径相关，则提供有极宽频谱增益的超宽带放大器，而所述第二部件包括多个部分，它包含与至少一个波长相关的放大材料。最好是，包含放大材料的每个部分包含稀土元素掺杂剂，其放大特性适合于放大所述相关波长光的所述相关波长。
在另一个优选实施例中，所述分束器是阵列式波导光栅(AWG)，该分束器把光分割成大致以1.3μm，1.4μm和1.5μm为中心波长的传输波段，所述1.3μm传输波段是与掺镨硫属化物玻璃相关，而所述相关二极管激光光源的泵激光波长约以1020nm为中心；所述1.4μm传输波段是与掺铥氟化物玻璃相关，而所述相关二极管激光光源的泵激光波长约以800nm为中心；以及所述1.5μm传输波段是与掺饵磷酸盐玻璃相关，而所述相关二极管激光光源的泵激光波长约以980nm为中心。
在另一个优选实施例中，所述光子器件是放大器，该放大器有包含放大材料并沿光传播方向串行安排的多个放大部分，且其中所述第一部件包括第一放大部分，而所述第二部件包括第二放大部分。重要的是，也是在这个实施例中，所述多个放大部分确定总频谱增益，与一个所述放大部分比较，它在扩展的波长间隔上有增大的增益和改进的增益平坦度。
在另一个优选实施例中，所述光子器件是接收器，而所述第一部件包括光电检测器，和所述第二部件至少包括一个波导，用于引导光子到光电检测器。
若所述第二部件包括光放大材料，用于放大沿所述波导方向传播的光子，则利用高信噪比还可以检测低强度信号。最好是，所述放大材料包括被光源光泵激的稀土掺杂剂。
在另一个优选实施例中，所述光子器件是光分插复用器，而所述第一部件包括去复用器，用于把光去复用成多条传播路径，和所述第二部件包括光交换装置，用于交换来自复用器的光与插入的光，所述第二部件连接到复用器段，用于复用多条传播路径的光成单条传播路径。
最好是，所述交换装置包括Mach Zehnder型干涉仪，基于MachZehnder干涉仪中至少一个臂的光程长变化，基本无吸收地交换光子传播方向。
若Mach Zehnder干涉仪中所述至少一个臂光程长的所述变化是热光方式引入的，则提供非常耐用和可靠的光子器件。高速应用以电光方式引入Mach Zehnder干涉仪中所述至少一个臂光程长的所述变化。
在另一个优选实施例中，若所述光子器件在所述第一部件中至少有第一波导和在所述第二部件中至少有第二波导，第一部件材料的折射率n1有正的温度系数 n1/T，而第二部件材料的折射率n2有负的温度系数n2/T，所述第一波导和所述第二波导是利用光学方式互相连接，则可以得到总折射率或有效折射率的预定温度关系。在一个最优选实施例中，传播通过第一波导和第二波导的光子所经受的总折射率或有效折射率的温度系数与温度基本无关。
在另一个优选实施例中，所述光子器件是复用器/去复用器，它包括多个第一波导，多个第二波导和多个第三波导，且有与温度基本无关的折射率。
附图说明
基于以下的优选实施例和参照附图，详细地描述本发明，其中：
图1表示准备和制造本发明光子器件的低温粘接过程的优选方案，
图2表示第一个实施例的光子器件，该器件是二维波导结构，
图3表示第二个实施例的光子器件，该器件是二维波导结构，
图4表示图3所示三维波导结构的不同横截面，
图5表示第三个实施例的光子器件，该器件是发射器，它包括激光二极管泵激玻璃基多波长光源，调制器和光放大器，
图6表示第四个实施例的光子器件，该器件是超宽带放大器，
图7表示第五个实施例的光子器件，该器件是混合的增益平坦宽带放大器，
图8表示图6所示混合的增益平坦放大器的频谱增益特性，
图9表示第六个实施例的光子器件，该器件是与可调整单信道光放大器串联的接收器，
图10表示第七个实施例的光子器件，该器件是光分插复用器，
图11表示第八个实施例的光子器件，该器件是阵列式波导光栅(AWG)，它有补偿的折射率温度关系，
图12a表示绝对折射率的温度系数变化在波长约435.8nm的条件下作为不同玻璃的温度函数，
图12b表示绝对折射率的温度系数在温度为20℃的条件下作为不同玻璃的波长函数，
图13a表示绝对折射率的温度系数变化作为一种特定透明材料的温度和波长函数，
图13b表示绝对折射率的温度系数变化作为另一种特定透明材料的温度和波长函数。
具体实施方式
为了清楚说明和更好地理解本发明，此处的附图仅仅是各个优选实施例及其某些特性的示意图表示，它们不是按比例画出的。
图1表示用于制造光子器件的低温粘接过程。在第1步，利用特别合适的溶液把两个不同玻璃块a和b的抛光面连接在一起。
在第2步，连接的玻璃块a和b经受增大的压力和低温烘烤。
在第3步，玻璃块a和b被切割成各个衬底。
步骤4代表波导的实现。本领域专业人员知道如何在不同的基质材料上制造波导，例如，离子扩散，离子交换或光诱发折射率变化，紫外光UV曝光，飞秒激光曝光和干涉技术。
现在参照图2，图2表示第一个实施例的光子器件1，该器件是二维波导结构并提供作为集成光学二维结构的二维光路基础。
本领域专业人员知道，在有基本平坦上表面3的光衬底2上形成波导4。光衬底2是由氧化物玻璃制成，最好是SiO2玻璃或掺杂SiO2玻璃。在具体的应用中，光衬底2是由硅酸盐玻璃或其他的氧化物玻璃，氟化物玻璃，硫属化物玻璃制成，或由晶体制成，若希望得到电光调制或交换，则采用LiNbO3晶体。光衬底2包括半导体材料，若在某些应用中需要特定的透射和折射性质或光源和光电检测器中的光子相互作用，则采用GaAs，InP，GaAsP，GaAlAs，Si和其组合的半导体，以下参照优选实施例给以详细的说明。
借助于熟知的波导制成技术，例如，离子扩散，UV曝光，或最好利用二维掩模设计的离子扩散技术，在光衬底2上制成波导4。
按照本发明，光衬底2和波导4确定第一部件，第一部件包含适合于与光子相互作用的材料，其中沿波导4传播的光子发生光引导相互作用。
光衬底2被确定第二部件5的另一种材料覆盖，所述另一种材料也适合于与光子相互作用。在波导化结构中，图1中所述第二部件5最好是块状材料，该材料与段2中材料有大致相同的折射率并作为上包层，在波导4的位置处起到引导光的作用。
然而，广义上，与光子的相互作用包括：光与材料的相互作用，或材料中光与光的相互作用，或材料中电场或磁场或温度的相互作用，以及在这种材料中的光传播，产生和吸收。与光子的相互作用具体包括：一种或多种相互作用类型，例如，光子传输，光子反射，光子吸收，光子产生，光子发射，光子波长转换，光子引导，光子衍射，光子折射，叠加光子，和光子干涉产生，光子的线偏振，椭圆偏振和圆偏振。
在图2的第一个实施例中，光衬底2的上表面3和上段5的下表面6互相对接，并以紧密接触方式形成表面区。至少部分的所述表面区是波导4的上表面，利用低温粘接方法紧密接触并结合在一起，从而形成低温粘接区。
在另一个实施例中，光衬底2的上表面3，或第二部件5的下表面6，或这两个表面，有涂层或形成这样的结构，以达到引导光的目的。
具有高反射率的涂层有助于在波导4内引导光子。涂敷在下表面6上的抗反射层辅助光子进入第二部件5，至少进入表面3和6确定界面的边界区，于是，这些光子产生适合于与第二部件5材料相互作用的渐消失场。
涂层还可应用于增加低温粘接的机械强度或引入附加的物质到接口或边界区，例如，用于放大的稀土掺杂剂的激光活性物质。
在这另一个实施例中，所述第二部件是光衬底2的第一部件与第三部件之间的表面区，从而覆盖类似于图2中第二部件5所示的所述第二部件。
若Bragg光栅产生在表面5或6，则沿波导4传播的光子是在确定的角度下从波导4射出，这个角度基本上是由所述Bragg光栅栅距确定的。
此外，若使用稀土掺杂玻璃，特别是在第一部件材料，即，光衬底2或在第二部件5中，使用这样一些稀土，例如，Er，Yb，Tm，Nd，Pr，掺杂硫属化物，氟化物或磷酸盐玻璃，则可以获得光放大。在后者的情况下，若沿图2中箭头A所示方向引入其波长适合于特定掺杂剂的泵激光，则沿波导4传播的光子有延伸到第二部件5的渐消失场并被第二部件5的所述材料放大。
图2的实施例不限制于光衬底2为矩形尺寸，波导4可以确定一个横向延伸的衬底，其中安排二维光路，而第二部件5可以是本地限制的放大器，用于放大波导4内传播的光。
参照图3，图3表示第二个实施例的光子器件，该器件是三维波导结构7，它也称之为三维或3D模块，适用于光子器件的三维集成。
为了便于更好地理解，还参照图4，图4表示三维波导结构7中不同立方体的侧视图1s，2s，3s，和正视图1v，2v，3v。
如图3所示，例如，利用低温粘接技术使光纤8连接到立方体9，立方体9与立方体10在横向侧面处互相对接，该侧面确定立方体9与10之间的低温粘接区。
此外，立方体11，12，13，14在图3所示的平面区互相对接，并确定上述的低温粘接区。
利用引入波导结构到块状材料中的方法，在“Three dimensionalmicroscopic modifications in glasses by a femtosecond laser”，SPIEConference on Laser Applications in Microelectronic andOptoelectronic Manufacturing IV，San Jose，California，January 1999，SPIE Vol.3618，p.307-317中给以详细描述，把它完整地合并在此供参考，在立方体9和10的块状材料中分别确定波导15和16。
或者，利用图2所示的二维模块，粘合剂是在可以自由接入波导4的前表面17和18处。
在立方体10中，光波分束器把波导16分割成4个分支，19，20，21，22，可以从立方体10的侧视图1s和正视图1v中看出。正视图1v是沿着图3的箭头B方向从立方体10与13之间的界面处看到的视图。
分支21向左沿着立方体11和立方体13的方向延伸，其侧视图是2s，从立方体13和14界面处看到的正视图是2v，其中有光波引导连接。
若必须引入尖锐的弯曲，如侧视图2s所示，则可以利用本地Bragg光栅，该光栅是图2所示光衬底2上表面的二维结构化引入的，于是，该衬底被第二部件5覆盖形成立方体13。然后，引入第二部件5块状材料中的连接，作为与图2箭头A相反方向上所述块状材料中延伸的波导。
图3和4中的黑点是可见的接触区，其中光引导结构跨越低温粘接区。
立方体13的分支21连接到波导27，该波导向左倾斜延伸到立方体13的左表面，而波导28连接到分支22，分别提供到波导31和32的光链路。
如图3所示，波导31和32连接到光纤29，30用于进一步的通信。
在立方体14中，可以从侧视图3s中看出，仅仅波导20确定到光纤的连接。
第二个实施例不限制于立方体尺寸的模块单元，然而，取而代之的是，只要在这些单元之间确定必需的界面区，这些单元可以有任何的矩形尺寸和形状。
在图5所示的第三个实施例中，所述光子器件是发射器，而所述第一部件34包括光源35，所述第二部件36包括分束器37，把光源35发射的光子传播路径38分割成多条传播路径39，40，41。
在一个最优选实施例中，光源35是激光二极管光源，该光源在低温粘接区42粘接到分束器37。
为了使光源35中产生的光子得到进一步的放大，分束器37包括这样一种材料，该材料适合于放大来自激光二极管光源的光，在一个优选实施例中，该材料是有源磷酸盐激光玻璃。
如图5所示，分布Bragg反射器43连接到分束器37中的每个分支39，40，41，因此，它适合于确定激光二极管光源35的外腔。分布Bragg反射器43对于分束器37中的每个分支39，40，41有不同的栅距，它确定每个分支39，40，41中激光二极管光源35的不同谐振腔，从而在不同的分支上有不同的波长λ1，λ2，λ3。
在这个优选实施例中，分布Bragg反射器43包括无源玻璃衬底。
如图5的中央部分所示，电光LiNbO3调制器44至少连接到分束器37中至少一个分支，在这个实施例中，它连接到分束器37的每个分支39，40，41，用于调制各个分支39，40，41上的光子相位。借助于加在电极对45，46，47上的电压，引入LiNbO3调制器44折射率的电光变化，从而调制传播通过调制器44的光子相位。
在另一个实施例中，若激光二极管光源35产生线偏振光并馈入到调制器44中，则传播通过调制器44的光子偏振方向被调制，所述线偏振光的电场矢量中仅有一个横向分量的光相位被调制。
组合器48最好是由石英玻璃制成，它连接到调制器44，用于组合多条传播路径39，40，41，并提供一条组合的传播路径49。
如图5的右侧部分所示，光放大器50连接到被组合器48组合的传播路径49，用于放大传播通过组合器44的光。
光放大器50基本上是由被激光二极管光源52光泵激的掺铒玻璃衬底51制成，最好是，泵激光波长为980nm或1480nm。
放大的光馈入到光纤53，借助于低温粘接区54，光纤53连接到在衬底51中延伸的光路径49。
然而，在发射器的情况下，本发明不限制于上述的实施例。在更一般的情况下，光源35可以是发光二极管，或二极管阵列以及馈入到多个分束器的激光二极管阵列。重要的是，当发射光子的发射特性非常适合于连接到外部波导时，垂直腔面发射激光管(VCSEL)或垂直腔面发射激光管(VCSEL)阵列是优选的光源。然而，玻璃基激光源也是适用的。
此外，代替从上述第三个实施例中可以看出的高度精密设计，在简化的实施例中，所述第二部件仅包括确定发射光子的传播路径结构，例如，波导，光纤或分束器。
Bragg反射器，分布Bragg反射器，可调谐Bragg反射器和波长相关吸收器可应用于适合或修改光源35的频谱增益以实现特定的目的。
参照图6，图6表示第四个实施例的光子器件，该器件是超宽带放大器。光信号通过光纤55馈入到超宽带放大器，例如，利用低温粘接技术，光纤53连接到波长相关分束器，该分束器把光传播路径分割成三条路径，第一条路径56用于中心波长约为1.3μm的波段，第二条传播路径57是以中心波长约为1.4μm的光波段，而第三条传播路径是以中心波长约为1.5μm的波段。
波长相关分束器59连接到包括三个各自独立光放大器60，61，62的光放大器装置。
借助于低温粘接区63，放大器60，61，62连接到波长相关分束器59。该分束器最好是波分复用器阵列式波导光栅结构(WDM-AWG)，延伸通过波长相关分束器59的传播路径延伸通过光放大器60，61，62，并在光组合器64中被组合成一条组合的传播路径65，传播路径65连接到外部光纤66。
光组合器64最好是在硅酸盐玻璃块67中合并的波导结构。
若光子进入波长相关分束器59，则它沿着与其波长相关的传播路径传播，该光子被引导并通过与其各自波长相关的光放大器60，61，62。光放大器60，61中的不同材料是与光信号中各自不同波长相关的。
放大器60包括掺镨硫属化物玻璃，若这种玻璃被发射泵激光波长约1020nm的光源68光泵激，则放大器60在以中心波长约1.3μm波段内展示优良的放大特性。
光放大器61是与中心波长约1.4μm波段相关，并包括掺铥硫化物玻璃，该玻璃被发射泵激光波长约800nm的光源69光泵激。
光放大器62放大中心波长约1.5μm波段内的光，并包括掺铒磷酸盐玻璃，该玻璃被泵激光波长约980nm的泵激光源70光泵激。
在一个最优选实施例中，泵激光源是激光二极管光源，借助于低温粘接区，该光源还连接到光放大器60，61，62的有源光材料。
按照这个实施例，频谱增益得到很大的延伸，本发明覆盖光传输和光信息处理中所用的几乎所有相关的光波段。
此外，这个实施例不只是考虑三个光放大器，本领域专业人员知道如何并行地添加多个其他的放大器，其中利用阵列式波导光栅以提供多个不同的波段，和利用光组合器以组合多条光传播路径，这些传播路径延伸通过多个光放大器。
图7中详细地展示第五个实施例的光子器件，其中有另一种光放大器，该放大器有图8所示延伸的频谱增益宽度和平坦的频谱增益。
在图6中，展示包括并行连接多个放大器的光放大装置。在第五个实施例的光子器件中，借助于低温粘接区73，串行连接放大器71，72。
光放大器71确定光子器件的第一部件，第一部件包含掺铒石英的有源材料；而光放大器72确定光子器件的第二部件，第二部件包含掺铒硅酸铅的有源材料。
若借助于光纤74使光信号馈入到混合放大器中，光纤74是借助于光纤输出面处的低温粘接区连接到混合放大器，则光沿着传播路径76进入到第一放大器71并按照图8所示的频谱增益宽度被放大，曲线(a)表示石英玻璃(SiO2)的情况。沿着传播路径76继续行进，光按照图8所示的频谱增益曲线被放大器72进一步放大，如曲线(c)所示，得到图8中曲线(b)所示的总增益曲线。
显然，与曲线(a)和(c)比较，曲线(b)展示较宽和平坦的频谱增益。
为了实现优化的信号处理，基于从光电检测器79和90接收的信号，分别控制光泵激光源77和78的强度。
在弱光信号的情况下，基于泵激光源77和78提供增大的强度，可以提供增大的增益。因此，放大的光信号沿着跨越低温粘接区81的传播路径76并进入到光纤82从图7所示的混合放大器输出。
此外，这个实施例不限制于两个放大器的数目，可以使用多个其他的放大器以达到不同的目的。
重要的是，本领域专业人员可以采用图6和图7所示实施例的基本原理，在并联和串联安排的组合中组装光放大器。
参照图9，图9表示第六个实施例的光子器件，该器件是与光放大器串联的接收器。
这个光子器件的第一部件包括多个光电二极管83，84，85，这些光电二极管借助于低温粘接区分别粘接到光放大器86，87，88。
进入图9所示接收器装置的光沿着光纤89传输，在跨越低温粘接区91之后进入到阵列式波导光栅90。
阵列式波导光栅90是波长相关分束器，把光信号分割成沿单独传播路径92，93，94传播的多个波段。
与每条传播路径相关的是各自的光电二极管95，96，100，这些光电二极管检测沿这些路径传播的光信号强度。根据光电二极管94，95，96检测的强度，激光二极管泵激激光器97，98，99泵激光放大器86，87，88，最好是，在掺铒磷酸盐玻璃的情况下，泵激光波长为980nm，其泵激光强度取决于光信号的强度，如在混合光放大器的情况下所描述的。
光放大过程的结果是，光电二极管83，84，85展示更佳的性能，特别是从改进信噪比的观点考虑。
此外，这个实施例不限制于三个光电二极管的数目，本领域专业人员知道如何安排更多个附加的光电二极管和光放大器。
参照图10，图10表示第七个实施例的光子器件，该器件是光分插复用器。
在第一部件中，这个光子器件包括去复用器，光信号沿着光纤102馈入到这个去复用器。一般地说，阵列式波导光栅101频谱分割来自光纤102的信号到不同的传播路径103，104，105，106，这些传播路径分别连接到Mach Zehnder干涉仪单元107，108，109，110中的输入端口。
待插入的信号沿着信号路径111，112，113，114馈入到MachZehnder干涉仪107，108，109，110中的第二个输入端口，这些信号路径在二维光衬底上延伸或至少部分地传播通过光纤。
图10的右上角更详细地画出类似于干涉仪107，108，109，110的Mach Zehnder干涉仪。这个干涉仪包括两个无源玻璃区115，116和一个热光玻璃区，热光玻璃区借助于所述低温粘接方法和过程粘接到这两个无源玻璃区。在所述热光玻璃中，所述Mach Zehnder干涉仪中至少一个分支118或119的波导可加热部分引入光传播延迟，该传播延迟造成传输通过Mach Zehnder干涉仪的信号在输出处产生相消干涉或相长干涉。
在另一个实施例中，传播延迟是借助于电光晶体引入到MachZehnder干涉仪中至少一个臂，该晶体代替热光玻璃区117。
基于这个交换功能，待分出的信号从Mach Zehnder干涉仪107，108，109，110的出口处交换到传播路径122，123，124，125。
所述待分出的信号在放大单元126中被放大，该放大单元类似于图6中包含光放大器60，61和62的超宽带放大器的放大装置或类似于图9所示接收器中的光放大器86，87，88。
沿着传播路径126，127，128，129从Mach Zehnder干涉仪107，108，109，110中各自第二出口输出的光信号被组合器130组合，并馈入到光放大器131。
在一个优选实施例中，组合器130是阵列式波导光栅或图6所示的组合器，例如，超宽带放大器中的硅酸盐玻璃组合器64。
光放大器131连接到馈入放大和复用光信号的光纤132。
图10所示的光复用器分别交换两种信号传播路径103，104，105，106和111，112，113，114，然而，本领域专业人员是容易明白，若多个Mach Zehnder干涉仪串联，则可以获得多于两种信号路径之间的交换。
此外，本发明不限制于并联的四个Mach Zehnder干涉仪的数目，在集成光衬底上可以提供大量并联和串联的Mach Zehnder干涉仪，设计该衬底的连接性以服务大量不同的交换应用需要。
参照图11所示另一个优选实施例的光子器件，其中画出阵列式波导光栅的示意图。
若光信号沿着连接第一耦合器134的光纤133馈入到这种阵列式波导光栅，则中心波长为λ1，λ2，λ3，λ4的多个不同波段沿着多个波导传播，所有这些波导在图中用数字135表示。这些波导135是确定这个光子器件中第一部件的部分光衬底，第一折射率n1有正的温度系数n1/T。
在阵列式波导光栅的第二部件中，第二多个波导136在折射率为n2的材料中延伸，折射率n2有负的温度系数n2/T。在阵列式波导光栅的第三部件中，第三多个波导137确定在正温度系数n3/T和折射率为n3的材料中。在一个优选实施例中，包括波导135的第一部件材料与包括波导137的第三部件材料是相同的。
图12a，13a和13b表示不同材料的不同温度系数n/T作为温度的函数。图12b表示不同材料的不同温度系数n/T与波长之间的典型关系。
从图12a可以看出，玻璃N-PK52或N-FK51与玻璃SF6，H-LASF40，F2，N-LAKB，或N-BK7的组合展示一种补偿效应，与单单有正温度系数或负温度系数的材料折射率变化比较，传播通过正温度系数材料之后再传播通过负温度系数材料的光子所经受的总折射率变化就减小。
在一个最优选实施例中，波导135，136和137的长度是这样选取的，它可以提供完全的温度补偿，即，在预定的温度下或温度范围内，总的温度系数基本等于零。
由于温度补偿效应的效果，从耦合器138馈入到输出光纤139，140，141，142的输出光信号有极好的热稳定性。
由于确定低温粘接区的高质量粘合界面134和144，没有不良效应叠加到中心波长为λ1，λ2，λ3，λ4各自分开波段的输出信号上。
按照本发明，这种温度补偿功能不限制于阵列式波导光栅，而可以引入到包括波导的任何光器件或光子器件中，这些波导可以分成两组，一组波导有正的温度系数，另一组波导有负的温度系数。
重要的是，本发明没有详细地讨论所有的低温粘接技术，然而，在附图中给出两个单元之间界面区的另一个指示。即使在描述中没有详细地说明，在这些位置上附图中黑体部分指出附加的低温粘接区。
数字列表
1  第一个实施例的光子器件
2  确定第一部件的光衬底
3  光衬底2的上表面
4  波导
5  第二部件
6  第二部件5的下表面
7  三维波导结构
8  光纤
9  立方体
10 立方体
11 立方体
12 立方体
13 立方体
14 立方体
15 波导
16 波导
17 前表面
18 前表面
19 波导分束器中的分支
20 波导分束器中的分支
21 波导分束器中的分支
22 波导分束器中的分支
23 波导中的弯曲
24 波导中的弯曲
25 到波导的连接
26 到波导的连接
27 波导
28 波导
29 光纤
30 光纤
31 波导
32 波导，
33 光纤
34 第四个实施例的第一部件
35 光源
36 第四个实施例的第二部件
37 分束器
38 传播路径
39 传播路径
40 传播路径
41 传播路径
42 低温粘接区
43  Bragg光栅
44 调制器
45 电极对
46 电极对
47 电极对
48 组合器
49 组合的传播路径
50 光放大器
51 掺杂玻璃衬底
52 泵激激光光源
53 光纤
54 低温粘接区
55 光纤
56 传播路径
57 传播路径
58 传播路径
59 波长相关分束器
60 光放大器
61 光放大器
62 光放大器
63 低温粘接区
64 组合器
65 组合的传播路径
66 光纤
67 硅酸盐玻璃块
68 光源
69 光源
70 光源
71 光放大器
72 光放大器
73 低温粘接区
74 光纤
75 低温粘接区
76 光传播路径
77 泵激光源
78 泵激光源
79 光电检测器
80 光电检测器
81 低温粘接区
82 光纤
83 光电二极管
84 光电二极管
85 光电二极管
86 光放大器
87 光放大器
88 光放大器
89 光纤
90 阵列式波导光栅
91 低温粘接区
92 光传播路径
93 光传播路径
94 光传播路径
95 光电二极管
96 光电二极管
97 激光二极管光源
98 激光二极管光源
99 激光二极管光源
100  光电二极管
101  阵列式波导光栅
102  光纤
103  传播路径
104  传播路径
105  传播路径
106  传播路径
107  Mach Zehnder干涉仪
108  Mach Zehnder干涉仪
109  Mach Zehnder干涉仪
110  Mach Zehnder干涉仪
111  传播路径
112  传播路径
113  传播路径
114  传播路径
115  Mach Zehnder干涉仪的无源玻璃
116  Mach Zehnder干涉仪的无源玻璃
117  热光玻璃或电光材料
118  Mach Zehnder干涉仪的分支
119  Mach Zehnder干涉仪的分支
120  Mach Zehnder干涉仪的出口
121  Mach Zehnder干涉仪的出口
122  分出信号传播路径
123  分出信号传播路径
124  分出信号传播路径
125  到组合器的传播路径
126  到组合器的传播路径
127  到组合器的传播路径
128  到组合器的传播路径
129  到组合器的传播路径
130  组合器
131  光放大器
132  光纤
133  光纤
134  耦合器/分束器
135  第一部件中波导的第一阵列
136  第二部件中波导的第二阵列
137  第三部件中波导的第三阵列
138  耦合器/组合器
139  光纤
140  光纤
141  光纤
142  光纤
143  低温粘接区
     低温粘接区

Claims (50)

1.一种光子器件，包括：
包含光学材料的第一部件，
包含光学材料的第二部件，
其中所述第一部件的表面区域与所述第二部件的表面区域互相对接，
其特征是，所述第一表面区域的至少一部分和所述第二表面区域的一部分确定一个低温粘接区，所述第一部件和所述第二部件用一种溶液结合起来，并且所述第一部件包括一块带有波导的玻璃。
2.按照权利要求1的光子器件，其中所述低温粘接区机械和光学地连接所述第一表面区域和所述第二表面区域。
3.按照权利要求2的光子器件，其中所述低温粘接区包括：所述第一部件的一个表面区和所述第二部件的一个表面区，借助于低温粘接方法连接这两个表面区。
4.按照权利要求1的光子器件，其中所述光学材料与光子进行相互作用，包括下述相互作用类型中的一种或多种：光子传输，光子反射，光子吸收，光子产生，光子发射，光子波长转换，光子引导，光子衍射，光子折射，叠加光子，产生光子干涉，光子的线偏振、椭圆偏振和圆偏振。
5.按照权利要求1的光子器件，其中所述第二部件是第一部件与第三部件之间的一个表面区。
6.按照权利要求1的光子器件，其中所述第一部件包括带波导的玻璃块，而所述第二部件包括光纤。
7.按照权利要求1的光子器件，其中所述第一部件的光学材料至少有这样一部分，其折射率不同于所述第二部件的光学材料中至少一部分的折射率。
8.按照权利要求7的光子器件，其中所述光子器件是在所述第一部件的光学材料的一个表面区中限定的波导，而所述波导被所述第二部件的光学材料覆盖。
9.按照权利要求8的光子器件，其中用连接有源和无源光学部件的波导限定一个基本上二维的光学晶片。
10.按照权利要求7的光子器件，其中所述波导形成在所述第一部件的光学材料的体区中。
11.按照权利要求10的光子器件，其中所述波导的延伸倾斜于所述第一部件的光学材料的表面。
12.按照权利要求10的光子器件，其中所述第一部件的光学材料中的所述波导连接到所述第二部件的光学材料中延伸的波导。
13.按照权利要求10的光子器件，其中用连接有源和无源光学部件的波导形成基本三维的光学晶片。
14.按照权利要求13的光子器件，其中所述第一部件包括在块状材料中延伸的波导，而所述第二部件包括光纤。
15.按照权利要求1的光子器件，其中所述光子器件是发射器，而所述第一部件包括光源，所述第二部件包括分束器，把该光源发射的光子的一条传播路径分割成多条传播路径。
16.按照权利要求15的光子器件，其中所述分束器包含这样的材料，该材料适合于放大来自所述光源的光。
17.按照权利要求16的光子器件，其中所述材料是有源磷酸盐激光玻璃。
18.按照权利要求15的光子器件，其中一个分布式布拉格反射器被连接到分束器中至少一个分支。
19.按照权利要求15的光子器件，其中一个调制器连接到分束器中至少一个分支，用于调制光子相位、光子强度和光子偏振方向中的一个，所述光子传播通过所述调制器。
20.按照权利要求19的光子器件，其中一个组合器被连接到调制器，用于组合光子的多条传播路径，并给A个光子提供一个组合的传播路径。
21.按照权利要求20的光子器件，其中一个光放大器被连接到所述组合器，用于放大传播通过组合器的光。
22.按照权利要求1的光子器件，其中所述光子器件是一个发射器，而所述第一部件包括一个光源，所述光源是发光二极管、激光二极管、二极管阵列、激光二极管阵列、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列和玻璃基激光源中的一种，
所述第二部件包括波导、光纤、分束器、布拉格反射器、分布式布拉格反射器、可调布拉格反射器、光调制器和波长相关吸收器中的一种。
23.按照权利要求1的光子器件，其中所述光子器件是一个放大器，而所述第一部件包括波长相关分束器，把不同波段分割成不同的传播路径，所述第二部件包含一种放大材料，用于至少放大波段中的与波长相关分束器中一条传播路径相关的一个波段。
24.按照权利要求23的光子器件，其中所述波长相关分束器把光分割成多个不同的波段，该不同波段中的每个波段与不同的传播路径相关，而所述第二部件包括多个部分，该多个部分包含与至少一个相关波段相关的一种放大材料。
25.按照权利要求24的光子器件，其中包含放大材料的每个部分包含稀土元素掺杂剂，其放大特性适合于所述相关波段，用于放大所述相关波段的光。
26.按照权利要求25的光子器件，其中包含放大材料的每个部分由一二极管激光光源光泵激，该光源适应包含放大材料的所述部分的吸收特性。
27.按照权利要求26的光子器件，其中所述分束器是阵列波导光栅，把光分割成大致以1.3μm、1.4μm和1.5μm为中心波长的传输波段，所述1.3μm传输波段与掺镨硫属化物玻璃相关，而所述相关二极管激光光源的泵激光波长约以1020nm为中心；所述1.4μm传输波段与掺铥氟化物玻璃相关，而所述相关二极管激光光源的泵激光波长约以800nm为中心；所述1.5μm传输波段与掺饵磷酸盐玻璃相关，而所述相关二极管激光光源的泵激光波长约以980nm为中心。
28.按照权利要求23的光子器件，其中一个组合器组合多条传播路径，这些传播路径延伸通过包含放大材料的所述多个部分，且该组合器被连接到传输放大光的波导。
29.按照权利要求1的光子器件，其中所述光子器件是一个放大器，该放大器有包含放大材料并沿光传播方向串联安排的多个放大部分，且其中所述第一部件包括一个第一放大部分，而所述第二部件包括一个第二放大部分。
30.按照权利要求29的光子器件，其中每种放大材料包含稀土元素掺杂剂，其放大特性适合于相关的波段，用于放大所述相关波段的光。
31.按照权利要求30的光子器件，其中包含放大材料的每个部分由一二极管激光光源光泵激，该光源适应所述放大材料的吸收特性。
32.按照权利要求29的光子器件，其中所述多个放大部分确定一个总增益，与所述放大部分中的一个部分比较，该总增益在一个扩展的波长间隔上有增大的增益。
33.按照权利要求1的光子器件，其中所述光子器件是一个接收器，而所述第一部件包括光电检测器，和所述第二部件至少包括一个波导，用于引导光子到光电检测器。
34.按照权利要求33的光子器件，其中所述光电检测器是光电二极管。
35.按照权利要求33的光子器件，其中所述第二部件包括光放大材料，用于放大在所述波导中传播的光子。
36.按照权利要求35的光子器件，其中所述放大材料包括稀土掺杂剂，该掺杂剂由一光源光泵激。
37.按照权利要求36的光子器件，其中所述光泵激光源是激光二极管泵激激光器。
38.按照权利要求37的光子器件，其中一个波导部分与所述放大材料连接，且其中一个光电二极管连接到所述波导部分的波导，用于控制与所述放大材料相关的激光二极管泵激光源的泵激光强度。
39.按照权利要求1的光子器件，其中
所述光子器件是一个光分插复用器，和
所述第一部件包括去复用器，用于把光去复用成多条传播路径，和
所述第二部件包括光交换装置，用于交换来自复用器的光与插入的光，
所述第二部件连接到一个复用器部分，用于将多条传播路径的光复用到单条传播路径中。
40.按照权利要求39的光子器件，其中所述光子器件是光分插复用器，而所述第二部件包括插入光的多个输入端口和分出光的多个输出端口，要分出的光被所述光交换装置交换到输出端口。
41.按照权利要求39的光子器件，其中所述交换装置包括MachZehnder型干涉仪，用于基于Mach Zehnder型干涉仪中至少一个臂的光程长的变化，基本无吸收地交换光子传播方向。
42.按照权利要求41的光子器件，其中Mach Zehnder型干涉仪中所述至少一个臂的所述光程长变化是用热光方式引入的。
43.按照权利要求41的光子器件，其中Mach Zehnder型干涉仪中所述至少一个臂的所述光程长变化是用电光方式引入的。
44.按照权利要求41的光子器件，其中所述分出光由一光放大器放大，所述去复用光由一光放大器放大。
45.按照权利要求1的光子器件，其中所述光子器件在所述第一部件中至少有第一波导，在所述第二部件中至少有第二波导，所述第一部件的材料具有有正的温度系数h1/T的折射率n1，所述第二部件的材料具有有负的温度系数n2/T的折射率n2，所述第一波导和所述第二波导相互光学连接。
46.按照权利要求45的光子器件，其中传播通过第一波导和第二波导的光子所经受的有效折射率的总温度系数与温度基本无关。
47.按照权利要求45的光子器件，其中，第三部件的材料的折射率n3有正的温度系数n3/T，所述第三部件中的第三波导光学连接到所述第二波导。
48.按照权利要求47的光子器件，其中传播通过第一波导、第二波导和第三波导的光子所经受的有效折射率的总温度系数与温度基本无关。
49.按照权利要求45的光子器件，其中所述光子器件是复用器/去复用器，它包括多个第一波导、多个第二波导和多个第三波导。
50.按照权利要求1的光子器件，其中所述第一部件和所述第二部件中的至少一个的光学材料不是磷酸盐玻璃。
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