CN1249820A - 包括至少一个布拉格光栅结构的光波长选择装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学装置,所述装置包括至少一个MMI波导和至少一个布拉格光栅结构。至少一个所谓的接入波导设置在MMI波导的第一边,至少一个接入波导设置在MMI波导的第二边,其中第一边和第二边是MMI波导的短边。接入波导是所谓的楔形结构,而且布拉格光栅结构设置在MMI波导内。

Description

包括至少一个布拉格光栅结构的光波长选择装置
本发明涉及光波长选择开关，更具体地说，涉及用于在光网络中多路复用/多路分用光学传输信道的装置，例如增加/撤销多路复用器。
本领域内已知有许多不同的用于提高现有光网络中光纤容量的方法。一种方法是利用波分多路复用(WDM)改进光网络中光纤的可用波长的利用程度。然而，这一技术需要提供一种装置，该装置能够多路复用和多路分用光网络中不同所谓光学载波波长上的传输信道。
关于所谓总线网络或环形网络，一种特别令人感兴趣的多路复用方法是增加/撤销多路复用，即一个或多个位于前述载波波长上的所谓信息通道被从信息流中撤销或增加到信息流中的过程。
众所周知可以用许多不同的方法提高光学传输系统的容量。例如波长多路复用中传输信道多路复用和多路分用在不同的载波波长上，以便获得信息流。
关于增加/撤销信道和传输信道功率消耗大是已有技术所遇到的问题的一个例子。
另一个问题是保持可接受的信道串扰水平。
本发明借助于一种光学装置解决这些问题，所述光学装置包括至少一个MMI结构、至少一个布拉格光栅、和至少两个所谓接入波导，用于连接到外部光学装置或光纤上。
上述MMI结构(多模干涉)能够使得在MMI结构的一个输入端上的光强度分布被成象在所述MMI结构的所有输出端上。因此MMI结构可以用于分光。在本发明的情况下，选择MMI波导的长度实现1∶1成象，换句话说，在理想情况下所有从设置在MMI波导上的第一接入波导进入的光被散焦在第二接入波导上，所述第二接入波导位于与第一接入波导相对的一侧。关于MMI结构的更基本理论在专利说明书DE 2506272及L.B Soldano和E.C.M.Pennings的论文中有介绍，论文名称为“Optical Multi-Mode Interference Devices Based onSelf-Imaging：Principles and Application”，发表在J.LightwaveTechnol.Vol.13(4)，pp615-627，1995。
布拉格光栅用于滤光。这一滤光过程包括允许某些波长的光通过光栅，而反射其他波长的光。可以说布拉格光栅构成某种波长选择反射镜。所述某些波长的反射可以用许多方法实现。然而，这些方法的特征是通过周期性改变所谓波导中基质的折射率实现反射。
发明装置也可以包括所谓的相位控制元件。相位控制元件影响波导的所谓光波长。这通过向波导加外部信号而实现。
实现所述相位控制的一种方法是使得波导受静电场影响，所述静电场改变波导的有效折射率。
相位控制也可以通过使得波导受热变化而实现。
一种永久改变波导折射率的方法是用紫外光照射波导。这通常称为波导紫外写入。这一技术最经常用于实现周期性折射率变化，所谓紫外写入。这一技术也可以用于调整或微调目的。
前述滤光方法和在波导中实现相位控制的方法仅是以举例方式给出，因此本发明并不排除使用未提到的方法。
本发明包括其中设置有布拉格光栅的MMI结构。布拉格光栅最好设置在MMI结构的中心。接入波导设置在MMI结构上。这些接入波导在MMI结构上的布局对于光学装置的功能起决定作用。本发明依靠许多不同实施例解决上述问题，这些实施例一方面是关于MMI结构的，另一方面是关于接入波导与布拉格光栅的。
因此本发明的目的是提供一种光学装置，与现有技术相比它的功耗较小、信道串扰较少、不同的传输信道之间功率变化较小。
本发明的一个优点是所述装置比已有装置结构更紧凑。
本发明的另一优点是本发明的光学装置可以相对低的成本制造。
下面将参考最佳实施例并参考附图详细描述本发明。
图1是根据本发明的光波长选择装置的实施例；
图2是本发明的光波长选择装置的另一实施例。
图3是本发明的光波长选择装置的又一实施例。
图4是出本发明的光波长选择装置的又一实施例。
图5是本发明的光波长选择装置的又一实施例。
图6是本发明的光波长选择装置的又一实施例。
图1是本发明的光波长选择装置的一个实施例。该光波长选择装置包括布拉格光栅50和MMI波导。布拉格光栅50可以设置在MMI波导内，使得它的中心线与MMI波导的中心线一致。从图1可以清楚看到，布拉格光栅也可以设置在距离MMI波导的一个短边L/2+Lphc处，其中Lphc表示距离MMI波导的中心的偏移程度。Lphc可以是正或负。布拉格光栅偏离MMI波导的中心以便补偿与模式相关的相移，否则所述相移将损害装置的功能。布拉格光栅具有给定的宽度，表示为LGg。MMI波导具有给定长度，在图1中用L表示。
所谓的接入波导1、2、3、4可以设置在MMI波导的短边。图1中的实施例包括四个接入波导，即在每个短边上有两个接入波导。在一个实施例中接入波导的数目可能与另一个实施例不同，这与光波长选择装置的预定用途有关。接入波导的中心线10、20、30、40示于图中。从MMI波导的长边至接入波导1的中心线10的距离在图1中表示为a。从MMI波导的同一所述长边至接入波导2的中心线20的距离在图1中表示为b。类似地，从MMI波导的所述长边至其他接入波导3和4的距离分别表示为c和d。距离a和c可以相等，而距离b和d也可以相等。距离a、b、c、d与MMI波导的有效宽度We、图象数目和相关MMI波导的类型有关。关于不同MMI波导的深入理论在Pierre A.Besse et al的文章中有研究，文章名称为“OpticalBandwidth and Fabrication Tolerances of MultimodeInterference Couplers”发表在J.Lightwave Technology，vol.12(4)，pp1004-1009，1994。
MMI波导的有效宽度We与波长λ、MMI波导中的折射率梯度、MMI波导的物理宽度和光的偏振态有关。
MMI波导的长度与所述波导的有效宽度We和期望功率有关。
在图1的实施例中，接入波导在它们与MMI波导连接处比它们的自由端宽。这一结构通常称为楔形结构。这一结构的作用是与直的接入波导比较而言改变光场。这样对于接入波导的误差校正而言导致较大误差容限。而且，这一作用在较低次模式中更为显著，这样更有利，因为对于反射信道布拉格光栅将产生与模式有关的相移。
所示的光波长选择装置可以还包括相位控制元件。这一相位控制元件可以用许多不同方法之一设置。许多可以想象的设置相位控制元件的方法在本发明前面的概述部分介绍过，而且对于本领域的普通技术人员是公知的，因此本文不再详细描述。
图2是本发明光波长选择装置的另一实施例。如同已经描述的实施例一样，图2中的实施例包括布拉格光栅50和MMI波导。布拉格光栅的宽度表示为LBg。MMI波导的长度表示为L，如同前述实施例的情况一样。本实施例与第一实施例的差别在于MMI波导的形式。该波导是楔形的，类似于接入波导1、2、3和4。在MMI波导的纵向方向上布拉格光栅附近两侧的短距离内MMI波导的长边互相平行，并垂直于MMI波导长度方向上的假象中心线。紧邻布拉格光栅处MMI波导的宽度表示为W2。MMI波导的短边的宽度表示为W1，其中W1＜W2。
从图2可以清楚地看到，MMI波导可以包括长度为L3的端部。在另一实施例中，L3可以等于零。所述结构在MMI波导的宽度W1和W2之间呈楔形。该楔形结构可以是直线型、抛物面型或某一其他形状。在所示出的情况下，楔形结构的目的是减小传播模式之间的差别，由此减小光栅中反射模式的所谓有效穿透深度的差别。
接入波导1、2、3和4设置在MMI波导的短边上。在图2的实施例中，两个这样的接入波导设置在每个短边上。各个接入波导的中心线10、20、30和40已经示于图中，如同在前面的实施例中所图示的一样。从短边的一端至接入波导1的中心线10的距离表示为a。从短边的同一端至接入波导2的中心线20的距离表示为b。类似地，从另一短边至其他接入波导的距离表示为c和d。距离a和c可以相等，而距离b和d也可以相等。如同参考前面的实施例所述一样，布拉格光栅可以设置在MMI波导的中心，或者可以稍微偏离所述中心。布拉格光栅偏离所述波导的中心，如同参考前面的实施例所述原因完全一样，换句话说，是为了以便补偿任何与模式相关的相移。
图3是本发明光波长选择装置的另一实施例。本实施例与图2中实施例的唯一差别在于相对于许多接入波导而言所谓的光路长度被扩展。在图3的实施例中，接入波导2和3的光路长度已经被扩展，它是通过把所述波导设置在MMI波导向外突出的部分上实现的。这些向外突出部分的宽度在图3中分别表示为e和f。e和f可以相等或不等，这依赖于所期望的结果。当然，可以把接入波导中任何一个，所述波导中的一个或多个，以某种方式设置在MMI波导上，从而改变光路长度。改变给定接入波导的光路长度的目的是补偿与模式有关的相移。如果假设MMI波导的长度L对应于所谓的交叉模式，那么通过把MMI波导的长度增加为2L可以获得所谓的条模式。如图术语的意喻一样，交叉模式是指这样一种模式：即从MMI波导的一边进入的至少一个波长信道传播通过MMI波导，以便被聚焦在MMI波导另一边上的接入波导上，所述接入波导相对于信号被从其上激发的接入波导横向偏移。交叉模式的一个例子是当波长信道被从接入波导10传播，并被聚焦在接入波导40上时。条模式是指波长信道被从MMI波导一边上的一个接入波导传播并聚焦在位于所述MMI波导的另一边上的相应接入波导上。条模式的一个例子是当波长信道被接入波导10传播，并聚焦在接入波导30上时。
图4是本发明光波长选择装置的又一实施例。在这一实施例中，两个MMI波导一个接一个设置。MMI波导通过波导或光纤连接在一起。各个MMI波导的结构除了在端部它们被连接在一起以外，基本上与图2所示的结构相同，从图4可以看出这些端部只包括一个接入波导。而且，各个短边的一部分p、q不垂直于接入波导的中心线。这样做的原因是使得MMI波导中不希望的光在这一部分结构被折射并从此消失。两个顺序设置的MMI波导的串联具有降低串扰的作用。在这一实施例中也可以包括本发明的概述部分所述类型的相位控制元件。虽然最好一边上的接入波导数目是二，另一相对边上数目也是二，但是任何需要数目的接入波导可以设置在两个MMI波导上。从图中可以清楚地看出，布拉格光栅可以偏离MMI波导的中心或者设置在所述波导的中心上。
图5是本发明光波长选择装置的另一实施例，其中两个MMI波导直接连接在一起。
从图5可以清楚地看到，本实施例的MMI波导只有设置有接入波导的一端为楔形。MMI波导的各个长边在两个布拉格光栅之间互相平行。一个MMI波导的中心线相对于另一MMI波导的中心线横向平行偏移。为了消除MMI波导中不希望的光反射，部分p和q在各个MMI波导上倾斜，可以说所述部分设置在所述中心线的前述横向平行移位部分。该实施例也可以包括本发明的前面概述部分所述类型的相位控制元件。任何需要数目的接入波导可以设置在各个MMI波导的自由端上，关于这一数目的实际界限由MMI波导的尺寸确定。
作为把接入波导设置在前述向外突出部分上的替换方法，MMI波导的折射率可以改变为与适当接入波导相关，同时可以达到相同效果，也就是说改变MMI波导中的光路长度，目的是补偿与模式有关的相移。这一替换方法示于图6中。在这一实施例中，MMI波导的折射率在长方形区域60内被提高，区域60紧邻一对接入波导，使得所述长方形的纵向中心线对应于各个接入波导的中心线。折射率的这一变化可以通过改变MMI波导中的现有材料实现，例如通过紫外写入。所述折射率变化的形式和尺寸在实现这一效果中是决定性的。
本发明的装置虽然最好使用石英制造，但是也适合于由诸如石英(SiO2)、聚合材料、某些半导体材料或铌酸锂(LiNbO3)的材料制造，
应该理解本发明并不限于前面描述和图示的示范性实施例，而是可以在后面权利要求范围内进行各种改进。

Claims (14)

1.一种光学装置，包括至少一个MMI波导和至少一个布拉格光栅结构，其特征在于至少一个所谓接入波导设置在MMI波导的第一边上，和至少一个接入波导设置在MMI波导的第二边上，所述第一边和第二边是所述MMI波导的短边；其特征还在于所述接入波导设置有所谓楔形结构；其特征还在于布拉格光栅结构设置MMI波导内。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于布拉格光栅设置在MMI波导的中心。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于布拉格光栅偏离MMI波导的中心。
4.根据权利要求2或3所述的光学装置，其特征在于所述装置包括热、光或电活性的相位控制元件。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于MMI波导在布拉格光栅的两侧具有楔形结构。
6.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于MMI波导上的楔形结构呈直线型。
7.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于MMI波导上的楔形结构呈抛物面型。
8.根据权利要求6或7所述的光学装置，其特征在于至少一个接入波导以如此方式设置在MMI波导的所述一边上，使得该接入波导的路径长度与其余接入波导的路径长度不同。
9.根据权利要求6或7所述的光学装置，其特征在于至少一个接入波导以如此方式设置在MMI波导的第一和第二边上，使得该路径长度与其余接入波导的路径长度不同。
10.根据权利要求8或9所述的光学装置，其特征在于设置在第一MMI波导上的接入波导耦合到第二MMI波导上的接入波导上。
11.根据权利要求10所述的光学装置，其特征在于MMI波导中邻近至少一个接入波导的部分的折射率与MMI波导中其余部分的折射率不同。
12.根据权利要求11所述的光学装置，其特征在于该装置包括至少两个MMI波导和至少两个布拉格光栅，其中将一个所谓接入波导设置在第一MMI波导的第一边上，至少一个接入波导设置在第二MMI波导的第二边上，而且其中所述第一边和所述第二边是MMI波导的短边；其特征还在于第一MMI波导的第二短边和第二MMI波导的第一短边互相耦合；其特征还在于所述接入波导具有所谓楔形结构；以及还在于布拉格光栅结构设置在MMI波导内。
13.根据权利要求12所述的光学装置，其特征在于第一MMI波导的第二边和第二MMI波导的第一边彼此横向偏离。
14.根据权利要求13所述的光学装置，其特征在于MMI波导在布拉格光栅的每一侧具有楔形结构。
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