CN1260882A - 用于多路复用和去复用的相控光纤阵列 - Google Patents

Abstract

通过将波导的输入阵列、输出阵列或相移阵列的波导端做成锥形,获得尺寸缩小的多路复用器/去复用器元件。要求锥形阵列中的每根波导具有不同的传播常数,从而在锥形区限制串扰。

Description

用于多路复用和去复用的相控光纤阵列

                     发明背景

本发明涉及一种对光信号进行波分多路复用和去复用的相控光波导阵列。具体而言，此新颖的光波导多路复用器/去复用器包括一个波导阵列，该波导阵列被构造成能够在相当接近相控阵列的空间位置处有效地收集来自相控阵列的光，同时将输出阵列中波导间的耦合降至最低。

随着系统数据速率和系统容量要求的提高，波分多路复用和去复用(WDMD)技术更显重要。由于WDMD器件的许多具体应用是互逆的，所以通常将两种类型的信号处理(多路复用和去复用)合在一起讨论。也就是说，将沿第一方向通过WDMD器件传输的多路复用信号分成许多波长分量，每个波长沿一个预选波导传播。或者，当信号沿第一方向的相反方向通过器件传输时，将分立波导中传播的波长不同的信号多路复用。在本文揭示和描述的器件具有这种互逆功能。因此，可以理解，在整个说明书中，对多路复用功能的讨论包含着相反的去复用功能。选择一种功能讨论而不讨论其明显的相反功能，这样可以简化描述，但又不失其完整性。

WDMD器件的部件或部分一般包括一个波导相移阵列，用于按波长对信号分类；一个或多个波导，用于发送或接收多路复用信号；一个波导阵列，用于发送或接收多个去复用信号。发送或接收部分必须与相移阵列适当耦合。具体而言，将多路复用信号送入相移阵列的一个或多个波导必须与相移阵列耦合得使信号强度均匀地分布在波导阵列的末端。大家知道，一个平面内的光强总有一些变化。在此情况下，术语“均匀”是指光强分布状态不会使不可接受的串扰出现在多路复用或去复用信号中。另外，当来自相移阵列每根波导的光强均匀分布在用于传播去复用信号的每根阵列波导上时，可以对信号适当地去复用。多路复用和去复用功能可以用不同的概念模型来描述。例如，可描述为离开相移阵列的波前倾斜一提供相移光相长干涉的角度。不同的倾角对应于不同的光波长。当然，结果(即WDMD的结构)不会因描述性模型的选择而受影响。这里说明可以作选择描述是为了避免本申请与其它出版物或先前提交的申请发生混淆。

令人满意的WDMD器件的特性是：

—器件内信号衰减最小；

—按波长分离信号充分满足预选的误码率上限；

—尺寸小；

—易于制造，这意味着具有较低的成本。根据使用该器件的系统的要求，这些特征中的某一个会变得较重要。

电信业中非常需要这样的WDMD设计，它可以在相当小并且易于制造的器件中提供适当的信号分离和较低的信号衰减。1996年1月11日提交的美国专利申请第08/586,134号揭示了一种WDMD器件，它简化了相移阵列的空间结构。相移功能由一个波导阵列来实现，每个波导具有唯一的传播常数，由此不再需要将波导布置成各波导具有唯一长度的模式。由于相移阵列的相邻波导具有不同的传播常数，所以阵列波导间的串扰很小，从而WDMD减少差错源。换句话说，由于相邻波导具有不同的传播常数，所以不需要调节波导输入端或输出端的几何特征，以避免串扰差错。特别是，可以使相移阵列中相邻波导之间的间距靠近，减小WDMD的尺寸，但不影响性能。

这里揭示的新颖成果是另一种手段，它可以减小WDMD部件的规模，但对器件中的波导串扰或信号衰减没有负面影响。

定义

波导—一种用于包含和传输光信号的细长结构件，制做该结构件的材料对光信号基本透明。为了包含并传输光，此结构中心部分的最大折射率大于包裹在中心部分周围并至少与其一部分接触的外层的最大折射率。

折射率分布曲线一波导的中心部分以及有时包裹层可以用波导参考线上各点的折射率来表征。对于圆波导的情况，一般用直径作参考，而对于一般几何形状的波导，可以参考边到边的尺寸。

相对折射率Δ％-最大折射率为n₁的波导区相对于最大折射率为n_c的另一波导区具有Δ％＝(n₁ ²-n_c ²)/2n₁ ²。具有最大折射率nc的区域通常位于波导的包裹层或包层。

传输常数—取自用于描述由一特定波导几何形状所支持的电磁场的标量波动方程。例如，J.P.Meunier等人在1983年出版的“光电子学和量子电子学”第15期第77-85页上介绍了一种标量波动方程。

                     发明内容

本申请的新型光学元件通过缩小输入或输出波导与相移波导阵列之间的距离，可以满足小型化、低串扰和高性能的WDMD器件要求。如上面引用的美国专利申请第08/586,134号所述，WDMD器件包括至少一个输入波导，它用于传输多路复用的光信号；由N根波导构成的相移阵列，它为不同波长的光信号提供不同的光路长度；由M根波导构成的输出阵列，其中每一波导传输具有预选波长的单一信号。相移阵列中波导的数目N等于或大于多路复用信号中存在的波长数目。也就是说，整数N一般比整数M大得多。一般来说，相移阵列中不同路径数越多，信噪比越好，或者多路复用或去复用信号之间的串扰情况越好。至少一个输入波导和输出波导阵列分别与包含N根波导的相移阵列的第一端和第二端光学耦合。尽管对与相移阵列耦合的波导使用术语“输入”和“输出”，但应该理解，根据WDMD正被用作多路复用器(相移阵列接收由M根波导构成的“输出”阵列所发出的多个信号)或去复用器(相移阵列接收由至少一个“输入”波导发出的多路复用信号)，这些波导可以向相移阵列发送信号，或者接收来自相移阵列的信号。

输入或输出波导与相移阵列之间的间距依赖于WDMD波导的几何形状。另外，此间距必须满足以下要求：

—至少一个输入波导必须将多路复用信号均匀地分布在由N根波导构成的相移阵列的第一端上；

—输出阵列的每根波导必须接收来自相移阵列每根波导的经相移的信号光。通过使输入或输出波导的端部成锥形，或者使相移阵列的第一或第二端成锥形，可以缩小此间距。间距的缩小或减小是与没有锥形部分但具有与新型WDMD相同总体结构的WDMD器件相比而言的。

本发明的第一方面是一种WDMD器件，在该器件中，由M根波导构成的输出阵列在与相移阵列第二端耦合的末端成锥形。锥形的方向使得输出波导的截面积在与相移阵列耦合的末端处最小。为了防止输出阵列相邻光纤之间的光发生耦合，输出阵列的每根光纤都具有唯一的传播常数。

在第一方面的一个实施例中，输出阵列的M个波导末端组成锥形部分，在该锥形部分中，输出阵列的末端并排排列在一个平面内，并且相邻波导的中心距不大于大约100微米。在另一实施例中，如上所述，输出阵列的末端部分成直线地排列一个平面内，并且成锥形，相邻波导的中心距不大于30微米。

第一方面的再一实施例包括相移阵列的第一端或第二端，所述第一端或第二端具有锥形部分。截面积较小的锥形部分最靠近输入或输出波导。

通过使至少一个输入波导的末端部分成为锥形，可以缩小至少一个输入波导与相移阵列之间的间距。与前面一样，锥形部分中较小的一端最靠近相移阵列。

构成阵列的波导可以具有唯一的传播常数，但应该理解，即使相移阵列的组件具有相同的传播常数，新型WDMD器件也能工作。当相移阵列末端的锥形较大时，串扰要求会迫使相移器的组件必须具有不同的传播常数。本领域有几种手段可以使阵列各组件间的传播常数不同，例如为阵列的每个组件提供不同的折射率Δ％，不同的折射率分布曲线，或者不同的纤芯几何形状。设计WDMD波导折射率分布曲线包括将提高折射率的掺杂材料或降低折射率的掺杂剂用于波导的中心部分或包裹层中。另外，新型WDMD的实施例包括平面型波导或光纤型波导，或者两者的混合。主要考虑WDMD的尺寸、成本和性能，而不是所用波导的类型。

为使WDMD元件合适地工作，相移阵列、至少一个输入波导以及输出波导阵列之间的耦合必须满足以下条件：

—输入波导与相移阵列第一端之间的耦合必须使来自输入波导的光强均匀地分布在第一端上；

—输出阵列末端与相移阵列第二端之间的耦合必须使来自每个第二端的光在输出阵列的末端发生干涉，从而有效地将单一信号波长传送到每个输出阵列末端。这些耦合条件是针对器件的去复用功能来描述的。多路复用功能必须具备的相反条件是：

—输出阵列末端与相移器第二端之间的耦合使得来自每个输出阵列末端的光基本上均匀地传送到第二端；

—相移器第一端与至少一个输入光纤之间的耦合使得所有来自第一端的光基本上聚焦在至少一个输入波导末端上。

本发明还是一种用于制造上述WDMD器件的方法，该方法包括以下步骤：

—制造相移阵列；

—如上所述，在输入和输出波导与相移阵列的第一端和第二端之间提供耦合，使相移阵列的第一端或第二端、至少一个输入波导的末端，或者输出波导阵列的末端成为锥形。可以用本领域已知的几种方法形成锥形，包括对要制成锥形的末端部分进行蚀刻、离子交换、或加热和精密拉伸。

                     附图概述

图1a示出了具有锥形输出阵列和输入波导的WDMD的功能元件。

图1b示出了具有第一和第二锥形端的相移阵列。

图2示出了波导具有圆截面的波导阵列的末端。

图3示出了用于估计WDMD大小的参数。

                 本发明的详细描述

新型多路复用器/去复用器(WDMD)的特征是，在器件的耦合区附近使用一个或多个锥形的波导部分。与类似的没有锥形部分的WDMD相比，形成一个或多个锥形的波导部分可以缩小输入或输出波导与相移阵列之间的间距。图1a示意地示出了一个WDMD。单根输入波导2传输M个波分复用信号。输入波导2的末端10成锥形，以便较大的光点可以射到耦合元件4上。耦合元件4可以是圆柱形或平面形渐变折射率透镜，它使光强均匀地分布在相移阵列6的第一端11上。在元件4中可以形成折射率梯度，以便即使各端11的截面积不相等，也能向第一端11提供相等的强度。相移阵列6包括N根波导12，其间距13基本上均匀。由于相移器6的每根波导12都具有唯一的传输常数，所以多路复用信号中的每个波长在通过相移器6时会接受唯一的相移。应该理解，本领域有几种方法可以将唯一的相移引入相移器的各个波导，有效地使器件工作。例如，通过改变相移器各波导的长度，引入唯一的相移。

聚焦元件7将经相移的光波长射到输出阵列8上，该输出阵列包含M根波导14。作为聚焦元件7的替代，可以安排相移器的末端12来完成聚焦功能。例如，可以沿一条具有聚焦透镜形状的分布曲线布置末端12。图中可见输出阵列8沿耦合区的方向往下呈锥形。射向输出阵列8的光因相移器6中引入相移而产生相长或相消干涉。由于每个波长接受唯一的相移，所以只在一个空间位置上对给定波长发生相长干涉。输出阵列8的放置使得每一根波导14的末端处于符合对各自的信号波长产生相长干涉的位置，从而产生信号的去复用。阵列8的往下呈锥形使相移器6与输出阵列8之间的间距缩小。

往下呈锥形和阵列间间距减小要求波导14的末端非常靠近。为了避免信号在波导14之间，特别在锥形末端部分，交叉耦合，每个波导14都具有唯一的传播常数。由此，可以减小WDMD的尺寸，而不牺牲信号分离。

在新型WDMD的一个实施例中，包括一相移器，其波导的一端或两端呈锥形。图1b示意地示出了包含锥形波导末端16和18的相移器6。相移器波导的锥形末端部分用标号20、22、24、26、28和30表示。如前所述，与没有锥形波导末端的WDMD相比，波导的锥形部分可以减小WDMD的尺寸。相移波导的数目等于或大于等多路复用的波长数目。通过使用本领域已知的精确拉丝技术，通过加热和拉伸，或者用任何其它的技术(包括直接在衬底上沉积、离子交换、或刻蚀等)在WDMD的任何波导末端部分形成锥形。

为了简化WDMD的几何结构，可以使图2所示阵列中各波导间的间距40基本恒定。另外，波导34、36和38的端面位于一公共平面内，并且排列成直线。图2的实施例示出了嵌在衬底32中的波导，其中衬底起波导包裹层或包层的作用。中心之间的间距38可以改变，特别是如果阵列波导的传播常数因半径的不同(如波导38的半径41所示)而不同。

用图3可以推导设计的可行性。相移阵列波导42在相邻波导40之间具有恒定的间距。如图所示，对于每个波导，波导的宽度54是不同的，用以为每个相移器波导42提供唯一的传播常数。长度44表示相移阵列的长度。从相移器阵列射出的光线52与光轴51成一角度46。对于特定的波长λ，光线52在离开水平面一段垂直距离56的输出波导末端58处发生相长干涉。聚焦元件48将光线52射入用58和58a例示的输出波导。

用图3所示的参数可以进行示范计算。在描述该计算过程时，可以使用倾斜波前模型或相干波模型。参照图3，光线52从波导42组成的相移阵列中射出。波导中心之间的间距60基本恒定。光线62从聚焦元件48射出，并到达波导58和58a例示的输出阵列。WDMD器件提供需要的相移，以便波导58接收波长为λ₁的光，而波导58a接收波长为λ₂的光。角度色散用光线62的角度分离δθ与差值λ₁-λ₂的比来表示，其中角度由输入相邻波导的光线构成。另外，WDMD器件的几何结构使δθ等于相邻光线62之光程差与一乘积的比，其中所述乘积是相移波导中心距D乘以λ₁。相邻光线的光程差可以表示为δβ/k，其中β是传播常数，而k是波数。于是，角度色散方程变成(δβ×L)/(2πD)。用类似的方法，可以求得线性色散＝δx/(λ₁-λ₂)＝(f×δβ L)/(2πD)，其中δx是输出波导间距64，而f是相移阵列与输出阵列之间的距离50。

设f＝5×10⁴微米，δβ＝0.001微米^-1，L＝10⁴微米，并且D＝10微米。那么，计算得到，线性色散为8微米/纳米。注意，技工可以合理地为WDMD几何参数提供出色的波长线性分离。

尽管以上揭示和描述了本发明的各种实施例，但本发明仅受以下权利要求书的限制。

Claims (12)

1.一种光波导元件，用于进行互逆的波分多路复用和去复用，这里描述的信号沿去复用的方向传播，其特征在于，所述光波导元件包括：

由N根波导组成的相移阵列，它们传播M个多路复用的信号波长，每个信号都具有一强度和一相位，并且所述相移阵列中的每根波导都具有第一端、第二端和一传播常数，该传播常数与所述相移阵列中其它波导的传播常数不同，从而为每个信号波长提供唯一的相移，其中N＞M；

至少一根输入波导，用于传播M个多路复用的信号波长，所述输入波导与所述相移阵列中每根波导的第一端光学耦合，为所述相移阵列的N根波导提供均匀的信号强度分布；

由M根波导组成的输出阵列，所述输出阵列的每根波导都具有一个末端，该末端与所述相移阵列中N根波导的第二端光学耦合，并且从所述相移阵列射出的相移信号发生干涉，致使所述输出阵列的每根波导接收来自所述相移阵列的单一信号波长；

其中，至少在所述输出阵列末端最接近与所述相移阵列第二端耦合的一段开始部分上，所述输出阵列的M根波导都具有与所述输出阵列中其它波导不同的传输常数，用以防止去复用信号在所述输出阵列的所述M根波导中交叉耦合。

2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述输出阵列中与所述相移阵列光学耦合的M根波导的末端聚合在一起，形成一个端部，该端部朝着所述相移阵列内部呈锥形，致使相邻波导的中心距不大于100微米，并且所述输出阵列M根波导的传播常数至少在包括所述锥形端部的长度上不同。

3.如权利要求2所述的光学元件，其特征在于，相邻波导的中心距不大于30微米。

4.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述相移阵列的第一或第二端聚合在一起，形成各自的端部，它们朝着所述至少一个输入波导或所述输出阵列内部呈锥形。

5.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述至少一个输入波导具有一个朝着所述相移阵列的第一端内部呈锥形的端部，所述相移阵列使来自所述至少一个输入波导的信号光变宽，在所述至少一个输入波导和所述相移阵列的第一端之间提供一段耦合距离，此耦合距离小于非锥形化输入波导与相移阵列之间的耦合距离。

6.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述输出阵列的每根波导包含：具有宽度尺寸、折射率Δ％和折射率分布曲线的纤芯区；以及具有一折射率且包裹和接触纤芯区的包层，从由折射率Δ％、纤芯宽度和纤芯折射率分布曲线组成的组中选择能为所述输出阵列的每根波导提供唯一传播常数的波导特性。

7.如权利要求6所述的光学元件，其特征在于，包层折射率小于石英的折射率。

8.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述相移阵列、所述至少一个输入波导和所述输出阵列选自由平面波导和光纤波导组成的波导类型组。

9.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述至少一个输入波导和所述相移阵列之间的所述光耦合包括用于使输入信号均匀分布在所述相移阵列第一端上的装置。

10.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述相移阵列的第二端与所述输出阵列末端之间的所述光耦合包括用于使来自所述相移阵列每个第二端的光均匀分布到所述输出阵列末端上的装置。

11.如权利要求10所述的光学元件，其特征在于，使光均匀分布的装置包括沿预选弧线布置相移阵列之第二端。

12.一种光波导元件的制造方法，所述光波导元件可以进行可逆的波分多路复用和去复用，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)制造由N根波导组成的相移阵列，其中所述阵列的每根波导都具有唯一的传播常数，从而对通过的信号产生依赖于波长的相移，所述相移阵列具有第一和第二端以及一截面积；

b)使具有截面积的至少一根输入波导与所述相移阵列的第一端耦合，以便向所述波导阵列发送或从所述波导阵列接收多路复用信号；

c)使由M根波导组成的输出阵列与所述相移阵列的第二端光学耦合，其中N＞M，所述输出阵列的每根波导具有一截面积，以便发送不同波长的信号给

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