CN1262448A - 具有均匀损耗的光波长多路复用器/多路解复器 - Google Patents

Abstract

一种具有均匀损耗的光波长多路复用器/多路解复器,包括:一个用于分解从输入波导接收的输入光信号的功率的第一星形耦合器,一个用于以光信号具有不同相位的方式传导从第一星形耦合器输出的光信号的阵列式波导光栅,一个用于分解或耦合从阵列式波导光栅输出的光信号的波长、并分别将结果光信号输出至输出波导的第二星形耦合器,及一个用于控制从阵列式波导光栅输出的光信号的波导模分布的波导模控制装置。

Description

具有均匀损耗的光波长多路复用器/多路解复器

本发明涉及一种光波长多路复用器/多路解复器，更具体地，涉及一种能抑制信道间的损耗差的光波长多路复用器/多路解复器。

在把波导阵作为衍射光栅的情况下，采用阵列式波导光栅(AWG)的光波长多路复用器/多路解复器的操作可以定义为采用一个描述使入射光经衍射而得到入射光的分散特性的光栅方程。这种光波长多路复用器/多路解复器称为AWG光波长多路解复器。入射到一个AWG光波长多路解复器的光在穿过该AWG光波长多路解复器的三个部分时随相位而变化，即，第一星形耦合器、AWG和第二星形耦合器。由AWG光波长多路解复器的各部分分别产生的光的相位变化在一个最终的输出平面(即AWG和第二星形耦合器之间的界面)处相加，从而在最终的输出平面处得到强化的干涉效果。上述的光栅方程是一个依据相位变化之和来推导出在最终的输出平面处所得到强化的干涉效果的条件的方程。假设，光入射到多个输入波导中的一个中心波导上，则上述光栅方程表示如下：

[表达式1]

n_sdsinθ+n_cΔL＝mλ

其中，“n_s”表示星形耦合器的有效折射率，“n_c”表示AWG的有效折射率，“d”表示AWG的栅距，“m”为衍射级，“ΔL”表示AWG中相邻两波导间的长度差，而“λ”为入射光的波长。

表达式1中，中心工作频率λ₀对应“θ”为零时的光的波长。中心工作频率λ₀如下定义：

[表达式2] ${\mathrm{\λ}}_0=\frac{n_c\mathrm{\ΔL}}{m}$

从表达式1，可根据波长的变化推导出光的衍射角变化的方程。该方程可如下表示：

[表达式3] $\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{m}{n_{s}d}$

由于入射光如表达式3所示随波长变化，因此产生了光的波前方向的变化。这样的光的波前方向的变化导致在第二星形耦合器的成象面上所形成的衍射图形的主峰位置的变化。即，衍射图形的形成的位置根据光的波长的变化而移动。因此，当将输出波导放在所需要的波长的光的聚焦位置时，能实现波长多路复用/解复用功能。

但是，在上述AWG光波长多路解复器的情况中，由于不同的衍射效率会呈现出范围从2.5dB到3dB的损耗非均匀性。在具有大量节点的光通讯网络的情况下，这种损耗的非均匀性如上所述作为通过每个设备的光信号的累积会使其效果放大。这成为设计一个所需系统的严格的限制。实际上，一种用于获得输出信道间的均匀损耗的惯常的方法是将有效输出波导的总量的大约一半与第二条形波导耦合。而通过将器件的自由光谱范围(FSR)延伸至所用波长范围的两倍便可实现该方法。使用该方法，可将损耗非均匀性减少到0.5到1dB的范围。然而，由于器件的尺寸增加，该方法减少了可放在单个晶片上的器件数量。

同时，通过使用多个光波长多路解复器以补偿具有不同损耗的波导，使损耗均匀性得以改善。然而，所述的方法需要许多AWG光波长多路解复器分级串联，因此，各器件的损耗非均匀性依然存在。

为了改进器件，由J.C.CHEN等提出了另一种方法(“具有较大的信道均匀性的波导光栅路径器”，电子通信，1997，vol.33，no.23，pp.1951～1952)(“WAVEGUIDE GRATING ROUTERS WITH GREATER CHANNELUNIFORMITY”，Electronics Letters，1997，vol.33，no.23，pp.1951～1952)。该方法的教导是在一个AWG中的相邻两波导间插入一个附加波导，如图1所示。

本发明的目的是提供一种AWG光波长多路解复器，它包括一个设置在其AWG和第二星形耦合器之间的波导模控制器，以使该第二星形耦合器可形成一个平坦的衍射图形，从而获得损耗的均匀性。

根据本发明，该目的通过提供一个光波长多路复用器/多路解复器来实现，该光波长多路复用器/多路解复器用于耦合或分解从一个或多个输入光导所接收的不同波长的光信号，并分别地将该耦合或分解的光信号输出至一个或多个输出光导，该光波长多路复用器/多路解复器包括：一个用于将从输入光波导所接收的输入光信号的功率进行分解的第一星形耦合器；一个用于将第一星形耦合器所输出的光信号进行传导的阵列式波导光栅，它是以相邻波导具有恒定相位差的方式进行传导的；一个第二星形耦合器，用于耦合或分解阵列式波导光栅所输出的光信号的波长，并将该结果光信号分别输出至输出波导；以及用于控制从阵列式波导光栅所输出的光信号的波导模分布的波导模控制装置，籍此允许AWG的各个波导所衍射的光信号在第二星形耦合器的成象面具有平坦的幅度特性。

本发明的上述目的和优点将通过参照以下附图所详细描述的优选实施例变得更加清晰，其中，

图1是一个具有非均匀损耗的惯常的AWG光波长多路复用器/多路解复器的示意图；

图2是根据本发明的一个具有均匀损耗的AWG光波长多路复用器/多路解复器的示意图；

图3是显示损耗非均匀性的惯常的AWG光波长多路解复器的输出特性图；

图4是根据本发明的一个多模干涉仪的结构示意图；

图5是将根据本发明的一个AWG光波长多路解复器所形成的衍射图形与一个由惯常的AWG光波长多路解复器所形成的衍射图形进行比较的图；及

图6是显示根据本发明的一个AWG光波长多路解复器的输出特性图。

本发明的优选实施例将参照附图进行详细的描述。应当注意的是，如果对本发明的已知功能或结构的详细描述被视为搞混了本发明的主体的话，则应将其略去。

图2是根据本发明的一个具有均匀损耗的AWG光波长多路解复器的示意图。如图2所示，该AWG光波长多路解复器包括多个输入波导200、一个与输入波导200的输出端耦合的第一星形耦合器202、一个与第一星形耦合器202的输出端耦合的AWG204、一个用于控制由AWG204所输出的光信号的波导模分布的波导模控制器206、一个第二星形耦合器208以及多个输出波导210。在图2中，标号209表示第二星形耦合器208的焦平面。

具有上述结构的光波长多路解复器的操作现描述如下。由输入波导200所输出的光信号通过第一星形耦合器202后，进入具有多个阵列式光波导的AWG204。当这些光信号通过AWG204时分别具有不同的相位。不同相位的光信号入射到第二星形耦合器208，它对光信号进行加强和干涉。结果，以自成象方式把光信号聚焦在一个输出波导210中。结果成象从相关的输出波导210输出。

波导模控制器206保持着从AWG204所输出的光信号的波导模的主峰，同时对波导模的峰尾进行相位移动。之后将来自波导模控制器206的结果光信号施于第二星形耦合器208。

AWG光波长多路解复器通过一个阵列式波导光栅来实现，该光栅设置得使波前方向随光的波长的变化而改变。在此AWG光波长多路解复器中，可如下表示焦平面209上的干涉图形的主峰移动随波长的变化而改变的线性分散指数：

[表达式4] $\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{\mathrm{fm}}{n_{s}d}$

其中，“f”表示星形耦合器的焦距，“m”为衍射级，“d”表示AWG的栅距，“n_s”表示星形耦合器的有效折射率。

根据表达式4，把光信号的波长分布立体地绘制在第二星形耦合器208的焦平面上。相应地，在多个输出波导耦合到焦平面209的位置，各波导之间均匀相隔一预定距离，可实现具有所需均匀波长间隔的AWG光波长多路解复器。

这种AWG光波长多路解复器中的损耗在中心信道处最小，随着沿远离中心信道的方向逐渐增加。这是因为耦合到第二星形耦合器208的各AWG204的波导模有一个高斯分布，如图3所示。即，图3的损耗非均匀性曲线是所有信道处的各相互连接的损耗所形成的，它与形成在焦平面209上的衍射或干涉图形有直接的关系。

因此，为了获得信道损耗的均匀性，必须在第二星形耦合器208中形成平坦的衍射图形。对于达至形成矩形衍射图形的理想情况，AWG204的输出波导模应具有正弦函数的形式。这将在下面进行详细的描述。

从AWG204所输出的光信号在焦平面209即在第二星形耦合器208的输出端和输出波导210间的交界面上依据夫琅荷费衍射形成一个干涉图形。夫琅荷费衍射以傅立叶变换形式描述了输入光信号和衍射图形间的关系。因此，如果已知输入光信号和衍射图形其中之一，就可利用傅立叶变换或傅立叶逆变换计算出另一个。对于一种理想情况，当假定输入平面处的单个光导的光场幅度具有正弦函数的分布时，形成在焦平面209上的衍射图形应是平坦的。

然而，设定一个具有正弦函数形式的波长模是不实际的。因此，为了形成一个平坦的衍射图形，根据本发明，在AWG204和第二星形耦合器208之间插入波导模控制器206。该波导模控制器206保持着每个波导模的主峰，而对波导模的峰尾进行相位移动。对于波导模控制器206，可适当地采用多模干涉仪。

图4示出了该多模干涉仪的一种结构。在图4中，“w”表示AWG204中的各波导的宽度，“W”表示多模干涉仪的宽度，而“L”表示多模干涉仪的长度。该多模干涉仪的操作根据上述参数及输入波导的位置来确定。该多模干涉仪的操作还可以根据该多模干涉仪中不同的本征模来确定。该多模干涉仪的特性尺寸由下面的表达式5来确定：

[表达式5] $L_c=\frac{x}{{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1}=\frac{4}{3}n\frac{W_{\mathrm{cq}}^2}{\mathrm{\λ}}$

表达式5中，“L_c”表示耦合长度，“n”为折射率，“β₀”和“β₁”分别表示该多模干涉仪中的首两个模的传播常数。“W_cq”所表示的宽度不仅包括了该多模干涉仪实际宽度，而且还包括了各波导模的峰尾的宽度。在一个显示出大的波导折射率差值的强的传导结构中，“W_cq”对应于该多模干涉仪的实际宽度W。

进入该多模干涉仪的波导模在通过该多模干涉仪时反复地重建其模分布。即，波导模显示出一个自成象效果。依据这种自成象效果，波导模在其主峰部分被重建为一个初始的分布，而在其峰尾处随相位而移动。将在该多模干涉仪中的输入波导模的传播距离表示如下：

[表达式6] $L=\frac{M}{N}\·\frac{3L}{a}=\frac{M}{N}\·\frac{4n}{a}\·\frac{W^2}{\mathrm{\λ}}$

在表达式6中，“N”表示重建图象的数量，“M”表示图象重建的次数，而“a”表示用于确定该多模干涉仪的特性的参数。在多模干涉仪具有对称配置的情况下，如果将输入波导设置在对应于W/2的位置处，则a＝4。在一个2×N多模干涉仪的情况下，应将输入波导设置在分别对应于W/3和2W/3的位置处。在后一种情况中，“a”的值为3。

在本发明中采用的多模干涉仪具有1×1的对称配置。该多模干涉仪具有由下式确定的特性：

[表达式7] $L=M\·\frac{{3L}_0}{4}=\mathrm{nM}\frac{W^2}{\mathrm{\λ}}$

图5是将根据本发明的一个AWG光波长多路解复器所形成的衍射图形与一个由惯常的AWG光波长多路解复器所形成的衍射图形进行比较的图。图5中，标号500表示根据惯常方法所形成的衍射图形，而标号502表示根据本发明所形成的衍射图形。参考图4，可以发现，在所形成的横向位置处，根据本发明的衍射图形比根据惯常方法的衍射图形平坦。

图6是显示根据本发明的一个AWG光波长多路解复器的输出特性图。参照图6，可以发现，根据本发明的输出特性与图3所示的输出特性相比较，具有较平坦的损耗。

已参照具体的实施例详细描述了本发明，它们仅仅是示范性的应用。因而，可以清楚地了解到，本领域技术人员可在本发明的精神和范围内进行许多变更。

正如从上述描述中所看到的，本发明提供了一种采用波导模控制器的AWG光波长多路解复器，该波导模控制器设置在AWG输出端处并以保持输出波导模的主峰且对输出波导模的峰尾进行相位移动的方式控制AWG的输出波导模。依据锥形波导，可形成一个具有平坦的幅度特性的衍射图形。因此，可获得信道间的损耗均匀性。由于把波导模控制器设置在AWG和第二星形耦合器之间，它不会影响器件的尺寸。因此，不存在生产量减少和加工难度的问题。

Claims (4)

1.一种光波长多路复用器/多路解复器，用于耦合或分解从一个或多个光波导所接收的不同波长的光信号，并分别将该耦合或分解的光信号输出至多个输出光波导，包括：

一个用于分解从输入光波导所接收的输入光信号的功率的第一星形耦合器；

一个用于传导从所述第一星形耦合器所输出的光信号的阵列式波导光栅，它是以在相邻波导中具有恒定相位差的方式进行传导的；

一个第二星形耦合器，用于耦合或分解所述阵列式波导光栅所输出的光信号的波长，并将该结果光信号分别输出至输出波导；及

波导模控制装置，用于控制从所述阵列式波导光栅所输出的光信号的波导模的分布，籍此允许聚焦在第二星形耦合器的输出端的光信号具有平坦的幅度特性。

2.根据权利要求1的光波长多路复用器/多路解复器，其特征在于，所述波导模控制装置包括：

一个多模耦合器，用于保持波导模的主峰，同时对所述波导模的峰尾进行相位移动。

3.根据权利要求2的光波长多路复用器/多路解复器，其特征在于，所述波导模控制装置包括：

多个多模耦合器，它们与所述阵列式波导光栅中的相应的波导阵列的输出端相耦合。

4.根据权利要求3的光波长多路复用器/多路解复器，其中各所述多模耦合器具有如下确定的长度： $L=\mathrm{nM}\frac{W^2}{\mathrm{\λ}}$

其中，“L”表示每个多模耦合器的长度，“n”表示多模耦合器的折射率，“M”表示输入给多模耦合器的光信号的模重建的次数，“W”表示多模耦合器的宽度，且“λ”表示光信号的波长。

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