CN1287280A - 阵列波导光栅通带响应的加宽 - Google Patents

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Abstract

主要特性是在不同模的多模重叠中产生具有可控拍频模式的可控“动态”强度场图的步骤,这不同模可以是例如基本模和较高阶模,例如进入AWG装置输入端一侧的输入波长的TE0模和TE1模,从而使所述拍频模式以固定的或可变的预先确定方式受到控制,例如具有固定的或依赖于波长的功率比和拍频模式,以在与所述装置输出端相关联的接收机波导中改善模重叠状况。

Description

阵列波导光栅通带响应的加宽
本发明涉及光网络。具体而言，它涉及通过加宽包含阵列波导光栅(arrayed waveguide grating)的网络部件的通带响应以改善光网络性质的方法和装置。
在光网络中减少损耗是一个主要关心的问题，因为这能减小对光信号放大的需求。任何网络部件的平坦通带是光网络业务的一般目标，因为这会降低对波长控制的严格要求并允许部件的级联能力而不影响光传输性质。所以，低损耗和平坦通带二者是在光网络中降低费用的重要因素。
在图1中示意性绘出一个阵列波导光栅，这里以下称作AWG。这一部件能用于把照射到单个输入波导端口上的一组波长分离开。每个波长被传送到一个单独的输出波导。反过来，AWG能把各输入端口分别进入的若干波长组合到一个输出端口上。这样，这一部件能用作波长分用器和复用器。
图2显示一个AWG从一个输入信道到两个波长间隔为1.6nm的相邻输出信道的计算出的传递函数，对该AWG的说明见Smit，M：K.，van Dam，C.，“基于PHASAR的WDM装置：原理、设计和应用”，IEEE量子电子学选题杂志，第2卷236-250页，1996。所示传递函数一般对先有技术AWG可以得到，这是对道间串扰的改进小于-40dB的。对于这一标准的传递函数，一个信道的-1dB带宽约为信道间距的30％。
为减小通信系统对发射机激光器或AWG中波长漂移的敏感性，作为本发明的一个一般目标，相对于信道间距增大-1dB通带的宽度，即，使得传输函数变平，会是有好处的。
在先有技术中，为加宽所述通带，除了其他技术外，在AWG输出端使用了多模(mode)接收器波导。然而，只有当AWG用作分用器并直接由检测器二极管跟随的时候，这种方法才能工作。
所以，本发明的目的是提供一种改进的方法和装置，以加宽具有一个或多个阵列波导光栅的光网络部件通带。
本发明的这些目的由所包括的独立权利要求中所述特性来实现。在各子权利要求中提出本发明的进一步的有利的结构安排和实施例。
根据第一方面，本发明说明了一种方法，以改善一个包括阵列波导光栅的光学网络设备或装置的通带。其实质性的特性是这样的步骤，即在所述装置输入端进入的输入波长的不同模(如分别为基本模和第一模，或较高模，或只是若干较高模的组合)的多模叠加中产生具有可控拍频模式(beating pattern)的可控的从而多少是“动态”的强度场图，从而对所述拍频模式以一种固定的预先确定的方式进行控制，以改善与所述装置输出端相关的接收器波导中的模重叠，从而当把所述多模重叠耦合到所述接收器波导中时能实现依赖于波长的耦合性能。为简单计，在下文的整个描述中只作为举例把TE0模指为基本模而把TE1指为较高阶模。
例如，在一个复用器中，通过在该复用器的输入星形耦合器的输入部分和在输出星形耦合器的输出部分两处对称配置多重转换器单元，就能实现这一点。这样，在一个8∶1复用器中，只需要8个输入转换器单元和一个输出转换器单元。
作为一个优点，有可能把-1dB通带宽度与信道间距之比从30％增加到大约60％而由此造成的损耗可以忽略，即与前述AWG相比小于0.4dB。这一方法可应用于作为复用器和分用器的光网络装置，以及用于把M个输入线连接到N个输出线的M×N耦合器。
在先有技术的AWG中，发射机波导的场被波导阵列成像到第二星形耦合器的输出端一侧。通过改变波长，图像的位置沿此星形耦合器的输出端移动，从一个输出波导到下一个，等等。
对所述拍频模式的控制有利地包含如下步骤：在发射机和接收机波导处产生所述强度场图，使得对于AWG信道波长周围的一个波长范围，该动态场图峰值位置的空间移动与发射机波导场图像的依赖于波长的移动相抵消。这使得从发射机到接收机波导的耦合在造成通带变平的这一波长范围上保持为高度耦合。由于该动态场图的周期性，能使这种抵消效应进而通带变平对于所有信道波长重复发生。
有利的是，所述产生动态场图的步骤由下述方式实现：根据本发明，在AWG的输入部分中的双模发射机波导中对基本模和较高阶模(例如TE0模和TE1模)进行叠加。而对大小为信道间距的每个波长变化，叠加一个依赖于波长的为2B整数倍的相移，则产生所述周期性移动。
根据第二个最佳实施例，公开本发明的又一方面。根据所述第二方面，把所述包含AWG的装置的每个输入波导的单模光转换成多模的各自叠加成份的所述步骤包含使所述基本模和所述较高阶模之间的功率比对每个波长有其特定值的步骤。这里需要较少数量的转换器单元。例如，在一个8∶1复用器中，只需在其输出端有一个转换器。只需把AWG装置逆转，便能得到一个1∶8分用器。只是为了一般化，应该提到，对分用器装置，在其输入端提供8个转换器单元而在其输入端一个也不提供，这也是可能的。然而这将是对资源的浪费。
这些改进的AWG设计的关键优点在于这样的事实：与其他加宽通带的设计相反，这些改进的AWG设计所提供的方法能得到平坦的通带却不会引入3dB额外损耗。
本发明以举例来说明，但不受附图中图形形状的限制，其中：
图1是用作波长分用器的先有技术AWG结构安排略图，
图2显示先有技术AWG的输入端到两个不同输出信道的传输特性，
图3是简化示意图，显示根据本发明在其前述第一方面改进了的AWG结构安排的输入部分，
图4a至4c显示对5个不同的波长在一多模发射机波导末端其场图的强度对横向位置的关系，其不同波长从4a的81、4b的81+)8/4增加到4e的82，
图5是功能示意图，显示根据本发明的第一方面构成的转换器单元的基本功能，
图6显示对于如图4中所示输入波长的增加，由波导阵列把输入波导成像到输出星形耦合器上的场图的强度对位置的关系(直线)与两个输出波导的场图(虚线)的比较，
图7显示对于如图4中所示输入波长的增加，在输出星形耦合器中发射机波导的图像(直线)与两个接收机波导的动态场图(虚线)的比较，
图8a和8b显示先有技术(8a)和所发明AWG结构安排(8b)的输入端到输出端的波导传递函数，
图9是功能示意图，显示根据本发明的第二最佳方面构成的转换器单元的基本功能，
图10a和10b显示根据本发明的第一方面具有固定功率比的转换器单元的AWG结构安排的输入端到输出端波导传递函数(10a)和对于根据本发明第二方面的可变功率比转换器单元得到的传递函数(10b)。
现在，一般性参考各附图并特别参考如图1中描述的构成分用器10的先有技术AWG，其单模输入波导12直接终止于输入星形耦合器14中。一个具有线性增加长度的波导阵列16从这一星形耦合器引导到输出星形耦合器18。单模输出波导20直接从这一输出星形耦合器离开。
图3显示一AWG30输入部分的简化示意图，该输入部分是根据本发明的第一方面改进的，其中，来自单模输入波导12的光在多个所发明的转换器单元32(每个输入波导有一个转换器单元)中被变换成多波导模的叠加。为进行比较，在图1中用虚线包围其相应的输入部分。这些多重波导模被一些多模发射机波导34分别传送到输入星形耦合器14。在输出星形耦合器(图中未画出)处，这种情况变为其镜像：光首先被耦合到多模接收机波导，然后被前述相同类型的转换器单元传送到单模输出波导。
多重波导模的依赖于波长的拍频模式在输入星形耦合器14的输入端产生一个可控制的进而在一定程度上是“动态”的场图。
根据本发明，下文将说明如何能把一个适当设计的动态场图用于使AWG结构安排的通带加宽，使其改进到上述信道间距的60％。
参考图4，在多模发射机波导34输出端的动态场图应该这样构成，即对于其波长与AWG信道波长一致的光，其场的中心应处在该波导的中心(见图4a和4e)。然而，当光的波长稍大于第一信道波长时，场最大值移到波导中心的右侧(图4b)，然后返回到对于恰好介于信道波长之间的波长的中心(图4c)，然后移到波导中心的另一侧(图4d)，并当该光的波长等于第二信道波长时又最后返回到中心(图4e)。自然，右侧和左侧也能反过来。
图4中所示动态场图是在双模波导34中由TE0和TE1模以固定功率比0.8/0.2叠加产生的。周期性移动是对每个信道间隔大小的波长变化加上一个依赖于波长的2B相移而产生的。
图5中示意性显示一个能产生这一场图的转换器单元32的实例。它包含一个功率分离器，它把功率的20％分离到较高的一个分支。在较低的一个分支中的这剩余80％被传统的锥体转换成多模波导的TE0模。在较高分支中的功率被模转换器耦合到多模波导34的TE1模。在多模发射机波导34中模重叠的拍频周期(例如)8=1，6nm)是由高低两分支之间的长度差)L1决定的。
功率分离器和模转换器是先有技术的光学装置，对它们不需要详细地解释，因为本领域技术人员都知道它们的结构及操作方式。在本例中的所述装置是用定向耦合器实现的。然而，使用例如Y-分离器或多模干涉仪(MMI)来实现也是可能的。
为更好地理解本发明的基本构想，下面参考图6给出关于使用可控“动态”场图加宽通带现象的更详细描述。
在先有技术的标准AWG中，波导阵列把输入波导的场图的图像投射到输出星形耦合器的输出端一侧。于是，这一图像是在输出端或接收机波导20开始处的平面中形成的。当输入波长改变时，该图像的位置沿这一平面移动。当输入波长等于信道波长(81、82、…8n)之一时，该图像的位置与相应的输出波导20重合。对于标准AWG，这种情况示于图6。在这一图中，对于增加的输入波长，输入波导12的场图图像(直线)从左向右移动(图6a至6e)。图中还显示了两个输出波导20的场图(虚线)。当输入波长等于信道波长之一时，输入波导12的场图图像与输出波导20之一的场图重叠(图6a和6e)。然而，对于从该信道波长偏离只有一个信道间距的25％的波长，这种重叠已经严重地减小了(图6b和6d)。
图7中显示出对改进的AWG的比较曲线，此AWG已经使用了上面描述的动态场图。在各信道波长，发射机波导34场图的图像和接收机波导20场图之一仍是完全重叠(图6a和6e)。然而，对于接收机波导20(虚线)，已经选出了一个动态场图，对于高于信道波长25％的一个波长，其场最大值向右移动，然而对于发射机波导34(连续线)，已选择了一个场图，其中场最大值相对于焦点向左移动。由于这两种移动，对于处在左信道波长以上一个信道间距25％的一个输入波长，对左接收机波导20的重叠仍是高的(图6b)。对于处在右信道波长以下一个信道间距25％的波长，存在这一情况的镜像。这里接收机模已向右移动，而发射机图像最大值已向左移动(图6d)，导致这一波长对右接收机信道的已经高的重叠。
图8显示先有技术(8a)和本发明AWG结构安排(8b)的输入到输出波导传递函数。从这一比较可以看出其总的结果(如图8所示)是值得赞赏的，因为由比较图8a(先有技术AWG)和图8b(所发明的加宽AWG)可以看出，输入到输出的波导传递函数被显著地加宽而同时保持了信道间串扰优于-40dB。
参考图9和图10，描述所发明的AWG结构安排的更具体的最佳
实施例。
在前述加宽的AWG设计中，在AWG的输入端和输出端都使用了转换器单元32。这意味着例如对于一个1到8AWG分用器需要总共9个转换器单元，例如1个在输入端，8个在输出端。
通过使用所发明的一种更复杂的转换器单元32，有可能只在一侧使用转换器单元32便实现类似的结果，即大约0.5dB损耗，-1dB通带为55％信道间隔。对于1到8AWG分用器，只需1个转换器单元放在输入端。
图9中显示可用于这种情况的转换器单元32的举例。这个转换器单元也是产生TE0和TE1模的叠加。然而，在这种情况中，利用一个Mach Zehnder滤波器使两个模之间的功率比做成是依赖于波长的。该滤波器由两个功率分离器构成，它们由长度差为)L1的两个波导链接。
功率分离器的分离常数及长度差)L1是这样选择的：对于处在两信道波长中间的波长，其功率比TE0/TE1是0.25/0.75，而对于信道波长，其TE1模部分为0％而TE0模部分为100％。
来自滤波器较低输出分支的光被一锥体(taper)绝热地(adiabatically)耦合到多模波导的TE0模。来自较高分支的光被一模转换器耦合到该多模波导的TE1模。在多模发射机波导34中的两个模之间的适当拍频周期由)L2决定。
在这一实施例中使用定向耦合器来实现功率分离器和模转换器。然而，使用例如Y-分离器或MMI来实现也是可能的。
下面参考图10描述提供可变功率比的这个第二方面的结果。
在图10中，比较了两个改进的AWG设计的传递函数。对这两种设计，-1dB通带宽度是类似的。然而，使用可变功率比的设计有稍高的损耗，约为0.5dB，和稍大的通带波纹，约为0.2dB。还有，通带边缘不那么陡峭。这些缺点由节省空间予以补偿，因为在这个分用器实例中只需使用一个可变功率比转换器单元32。
应该补充说明的是，上面描述的这些改进的AWG设计的缺点在于转换器单元需要额外的空间，而且转换器32对波长的依赖关系必须与主AWG的波长依赖关系相匹配。
然而，尤其是使用可变功率比转换器单元32，转换器单元32所需的空间与AWG本身相比还是小的。例如，在IBM SiON技术中，使用所谓加热器调谐(heater turning)能容易地实现波长匹配，因为在先有技术的IBM分插复用器(add-drop multiplexer)中已经表现出这一点，在该复用器中使用了折射系数n(T)的温度依赖关系。
应该指出，由于当光学装置按其镜像取向安排时它们有互易即反转功能的能力，所以如参考图3至图10描述的本发明方法和装置能被反转从而使它们能以镜像安排应用于把多模光变换成单模光。这可应用于提供例如一个8∶1复用器，它有一个本发明的转换器单元，放在它的输出端一侧。
在前面的说明中已参考其具体实施例描述了本发明。然而，显然可以对其进行各种修改和变化而不离开在所附权利要求书中提出的本发明的更广的精神和范围。因此，本说明和附图应被看作是以例说明而不是限定性的。
本发明反映了AWG设计的一般原则。它基本上能在适于波导制造技术的所有一般材料中实现，如3-5-半导体技术、SiO2以及其他。因此，它不限于SiON技术。
5．参考符号清单
1O    分用器
12    单模输入波导
14    输入星形耦合器
16    输入阵列
18    输出星形耦合器
20    输出波导=接收机波导
30    所发明的AWG设计
32    转换器单元
34    多模发射机波导

Claims (13)

1．改进包含阵列波导光栅(30)的光网络装置通带的方法，所述方法的特点在于如下步骤：
从至少一个单模输入波导(12)发出的光中产生一个强度场图，后者在相应数量多模发射机波导(34)中被发射的多模叠加中有可控制的拍频模式，
以及在空间上控制所述拍频模式，以在与所述装置输出端相关联的至少一个单模接收机波导(20)中增大模重叠。
2．根据权利要求1的方法，其中控制所述拍频模式的步骤包含如下步骤：在所述发射机(34)和接收机(20)波导处产生所述强度场图，使得对于各阵列波导光栅信道波长(81，…8n)周围的至少一个预先确定的波长范围，所述强度场图峰值位置的空间移动有助于抵消所述发射机波导(34)的所述强度场图图像的依赖于波长的移动。
3．根据前述权利要求的方法，其中所述产生强度场图的步骤是通过在所述多模发射机波导(34)中多重模的受控制叠加来实现的，所述峰值位置的空间移动是通过在所述多重模之间产生依赖波长的相移来实现的，对于信道间距大小的波长变化，这种相移以2π的整数倍变化。
4．根据权利要求1的方法，其中所述产生强度场图的步骤包含如下步骤：使所述多模重叠的所述多模之间的功率比以空间周期性方式依赖于波长，以其周期性等于所述信道间隔的大小。
5．根据前述权利要求1至4之一的方法，用于控制所述多模重叠以把所述光转变的单模光。
6．可用于作为光波长路由的光装置，包含一个阵列波导光栅结构安排，它包含：
装置(32)，用于从至少一个单模输入波导(12)发出的光中产生一个强度场图，后者在相应数量多模发射机波导(34)中被发射的多模叠加中有可控制的拍频模式，以及
装置(32)，用于在空间上控制所述拍频模式，以在与所述装置输出端相关联的至少一个单模接收机波导(20)中增大模重叠。
7．根据前一个权利要求的装置，其中所述控制拍频模式的装置(32)包括：
装置，用于在所述发射机(34)和接收机(20)波导处产生所述强度场图，使得对于各阵列波导光栅信道波长(81，…8n)周围的至少一个预先确定的波长范围，所述强度场图峰值位置的空间移动有助于抵消所述发射机波导(34)的所述强度场图图像的依赖于波长的移动。
8．根据前一个权利要求的装置，这里所述产生强度场图的装置(32)包含装置(32)用于在多模波导(34)中产生多重模的受控重叠，以及装置用于产生所述峰值位置的空间移动以造成所述多模之间的依赖波长的相移，对于信道间距大小的波长变化，这种相移以2π的整数倍变化。
9．根据前一个权利要求的装置，其中所述在所述多模波导(34)中产生多模的所述受控重叠的装置(32)包含装置用于使所述多模重叠的各模之间的功率比以空间周期性方式依赖于波长，以其周期性等于所述信道间隔的大小。
10．根据先前各权利要求之一的装置，具有装置用于控制所述多模重叠光以把它变换成单模光。
11．可在光网络中使用的复用器，其中可应用根据前述权利要求1至5之一的方法或包含根据权利要求6至10之一的装置。
12．可在光网络中使用的分用器，其中可应用根据前述权利要求1至5之一的方法或包含根据权利要求6至10之一的装置。
13．把M个输入线连接到N个输出线上并可用于光网络的M×N耦合器，其中可应用前述权利要求1至5之一的方法或包含根据权利要求6至10之一的装置。
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