CN1290433A - 监测多波长信号用的光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置,包括一衍射光栅(16),用来把在输入波导(17)上接收的多波长信号分成很多具有单一波长或狭窄波带的信号。第一组波导(18)从来自光栅(16)的主(第m)衍射级接收信号以提供该装置的输出。第二组波导(19)从来自光栅的一较低或较高的(第m+p)衍射级接收信号,并将这些信号传送给光探测器(20)。这样在第一组波导(18)上输出的信号的特性可以从光探测器(20)接收到的信号的特性来监测,因为这种较低或较高的(第m+p)衍射级的特性是与主(第m)衍射级的特性紧密相关的。

Description

监测多波长信号用的光学装置
技术领域
本发明涉及一种监测多波长信号用的光学装置，更具体的说，涉及一种监测例如光通信系统中从一衍射光栅输出的信号用的光学装置。
背景技术
在光通信系统的不同部分中，对光信号的采样能力是很重要的。通常需要能对信号例如其功率、波长、信噪比等进行某种测量。采样过程通常需要加入某种形式的分出耦合器结构(tap-off couplerstructure)。但是这种耦合作用常常会由信号的波谱、形状、偏振等发生畸变而降低传送信号的品质。这反过来又影响整个系统的性能。为使系统的功率分配达到最大(也就是使功率损失最小)，最好仅分出该信号的很小部分，由于这个事实将会使上述缺点变得更坏。但是实际上实现这种小分出比的分出耦合器是很困难的，因为它们常常对制造工艺、波长或偏振都是很敏感的。
在波分复用(WDM)系统中，这种情况明显地更为复杂。必须对携带在同一实际光纤通路(physical fibre channel)中的各个波长通道在一单独基础上进行检测。这就要求对所有通道采样，因而要求将它们分开以便能对每个通道进行单独测量。在这种情形下，采样应该是对波长不敏感的，以便能在这些通道之间进行相关的测量。将采样的信号分进相关的波长通道是困难的，而且需要“分路器(demultiplexer)”的功能性，这就会使成本变得昂贵起来。
如果该采样是在该系统中的分路器阶段内进行，则因为不再需要独立的分路器而会获得明显的好处。但是，由该分路器的各个输出通道对各个波长采样并不是简单的。每个输出通道加入一采样耦合器，明显地会增加各个输出口之间所需要的实际间隔，这通常会导致装置尺寸的增大和性能的降低。而且，由于使用单独的耦合器来对每个通道采样，所以很难实现一种使得相关测量成为可能的均匀的或可预言的采样通道分布。
本发明提供一种改进的监测信号的方法和装置，可避免或减少这些困难。
发明概述
按照本发明的第一方面，提供一种监测多波长信号用的光学装置，该装置包括：一个衍射光栅，用来将多波长的光学信号分成很多由单一波长或很窄的波长带构成的信号；第一接收器，被安置来接收来自衍射光栅的第m级衍射的信号；第二接收器，被安置来接收来自衍射光栅的较高或较低的第m+p级衍射的信号；以及监测器，它与第二接收器相连，以确定来自上述较高或较低的第m+p级衍射的信号的特性，从而监测在第m级衍射中信号的特性。
按照本发明的另一方面，提供一集成的光学收发设备，该设备包括：一个形成在第一和第二反馈元件之间的激光谐振腔；一个在激光谐振腔中的衍射光栅，用来确定激光谐振腔发射的激光的波长；以及光接收器，上述衍射光栅被安排来接收被选择的与发射的激光波长不同的光，并将这选定波长的光传送到光接收器；该衍射光栅还被安排来衍射在上述发射的激光波长上的，处于比激光谐振腔内所用的衍射级高或低的衍射级中的光；为了监测从激光谐振腔内发射的光的功率输出，它还包括一用来接收上述处于较高或较低衍射级的光的输出监测器。
本发明的其它特点从下面的描述和从说明书所附的权利要求中将会显而易见。
这里所用的术语衍射光栅，应认为是包括反射或透射光栅(例如，如图1-图3所示)，阵列波导光栅(arrayed wavelengthgrating)和其它的色散光栅结构，包括全息光栅或相位光栅。
附图简介
现在将通过实例并参考下列附图来对本发明作进一步描述：
图1表示含有本发明的光学装置的第一种形式的收发设备的示意图；
图2表示含有本发明的光学装置的第二种形式的收发设备的示意图；
图3表示含有本发明的光学装置的WDM分路器的示意图；
图4图示图1，图2和图3所示的衍射光栅的主级和邻近级衍射；以及
图5表示图4中的主通道谱线的放大图。
图1和图2表示含有本发明的光学装置的WDM分路器，但应知道该光学装置也可使用在其它的应用中。图1和图2的主题还在共同未决的专利申请GB9727013．6中作了介绍和提出了权利要求。
图1表示一块绝缘体上硅芯片之类的光学芯片1，上述收发设备就做在这芯片上。一集成波导2(如一种硅的条状波导)从第一反馈元件3，如抛过光的形成在该波导2一端的小平面上的部分减反射(AR)的涂层，伸向由在硅片的表面上蚀刻出来的一系列狭窄的浅槽4A构成的透射光栅4。在芯片1的适当位置处还做有另一波导5，用来接收以所选择的角度从透射光栅4衍射的光，并经过光学放大器6(如半导体激光放大器芯片)导向第二反馈元件7，如该激光放大器6的高反射(HR)涂层小面。在所示例子中，该光栅包含一个由具有线性调频周期的小孔(chirped period apertures)构成的线性阵列，这样它还把所透过的光聚焦。
沿波导2向透射光栅4传播的光当它离开波导2时便发散进入硅层中，如虚线8所示。光以干涉图的形式离开透射光栅4，该干涉图是由以公知方式形成光栅的具有线性调频周期小孔的线性阵列产生的，而且这光包含一系列的峰，这些峰相对于光栅轴线(也就是与光栅垂直并与波导2共线的轴线)在不同的角度位置上，每个峰包括一特定波长或波带的光。
波导5被这样放置，使其能接收具有选定波长λ1的光，这个波长应是收发设备所传送的波长。这个波长的光在按熟知的方式形成在AR涂层3和HR涂层7之间的激光谐振腔中被放大，且当AR涂层只是部分反射时，此光的一部分就作为该收发设备在λ1波长上的输出，通过AR涂层3从收发设备传送出去。
另一波导9也以一选定角度提供在芯片上，以便能接收从透射光栅4来的第二波长λ2的光，并将此光传送到光电二级管之类的探测器10上。
为了便于波导5和9接收相应的波长λ1和λ2，两波导之间需要的间隔典型地是在10-20微米的数量级，这与装置的大小和几何形状有关。
因此，透射光栅的作用是为了把由收发设备通过部分减反射涂层3接收的第二波长λ2的光导向光电二极管10。
这样波长选择结构4就被集成为形成在部分减反射(AR)涂层面3和半导体激光放大器6高反射(HR)涂层面7之间的激光谐振腔的一部分。光栅4被用来在同一芯片中设定传送和接收的数据两者的相关波长。由于光栅4被当作波长选择滤波器成为激光谐振腔的一部分，因而它设定了激光器的发射波长。同时，光栅4还用作一种带通滤波器，因而确保探测器10被恰当范围的波长照射。
因此，光栅4的波长选择性在一种波长λ1上能形成激光振荡的封闭腔，并能在探测器处随意检测另一种波长λ2。探测器10在物理意义上讲是激光谐振腔的一部分，但在波长领域看却是与激光谐振腔分离的。在波导9终端的光电二极管10充当一个高效吸收体，从而防止了在这个波长上振荡的形成。
图1图示出第一种形式的收发设备，其中波长λ2上的数据被耦合进该装置，并被光栅4多路分解以便照射探测器10。如上所述，图1所示实例包含一线性调频聚焦光栅4来完成信号的多路分解和聚焦。
图2表示第二种形式的收发设备，它把蚀刻在硅片中的准直与聚焦镜11同反射光栅12组合在一起。两个准直与聚焦镜11和反射光栅都可用在硅片的表面上通过深蚀刻的方法形成。
该激光器发射的激光波长，由光栅分路器12通过在光学放大器6中在波长λ1上提供选定的波长反馈来决定。
由该装置接收的被检测波长λ2，由准直与聚焦镜11和光栅12导向到探测器10。这样，光栅12又被包含在激光谐振腔中，在每个往返周期中把从输入数据方面来的辐射激光波长进行多路传输和多路分解。这就把探测器10隔离，并在激光器的高反射涂层面7，通过光栅分路器12到芯片上的部分减反射涂层面3之间形成一激光谐振腔。
如果波长λ1和λ2明显不同，则减反射涂层3就可设计成对于被检测的波长λ2具有一较低的反射值(即较小的反射性)，以改善耦合系数；而且对于被发送波长λ1具有较高的反射值(即较高的反射性)，以减小激光阈值。
上述的收发设备包含一光学装置，用来监测从激光器发射的光，其方法是利用衍射光栅对激光谐振腔内的光采样。可以把该光栅设计成将激光功率的小而有限的一部分携带在较低或较高的衍射级中。这可与另一光分出波导13耦合，并且与另一光电二极管14耦合。通过恰当的设计，这种较高或较低衍射级的空间间隔应与发射和检测波长λ1和λ2的空间间隔十分不同，以便能在焦平面上很好地将这些波导分隔开。
图1和图2只表示出单一的光分出波导13，但为了监测每个感兴趣的波长，也可提供另外的一些光分出波导。
如上所述，这里描述的收发设备最好是做在绝缘体上的硅(SOI)芯片上。SOI芯片能容易使收发设备的各零件集成化，并能将制造成本降得相当低。关于SOI芯片和制作在其上的条状波导的详情，被在WO95／08787中给出。
关于将光电二极管探测器之类的零件安装在SOI芯片上的方法，介绍在GB2307786A和共同未决的申请GB9702559．7(公开号GB2315595A)中。
采用电子束或光刻技术在光学芯片的表面上制备透射和反射光栅已是众所周知的方法，因此将不再详述。该透射光栅4通常总是由一些深度和宽度为零点几微米(如0．2微米)，长为几个微米的浅槽构成。周期是线性调频的，而且通常总是从零点几微米变化到几微米。
反射光栅12通常总是由深度蚀刻的具有宽度和间隔都为5-20微米的反射表面的细节构成，而且该光栅通常可具有大约500微米的长度。
准直与聚焦镜11也总是用一直穿过导光层的深度蚀刻方法形成，其宽度是从几百微米到几个毫米。这两个镜最好如图2所示是凹的，以便使光准直和聚焦，而且还可用一铝质的反射涂层覆盖其上。如上所述，这种光栅和准直与聚焦镜都可用已知的光刻工艺精密制造，例如其精度可在大约0．2微米之内。这样的精度是可重复的，因而可使收发设备制造成具有精确匹配的发射和接收波长。
上述装置在用来使通道信号分离的分路器内能够对各个波长通道进行采样，而无须每个通道要求一个耦合器。光栅通过将各个波长通道在空间上分成(分散成)一些分离的输出波导，来实现多路信号的分离(多路传输)作用。
在惯常的分路器中，这种光栅被设计成在一特定的衍射级上工作的，而且为了使该级的衍射效率最大可使光栅闪耀，且此衍射级是由装置性能要求，通道间隔和中央通道的波长决定的。这种光栅通常还设计成使所有其它的衍射级蕴含的功率最小。
但是，这里的光栅却被设计成在较低或较高衍射级上携带小而有限的一部分信号功率，而且实际上几乎总是这样。如上所述，这些都可用于监测的目的，而不会明显地对主要通道带来影响。这些衍射级的色散特性、相对功率、串馈(cross-talk)、温度依赖性、通道响应形状等等，都直接与主衍射级的这些方面相关，所以从这些衍射级所做的用于监测目的的测量都可容易地与主通道的特性连接起来。在这些衍射级中对各通道的较小功率部分也可以与主衍射级同样的方式聚焦在各个波导中。通过恰当的设计，这种较高或较低的衍射级的空间间隔应与那些主要通道的十分不同，以便能在焦平面上将各波导很好地间隔开。
用于监测的衍射级不必是邻近的级。任何较高或较低级都可用于监测的目的。为了具有要求的功率水平和通道的均匀性，可以对这种衍射级进行选择和设计。但是，为了确保理想的光分出特性，在总体光栅设计的某些方面可能需要作某种折衷。
本发明的另一实施例示于图3中。图3表示准直和聚焦镜15以及反射光栅16，它们被安排来将输入波导17接收的信号进行信号多路分离。
标有第m级的第一衍射级被第一组接收波导18接收(用来提供装置的输出)，而标有第(m+p)级的另一衍射级被第二组接收波导19接收，这级衍射被导至一排光探测器20。
图4图示这种以光栅为基础的分路器的主衍射级和邻近的衍射级。这里所用的光栅具有10微米的间距和200条光栅基元。在输入和输出准直聚焦镜15上使用的焦距都是10毫米。该分路器被设计成用于8个通道，这些通道彼此的间隔为0．8nm。在本例中在光栅16和准直聚焦镜15上的入射角在所有情形都是45°。在图4中不同波长的信号被表示为紧密的束状，但在下述的图5中却是较为清楚可见的。
如图4所示，不同的衍射级提供不同的特性。一些提供较多的功率，一些具有增加的色散，以及一些具有更好的通道均匀性。根据特定的应用，为了达到最佳的采样功能，将需要采取一折衷的设计方案。典型地说，在侧面的衍射级中采样功率为主衍射级功率的1％-10％。此采样功率必须大于分路器的背景噪声功率。
图5表示图4中的主通道的光谱的放大图示。这些模之间的平均空间间隔近似为10微米，且通道横方向上的强度变化(通道均匀性)小于1．5％。
如果选择最低的第三衍射级(位于-1700微米处)来提供监测，则会实现示于图6中的通道分布。如该图所示，这种情形下中心通道的监测功率约比主通道低-18分贝。各监测通道之间的平均空间间隔是8微米，通道的均匀性近似为9％的变化。利用现有技术的装置来实现具有很小偏振依赖性的这样小的分束比将是很困难的，特别是要具有这样好的通道均匀性将更为困难。当非均匀性是由单个光栅基元的衍射图样的形状引起，因而是公知的而且应是可重复的时候，这种非均匀性也是可以矫正的。此外，这些监测通道应显示出几乎与主通道全相同的热、偏振，串馈(cross-talk)等特性。
图3所示的实施例使用了一种反射光栅，但也可采用其它形式的光栅。
这样上述光学装置比之于现有技术具有很多的优点：
·它具有较为简单的构形，而且不需要任何耦合元件。
·监测是与信号分离同时自动现实的。
·很少或没有偏振、光谱和波长依赖性，或者说在分出机构中很少或没有畸变。
·本装置相当容易制造，而且其性能不受制造方面的变化的影响。
·监测过程对于通道的均匀性或主通道的功率没有或几乎没有影响。
·此外，监测器的分出不必在携带有主WDM通道的波导之间形成。
上述的光学装置可以用在任何WDM系统中，尤其是可以用在所描述的那些用于通信系统的收发设备中。

Claims (12)

1．一种监测多波长信号用的光学装置，该装置包括：一个衍射光栅，用来将多波长的光学信号分成很多由单一波长或很窄的波长带构成的信号；第一接收器，被安置来接收来自衍射光栅的第m级衍射的信号；第二接收器，被安置来接收来自衍射光栅的较高或较低的第m+p级衍射的信号；以及监测器，它与第二接收器相连，以确定来自上述较高或较低级衍射的信号的特性，从而监测在第m级衍射中信号的特性。
2．按照权利要求1所述的光学装置，其特征在于：该第一接收器是与该装置的输出相连接的。
3．按照权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于：多波长光学信号的大部分功率是在第m级衍射中输出的。
4．按照权利要求3所述的光学装置，其特征在于：多波长光学信号的10％或以下的功率是在第m+p级衍射中输出的。
5．按照前述任一权利要求所述的光学装置，其特征在于：该监测器包括一个或多个光探测器。
6．按照前述任一权利要求所述的光学装置，其特征在于：该装置被集成在一芯片上。
7．按照权利要求6所述的光学装置，其特征在于：该装置被集成在一绝缘体上硅的芯片上。
8．按照权利要求6或7所述的光学装置，其特征在于：该衍射光栅包括形成在上述芯片表面上的一系列凹槽。
9．按照权利要求6，7或8所述的光学装置，其特征在于：该第一和第二接收器各包括一个或多个集成在所述芯片上的波导。
10．按照前述任一权利要求所述的光学装置，其特征在于：它构成一收发设备的一部分。
11．一种集成的光学收发设备，它包括：一个形成在第一和第二反馈元件之间的激光谐振腔；一个在激光谐振腔中的衍射光栅，用来确定激光谐振腔发射的激光的波长；以及光接收器，该衍射光栅被安排来接收被选择的与发射的激光波长不同的光，并将这选定波长的光传送到光接收器；该衍射光栅还被安排来衍射在上述发射的激光波长上的，处于比激光谐振腔内所用的衍射级高或低的衍射级中的光；为了监测从激光谐振腔内发射的光的功率输出，它还包括一用来接收上述处于较高或较低衍射级的光的输出监测器。
12．一种光学装置或收发设备，基本上如此前参照附图所述。
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