CN1318764A - 具有反射输入耦合的阵列波导光栅 - Google Patents

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Abstract

一阵列波导光栅,具有允许可变耦合以调整中心波长的反射输入。通过提供一经过反射透镜组件耦合的具有一或多个精确定位的输入波导的阵列波导光栅,以为从输入波导传播至平面波导的信号提供横向偏移,并使被反射的输入信号聚焦于输入平面波导的选定输入点上,可改进和简化输入和组件的对准及调谐。可将输入位置、波导锥度和平面波导长度增量等可变耦合参数引入反射耦合,以在集成器件内提供相对简单的调谐。还可在反射耦合中对偏振效应和热效应提供补偿。

Description

具有反射输入耦合的阵列波导光栅
本发明涉及一具有反射输入的阵列波导光栅，具体地说，本发明涉及允许可变耦合以调节中心波长的反射输入。
阵列波导光栅(AWG)是一种色散光学器件，它可用于对一组具有不同波长的光学远程通讯信道进行多路复用或多路分解。图1中示出AWG的一个实例。AWG100是一形成在基片上的集成光学器件。AWG具有至少一个输入波导10，它用于将包括多个波长信道λ1至λn的多路复用信号发射进诸如星形耦合器12之类的真空板。星形耦合器12将信号的波前均匀地分配给多个波导，这些波导构成了光栅14。多个波导中的每一个都具有不同的光学长度，相邻波导的光学长度按一恒定值而有所不同，并且在几何形状上从光栅的一侧到另一侧是有所增加的。在诸如星形耦合器16之类的第二真空板中会出现由光栅14引入的相对相位差所导致的干涉。光栅14的色散在物理上将不同的波长分开并使色散光聚焦到第二星形耦合器的输出平面上，其中，将分开的波长耦合进多个输入波导18。选定信道的中心波长位于选定的输出波导18上，以便进行最佳的耦合。各个波长信道的中心波长和间隔取决于AWG布局的几何形状并取决于光栅的波导的有效折射率。输出波导18通过它们的宽度来决定各个信道的带宽。具有不同波长的多个信号在相反方向上操作而被发射自所述多个波导18并穿过光栅14，从而在星形耦合器12中产生干涉，并且，所述具有不同波长的多个信号被作为多路复用的信号组合进信号波导10。
从中发射多路复用信号的输入波导在星形耦合器的输入平面上的位置会影响聚焦输出信号的位置。输入波导业已被包括为集成器件的一部分。但是，生产容差并不是严格得足以精确地设置用于狭窄信道间隔的产品中的中心波长。利用用于生产AWG的多种沉积技术所获得的折射率精度不足以将中心波长设置在所需的容差范围内。
在授予Siemens Aktiengesellschaft,Michel等人的US专利5,732,171中，公开了将星形耦合器的输入平面放置到基片的边缘，其中，将所述器件形成为允许在生产之后将一波导耦合于预定的位置处。可进行调整以使多路复用信号的信道的中心波长与它们相应的输出端口相对准，以便使耦合达到最佳。
通过粘合一尾光纤进行调整会在5个自由度上有对准误差。参照图1，示出了X-Y-Z座标。X轴表示沿星形耦合器12的输入平面13的横向运动，它会对中心波长的对准产生影响。Y轴表示随平面板的垂直运动，所述平面板通常在垂直方向上是单模的。因此，为减少耦合损耗，精细对准是必要的。Z轴表示移进和移出星形耦合器12的输入平面13的运动。该轴上的对准会对聚焦到第二星形耦合器16的输出平面17上的信道输出的间距或间隔产生影响。此外，θX和θY表示绕X轴和Y轴的旋转倾斜度，它会对中心波长和插入损耗的调整产生进一步的影响。
转让给Lucent Technologies公司的由Dragone提出的US专利5,290,663中公开了一种设置阵列波导光栅的不同方法。该专利说明了使光栅变形，以便控制其对环境温度的依赖性或其传输特征。所述变形设计成能拉伸或挤压光栅臂的光学长度。这种变化会导致双折射效应，所说的双折射效应会产生用于TE和TM波导模式的不同的传播常数。就温度补偿而言，尽管环境温度有所变化，但光栅的变形可用于使得光栅的相邻支臂具有相同相对比率方面的不同。这种变形还能提供对路由器传输特征作某些调整。但是，双折射效应会增加与偏振有关的损耗以及偏振模色散。
应该提供一种耦合进阵列波导光栅的改进型耦合，从而简化组件并允许进行可变的调整，以便调节中心波长。
还应该提供一种阵列波导，它具有集成的可变输入波导以便提供调整灵活性。
本发明业已发现，通过提供一经过反射透镜组件耦合的具有一或多个精确定位的输入波导的阵列波导光栅，以为从输入波导传播至平面波导的信号提供横向偏移，并使被反射的输入信号聚焦于输入平面波导的选定输入点上，可以改进和简化输入和组件的对准及调谐。
因此，本发明提供了一种这样的阵列波导光栅，它包括：
一基片，它用于支承形成在其上的集成阵列波导光栅，该基片包括：
一输入平面波导，它具有位于该基片边缘处的输入平面和输出平面，用于将波前从输入平面上的输入点传播至输出平面；
一光栅，该光栅包括：一与上述输入平面波导的输出平面光学耦合的阵列波导，用于接收所述波前；一段光学长度的波导，它们从第一波导到第n波导按基本上相同的量而有所不同；以及
一输出平面波导，它用于将相分离的波长信号聚焦到该输出平面波导的输出平面上，以便与输出波导耦合；以及
一输入组件，它用于将信号发射进所述集成阵列波导光栅，该输入组件包括：
至少一个输入波导，它设置在一与带有波导端部的输入平面波导基本平行的平面上，用于将信号发射进输入平面波导；
一透镜组件，它包括：一透镜装置，此装置对称性设置在相耦合的输入点与所述至少一个波导中选定一个的波导端部之间；以及一反射元件，其与上述透镜装置光学耦合，所述透镜组件用于为从输入波导传播至平面波导的信号提供横向偏移，并用于将被反射的输入信号聚焦于输入平面波导的输入点上。
最佳的是，可将包括输入位置、波导锥度和平面波导长度增量在内的可变耦合参数引入反射耦合，以便在集成器件内提供相对简单的调谐。
参照以下显示本发明示例性实施例的附图，本领域的普通技术人员可以看出其它优点，在附图中：
图1是先有技术的AWG的示意图，所述AWG带有一输入波导，它呈直接耦合于基片边缘上的尾光纤的形式；
图2是本发明的AWG的示意图，所述AWG包括以反射方式耦合于基片边缘的光纤输入；
图3是本发明另一实施例的AWG的示意图，所述AWG包括一集成输入波导以及一反射输入耦合；
图4是根据本发明的反射耦合的另一实施例的示意图；
图5是上述反射耦合的又一实施例的示意图；
图6a是与双折射组件相组合的图5的反射耦合的示意图；
图6b是引入图6a中的双折射组件的详细示意图；
图6c示出了另一双折射组件的详细示意图，所述的组件端面上包括一偏振器；
图7是本发明又一个实施例的示意图；
图8a-c是供本发明使用的示例性透镜组件的示意图；
图9a和b说明了一无热反射耦合的又一实施例。
图2示出了本发明的AWG102，它包括一也称为平板的输入平面波导12、阵列波导14的光栅以及一输出平面波导16。输入平面波导12带有：一输入平面20，它位于其中形成有集成光学器件的基片22的边缘19上；以及一输出平面21，它以光学的方式耦合于阵列波导14。来自波导14的光线可耦合进输出平面波导16的输入平面23。输出平面波导16在输出平面17处耦合于多个输出波导18。
将含有包括多个波长信道的光学信号的光线发射进输入波导10。输入波导10被玻璃块26支承在其中形成有集成器件的基片22的上方。玻璃块26位于平面波导12的表面的上方并具有一前面，它与输入平面20相共面。光纤10的端部位于一V形槽内，所述V形槽使光纤输出与光纤端面相对准，所述光纤输出垂直于输出平面20并平行于平面波导的平面，而所述光纤端面则基本上与块26的前面相对准。光纤10在一输入点处耦合于输入平面波导12的输入平面20，所述输入点选定成能提供为耦合于选定输出波导24而对准的预定中心波长的最大强度。
通过一透镜组件提供本发明的耦合，所述透镜组件包括一透镜30和诸如形成在透镜30端面上的镜面镀层之类的反射元件32。透镜30位于输入平面上，透镜的轴线对称性设置在光纤端面和输入点之间。来自光纤10的光以离轴的方式射进透镜30、被镜面32所反射并按一定的对称量以离轴的方式聚焦到输入平面20上。透镜组件可提供从光纤10到输入点的横向位移。透镜30的焦距也是可调节的，以改变焦点，从而改变所述输入点。例如，省略了梯度折射率透镜，以适应透镜30与输入平面202间的粘合厚度或者减少色散信道的间距。本文件所使用的间距是指输出平面17上的信道的中心波长之间的空间间隔量。
来自所述输入点的光作为波前经过输入平面波导12，从而构成一被限定在垂直方向上的从输入点到输出平面21的发散锥34，以便耦合于波导14构成的阵列。来自波导阵列14的光耦合进输出平面波导16的输入平面23，其中，将信号间的干涉分解成聚焦在输出平面17上的相分离波长的光斑。所述带有用于各信道的中心波长的波长光斑与输出波导18的相对准并与之相耦合。
为了使信道的中心波长与输出波导18的中心波长相对准，输入波导10必须耦合于一精确输入点。由于有生产容差，这种输入点会因器件而异。通过经由包括输入波导10和透镜组件30、32的输入组件将光耦合进器件102，可以消除五个自由度中的两个。输入波导10的平面由玻璃块26的平面固定，从而消除了θX。波导端部的垂直方位也由玻璃块26中的V形槽固定，从而消除了θY。如上所述，对透镜焦距的调节可提供Z轴上较高的定位精度。将定位简化成较简单的X-Y对准操作。X轴上的调整决定了中心波长的的位置。Y轴上的调整会影响耦合效率。
图3所示本发明又一个实施例103能减少调整AWG所需X-Y位移的范围。在这一实施例中，输入波导包括一或多个集成波导40，它形成在带有AWG的基片上。为了使输入波导40的波导端部定位成紧挨着所述输入点，将平面波导12减少成其最小尺寸，以便容纳输入波导40。传播波前的锥形34限定了上述最小尺寸，并且，输入波导40可在改进的平面波导12的旁边定位在锥形34的一侧或两侧上。在这种结构中，θX取决于基片中的波导平面，而θY则取决于光掩模的结构。最好在光纤上发射来自集成波导的输入信号，因为，能充分地限定集成波导的模式场宽度(mode field width)，从而能对所述器件的带宽作更精确的控制。光纤具有仅为±10％的模式场宽度精度。过去，有必要将光纤用作输入波导以便于调整。本发明有助于形成更小型化并较易组装的结构，因为，可同时在一个基片边缘处研磨光纤和引出光纤接头。
如图4和5所示，在用集成输入波导来加以实现时，本发明能使多种不同的输入与可变的参数相合成。然后，可以通过使透镜组件沿X方向移动而选定最佳的输入波导。可改变的参数之一是因使波导端部42变锥形而导致的波导输入的端部处的宽度。锥形42能使模式场宽度以及所述器件的最终带宽受额外的控制或者有变化。借助设置多个有不同锥形尺寸的输入波导，可以通过将透镜组件对称性定位到选定波导40与选定输入点之间而选择最佳的输入。
图5示出了改变输入特征的又一个参数。可通过将平板或平面波导的长度增量44引入输入波导4O中，可以调节平板或平面波导12的长度。用相对基片边缘19的阶梯长度来示出了不同的平板增量。平面波导12中的波前锥形不再是输入平面20的点光源，因为发散的波前始于平板增量44。这就能在X轴上作有选择的调整。通过使平板增量44增加，可以增加所说的间距。通过这种方式，可以在不引入过量损耗的情况下确定精确的信道间距。还可以减少研磨容隙，因为就同样的研磨位置而言，可以选定多种不同的平板长度。
波导位置、锥形尺寸和平板增量这些参数可以在多个输入波导中组合到一起并且有变化，以便提供调整AWG器件时的灵活性。
本发明的反射输入组件可在输出平面20处与引入双折射组件50相适应，如图6a所示。双折射组件50可补偿AWG中的偏振作用，包括与偏振有关的波长、偏振模色散以及图6c所示实施例中的与偏振有关的损耗。转让予共同拥有人的共同未决的申请10-467中更详细地说明了双折射组件50，本文引用了该申请。
图6b表示一双折射组件50，它包括第一双折射元件52、半波片54以及第二双折射元件56，其中，TE和TM偏振状态的光路长度基本上是相等的。通过改变双折射元件52、56的轴线，可以略去半波片。各晶体52、56的厚度和方向被选定成能给出有预定距离d的总偏振偏移量并使有相反值的两种偏振之间的时间延迟达到AWG所导致的延迟。
因此，通过相对基本上相等的光路长度来改变所述结构，双折射组件50可补偿偏振模色散以及与偏振有关的波长。
图6c示出了双折射组件50’的又一个实施例，它包括一位于组件50’端面处的偏振器58，其中，组合有光束。将偏振器56选定成具有两种偏振状态之间的衰减率，以便补偿AWG中与偏振有关的损耗。因此，如果两种偏振状态的光强在穿过AWG之后不相等，则可将振器58选定成在双折射组件50’的输出处吸收一部分较少衰减的偏振状态。
就某些AWG结构而言，输入40与平面波导12中部处的输入点之间的距离对梯度折射率透镜来说太大。为了增加这种偏移量，将所述透镜组件修改成包括两个透镜30和一个隅角反射镜32’，如图7和8c所示。图8a和8b说明另一种透镜组件。
尽管在开始时调整，但温度的变化会导致AWG的中心波长位移，因为，相移阵列的折射率会响应温度而有所变化。这就会使离开所述器件的相位前部的位置移动。因此，会在输出波导处出现不完全的信道耦合。本发明的反射耦合可包括额外的热补偿。
图9a和b说明了非热反射耦合60，它包括一热启动的枢轴装置，该装置用于支承反射镜32。非热耦合60包括一第一支臂62和一第二支臂64，第一支臂62由具有第一热膨胀系数的材料制成，第二支臂64由具有第二热膨胀系数的不同材料制成。
各个支臂62、64对接于基层边缘19或另一个共用干涉平面。第一支臂62支承着反射镜框66，该框在一侧与第二支臂64相耦合并将反射镜32承载在第一支臂62的另一侧上。第一支臂62处的弯曲点或枢轴点68构成了一旋转中心68，反射镜框66响应第一和第二支臂62、64的不同膨胀绕旋转中心68作枢轴运动。光线作为准直光束从透镜30射至反射镜32。准直光束以由非热耦合60的枢轴确定的角度被反射回透镜30。所说的角度因透镜30而平移成一定的偏移量，因此，会使输入平面20处的输入点移动。当然，可按对本领域技术人员来说是明显的多种结构用有不同膨胀系数的材料将倾斜度引入反射镜32。转让予共同拥有人的共同未决的申请书10-336中详细地说明了非热输入装置，本文引用了上述申请。
在不脱离权利要求书所限定的本发明精神和范围的情况下，可以想像出多种其它实施例。

Claims (10)

1、一种用于在空间上将光学信号分开的阵列波导光栅，所述光学信号包括多个波长信道，所述波导光栅包括：
一基片，它用于支承形成在其上的集成阵列波导光栅，该基片包括：
一输入平面波导，它具有位于该基片边缘处的输入平面和输出平面，用于将波前从输入平面上的输入点传播至输出平面；
一光栅，该光栅包括：一与上述输入平面波导的输出平面光学耦合的阵列波导，用于接收所述波前；一段光学长度的波导，它们从第一波导到第n波导按基本上相同的量而有所不同；以及
一输出平面波导，它用于将相分离的波长信号聚焦到该输出平面波导的输出平面上，以便与输出波导耦合；
一输入组件，它用于将信号发射进所述集成阵列波导光栅，该输入组件包括：
至少一个输入波导，它设置在一与带有波导端部的输入平面波导基本平行的平面上，用于将信号发射进上述输入平面波导的输入点；
一透镜组件，它包括：一透镜装置，此装置对称性设置在相耦合的输入点与所述至少一个波导中选定一个的波导端部之间；以及一反射元件，其与上述透镜装置光学耦合，所述透镜组件用于为从输入波导传播至平面波导的信号提供横向偏移，并用于将被反射的输入信号聚焦于输入平面波导的输入点上。
2、如权利要求1所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述至少一个输入波导包括多个与集成阵列波导光栅一起形成在该基片上的集成波导；每个距所述输入平面波导选定的不同距离，以便响应所述器件提供有选择地中心波长调整。
3、如权利要求2所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述多个输入波导的每一个均具有一端部，该端部具有有一增大的锥形宽度。
4、如权利要求3所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述至少一个输入波导包括一位于上述波导端部与透镜之间的平面波导部分。
5、如权利要求1所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述所述透镜组件包括：一对相匹配的透镜，它们对称性设置在相耦合的输入点与所述至少一个波导中选定一个的波导端部之间；以及一隅角反射镜，用于为在输入波导端部与所述输入点之间传播的信号提供较大的横向偏移。
6、如权利要求1所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述反射元件由一热启动的倾斜机构支承，以便按一定角度将反射的光耦合于透镜装置，从而响应温度使聚焦于输入点上的光偏移。
7、如权利要求1所述的用于将多个波长信道组合起来的阵列波导光栅，其特征在于，设置有多个输出波导，以便发射所述多个波长信道，并且，所述至少一个输入波导被设置成用于输出一组合的光学信号。
8、如权利要求1所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述透镜装置包括一透镜，它具有一对称性设置在相耦合的输入点与所述至少一个波导中选定一个的波导端部之间的光轴。
9、如权利要求2所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述输入平面波导是狭窄的，以便在不干涉发散波前的情况下容纳紧邻所述输入点的至少一个输入波导端面。
10、如权利要求2所述的阵列波导光栅，其特征在于，所述多个输入波导中具有至少一个可变的耦合参数，该参数选自由输入位置、波导锥度和平面波导长度增量构成的组中。
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