CN1372647A - 混合集成的光添加/去除多路复用器 - Google Patents

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Abstract

一种集成的光添加/去除多路复用器(OADM),此种多路复用器包括一多层堆叠物,该堆叠物形成用于添加与去除在一光纤通信网络中传播的特定运载信息的波长。该堆叠物包括:由一硅或二氧化硅基底(10)构成的一第一层、由一下部覆层(20)构成的一第二层、由一内芯玻璃层(22)构成的一第三层以及由一外覆层(24)构成的一第四层。在另一实施例中,堆叠物包括:由一硅或二氧化硅基底(10)构成的一第一层、由一下部覆层(20)构成的一第二层、由一聚合物层(26)构成的一第三层、由一内芯玻璃层(22)构成的一第四层以及由一外覆层(24)构成的一第五层。

Description

混合集成的光添加/去除多路复用器
技术领域
本发明涉及纤维光学模块，这种纤维光学模块具有增加与减少在光纤网络中传播的特定的信息运载的波长能力，在下文中，这种光子模块被称之为光添加/去除多路复用器(OADM)。
技术背景
光添加/去除多路复用器(OADM)具有使在光纤网络中传播的特定的信息运载波长添加与去除的能力。图1中的框图示出了一个OADM1是如何实现从一输入量λl-λN添加波长λ’i…λ’j…λ’k以及去除波长λi…λj…λk的功能的。
一种广泛讨论的用于OADM的结构涉及使用阵列波导光栅(AWG)路由器以及2×2光开关。在图2中示意性地示出了这种结构。此处，AWG12用作多路复用器/分路器，而开关14用于选择添加与去除的通道。这种结构可以制成商品化的、独立的组件(例如通过融化连接以及接头连接而与若干纤维引出端开关相连的一纤维引出端的AWG)。商业上生产AWG的厂商例如有Hitachi、Lucent、Nortel、SDL以及JDS Uniphase等。商业上生产光-机械以及热-光这两种类型的2×2开关的厂商例如有JDS Uniphase、Fitel、Dicon以及Corning。
遗憾的是，图2中所示的结构存在一些缺点。由于纤维连接的数量，这种结构难以组装且又很昂贵。另外，此种结构会产生很高的介入损耗。另外，由于波长数量的增加，这种结构就显得很不相称。例如，大城市的网络应用会要求在一个给定的OADM中添加或去除32、64或80波长。
为了解决这些问题，在现有技术中已作了一些尝试，以将AWG的过滤功能与开关的开闭功能集成在一单一基底上。在K.Okamoto等人所著的标题为“包括阵列波导光栅与双门开关的16通道光添加/去除多路复用器”(ElectronicLetters 32，1471(1996))的文章中描述了一种使用平面玻璃技术的此类尝试。其中，若干AWG被制作在基底上的平面玻璃(硅元素上的二氧化硅)中，而马赫-陈德尔(Mach-Zehnder-based)热-光开关也集成在同一基底上。遗憾的是，这种方案也有几个缺点。马赫-陈德尔开关在芯片上需占大量的面积。此外，马赫-陈德尔开关对制造误差非常敏感，并且这种开关还会受到不良隔离的影响。
在Giles等人所著的、标题为“使用硅MEMS光学开关的可重新配置的16通道波分复用去除模块”(IEEE Photonics Tech.Lett.11，63(1999))的文章中描述了另一种集成OADM的尝试。其中，将若干AWG与一排MEMS型的开关光纤耦合。遗憾的是，这种方案不能实现完全地集成，并且它不是固态的。
显然，需要有一种固态的OADM，这种OADM可以完全地集成在一单个基底上，并且不会很敏感而出现制造误差。理想地，使用在此类OADM中的开关应当不需要芯片上的大面积，而又具有良好的隔离特性。
发明内容
本发明提供了一种集成的高性能的光添加/去除多路复用器(OADM)，该多路复用器包括一种多层的堆叠物，堆叠物的功能是添加或去除在一光纤通信网络中传播的特定的运载信息的波长。这种堆叠物的结构消除或至少改善了与现有技术相关的一些缺陷。该堆叠物包括：由一硅或二氧化硅基底构成的一第一层、由一下部覆层构成的一第二层、由一内芯玻璃层构成的一第三层以及由一外覆层构成的一第四层。在另一实施例中，堆叠物包括：由一硅或二氧化硅基底构成的一第一层、由一下部覆层构成的一第二层、由一聚合物层构成的一第三层、由一内芯玻璃层构成的一第四层以及由一外覆层构成的一第五层。
本发明还提供了一种集成的光添加/去除多路复用器(OADM)，该多路复用器包括一基底、一设置在基底上的下部覆层、设置在下部覆层的一部分上的一内芯玻璃层以及设置在下部覆层与内芯玻璃层上的一外覆层。内芯玻璃层包括一阵列波导光栅(AWG)，而外覆层由聚合物构成并且包括一光学开关。
本发明又涉及一种集成的光添加/去除多路复用器(OADM)，该多路复用器包括一基底、一设置在基底上的下部覆层、一设置在下部覆层的一部分上的内芯玻璃层、一与内芯玻璃层相邻地设置在下部覆层上的聚合物层以及设置在聚合物层与内芯玻璃层之上的外覆层。内芯玻璃层包括阵列波导光栅(AWG)，而聚合物包括一光学开关。
附图的简要描述
结合附图，从下列详细的描述可以更好地理解本发明。需强调的是，根据普通实践，这些附图的各个特征部分是不成比例的。相反，各个特征部分的尺寸是被任意放大或减小的，以更清晰地示出本发明。下列附图分别为：
图1为一OADM的方框图；
图2为一普通OADM的结构的框图；
图3为根据本发明的一集成OADM的框图；
图4为本发明的一实施例的侧视图，该实施例包括一基底、设置在基底上的一下部覆层、设置在下部覆层的一部分上的一内芯玻璃层、以及设置在下覆层与内芯玻璃层上的一外覆层；
图5为本发明的另一实施例的一侧视图，该实施例包括一基底、设置在基底上的一下部覆层、设置在下部覆层的一部分上的一内芯玻璃层、与内芯玻璃层相邻的、设置在下部覆层上的一聚合物层、以及设置在聚合物层与内芯玻璃层上的一外覆层；以及
图6为本发明的另一实施例的俯视图，该实施例包括一基底、设置在基底上的一下部覆层、设置在下部覆层的一部分上的一内芯玻璃层、与内芯玻璃层相邻的、设置在下部覆层上的一聚合物层、以及设置在聚合物层与内芯玻璃层上的一外覆层。
详细描述
本发明提供了一种集成的、高性能的OADM，这种OADM是通过将玻璃光学波导与以聚合物为基础的数字光学开关的良好的特性相结合而获得的。由于平面玻璃技术可提供较低的光损耗，故它们最适合用来制造AWG。然而，平面玻璃技术常常会受到由制造过程中的应力所引起的极化相关性的影响。数字光学开关最好以聚合物来实现，这是由于聚合物的较大的热-光效应以及较低的热导率。另外，当将低损耗的、折射率匹配的聚合物作为用于以玻璃为基础的AW6器件的顶部覆层时，这些聚合物可以提供的优点有，如降低器件的整体应力，这可以减小极化相关性，以及降低器件的温度灵敏度，这可以简化温度控制的问题。
较佳地，用于顶部覆层应用的聚合物材料具有的使用温度与波长的折射率应比内芯玻璃层小0.5-0.7％，所具有的和波长的光损耗较佳地应等于或小于内芯玻璃层(通常为0.1dB/cm或更秒)的光损耗，以及此种材料应具有较大的(＞1×10-4/℃)、负的热-光系数(dn/dT)，能够在硅氧层上提供较低的应力的较低的弹性模量，对玻璃内芯与覆层良好的粘合性能，并且此种材料还应具有以用于热-光开关的诸如铬、金之类的典型金属使该聚合物材料金属化的能力。能够接近并满足所有这些标准的材料很少。一种实例是卤素氟化二丙烯酸脂(halofluorinated diacrylates)，例如AlliedSignal开发的氯氟二丙烯酸脂，其中包括了Wu等人于1997年4月17日提交的、标题为“新型可光致固化的卤素氟化丙烯酸脂”的美国专利申请号08/842,783，以及1998年11月12日提交的、标题为“用于制造可光致固化的卤素氟化丙烯酸脂的新方法”的美国专利申请号09/190,194中的申请内容，这两份申请的内容援引在此以作参考。这些材料对于1550nm以及在70℃时的折射率约为1.44，这可以很好地满足上述折射率的标准。该聚合物对于1550nm的光损耗界于0.1于0.2dB/cm之间，dn/dT约为-2×10-4/℃，并且可以获得对玻璃与硅氧基底的良好的粘合性。
图3为示出了本发明的一示意图。由于这种以聚合物为基础的数字光学开关14的两种状态分别是“通过”状态以及“添加/去除”状态，此开关14为“添加/去除”的2×2s，而不是完全纵横的2×2s。一聚合物外覆层(如图4所示的聚合物外覆层24)可涂覆在器件中的任何地方，并且还用作在开关区域(该区域相当短)内的一分段的内芯。纤维阵列(如图3所示的添加纤维阵列16以及去除纤维阵列18)在添加与去除端口处与基底10排成一行，从而为检测器与激光器提供了通路，而在另一实施例中，检测器与激光器也可以被集合成一体。
本发明的集成的OADM为一种多层的堆叠物。图4为示出了本发明的一实施例侧视图。图4中所示出的集成的OADM使用了一种单一聚合物的方法，其中的外覆层24用作顶覆层，并且还含有光学开关。如图4所示，多层堆叠物的第一层为硅或二氧化硅基底10。第二层为一下部覆层20，此层也可为一缓冲玻璃层，此覆层例如可由化学汽相淀积CVD或火焰水解作用而形成。第三层为玻璃内芯层22，该层可以通过作为半导体类型的制造过程的一部分活性离子蚀刻(RIE)而形成，并且如普通的AWG一样可形成一定的图案。玻璃内芯层22也可以通过离子交换而形成，这无需去除材料就可制成内芯。多层堆叠物的第四层是一外覆层24。该外覆层24可以通过旋涂以及随后的紫外线固化/热退火而形成。图4还示出了设置在外覆层24上的一加热物30，其较佳地为一金属加热物30。加热物30可以使用传统的平版印刷的过程而形成一定的图案。
在结构的输出侧上的多路分解AWG的输出为N种波导，其中N为波长的通道数。这些波导通向开关区域。在此开关区域中，玻璃内芯被分割成段以提供间隙，在随后的外覆层旋涂过程中，聚合物材料将沉积在这些间隙内。在分段波导区域中的间隙被设计成能够以相当低的介入损耗以及回波损耗提供数字开关作用。在单一聚合物方法的实例中，聚合物必须同时也是一种适合的顶部覆层的材料，它可以提供较低的介入损耗，减少极化相关性，并且减少温度敏感度。如果使用两种聚合物，就可以消除这些限制，即第一种聚合物用于填充入分段的玻璃内芯的间隙，而第二种聚合物则用作顶部覆层。
图5中示出了两种聚合物方法的侧视图。如图5所示，集成OADM具有一第一聚合物——聚合物层26，该聚合物层(与内芯玻璃层22相邻)设置在下部覆层20与第二聚合物——外覆层24之间。在此种方法中，聚合物层26的折射率被调整成与玻璃内芯层22的折射率相匹配，而外覆层24的折射率被调整成与下部覆层20的折射率相匹配。聚合物层26可以通过旋涂以及随后的紫外线固化/热退火而形成。此外，聚合物层26可以运用直接平版印刷技术或活性离子蚀刻技术而形成一定的图案，以进一步确保OADM的光学开关部分的低损耗的单模式的操作。
聚合物层图案的形成可以通过标准的照相平版印刷的步骤而进行加工，这些步骤包括：当核心玻璃层形成一定图案并且从用于聚合物波导的区域中清除掉内芯层玻璃之后，将聚合物内芯层被旋涂到基底上。聚合物较佳地具有良好的极化的能力，在这种情况下，聚合物层与玻璃层的高度可以做得基本相同。在直接平版印刷的这种较佳情况中，带有未固化的聚合物薄膜的基底被设置在与间隔排列成一行的氮净化的膜板中。所需的遮光膜与基底接触，并且被调节成可使玻璃波导的内芯实现良好的定位。而后，提供紫外线，这可以使膜板的清晰的区域(与波导内芯的位置相应)中的聚合物固化。去除该膜板，并将基底放在如甲醇或丙酮之类的普通有机溶液中而进行洗印。然后，通过旋转涂覆在聚合物/玻璃混合结构上涂上顶部覆层。在一较佳实施例中，在使用温度与波长中，内芯聚合物层的折射率是与芯心玻璃的折射率相匹配的。在不能直接光定形的聚合物的实例中，则必须运用如活性离子蚀刻(RIE)之类的其它方法。在这种情况中，旋涂上一层均匀的聚合物薄膜并使其干燥，在该薄膜之上添加一层金属蒸发层(其中的金属通常为钛/金组合物)。在金属层上涂上一层光致抗蚀剂，并且使这层光致抗蚀剂以与上述直接照相平版印刷的层类似的方式形成一定的图案。在将要通过RIE去除的区域中用一种金属蚀刻剂来去除金属。最后运用RIE来去除多余材料，并形成聚合物波导的内芯。使用湿的化学蚀刻剂可去除光致抗蚀剂以及金属残留物，然后，将上述的顶部覆层覆盖到所得到的聚合物波导内芯上。
图6示出了本发明的一单一聚合物方法的实施例的仰视图。如此图所示，下部覆层20设置在基底10之上。内芯玻璃层22设置在下部覆层20的一部分之上，而聚合物层26与内芯玻璃层相邻地设置在下部覆层之上。聚合物层26包括一光学开关14，如图6所示的为1×2数字光学开关。如图6所示的每一个开关14还可以包括一金属加热物30。图6的插入部分示出了由四个1×2开关14组成的一个2×2开关15。覆层24设置在聚合物层26与核心玻璃层22之上。
本发明提供了一种集成的、高性能的OADM，由于利用了以聚合物为基础的数字光学开关的优点，这种OADM结构将非常紧凑。本发明的OADM的优点是：低的功率消耗，减小了AWG区域中的极化相关性，减小了AWG区域中的热敏感度，减小了整个装置中的应力，比非集成的OADM减少了成本，其串音比马赫陈德尔中产生的要低，能够很容易地采用更加灵活且复杂的开关元件，其损耗比纯聚合物实施例中的损耗低得多，并且其损耗比普通的成品组件串联在一起所产生的损耗低。
本技术领域的人员参照上述说明与附图可以很好地理解本发明，但上述说明与附图的内容并不是无遗漏的，或者本发明并不仅限于特定的揭示的实施例。所选附图有助于描述或最完整地解释本发明的原理以及它的实际使用，由此确保本技术领域中的其它人员可以很好的利用本发明。
因此，需理解的是，此处零部件的材料与配置的描述与说明是为了解释本发明的特点，而本技术领域中的人员在本发明的原理与范围之内还可以作出其它的零部件的材料与配置的详细的变化形式，而本发明的范围将由所附权利要求书的解释所限制。

Claims (19)

1.一种集成的光添加/去除多路复用器(OADM)，此种多路复用器包括一多层堆叠物，该堆叠物形成用于添加与去除在一光纤通信网络中传播的特定运载信息的波长。
2.如权利要求1所述的多路复用器，其特征在于，第一层由一硅或二氧化硅基底构成，第二层由一下部覆层构成，第三层由一内芯玻璃层构成，而第四层由一外覆层构成。
3.如权利要求2所述的多路复用器，其特征在于，所述外覆层由一聚合物构成。
4.如权利要求2所述的多路复用器，其特征在于，内芯玻璃层包括一阵列波导光栅(AWG)。
5.如权利要求2所述的多路复用器，其特征在于，所述外覆层由一聚合物构成，该聚合物包括一光学开关。
6.如权利要求1所述的多路复用器，其特征在于，第一层由一硅或二氧化硅基底构成，第二层由一下部覆层构成，第三层由一聚合物层构成，第四层由一内芯玻璃层构成，而第五层由一外覆层构成。
7.如权利要求6所述的多路复用器，其特征在于，所述外覆层由一聚合物构成。
8.如权利要求6所述的多路复用器，其特征在于，所述内芯玻璃层包括一阵列波导光栅(AWG)。
9.如权利要求6所述的多路复用器，其特征在于，所述外覆层由一聚合物构成，该聚合物包括一光学开关。
10.如权利要求6所述的多路复用器，其特征在于，所述聚合物层具有的折射率与所述内芯玻璃层的折射率相同。
11.如权利要求6所述的多路复用器，其特征在于，所述外覆层具有的折射率与所述下部覆层的折射率相同。
12.一种集成的、光添加/去除多路复用器(OADM)包括：
一基底；
一下部覆层，该覆层置于所述基底上；
一内芯玻璃层，该层置于所述下部覆层的一部分上，所述内芯玻璃层包括一阵列波导光栅(AWG)；以及
一外覆层，该外覆层设置在所述下部覆层与所述内芯玻璃层之上，所述外覆层由一聚合物构成，该聚合物包括一光学开关。
13.如权利要求12所述的多路复用器，其特征在于，所述内芯玻璃层包括一多路复用的阵列波导光栅(AWG)以及一多路分解的阵列波导光栅(AWG)，而其中所述光学开关设置在所述多路复用的阵列波导光栅(AWG)与所述多路分解的阵列波导光栅(AWG)之间。
14.如权利要求12所述的多路复用器，其特征在于，所述基底由硅或二氧化硅构成。
15.一种集成的光添加/去除多路复用器(OADM)，该多路复用器包括：
一基底；
一下部覆层，该覆层置于所述基底上；
一内芯玻璃层，该层置于所述下部覆层的一部分上，所述内芯玻璃层包括一阵列波导光栅(AWG)；
一聚合物层，该聚合物层与所述内芯玻璃层相邻地设置在所述下部覆层之上，所述聚合物层包括一光学开关；以及
一外覆层，该外覆层设置在所述聚合物层与所述内芯玻璃层之上。
16.如权利要求15所述的多路复用器，其特征在于，所述内芯玻璃层包括一多路复用的阵列波导光栅(AWG)以及一多路分解的阵列波导光栅(AWG)，而其中所述光学开关设置在所述多路复用的阵列波导光栅(AWG)与所述多路分解的阵列波导光栅(AWG)之间。
17.如权利要求15所述的多路复用器，其特征在于，所述基底由硅或二氧化硅构成。
18.如权利要求15所述的多路复用器，其特征在于，所述聚合物层具有的折射率与所述内芯玻璃层的折射率相同。
19.如权利要求15所述的多路复用器，其特征在于，所述外覆层具有的折射率与所述下部覆层的折射率相同。
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