CN1388390A - 阵列波导干涉器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阵列波导干涉器,属于波导技术领域,应用广泛,特别适用于做光通讯网络、光信息传输与处理系统、光谱测量、传感、激光器件、集成光电器件的核心装置或关键部件。它包括输入光波导,输出光波导,在两者之间有起耦合作用的阵列光波导,上述光波导为直线形或/和曲线形光波导,并制作在有形载体上。本发明的优点在于可实现非常高的波长分辨率或非常窄的信道,具有模块化结构,添加一个信道只需增加一个模块,对同一块器件,插入损耗并不随信道数目的增加而增加。可以采用大规模集成电路技术中的光掩模技术批量制造,重复性好。

Description

阵列波导干涉器
本发明涉及一种阵列波导干涉器，属于波导技术领域，特别适用于做光通讯网络、光信息传输与处理系统、光谱测量、传感、激光器件、集成光电器件的核心装置或关键部件。
传统干涉器包括Fabry-Perot干涉器、Mach-Zehnder干涉器、Michelson干涉器等，它们被广泛应用于光谱分析、激光器件、精密测量、光弹分析等各种领域，许多光纤传感器，如应力、应变、温度、磁场光纤传感器等，也是把起传感作用的一段增敏光纤作为上述干涉器的一部分来实现传感测量。近年来光通讯网络迅速发展，需要各种无源和有源光器件，如波长解复用/波长复用器(WDMUX/WMUX，Wavelength demultipler/wavelengthmultiplexer)、波长选择开关(WSS，Wavelength-selective switches)、波长选择路由(WSS，Wavelength-selective routing)、波长选择耦合器(WSC，Wavelength-selective coupler)、波长分插复用器(WADM，Wavelengthadd/drop multiplexer)、光隔离器(Isolator)、窄波长高稳定激光器等，而且对许多参数，如信道间隔、信道数目、插入损耗、回波损耗、信道隔离度、器件尺寸及与光纤的兼容性等提出了非常高的要求，采用上述干涉器已难以充分满足这些需要。例如用Fabry-Perot干涉器制作的光波解复用器，由于是多光束干涉，可以达到非常高的波长分辨率，但一个解复用器只对应一个信道，集成度不高，且插入损耗大。而Mach-Zehnder干涉器和Michelson干涉器采用双光束干涉，波长分辨率低。根据Mach-Zehnder干涉器制作的复用解复用器要求信道间隔在10nm以上，主要用于双波长或间隔较大的多波长应用领域。另外多层干涉滤波器(Multilayer interference filters)如果要达到光通讯所要求的窄带滤波效果，结构复杂，制造成本高，而且尺寸大，集成度低，因而信道数目受到很大限制。传统干涉器的上述局限限制了它们在光通讯方面的广泛应用，因此在光通讯网络领域发展出了许多新的器件，如阵列波导光栅(AWG，Arrayed waveguide grating)、光纤布喇格光栅(FBG，Fiber Bragg grating)等。其中阵列波导光栅，是利用波导阵列产生的光程差，使不同波长的光波在空间衍射分开，再耦合到不同光纤通道之中。用阵列波导光栅可实现很高的光通道数目，但它不具备模块化结构。光纤布喇格光栅是沿光纤轴向对其折射率进行周期性调制，产生布喇格反射，它是一种窄带陷波滤波器或窄带反射器，它具备模块化结构，增加一个通道只需多添加一个光纤布喇格光栅，但对折射率进行调制在制造时需要特殊的工艺。
本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种可以用于制作各种光网络器件、传感器件、光谱测量仪、激光器件、集成光电器件的阵列波导干涉器，该阵列波导干涉器波长分辨率高，兼容性好，结构简单，具有模块化结构，可以采用大规模集成电路技术中的光掩模技术批量制造，解决用光波导构成窄带干涉器的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：阵列波导干涉器包括输入光波导1，输出光波导2，在两者之间有起耦合作用的阵列光波导3，所述阵列光波导3由不少于两根光波导4组成；输入光波导1、输出光波导2和阵列光波导3的光波导4为直线形或/和曲线形光波导，并制作在有形载体5上，所述载体5是平面基片或立体构件。
本发明的基本原理是：输入光波导1中的光波场由阵列光波导3耦合到输出光波导2，由于阵列光波导3含有多条光波导4，而每个光波导4引入一定的光程差，这样所有光波在输出光波导2中干涉叠加，结果只有满足一定条件的光波长才能发生相长干涉，从输出光波导2输出。根据这种结构特点，因此将这种干涉器称之为阵列波导干涉器(AWI，Arrayedwaveguide interferometer)。与AWG不同的是，本发明利用了多光束的干涉，而不是多光束的衍射。由于采用多光束干涉，阵列波导干涉器可以实现非常高的波长分辨率。阵列波导干涉器的波长分辨率一般可达到输出中心波长的n分之一，其中n为阵列光波导3中所含光波导4的数目。因此当输出中心波长为1500nm时，如果要达到0.15nm的波长分辨率，一般阵列光波导3中所含光波导4的数目要达到10000根。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
图1为输入光波导1和输出光波导2及阵列光波导3中的光波导4全部为直线形光波导，且载体5为平面基片时，阵列波导干涉器的实施例示意图。
图2是阵列光波导3的光波导4为曲线形光波导，输入光波导1和输出光波导2为直线形光波导，且载体5为平面基片时的实施例示意图。
图3是阵列光波导3的光波导4，输入光波导1和输出光波导2部分为直线形光波导，部分为曲线形光波导，且载体5为平面基片时的实施例示意图。
图4是阵列光波导3的光波导4，输入光波导1和输出光波导2全部为曲线形光波导，且载体5为平面基片时的实施例示意图。
图1中阵列波导干涉器包括输入光波导1，输出光波导2，在两者之间有阵列光波导3，阵列光波导3由不少于两根光波导4组成。阵列光波导3用于把输入光波导1中的光波场耦合到输出光波导2进行干涉叠加。图中Iin和Iout分别代表输入和输出光场。为实现相长干涉，应使得光波从输入光波导1的输入端口输入，分别经过阵列光波导3中相邻两根光波导4到达输出光波导2的输出端口时的光程差为输出光波波长的整数倍。但为了改善阵列波导干涉器的整体性能，如提高对次极大谱峰的抑制，经过阵列光波导3中部分相邻两根光波导4所产生的上述光程差可以在一定程度上偏离输出波长的整数倍。
同时阵列波导干涉器是一个具有方向性的器件，当光波分别从输入光波导1的左输入端口和右输入端口输入，经过光波导阵列3中相邻两根光波导4，到达输出光波导2的输出端口时的光程差一般是不同的，这意味着如果某一波长为λ的光波从输入光波导1的左输入端口输入，可以耦合输出到输出光波导2，则同一波长的光波从输入光波导1的右输入端口输入时不能耦合输出到输出光波导2。如果用光波场从输入光波导1的输入端口输入，经过阵列光波导3，到达输出光波导2的输出端口的过程中光波矢转过的角度作为输入光波导1和输出光波导2之间的夹角，则在图1中，当光波从输入光波导1的左输入端口输入时，输入光波导1和输出光波导2之间的夹角为锐角。而当光波从输入光波导1的右输入端口输入时，输入光波导1和输出光波导2之间的夹角为钝角。因此当全部采用直线形光波导时，输入光波导1和输出光波导2之间的夹角在0～180度之间。
图2中由于阵列光波导3的光波导4为曲线形光波导，输入光波导1和输出光波导2之间的夹角可在0～360度之间。一般夹角增大有利于增大光波分别经过光波导阵列3中相邻两根光波导时的光程差，有利于减小器件尺寸。
图3和图4中分别采用了曲线形光波导。采用直线形光波导时设计简单，而用曲线光波导代替直线光波导时，一方面有利于调整相邻光波导间的光程差，一方面有利于调整光波导阵列3中的光波导4分别与输入光波导1和输出光波导2之间的耦合强度。
阵列波导干涉器相当于一个高分辨率窄带滤波器，其滤波特性曲线取决于其光波导的几何长度、空间相对位置和折射率等参数。通过控制相邻光波导间的光程差，可以确定阵列波导干涉器的滤波光谱特性曲线的中心波长以及次极大、极小谱峰的位置，同时通过阵列光波导3中光波导4的数目，以及光波导4分别与输入光波导1和输出光波导2之间的空间相对位置，如间隙，以及横截面尺寸可以调整光波导4分别与输入光波导1和输出光波导2之间的耦合强度，从而确定阵列波导干涉器的输出光谱特性曲线的谱峰高度，以及谱峰半宽度。当采用平面波导时，阵列波导干涉器的输入光波导1，输出光波导2和阵列光波导3可以通过大规模集成电路技术中的光掩模技术制作在同一块平面基片5上。如果采用立体波导，例如带状光纤束，所有光波导可固定在立体构件上。采用立体波导灵活地构成阵列波导干涉器可进一步扩展阵列波导干涉器的应用范围。
以下进一步说明实施例和发明效果：
本发明所提出的阵列波导干涉器，尽管一个阵列波导干涉器只对应一个特定波长，或信道，但由于采用光集成技术，对应多个光波长的阵列波导干涉器可集成在一块器件上，它们共用一个输入或输出光波导，这样插入损耗并不随阵列波导干涉器数目的增加而增加。也就是说，阵列波导干涉器具有模块化结构，添加一个信道只需增加一个模块。例如把多个具有不同中心输出波长的阵列波导干涉器集成到同一块器件上，且它们共用输出光波导，则可构成一个光波复用器，同样把多个具有不同输出中心波长的阵列波导干涉器集成到同一块器件上，且它们共用输入光波导，则可构成一个光波解复用器。进一步由光波解复用器和光波复用器可以组成路由器。如果沿同一输入光波导集成制作两个或两个以上具有相同中心输出波长的阵列波导干涉器，通过每个阵列波导干涉器与该输入光波导的耦合强度以及它们之间的相互排列顺序，可决定每个阵列波导干涉器所分配到的光波场的强度，从而构成一种光分配器。如果把两个具有相同输出中心波长的阵列波导干涉器制作在同一块器件中，其中一个阵列波导干涉器取出沿输入光波导正向传播的光波场，而另一个阵列波导干涉器把所取出的光波场再耦合回该输入光波导，使其沿输入光波导反向传播，可够成一个反射器。用两个这样的反射器可构成一个激光谐振腔，在这两个反射器之间连接一段掺稀土元素光纤，如掺铒、掺钕光纤，则可做成阵列波导干涉器光纤激光等。如果沿输入光波导反向集成制作阵列波导干涉器，取出沿输入光波导反向传播的光波则可做成光隔离器。另外通过外应力、热形变、压电陶瓷的电致伸缩等动态调节阵列波导干涉器中光波导的几何尺寸、相对位置，或通过电光效应改变光波导的折射率，可以动态地改变波导阵列中相邻光波导之间的光程差或/和它们与输入/输出光波导的耦合系数，则该阵列波导干涉器的滤波特性曲线，如中心波长以及次极大、极小谱峰的位置、谱峰高度，以及谱峰半宽度等都将发生相应改变，从而可用于制作各种波长选择光网络器件和光谱仪、传感测量仪等。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：
本发明所涉及的阵列波导干涉器，由于采用了多光束干涉，因此干涉器可以实现非常高的波长分辨率或非常窄的信道；具有模块化结构，添加一个信道只需增加一个模块，对同一块器件，插入损耗并不随信道数目的增加而增加；应用广泛，可以构成各种光网络器件和传感、测量仪，如光波复用/解复用器、光开关、耦合器、路由器、光隔离器、光谱仪、传感器、反射器；本干涉器可以采用大规模集成电路技术中的光掩模技术批量制造，尺寸小，重复性好。

Claims (7)

1.一种阵列波导干涉器，其特征在于，它包括输入光波导(1)，输出光波导(2)，在两者之间有起耦合作用的阵列光波导(3)，所述阵列光波导(3)由不少于两根光波导(4)组成；输入光波导(1)、输出光波导(2)和阵列光波导(3)的光波导(4)，为直线形或/和曲线形光波导，并制作在有形载体(5)上，所述载体(5)是平面基片或立体构件。
2.根据权利要求1所述的阵列波导干涉器，其特征在于，光波从输入光波导(1)的输入端口输入，分别经过阵列光波导(3)中相邻两根光波导(4)到达输出光波导(2)的输出端口时的光程差为输出光波导(2)的输出光波波长的倍数。
3.根据权利要求1所述的阵列波导干涉器，其特征在于，光波从输入光波导(1)的输入端口输入，分别经过阵列光波导(3)中相邻两根光波导(4)到达输出光波导(2)的输出端口时的光程差为输出光波导(2)的输出光波波长的整数倍。
4.根据权利要求1所述的阵列波导干涉器，其特征在于，阵列光波导(3)的光波导(4)，输入光波导(1)和输出光波导(2)都为直线形光波导，输入光波导(1)和输出光波导(2)之间的夹角在0～180度之间。
5.根据权利要求1所述的阵列波导干涉器，其特征在于，阵列光波导(3)的光波导(4)为曲线形光波导，输入光波导(1)和输出光波导(2)为直线形光波导，输入光波导(1)和输出光波导(2)之间的夹角在0～360度之间。
6.根据权利要求1所述的阵列波导干涉器，其特征在于，阵列光波导(3)的光波导(4)，输入光波导(1)和输出光波导(2)部分为直线形光波导，部分为曲线形光波导。
7.根据权利要求1所述的阵列波导干涉器，其特征在于，阵列光波导(3)的光波导(4)，输入光波导(1)和输出光波导(2)全部为曲线形光波导。
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