CN1427290A - 多模干涉型光学衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种多模干涉型光学衰减器，该多模干涉型光学衰减器包括一个输入波导区、两个锥形过渡区、两个多模干涉区、两个双锥形过渡区、一个调制区和一个输出波导区共九个部分，其中一个锥形过渡区的前端与输入波导区的尾端相连，其尾端与多模干涉区的前端相连，一个双锥形过渡区的前端与多模干涉区的尾端相连，其尾端与调制区的前端相连，另一个双锥形过渡区的前端与调制区的尾端相连，其尾端与多模干涉区的前端相连，另一个锥形过渡区的前端与多模干涉区的尾端相连，其尾端与输出波导区的前端相连。

Description

多模干涉型光学衰减器
技术领域
本发明涉及光信号强度调制的波导型光学衰减器件。本发明具体涉及利用Mach-Zender干涉器的原理，利用等离子体色散效应或者热光效应来实现光信号相位的调制功能，采用多模干涉型耦合器来完成光信号的分束和合束功能，并采用多模波导作为输入和输出波导的波导型光学衰减器件。
背景技术
伴随着个人电脑普及而来的Internet网的飞速发展，由数字移动通信业务导向个人通信而引发的常规通信的革命，以及多媒体通信业务的出现。信息爆炸刺激了通信业务的迅速增长，这种增长的最直接结果就是出现了所谓的“光纤耗尽”现象，一方面由于光纤通讯系统的早期投资是非常巨大的，主要是由于光缆线路的铺设费用很高；另一方面，现有的光纤通讯系统只是占用了光纤低损耗光学窗口的一小部分；为了充分利用现有的光缆设施以实现最大限度的扩容，人们普遍认为密集波分复用系统(DWDM)是解决这一问题的最佳途径。目前正在建设的或将要建设的商用光纤通讯系统基本上都是波分复用系统。
随着通道数的增多，DWDM系统固有的问题就暴露出来。其主要问题表现在以下几个方面：
1、就激光器的现有技术水平而言，还很难做到从不同激光器出来的不同波长的光信号具有稳定一致的功率水平。
2、由于光波导材料、光纤材料的吸收系数与波长有关，所以在光器件和光纤中传输的不同波长的光信号的功率损耗是不一样的。
3、由于目前掺铒光纤放大器的增益平坦问题还没有得到很好的解决，所以不同信道的光信号通过掺铒光纤放大器所得到的增益也是不一样的。
4、如果采用干涉滤光片作为解复用器，则由于不同波长的光信号经历的反射次数不同，从而导致各个通道的光功率损耗也有所差异。
所以，在密集波分复用系统中各个通道中的光信号的功率水平不同，如何解决各个通道的功率均衡问题是密集波分复用系统走向实用化时所必须首先解决的问题。
若是采用一种器件能够将各通道中功率较大的光信号的功率衰减下来，这样就可以实现各通道中光信号的功率均衡，这样的器件就是光学衰减器。目前商用化的光学衰减器很多，主要有以下四种：
1、位移型光学衰减器：其基本原理是采用步进电机带动着光纤做横向或者纵向的相对运动，通过改变两光纤之间横向或者纵向的相对距离来达到调节光信号强度的目地。
2、镀膜型光学衰减器：通过在光纤端面上镀制金属吸收膜或者反射膜来调节光信号的强度。
3、衰减片型光学衰减器：通过步进电机带动衰减片的转动来调节光信号的强度。
4、液晶型光学衰减器：利用液晶在电场作用下晶向改变的性质，通过改变电压的大小来改变两晶向的相对角度，从而达到调节光信号强度的目地。
但这些光学衰减器一般体积较大，所采用的器件生产工艺与现有的半导体工艺完全不兼容，因而不能与其他的光电子器件集成，而且不能实现光信号的连续在线衰减，或者稳定性欠佳(如液晶型光衰减器的环境性能极差)，不能满足现有通讯技术对器件小型化、集成化和高的环境稳定性的要求。
而采用平面光波导技术，利用Mach-Zehnder干涉器的原理制成的波导型光学衰减器则完全没有这些限制，用这种技术制成的光学衰减器不仅可以实现器件的小型化，而且由于采用常规半导体工艺，容易与其它光电子器件集成，由于采用载流子注入或者加热的方式来实现等离子体色散效应或者热光效应，所以容易实现光信号的连续生线衰减，通过合理设计，还可以得到插入损耗小，功率消耗低的光学衰减器。本发明的目地不仅在于可以提供具有以上优点的可变光学衰减器，而且由于采用了多模干涉器的结构，因而与一般的波导型光学衰减器相比，它还具有器件结构更紧凑、器件制作容差更大、工作带宽更宽的优点。另外，由于采用了多模的输入和输出波导结构，因而器件的插入损耗也能够做得更小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多模干涉型光学衰减器，其具有集成化高、体积小和环境稳定性高的优点。
本发明一种多模干涉型光学衰减器，其特征在于：该多模干涉型光学衰减器包括一个输入波导区、两个锥形过渡区、两个多模干涉区、两个双锥形过渡区、一个调制区和一个输出波导区共九个部分，其中一个锥形过渡区的前端与输入波导区的尾端相连，其尾端与多模干涉区的前端相连，一个双锥形过渡区的前端与多模干涉区的尾端相连，其尾端与调制区的前端相连，另一个双锥形过渡区的前端与调制区的尾端相连，其尾端与多模干涉区的前端相连，另一个锥形过渡区的前端与多模干涉区的尾端相连，其尾端与输出波导区的前端相连。
其输入波导区由输入波导组成，该输入波导为能承载多个模式的多模波导，该多模波导的基本要求是与单模光纤的耦合损耗较低，并且光波导的长度也比较短。
在输入波导区和多模干涉区之间采用锥形过渡区，该锥形过渡区前端与与输入波导区相连，其尾端与多模干涉区相连，该锥形过渡区由一呐叭状的锥形过渡波导组成，该锥形过渡波导始端的截面尺寸与输入波导的截面尺寸相同，其尾端的截面尺寸与多模干涉区中多模波导的截面尺寸相同。
多模干涉区的前端与锥形过渡区相连，其尾端与双锥形过渡区相连，该多模干涉区由至少能承载3个以上波导模式的多模波导组成，利用多模波导中多个模式间的相互干涉，将从锥形过渡波导耦合进来的输入光分成两个强度相等、位相相同的映象，完成将一束光分为两束的等比分束功能。
双锥形过渡区的前端与多模干涉区相连，其尾端与调制区相连，双锥形过渡区由两个成呐叭状的锥形过渡波导组成，利用这两个锥形过渡波导将多模干涉区中形成的二重映象低损耗地耦合进调制区中的两条单模波导中，这两个锥形过渡波导的始端的宽度为多模干涉区中多模波导宽度的一半，其尾端的截面尺寸与调制区中单模波导的截面尺寸相同。
调制区的前端与双锥形过渡区相连，其尾端与另一双锥形过渡区相连，调制区由两条单模波导组成，要求这两条单模波导对光场的限制能力比较强，偏振相关性比较好，并且两条单模波导之间的间距要足够大，以保证两条单模波导相互间没有电磁场能量的耦合，在两条单模波导的其中一条或者两条同时采用等离子体色散效应或者热光效应来实现光信号相位的调制。
双锥形过渡区的前端与调制区相连，其尾端与多模干涉区相连，该双锥形过渡区由两个呐叭状的锥形过渡波导组成，从两单模波导出来的光场通过双锥形过渡区的两个锥形过渡波导耦合进多模干涉区的多模波导中，这两个锥形过渡波导的基本要求是：对于每一个锥形过渡波导，其输入端的截面尺寸与单模波导的截面尺寸相同，其输出端的截面宽度为多模干涉区中多模波导宽度的一半。
多模干涉区的前端与双锥形过渡区相连，其尾端与输出波导区相连，该多模干涉区由至少能承载3个以上波导模式的多模波导组成，利用多模波导中多个模式间的相互干涉，将通过两个锥形过渡波导耦合进来的两个输入光场合成为一束光，完成合束功能。
锥形过渡区的前端与多模干涉区相连，其尾端与输出波导区相连，该锥形过渡区由一呐叭状的锥形过渡波导组成，通过这个锥形过渡波导将多模干涉区中形成的映象低损耗地耦合进输出波导区，这个锥形过渡波导的基本要求是：其输入端的截面尺寸与多模干涉区中的多模波导的截面尺寸相同，其输出端的截面尺寸与输出波导区中的输出波导的截面尺寸相同。
输出波导区由输出波导组成，该输出波导由能承载多个波导模式的多模波导组成，该输出波导的基本要求是与单模光纤的耦合损耗比较低，并且光波导的长度也比较短。
整个多模干涉型光学衰减器的截面可以采用矩形截面或者脊形截面的波导结构。
附图说明
为了详细地介绍本发明，以下结合附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是按照本发明原理的具有脊形截面的多模干涉型光学衰减器的立体(X-Y-Z三维立体)示意图，为了更直观可见，在该图中波导的上包层没有画出；
图2是按照本发明原理的具有矩形截面的多模干涉型光学衰减器的立体(X-Y-Z三维立体)示意图，为了更直观可见，在该图中波导的上包层没有画出；
图3是采用脊形截面结构的多模干涉型光学衰减器的横截面(X-Y平面)示意图，除了图1中的单模波导调制区105的横截面不能用该图示意外，其余各区域的横截面均可用该图简单示意，所不同的是脊形区的宽度发生了变化，但这不影响对本说明书的理解；
图4是采用脊形截面结构的多模干涉型光学衰减器的单模波导调制区105的横截面(X-Y平面)示意图；
图5是采用矩形截面结构的多模干涉型光学衰减器的横截面(X-Y平面)示意图，除了图2中的单模波导调制区105的横截面不能用该图示意外，其余各区域的横截面均可用该图简单示意，所不同的是截面的宽度发生了变化；
图6是采用矩形截面结构的多模干涉型光学衰减器的单模波导调制区105的横截面(X-Y)示意图。
具体实施方式
本发明一种多模干涉型光学衰减器的结构，该器件的基本结构为Mach-Zehnder干涉器，所不同的是它使用一个1×2的多模干涉型分束器和一个2×1的多模干涉型合束器来取代了Mach-Zehnder干涉器的两个Y分支结构，与一般的1×2多模干涉型分束器和2×1的多模干涉型合束器又有所不同，对于分束器，它的输入端是多模波导而不是单模波导；对于合束器，它的输出端是多模波导而不是单模波导。
下面参照图1-6详细介绍按照本发明原理的多模干涉型光学衰减器的结构：
整个器件的立体图如图1(具有脊形截面结构)或者图2(具有矩形截面结构)所示，从图中可以看出，整个器件可以分为以下九个部分：输入波导区101、锥形过渡区102、多模干涉区103、双锥形过渡区104、调制区105、双锥形过渡区106、多模干涉区107、锥形过渡区108、输出波导区109。现就各个部分分别作一介绍：
1、输入波导区101：这一区域是由输入波导113组成，主要用于将光纤中的光信号耦合进波导型光学衰减器，要求其与光纤的耦合损耗越低越好。由于输入光纤一般是单模光纤，其芯层直径一般约为9微米，外包层直径为125微米，又由于其外包层与芯层的折射率差别很小，所以其模场半径一般约为5微米。如：Corning SMF-28光纤，其芯层直径为8.2微米，外包层直径为125微米。对于一般材料，如：Si，SiO2等，若采用单模波导结构，则无论是采用脊形波导结构(图3)还是矩形波导结构(图5)，其截面的尺寸与单模光纤的截面尺寸相比差别很大，因而光纤与输入波导113之间的耦合损耗较大，从而增加了整个器件的插入损耗，所以我们采用多模波导的输入结构，这样很容易找到与单模光纤耦合损耗小的尺寸，从而大大降低了整个器件的插入损耗。
2、锥形过渡区102：这一区域是由一呐叭状的锥形波导114组成，其输入端与输入波导113的宽度相同，其尾端与多模波导115的宽度相同，选择这样一段锥形过渡波导114，而不是将输入波导113与多模波导115直接相连，其目的是为了降低光信号的能量损失。
3、多模干涉区103：这一区域是由能承载多个模式的多模波导115组成，利用多模波导115中多个模式间的相互干涉，在多模波导115中形成输入场的一个或多个映象，这就是所谓的自映象原理。在这里是利用多模波导115来形成输入场的二重映象，所形成的二重映象的强度相等，并且具有相同的位相，这就是说，通过多模干涉区103将输入光束分成了强度相等，位相相同的两束，实现了光束的等比分束功能。
4、双锥形过渡区104：这一区域是由两个呐叭状的锥形过渡波导116组成，这两个锥形过渡波导116相对于X＝0的平面是对称的，若多模波导115的宽度用Wmmi来表示，则这两个锥形波导116位于x＝±Wmmi/4处，其始端的宽度是多模波导115的宽度的一半，其输出端的宽度与调制区105的单模波导117的宽度相同，这样做的目的也是为了降低光信号的能量损失。
5、调制区105：调制区105是由两条单模波导117组成，这两条单模波导117分别位于x＝±Wmmi/4处，其基本要求就是场限制能力要强，偏振相关性要好，只要单模波导117的长度选择合适，在单模波导117的末端中的电磁场就应该是该单模波导117的基模场，这是因为其他的波导模式不能在单模波导117中稳定地传播，从而以泄漏模的形式损失掉了。如果在其中一条单模波导117或者两条单模波导117上同时采用热电极进行加热，则根据热光效应，将引入额外的位相差；或者通过PN结进行载流子注入，则根据等离子体色散效应，也可以实现光信号相位的调制。总之，该调制区的基本功能就是实现对光信号相位的调制。
6、双锥形过渡区106：由两个呐叭形状的锥形过渡波导118组成，这两个锥形过渡波导118相对于X＝0的平面是对称的，若多模波导117的宽度用Wmmi来表示，则这两个锥形波导118位于x＝±Wmmi/4处，对于每一个锥形过渡波导，其输入端与调制区105的单模波导117的宽度相同，其输出端是多模干涉区107的多模波导119的宽度一半，这样做的目的是为了降低光信号的能量损失。
7、多模干涉区107：由能承载多个波导模式的多模波导119组成，该区与多模干涉区103在几何尺寸上完全相同，唯一不同的是进光和出光的方式。在多模干涉区107中是两束光同时进入多模波导119，然后通过多模波导119中多个模式间的相互干涉形成一束光通过一个锥形过渡波导120进入输出波导121。该区中发生的物理过程和多模干涉区103中发生的的物理过程正好相反，也就是说：多模干涉区107中的物理过程可以看作多模干涉区103中物理过程的逆过程。
8、锥形过渡区108：由一个呐叭状的锥形过渡波导120组成，该锥形过渡波导120的输入端的截面尺寸与多模干涉区107的多模波导119的截面尺寸相同，其输出端的截面尺寸和输出波导区109的输出波导121的截面尺寸相同。这样可以降低光信号的能量损耗。
9、输出波导区109：由输出波导121组成，输出波导的截面尺寸和输入波导区101中的输入波导113的截面尺寸相同。其基本要求是与单模光潜的耦合损耗越低越好。
用于制造可变光学衰减器的材料可以是硅材料或者二氧化硅材料，也可以用III-V族化合物材料如磷化铟等，器件的截面可以采用脊形波导结构(如图1和图3所示)或者采用矩形截面结构(如图2和图4所示)。这里需要说明的是：当采用脊形截面结构时由于实际腐蚀工艺的限制，事实上腐蚀的底角一般都对直角有一定程度的偏离。现以脊形截面波导结构来加以说明，该波导结构由四部分组成：衬底112，下包层111，波导层110，上包层301，其形成过程可以SOI脊形波导为例介绍如下：在硅衬底上通过氧化或者离子注入的方法形成一层二氧化硅，然后通过外延的方法在其上形成厚厚的一层硅，再利用干法刻蚀或者湿法腐蚀在硅层上刻蚀出具有脊形截面的结构，然后通过高温热氧化的方法或者化学气相沉积的方法来形成一层二氧化硅作为上包层301，这样就形成了SOI脊形波导结构，由于硅的折射率大于二氧化硅的折射率，根据有效折射率方法，可知光信号将主要局域在脊形区附近。根据所利用的物理效应的不同，电极的制作采用不同的方法来实现。如果利用热光效应，则在二氧化硅氧化层之上还要再溅射或者热蒸发一层金属加热电极和电极引线。如果利用等离子体色散效应，则在形成二氧化硅之前还要形成N型和P型掺杂区和电极引线。
从单模光纤出来的高斯光束通过输入波导113耦合进入器件，然后通过锥形过渡波导114进入多模波导115，由于多模波导115中多个模式间的相互干涉，将在多模波导115的末端形成强度相等并具有相同相位的两束光，这两束强度相等的光通过一个锥形过渡波导116进入调制区105的两条单模波导117中，其中绝大部分能量转化为单模波导117中基模场的能量，其他的能量转化为泄漏模的能量而损失掉。用数学式子表示如下： E 1 = ( A / 2 ) · exp ( iωt ) E 2 = ( A / 2 ) · exp ( iωt )
E1和E2是在两单模波导117中的电场分布，ω是光信号的频率，A是光信号的电场的振幅，t是时间，由于两单模波导117是对称分布，而且这里关心的是两单模波导117中光信号的相对位相变化，所以与传播距离有关的的相位部分没有表示出来。如果改变其中一条或者两条单模波导117的有效折射率，则在其中传播的光束将引入额外的相位差，一般说来，可以通过两种物理效应来改变材料的折射率，一种是等离子体色散效应，一种是热光效应。所谓等离子体色散效应，是指材料的折射率随载流子浓度的变化而改变的现象，可以通过掺杂或者电注入的方式来实现；另一种是热光效应，它是指材料的折射率随温度的变化而发生改变的现象，可以通过加热的方法来实现。这两束光通过两个锥形过渡波导118低损耗地耦合进多模波导119中，由于多模波导119中多个模式间的相互干涉，形成单一斑点，通过锥形过渡波导120耦合进输出波导121中，这样，通过调整热光效应或者等离子体色散效应的强弱就可以达到调整输出光强度的目的。用数学式表示为：
＝Iin cos2(Δ/2)式中Δ1和Δ2分别表示两条单模波导117由于调制所引入的额外位相差，如果是只在其中一条单模波导117上进行了调制，则二者中有一为零。式中Δ＝Δ1-Δ2，Iout是输出光场的光强，Iin是输入光场的光强，其值的大小为A2。所以通过改变Δ的大小就可以得到强度连续变化的输出光强，从而达到调制光强度的目的。

Claims (11)

1、一种多模干涉型光学衰减器，其特征在于：该多模干涉型光学衰减器包括一个输入波导区、两个锥形过渡区、两个多模干涉区、两个双锥形过渡区、一个调制区和一个输出波导区共九个部分，其中一个锥形过渡区的前端与输入波导区的尾端相连，其尾端与多模干涉区的前端相连，一个双锥形过渡区的前端与多模干涉区的尾端相连，其尾端与调制区的前端相连，另一个双锥形过渡区的前端与调制区的尾端相连，其尾端与多模干涉区的前端相连，另一个锥形过渡区的前端与多模干涉区的尾端相连，其尾端与输出波导区的前端相连。
2、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：其输入波导区由输入波导组成，该输入波导为能承载多个模式的多模波导，该多模波导的基本要求是与单模光纤的耦合损耗较低，并且光波导的长度也比较短。
3、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：在输入波导区和多模干涉区之间采用锥形过渡区，该锥形过渡区前端与与输入波导区相连，其尾端与多模干涉区相连，该锥形过渡区由一呐叭状的锥形过渡波导组成，该锥形过渡波导始端的截面尺寸与输入波导的截面尺寸相同，其尾端的截面尺寸与多模干涉区中多模波导的截面尺寸相同。
4、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：多模干涉区的前端与锥形过渡区相连，其尾端与双锥形过渡区相连，该多模干涉区由至少能承载3个以上波导模式的多模波导组成，利用多模波导中多个模式间的相互干涉，将从锥形过渡波导耦合进来的输入光分成两个强度相等、位相相同的映象，完成将一束光分为两束的等比分束功能。
5、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：双锥形过渡区的前端与多模干涉区相连，其尾端与调制区相连，双锥形过渡区由两个成呐叭状的锥形过渡波导组成，利用这两个锥形过渡波导将多模干涉区中形成的二重映象低损耗地耦合进调制区中的两条单模波导中，这两个锥形过渡波导的始端的宽度为多模干涉区中多模波导宽度的一半，其尾端的截面尺寸与调制区中单模波导的截面尺寸相同。
6、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：调制区的前端与双锥形过渡区相连，其尾端与另一双锥形过渡区相连，调制区由两条单模波导组成，要求这两条单模波导对光场的限制能力比较强，偏振相关性比较好，并且两条单模波导之间的间距要足够大，以保证两条单模波导相互间没有电磁场能量的耦合，在两条单模波导的其中一条或者两条同时采用等离子体色散效应或者热光效应来实现光信号相位的调制。
7、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：双锥形过渡区的前端与调制区相连，其尾端与多模干涉区相连，该双锥形过渡区由两个呐叭状的锥形过渡波导组成，从两单模波导出来的光场通过双锥形过渡区的两个锥形过渡波导耦合进多模干涉区的多模波导中，这两个锥形过渡波导的基本要求是：对于每一个锥形过渡波导，其输入端的截面尺寸与单模波导的截面尺寸相同，其输出端的截面宽度为多模干涉区中多模波导宽度的一半。
8、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：多模干涉区的前端与双锥形过渡区相连，其尾端与输出波导区相连，该多模干涉区由至少能承载3个以上波导模式的多模波导组成，利用多模波导中多个模式间的相互干涉，将通过两个锥形过渡波导耦合进来的两个输入光场合成为一束光，完成合束功能。
9、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：锥形过渡区的前端与多模干涉区相连，其尾端与输出波导区相连，该锥形过渡区由一呐叭状的锥形过渡波导组成，通过这个锥形过渡波导将多模干涉区中形成的映象低损耗地耦合进输出波导区，这个锥形过渡波导的基本要求是：其输入端的截面尺寸与多模干涉区中的多模波导的截面尺寸相同，其输出端的截面尺寸与输出波导区中的输出波导的截面尺寸相同。
10、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：输出波导区由输出波导组成，该输出波导由能承载多个波导模式的多模波导组成，该输出波导的基本要求是与单模光纤的耦合损耗比较低，并且光波导的长度也比较短。
11、根据权利要求1所述的多模干涉型光学衰减器，其特征在于：整个多模干涉型光学衰减器的截面可以采用矩形截面或者脊形截面的波导结构。
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