CN1437034A - 光复用器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

阵列式波导光栅(AWG)是在WDM光通信系统中使用的现有技术光复用器。在现有技术平坦型AWG中，由于AWG本身的色散而使脉冲波形失真，这就产生一个不能利用AWG作为复用器的严重问题。为了解决现有技术中的问题，光复用器至少配置一个光波导基底上的输入信道光波导，第一平板光波导，多个有预定波导长度的光波导形成的信道光波导阵列，第二平板光波导和至少一个输出信道光波导，这些光波导以串联方式按顺序连接；和相位装置，用于在信道光波导阵列中获得相同的相位分布。按照本发明的光复用器，可以减小AWG的色散，因此，可以构造一种大容量的WDM光通信系统。

Description

光复用器及其制造方法

技术领域

本发明涉及在波分复用(WDM)光通信系统中实施光信号复用和去复用的光复用器。

背景技术

图1表示WDM光通信系统的结构。如图1所示，这个系统包括：光发射机1，光发射电路2，光复用器3，光通信路径4，光接收机5，光去复用器6，和光接收电路7。在图1所示的例子中，有不同波长的光信号λ1～λn从光发射机1中各自的光发射电路2输出，在被光复用器3复用之后，这些光信号发射到光通信路径4。在光接收机5中，在被光去复用器6去复用之后，来自光通信路径4的光信号λ1-λn被各自的光接收电路7接收。

图2所示的阵列式波导光栅(AWG)是WDM光通信系统中使用的已知现有技术光复用器。在图2的AWG中，用于输入波分复用光信号的输入信道光波导31，用于水平扩展输入光的第一平板光波导32，多个有预定不同长度的光波导构成的信道光波导阵列33，用于建立与阵列式光波导中光干涉的第二平板光波导34，和用于输出去复用光信号的输出信道光波导35形成在光波导基底30上。

在这种类型AWG中，为了得到图7所示通带的平坦去复用频谱，有一种已知的实施调整的方法，使图2中信道光波导阵列33与第二平板光波导34之间边界处的电场幅度和电场相位分布形成sinc函数的幅度和相位。sinc函数是由以下的公式给出：

                    sincξ＝(sinξ)/ξ

在ξ＝π(m-149)/60的情况下(对于298个光波导的信道光波导阵列)，对于阵列式光波导序号m，图3表示电场幅度α(m)，图4表示电场相位θ(m)/π，而图5表示电场分布。图5的电场分布绝对值形成图3的电场幅度，图5中电场分布的正值范围和负值范围分别形成图4中的0相位和π相位。当图2的信道光波导阵列33与第二平板光波导34之间边界处的电场幅度和电场相位或电场分布是图3-图5所示的情况时，图2中第二平板光波导34与输出信道光波导35之间边界处光分布形成近似的矩形分布，如图6中的虚线所示。AWG的去复用频谱特性是由图6中虚线的光分布和图6中实线的输出信道光波导35的本征模分布的重叠积分给出。因为光分布是近似的矩形分布，AWG的去复用频谱特性有大致平坦的通带，如图7所示。

关于使信道光波导阵列33与第二平板光波导34之间边界处的电场分布形成sinc函数状态的方法，有一种利用图8所示抛物线形光波导的已知方法，输入信道光波导31在与第一平板光波导32边界处有这样的形状。当输入信道光波导31的抛物线形状和长度设置成合适值时，可以得到图8所示近似的矩形光分布。当图8的矩形光分布传输通过第一平板光波导32并入射到信道光波导阵列33上时，信道光波导阵列33的电场分布形成空间Fourier变换关系确定的sinc函数状态分布，在第二平板光波导34与输出信道光波导35之间边界处再次形成图9所示的近似矩形光分布。因此，按照上述的方式得到有平坦去复用频谱特性的通带。

在这种平坦型AWG中，存在这样一个问题，当光波导的抛物线形状与预定值偏离时，得到平坦的频谱特性是很难的，为了解决这个问题，已经建议这样一个例子(JP，11-142661，A)，其中去掉阵列式光波导中特定的光波导和补偿发光强度分布，从而使信道光波导阵列上形成的发光强度分布接近sinc函数状态。关于上述的补偿，代替直接地补偿与抛物线部分预定值的偏移，而是补偿信道光波导阵列中的远场和等效发光强度分布，使它接近sinc函数状态，按照这种方法，使AWG的分布频谱改进成矩形状态。然而，在这种现有技术平坦型AWG中，存在这样一个问题，AWG本身有很大的色散，利用使发光强度分布接近sinc函数状态的现有技术补偿方法不能解决这个问题。

图10表示平坦型AWG的色散特性例子，该AWG有0.8nm的信道间隔和抛物线形输入信道光波导。水平轴是与中心信道波长的相对波长。色散值大致为σ＝-20ps/nm。图11表示计算比特率B＝40Gbps的光脉冲入射到色散σ＝-20ps/nm的AWG的情况下产生的脉冲波形失真结果曲线。在AWG本身的色散|σ|＝20ps/nm的情况下，信号的波形失真是很大的，这就增大了传输信号的误差率。从图11中清楚地看出，在现有技术的平坦型AWG中，脉冲波形因AWG本身的色散而失真，这就产生一个严重的问题，不可能利用AWG作为复用器。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题，本发明的目的是减小AWG本身的色散，以及提供一种可适用于WDM光通信的光复用器。

附图说明

图1是WDM光通信系统的结构图。

图2是现有技术的阵列式晶格型光复用器图。

图3是信道光波导阵列与第二平板光波导之间边界处的电场幅度图，为了获得平坦的去复用频谱。

图4是信道光波导阵列与第二平板光波导之间边界处的电场相位图，为了获得平坦的去复用频谱。

图5是信道光波导阵列与第二平板光波导之间边界处的电场分布图，为了获得平坦的去复用频谱。

图6是第二平板区与输出信道光波导之间边界处的光分布图。

图7是有平坦频谱的AWG的去复用频谱特性图。

图8是抛物线形输入光波导的形状和长度设置成合适值时所获得的近似矩形光分布图。

图9是第二平板光波导与输出信道光波导之间边界处形成的近似矩形光分布图。

图10是配置抛物线形输入光波导并有平坦频谱的AWG色散的实验结果图。

图11是计算B＝40Gbps的脉冲入射到色散σ＝-20ps/nm的AWG情况下产生的脉冲波形失真结果曲线图。

图12是本发明一个实施例中AWG的结构图。

图13是本发明一个实施例中AWG的平板光波导图。

图14是入射到抛物线形输入光波导上的传播光在与第一平板光波导边界处形成的电场幅度和电场相位的计算结果曲线图。

图15是有图14中电场幅度和电场相位的光传播通过第一平板光波导并到达信道光波导阵列之后在每个光波导中激励的电场幅度的理论结果和实验结果的曲线图。

图16是有图14中电场幅度和电场相位的光传播通过第一平板光波导并到达信道光波导阵列之后在每个光波导中激励的电场相位的理论结果和实验结果的曲线图。

图17是利用图15中电场幅度和图16中电场相位的计算值，按照公式4和公式5的AWG色散的理论结果和实验结果的曲线图。

图18是为获得低色散AWG而要求的电场幅度曲线图。

图19是为获得低色散AWG而要求的电场相位曲线图。

图20是利用图18中电场幅度和图19中电场相位的计算值，按照公式4和公式5的AWG色散的理论结果曲线图。

图21是在信道光波导阵列中激励的电场幅度的理论值和目标值的曲线图。

图22是对信道光波导阵列中光波导实施轴向位移的状态图。

图23是在对光波导实施轴向位移时为了得到所需损耗α(dB)而要求实验确定的位移量X_shift(μm)。

图24是在信道光波导阵列中激励的电场相位的理论值和目标值的曲线图。

图25是在信道光波导阵列中实施轴向位移的最佳位置或提供间隙的最佳位置图。

图26是在信道光波导阵列的光波导中提供间隙的状态图。

图27是在提供光波导间隙时为了得到所需损耗α(dB)而要求实验确定的间隙X_gap(mm)。

图28是在信道光波导阵列的光波导中芯宽度变化的状态图。

图29是信道光波导阵列中光波导的芯宽度2a(μm)与等效折射率n_C＝β_C/k之间关系的计算结果曲线图。

图30是制造本发明光复用器步骤的一个实施例。

图31是制造本发明光复用器/去复用器步骤的另一个实施例。

图32是给第m个光波导增加损耗的曲线图。

图33是给第m个光波导增加波导长度的曲线图。

图34是一个光波导的部分剖面图。

图35是本发明AWG的目标电场幅度和实验电场幅度的曲线图。

图36是本发明AWG的目标电场相位和实验电场相位的曲线图。

图37是本发明AWG的色散特性的实验结果曲线图。

图38是现有技术AWG和本发明AWG的色散特性的实验结果比较曲线图。

具体实施方式

以下参照附图描述本发明的几个优选实施例。

实施例1

图12表示本发明的第一个实施例。就是说，图12是这样一种光复用器，它包括：输入信道光波导11；第一平板光波导12，用于沿平行于光波导的方向扩展输入光；由多个光波导构成的信道光波导阵列13，其中每第m个光波导相对于内部第(m-1)个光波导的长度为mΔM+δ(m)；第二平板光波导14，用于建立与阵列式光波导中光的干涉；和输出信道光波导15，这些光波导以串联方式按顺序连接到光波导基底上。δ(m)项是由下述方法确定的波导长度调整值。此外，信道光波导阵列13中相邻阵列式光波导的波导长度是ΔM＝31μm，信道光波导阵列13中光波导数目是N＝290，复用器的信道数目是N_ch＝64，复用器的信道间隔是S＝100GHz，和中心信道波长是λ_center＝1.55μm。

图13(a)和13(b)分别表示第一平板光波导12和第二平板光波导14的放大图。在图13(a)所示的第一平板光波导12或图13(b)所示的第二平板光波导14中，输入信道光波导11和输出信道光波导15的波导间隔是D＝25μm，信道光波导阵列13的波导间隔是d＝20μm，第一平板光波导12和第二平板光波导14的曲率半径是f＝30.76mm。抛物线形输入光波导的长度是l＝400μm，和抛物线形输入的顶部宽度是w＝23μm。

与第一平板光波导12之间边界处附近的输入信道光波导11的芯形状是图8所示的抛物线形状，当抛物线形状和长度设置成合适的数值时，可以得到图8所示的矩形光分布。因此，在本实施例中，更容易地调整阵列式光波导的损耗和相位。此外，即使当光波导的形状是近似的锥形而不是准确的抛物线形状时，仍然可以得到相同的结果。

图14表示第一平板光波导12中抛物线形输入光波导的入射光在第一平板光波导12内部形成的电场幅度和电场相位的计算结果。计算方法是所谓的波束传播方法(BPM)，它是典型的光路模拟方法，本领域专业人员熟知这种计算方法。

有图14所示电场幅度和电场相位的光传播通过第一平板光波导12，图15和图16分别表示信道光波导阵列13的每个光波导中激励的电场幅度和电场相位的计算值。图15和图16中还画出实验值。测量AWG的信道光波导阵列中电场幅度和电场相位的方法公开在“measurement of phase error distributions in silica-basedarrayed-waveguide grating multiplexers by using Fourier transformspectroscope”(K.Takada，Y.Inoue，H.Yamada and M.Horiguchi；Electronics Latters，vol.30，pp.1671～1672，1994)。现在，因为图15和图16表示信道光波导阵列13的每个光波导中激励的电场幅度和电场相位的计算值和实验值互相一致，可以明白，利用计算机模拟能够相当准确地估算实际的电场幅度和电场相位。若C(m)代表光在信道光波导阵列13的第m个光波导中激励的电场(m＝1～N；其中N是信道光波导阵列13中光波导的数目)，则AWG的频率特性E(ν)是由以下给出的公式1表示。

公式1 $E\left(v\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}C\left(m\right)\exp [-j{\mathrm{\β}}_C(\mathrm{m\ΔM}+M_0)$

在公式1中，ν代表光的频率，β_C(＝2πνn_C/c；其中n_C代表信道光波导的等效折射率，而c代表光速)代表信道光波导阵列13内部的光传播常数，ΔM代表信道光波导阵列13中相邻阵列式光波导的波导长度，和M₀代表固定的波导长度。在此情况下，δ(m)为零。利用电场幅度a(m)和电场相位θ(m)，光的电场C(m)的计算值和实验值是由以下的公式2表示。

公式2

C(m)＝a(m)exp[-jθ(m)]

根据公式1和公式2，AWG的频率特性E(ν)是由以下给出的公式3表示。

公式3 $E\left(v\right)=\exp [-j{\mathrm{\β}}_C{M}_0]\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}a\left(m\right)[-j\{{\mathrm{\β}}_C\mathrm{m\ΔM}+\mathrm{\θ}\left(m\right)\left\}\right]$ $=A\left(v\right)\exp [-\mathrm{j\Θ}\left(v\right)]$

一般地说，根据以下给出的公式4，可以得到诸如光纤的传输路径和诸如AWG的光滤波器的延迟时间τ(ν)。

公式4 $\mathrm{\τ}\left(v\right)=-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{d}{\mathrm{dv}}\left[\arg \left(E\right)\right]=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\Θ}\left(v\right)}{\mathrm{dv}}$

在此情况下，arg(E)是频率特性E(ν)的相位项，它是公式3中的-Θ(ν)。其次，取延迟时间τ(ν)对波长λ(＝c/ν；其中c是光速)的导数，得到光纤和AWG的色散，它由以下给出的公式5表示。

公式5 $\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{d\τ}}{\mathrm{d\λ}}=-\frac{c}{{\mathrm{\λ}}^2}\frac{\mathrm{d\τ}}{\mathrm{dv}}$

图17表示利用图4和图5的电场幅度和电场相位的计算值作为公式3中的电场幅度a(m)和电场相位θ(m)，按照公式4和公式5计算AWG的色散结果。为了进行比较，图17还画出AWG色散的实验结果。如图11所示，在AWG本身的色散|σ|＝20ps/nm的情况下，信号波形失真变大，因此出现这样一个问题，在B等于或大于40Gbps的高速传输系统中不可能使用AWG。

在平坦频谱型AWG中，该AWG在输入信道光波导中产生近似的矩形光分布，产生大色散的原因可以根据详细地分析色散而知道，这是由于公式2和公式3中电场相位θ(m)的变化与阵列式光波导序号m有关。因此，可以明白，通过消除电场相位θ(m)与阵列式光波导序号m的关系，可以减小AWG的色散。其次，利用以下描述的方法，通过控制信道光波导阵列13中每个光波导的损耗和波导长度而得到图18所示的电场幅度和图19所示的电场相位，可以计算色散。此外，在得到图18所示电场幅度和图19所示电场相位的情况下，信道光波导阵列13内的电场分布a(m)exp[-jθ(m)]基本上形成与图5所示相同的sinc函数，从而得到类似于图7中十分平坦的频谱特性。图20表示利用图18中电场幅度和图19中电场相位的计算值作为公式3中的电场幅度a(m)和电场相位θ(m)，并根据公式4和公式5计算AWG色散的结果曲线图。根据与图17的比较，可以明白，明显地减小色散是可能的。

以下，描述通过控制信道光波导阵列13中每个光波导的损耗和波导长度而得到图18所示的电场幅度和图19所示的电场相位的方法。首先，图21表示信道光波导阵列13中激励的电场幅度的理论值α_theory(m)(与图15中的相同)和目标值α_goal(m)(与图18中的相同)。如图15所示，理论电场幅度与信道光波导阵列13中激励的实际电场幅度非常一致。因此，利用第m个光波导的理论电场幅度α_theory(m)和目标电场幅度α_goal(m)，以下公式6给出的损耗α(m)可以增加到第m个光波导中。

公式6 $\mathrm{\α}\left(m\right)=-10\log [\frac{\mathrm{\αgoal}\left(m\right)}{\mathrm{\αtheory}\left(m\right)}{]}^2\left(\mathrm{dB}\right)$

关于给信道光波导增加损耗的方法，有这样一种方法，在信道光波导阵列的某个位置处位移光波导中心轴的方法，如图22所示。

图23涉及位移波导中心轴的方法，它表示所需的轴向位移损耗α(dB)而要求的轴向位移量X_shift(μm)的实验结果。在这方面，所用光波导的芯宽度2a＝6.0μm，芯厚度2t＝6.0μm，和折射率差Δ＝0.75％。根据公式6得到第m个光波导应当增加的损耗α(dB)，并利用图23确定为获得这个α(m)(dB)而要求的光波导轴向位移量X_shift(μm)。

其次，图24表示在信道光波导阵列13中激励的电场相位的理论值θ_theory(m)(与图16中的相同)和目标值θ_goal(m)(与图19中的相同)。如图16所示，理论电场相位与信道光波导阵列13中激励的实际电场相位非常一致。在此情况下，利用第m个光波导的理论电场相位θ_theory(m)，可以把公式3重新写成以下给出的公式7。

公式7 $E\left(v\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\αgoal}\left(m\right)\exp [-j\{({\mathrm{\β}}_C\mathrm{m\ΔM}+{\mathrm{\β}}_C\mathrm{\δ}\left(m\right))+\mathrm{\θtheory}\left(m\right)\left\}\right]$

然而，在考虑δ(m)时，利用上述的方法，假设电场幅度是目标电场幅度α_goal(m)。此外，可以省略exp[-jβ_CM₀]项，因为它对AWG的色散特性没有影响，以下的公式8给出目标频率特性。

公式8 $\mathrm{Egoal}\left(v\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\αgoal}\left(m\right)\exp [-j\{{\mathrm{\β}}_C\mathrm{m\ΔM}+\mathrm{\θgoal}\left(m\right)\left\}\right]$

为了使公式7与公式8一致，可以明白，必须满足以下公式9给出的条件。

公式9

β_Cδ(m)＝θgoal(m)-θtheory(m)

因此，若λ是光的波长，则第m个光波导应当增加或减小的波导长度是由以下的公式10给出。

公式10

δ(m)＝λ[θgoal(m)-θtheory(m)]/(2πn_C)

现在，在θ_goal(m)-θ_theory(m)＞0的情况下，因为δ(m)＞0，则增加波导长度，而在θ_goal(m)-θ_theory(m)＜0的情况下，因为δ(m)＜0，则减小波导长度。

如上所述，在本实施例中，利用理论电场相位和理论电场幅度，通过调整阵列式光波导的损耗和相位，可以减小AWG的色散。

实施例2

现在描述本发明的第二个实施例。在第一个实施例中，从输入信道光波导的抛物线形光波导入射的传播光传播通过第一平板光波导，在这个光到达信道光波导阵列之后，计算确定在每个光波导中激励什么类型的光分布，然后，利用在信道光波导阵列中激励的电场幅度的理论值α_theory(m)和目标值α_goal(m)，计算第m个光波导应当增加的损耗α(m)(dB)。此外，利用在信道光波导阵列中激励的电场相位的理论值θ_theory(m)和目标值θ_goal(m)，计算第m个光波导应当调整的相位量Θ(m)(rad)。

在本发明中，制造用于实验用途的试验光复用器，在这个试验光复用器中，从输入信道光波导的抛物线形光波导入射的传播光传播通过第一平板光波导，并在这个光到达信道光波导阵列之后，计算确定在每个光波导中激励什么类型的光分布，然后，根据在信道光波导阵列中激励的电场幅度的实验值α_exper(m)与目标值α_goal(m)之差，计算第m个光波导应当增加的损耗α(m)(dB)。此外，根据信道光波导阵列中激励的电场相位的实验值θ_exper(m)与目标值θ_goal(m)之差，计算第m个光波导应当调整的相位量Θ(m)(rad)。然后，基于第m个光波导应当增加的计算损耗α(m)和第m个光波导应当调整的计算相位量Θ(m)，制造一种目标光复用器。

如图12所示，本实施例是这样一种光复用器，其中信道光波导阵列13中相邻阵列式光波导的波导长度是ΔM＝31μm，信道光波导阵列13中的光波导数目是N＝290，复用器的信道数目是N_ch＝64，复用器的信道间隔是S＝100GHz，和中心信道波长是λ_center＝1.55μm。在图13(a)所示的第一平板光波导12或图13(b)所示的第二平板光波导14中，输入信道光波导11和输出信道光波导15的波导间隔是D＝25μm，信道光波导阵列13的波导间隔是d＝20μm，第一平板光波导12和第二平板光波导14的曲率半径是f＝30.76mm，抛物线形输入光波导的长度是l＝400μm，和抛物线形输入的顶部宽度是w＝23μm。

来自第一平板光波导12中抛物线形输入光波导的入射光传播通过第一平板光波导12，图15和图16中用虚线分别表示在每个光波导中激励的电场幅度和电场相位的实验值。在“measurement of phaseerror distributions in silica-based arrayed-waveguide gratingmultiplexers by using Fourier transform spectroscope”(K.Takada，Y.Inoue，H.Yamada and M.Horiguchi；Electronics Latters，vol.30，pp.1671～1672，1994)中公开一种测量AWG的信道光波导阵列中电场幅度和电场相位的方法。

其次，描述通过控制信道光波导阵列13的每个光波导的损耗和波导长度获得图18所示电场幅度和图19所示电场相位的方法。首先，利用图15中虚线表示的第m个光波导的实验电场幅度α_exper(m)和图18中所示的目标电场幅度α_goal(m)，以下公式11给出的损耗α(m)可以增加到第m个光波导中。

公式11 $\mathrm{\α}\left(m\right)=-10\log {\left[\frac{\mathrm{\αgoal}\left(m\right)}{\mathrm{\αexper}\left(m\right)}\right]}^2.......\left(\mathrm{dB}\right)$

关于给信道光波导增加损耗的方法，有这样一种方法，在信道光波导阵列的某个位置处位移光波导的中心轴，图22所示

其次，利用图16中虚线表示信道光波导阵列13中激励的电场相位的实验值θ_exper(m)和图19中所示目标电场相位θ_goal(m)，可以把公式3重新写成以下给出的公式12。

公式12 $E\left(v\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\αgoal}\left(m\right)\exp [-j\{({\mathrm{\β}}_C\mathrm{m\ΔM}+{\mathrm{\β}}_C\mathrm{\δ}\left(m\right))+\mathrm{\θexper}\left(m\right)\left\}\right]$

然而，在考虑δ(m)时，利用上述的方法，假设电场幅度是目标电场幅度α_goal(m)。此外，可以省略exp[-jβ_CM₀]项，因为它对AWG的色散特性没有影响，以下的公式13给出目标频率特性。

公式13 $\mathrm{Egoal}\left(v\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\αgoal}\left(m\right)\exp [-j\{{\mathrm{\β}}_C\mathrm{m\ΔM}+\mathrm{\θgoal}\left(m\right)\left\}\right]$

为了使公式12与公式13一致，可以明白，必须满足以下公式14给出的条件。

公式14

β_Cδ(m)＝θgoal(m)-θexper(m)

因此，若λ是光的波长，则第m个光波导应当增加或减小的波导长度δ(m)是由以下的公式15给出。

公式15

δ(m)＝λ[θgoal(m)-θexper(m)]/(2πn_C)

现在，在θ_goal(m)-θ_exper(m)＞0的情况下，因为δ(m)＞0，则增加波导长度，而在θ_goal(m)-θ_exper(m)＜0的情况下，因为δ(m)＜0，则减小波导长度。

如上所述，在本实施例中，利用理论电场相位和理论电场幅度，通过调整阵列式光波导的损耗和相位，可以减小AWG的色散。

实施例3

在本发明的第一个实施例中，提供所需损耗(dB)的方法描述成这样一种方法，其中光波导的中心轴发生位移，如图22中所示。

作为提供损耗的一种方法，在实施上述位移信道光波导阵列13的光波导中心轴方法的情况下，因为信道光波导阵列13的弧需要回到它原始的位置，轴的位移需要两个位置。现在，因为轴在两个位置之间位移，在一个轴向位移位置的损耗量是α/2(dB)，它是图23中所示轴向位移损耗α的一半。

关于信道光波导阵列13中第m个光波导轴位移的部分，这种位移可以发生在第m个光波导之上，但是，当相对于信道光波导阵列13中心轴的左右对称的轴向位移部分建立时，有这样一个优点，设计和掩模制作变得很容易。此外，杂散光是从轴向位移部分产生的，需要提供这样的设计，可以避免这种杂散光入射到另一个光波导的轴向位移部分。例如，描述图25中光波导轴向位移部分的位置。当轴向位移部分安排在直线AB和直线CD上的两个部分时，可以得到最佳的设计，直线AB和直线CD是在相对于图25的中心线的45度位置，即，直线AB和直线CD是在相对于信道光波导阵列13弧中心左侧和右侧的45度位置。

所需损耗α(dB)有不同的值，它取决于信道光波导阵列13内的每个光波导。因此，在确定某个光波导的损耗α(dB)是非常大的情况下，其轴向位移量X_shift(μm)将变得太大，因为这造成与相邻光波导的重叠，从而不可能获得所需的结果。按照这种方法，在所需损耗α(dB)很大的情况下，本发明的一种安排是在开始时从信道光波导阵列中消除这种光波导，即，去掉这种光波导或关闭这种光波导。

实施例4

除了利用上述位移光波导中心轴作为提供所需损耗的方法以外，有这样一种方法，在光波导中的某个位置提供一个间隙，而同时保持中心轴在它的原始位置，如图26所示。这种方法还可以获得根据公式6得到的所需损耗α(dB)。按照图27得到所需损耗α(dB)的间隙量。

关于信道光波导阵列的第m个光波导中提供间隙的部分，这种间隙可以在沿第m个光波导的任何位置。在位移光波导中心轴的方法中，需要两个轴向位移部分，但是，在本实施例提供间隙部分的方法中，间隙部分可以仅在一个位置。然而，在所需损耗α(dB)很大的情况下，需要提供多个间隙部分以保证所需的损耗α(dB)。

杂散光是从间隙部分产生的，需要提供这样的设计以避免这种杂散光入射到另一个光波导的间隙部分。特别是，最好避免杂散光接近线性信道光波导阵列的中心。关于提供间隙的部分，例如，间隙部分最好是在沿着直线AB或直线CD的位置，直线AB和直线CD是在相对于图25中心线的45度位置，即，直线AB和直线CD是在相对于信道光波导阵列13弧中心的左侧和右侧45度的位置。

通过在相邻光波导的直线AB和直线CD上交替地安排间隙部分的位置，也可以避免杂散光的入射。就是说，沿着直线AB安排奇数光波导的间隙部分，而沿着直线CD安排偶数光波导的间隙部分，也可以避免杂散光入射到相邻的光波导上。

此外，通过适当组合位移光波导中心轴的方法和给光波导提供间隙的方法，也可以得到所需的损耗α(dB)。

实施例5

在本发明的第一个实施例中，第m个光波导增加或减小的波导长度δ(m)的方法描述成获得所需相位调整量的一种方法。

关于获得所需相位调整量的另一种方法，这是一种增加或减小信道光波导阵列的芯宽度2a(μm)的方法，如图28所示。在相位被延迟的情况下，增加芯宽度2a(μm)，而在相位被超前的情况下，减小芯宽度2a(μm)。利用图29确定芯宽度的增加或减小。

现在描述根据图29计算芯宽度的增加量和减小量的方法。在要求相位增加p(rad)作为增加的相位量Θ(m)的情况下，且信道光波导阵列中第m个光波导的芯宽度2a(μm)的长度为L_width(m)(mm)，则仅增加量ε_width(m)(μm)。此时，确定L_width(m)(mm)和ε_width(m)(μm)以满足以下给出的公式16和公式17。

公式16

{n_C[2a+ε_width(m)]-n_C(2a)}L_width(m)

＝λ[θgoal(m)-θtheory(m)]/(2π)

公式17

{n_C[2a+ε_width(m)]-n_C(2a)}L_width(m)

＝λ[θgoal(m)-θexper(m)]/(2π)

在通过增加或减小芯宽度以获得所需相位调整量的方法中，因为损耗产生在芯宽度变化的部分，需要提供这样一种设计，其中从损耗调整量中预先减去因芯宽度变化产生的损耗。

实施例6

图30是本发明制造方法的步骤流程图。以下描述这些步骤。

步骤1

计算确定从输入信道光波导的抛物线形输入光波导传播的入射光在与第一平板光波导边界处形成什么类型的电场幅度和电场相位。

步骤2

计算确定步骤1中计算的电场幅度和电场相位的光传播通过第一平板光波导并到达信道光波导阵列之后在每个光波导中激励什么类型的光分布。

步骤3

利用在信道光波导阵列中激励的电场幅度的理论值α_theory(m)和目标值α_goal(m)，按照以下给出的公式6计算第m个光波导应当增加的损耗α(dB)。

公式6 $\mathrm{\α}\left(m\right)=-10\log {\left[\frac{\mathrm{\αgoal}\left(m\right)}{\mathrm{\αtheory}\left(m\right)}\right]}^2.......\left(\mathrm{dB}\right)$

步骤4

利用图23确定为获得损耗α(dB)而要求第m个光波导的轴向位移量X_shift(μm)，或利用图27确定为获得损耗α(dB)而要求第m个光波导的间隙量X_gap(μm)。

步骤5

利用在信道光波导阵列中激励的电场相位的理论值θ_theory(m)和目标值θ_goal(m)，按照以下给出的公式18计算第m个光波导应当调整的相位量Θ(m)(rad)。

公式18

Θ(m)＝θ_goal(m)-θ_theory(m)

步骤6

为了获得相位调整量Θ(m)(rad)，利用以下给出的公式10计算第m个光波导应当增加或减小的所需波导长度δ(μm)，或利用以下给出的公式16计算应当增加或减小的芯宽度量2a(μm)。

公式10

δ(m)＝λ[θ_goal(m)-θ_theory(m)]/(2πn_C)

公式16

{n_C[2a+ε_width(m)]-n_C(2a)}L_width(m)

＝λ[θ_goal(m)-θ_theory(m)]/(2π)

步骤7

考虑到第m个光波导的轴向位移量X_shift(μm)或间隙量X_gap(μm)，或第m个光波导应当增加或减小的波导长度δ(μm)或芯宽度量2a(μm)，制造AWG。

在这方面，制造方法最好包括步骤1至步骤7的所有步骤，但是也可以利用仅调整相位而省略步骤3和步骤4的制造方法，与现有技术比较，可以充分地减小AWG的色散。

在本实施例中，利用理论电场相位和电场幅度，通过调整阵列式光波导的损耗和相位，可以减小AWG的色散。

实施例7

图31是另一个本发明制造方法的步骤流程图。以下描述这些步骤。

步骤1

计算确定在为实验用途制备的试验光复用器中从输入信道光波导的抛物线形光波导传播的入射光传播通过第一平板光波导并到达信道光波导阵列之后在每个光波导中激励什么类型的光分布。

步骤2

利用在信道光波导阵列中激励的电场幅度的实验值α_exper(m)和目标值α_goal(m)，按照以下给出的公式11计算第m个光波导应当增加的损耗α(m)。

公式11 $\mathrm{\α}\left(m\right)=-10\log {\left[\frac{\mathrm{\αgoal}\left(m\right)}{\mathrm{\αexper}\left(m\right)}\right]}^2.......\left(\mathrm{dB}\right)$

步骤3

利用图23确定为获得损耗α(dB)而要求第m个光波导的轴向位移量X_shift(μm)，或利用图27确定为获得损耗α(dB)而要求第m个光波导的间隙量X_gap(μm)。

步骤4

利用信道光波导阵列中激励的电场相位的实验值θ_exper(m)和目标值θ_goal(m)，按照以下给出的公式19计算第m个光波导应当调整的相位量Θ(m)(rad)。

公式19

Θ(m)＝θ_goal(m)-θ_exper(m)

步骤5

为了获得相位调整量Θ(m)(rad)，利用以下给出的公式15计算第m个光波导应当增加或减小的所需波导长度δ(μm)，或利用以下给出的公式17计算应当增加或减小的芯宽度量2a(μm)。

公式15

δ(m)＝λ[θ_goal(m)-θ_exper(m)]/(2πn_C)

公式17

{n_C[2a+ε_width(m)]-n_C(2a)}L_width(m)

＝λ[θ_goal(m)-θ_exper(m)]/(2π)

步骤6

考虑到第m个光波导的轴向位移量X_shift(μm)或间隙量X_shift(μm)和第m个光波导应当增加或减小的波导长度δ(μm)或芯宽度量2a(μm)，制造AWG。

在这方面，该制造方法最好包括步骤1至步骤6的所有步骤，但是也可以利用仅调整相位而省略步骤2和步骤3的制造方法，与现有技术比较，可以充分地减小AWG的色散。

在本实施例中，利用实验电场相位和电场幅度，通过调整阵列式光波导的损耗和相位，可以减小AWG的色散。

实施例8

利用石英光波导制造技术制造本发明的光复用器。首先，利用火焰水解沉积方法，使SiO₂下包层沉积到Si基底上，在添加GeO₂作为掺杂剂沉积SiO₂玻璃的芯层之后，利用电炉制成透明玻璃。

图32和图33分别表示按照图30中的步骤确定第m个光波导增加的损耗α(m)和增加的波导长度δ(m)。关于增加的损耗α(m)，计算图21中理论电场幅度与目标电场幅度之比率，并把它转换成dB。关于增加的波导长度δ(m)，计算图24中理论电场相位与目标电场相位之差，利用光波导的折射率和工作波长，把这个差值转换成波导长度，正值意味着使光波导增长，负值意味着使光波导缩短。在图32和图33中，α(m)和δ(m)都有曲线不连续的两个点，在这两个点上，增加的损耗α(m)是无限大，而增加的波导长度δ(m)是不连续的。在此情况下，若损耗是无限大，则可以在开始时丢弃这种光波导。关于丢弃光波导附近两个光波导的增加波导长度δ(m)，波导调整方向是从增加改变成缩短或从缩短改变成增加。

此外，利用图23，根据增加的损耗α(m)与轴向位移量X_shift(m)之间的关系，通过提供光波导的预定轴向位移量，获得具体的损耗增加量。

考虑到按照上述确定的轴向位移量X_shift(m)和增加的波导长度δ(m)，制造掩模图形。利用按照这种方法制造的掩模图形，在芯层上进行蚀刻以制成光波导部分，然后再沉积SiO₂上包层。图34表示一个光波导中部分的剖面图。此处使用光波导的芯宽度2a＝6.0μm，芯厚度2t＝6.0μm，和折射率差Δ＝0.75％。

在本实施例中，设计信道间隔S＝100GHz的AWG。关于按照这种方法制造本发明的AWG，图35表示目标电场幅度α(m)和实验电场幅度α(m)，而图36表示目标电场相位δ(m)和实验电场相位δ(m)。从图35和图36中可以看出，确认电场幅度α(m)和电场相位δ(m)的理论值与实验值非常一致。

其次，图37表示本发明AWG色散特性的实验结果。图37说明本发明AWG的色散大致为零，与图17中现有技术AWG的色散实验值比较，可以明白，本发明AWG的色散是明显地减小了。

实施例9

以下，描述AWG的信道间隔S＝50GHz的一个实施例。关于本实施例中描述的AWG参数，第一平板光波导中输入信道光波导和第二平板光波导中输出信道光波导的波导间隔是D＝25μm，第一平板光波导中阵列式光波导和第二平板光波导中阵列式光波导的波导间隔是d＝20μm，第一平板光波导和第二平板光波导的曲率半径是f＝30.24mm，信道光波导阵列中相邻阵列式光波导的波导长度是ΔM＝63μm，信道光波导阵列中光波导数目是N＝300，复用器的信道数目是N_ch＝64，复用器的信道间隔是S＝50GHz，以及中心信道波长是λ_center＝1.55μm。此外，抛物线形输入光波导的长度是l＝400μm，和抛物线形状的宽度是w＝23μm。

按照与实施例8中相同的方式，根据图30中的步骤确定第m个光波导的轴向位移量X_shift(m)和第m个光波导增加或减小的波导长度δ(m)。图38表示本实施例中AWG的色散特性实验结果。本发明AWG的色散约为σ＝-15ps/nm，与现有技术AWG的色散σ＝-160ps/nm比较，可以明白，本发明可以明显地减小AWG的色散。当AWG的色散减小到这个水平时，可以给传输速度B＝10Gbps的光通信系统提供足够好的特性。

实施例10

在图1所示的光通信系统中，当实施例9中描述的光复用器与光发射机11和光接收机15组合时，可以得到这样一种光通信系统，其中中心信道波长是λ_center＝1.55μm，复用器的信道数目是N_ch＝64，复用器的信道间隔是S＝50GHz，和传输速度是B＝10Gbps。当这种光发射机和光接收机组合时，总的容量变成10Gbps×64＝640Gbps。

如上所述，按照本发明的光复用器及其制造方法，通过调整信道光波导阵列中光波导的损耗和相位，可以减小AWG的色散，这就可能制造一种大容量的WDM光通信系统。

Claims (26)

1.一种光复用器，包括：

至少一个输入信道光波导，第一平板光波导，多个有预定波导长度的光波导形成的信道光波导阵列，第二平板光波导和至少一个输出信道光波导，这些光波导以串联方式按顺序连接到光波导基底上；和

相位调整装置，用于在所述信道光波导阵列中获得相同的相位分布。

2.一种光复用器，包括：

至少一个输入信道光波导，第一平板光波导，多个有预定波导长度的光波导形成的信道光波导阵列，第二平板光波导和至少一个输出信道光波导，这些光波导以串联方式按顺序连接到光波导基底上；和

相位调整装置，用于在所述信道光波导阵列的每个光波导中获得相同的相位分布。

3.一种光复用器，包括：

至少一个输入信道光波导，第一平板光波导，多个有预定波导长度的光波导形成的信道光波导阵列，第二平板光波导和至少一个输出信道光波导，这些光波导以串联方式按顺序连接到光波导基底上；和

相位调整装置，基于相位调整量Θ(m)，在所述信道光波导阵列的第m个光波导中获得相同的相位分布，相位调整量Θ(m)定义为可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场相位θ_goal(m)与相位调整之前传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的理论电场相位θ_theory(m)之差，其中Θ(m)＝θ_goal(m)-θ_theory(m)。

4.一种光复用器，包括：

至少一个输入信道光波导，第一平板光波导，多个有预定波导长度的光波导形成的信道光波导阵列，第二平板光波导和至少一个输出信道光波导，这些光波导以串联方式按顺序连接到光波导基底上；和

相位调整装置，基于相位调整量Θ(m)，在所述信道光波导阵列的第m个光波导中获得相同的相位分布，相位调整量Θ(m)定义为可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场相位θ_goal(m)与相位调整之前传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的实验电场相位θ_exper(m)之差，其中Θ(m)＝θ_goal(m)-θ_exper(m)。

5.按照权利要求1，2，3或4中任何一个的光复用器，还包括：损耗调整装置，用于在所述信道光波导阵列的光波导中获得sinc函数型的电场强度。

6.按照权利要求1，2，3或4中任何一个的光复用器，还包括：损耗调整装置，用于给所述信道光波导阵列的第m个光波导提供损耗调整量A(m)，损耗调整量A(m)定义为可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场幅度α_goal(m)与损耗调整之前传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的理论电场幅度α_theory(m)之差，其中A(m)＝-10×log[α_goal(m)/α_theory(m)]。

7.按照权利要求1，2，3或4中任何一个的光复用器，还包括：损耗调整装置，用于给所述信道光波导阵列的第m个光波导提供损耗调整量A(m)，损耗调整量A(m)定义为可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场幅度α_goal(m)与损耗调整之前传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的实验电场幅度α_exper(m)之差，其中A(m)＝-10×l0g[α_goal(m)/α_exper(m)]。

8.按照权利要求1，2，3，4，5，6或7中任何一个的光复用器，其中在所述第一平板光波导边界附近的所述输入信道光波导芯是抛物线形。

9.按照权利要求1，2，3，4，5，6或7中任何一个的光复用器，其中在所述第一平板光波导边界附近的所述输入信道光波导芯是锥形。

10.按照权利要求1，2，3，4，5，6，7，8或9中任何一个的光复用器，其中所述相位调整装置增大或减小所述信道光波导阵列的波导长度。

11.按照权利要求1，2，3，4，5，6，7，8或9中任何一个的光复用器，其中所述相位调整装置增大或减小所述信道光波导阵列的波导芯宽度。

12.按照权利要求5，6，7，8或9中任何一个的光复用器，其中所述损耗调整装置位移所述信道光波导阵列中光波导的轴。

13.按照权利要求5，6，7，8或9中任何一个的光复用器，其中所述损耗调整装置在所述信道光波导阵列的光波导中提供一个间隙。

14.按照权利要求5，6，7，8或9中任何一个的光复用器，其中损耗调整装置消除或关闭所述信道光波导阵列中一个或多个预定的光波导。

15.一种制造光复用器的方法，包括：

至少一个输入信道光波导，第一平板光波导，多个有预定波导长度的光波导形成的信道光波导阵列，第二平板光波导和至少一个输出信道光波导，这些光波导以串联方式按顺序连接到光波导基底上；和

相位调整装置，基于相位调整量Θ(m)，在所述信道光波导阵列的第m个光波导中获得相同的相位分布，相位调整量Θ(m)定义了有理论电场相位的光的相位调整之前传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的理论电场相位θ_theory(m)与可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场相位θ_goal(m)间的差，理论电场相位值是通过计算在第一扇形平板区边界处激励的电场相位得到的，其中Θ(m)＝θ_goal(m)-θ_theory(m)。

16.一种制造光复用器的方法，包括：

至少一个输入信道光波导，第一平板光波导，多个有预定波导长度的光波导形成的信道光波导阵列，第二平板光波导和至少一个输出信道光波导，这些光波导以串联方式按顺序连接到光波导基底上；和

相位调整装置，基于相位调整量Θ(m)，在所述信道光波导阵列的第m个光波导中获得相同的相位分布，相位调整量Θ(m)定义了有实验电场相位的光的相位调整之前传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的实验电场相位θ_exper(m)与可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场相位θ_goal(m)间的差，实验电场相位值是通过测量在第一扇形平板区边界处激励的电场相位得到的，其中Θ(m)＝θ_goal(m)-θ_exper(m)。

17.按照权利要求15或权利要求16的制造光复用器的方法，还包括：损耗调整装置，用于给所述信道光波导阵列的第m个光波导提供损耗调整量A(m)，损耗调整量A(m)定义了有理论电场相位的光的损耗调整之前传播光入射到所述输入信道光波导阵列上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的理论电场幅度α_theory(m)与可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导阵列上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场幅度α_goal(m)间的差，理论电场相位值是通过计算在第一扇形平板区边界处激励的电场相位得到的，其中A(m)＝-10×log[α_goal(m)/α_theory(m)]。

18.按照权利要求15或权利要求16的制造光复用器的方法，还包括：损耗调整装置，用于给所述信道光波导阵列的第m个光波导提供损耗调整量A(m)，损耗调整量A(m)定义了有实验电场相位光的损耗调整之前传播光入射到所述输入信道光波导阵列上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的实验电场幅度α_exper(m)与可以获得所需的去复用特性的传播光入射到所述输入信道光波导阵列上在所述信道光波导阵列的第m个光波导中激励的目标电场幅度α_goal(m)间的差，实验电场相位值是通过测量在第一扇形平板区边界处激励的电场相位得到的，其中A(m)＝-10×log[α_goal(m)/α_exper(m)]。

19.按照权利要求15，16，17或18中任何一个的制造光复用器的方法，其中在所述第一平板光波导边界处附近的所述输入信道光波导芯被形成为抛物线形。

20.按照权利要求15，16，17或18中任何一个的制造光复用器的方法，其中在所述第一平板光波导边界处附近的所述输入信道光波导芯被形成为锥形。

21.按照权利要求15，16，17或18中任何一个的制造光复用器的方法，其中所述相位调整装置增大或减小所述信道光波导阵列的波导长度。

22.按照权利要求15，16，17或18中任何一个的制造光复用器的方法，其中所述相位调整装置增大或减小所述信道光波导阵列的波导芯宽度。

23.按照权利要求15，16，17或18中任何一个的制造光复用器的方法，其中所述损耗调整装置位移所述信道光波导阵列中光波导的轴。

24.按照权利要求15，16，17或18中任何一个的制造光复用器的方法，其中所述损耗调整装置在所述信道光波导阵列的光波导中提供一个间隙。

25.按照权利要求15，16，17或18中任何一个的制造光复用器的方法，其中所述损耗调整装置消除或关闭所述信道光波导阵列中一个或多个预定的光波导。

26.一种配置了权利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13或14中任何一个所述的光复用器的光发射机或光接收机。

Images