CN1571933A - 阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是在用于光通信尤其是波分多路复用系统的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，消除由于阵列波导和板条形波导中的波导双折射而导致的传输中心波长的极化相关性。为了达到该目的，一个极化模式转换器在波导中将TE模式转换为TM模式，将TM模式转换为TE模式。这个转换功能使得能够在该极化模式转换器的前后抵消掉由于阵列波导和板条形波导中的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。

Description

阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器
技术领域
本发明涉及一种应用于光通信的光多路复用/分用器。具体地说，本发明是一种在波分多路复用系统中对具有不同波长的光信号进行多路复用和多路分用的光多路复用/分用器，涉及一种基于阵列波导的衍射光栅型光多路复用/分用器。
背景技术
在波分多路复用系统中，对具有多种不同波长的光信号进行多路复用和多路分用的光多路复用/分用器是一项基本需求。至于光多路复用/分用器的种类，丛量产和稳定性角度说，阵列波导衍射光栅型(array waveguide diffraction grating type)光多路复用/分用器是使用得最多的。下面将对现有技术中阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的结构作一说明。
用硅晶片作为阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的波导衬底，用石英玻璃作为波导材料形成在硅晶片的顶部。在波导衬底的硅和波导材料的石英玻璃之间存在热膨胀差，并且，因为在制造时从高温冷却到室温的过程中产生内部剩余应力，由于阵列波导内部的应力而产生大约0.0002的波导双折射。这种波导双折射使得TM模(电场垂直于衬底)的传输中心波长与TE模(电场平行于衬底)的传输中心波长相比向较长波长移动。也就是说，由于传输中心波长的极化相关性而导致波长偏移。在下面，TM模的传输中心波长和TE模的传输中心波长之间的差称为极化波长偏移。在具有0.4nm多路分用间隙(demultiplexing gap)的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，该极化波长偏移约为0.2nm。
在现有技术中，作为消除这种极化偏移的方法，提出了一种进行TE模和TM模的相互转换的方法(日本专利申请公开说明书No.HEI4-241304)，其中，基于一个半波片的极化模式转换器被插到阵列波导内，该半波片的主轴相对于衬底倾斜45度。
但是，在这种方法中，即使能够消除中心输入/输出端口之间的极化波长偏移，严格地讲极化波长是随输出端口而不同的，在离开中心的输入/输出端口处，并未消除极化波长偏移。
发明内容
下面结合图1描述一个阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的结构。图1是一个阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的示意图。在图1中，在波导衬底1上提供了一个输入端口12和一个输出端口13，从输入端口12依次连接了一个输入信道波导13、一个输入板条形波导14、一个阵列波导15、一个输出板条形波导18、输出信道波导21以及输出端口22。输出端口22具有从22-1到22-64的64个端口，构成输出信道波导21的每一个信道波导分别连接到输出端口22-1到22-64。
构成阵列波导15的所述多个信道波导这样安排：相邻信道波导的路径长度差一个预定值。输入信道波导13和输入板条形波导14的连接部分以及阵列波导15和输入板条形波导14的连接部分安排在相互面对的弧形上，同样地，输出信道波导21和输出板条形波导18的连接部分以及阵列波导15和输出板条形波导18的连接部分安排在相互面对的弧形上。利用阵列波导的路径差所导致的光信号的相位延迟差随波长而不同这一事实，根据每一个波长将光信号多路分解到不同的输出信道波导21中。结果，阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器具有波长多路复用/分用功能。
在图1中，在波导衬底11中形成一个槽16，并使用一个半波片17来消除阵列波导15的极化波长偏移。该半波片17插在所述槽16中，使得主轴相对于波导衬底11倾斜45度。通过用该半波片17转换TE模和TM模的极化，阵列波导15在该半波片之前和之后的极化波长偏移相互抵消，从而消除了阵列波导15的极化波长偏移。
图2的曲线图图示了一个以0.4nm的多路分用间隙多路分用64个载波的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的每一个输出端口处的极化波长偏移。在中心输出端口(第32号)附近的极化波长偏移约为-0.005nm，这几乎消除了极化相关性，但是在两端，在第1号输出端口处约为-0.03nm，在第64号输出端口处约为0.03nm，这两端形成的极化波长偏移约为多路分用间隙的10％。在两端的输出端口处，由于光信号的强度与极化相关，这导致信号质量下降。
发明人发现了与输出端口号相关的不同极化波长偏移的原因，下面描述其消除手段。
首先，从对上述的与输出端口号相关的不同极化波长偏移的分析结果，发现这些不同极化波长偏移的原因在于在输出板条形波导18中存在约0.0007的波导双折射。在图3中，用输出板条形波导18中的光线路径图示了具有极化相关性的光信号的聚焦状态。在这方面，通过前述技术，消除了由于阵列波导15中的波导双折射造成的传输中心波长的极化相关性。
由于在输出板条形波导18中存在波导双折射，应当聚焦到输出端口1、3、5的三个波长λ1、λ3、λ5的光信号在TM模式如图中的短划线所示聚焦，在TE模式如图中的点线所示聚焦。其中，应当聚焦到中心输出端口3的波长λ3的光信号在TE模式和TM模式聚焦到了同一位置，没有极化相关性。然而，在应当聚焦于输出板条形波导两侧的输出端口1或5的波长为λ1或者λ5的光信号中，发现聚焦位置由于输出板条形波导18的波导双折射而随着极化模式的不同而偏移，并且随着聚焦位置向端部移动，偏移量增大。这意味着聚焦于特定输出端口的光信号的波长与极化相关地偏移，而这种极化波长偏移的程度随着输出信道波导的位置从中心向两端移动而增大。
下面利用数学式来描述这种现象。如图3所示，光信号的焦点位于连接输出板条形波导18和输出信道波导21的连接部分的弧上。令x为沿着弧离中心输出端口3的焦点O的距离，则波长为λ的光信号的聚焦位置由下式给出：
x＝(na×ΔL-m×λ)×f/(ns×d)                   (1)从上式可得到在距离为x的位置聚焦的光信号的波长λ由下式给出：
λ＝(na×ΔL-ns×d×x/f)/m                      (2)
在这里，na是阵列波导15的波导折射率，ns是输出板条形波导18的波导折射率，ΔL是阵列波导15的相邻信道波导的路径长度差，m是衍射级，f是输出板条形波导18的焦距，d是阵列波导15在与输出板条形波导18的连接部分中的间距。
从等式(1)知道，如果输出板条形波导18的波导折射率有极化相关性(双折射)，并且TE模中的波导折射率ns(TE)和TM模中的波导折射率ns(TM)不同，那么，波长为λ的光信号将在两个极化状态下分别聚焦于不同的位置。同时，从等式(2)知道，如果ns(TE)和ns(TM)不同，聚焦于距离x的位置的波长在两种极化状态下不同。利用TE模的波长λ(TE)和TM模的波长λ(TM)之间的差，由于极化导致的波长差，也就是极化波长偏移Δλ为：
Δλ＝λ(TM0-λ(TE)                          (3)从而得到：
Δλ＝-Bs×d×x/(f×m)                       (4)
这里，Bs是输出板条形波导18的波导双折射：
Bs＝ns(TM)-ns(TE)                            (5)
从等式(4)知道，随着多路分用编号增大，输出波导的位置从中心向两端偏移，极化波长偏移Δλ与其距离x成比例增加。
这样，就有可能阐明如图2所示与输出端口位置相关的极化波长偏移的原因。这意味着随着多路复用/分用器的多路复用/分用数量增大，极化波长偏移也增大。当光多路复用/分用器的多路复用/分用数量增大时，这会变成一个大问题。
考虑到上述问题，本发明的一个目的是提出一种阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其能够消除由于阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中的板条形波导的波导双折射而导致的极化波长偏移的端口相关性。
为了达到上述目的，第一项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器是由波导衬底上的至少一个输入信道波导、一个连接到所述输入信道波导的输入板条形波导、一个由连接到所述输入板条形波导的多个信道波导形成的阵列波导、一个连接到所述阵列波导的输出板条形波导以及至少一个连接到所述输出板条形波导的输出信道波导形成的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，在所述输入板条形波导和所述输出板条形波导中的至少一个中设置一个极化模式转换器。
在该第一发明中，将说明对具有多个波长的光信号执行多路分用的操作。从输入端口输入的具有多个波长的光信号通过所述输入信道波导传播，并被所述输入板条形波导分入构成所述阵列波导的多个信道波导中。该阵列波导构建成这样的：相邻信道波导间路径长度不同。路径长度差可以设置为预定的值，或者路径长度差可以设置为用函数所表示的值。阵列波导和输出板条形波导的连接部分，以及输出板条形波导和输出信道的连接部分，被布置在相互面对的弧上。由于阵列波导的路径长度差所导致的光信号的相位延迟差对于每一波长是不同的，每一波长的光信号被输出到不同的输出信道波导。也就是，在该输出板条形波导中存在波导双折射，在输出端口之间，极化波长偏移不同。
为此，在所述输出板条形波导中设置一个极化模式转换器。也就是，该极化模式转换器具有将TE模式转换为TM模式、将TM模式转换为TE模式的功能。结果，在该极化模式转换器之前和之后，由输出板条形波导中的波导双折射造成的传输中心波长的极化相关性相互抵消。
因此，设置在输出板条形波导中的极化模式转换器使得可以消除由于输出板条形波导中存在的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，从而使得能够制造消除极化波长偏移的输出端口相关性的光多路分用器。
另外，对于该第一发明中对具有多个波长的光信号的进行多路复用的操作，可以认为是对具有多个波长的光信号的多路分用操作的逆。多个输入端口分别连接到相应的输入信道波导，在连接在多个输入信道波导和阵列波导之间的输入板条形波导中设置极化模式转换器。该极化模式转换器使得能够消除输入板条形波导中存在的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，从而使得能够制造消除了极化波长偏移的输入端口相关性的光多路复用器。
另外，该第一发明的对具有多个波长的光信号进行多路复用和对具有多个波长的光信号进行多路分用的光多路复用/分用器可以被视为是一个光多路复用器和一个光多路分用器的组合。在这种情况下，在连接在所述多个输入信道波导和所述阵列波导之间的输入板条形波导和连接在所述多个输出信道波导和所述阵列波导之间的输出板条形波导中分别设置一个极化模式转换器。这些极化模式转换器使得能够消除输入板条形波导中存在的波导双折射以及输出板条形波导中存在的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，从而使得能够制造消除了极化波长偏移的输入端口相关性和输出端口相关性的光多路复用/分用器。
另外，根据第二发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器是上述第一发明的光多路复用/分用器，其中，由多个信道波导形成的所述阵列波导带有消除波导双折射造成的极化相关性的装置。
在用作波导衬底的硅晶片和用作形成在硅晶片上的波导材料的石英基玻璃之间存在热膨胀差，这导致阵列波导内部的波导双折射。这导致阵列波导中的极化波长偏移。因为这会使光通信的信号质量变差，在第二发明中提供了单独的装置来消除除了输入板条形波导或者输出板条形波导的波导双折射之外的阵列波导中的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。这样，设置在输入板条形波导和输出板条形波导中的极化模式转换器设计为只消除输入板条形波导和输出板条形波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性就足够了。另外，设置在输入板条形波导或者输出板条形波导中的极化模式转换器设计为只消除输入板条形波导或者输出板条形波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性就足够了。
由于该第二发明通过独立于第一发明的装置的装置消除阵列波导的波导双折射导致的极化相关性，只需要消除由于输入板条形波导和输出板条形波导，或者输入板条形波导和输出板条形波导之一的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性就足够了。
另外，根据第三项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器是第一项发明中的光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器构成消除由于所述阵列波导的波导双折射导致的极化相关性以及所述输入板条形波导和输出板条形波导中的至少一个的波导双折射导致的极化相关性的装置。
由于在输入板条形波导和输出板条形波导中，或者在输入板条形波导和输出板条形波导之一中提供的极化模式转换器使得能够一起消除由于阵列波导的波导双折射以及板条形波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，就没有必要为阵列波导设置消除由于阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性的装置。
因此，该第三项发明使得能够制造一种具有简单结构的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器。
另外，根据第四项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器为上述第一、第二、第三项发明中的一种光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器设置在一个在所述输入板条形波导和所述输出板条形波导中形成的公共槽中。
在将极化模式转换器插在输入板条形波导以及输出板条形波导中的情况下，有一种在波导衬底的每一个板条形波导上形成一个槽的方法。但是在该第四项发明中，通过在输入板条形波导和输出板条形波导中形成一个共用的槽而简化了形成槽的方法。
因此，该第四项发明使得能够用简化的制造方法制造一种阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器。
另外，根据第五项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器是第一到第三项发明中的任何一种光多路复用/分用器，其中，在所述输入板条形波导和输出板条形波导中设置共用的所述极化模式转换器，该极化模式转换器设置在一个交叉部分中，该交叉部分是将所述输入板条形波导和所述输出板条形波导交叉而形成的。
在将一个极化模式转换器插入输入板条形波导和输出板条形波导中的情况下，存在在波导衬底上的每一个板条形波导中形成一个槽的方法。但是在该第五项发明中，在输入板条形波导和输出板条形波导中形成共用的一个槽，在输入板条形波导和输出板条形波导的所述槽中设置一个公共极化模式转换器。本发明使得能够简化槽的形成工艺，取消极化模式转换器。
因此，该第五项发明使得能够制造一种制造工艺得以简化、部件得以减少的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器。
另外，根据第六项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器是第一到第五项发明中的任何一种光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器为一个半波片，其主轴相对于所述波导衬底倾斜45度。
当所述半波片相对于所述波导衬底倾斜45度时，入射到该半波片上的光在TM模转为TE模、TE模转为TM模后形成出射光。如下面所述，通过使用半波片作为极化模式转换器，优点是能够消除由于阵列波导的波导双折射导致的极化相关性以及板条形波导的波导双折射导致的极化相关性。
另外，上述每一个发明都能够尽可能地相互组合。
附图说明
图3是一个原理图，用于说明在阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，由于输出板条形波导的波导双折射导致的聚焦特性的极化相关性。
图4的示意图用于描述应用本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的结构。
图5是一个原理图，用于描述这样的事实：在应用本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，通过使用极化模式转换器能够消除由于输出板条形波导的波导双折射导致的聚焦特性的极化相关性。
图6是一个测量结果曲线图，图示了在应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，每一个输出端口的极化波长偏移。
图7是一个示意图，用于描述应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。
图8是一个示意图，用于描述应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。
图9是一个示意图，用于描述应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。
图10是一个原理图，用于描述这样的事实：在应用本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，通过使用设置在输出板条形波导中的极化模式转换器能够消除由于输出板条形波导和阵列波导的波导双折射导致的聚焦特性的极化相关性。
图11是一个测量结果曲线图，图示了在应用本发明之前的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，每一个输出端口的极化波长偏移。
图12是一个测量结果曲线图，图示了在应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，每一个输出端口的极化波长偏移。
图13是一个示意图，用于描述应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。
图14是一个示意图，用于描述应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。
图15是一个示意图，用于描述应用了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。
附图中附图标记的描述如下：11是波导衬底，12、31-1到31-64、41-1到41-17是输入端口，13、32是输入信道波导，14是输入板条形波导，14、44是阵列波导，16是槽，17是半波片，18是输出板条形波导，19、22、42、51、55、58是槽，20、34、43、45、52、54、56、57、59是半波片，21、35是输出信道波导，22-1到22-80、36是输出端口。
具体实施方式
下面详细描述本发明的优选实施例，但这些实施例不应解释为对本发明的限制。
实施例1
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明。
图4图示了将第二项发明应用于第一项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。该实施例的特殊特征是这样一种结构：利用插在输出板条形波导中的半波片消除输出板条形波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。下面结合附图进行详细说明。
如图4所示，该阵列波导衍射光栅是由硅制成的波导衬底11顶上的石英基波导构成的，由下述部件形成：连接到输入端口12的输入信道波导13，连接到所述输入信道波导13的输入板条形波导14，由连接到所述输入板条形波导14的多个信道波导形成的阵列波导15，连接到所述阵列波导15的输出板条形波导18，连接到所述输出板条形波导18的六十四个输出信道波导21，以及连接到所述输出信道波导的六十四个输出端口22，从而形成一个多路分用间隙(demultiplexing gap)为0.4nm、多路分用数为64的光多路复用/分用器。
对于用来消除由于阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性的手段，到目前为止已经以下方法：(1)这样的方法：在阵列波导的每一个信道波导的两侧形成一个槽，以释放施加给阵列波导的应力(E.Wildermuth et al.；Electronics Letters，Vol.34，No.17，p.1661，1998)；(2)这样的方法：在阵列波导上形成无定形硅的薄膜或者类似东西，以调整应力(日本专利申请公开说明书No.HEI5-157920)；(3)这样的方法：在阵列波导上照射紫外光，利用由之导致的折射率变化的极化相关性(M.Abe et al.；The 4th Micro OpticsConference and the 11th Topical Meeting on Gradient-index OpticalSystems(MOC/GRIN’93)，Technical Digest，p.66，1993)；(4)这样的方法：在阵列波导内插入一个极化模式转换器以转换TE模和TM模，该极化模式转换器基于主轴相对于衬底倾斜45度的半波片(日本专利申请公开说明书No.HEI 4-241304)；(5)这样的方法：向波导材料的石英玻璃中加入诸如锗、硅、硼等物质，以逼近硅衬底的热膨胀系数(S.Suzuki et al.；Electronics Letters，Vol.33，No.13，p.1173)；(6)这样的方法：利用波导双折射随波导宽度而不同的事实，对每一个信道波导改变阵列波导的宽度，以调节极化相关性(Inoue et al.；Optical Fiber Communication Conference(OFC)2001，TechnicalDigest，WB-4，2001)；(7)这样的方法：在板条形波导中埋置一个双折射片，利用由之穿过的聚焦光束随极化状态而偏移的事实来消除由阵列波导的波导双折射导致的极化相关性(日本专利申请公开说明书No.HEI 2000-292634)。
在本实施例中使用上述方法(4)。也就是，形成一个宽度为18微米、深度为200微米的槽16与阵列波导15的中部交叉，将一个厚度为15微米的由聚酰亚胺制成的半波片17插入该槽16中，使其主轴相对于波导衬底11倾斜45度，从而构成一个极化模式转换器。由该极化模式转换器消除由阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。实施例2中也是这样的。
接下来，形成一个槽19，大致与输出板条形波导18的中部相交，将一个半波片20插入该槽19中，使其主轴相对于波导衬底11倾斜45度，从而构成一个极化模式转换器。在这里，该半波片20由聚酰亚胺制成，厚度为15微米，插入并用粘合剂固定于宽度为18微米、深度为200微米的槽19中，该槽加工为与输出板条形波导18的光轴垂直相交。另外，光纤连接到输入端口12和输出端口22，这些元件与基本元件比如加热器、帕尔帖元件(Peltierel ement)等一起被组装到一个壳体中形成一个模块，从而制造出本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器。
图5图示了在本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器中，用插在输出板条形波导18的大致中部的聚酰亚胺制成的半波片20构成的极化模式转换器消除极化偏移的输出端口相关性的状态。
应当聚焦于输出端口22-1、22-3、22-5的三个波长λ1、λ3、λ5的光信号，根据在半波片的阵列波导15一侧的TE模式和TM模式的极化，受到输出板条形波导18的波导双折射的影响，分别用短划线或者点线表示聚焦的开始。接下来，在穿过聚酰亚胺半波片20形成的极化模式转换器后，TE模的光信号转换为TM模，TM模的光信号转换为TE模，从而每一个光信号受到相反的恰到好处的波导双折射影响，并继续传播。结果，波长λ1、λ3、λ5的TE模和TM模光信号最终聚焦于每一个波长的相同位置，而与极化无关。也就是说，借助于在输出板条形波导中设置的极化模式转换器，消除了极化波长偏移的输出端口相关性。
图6图示了在本实施例中，极化波长偏移在输出端口之间的分布。在图6中，相关性的消除刚好进行到使输出端口之间的极化波长偏移近似为零，即使在输出板条形波导18的两端的第1个输出端口和第64个输出端口之间，极化波长偏移也被缩小为在±0.005nm之内。
从上述，可以知道，以大致插在输出板条形波导18的中部的半波片20为基础的极化模式转换器在消除极化波长偏移的输出端口相关性方面能够进行令人满意的操作，本实施例的阵列波导衍射光栅达到了作为光多路分用器的令人满意的特性。
在本实施例中，在插在板条形波导中的极化模式转换器中为什么使用聚酰亚胺制成的半波片的原因，在于当半波片的厚度薄到20微米或者更小时，能够降低由于半波片的插入而导致的信号光的损耗，并且因为其尤其适合于用作插在本实施例的波导中的极化模式转换器。在现有技术中，使用了基于这种聚酰亚胺半波片的极化模式转换器，其中，将其插在阵列波导内以消除由于阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。但是迄今为止，还没有将其用于消除由于板条形波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性的例子。在本实施例中，很清楚，半波片有效地用作用于消除由于板条形波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，也就是极化波长偏移的输出端口相关性，的极化模式转换器。
实施例2
图7图示了将第二项发明应用于第一项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的第二实施例。该实施例的特殊特征是这样一种结构：利用插在输入板条形波导中的半波片消除输入板条形波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。下面结合附图进行详细说明。
如图7所示，该阵列波导衍射光栅与第一实施例具有大致相同的结构，不同之处在于，有64个输入端口31和一个输出端口36，并且一个半波片34作为极化模式转换器插在输入板条形波导14中，而不是插在输出板条形波导18中。
由于本实施例的阵列波导衍射光栅的结构是将第一实施例中的输入和输出进行了互换，其功能也是将第一实施例中的输入和输出加以倒转。也就是说，本实施例用作光多路复用器，多路复用间隙为0.4nm，多路复用数为64。插在输入板条形波导14中的极化模式转换器按照与第一实施例中插在输出板条形波导18中的极化模式转换器相同的方式，将TE模和TM模相互转换，消除由输入板条形波导14的波导双折射导致的极化波长偏移的输入端口相关性。
在本实施例中，用这样的结构作为极化模式转换器：将厚度为15微米、由聚酰亚胺制成的半波片34插在一个大致形成在输入板条形波导14的中部的槽33中，使其主轴相对于波导衬底11倾斜45度。进行了与图6所示相同的测量，从对本实施例的阵列波导衍射光栅光多路复用器的极化波长偏移的输入端口相关性进行的测量，可以清楚地看到几乎完全消除了极化波长偏移的输入端口相关性。也就是说，对于所有的输入端口，极化波长偏移在±0.005nm之内。可以知道，这使得能够对光多路复用器实现令人满意的特性。
实施例3
图8图示了将第四项发明应用于第二项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。该实施例的特殊特征是这样一种结构：利用插在输入板条形波导和输出板条形波导中的半波片消除输入板条形波导和输出板条形波导中的每一个的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。下面结合附图进行详细说明。
如图8所示，该阵列波导衍射光栅是一个具有17个输入端口41和80个输出端口22的光多路分用器。输入板条形波导14和输出板条形波导18平行布置，形成一个宽18微米、深200微米的槽42，与两个板条形波导的大致中部相交，垂至于它们的光轴。将厚度为15微米的聚酰亚胺制成的半波片43在与输入板条形波导相交的位置插入所述槽42中，其主轴相对于波导衬底11倾斜45度；将厚度为15微米的聚酰亚胺制成的半波片45在与输出板条形波导相交的位置插入所述槽42中，其主轴相对于波导衬底11倾斜45度。从而分别形成一个极化模式转换器。
在本实施例中，利用现有技术中的上述方法(6)来消除由于阵列波导44的波导双折射导致的极化相关性。也就是，阵列波导44由宽度为6微米的小宽度的信道波导44a和宽度为14微米的大宽度信道波导44b构成，其中，外侧小宽度信道波导44a的路径长度较长，内侧大宽度信道波导44b的路径长度较长。
另外，本实施例中的所述多个输入端口41-1到41-17的功能是使得能够根据所述输入端口对光信号的传输中心波长进行细调，为此，使得连接到输入板条形波导14的输入信道波导32的间隙稍微宽于连接到输出板条形波导18的输出信道波导21的间隙(日本专利申请公开说明书No.HEI 8-211237)。输出端口22-17到22-80对应于输入端口41-1，用作多路分用间隙为0.4nm、多路分用数为64的光多路分用器。输出端口22-16到22-79对应于输入端口41-2，这样向下依此类推，输出端口22-1到22-64对应于输入端口41-17。从该端口布置中选择输入端口，能够以0.025nm的增量对多路分用光信号的传输中心波长进行细调。
在具有多个输入端口和多个输出端口的阵列波导就如本实施例的结构中，由于输入板条形波导14和输出板条形波导18的波导双折射的影响，多路分用光信号的极化波长偏移与每一个输入端口和输出端口相关。因此，在本实施例的阵列波导衍射光栅中，大致在输入板条形波导14和输出板条形波导18中的每一个的中部，形成共用槽42，基于厚度为15微米、由聚酰亚胺制成的半波片43、45的极化模式转换器分别插到该槽42中，使其主轴相对于波导衬底倾斜45度，从而消除由输入板条形波导14和输出板条形波导18的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。
对于本实施例的阵列波导衍射光栅光多路分用器，进行了与图6所示相同的测量，在每一个输入端口和输出端口处测量极化波长偏移的端口相关性。结果，极化波长偏移的端口相关性大致是均匀的，极化波长偏移对于所有的输入端口被抑制在±0.005nm之内。
从上述，可以确认本实施例的阵列波导衍射光栅型光多路分用器可以作为光多路分用器，能够对多路分用波长进行细调而不存在传输中心波长的极化相关性。
至于消除由阵列波导44的波导双折射造成的极化相关性的方法，根据在实施例1的现有技术举例中提及的方法(5)，使用这样的石英玻璃制造所述阵列波导衍射光栅：在其中进行锗、硅或者硼的掺杂至正常水平的两倍以上。这使得能够消除阵列波导的波导双折射。在这种阵列波导衍射光栅中，可以知道，在板条形波导中产生了约0.0004nm的波导双折射，在离开中心的输出端口中，产生了极化波长偏移。即使在这样的阵列波导衍射光栅中，也证实了能够利用在第一到第三实施例中描述的设置于板条形波导中的极化模式转换器消除板条形波导中极化波长偏移的输出端口相关性。
实施例4
图9图示了根据第三项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。该实施例的特殊特征是这样一种结构：利用插在输出板条形波导中的半波片消除输出板条形波导的波导双折射以及阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。下面结合附图进行详细说明。
如图9所示，该阵列波导衍射光栅与图4所示具有大致相同的结构，不同之处在于，在阵列波导15中没有槽和半波片，在输出板条形波导18中形成一个相对于输出板条形波导的光轴倾斜的槽51，一个半波片52插在该槽51中。另外，按照与图4所示相同的方式，半波片52由聚酰亚胺制成，厚度为15微米，插在并用粘合剂固定在宽18微米、深200微米并与输出板条形波导18的大致中部倾斜相交的槽51中，使得主轴相对于波导衬底11倾斜45度。
通过适当地选择槽51和垂直于输出板条形波导18的光轴的线A-A’形成的角度θ，能够一起消除板条形波导以及阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。下面结合图10描述计算倾斜角θ的方法。如图10所示，阵列波导15由许多信道波导构成，即使在两个信道波导之间，也必须满足在输出板条形波导18内进行干涉和聚焦的条件。在这方面，可以用两个中心信道波导进行说明。图10示出了在TE模式传播通过阵列波导15的两个相邻的中心信道波导C1、C2的光信号分别被射入输出板条形波导18中，以TE模式传播距离a1、a2而到达半波片52，在半波片处，在点Q1、Q2转换为TM模式，然后传播距离b1、b2聚焦于中心输出端口22-3上的点O处。信道波导C1比C2更远离阵列波导15的中心，C1比C2长一个路径长度差ΔL。
如果分别传播通过这两个路径C1-P1-Q1-O和C2-P2-Q2-O的光信号的光程(路径长度×折射率)差是波长λ(TE)的整数m倍，则，因为光信号将在点O干涉并聚焦，在TE模式下有下式：
{na(TE)×ΔL+ns(TE)×a1+ns(TM)×b1}
         -{ns(TE)×a2+ns(TM)×b2}
    ＝m×λ(TE)                           (6)
同样，在光信号以TM模式传播通过C1、C2的情况下，波长为λ(TM)，并有下式：
{na(TM)×ΔL+ns(TM)×a1+ns(TE)×b1}
         -{ns(TM)×a2+ns(TE)×b2}
    ＝m×λ(TM)                           (7)并且光信号在点O处干涉和聚焦。从这两个等式，计算使得λ(TE)＝λ(TM)以消除传输中心波长的极化相关性的条件。这样得到下式：
b1-b2＝Ba×ΔL/(2Bs)                      (8)
这里，Ba是阵列波导的波导双折射，由下式给出：
Ba＝na(TM)-na(TE)                         (9)Bs是前述等式(5)给出的输出板条形波导18的波导双折射。另外，等式(8)的左边可以通过几何计算用半波片52的倾斜角θ表达如下：
b1-b2＝d×tan(θ)/2                       (10)
这里，基于两个连接点P1、P2之间的距离与板条形波导18的焦距相比足够小这一事实，通常使用一个近似值。结果，从等式(8)和等式(10)，可以用下式计算出倾斜角θ：
θ＝tan-1{Ba×ΔL/(Bs×d)}                (11)
这里，θ的正方向是半波片52在图9中的逆时针方向旋转的角度。
对多路分用间隙为0.8nm、多路分用数为64的光多路分用器，应用这种将该半波片倾斜地插入板条形波导中的方法，以消除阵列波导的波导双折射所导致的传输中心波长的极化相关性。在本实施例的阵列波导衍射光栅中，所述多路分用间隙为此前的实施例的两倍，进行多路分用所需的波长也宽为两倍。为了获得这些多路分用特性，使得阵列波导15的路径长度差ΔL为16微米，使得阵列波导15在与输出板条形波导18的连接部分处的间隙d为15微米。
在图11中图示了未插入半波片52时极化波长偏移的输出端口相关性的测量结果。由于阵列波导15的波导双折射Ba，即使在中心输出端口(第32号)附近，也有0.2nm的极化波长偏移。可以知道，由于输出板条形波导18的波导双折射Bs造成的极化波长偏移近似与输出端口号成比例地增加。从这些结果分别计算每一个波导双折射，得到Ba＝0.0004，Bs＝0.0007。因此，可以从等式(11)计算出消除所述极化相关性所需要的半波片52的倾斜角度，得到θ＝31度。
接下来，经过输出板条形波导18的中部形成所述槽51，使其相对于垂直于输出板条形波导18的光轴的线A-A’逆时针方向倾斜仅31度。通过将所述半波片52插入该槽51中，构成一个极化模式转换器。图12图示了在插入半波片52后，对极化波长偏移的输出端口相关性进行测量的结果。可以知道，通过插入半波片52，能够将所有输出端口的极化波长偏移抑制在±0.01nm以内。
从上述，确认了可以通过在本实施例的阵列波导衍射光栅型光多路分用器中通过在输出板条形波导中插入半波片来消除由于阵列波导以及输出板条形波导中的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。
实施例5
图13图示了根据第三项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的另一个实施例。该实施例的特殊特征是这样一种结构：利用插在输入板条形波导和输出板条形波导中的半波片消除输入板条形波导、输出板条形波导和阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。下面结合附图进行详细说明。
如图13所示，该阵列波导衍射光栅具有与图9所示大致相同的结构，不同之处在于：有许多输入端口，在输入板条形波导14中形成一个槽53，其相对于输入板条形波导的光轴倾斜，一个半波片54插入该槽53中。
按照与图8的实施例相同的方式，该阵列波导衍射光栅是一个具有17个输入端口31和80个输出端口22的光多路复用/分用器。本实施例中的所述多个输入信道波导32具有这样的功能：使得能够根据光信号的输入端口对光信号的传输中心波长进行细调，为此，使得连接到输入板条形波导14的输入信道波导32的间隙稍微宽于连接到输出板条形波导18的输出信道波导21的间隙。输出端口22-17到22-80用于输入端口31-1，用作多路分用间隙为0.8nm、多路分用数为64的光多路分用器。输出端口22-16到22-79对应于输入端口31-2，这样向下依此类推，输出端口22-1到22-64对应于输入端口17。这使得能够以0.05nm的增量对在相邻输入端口之间多路分用的光信号的传输中心波长进行细调。在本实施例中，按照与实施例4相同的方式，使阵列波导15的路径长度差ΔL为16微米，使阵列波导15在阵列波导15和输入板条形波导14之间的连接部分处和与输出板条形波导18的连接部分处的间隙d均为15微米。
测量了在本实施例的阵列波导衍射光栅中，插入半波片52、54之前的极化波长偏移的输入端口相关性和输出端口相关性，得到的分布类似于图11所示。结果，可以知道，在阵列波导15中，波导双折射Ba为0.0004，在输入板条形波导14和输出板条形波导18中，波导双折射Bs为0.0007。然后，在输入板条形波导14和输出板条形波导18的大致中部，分别形成宽18微米、深200微米的槽51、53，相对于垂直于每一个板条形波导的光轴的线A-A’、B-B’仅形成θ/2的倾斜角。这里，θ的正方向在输入板条形波导14中为顺时针方向，在输出板条形波导18中为逆时针方向。将聚酰亚胺制成的半波片52插入槽51中，将聚酰亚胺制成的半波片54插入槽53中，构成极化模式转换器。半波片52、54的倾斜角变成实施例4中所述的计算出的角度θ的一半的原因，是因为两个半波片联合起来补偿阵列波导15的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，因此半波片的倾斜角的和构成等式(11)给出的角度θ就足够了。测量了本实施例的阵列波导衍射光栅的极化波长偏移的输入端口相关性和输出端口相关性，极化波长偏移对于所有的输入端口被抑制在±0.01nm之内。
从上述，可以确认本实施例的阵列波导衍射光栅可以作为光多路分用器，能够对多路分用波长进行细调而不存在传输中心波长的极化相关性。
实施例6
图14图示了将第四项发明应用于第三项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。该实施例的特殊特征是这样一种结构：利用插在输入板条形波导和输出板条形波导中形成的一个公共槽中的半波片消除输入板条形波导、输出板条形波导和阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。下面结合附图进行详细说明。
本实施例的阵列波导衍射光栅的功能与图13所示的实施例5大致相同。但是在本实施例中，为了能够形成用以插入半波片56、57的一个槽55，将输入板条形波导14和输出板条形波导18这样布置：它们的光轴的延长线形成的角度构成等式(11)所给出的角度θ。用这种结构，可以相对于垂直于输入板条形波导14的光轴的线A-A’，相对于垂直于输出板条形波导18的光轴的线B-B’，以θ/2的倾斜角插入半波片57、56。波导双折射使用实施例5所计算的值。这是因为，如果波导结构和制造方法近似相同，则波导双折射也会具有近似相同的值。
测量了在本实施例的阵列波导衍射光栅中，极化波长偏移的输入端口相关性和输出端口相关性，极化波长偏移的输出端口相关性对于所有的输入端口被降低到±0.01nm之内。
从上述，可以确认本实施例的阵列波导衍射光栅能够利用插在一个槽中的两个半波片，消除输入板条形波导、输出板条形波导和阵列波导中的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，能够令人满意地用作光多路分用器从而能够对多路分用波长进行细调。
实施例7
图15图示了将第五项发明应用于第三项发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的一个实施例。该实施例的特殊特征是这样一种结构：利用插在输入板条形波导和输出板条形波导中形成的一个公共槽中的一个公共半波片消除输入板条形波导、输出板条形波导和阵列波导的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性。
下面结合附图进行详细说明。
本实施例的阵列波导衍射光栅的功能与图14所示的实施例6大致相同。在本实施例中，输入板条形波导14和输出板条形波导18交叉布置。用这种结构，除了只需要使用一个槽58之外，只需要用一个半波片59就足以获得消除传输中心波长的极化相关性地结果。在实施例6中，在阵列波导15与输入板条形波导14或输出板条形波导18的连接部分处，阵列波导15的间隙d为15微米。与之相比，本实施例中的间隙d减到了12微米。因为这个原因，所述角度θ变大。据此，输入板条形波导和输出板条形波导的交叉角度也可以变大，这使得更容易制造阵列波导衍射光栅型光多路分用器。
对于本实施例的阵列波导衍射光栅中的所有输入端口，测量了输出端口的极化波长偏移。对于所有的输入端口，极化波长偏移在±0.01nm之内。
从上述，可以确认本实施例的阵列波导衍射光栅能够利用插在输入板条形波导和输出板条形波导中形成的一个公共槽中的一个公共半波片，消除输入板条形波导、输出板条形波导和阵列波导中的波导双折射导致的传输中心波长的极化相关性，能够令人满意地用作光多路分用器从而能够对多路分用波长进行细调。
在每一个上述实施例中，描述了根据第六项发明的极化模式转换器。另外，在前面所述的实施例中，使用了基于聚酰亚胺制造的半波片的极化模式转换器，但是极化模式转换器不限于此，还可以是使用晶体或者另外的各向异性材料的半波片，或者，所述极化模式转换器可以用应力传递膜(stress imparting film)构成，比如形成在波导上的无定形硅或者类似物。
上面描述了本发明的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器的实施例，作为光多路复用器和光多路分用器的例子。但是，本发明的阵列波导衍射光栅可以应用于波长路由器(wavelength router)，后者是一个具有多个输入端口和多个输出端口的光多路复用/分用器，具有在输入端口和输出端口之间进行波长路由的功能。
另外，使用在本发明中的阵列波导衍射光栅不限于形成在硅衬底上，还可以形成在石英玻璃、陶瓷、塑料或者其它半导体衬底上。另外，波导材料也不限于石英基玻璃，还可以用诸如包括其它成分的玻璃、塑料、半导体等光学材料形成波导。

Claims (8)

1.一种阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，包括：
至少一个输入信道波导、一个连接到所述输入信道波导的输入板条形波导、一个由连接到所述输入板条形波导的多个信道波导形成的阵列波导、一个连接到所述阵列波导的输出板条形波导以及至少一个连接到所述输出板条形波导的输出信道波导；
其中，在所述输入板条形波导和所述输出板条形波导中的至少一个中设置一个极化模式转换器。
2.如权利要求1所述的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，由多个信道波导形成的所述阵列波导带有消除波导双折射造成的极化相关性的装置。
3.如权利要求1所述的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器是用于消除由于所述阵列波导的波导双折射导致的极化相关性以及所述输入板条形波导和输出板条形波导中的至少一个的波导双折射导致的极化相关性的装置。
4.如权利要求1到3之一所述的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器设置在一个在所述输入板条形波导和所述输出板条形波导中形成的一个公共槽中。
5.如权利要求1到3之一所述的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，在所述输入板条形波导和输出板条形波导中设置共用的所述极化模式转换器，该极化模式转换器设置在一个交叉部分中，该交叉部分是将所述输入板条形波导和所述输出板条形波导交叉而形成的。
6.如权利要求1到3之一所述的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器为一个半波片，其主轴相对于所述波导衬底倾斜45度。
7.如权利要求4所述的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器为一个半波片，其主轴相对于所述波导衬底倾斜45度。
8.如权利要求5所述的阵列波导衍射光栅型光多路复用/分用器，其中，所述极化模式转换器为一个半波片，其主轴相对于所述波导衬底倾斜45度。
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