CN1880988A - 相位匹配光栅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相位匹配光栅，用于在光学通讯网络中进行信号复用和解复用。在现有技术的光栅中，将中心输出与周围输出比较，在光栅线和焦线上的输出之间具有相位线性误差。这对应于在限制通带的每个输出之间的相对相差。在AWG的情况下，该衰减主要来自于输出星形耦合器中的场像差(field aberration)。本发明已经发现，尽管输出的焦线限定了基本上成圆形的弧，但如果光栅的光栅线设置在椭圆上而不是圆弧上，仍然可以找到最佳的位置，在此位置基本上消除了相位线性误差，并且所有的输出基本上具有相同的相位。因此，这产生了沿整个WDM光谱的基本均匀的通带。

Description

相位匹配光栅

相关申请的交叉参考

[01]本发明要求于2005年6月17日提交的美国临时专利申请NO.60/691,489的优先权，并在此通过参考将其结合入本发明中。

技术领域

[02]本发明涉及相位匹配光栅，用于在传输波分多路WDM信号的光学通讯网络中进行信号复用和解复用(demultiplexing)。相位匹配光栅光栅沿整个传输光谱提供等相输出信道。

背景技术

[03]在光学网络中传输能力的增加需要解复用器(demultiplexer)，例如自由空间体光栅，或者集成光路，例如阵列波导光栅(AWG)，以及阶梯光栅(echelle grating)，其可以提供更宽的通带和在通带内更低的纹波(ripple)。对于传输具有更宽光谱的较高比特率的网络系统更是如此。而且，使用可重构的光学加减模块(ROADM)的光学网络具有通过多组解复用器和复用器串联的光学信号，使得累积损失更为严重。

[04]要求所有输出信道的通带在器件中是恒定的，优选具有相同的宽度和平顶曲线(flat top profile)。在现有技术的设计中存在大量的例子来提高通带宽度、提供平顶曲线和降低纹波。然而已经注意到，通带形状随标准AWG中的输出而变化。中心输出的通带具有最高的振幅和带宽，而随着逐渐地远离中心，它变得较低和较窄。通带的变化性导致从输出到输出的滤波函数的变形，降低了平坦度和增加了纹波。由于它降低了外部信道的质量，因此限制了AWG的性能。

[05]2004年7月27日授权给ALCATEL OPTONICS UK LIMITED的美国专利NO.6768842公开了一种AWG，其中对在星形耦合器波导的阵列波导的角度进行线性调频(CHIRP)以除去第三级像差，它会在AWG输出信道信号中引起不对称，特别是在AWG具有平坦通带中。星形耦合器的形状没有改变。

[06]根据本发明已经确定，当使用共焦或罗兰环(Rowland)结构时，将中心输出与周围输出相比，在光栅线和焦线上的输出之间具有相位线性误差。这对应于在限制通带的每个输出之间的相对相差。在AWG的情况下，无论是共焦或Rowland结构，该衰减主要来自于在输出星形耦合器中的场像差(field aberration)。如果所使用的输入波导远离中心，对于输入星形耦合器也发生相同的衰减。

[07]2002年1月15日授权给BRITISH TECHNOLOGY GROUP的美国专利NO.6,339,664公开了一种AWG，为其设计非线性ΔL增量以拓宽3dB通带。这通过在波导阵列的通路长度增量中插入非线性的抛物线函数来完成。它可以作为光栅线中的变化或通过改变波导而不改变圆形光栅线来实现。任何一个方法都改变了平均相位。然而，本专利没有发现星形耦合器几何尺寸会引起相位误差。结果，即使当通带被拓宽时，也未对单个的输出相位进行校正，并且通带均匀性沿波长光谱未提高。

[08]该相位线性误差是由许多光栅所共有的几何结构引起的。例如，凹面体光栅或阶梯光栅也一般包括与拱形焦线相对的拱形光栅线，这导致相同的相位误差，该误差通常被忽略。改变阵列中到达光栅线的相位仅改变由输出看见的平均相位。光栅线的几何形状控制输出到输出的变化。

[09]本发明的一个目的是提供一种光栅，其中所有的输出在振幅和宽度上基本上相等。

[10]本发明另一个目的是提供一种光栅，其中所有的输出的相位基本上是匹配的。

发明内容

[11]本发明已经发现，尽管输出的焦线限定了圆弧，但如果光栅的光栅线设置在椭圆上而不是圆弧上，仍然可以找到最佳位置，在此位置基本上消除了相位线性误差，并且所有的输出基本上具有相同的相位。结果，这产生了沿WDM光谱的基本均匀的通带。

[12]相应地，本发明涉及一种光栅，用于将多个波长的输入光分成多个空间分开的波长信道带，包括：

光栅，其具有包括非圆形椭圆的凹面光栅线，并具有焦点f；多个输出，其设置在实质上成圆形的圆弧上，所述圆弧通过f且具有实质上等于椭圆焦距的半径；

由此在输出接收到的每个波长信道中的光具有基本上相同的相位。

[13]本发明的另一个方面涉及一种光栅，用于将多个波长的输入光分成多个空间分开的波长信道带，包括阵列波导光栅，其在解复用方向具有：

光栅，包括多个波导臂，每个波导臂与任何一个其它波导臂具有光程长度差；

输入星形耦合器，其在输入光栅线被光学耦合到光栅，并在输入焦线被光学耦合到至少一个输入波导；

输出星形耦合器，其在输出光栅线被光学耦合到光栅，并在输出焦线被光学耦合到多个输出波导，其中输出光栅线包括具有焦距的非圆形椭圆，并且输出焦线包括圆弧，该圆弧具有基本上等于椭圆焦距的半径，焦线的中心点实质上设置在离开光栅线的椭圆的焦距处，由此在每个信道带的光在多个输出具有基本上相同的相位。

[14]本发明的另一个方案涉及一种光栅，用于将多个波长的输入光分成多个空间分开的波长通道带，包括阵列波导光栅，其在解复用方向具有：

光栅，包括多个波导臂，每个波导臂与任何一个其它波导臂具有光程长度差；

输入星形耦合器，其在输入光栅线被光学耦合到光栅，并在输入焦线被光学耦合到至少一个输入波导；

输出星形耦合器，其在输出光栅线被光学耦合到光栅，并在输出焦线被光学耦合到多个输出波导，其中输出光栅线包括具有焦距的非圆形椭圆，并且输出焦线包括圆弧，该圆弧具有基本上等于椭圆焦距的半径，焦线的中心点实质上设置在离开从光栅线的椭圆的焦距处，由此在每个信道带的光在多个输出具有基本上相同的相位。

附图说明

[15]参考表示其优选实施方式的附图更具体地描述本发明，其中：

[16]图1是根据本发明的阵列波导光栅(AWG)的图；

[17]图2是根据本发明的凹面衍射光栅解复用器；

[18]图3是根据本发明的阶梯光栅；

[19]图4是现有技术共焦星形耦合器的示意图；

[20]图5是具有共焦星形耦合器的现有技术平顶AWG的通带图解说明；

[21]图6A是沿图5的AWG的三个输出计算的线性的相位误差模拟的图解说明；

[22]图6B是图6A中表示的三个输出的模拟通带光谱的图解说明；

[23]图7是根据本发明的星形耦合器的示意图；

[24]图8A是来自沿包括图7的星形耦合器的AWG的三个输出计算的线性的相位误差模拟的图解说明；

[25]图8B是在图8A中表示的三个输出的通带光谱的图解说明；

[26]图9是根据本发明制造的AWG的通带的图解说明；

[27]图10A是来自具有圆形光栅线的星形耦合器的三个输出的相位的示意和模拟的图解说明，中心输出设置在光栅线的中心点；

[28]图10B是图10A的三个输出的相位的示意和模拟的图解说明，其中光栅线已经移动成椭圆，并且每个输出的相位是相等的；

[29]图10C是图10B的三个输出的相位的示意和模拟的图解说明，其中通过调整光栅的臂长(未示出)已经修改了每个输出的相位。

[30]本领域中当然理解，虽然根据它们的解复用功能来描述，但这些器件反过来作为复用器同样工作。为了清楚和一致起见，例如输入和输出的元件在解复用功能中被认为是一致的，当然尽管用于复用时，它们的作用是相反的。

具体实施方式

[31]参考图1，根据本发明，阵列波导光栅AWG通常示为10，其包括在输入焦线12被光学耦合到输入星形耦合器2的输入波导1。在输入光栅线14输入星形耦合器2被光学耦合到波导臂阵列3。在椭圆输出光栅线16波导臂阵列3被光学耦合到输出星形耦合器4。来自波导臂阵列3的光沿输出星形耦合器4传输到设置在输出焦线18的多个输出波导5。

[32]图2示出通常示为325的衍射光栅复用器。包括具有多个波长的光的WDM信号在端口1从波导315被耦合到循环器311，并从输出端口2朝向凹面衍射光栅320。光栅320具有椭圆轮廓以修正根据本发明的分散的输出信道的相位。分散波长信道被聚焦在拱形输出耦合器340上，在这种情况下是反射式波长平衡器。波长信道的分开的多束光束从耦合器340被反射回光栅320处，这些光束重新结合成单个的光束，此光束指向循环器311的端口2，并从端口2传播到输出端口3。

[33]图3示出具有拱形光栅元件32的阶梯光栅30，拱形光栅元件32形成在与来自多个输入和输出波导36的自由空间区域34相对的集成器件中。波导36沿拱形焦线38被光学耦合到自由空间区域34。光栅32限定椭圆曲线。

[34]转到图4，特别是聚焦在输出星形耦合器4上，在标准几何形状中，波导臂阵列3在半径为R的圆形曲线C₁进入输出星形耦合器4。输出波导5设置在距波导臂阵列3的距离R处，也设置在圆弧C₂上，其通常具有相同的半径R(共焦结构)或R/2(Rowland圆形结构)。图4示出共焦结构，其中A_k位于在 处的圆弧C₁上，在以F为中心的参考系统中G位于在处的圆弧C₂上。

[35]可以这样计算通过输出G接收到的光：从传播到星形耦合器，由每个阵列波导A₁到A_N的相位加权的复和(complex sum)。

$T_G\left(\mathrm{\λ}\right)={\left|\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(\mathrm{\λ}\right)e^{\frac{2\mathrm{i\π}.k.m{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{\λ}}}{e}^{\frac{2\mathrm{i\π}{n}_{s}G{A}_k}{\mathrm{\λ}}}\right|}^2$ (公式1)

其中λ是波长，M是AWG的级，λ_c是中心波长，a_k是光在A_K的复合振幅，n_s是平板中的有效折射率。

[36]如果输出位于弧C₁的准确的中心F，那么通路FA₁到FA_N是相等的，并且不影响传输。(公式1)变成

$T_F\left(\mathrm{\λ}\right)={\left|\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(\mathrm{\λ}\right)e^{\frac{2\mathrm{i\π}.k.m{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{\λ}}}\right|}^2$ (公式2)

[37]对于在G离开中心的输出，通路GA₁到GA_N相对于k将接近线性，如公式3所示。

${\mathrm{GA}}_k=R\sqrt{{(\cos {\mathrm{\α}}_G-1+\cos {\mathrm{\θ}}_k)}^2+{(\sin {\mathrm{\α}}_G-\sin {\mathrm{\θ}}_k)}^2}$

$=R\sqrt{1-2\sin {\mathrm{\θ}}_k(\sin {\mathrm{\α}}_G-4{\left(\sin \frac{{\mathrm{\α}}_G}{2}\right)}^2)}=R(1-\mathrm{k\δ\θ}\sin {\mathrm{\α}}_G)+\mathrm{error}({\mathrm{\α}}_G,k)$ (公式3)

公式1变成

$T_G\left(\mathrm{\λ}\right)={\left|\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(\mathrm{\λ}\right)e^{\frac{2\mathrm{i\π}.k.m{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{\λ}}}{e}^{\frac{2\mathrm{i\π}{n}_{s}R(1-k.\mathrm{\δ\θ}\sin {\mathrm{\α}}_G)}{\mathrm{\λ}}}{e}^{\frac{2\mathrm{i\π}{n}_s\mathrm{error}({\mathrm{\α}}_G,k)}{\mathrm{\λ}}}\right|}^2$ (公式4)

$T_G\left(\mathrm{\λ}\right)={\left|\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(\mathrm{\λ}\right)e^{\frac{2\mathrm{i\πk}.m({\mathrm{\λ}}_c-\frac{n_s\mathrm{R\δ\θ}\sin {\mathrm{\α}}_G}{m})}{\mathrm{\λ}}}{e}^{\frac{2\mathrm{i\π}{n}_s\mathrm{error}({\mathrm{\α}}_G,k)}{\mathrm{\λ}}}\right|}^2\≈T_F(\mathrm{\λ}-\frac{n_s\mathrm{R\δ\θ}\sin {\mathrm{\α}}_G}{m})$ (公式5)

当不考虑来自线性的误差时，这导致类似于F中的一个的光谱，但在不同的波长，如上面的等式所示。

[38]在现有技术的星形耦合器中，这种误差被忽略(共焦或Rowland圆)。然而，特别是对于大量的输出，相位线性误差将产生显著的传输衰减。图2示出使用常规的共焦设计的平顶AWG的40个输出的传输。可以看出，通带沿信道输出从一侧倾斜到另一侧。

[39]为了证实上面提出的模型是有效的并说明通带沿端口的不均匀性，计算来自平顶AWG的端口1、20(中心)和40的线性相位误差。图6A示出为端口1、20和40计算的相位线性误差。图6B示出端口1、20和40的AWG的模拟光谱上的相位线性误差。在图5中示出的模拟和实验结果之间的良好相关性验证了模型并证实了在标准星形耦合器设计中这些通带变化的起源。

[40]在本文件中提出的发明是星形耦合器结构，其中将阵列波导设置在椭圆弧上而不是圆弧上，这是为了降低从端口到端口的通带衰减。图7示出的结构，

其中在以F为中心的参考系统中，阵列波导3A_K在

进入椭圆弧E上的输出星形耦合器4，而不是标准圆弧C₁，其中当椭圆弧E与原来的圆弧C₁相同时，ε≠0。将阵列波导3设计成确保每个通过AWG的光程之间的延迟具有固定的增量。每个通路由穿过输入星形耦合器2的长度构成，阵列波导3由具有或不具有直的部分的一系列弯曲和输出星形耦合器4构成。所以，将波导从C₁移动到E在光程中产生平均相位变化。这可以通过调节在阵列中的波导长度补偿。这在图10A-10C中示出。图10A示出具有共焦或Rowland结构圆弧的光栅线16的现有技术的星形耦合器。画出了共焦线18上的输出5在端口1、20和40的相位。在该结构中，三个输出的相位不是相等的或平坦的。在图10B中，光栅线16已经变为椭圆形的E。尽管不是平坦的，但在端口1、20和40的相位是相等的。在图10C中，为了在每个信道中产生平坦的相位，通过调整阵列3的波导长度来修改图10B的结构。

[41]根据本发明，光栅线16被包含在基于圆形星形耦合器4的本质上标准的AWG设计中。通过基本上呈线性的函数来描述光栅阵列的延迟，尽管这不是必要的。标准AWG的这些标称延迟不随圆形星形耦合器设计而改变。只通过星形耦合器几何形状的改变来改变单个信道相位。一旦各信道具有相同的相位，在阵列中平均相位也可以稍作改变以获得优选的平坦相位。

[42]通过使用具有上述相同模型的不同偏心率ε，可以发现优选值为-0.25，其中相位线性误差和它们从端口到端口的作用、以及通带都将最小化。

[43]图8A示出端口1、20和40的模拟相位误差和相应光谱。通过比较图8A和图6A可以看出，相位误差已经大大降低并且对于端口1和40是相等且对称的。它们在从端口到端口的通带形状上的作用是很小的。从图8B可以看出，图8A中三个输出的通带光谱的图解论证了在整个光谱上通带实质上具有相同的形状。

[44]根据本发明的AWG制造成具有-0.25的偏心率的椭圆光栅线。在图9中示出沿40信道WDM光谱的所测量的通带。如图所示，最小变化发生在沿着40个输出的通带中，使得AWG对于所有输出都具有良好性能。

[45]一旦光栅线被确定，使用例如AutoCAD的设计程序的设计方法画出了最短的波导，并计算出其总体路径长度，例如在输入线性耦合器的组合信道、波导阵列以及到达假定中心输出的输出星形耦合器。在最终的设计中，在中心点可以没有输出。然后通过为每个以迭代方式布置的连续波导确定正确的延迟增量来解决阵列，直到解决第N个波导。

[46]尽管已经参考具体实施方式描述了本发明，但在不脱离本发明的情况下的各种修改和替换对本领域的技术人员是显而易见的。例如，波导可以设置在接近椭圆的光栅线上，例如多项式函数的和，它使得从输出到输出的相位线性变形得到纠正。因此本发明不应该局限于上面给出的具体实施方式的例子，而应由权利要求书限定。

Claims (16)

1.一种光栅，用于将多个波长的输入光分成多个空间分开的波长信道带，包括：

光栅元件，其具有包括非圆形椭圆的凹面光栅线和具有焦点f；

多个输出，其设置在实质上成圆形的弧上，所述圆弧通过f并具有实质上等于椭圆焦距的半径；

由此在输出接收到的每个波长信道中的光具有实质上相同的相位。

2.如权利要求1所述的光栅，其中所述非圆形椭圆具有-0.25的偏心率。

3.如权利要求1所述的光栅，其中所述椭圆由多项式函数的和近似。

4.如权利要求1所述的光栅，其中所述光栅包括集成式阵列波导光栅，所述集成式阵列波导光栅具有：

至少一个输入波导，其被光学耦合到输入星形耦合器的焦线；

光栅元件，包括多个波导臂，在每个输入星形耦合器和输出星形耦合器，波导臂的端部形成光栅线；

多个输出波导，其被耦合到输出星形耦合器的焦线，其中输出星形耦合器的光栅线包括非圆形椭圆。

5.如权利要求4所述的光栅，其中所述非圆形椭圆具有-0.25的偏心率。

6.如权利要求4所述的光栅，其中所述输入星形耦合器的光栅线包括非圆形椭圆。

7.如权利要求4所述的光栅，其中所述波导臂具有光程以便为每个输出提供平坦的相位。

8.如权利要求1所述的光栅，其中所述光栅包括集成式阶梯光栅，所述集成式阶梯光栅具有：

至少一个输入波导；

阶梯光栅，具有包括非圆形椭圆的光栅线；

自由空间区域；以及

多个输出波导，其具有设置在实质上成圆形的弧中的端部，所述圆弧与所述自由空间区域相邻。

9.如权利要求1所述的光栅，其中所述光栅包括具有椭圆轮廓的凹面体光栅。

10.一种光栅，用于将多个波长的输入光分成多个空间分开的波长信道带，包括阵列波导光栅，其在解复用方向具有：

光栅元件，包括多个波导臂，每个波导臂与任何一个其它波导臂具有光程长度差；

输入星形耦合器，其在输入光栅线被光学耦合到所述光栅元件，并在输入焦线被光学耦合到至少一个输入波导；

输出星形耦合器，其在输出光栅线被光学耦合到所述光栅元件，并在输出焦线被光学耦合到多个输出波导，

其中所述输出光栅线包括具有焦距的非圆形椭圆，并且所述输出焦线包括圆弧，该圆弧具有实质上等于所述椭圆焦距的半径，所述焦线的中心点基本上设置在离开光栅线的椭圆的焦距，由此在每个信道带的光在多个输出具有实质上相同的相位。

11.如权利要求10所述的光栅，其中所述输出光栅线的非圆形椭圆具有-0.25的偏心率。

12.如权利要求11所述的光栅，其中对所述光栅波导臂中的光程长度进行补偿，这样每个信道带中的光在多个输出具有实质上平坦的相位。

13.如权利要求10所述的光栅，其中所述输入星形耦合器的输入光栅线包括从输入焦线设置椭圆的焦距的非圆形椭圆，所述输入焦线包括具有半径等于椭圆焦距的圆弧，用于接收来自设置在所述输入焦线的非中心位置的输入波导的光。

14.如权利要求10所述的光栅，其中多个波导臂的光程长度差相对于圆形输出光栅线而计算出；由所述光程长度差产生的光学延迟实质上保持在与所述椭圆输出光栅线的组合中。

15.如权利要求10所述的光栅，其中可以通过实质上成线性的函数来定义多个波导臂的光程长度差。

16.如权利要求10所述的光栅，其中所述椭圆由多项式函数的和近似。

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