TW295633B

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Publication number: TW295633B
Application number: TW084108054A
Authority: TW
Original assignee: At & T Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 1997-01-11
Also published as: AU4062095A; US5596661A; JP3135834B2; AU696531B2; CA2165094A1; CA2165094C; EP0724173A1; JPH08234050A; KR100376020B1

Description

經濟部中夬標隼局員工消费合作社印製本發明係關於單石光學波導遽波器和，特別是，關於一種新型的單石較器提供許多光學路徑，其中每—個光路控相當-包含此遽波器函數之—傅立葉級數的諧振波分量。瑩明背景在光纖通訊系統中’光學濾波器是重要的裝置。單石光學波導遽波器是特別有希望，因爲其可完成複雜電路的功能性，以及因爲其可由量產積體電路技術來完成。此光學濾波器的需求隨應用而變化。許多應用需要一矩形波長響應爲了在一通帶中維4 一低損耗和與波長無關的穿透，以及在一抑制帶中一高位準抑制所有的波長。例如，預期的遠距離通信應用尋找一丨3Π μιη WDM濾波器，一平整和低耗損的通帶在128〇_1335 μηι和一_ 5 0 dB的抑制帶在1.5 2 5 - 1.5 7 5 μιη。另一希望的應用是一增益等化濾波器使一摻辑雜質之光纖放大器鏈的增益平整。此需要一帶有振幅響應的等化濾波器，此響應實際上是反的放大器増益。已經提出各種裝置以滿足這些新的、要求的需求，但沒有一種能完全滿足。多層速瞄瀘浊器可以用來在大體積光學中建構光學濾波器，但其不符合希望，因爲其不容易整合和由於很難將光耦合至和來自光纖。m·德（Μ乙)1_于已經廣泛地使用，但其具有一正弦的響應，引起強烈本紙張尺度適用中國國家標準（cns ) m規格（2ΐ〇χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局—工消費合作社印製 A7 B7 五、發明敢明（2 ) 地與波長有關的穿透和一窄的抑制，。其他的設計已經遇到種種實際的問題。因此，需要一新型的單塊光學波導濾波器。發明摘要 —種新型的單石光學波導濾波器包含—連串不同的等效長度之光學耦合器由不同的差別延遲所連結。此串聯的韓合器和延遲的傳遞函數是來自於所有可能的光路徑之貢獻的總合’每一貢獻形成傅立葉級數的—項，其總合形成光的輸出。一希望的頻率響應由將此耦合器的長度和延遲的路徑作最優化而獲得，使此傅立葉級數最佳的近似此希望的頻率響應。此濾波器有利的最優化使其對於不受控制的製造誤差較不敏感，且其長度很短。由於實際波導的特性，此波長有利地合併於最佳化中。因此，此濾波器高度地可以量產製造。此濾波器已經證明適合於用來分開此 1.3和1.55 μπι遠距離通信頻道和用以使餌放大器的增益平整的需求。圖例概述在此圖例中：圖1 a，1 b和1 c是1 · 3 / 1 . 5 5 μιη波長分段多工遽波器 (W D Μ濾波器）之概略的設計佈局；圖2、和2 b是用於説明此濾波器輸出爲所有光路徑之總和的設計原珲的圖；本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

•1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説.明（3 ) 圖3a、3b和3c疋連續奇數傅立葉諧波之四搞合器鏈型 r 濾波器的概略圖示的例子；圖4a、4b和4c藉由傅立葉級數説明一矩型濾波器響應的近似；圖5a、5b、5c、5d、5e和5f表示是最佳化一五耦合器鏈型濾波器之不同步驟的結果；圖6説明一搞合器-延遲鏈如同一四通道光学遽波器的基本功能；圖7a、7b和7c疋繪圖説明對應地表示於圖1&、ib和ic 中設計之W D Μ濾波器之具體裝置的穿透光譜；圖8表tf —用以使捧辑放大器的整個增益平整之增益等化濾波器的振幅響應；和 _ 圖9是一簡單濾波器之概略的上視圖。細節敘述此敛述分成五部分。在第一部分中描述一簡單濾波器的基本元件。在第二部分中描述此濾波器之物質的製造。第三部分指出波導之组成的設計以獲得希望的遽波器響應。第四部分討論實際的考慮，其幫助實際濾波器的製造；以及第五部分討論在光纖通訊系統中此濾波器之較佳的使用0 1 _二濾波器的基本元件參考圖例’圖9是一單石光學波導濾波器1 〇之—簡單型準(CNS ) Α4規格(210X297公ΪΊ ' ----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T A7 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝五、發明説·明（4 ) 式的概略上視圖，其包含一對在_基板13上的光學波導 1 1和1 2所組成若干N，至少三個光學耦合器丨4，丨5和t 6 被交替連接於若干N-1個延遲路徑17和18。每一耦合器包含在此一波導之緊靠鄰近處的一區域内，在該處在每一波導11和12傳遞之光的指數尾彼此互相作用，將光從一波導耦合至另一個。從一波導耦合至另一個之功率的量具有此耦合器之等效長度的特徵。此耦合器的等效長度最好彼此間差異超過5 %。任何一個耦合器的等效長度是至多另韓合咨的5 %以内。每一延遲路徑包含一對介於二耦合器之間的波導段，例如介於耦合器1 4和1 5之間的段1 7 A和1 7 B。此段被組成以提供在此二耦合器之間不相等的光路徑長，因此提供一差別的延遲。例如在圖9中上半段丨7 A比下半段i 7B長，提供一可表不爲正的差別延遲。由較長下半段所組成的差別延遲可表示爲負。延遲路徑18提供—負的延遲，因爲下半段18B比上半段18A長。在此較佳形式的濾波器1〇中，至少一差別延遲與至少另—個差1 〇 %或以上，和至少—差別延遲是和至少另一個的符號相反。在實私中，光學輸入仏號呈現在一輸入搞合器，例如沿波導11至耦合器14，和一過濾的輸出呈現在一輸出耦合器，例如沿波導丨2至耦合器1 6。此耦合器和延遲的順序在輸入處提供若干路徑给光線至輸出。通常會有個兹Lis· ’其中N疋1¾合器的數目。例如，圖9的裝置出現下面四個路徑：本紙張尺度家鮮（cnIJa娜:ΗΓ(Γχ297公釐 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '11 經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（5 )

1) 區段17A -區段18A

2) 區段17A -區段18B

3) 區段17B -區段18A

4) 區段17B -區段18B 此遽波器的每一光學路徑提供相當_於在一傅立葉級數牛夫一諧振分量的充，其總和構成此濾波器的傳遞i數。藉由參數的適當選擇，可以很接近地近似一希望的傳遞函數。藉由N的選擇和差別延遲的設定，可以設計一濾波器表示一奇數傅立葉分量的總和，特別有用於製造一具有— 矩形響應的濾波器，使一 1 · 3 / 1 . 5 5 μ m W D Μ濾波器。用 —不同的Ν或一組不同的差別延遲，也可以設計一濾波器表示一偶數和奇數二者之一傳立葉分項的總和。一較佳的奇數諧振濾波器可由提供帶有±1/±2/土2/.../±2的歸—化比例在任何次序中的差別延遲來完成，以及一較佳的所有讀振濾波器可由提供帶有一土1/±1/±2/±2/.../±2的歸— 化比例在任何次序中的差別延遲。此外，在上面的比例中’任何但不是所有的± 2的差別延可以被± 4所替代，以及任何但不是所有的±4的差別延遲可以依次的被±8所替代。另外，對於寬帶濾波器，此與實際波導特性有關的波長是方便於考慮的，其可改變上面成比例的差別延遲到 ± 2 5 %。因此在一種較佳的具體裝置中，此延遲路枰提供’在任何順序中，± 2 5 %以内，一比例土 1的差別延遲和一個或以上比例± 2或± 4或± 8的差別延遲。在另_較佳的具體裝置中此延遲路徑提供，在任何順序中，± 2 5 %以 - - . _ _ 8 - 本紙張从通财關家料（CNS) Α4规格（21{)><297公董) ---— - 1^1 mu a ^^^^1 ^^1 —m en·— el ^ J^i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説.明（6 ) 内，一比例± 1的差別延遲，一個^以上比例± 1的差別延遲，和一個或以上比例± 2或± 4或± 8的差別延遲。此濾波器可方便地與其他濾波器結合，像藉由連接此其他的遽波器至此波導的輸出，由此產生滤波器網路。 11.身髏的製造圖9的結構有利於使用平面光學波導技術來製造。摻雜的矽光學波導較佳，因爲其具有低耗損，低雙折射，是穩定的，且可適當的耦合至標準的光纖。然而，本發明同樣地可應用於其他整合的光學波導，包括ΠΙ-V半導體光學波導和在鋰鈮酸鹽中擴散的光學波導。上述波導技術的描述可以在R . G ·漢斯伯格，，積體光學：理論和技術"，第3版 (斯普林格出版社’柏林，海德堡，紐約1 9 9 1年）中發現，其在此併於參考中。帶有掺雜的碎平面波導’此圖9的結構可以大量製造如在C . Η · f利和其他的’ ”用於混合光學包裝之矽的玻璃波導"Lightwave, Techriol..,第 7 卷 1530-39 頁（1989 年）中所描述的。實質上一矽玻璃（Sl〇2)的基層生長在一石夕或石英的基板上。然後一摻雜矽玻璃的薄核心層被放置在此基層。此核心層可被組成一希望的波導結構，像表示於圖9中的，使用標準的光刻法技術。其次另一矽波璃層放置作用如一頂端包層。此波導核心的折射率比基層和頂端包層的高，由此導引此光波像一光纖。然而，與光纖不同的是，乎面波導技術能夠更正確的控制波導結構和整合 — —- _ - 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A規^ ( 210X^97公餐j " ------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央梂準局員工消費合作杜印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4^格（210X297公釐 A7 B7 五、發明說明（7 ) 許多裝置成爲複雜的電路。严在底下所討論的特別例子中，使用以下的程序來製造此濾波器。首先，一約1 5 μ m厚的未摻雜S i 0 2的基層 (HiPOX)在高壓蒸氣下由碎的氧化所形成。然後一5 厚7 % Ρ摻雜之S i 0 2 ( Ρ -玻璃）的核心層使用低壓化學蒸氣沈殿（L P C V D )來沈搬。此核心層在1 〇〇〇 °c的蒸氣中退火，模仿.寬5 μ m寬帶有反應離子蝕刻（r〗e )的單模波導。在搞合器範圍中波導的中心至中心距離是9 2 5 - 9 . 5 μ m，而最小波導彎曲半徑是1 5 c m。一大約丨5 μ m厚B 和P摻雜之Si02 (BPTEOS)的流動層其後用LPCVD沈澱’且退火在9 0 0 °C以填充在耦合器範圍中波導核心之間的窄間隙。最後’二每一層7.5 μιη厚之BPTEOS的層沈澱和退火如此頂端包層。此頂端包層具有和基底幾乎相同的折射率（1.45在λ = 1.4 μιη處），而核心具有一大約比基底和頂端包層高0.63 %的折射率。 III.構造設計和最佳化我們的濾波器的基本結構由一串連的Ν個任意的耦合器和Ν-1個差別延遲所組成，其中Ν>2。此—鏈（稱爲N—耦合器鏈）的透射光譜是從W個光學路徑之頁獻的總合而來，每-個都形成在一傅立葉級數中的—項。此耦合器和延遲路徑的長度可以被最佳化，使此傅立葉級數最佳地近似於-希望的頻率響應。像一最初的例子我們描述上述具有-矩形.響應^,3/1.55 w 。_ • 10- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

、發明說明( ……….川^㈣仰士慮波器的佈局例^圖珏表示-基本的五耦合器鏈。箭頭表示輸入和輸出埠。圖 u表示-雙重^皮的五_合器構造。圖卜表示_四搞人器五辆合器鏈之雙倍和三㈣波的組合m述惨㈣的波導技術製造時，此la、lb*lc之濾波器的總長度是約’ 75和75 μιη ’而高度是〇 3、〇 6和〇 6 _，對應地。爲了清楚起見，垂直的尺寸已經放大2〇倍。可能光路徑之總和的原理在二相同波導之一理想耦合器的二輸出埠處的電場與在輸入埠處的那些由一轉換矩陣產生關聯： {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣. cos φ Φ 訂 τ 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 ⑴ .i sin φ cos φ

其中1 = ，—φ—= π 1 ’ / 2 L，1，是此耦合器的幾包^_度，而L 疋叙金長度，其爲此二波導之間耦合強度的量測（不會被此糕合器的幾何長度所混淆）。我們稱此丨I / L爲此篇佥器的等〜效長—度。同樣地，表現二相同波導之間差別延遲之特徵的轉換矩陣是 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X 297公釐）五、發明説明(

T e 0 A7 B7 r ⑵ 其中G = TCsft/X = usiiv/c，、s是此二波座玉，ή是此波導的著_ϋ_#~·4Φ·率，而λ，ν和c是在自由空間中的先波長、頻率和速度。注意一共同相位因子在方程式2中已經忽略，因爲其對於此遽波器響應是非必要的。我們的波導濾波器的轉換矩陣由一連串分別地具有φ !， Φ2，_·.，φΝ，和Θ1，θ2，...Θν-,之特徵的Ν個耦合器和 Ν-1個差別延遲所組成，爲 (請先閲讀背面之注意事碩再填寫本頁} 經中央標準員工消費合作社印製 τ+θ=τ+ΝτθΗ.1···τθ1τ^τθιτΦι ⑶ 由上面的矩陣乘積可見從任何輸入蜂至任何輸出淳的轉換矩陣由此形式的總和所組成注意Θ正til於 •訂 ⑷ 其正於1 / λ，如果忽略和波長有關的物理上地，方程式4可紐 1個辦古〜冑釋爲下面的原理，即此響應疋整個所有可此光路徑的總。— . ,, ^ 連_以個耦合器及N-1 個差別L遲的任何輸入琿 • 早任仃輸出埠的轉換函數，由 -12-

A7 A7 經濟部中央樣準局員工消费合作杜印製

N 2 ⑸ 五、發明武明（1〇 ) 個不同光路徑之貢獻的未加權〆總合所組成。每一個這 Y貢獻疋2N-1個因子的乘積；通過一辑合器，&過時爲C〇S +而越過時爲isin<();通過一差別延遲的長臂爲而通過短臂時爲e -, e。。此原理説明在圖2( a)和2(b)中。圖2a圖示來自於一耦合器和一差別延遲中之路徑的貢獻。圖2b表示一三耦合器鏈 &人叉狀心。其中我們已經使用縮寫。子母t表不轉換函數。對於N = 3有四個不同的光路徑從任何輸入埠至任何輸出埠，而表示於圖2(b)中的轉換函數是頁的和冑於非理想的糕合器，c〇s#isiM因此應該 4正’但上面的原理仍然有效。垡立葉級教66纟士辦一由Θ的任意選擇，在方程式⑷中的總和通常不是一傅立葉級數’因爲在和中的項目通常未顯示諧振。然而，：：此是別延遲之長度之中的比例滿足特定條件，方程式⑷變成一截斷的傅立葉級數。以下，我們定義： ej(v) = Yje〇(v), j = l ,2,. . . ,Ν-1 其中θ0包含共同波長相關之θ1， ‘· _，θ N - 1的部分且具有和在傅立葉級數中之基礎諧振相同的週期。此未歸一化的比率丫1/72/ /γΝ d將稱爲θ比率。對於具有-矩形響應的WDM，由於此要求之轉換函數 •13· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（2i〇X297公釐 ^ {界訂 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）五、發明説.明（的奇對稱，我們需要一僅有奇諧声的傅立葉級數（見圖 4)。我們首先考慮下面兩個極端的例子，其給予連續的奇諧振：優件A :如果N是偶數而θ比率是±1/±1/·../±1帶有任何符號組合’ 是具有諧振±θ。，±3θ〇，，±(Ν-1)Θ。的一傅立葉級數。化牛Β :如果Θ比率是±1 / ±2/±4/. . ./±2ν-2，在任何順序中且帶有任何符號組合，t φ θ是具有諧振± θ 〇， ±3θ〇 ’…的一傅立葉級數。對於一给定的偶數N，條件B給予最大的連續奇諧振的數目，而條件A給予最小値。有很多其他的條件在其間，優丑如果Θ比率是±1/±2/±2/.../±2在任何順序中且帶有任何符號組合，ίφθ是具有諧振±θ〇，±3θ〇，， ±(2Ν-3)θ〇的一傅立葉級數。圖3a，3b和3c説明使用Ν = 4帶有θ比率l/m ， 1 / 2 / 4 ’和2 / 1 / - 2的例子之傅立葉級數的結構，每—個各自地相當於條件A ’ B和C的一特殊情況。注意在θ比率中的—負號相當於此較長和較短臂的互相交換。爲清楚起見’我們使用Θ在圖中取代θ〇。一負的φ實際上不能實現。然而π-φ等於-φ ’其中此二情況的轉換函數只差一個常數的相位。當對於WDM需要連續奇讀振時，其他的濾波器函數也可能需要-偶諧振。一具有連續偶諧振的傅立葉級數被構 -14- m n^— nn t^K ^^^1 ^11^1 ti ml -J) ^.V'* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣準局員工消费合作社印装 A7 B7 五、發明説·明（12 ) 成’當相當於在條件A，B和C中±1之一部分從此N個Μ入〇器鍵中除去時，產生一（Ν-1)個耦合器的鏈。一具有所有連續諧振的傅立葉級數也可以由等分在條件A，Β和c中所有的延遲和加入另一具有最小單位延遲的部分來建構。對於條件A，B和C的Θ比率分別地變成±~2/±~2/.../±1/2 (和 N 是奇數），±1/2/±1/2/±1/土2/ /土2n-4 ,和 ± 1 / 2 / ± 1 / 2 / ± 1 / · . / ± 1。此差別延遲的相當之歸一化的比率分別地是±1/±1/··./土 1，±1/土1/±2/土4/ /±2n-3，和 ±1/±1/±2/· _ ./±2。定之濾波器響應的最祛化我們已經證明一連申耦合器和延遲的轉換函數可以形成一截斷的傅立葉級數。圖4更説明藉由此一截斷的傅立葉級數（爲了説明的緣故，我們忽略了相位）來近似一希望的濾波器之頻率響應的基礎。此MZ干涉儀（N = 2)僅具有基礎的諧振和它的頻率響應如圖4(a)中實心曲線所示的正弦曲線的。相對地，一濾波器之希望的矩形響應由圖4 ( b )的實心曲線所表示。對於在A，B或c條件下之N> 2，此轉換函數也包含高次項的諧振，由圖4(a)中虛線所示。此基礎和咼次項諧振的總和，如圖4 ( b )中虛線所示，如果其振幅和相位正確地選擇可以近似此矩形響應。以下，爲了給予一清楚之實質圖像，我們首先忽略此與波長有關之^ (及因此Φ是常數）和R，並在稍後討論更一般的情況。首先，此差別延遲的共同因子θ。可以單獨地被此通道和 , —............-15- 本紙張尺度適用中國國家標準（〇阳）八4規格（21〇><297公廣)— — -一- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -5 A7 B7 、發明説明( 抑制帶的位置所決定，類似岳# . 頸似於一4早之MZ的情況。我們布王基礎諧振在此抑制帶的中 π叼肀％處具有一〇或π的相位，和在此通帶的中心處具有π/2的相位。因此， ^ 〇 s / 7t = snXs==m，和 Θ rt = sn/Xp = m±1/7 , ⑹ 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製其中m是一整數’我們稱爲此遽波器的級數，下標…表 Μ帶和抑制帶的中心。因爲此輸㈣可以互相交換，有 :-個相當於在方程式的互相交換的結構。對於們的1.3/155,冒⑽濾波器，此最佳的解是 (心3，λρ=1·3 22 μΠ1，λ1=1·542μιη)和（m = 3， ρ_1·566μιη，λ8 = 1·305μηι)。在此我們明確地使用由傅立葉級數所表示的轉換函數對頻率是週期㈣事實。現在我們已經找出在-給定·件値，丨給與具有連續之奇错振的傅立葉級數。注意’除了在條件八下，諧振的數目超㈣合器的數目Ν。因此，決定之傅立葉係數的數目通常比可用之自由變數的數目大。此外，對於寬頻帶遽波器，此相位響應不重要，我們只要求卜"丨2有想要的響應，其在我們的"/"5 WDM中是㈣。因此我們使-誤差函數最小化以在-特定的9比率下求解中，如下：： : ^ ^------tr (请先閲请背面之注意事項存填寫本貰) ΕΦθ^ ί dv · w(v)(|t*e|-t*^(v)|)2 = Inin ⑺ 其中W(，v)是一正的加權函數，此積分在有趣的通帶 -16 本紙張尺度適用巾國國家榡準（CNS) M規格（210X 297公着五、 2C5633 發明説5月（14 抑制帶中完成。因爲對於共彳„ '我們的1 >3 / 1 . 5 5 μ m w D Μ我們不限制通帶和抑制帶之間的辕祕 .. 轉換’在這些區域中我們設定 w(v)=〇 (如圖4(C)中所示）。方程式(7)表示一身綠择』^ 」偉歿—軋題其可藉由又覆欺方法龙Lli求解，像單一的或共軛的梯度方法。雖然在我們WDM的設計中，我們已經忽略此相位響應，#果希望-特別的相位響應，其也可放進上面的方程式和一起對振幅作最佳化。注意Εφβ有很多局部和相等的最小値，其相當於具有相似或相同振幅響應的不同組態。例如，在一Ν個耦合器鍵的中間中t耦合器的一個是—完全的耦合器（φ = (η + 1/ 2)π 其中η是一整數）或空耦合器（φ==ηπ)，此耦合器和其周圍的二差別延遲簡併成爲一單—差別延遲，且實際上有一 (Ν-1)個耦合器的鏈。因此，我們可以複製一具有^^個耦合器鏈之一（Ν-1)個耦合器鏈的Εφθ中的最小値，其爲一局邵的最小値。此外，如果—耦合器的長度以φ由+ + 或（2 η-1) π-φ來取代的方法來改變，則丨丨不改變，而我們有一同等的最小値。此外，一不同之θ的順序在0前之不同組的正負號給予不同之等效和局部的最小値。這些變化的不同組合產生許多種組態。互相交換此二輸出埠產生另一組不同的組態（對於一般的Μ ζ其相當於φ , = π / 4和 Φ2 = 3π/4)。因此，通常需要實際上的洞察力，對於此重覆得到好的起始參數而達到最好的解。我們通常由最初的 Μ Z (Ν = 2)開始並連續地增加Ν，取Ν - 1的結果當作Ν的 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4规格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部中央樣準局貝Η消費合作社印製 A7 A7 15 五、發明說明（起始參數。我們仍然必須找出Θ比率的最佳選擇，其對於一指定的N 、.’α予此要求之濾波器響應的最接近的近似。在條件a的極限中，所有傅互葉係數可以獨立地被滿足，但是在此級數中的έ皆振數目很少。在另一極限中，在條件B下，雖然諧振的數目很大’但其嚴重地被自由變數的數目所限制。因此’在A和B之間有一最佳的條件。我們的數値計算證明條件C實際上對於具有一矩形響應的濾波器是最佳値的。圖5 a到5 f説明最佳化此組態設計之不同步驟的效應。圖 5 a表示在一半對中，一常用之愚羞桑德^涉屬^ &狀和'交m边奉滅>。在圖5(b)中的實曲線爲一滿足條件c之五耦合器鏈的样和交叉狀態透射光譜具有一 1/2/-2/-2的Θ比率（見圖i(a) 的佈局），當假定L和ή與λ無關時被最佳化。與在圖5(a) 中所示之相關的ΜΖ的光譜比較，此通帶的寬度和平整度’和此抑制帶的寬度和阻礙一樣，大幅地改善。在圖 5 ( b )中的虛線表示一具有一 1 / ；[ / 1 / 1 / 1 (亦即條件a )的θ 比率之六耦合器鏈的相關透射。與五耦合器1/2/_2/_2鏈的實曲線比較，通帶變得較窄而阻礙較低。事實上，此六棋合器鍵的響應與一具有1/2/2之Θ比率的四棋合器鍵相同。同樣地，當我們在1/2/-2/-2鏈中用4或8置換一個或以下的2時，我們發現此濾波器響應變得較糟，而此装置的長度變得較長。因此我們得到結論’條件C給予最有效率W D Μ組態。 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 A7 Β7 16 五、發明說明（ r 惠有關的耦合县度和等故扮舯牵 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 目前爲止我們已經假定耦合長度L和等效折射率5與波長無關’其僅適用於窄頻帶的WDM。實際上，當波長增加時，L不可避免地減小，因爲此光學範圍更被限制在短波長。用我們的平面波導製造過程，當λ*155μιη變成 1·3μιη時，L增加大約一個2的因子，意味在ΐ3μιη處一 3dB镇合器在大約155|um處變成一完全的耦合器。此外’ ϋ也随λ改變，由於限制的改變和波導材料的色散，但是相對的改變比L小（對於我們的波導大約〇 · 5 % 。圖5 ( c ) 表示和圖5(b)中相同的五耦合器鏈的響應（其設計爲常數，而5 = ㈠m =常數），除此之外現在與波長有關的L和j用在計算光譜中。很明顯的，對於寬頻帶WDM (像我們的13/155μηι WDM)與波長有關的L和ϋ很方便地考慮於設計中。經濟部中央標準局員工消費合作杜印製用此與λ有關的L和ii，在方程式⑷中的每一項不再是完全的週期性’而其變成需要最佳化在方程式6中的θ和ψ以知到取好的滤波器響應。此由圖5 ( d )和（e )中的實曲線來説明。圖5 ( d)表示當只有此耦合器長度已經被此與λ有關的L和η最佳化時，此五耦合器1/2/_2/·2鏈的響應；而圖 5(e)表示同樣的當耗合器長度和延遲長度二者已經被最佳化時。只有在後者的情況中我們已經恢復對於常數L和打可以與其比較的矩形響應。用我們的平面波導丨3 /丨5 $ μ m WDM作.例子，θ比率的變化從1/2/_2/_2到 -19-

本紙張尺度適用中國圃定捸绝^ PMC 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（17 ) " ' 1.1 8 7/ 1. 9 78/- 1.84 9 / 〇 - _2.031。声重新優化中，我們通系使用對於常數L和n的結果當作起始參數。概略而。’在我們的具有一任意耦合器和差別延遲之鏈的光學濾波器中，基本途姐. 丞尽建構万塊具有一似週期性的轉換函數。此鏈的轉換函數是由疋由所有可能4光路徑貢獻的和而得，每-個都可以形成傅立葉級數中的_項m皮器的工作是最佳化此核合器和差別延遲的長度，使此傅立葉級數最佳地近似於希珍从.壶，士 0„谢十、望的慮波森響應。傅立葉展開不僅給予此裝置之物理得M . 原理的一直接和直觀的描述，但也提供強力的柔勃的設計程序。我們的傅立葉展開趨近使我們發現最有效率的Θ比率（其並非W1/1/1/使用料子遽波器），包括與波長有關的[和5，其使θ比率成爲非整數，且’將表7F於後，以達成完全地最佳化组態，免除具支配性的製造误差，其在Q比率中含有負號。 IV.實際的者盧由於L和η與λ有關，許多早先討論的等效組態變成不相等，亦即惡化被消除了。因此我們有許多濾波器組態其给予某些不同的響應。這樣組態的數目是很大的。對於我們的1·3/1.55μιη WDM之這些組態中的兩個的透射表示在圖5(e)和（f)中。圖5(f)表示和圖5(e)中相同的五核合器鏈’除了 Θ比率近似於1 / 2 / 2 / 2。此濾波器響應除了某些細微的細節外也類似於圖5 ( e)中的。然而，卷搞合長度偏離名義上的値時一引人注目的差値在此二情死 -20· 本紙浪尺度遴用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 A7 18 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 B7 、發明說明（間發展’如圖5 ( e )和（Ο中虛線所笮，對於此，在L中1 0 % 整個的増加已經使用在計算此光譜中。在圖5 ( e )中的設計起圖5(f)中的設計在L的改變上較不敏感。對於實際的製造’耦合長度是對於不受控制之製造誤差最敏感的參數 (例如，幾何學的誤差和核心的折射率），而在圖5 ( f)中的 °又"十可能會有一低產量。因此，我們總是自許多組態中選出 > 數最穩定防止耦合長度的整個改變和具有最好的濾波器響應和短的耦合器。我們已設計了帶有不同響應形狀和頻寬的濾波器，而對於所有的情況，最穩定防止L的整個改變的組態，具有負號的Θ比率。而穩定性的問題；部分由於[與波長有關而實際上是複雜的，一個簡單實際的説明如下β對於一具有矩形響應的濾波器會穩定的防止製造誤差，基礎的和，連續地，那些在轉換函數之傅立葉函數中低階諧振的部分和應該是穩定的在靠近其零點。如果半數的θ是負號，此基礎的和低階諧振相當於通過最少耦合器數目的光路徑，其可以當作主光路徑。由這些主路徑所產生之部分和的零是穩定的防止L的誤差，因爲其傾向於只與少數通過的镇合器之長度的比率有關。帶有負Θ的濾波器通常也有短的轉合器。以先前所示之穩定的1 · 3 / 1 _ 5 5 μ m W D Μ爲例，θ比率是1.1 8 7/ 1. 9 7 8 /- 1.8 4 9/- 2 .0 3 1。此穩定的設計對於可製造性是重要的。我們的設計接近基於傅立葉展開，也給予我們清楚的指導方針以決定鍵之層級的數目。原則上，當耗合器層級的「請先閲靖背面之注意事項再填寫本頁」

-21 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（19) 數目增加時，此通帶的平整度和在•抑制帶中的阻礙會不斷地增加。然而實際上’ 一些因子限制N太大。第一個限制是晶片大小。用我們目前在一5英吋晶板上的製造過程，對於短延遲臂最大的N大約是1 4 (像那些使用在我們的 1 · 3 / 1 · 5 5 μ m W D Μ中的）。不使用波導U形迴轉（其會消耗在晶板上的一個大的空間）。然而此Ν的限制可以增加，如果高△波導或U形迴轉使用時。第二個限制是過多插入物的損耗，由在每一耦合器之端點處的彎曲和在波導中内部的耗損而來。一更複雜但是重要的考慮是製造精確度和耦合器及延遲的非理想影響。當Ν增加時，帶有較小傅立葉係數的高次項傅立葉分量加入考慮。然而，如果製造誤差超過由最小傅立葉係數所要求的精確度時，增加Ν不再改善一實際裝置的性能。同樣地，因爲像在耦合器之端點處刺激高次項模和在延遲路徑中非對稱耗損的非理想影響，方程式⑷只是一實際裝置之轉換函數的近似描述，而 Ν應該小到使在方程式4中的每一項都有意義。對於我們的1·3/1·55μιη WDM，我們發現ν = 3至7是適當且實用的0 增加抑制帶的阻礙至> 3 〇 d Β，我們已經採用使用Ν = 3至 7的短鍵之雙和三；慮波的構造，如圖1(b)和（C)説明的D圖 1(b)是一（a)的雙濾波的版本，而（c)是一四耦合器和五辑合器鏈之雙和三濾波的組合。對於此一多級的濾波器此轉換函數是簡單地每一級的乘積： _____ ______ -22- 本紙張尺度+國國家標準（CNS ) Α4規格（210χ 297公瘦) ' '~~' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂五、發明說明（20 ) (8) 從=切·切…· (請先閱請背面之注意事項再填寫本頁) 此不想要的光功率被浪費在額外的埠中，山地而不去其他的.輸出埠’而干擾降低在圍繞此通帶之平整的廣闊地方處。此可以當作在晶片長度和製造誤差的限制下此濾波器的一進 —步的優化。 V.系統應用在本段落中，我們討論在光纖通訊系統中，我們的滤波器之有潛力的應用。經濟部中央標準局貝工消費合作社印製我們的新濾波器（首先，沒有雙或三濾波）具有以下的特性。首先，此二輸出埠是互補的，其中在此二埠中的功率總是合計達到輪入的功率。因此一輸出的通帶是另一個的抑制帶（而因爲這個理由’我們已經通常使用項目"通帶" 和"抑制帶"而不精確地指定那一個是什麼）^其次，此裝置是對稱的和彼此相反的，使得如果此二輸入埠和同時地此二輸出埠彼此交換，或如果此輸入埠和輸出埠彼此交換時’此透射仍然相同直到一常數相位因子。因此此裝置只有兩個不同的透射狀態：样狀狀態和交又狀態。第三，此裝置具问度的方向性’亦即’光傳播在_方向與在相反方向傳播的光無關。此裝置的基本功能説明於圖6中，其中Μ和人2是各別地桿狀和交叉狀態的通帶，或反之亦然。（同樣的，爲簡化 23- 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS >八4規格（210X297公釐）經濟部中央標準局負工消費合作社印製 A7 -：--：——----B7 五、發明説明（21 ) -- 在此未示出，入和）-土 -r 。 2 一者可以是疼長群）。如一升一降滤卜4 +、傳遞λΐ從埠1至埠3，當下降λΓ進入埠4和從埠2 ^ 2 '王意任何訊號的方向可以相反。如果λ;未出現在車1此裝置工作如同一波長分割倍增器，其在埠3中結合 Μ和λ!。同樣地’如果“未出現在埠2，此裝置工作二二長分割倍減器’其分開、至埠3和入。至埠4。在此倍咸器中#果在-輸出埠的光是簡單地被捨棄，此裝置工作如同一簡單的濾波器。具有雙或三遽波，此情況更複雜。此滤波器現在具有超過四個淳，並不是所有的都有用到。然而，使用適當槔的不同組態，所有上述的功能仍然可以完成。 1·3和1·55μηι诵訊帶的倍增和倍油' 大部分存在的光纖通訊系統使用丨3 μηι帶，主要由於光纖具有零色散且在附近有相當低的消耗，而其他的凡件也首先對於1.3μιη發展。光纖有相同之較低的消耗和零色散在1.55μίη附近，而摻餌的光纖放大器（EDFA)也已經可應用在相同的波長範圍中。因此，認爲在許多未來的通訊系統中1.55μηι頻帶會和1^„1頻帶並存，而 1. 3/1.5 5 μιη WDM濾波器在此系統中會成爲一關鏈元件。爲容納類比-數位傳輸和未來的升級，對於某些控制的$ 境使用1 · 3 / 1 · 5 5 μιη分支装置應該具有通帶比i 2 8 〇 1 _ 3 3 5 μ m-和1 . 5 2 5 - 1 · 5 7 5 μ m寬，對於各別地此二輸出通 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） I n I n I n - n Λ^―― I I I I I 丁 • 一 '"、-饫 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 5633 經濟部中央標隼局員工消费合作杜印裝 A7 B7 五、發明說明（22 ) 道’而干擾應該低於-5 0 d B。對於其他的應用，要求的通帶同樣較寬（1 〇〇 n m)。我們用平面波導技術製造的新濾波器對於這些W D Μ是理想的候選者，因爲其具有要求的矩形響應，其是單塊且可靠，而其可以與其他元件整合。使用此雙和三重濾波方法，我們已經設計符合上面规格的1·3/1_55μηι WDM，其相當於在圖1(b)和（c)中的佈局。圖1(b)是一（a)的雙重濾波版本，而圖1((^是四耦合器和五耦合器之雙和三重濾波的組合。在圖Uc)中的三重攄波只在1 · 3 μ m路徑中，以加強在〗5 5 μ m的阻礙。其總共具有10或12個耦合器串連，而當用前述摻矽波導技術製造時’其爲75mm長和〇.6mm寬。對於在圖l(a)，（b) 和（c)中的五耦合器鏈，此耦合器的幾何長度是757， 795 ’ 73，1209和452μιη，而此幾何路徑差是3.754， 6.256，.5.849，和- 6·424μηι。對於在圖i(c)中的四耦合器鏈’此耦合器的幾何長度是677，979，199 ;和 1241μιη ’而此幾何路徑差是2483，5 733 ，和 -6.0 5 5 μ m。在圖7中的實曲線表示我們預設的結果，對於由相關之虛曲線所表示的設計。這三個設計的佈局表示於圖1(a)， 1 ( b )和1 ( c )中。對於所有的設計，量測的數據非常類似此成计的響應。園繞1 和1.55μιη二者之寬的和平整的通帶疋明顯的。也如所設計的，抑制帶是寬的（約 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣· - 1 〇〇 n m )，而轉變是尖銳的。我們的W D Μ的這些樣子比先則提出的那些任何寬帶單石WDM好。 •25- 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 A7 ____ B7 五、發明説朋（23 ) r 對於EDFA系統的增益等化瀘浊器摻餌光纖放大器（EDFA)具有超過其他使用在光纖通訊系統中之光學放大器的優點，但是具有一高度與波長有關的增益。對於長範圍〇 1 〇〇 k m)通過光纖之光波信號的傳播，E D F A插入約每5 0 k m的距離處以補償在光纖中的信號衰減。在此系統中許多E D F A成階梯狀，爲了使用此 EDFA的整個頻帶（1.53至1·56μιη)，一增益等化濾波器必須隨每一個E D F Α使用以使整個系統的增益平整。這些濾波器的響應大約是此EDFA之增益的反比，且具有一峰値在帶有非對稱翼的1 . 5 3 8 μ m。不管要求的不规則形狀，這些濾波器可以用我們的傅立葉展開之方法來設計，和使用平面波導技術來製造。在圖8中的實曲線表示使用一七耦合器鏈之設計的增益等化濾波器。圖形表示要求的濾波器響應，對於超過_ 30 nm頻寬之最大端點至端點平整度作最佳化，對於一具有40km距離，總長2000km的系統，使用具有雙重 90mW 980nm唧筒之二階段EDFA (型式E200S)。因爲大約1·54μηι之尖銳特徵，一近似於1/-2/-2/-2/-4/-4的 Θ比率發現比1/2/2/2/2/2好。此耦合器的幾何長度是 1002，861，571，"12，1367，841 , 1180μιη，而幾何路徑差是 13.56 ， -27.09 ， -26.93 ， -26.80 ， •5 3 · 1 6，- 5 3 · 7 0 μ m。此設計也相當地穩定以防止在此耦合長度中整個的誤差。 . _ - 26 - 本紙張尺度適财關家料（CNS ) A4規格（21以297公董了一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims

第84108054號專利申請案中文申請專利範圍修正本(85年7月） A8丨修正八鹄；補充 1 六、申請專利範圍 1. 一種罢器，包含一對光學浊導形成一 N > 2 個在列，在該等耦合器之間交具^有延邊^ 徑於該等-耦合器之間，其中 (a)該等耦合器及延遲路徑係選擇成從該光波導濾波器之輸入至輸出間具有2 N —假..本」的.路徑，而且進一經濟部中央揉準局肩工消費合作社印製步選擇成輸入訊號放射經由該光波導濾器之輸入至輸出間的2 N _ 1個石同路徑同jUt進；以及 (b)該等耦合器之一的签興另τ搞^合器的等__.敎長 H鸯jtA%，而由該等^遲路經之一所提供的笋別與由該等延遲路徑的另一個所提供的差別姑遲差超過1 0 %。 2. 如申請專利範圍第1項的單石光波導濾波器，其中由該等延遲路徑之至少一個所提供的差別延遲與由該等延遲路徑的另一個所提供的差別延遲符號Ja反。 3. —種黑波器，包含一對光皋浊導形成一N>2 個的庠列，在該等耦合器之間-交錯的具有多個# 肢延，該等耦合器及差別延遲路徑選擇成可提供若干介於該序列之一端點的一輸入和在另一端點的一輸出之間的2 N U個光皋路徑並且進一步選擇成使得輸入訊號放射經由該輸入至該輸出間的多個不同光路徑同時前進，其中該等友數之傅立葉组反巡_·^項。 4. 如申請專利範圍第3項的單石光波導濾波器，其中每一 (請先閏讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝- 、1T Μ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2I0X297公釐）經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 A8 BS C8 ___ D8 _ 六、申請專利範圍路徑表示一奇傅立葉紹^數中的一項β =--- 5·如申請專利範圍第3項的單石光波導濾波器，其中該等 .延遲路徑提供（以任何次序中，在± 2 5 %内）一也_例± 1的 ϋ—延遲和一個以上比例±2或±4或±8的遲。 6. 如申請專利範圍第5項的單石光波導濾波器，其中該耦合器之一的色致^变與另一耦合器的等效長度差超過 5% 〇 7. 如申請專利範圍第5項的單石光波導濾波器，其中由該等延遲路徑之一所提供的差別延遲與由該等延遲路徑的另一個所提供的差別延遲符。 1 8.—種單波器，包含m古導飛成一 N> 2 個链的在_列，在該等耦合器之間玄i的具有J# ，該等耦合器及差別延遲路徑選擇成可提供介於輸入與輸出間的光基4呈，並且進一步選擇成使得輸入訊號放射經由該輸入至該輸出間的多個不同光路徑，其中該等遲—路Jt提供（以任何次序，在± 2 5 %内）敌J§j；n +l的'差Jl'm遲和一姐这上 ±_8_^j # &1 ίί 遲〇 9·如申請專利範圍第8項的單石光波導濾波器，其中該等耦合器之一的度與另一耦合器的等效長度差超過 5%。 ~ 10.如申請專利範圍第8項的單石光波導濾波器，其中由該等延遲路徑之一所提供的盖遲與由該等延遲路徑的另一個所提供的差別延遲符號袓^。 -2 - I紙張Μϋ用中卿家縣(CNS)八4祕（21()><297公 ----—. _ ^裝訂 y- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) Α8 Β8 C& D8 六、申請專利範圍 11·如申請專利範圍第1或2或3或4或5或8項的濾波器，其中 3 2NS7。 12. 如申請專利範圍第1項的單石光波導濾波器，更包含— 個以上額j的先摩器，光學地連接至該對光波導以形成一滤波器網路。 13. 如申請專利範園第4或1 2項的單石光波導濾波器，其中由該等路徑而來的該光提供一楚形的瀘浊器響應。 14如申請專利範圍第4項的單石光波導濾波器，其中該等光耦合器及該等路徑提供的渡ϋ響應，用以分開艮的光和L . 5 5^复放長的光。 15，如申請專利範圍第4項的單石光波導濾波器，其中該等光搞合器及該等延遲路徑提供—滅波器響應，瓦也於一太ϋ的禮益屬譜。 16. 如申請專利範圍第丨項的單石光波導濾波器，其中不同路徑的數目是2 Ν - 1。 17. 如申請專利範園第3項的單石光波導濾波器，其中不同路徑的數目是2Ν_1 » 裝訂 ^泉 ί - (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央榣準局工消费合作社印裝 1¾. -紙本準標家國國中用適 Μ \—/ Ns 釐一公 7 9 2