TW595136B - Optical system, optical apparatus, and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

(i) (i) 595136 玖、發明說明 (發明說明應敘明·發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明背景 1·發明領域 本發明係關於光學系統及組件，更特定言之，係關於具 有積體光學組件的光學系統。 2·螢明背景 一典型的光學網路包含收發器、放大器、多工器及反多 工器、開關以及其他組件。收發器的每個傳送部分將電子 信號轉化為光學信號，並將該光學信號發送到一光纖中。 多工器會將來自每個光纖的單獨光學信號結合成一多通道 光學信號，並將該多通道光學信號發送到一光纖中。一反 多工器從該多通道光學信號分離出多個通道，並將其發送 到分離的光纖中。然後收發器的每個接收部分接受來自光 纖的光學信號，並將其轉換為電子信號。 目前，光學網路組件是離散的組件，因為每個組件執行 單一功能並藉由光纖連接至其他組件。例如，在一分離的 積體電路（或晶片）上會產生一陣列波導光柵（AWG)多工器/ 反多工器。 摻餌光纖放大器（Erbium doped fiber amplifiers ; EDFA)也是 包含許多離散組件（摻匈：光纖線軸、產生幫浦光之雷射、 制止光回射之循環器、組合幫浦光及信號光之光纖組合 器’及其他組件）的龐大子系統。 最近幾年，摻鈽波導放大器（EDWA)，即晶片上的離散放 大器’已按照某些文章中說明的那樣進行製造，如Ruby N. (2)

Gosh等人所著的「8-mW Threshold Er3、摻雜之平面波導放大 器（8-mW Threshold Er3+ -Doped Planar Waveguide Amplifier)」， 出版於〈電子電機工程師學會光子學技術通訊（IEEE Photonics Technology Letters)〉，卷 8，號 4，1996年 4月，以 及J. Shmulovich等人所著的「在1550奈米處具有15 dB增益的 積體平面波導放大器（Integrate Planar Waveguide Amplifier with 15 dB gain at 1550 nm)」，出版於〈光纖通訊 99 Technical Digest Post-deadline Paper PD-42 (Optical Fiber Communications '99 Technical Digest Post-deadline Paper PD-42)>，聖地牙哥，CA， 1999年，或者Κ· Hattod等人所著的「與980/1530奈米波分多 工搞合器積體的摻餌碎基波導放大器（Erbium-doped silica-based waveguide amplifier integrated with a 980/1530 nm WDM coupler)」’出版於〈電子通訊（Electronic Letters) >，卷 30， 號11，1994年5月26日。 上述光學網路組件通常使用光纖及光纖連接器互連。光 纖對組件介面及光纖連接器會導致光學信號功率損失，從 而需要安裝更多放大器以將該信號保持在雜訊位準之上。 此外，使用大量離散組件後，網路的安裝、測試、重新配 置會變得極其困難及昂貴。 圖式簡單說明 在圖式中，相同的號碼通常表示相同、功能相似及/或 結構等效的元件。元件首次出現的圖式由參考號碼中最左 邊之數位表示，其中： 圖1為先前技藝光學網路之高階方塊圖；

(3) 圖2為根據本發明之具體實施例的系範性光學網路之高 階方塊圖； 圖3為根據本發明之具體實施例且在圖2中說明的積體光 學電路之範例的高階方塊圖； 圖4為根據本發明之具體實施例的積體光學電路之替代 性範例的高階方塊圖； 圖5為根據本發明之具體實施例的替代性示範積體光學 包路之咼階方塊圖；以及 鲁 圖6及7為根據本發明之具體實施例真在圖2、3、4及5中 說明的積體光學電路製造之連續步驟之橫斷面圖。 具體貫施例詳細龍 此處會詳細說明一種具有積體光學電路的光學網路。在 以下的說明中，會呈現大量特定細節，如特足方法、材料、 裝置等，以充分理解本發明的具體實施例。不過，熟習相 關技藝者會發現即使沒有其中一或多項特定細節或使用其 他方法、組件等也可實施本發明。在其他範例中，並未詳 細呈現或說明廣為人知的結構或操作，以避免使本發明的 _ 各項具體實施例模糊不清。 某些說明部分會使用如波導、積體光學電路、陣列波導 光柵（AWG)、多工器、反多工器、波導放大器、增益、波 長等術語來王現。熟習此項技藝者通常會採用遠類術語以 將其工作之要義傳達給其他熟習此項技藝者。 其他^明部分會使用存取、判定、計數、傳送等術这並 根據電腦系統執行的操作來呈現。熟習此項技藝者會清枯 (4) (4)595136 地理解，此類數量及操作合 V曰私取電、磕或光學 其可通過電腦系統的機楠 。號的元式 、、 械及電乳組件進行儲存、傳送、組 合或控制；術語「電腦系統」包含獨立 ,,m ^ 口 乂勺、附屬的或歲入 的通用及專用資料處理機、系統及同類物。 以最有助於理解本發明^ 士斗 ,發月的万式將各项操作按照依次執行 的夕個離散方塊加以說明。 ^ ^ 、 祝明的順序不能解釋為 邊二掭作一定是順序相關的，或 J 1及β類操作必須按方塊中所 呈現的順序來執行。 整份說明書中參考本發明的「一項具體實施例」或「一 具體實施例」λ示配合具體實施例說明的特定功能、結構 或特徵被包含於本發明至少一項具體實施例中。因此，整 份說明書各處出現的「在一項具體實施例中」或「在一具 體貫施例中」辭令不一定全部代表同一具體實施例。此外， 可在一或多項具體實施例中以任何適當的方式組合特定功 能、結構或特徵。 圖1為一先前技藝光學網路100之高階方塊圖。該光學網 路100可能採用高密度分波多工技術（dense wavelength division multiplexing ; DWDM)，其中傳送一分離資料流之多 個波長的光會在一單一光纖上組合，然後在接收端再次分 離。普通波長包含1530至1560奈米。 該光學網路100包含一組收發器1〇2及1〇8，其可能為η個 收發器，會分別將光學信號發送至光纖U2及114(也可能是 η個光纖）及從光纖接收光學信號。該光纖U2及114可能將η 個單通道光學信號分別耦合至多工器/反多工器1〇4及1〇6， -9- 595136

(5) 並從多工器/反多工器耦合該光學信號。 該多工器/反多工器104是一離散組件，其執行高密度分 波多工技術以組合從該收發器102接收的η個單通道光學信 號，從而產生一多通道光學信號。該多工器/反多工器106 也是一離散的組件，其執行高密度分波多工以從一多通道 光學信號分別分離出η個單通道光學信號。該多工器/反多 工器104及106可能是薄膜濾波器或光纖布拉格光柵（fiber* Bragg gratings)。該多工器/反多工器104及106也可能是積體 電路，如陣列波導光柵（AWG)。該光纖120、122及124都是 離散組件，其耦合圖1中說明的多工器/反多工器104、光學 放大器130及132、多工器/反多工器106間的多通道光學信 號。 光學放大器130及132分別耦合至多工器/反多工器104及 106以放大多通道光學信號。該光學放大器130及132都是η 個離散光學放大器，其置於該光學網路100的遠端點及該 多工器/反多工器104及106的附近。雖然說明的信號按照一 個方向傳播，但是該光學放大器100通常雙向操作，這是 廣為人知的。 圖2為根據本發明之具體實施例的光學網路200之高階方 塊圖；該光學網路200的其中一個特徵是積體光學電路， 其係結合多工器、反多工器及單晶片上的光學放大器，並 耦合至收發器。 例如，收發器102及108分別藉由該光纖112及114耦合至 積體光學電路202及204。該積體光學電路202包含一組光學 -10- 595136 (6) 祖頁 放大器206及一多工器208。該積體光學電路204包含一單一 光學放大器210及一反多工器212。該積體光學電路202藉由 一光纖222耦合至該積體光學電路204。該積體光學電路202 及204的示範具體實施例會根據圖3更詳細地說明。 例如：一積體光學電路300包含至少一光學放大器302， 其係藉由一波導元件306耦合至一陣列波導光栅 (AWG)304。同時，該積體光學電路202及204也包含：一光 纖介面308，其將幫浦光耦合於該積體光學電路202上；一 光纖介面310，其將光學信號光耦合於該積體光學電路202 上；以及一光纖介面312，其與光學功率損失比較藉由光 纖耦合離散光學組件時所遇到的要少的光學信號耦合。 該示範性積體光學電路202的一項特徵是由該光學放大 器302所放大的多通道光學信號内的所有通道都在該增益 區段320中放大。不過，此項具體實施例的增益受到一幫 浦源中有效總功率的限制。此外，不同的波長（或通道）經 歷不同數量的增益，其由放大過程中的活性物質（如，餌 離子）中傳送的耦合強度決定。該示範性光學放大器302會 放大具有最大輸入振幅的通道，這會損壞振幅較弱的輸入 通道。這種非均勾通道放大會引起未放大的通道之信號雜 訊比（SNR)較低。此外，如該AWG 304之類的AWG，通常具 有一非均勻傳輸光譜（即其傳輸取決於波長）^ 在一項具體實施例中，會調整該AWG 304中的波導元件 之設計以補償非均勻通道之放大。在一項具體實施例中， 該波導的形狀及寬度會在星狀耦合器322及324及該波導陣 -11 -

595136 列3 32間的接頭處變化。這會在星狀耦合器324及輸出波導 元件328間的接頭處產生不同的光密度分佈，因此會導致 該波導元件328上的傳輸分佈不同。 圖4為根據本發明的具體實施例之替代性示範積體光學 電路400之高階方塊圖。該示範積體光學電路400包含一耦 合至一組積體光學電路202之光學光的AWG 402。適合採用 該光纖介面308、3 10及3 12的裝置是廣為人知的。 在一項具體實施例中，該AWG 304將來自一單一光學放 大器302的一多通道光學信號藉由一單一波導元件306而多 路分解成幾個單通道光學信號。在另一具體實施例中，該 AWG 304藉由幾個波導元件306而將來自幾個光學放大器302 的幾個單通道光學信號多路組合成一多通道光學信號。 該光學放大器302分別藉由幫浦光波導元件314及光學信 號光波導元件316而耦合至該光纖介面308及310。該光學放 大器302包含一組合器318，其可能將幫浦光與光學信號光 組合。在一項具體實施例中，該組合器3 1 8作為該波導元 件3 14及3 16間的消散耦合器而形成。該光學放大器302也包 含一增益區段320，其在一項具體實施例中是局部摻雜 (如，濺射）一活性物質（如餌或其他稀土離子）的波導元件 314。 該AWG 304藉由將光通過由預定不同長度及形狀的幾個 光學波導元件組成的光柵而執行分波多工。例如，該AWG 304包含一輸入星狀耦合器322及一輸出星狀耦合器324，其 分別藉由一組輸入波導元件326及一組輸出波導元件328而 595136 (8) 光學地耦合一光學波導陣列332的兩端。該組輸出波導元 件328耦合至該光纖介面312。因為該積體光學電路202上的 所有組件藉由波導元件耦合，如放大器404及一 AWG 408藉 由一組波導元件408及410耦合。該範例可包含於一光學網 路中，如該光學網路200。在操作過程中，該範例AWG 402 將一多通道光學信號多路分解成幾個單通道光學信號。每 個單通道光學信號藉由該組光學放大器404中的其中一個 放大器而分離放大。然後，該AWG 406多工及放大單通道 光學信號。選擇在該組光學放大器404中每個光學放大器 的參數以給與每個通道相等的增益。 圖5為根據本發明的具體實施例之替代性示範積體光學 電路500之高階方塊圖。該示範積體光學電路500包含：一 組光纖介面502，其將幫浦耦合於該積體光學電路500上； 一光纖介面504,其將光學信號光耦合於該積體光學電路500 上；以及一組光纖介面506，其耦合該積體光學電路106的 光學信號光。適合採用該光纖介面502、504及506的裝置是 廣為人知的。 該示範性積體光學電路500包含一 AWG 501，其包含一輸 入星狀耦合器522及一輸出星狀耦合器524，其分別藉由一 組輸入波導元件526的一組輸出波導元件528而光學地耦合 一光學波導陣列532的兩端。該組輸出波導元件528耦合至 一組光學放大器505。 該組光學放大器505包含一組組合器510，其包含一組幫 浦光波導元件5 12及一組光學信號波導元件5 14。該組光學 -13- 595136 (9) 放大器505還包含一組增益區段520。根據圖5中說明的具體 實施例，每個單獨光學放大器505可能放大η個單一通道光 學信號的其中之一。在一項具體實施例中，該單獨光學放 大器的長度係特別訂製，以補償該AWG 501的非均勻增益 光譜。 根據本發明之具體實施例的一積體光學電路（如，該積 體光學電路202、204、300、400及/或500)係一平面光波電 路（planar lightwave circuits ; PLC)，其位於使用適當的半導 體處理設備製造的一矽基板上。圖6為一橫斷面圖600，其 呈現了製造根據本發明的具體實施例之積體光學電路的過 程。一矽石（Si02)層604可能（例如）使用熱氧化方法沉積於 一矽基板602上以形成較低的光學波導包覆。一矽石、鍺 及餌層（如SiO2+Ge+Er3+)606可能（例如）使用氫氧焰沉積 (flame hydrolysis deposition)或化學氣相沉積等方法而沉積於 該第一層Si02上。 圖7為一橫斷面圖，其顯示了製造根據本發明之具體實 施例的一積體光學電路（如，積體光學電路202、204、300、 400及/或500)之另一方法。例如，幾個波導核心元件702使 用化學方法形成於該積體光學電路106上以藉由（例如）反應 離子蝕刻而移除該Si02+Ge+Er3+層406的除選擇部分外之所 有部分。一 Si02層720可能（例如）使用氫氧焰沉積法或化學 氣相沉積法方法而沉積於該光學波導元件702上。 一光學網路具有該積體光學電路106，其將光學組件積 體於一單晶片上，這樣做會有幾個優點。第一是減少成本， -14- 595136 (ίο) 因為該單獨積體光學電路（如具有AWG的光學放大器）可能 使用與電子组件相同的方法(如藉由製造設備中的半導體 方法）來製造。這音4田益右今曰 〜、明者在邊日曰片上增加較多組件可提供 ^個離散組件的功合匕 ^ /¾ t A , 力把，而在彳貝袼上只比一個積體組件略有 增加。 第疋節省功率，因為藉由將該組件積體到一單晶片 上’會使光學損耗較少，因為會有較少光纖連接。傳統地， 每個離散組件藉由光纖連接，每個連接會引進功率損耗， 且功率損耗在連接中是累積的。 第一疋節省忒光學網路中的空間，這意謂著晶片可以較 小’並且可將傳統的機架式子系統減小至卡式子系統。此 外’卡式子系統還會節省系統積體及系統測試中的成本β 本發明的具體實施例可使用硬體、軟體或硬體及軟體的 組合而實施。此類實施方案包含狀態機器（state machines)及 專用積體電路（application specific integrated circuits ; ASIC)。 在使用軟體的實施方案中，該軟體可儲存於一電腦程式產 品（如光碟、磁碟、軟碟等）或一程式儲存裝置（如光碟驅動 器、磁療驅動器、軟碟驅動器等）中。 上述對本發明之具體實施例的說明並非徹底的，或將本 發明限於所揭露的精確形式。本文說明的本發明之特定具 體實施例及範例係為瞭解說性目的，熟習相關技藝者會發 現可在本發明的範疇内作各種等效的變更。可根據上述詳 細的說明對本發明作這些變更。 在以下的申請專利範圍中使用的術語不應解釋為將本發 -15· 595136 (ii) 發明說明績頁 明限於在本說明書及該申請專利範圍中所揭露的特定具體 實施例。而是，本發明的，範疇完全由以下的申請專利範圍 決定，此類申請專利範圍根據已建立的申請專利範圍之解 釋規則而加以解釋。 圖式代表符號說明 100 光學網路 102 收發器 108 收發器 112 光纖 114 光纖 104 多工器/反多工器 106 多工器/反多工器 120 光纖 122 光纖 124 光纖 130 光學放大器 132 光學放大器 200 光學網路 202 積體光學電路 204 積體光學電路 206 光學放大器 208 多工器 210 單一光學放大器 212 反多工為

-16- (12) 光纖 積體光學電路 光學放大器 陣列波導光柵 波導元件 光纖介面 光纖介面 光纖介面 波導元件 波導元件 組合器 增益區段 星狀耦合器 星狀耦合器 波導元件 波導元件 光學波導陣列 積體光學電路 陣列波導光栅 光學放大器 陣列波導光柵 波導元件 波導元件 積體光學電路 -17- (13) 光纖介面 光纖介面 光纖介面 陣列波導光栅 輸入星狀耦合器 輸出星狀耦合器 波導元件 波導元件 光學波導光柵 光學放大器 組合器 幫浦光波導元件 光信號波導元件 增益區段 橫斷面圖 矽基板 層 層 層 -18-

Claims (1)

1. 595136 第091123821號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年5月） 拾、申請專利範圍 1. 一種光學系統，其包含： 一組收發器，以耦合一組光學通道；以及 一積體光學電路，耦合以接收來自收發器的光學通 道，該積體光學電路具有： 一組光學放大器，形成於該積體光學電路中；以及 一組陣冽波導光柵（AWG)，形成於該積體光學電路 及耦合至該組光學放大器。 2. 如申請專利範圍第1項之光學系統，進一步包含一組光 纖，以將該組收發器耦合至該積體光學電路。 3. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該組光學放大器 包含一組波導元件，以組合幫浦光及光學信號光。 4. 如申請專利範圍第3項之光學系統，其中該組光學放大器 包含一組耦合該組波導元件的增益部分。 5. 如申請專利範圍第4項之光學系統，其中該組光學信號包 含一多通道光學信號，且該AWG與該多通道光學信號耦 合，以將該多通道光學信號解多工成一組單通道光學信 6. 如申請專利範圍第4項之光學系統，其中該組光學信號包 含一組單通道光學信號，且該AWG係與其耦合以將該組 單通道光學信號多路組合成一多通道光學信號。 7. —種光學裝置，其包含： 一積體光學電路，其具有： 形成於該積體光學電路中之一組光學放大器；以及 595136 Γ77；----—- 申請專利範圍續耳 年月曰 形成於該積體光學電路中並輛合至該組光學放大器 之一陣列波導光柵（AWG)。 8. 如申請專利範圍第7項之光學裝置，其中該AWG係藉由一 組輸入波導元件耦合至一組光學放大器輸入。 9. 如申請專利範圍第8項之光學裝置，其中該AWG係藉由一 組輸出波導元件耦合至一組光學放大器輸出。 10. 如申請專利範圍第7項之光學裝置，其中該組光學放大器 包含一組耦合至該組波導元件的增益部分。 11. 一種光學裝置，其包含： 一積體光學電路，其具有： 形成於該積體光學電路中之一第一陣列波導光栅 (AWG)及一第二AWG ;以及 形成於該積體光學電路及在該第一及第二AWG間耦 合之一組光學放大器。 12. 如申請專利範圍第11項之光學裝置，其中該第一及第二 AWG係藉由一組波導元件而耦合至該組光學放大器。 13. 如申請專利範圍第12項之光學裝置，其中該組光學放大 器係耦合以結合幫浦光及光學信號光。 14. 一種光學裝置，其包含： 一積體光學電路，其具有： 形成於該積體光學電路中並具有一組輸出波導元件 之一陣列波導光栅（AWG); 形成於該積體光學電路及耦合該輸出波導元件之一 組光學放大器。 15.如申請專利範圍第14項之光學裝置，其中該組光學放大 595136 f 申請專利範圍績耳 年月 曰 器中的各光學放大器均具有一預定的長度，以補償該 AWG的非均勻增益光譜。 16. 如申請專利範圍第1 5項之光學裝置，其中該組光學放大 器係耦合，以結合幫浦光及光學信號光。 17. 如申請專利範圍第16項之光學裝置，進一步包含一幫浦 介面，以將幫浦光耦合至該組光學放大器。 18. 如申請專利範圍第16項之光學裝置，進一步包含一光學 信號介面，以將光學信號光耦合至該AWG。 19. 一種光學裝置，其包含： 一積體光學電路，其具有： 形成於該積體光學電路中’並具有一組波導元件輸 入之一陣列波導光栅（AWG); 形成於該積體光學電路中，並耦合該輸入波導元件 之一組光學放大器。 20. 如申請專利範圍第19項之光學裝置，其中該組光學放大 器係耦合以結合幫浦光及光學信號光。 21. 如申請專利範圍第19項之光學裝置，其中該AWG包含一 波導陣列，其中該波導陣列中各波導之一形狀及寬度會 變化，以產生一 AWG輸出波導陣列之一變化的光分佈。 22. —種光學方法，其包含： 在一單一積體光學電路中至少形成一多工器/反多工 器；以及 在該單一積體光學電路中至少形成一光學放大器，及 將該光學放大器之一輸出藉由形成於該積體光學電路中 之波導，而搞合至該多工器/反多工器之一輸入。 595136 g正替換頁 申請專利範圍績耳 23. 如申請專利範圍第22項之光學方法，進一步包含在該單 一積體光學電路中形成一第二波導，以將一光學放大器 信號輸入搞合至該單一積體光學電路上之一信號粞合 器。 24. 如申請專利範圍第22項之光學方法，進一步包含在該單 一積體光學電路中形成一第二波導，以將一光學放大器 幫浦輸入耦合至該單一積體光學電路上之一幫浦耦合 器。 25. 如申請專利範圍第22項之光學方法，其中在一單一積體 ,光學電路中形成一多工器/反多工器包含在該單一積體 光學電路中形成一陣列波導光栅（AWG)。 26. 如申請專利範圍第22項之光學方法，其中在一單一積體 光學電路中形成一光學放大器包含在該單一積體光學電 路中形成之一波導中摻雜稀土離子。 27. 如申請專利範圍第26項之光學方法，其中在該單一積體 光學電路形成之一波導中濺射稀土離子包含在該單一積 體光學電路形成之一波導中濺射铒離子或镨離子。 28. —種光學方法，其包含： 在一單一積體光學電路中至少形成一多工器/反多工 器；以及 在該單一積體光學電路中至少形成一光學放大器，並 將該光學放大器之一輸入藉由形成於該積體光學電路中 之一波導元件而搞合至該多工器/反多工器之一輸出。 29.如申請專利範圍第28項之光學方法，其中在一單一積體 光學電路中形成一多工器/反多工器包含在該單一積體 595136

   申請專利範圍績耳 光學電路中形成一陣列波導光柵（AWG)。 30.如申請專利範圍第28項之光學方法，其中在一單一積體 光學電路中至少形成一光學放大器包含在該單一積體光 學電路中形成的至少一波導元件中摻雜稀土離子。