專利名稱：帶寬調節式波長去復用器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光通信系統，這些系統包括能根據波長選擇光信號通路的波長多路復用器和去復用器。
波長多路復用器可將分立光纖中傳輸的不同波長的光信號送入單根光纖中，然后再由波長去復用器將其送入分立的光纖中。一般，在多路復用和去復用操作中使用的裝置必須是可逆的，這樣同樣的裝置可以在某個傳輸方向上起多路復用器的作用，而在相反的傳輸方向上起去復用器的作用。
上述裝置包括由色散和聚焦元件互連的輸入和輸出光導體。在本發明為較佳形式的平面光路中，輸入和輸出導體是由沉積在平面襯底上的纖芯材料形成的波導，纖芯材料被具有不同折射率的類似沉積的包層所覆蓋。通常，還在襯底上形成一衍射鏡片，用于色散不同波長的光。衍射鏡片還可用來聚焦不同波長的光，或者用一獨立透鏡實現此目的。
在多路復用模式中，聚焦衍射鏡片使各輸入波導發送的不同波長的光重疊于單根輸出波導上。在去復用模式中，衍射鏡片使單根輸入波導發送的不同波長的光分離，并將分離后的光聚焦在各個輸出波導上。
在設計多路復用/去復用裝置時要考慮幾個競爭因數。例如，最好在較窄的波長范圍內具有較高的信道密度。但是，每個信道的帶寬最好盡可能寬，以便適應現實實際中信道的波長變化，另外最好將串音保持最低，以便區分相鄰的信道。
本發明旨在優化平面波長多路復用器和去復用器設計中信道帶寬和串音衰減之間的協調。通過調節輸入和輸出波導模場的大小可以控制這種協調，它由兩個相鄰的信道賦予一個預定波長的信道。模場半徑(即，強度分布曲線在最大強度l/e2處的半徑)的增大會增加信道帶寬，但減弱了串音衰減。但是，對串音衰減量給出一個容差時，通過調節模場半徑可以優化帶寬，所述容差被作為相鄰信道信號衰減的量度。
用漏斗體(funnel)改變輸入和輸出波導的寬度，可以調節波導模場的大小。例如，本發明可以用作去復用器，它具有單根可以傳輸不同波長信道中多個光信號的輸入波導，和一系列獨立傳輸不同波長信道的輸出波導。色散和聚焦鏡片使輸入波導里端發出的不同波長信道色散，并使不同波長信道聚焦在一系列輸出波導里端上。漏斗體可被安裝在輸入和輸出波導的這些里端，并沿波導各自的長度方向改變其寬度，從而變化模場半徑。漏斗體還可沿波導安裝在里外端之間的任何地方。這樣的話，便可在漏斗體和波導里端之間用較寬的波導引導光。
漏斗體的外寬度對應于漏斗體與波導外端之間的波導寬度，內寬度可在波導里端產生所需的模場，而其半角度量了從漏斗體外寬度至內寬度的變化率。半角最好小于0.5度，以便在兩種寬度之間提供一絕熱變化(adiabatic transition)。輸入和輸出波導里端的漏斗體最好具有相似的大小，以便使其他耦合損耗降至最低。
盡管在這些漏斗體參數和模場半徑之間不存在簡單的關系，但是眾所周知，增加漏斗體內寬度可以增大模場半徑。模場半徑與信道帶寬或串音衰減之間的關系可以從輸入和輸出波導之間的耦合系數導出，耦合系數可表示成各信道波長中心處的一波長范圍的分貝損耗。
信道帶寬的定義是，分貝損耗小于一預定值的波長范圍，而串音衰減被定義為相鄰信道波長處的分貝損耗。通過增大模場半徑，可將任何過量的串音衰減轉換成加寬的信道帶寬。漏斗體可增大模場半徑，并在其外端保持所需的波長寬度，以便與較大的光學系統相連。
圖1是本發明平面光路中多路復用器/去復用器的透視示意圖。
圖2是一系列里端裝有漏斗體的輸出波導的放大平面圖。
圖3是參照限定漏斗體的參數的類似輸入波導的放大展開平面圖。
圖4是耦合系數函數的曲線圖，示出了在位于一例舉的信道波長中心處的波長范圍內，模場半徑變化對分貝損耗的影響。
附圖中示出了本發明用作平面鏡片的較佳實施例。本實施例就去復用器的光傳播方向進行描述，但同樣可在相反的光傳播方向上起到多路復用器的作用。事實上，在使用多路復用器和去復用器術語時，只使實施例涉及這兩種可能功能中的一個，但并不排斥另一個。
密集型波長去復用器的平面光路10制備在石英之類的襯底12上。其余兩層是纖芯材料層14和包層材料層16，它們具有不同的折射率。例如，可將二氧化硅用作包層材料12，而將摻鍺的二氧化硅用作纖芯材料14。用眾所周知的沉積技術可以形成纖芯材料層14和包層材料16。
輸入波導20和輸出波導22會聚于所謂Rowland圓的圓周切線上，曲率半徑等于Rowland圓之直徑的環形衍射光柵24也位于該圓的切線上。輸入波導20和輸出波導22在Rowland圓上具有其各自的里端28和30，它們的外端32和34圍繞平面光路10的周邊適當分離，以便與較大的光學系統(未示出)相連。衍射光柵24的刻面36被刻蝕成纖芯材料14和包層材料層16，并被反射涂層18所覆蓋。
輸入和輸出波導20和22相對于衍射光柵24定位在Rowland圓上，致使輸入波導20里端28處的模場按照成象光(imaged light)各自的波長聚焦在輸出波導22不同的里端30上。由此，可用輸出波導22里端30的定位實現信道波長的選擇。為了給諸信道提供不變的波長間隔，必須將輸出波導22的里端30等間距地安排在Rowland圓的中心。兩波導之間的間距“s”(可用單位微米表示)以及信道波長間隔“sλ”(可用單位納米表示)必須按下式與Rowland圓上光柵24所產生的波長色散“σ”(可用單位微米/納米表示)相一致s＝σsλ假設本設計不考慮光學像差，那么被衍射場是輸入波導模場的實際成象，且其圍繞Rowland圓的位置由信道波長“λ0”確定。與輸出波導22耦合的光是衍射光柵24產生的被衍射場與輸出波導模場之間的重疊積分。這兩個相同場之間具有類似高斯分布的耦合系數可以通過以下簡單函數表示dBloss=4.34[σ(λ-λ0)w]2]]>其中，“dBloss”是以分貝為單位的信號損耗量，“λ”是信道波長“λ0”附近一波長范圍內的波長，而“w”是模場的公共半徑(單位為微米)。
圖4示出了關于兩個不同模場半徑“w”的函數。假設信道間隔“sλ”為1納米，波長色散“σ”為20微米/納米，由此在Rowland圓上兩個相鄰輸出波導之間的間距“s”為20微米。在信道波長“λ0”處具有最大曲率的曲線40表示模場半徑“w”為4微米，而曲線42表示模場半徑“w”為9微米。用信道間隔“sλ”替代“(λ-λ0)”項，便得到相鄰信道上串音衰減“Xtalk”的表達式Xtalk=4.34[σsλw]2]]>曲線40的串音衰減“Xtalk”超過100分貝，該值大大超過了通常要求串音衰減處于20分貝附近的要求。曲線42的串音衰減“Xtalk”約為21分貝。兩條曲線40和42還影響信道帶寬“△λFWHM”，該量被定義為分貝損耗“dBloss”小于一預定數值(例如，3分貝)所處的波長范圍。用半信道帶寬“△λFWHM/2”替代耦合系數中的“(λ-λ0)”項，并重新整理得到以下表達式ΔλFWHM=dBloss4.342wσ]]>當分貝損耗“dBloss”給定為3分貝時，信道帶寬“△λFWHM”的表達式簡化為ΔλFWHM=1.66wσ]]>
當模場半徑“w”從4微米增大至9微米時，信道帶寬“△λFWHM”也從0.33納米增長至0.75納米。因此，通過增大模場半徑“w”可將串音衰減“Xtalk”超過20分貝的部分轉換成信道帶寬的增長“△λFWHM”。
圖2和圖3示出在輸入和輸出波導20和22各自的里端28和30處使用了漏斗體46和48，用于調節模場半徑“w”。如圖3所示，漏斗體46作為所有漏斗體46和48的舉例，其外寬度“Wo”與其余波導20的寬度“Wr”相等，而其內寬度“Wi”是在波導20的里端28處測得的。外寬度“Wo”和內寬度“Wi”之間的變化用半角“α”來度量，其值最好小于0.5度，以便提供模場耦合不大的絕熱變化。
盡管存在許多其他因素影響模場半徑“w”，但本人發現，使內寬度“Wi”相對漏斗體46和48某預定外寬度“Wo”增大可以增加模場半徑“w”。例如，本人發現逐漸將波導的內寬度大小“Wi”增大至14微米，便可將6.5微米(即，Wo＝6.5微米)矩形波導的模場半徑“w”從4微米增大到6微米。最大內寬度“Wi”首先受到輸出波導里端之間間距“s”的限制。根據處理特性，最大內寬度“Wi”還受到兩個相鄰信道之間相鄰耦合的限制。該相鄰耦合會導致來自一波導的光與來自另一波導的光耦合，而該耦合必須大于目標串音衰減“Xtalk”。另外，漏斗體46和48的大小最好相等，以免附加耦合損耗。
本發明還可應用于其他各種波導間光的色散和聚焦情況，包括平面波導與體光學結合的混合光學。獨立的光學元件也可用來完成色散和聚焦功能。例如，可將不聚焦的衍射光柵與一透鏡一起使用。按波長色散光的長度可變的波導或其他結構可用來代替衍射光柵。
權利要求
1.一種可對信道帶寬和串音衰減作相對調節的波長多路復用器/去復用器，其特征在于，包括第一導體，它沿在外端和里端之間延伸的長度方向傳送不同波長信道中的多個光信號；一系列第二導體，它們各自沿在外端和里端間延伸的長度方向獨立傳送不同波長信道；一色散和聚焦鏡片，它色散第一導體所述里端發出的不同波長信道，并將不同波長信道聚焦在第二導體系列的所述里端上；以及漏斗體，它們位于第二導體的所述里端和外端之間，其寬度沿第二導體的長度方向變化，以便對信道帶寬和相鄰信道間的串音衰減作相對調節。
2.如權利要求1所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，所述第一和第二導體之間的耦合系數可以表示成處于各信道波長中心的波長范圍內的分貝損耗。
3.如權利要求2所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，信道帶寬被定義為分貝損耗小于一預定值的波長范圍，并且串音衰減被作為相鄰信道波長處分貝損耗的量度。
4.如權利要求3所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，所述漏斗體的形狀可在減少串音衰減的同時擴展信道帶寬，從而利用了過量的串音衰減。
5.如權利要求1所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，還將一漏斗體安置在第一導體的所述里端和外端之間。
6.如權利要求5所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，位于第一導體所述里端和外端之間的所述漏斗體的大小類似于位于第二導體所述里端和外端之間的所述漏斗體，以便降低耦合損耗。
7.如權利要求1所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，所述漏斗體由以下參數定義第一寬度，它對應于所述漏斗體與第二導體所述外端之間所述第二導體的寬度；第二寬度，它對應于第二導體所述里端處的寬度；和半角，它度量了漏斗體從所述第一寬度至所述第二寬度的變化率。
8.如權利要求7所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，限制所述半角，以便在所述第一和第二寬度之間提供一絕熱變化。
9.如權利要求8所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，所述半角不大于1度。
10.如權利要求7所述的多路復用器/去復用器，其特征在于，漏斗體的所述第二寬度小于兩相鄰第二導體所述里端之間的間距。
11.一種信道帶寬增大的光學去復用器，其特征在于，包括輸入波導，它具有一輸入波導模場；一系列輸出波導，每個輸出波導都具有一輸出波導模場；色散鏡片，它具有一系列色散場，大體上能將輸入波導模場成象至每個所述輸出波導上，從而使所述輸出波導獨立地傳送由所述輸入波導傳送的多個信道；以及漏斗體，它們位于能夠擴展輸出模場的所述輸出波導中，從而增大了輸出波導傳送的信道寬度。
12.如權利要求11所述的去復用器，其特征在于，根據以下關系式可以大致確定最大分貝損耗“dBloss”的信道帶寬“△λFWHM”ΔλFWHM=2wdBloss4.34σ]]>其中“w”是輸出模場的模場半徑，而“σ”是對波長沿焦線色散的度量。
13.如權利要求12所述的去復用器，其特征在于，所述漏斗體增大了模場半徑“w”，并且/或者所述漏斗體里端的寬度大小與模場半徑“w”的數值具有相同的數量級。
14.如權利要求11所述的去復用器，其特征在于，所述輸入和輸出波導在外端和里端之間延伸其各自的長度，并且所述衍射鏡片在輸入和輸出波導的所述里端之間傳送成象。
15.如權利要求11所述的去復用器，其特征在于，沉積在平面襯底上的纖芯材料將所述輸入和輸出波導固定在平面襯底上，并且在所述輸入和輸出波導上覆蓋了一層具有不同折射率的類似沉積的包層。
16.如權利要求15所述的去復用器，其特征在于，至少具有以下一條特性(a)通過沿波導的長度方向改變所述纖芯材料的寬度來形成所述漏斗體；(b)向波導的里端擴大所述漏斗體的寬度；(c)限制擴大的變化率，以便提供絕熱變化；(d)位于輸入波導中的漏斗體的大小類似于位于輸出波導中的所述漏斗體的大小，以便降低耦合損耗。
17.一種在去多路復用光學裝置中優化信道帶寬和相鄰信道間串音衰減的方法，其特征在于，包括以下步驟用一色散鏡片使一輸入波導與一系列輸出波導耦合，所述色散鏡片產生一系列色散場，大體上能將輸入波導的模場成象在每個所述輸出波導上；并且在輸入和輸出波導中形成漏斗體，以便增大模場半徑，從而擴大信道帶寬并降低串音衰減，利用過量的串音衰減，還可選擇包括使位于輸入和輸出波導中的漏斗體大小相等以便降低耦合損耗的步驟，并且/或者形成漏斗體的步驟包括以提供絕熱變化的變化率改變波導寬度的步驟。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，根據以下關系式可以大致確定最大分貝損耗“ dBloss”的信道帶寬“△λFWHM”ΔλFWHM=2wdBloss4.34σ]]>其中“ w”是輸出模場的模場半徑，而“σ”是對波長沿焦線色散的度量，并且/或者根據以下關系式大致確定某給定波長間隔“sλ”時的串音衰減“Xtalk”Xtalk=4.34[σsλw]2]]>
全文摘要
通過改變輸入和輸出波導的模場可以在密集型波長去復用器中獲得串音與信道帶寬之間的協調。在輸入和輸出波導的里端和外端之間形成漏斗體，可以增大模場半徑，由此降低了串音衰減，且增加了信道帶寬。
文檔編號H01P5/00GK1161582SQ96117968
公開日1997年10月8日 申請日期1996年12月27日 優先權日1996年12月27日
發明者丹尼斯M·特魯契特 申請人:康寧股份有限公司