專利名稱：光復(fù)用/去復(fù)用器裝置,光波長選擇濾波器和制造濾波器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于波分復(fù)用光信號的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置。
背景技術(shù)：
在波分復(fù)用光信號或WDM光信號中，借助于光波長域中的復(fù)用技術(shù)，需要沿包括光纖或波導(dǎo)的線路發(fā)送多個互相獨立的光信號；發(fā)送的信號可以是數(shù)字信號或模擬信號，它們之間的區(qū)別是，每個信號有與其他信號分開的特定波長。
為了沿線路實施這種WDM傳輸，需要給每個不同波長的信號指定預(yù)定幅度的特定波長，在以下的描述中稱之為“信道”。這些信道中的每個信道在以下的描述中用波長值標(biāo)識，該波長稱之為中心信道波長，這些信道在中心波長值附近有某個頻譜幅度，它具體取決于信號源激光特性和對激光的調(diào)制，從而使數(shù)據(jù)元與信號相關(guān)。信道頻譜幅度的典型值是200GHz或100GHz(ITU頻帶)。利用這個頻譜幅度，一個信道與另一個信道之間的間隔是1.6nm或0.8nm。
若頻譜幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于200GHz，則WDM信號稱之為CWDM信號或“粗WDM”信號。
當(dāng)前，在遠(yuǎn)程通信領(lǐng)域，利用光纖提供的已知寬帶性質(zhì)，光學(xué)技術(shù)主要用于長距離的光信號傳輸。與此相反，給多個用戶分配信號(例如，模擬和/或數(shù)字電視和/或電話信號)和在電子設(shè)備(例如，LAN網(wǎng)中的個人計算機)之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的最常用技術(shù)利用電纜，例如，同軸電纜或銅線對制成的電纜。
然而，電纜有相對窄的頻帶，它們成為傳輸信號頻帶的瓶頸。而且，電纜存在電磁干擾，阻抗匹配以及因十分堅硬很難引入到建筑物合適配線管道的問題。此外，由于體積龐大，嚴(yán)重減少可以插入到配線管道的電纜數(shù)目。而且，由于電安全性的要求，這些電纜要求與分配電能的電纜有單獨的配線管道。
因此，不但在長距離的信號傳輸方面，而且在從公共分支點到多個用戶設(shè)備的信號分配網(wǎng)絡(luò)方面，正在研究利用光學(xué)技術(shù)的可能性。事實上，光纖光纜適合于插入到建筑物的合適配線管道中，因為它們的體積不太大，而且比較柔軟，沒有電磁干擾，以及它們的彎曲損耗非常低。此外，它們適合于插入到與分配電能相同的配線管道中。而且，光纖潛在地有非常寬的頻帶，低的衰減值，以及它們對于比特率，格式和傳輸碼是透明的。
此外，在各種類型光纖中，單模光纖是優(yōu)選的，因為它們對彎曲損耗很不靈敏，而且，它們較廉價，更堅固，其吸收損耗小于多模光纖；它們適用于WDM或CWDM傳輸，以及它們有較寬的頻帶，因此使信號分配網(wǎng)是容易升級的。
美國專利No.5,911,019描述一種光纖通信網(wǎng)，包括光纖分配節(jié)點，利用饋線光纜從中心局饋送到光纖分配節(jié)點；多個網(wǎng)絡(luò)單元，其作用是把來自光纖信號的信號轉(zhuǎn)換成電信號。所述光纖分配節(jié)點包括分配通信信號到所述網(wǎng)絡(luò)單元的復(fù)用器/分束器。最后，利用所述網(wǎng)絡(luò)單元與多個生活單元連接的電纜。通常，波長為1300nm和1550nm的兩個頻譜頻帶用于在生活單元與中心局之間往返發(fā)射各個話音信道。1550nm范圍內(nèi)的頻帶用于從生活單元發(fā)射單個話音信道到中心局，而1300nm范圍內(nèi)的頻帶用于反向的傳輸，反之亦然。
在WO 0150644中描述光局域網(wǎng)。
本發(fā)明申請者已觀察到，在光局域網(wǎng)中，WDM信號可用于分配多個經(jīng)光纖來自長距離傳輸?shù)碾娨暫?或電話和/或互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字或模擬信號到多個電子用戶設(shè)備。例如，所述WDM信號中一個信道可用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字信號，另一個信道可用于電視信號，等等。按照這種方式，每個信號可以有很寬的頻帶。為了校正這些傳輸信號(WDM)的接收，需要在不同波長信號之間產(chǎn)生間隔，從而引導(dǎo)它們到網(wǎng)絡(luò)(光局域網(wǎng))中的相應(yīng)用戶。去復(fù)用器裝置實現(xiàn)信號之間的所述間隔。此外，諸如計算機的用戶設(shè)備信號(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字或模擬信號)和電話信號是雙向信號。在這種情況下，去復(fù)用器裝置還必須具有復(fù)用器裝置的功能。
我們知道實現(xiàn)光復(fù)用/去復(fù)用器裝置的許多技術(shù)。一種技術(shù)是利用相移bragg濾波器。這些濾波器是方便地用于選取單個窄頻帶信道和多信道波長去復(fù)用操作。1995年12月12日發(fā)表在Journal ofLightwave Technology上的文章“Phase-Shifted Bragg grating filterwith improved transmission characteristics”描述有1/4波長移位Bragg光柵的濾波器，它在阻帶中心有極窄的透射峰，但其形狀不適用于系統(tǒng)設(shè)計。通過引入幾個相移區(qū)和正確選擇它們的位置和幅度，可以使透射譜具有近似的矩形。
本申請者已觀察到，所述文章中的濾波器適用于高速率光系統(tǒng)，其信道與相鄰信道之間的間隔為0.4nm(3dB帶寬)。一般地說，高速率光傳輸系統(tǒng)中的間隔實際上是200GHz或100GHz(ITU頻帶)，一個信道與另一個信道之間的波長間隔為1.6nm或1.8nm。
光局域網(wǎng)使用低成本的裝置和元件，例如，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)射光信號的低成本發(fā)射激光器，光復(fù)用器，分束器和電子裝置。通常，所述激光器與高成本的長距離光遠(yuǎn)程通信中發(fā)射激光器有很大的不同。長距離光遠(yuǎn)程通信中的激光器是溫度穩(wěn)定激光器，因為傳輸波長的重大起伏是有害的。在DWDM(密集WDM)遠(yuǎn)程通信中，信道之間的間隔小于1nm。用于穩(wěn)定激光器中溫度和波長的裝置是高成本的。光局域網(wǎng)中的所述激光器最好發(fā)射信道間隔大于1nm的信道。最好是，光局域網(wǎng)中的典型激光器是發(fā)射波長在800-900nm范圍內(nèi)的垂直腔激光器。所述激光器的中心波長起伏可能大于0.5nm。
本申請者已涉及配置CWDM復(fù)用/去復(fù)用器的問題，最好是，這種復(fù)用/去復(fù)用器可應(yīng)用于光局域網(wǎng)中使用的光WDM信號。具體地說，本申請者已涉及分開有很大頻譜幅度的光WDM信號的問題。每個信道傳輸必須由接收器檢測的信息。CWDM復(fù)用/去復(fù)用器裝置應(yīng)當(dāng)在每個信道的中心波長值附近有足夠平坦的頻帶，從而保持每個信道傳輸信息的可檢測性。此外，本申請者已涉及配置成本低，尺寸小以及能夠與電子裝置容易耦合的CWDM復(fù)用/去復(fù)用器的問題。
本申請者已發(fā)現(xiàn)，借助于有高差距調(diào)制折射率的光柵狀光結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)這樣的濾波器，它能夠分開具有寬而平坦頻譜響應(yīng)的CWDM光信號的信道。這些濾波器能夠分開具有很寬頻帶的光WDM信號。
具有高差距折射率的光結(jié)構(gòu)是這樣的結(jié)構(gòu)，它包括至少有第一折射率的第一區(qū)和至少有第二折射率的第二區(qū)，所述第一區(qū)與所述第二區(qū)相鄰，其中所述第一折射率與所述第二折射率之間的差距大于0.1。具體地說，所述第一區(qū)是高折射率區(qū)(例如，硅凸塊的折射率約為1.5)，所述第二區(qū)是低折射率區(qū)(例如，波導(dǎo)上實現(xiàn)的切口是空氣，其折射率約為1)。
具有高差距調(diào)制折射率的光結(jié)構(gòu)是這樣的結(jié)構(gòu)，它包括多個高折射率區(qū)和多個低折射率區(qū)，在兩個接連高折射率區(qū)之間形成一個低折射率區(qū)，其中所述多個高折射率區(qū)中至少兩個高折射率區(qū)有各不相同的尺寸。
最好是，所述多個低折射率區(qū)中至少兩個低折射率區(qū)有各不相同的尺寸。
高折射率區(qū)與低折射率區(qū)之間的接連或交替產(chǎn)生多個透射型對偶和多個反射型對偶，所述透射型對偶和所述反射型對偶包括一個所述高折射率區(qū)和一個所述低折射率區(qū)。具體地說，每個透射型對偶透射預(yù)定透射波長頻帶中的光束，而每個反射型對偶反射預(yù)定反射波長頻帶中的光束。
最好是，所述光結(jié)構(gòu)基本上是相對于光傳播方向的對稱結(jié)構(gòu)，即，前一半的所述結(jié)構(gòu)與后一半是對稱的。
整個結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的多個透射型對偶和反射型對偶。最好是，各個透射型對偶的尺寸是各不相同的。此外，各個反射型對偶的尺寸可以是各不相同的。
透射型對偶和反射型對偶的所述交替在兩個相鄰反射頻帶(阻帶)之間產(chǎn)生足夠?qū)挼耐干漕l帶(通帶)。
所述結(jié)構(gòu)的頻譜響應(yīng)是所有對偶(透射型對偶和反射型對偶)頻譜響應(yīng)的乘積。按照這種方式，整個頻譜響應(yīng)比每單個對偶的頻譜響應(yīng)更陡峭。
“切趾”結(jié)構(gòu)是第一透射型對偶與第二透射型對偶之間至少設(shè)置一個反射型對偶的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的透射頻帶(通帶)比接連透射型對偶結(jié)構(gòu)的更平坦。切趾結(jié)構(gòu)中接連凸塊寬度的所述增大也有助于得到平坦的通帶。接連反射型對偶數(shù)目的所述增多也有助于得到平坦的通帶。

發(fā)明內(nèi)容
具體地說，本發(fā)明者已在包括波導(dǎo)的半導(dǎo)體基片上實現(xiàn)復(fù)用/去復(fù)用器裝置，在該波導(dǎo)上設(shè)置所述濾波器。所述濾波器包括多個所述高折射率區(qū)和多個所述低折射率區(qū)形成的共振結(jié)構(gòu)，它們設(shè)置在所述波導(dǎo)的預(yù)定位置。
本發(fā)明的第一方面涉及光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，包括-基片，-所述基片上的多個波導(dǎo)，-在所述多個波導(dǎo)中一個波導(dǎo)上實現(xiàn)的至少一個波長選擇濾波器，-所述至少一個濾波器能夠傳輸?shù)谝活A(yù)定頻帶的波長和反射第二預(yù)定頻帶的波長，其中所述至少一個濾波器包括至少有高折射率的第一區(qū)和至少有低折射率的第二區(qū)，所述第一區(qū)與所述第二區(qū)相鄰，并形成提供所述第一預(yù)定頻帶的多個透射型對偶和提供所述第二預(yù)定頻帶的多個反射型對偶，多個透射型對偶與多個反射型對偶互相串聯(lián)以形成具有高差距調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)。
最好是，借助于所述波導(dǎo)上設(shè)置的多個橫向切口，實現(xiàn)所述低折射率區(qū)，而所述高折射率區(qū)是在兩個接連切口之間形成的凸塊。
最好是，每個對偶包括一個切口和一個凸塊。
最好是，在第一透射型對偶與第二透射型對偶之間至少設(shè)置一個反射型對偶。
最好是，在前一半所述濾波器中，所述透射型對偶中凸塊寬度是沿光的傳播方向增大。
最好是，在所述前一半濾波器中，接連的反射型對偶數(shù)目是沿光的傳播方向增多。
最好是，所述反射型對偶有相同的寬度。
最好是，后一半所述濾波器與前一半濾波器有相反的對應(yīng)關(guān)系。
具體地說，所述后一半濾波器的結(jié)構(gòu)與所述前一半濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的。
具體地說，在所述反射型對偶中，所述切口寬度與所述凸塊寬度之和基本上是所述第二預(yù)定頻帶中心波長1/4的奇數(shù)倍。
具體地說，在所述透射型對偶中，所述切口寬度與所述凸塊寬度之和基本上是所述第一預(yù)定頻帶中心波長1/4的偶數(shù)倍。
最好是，所述多個波導(dǎo)中至少一個波導(dǎo)包括脊。
具體地說，所述基片是半導(dǎo)體基片。
本發(fā)明的第二方面涉及在光波導(dǎo)上實現(xiàn)的光波長選擇濾波器，所述濾波器能夠傳輸?shù)谝活A(yù)定頻帶的波長和反射第二預(yù)定頻帶的波長，其特征是，它包括至少有高折射率的第一區(qū)和至少有低折射率的第二區(qū)，所述第一區(qū)與所述第二區(qū)相鄰，并形成提供所述第一預(yù)定頻帶的多個透射型對偶和提供所述第二預(yù)定頻帶的多個反射型對偶，多個透射型對偶與多個反射型對偶互相串聯(lián)以形成具有高差距調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)。
最好是，借助于所述波導(dǎo)上設(shè)置的多個橫向切口，實現(xiàn)所述低折射率區(qū)，而所述高折射率區(qū)是在兩個接連切口之間形成的凸塊。
本發(fā)明第三方面涉及在基片上實現(xiàn)光波長選擇濾波器的方法，該方法包括以下步驟在所述基片上設(shè)置光導(dǎo)材料的波導(dǎo)，在所述波導(dǎo)上設(shè)置多個切口，從而形成提供第一預(yù)定頻帶波長的多個透射型對偶和提供第二預(yù)定頻帶波長的多個反射型對偶，透射型對偶與個反射型對偶設(shè)置成互相串聯(lián)。


根據(jù)以下參照附圖對優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點更加顯而易見。在這些附圖中圖1表示按照本發(fā)明安裝在建筑物內(nèi)的光局域網(wǎng)示意圖。
圖2表示在圖1建筑物的地下室內(nèi)安排的分配單元示意圖。
圖3表示按照本發(fā)明圖1中網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用/去復(fù)用器裝置。
圖4表示所述復(fù)用/去復(fù)用器裝置的橫向剖面圖，其中有按照本發(fā)明的多層。
圖5表示按照本發(fā)明波長選擇濾波器的視圖。
圖6a表示波長選擇濾波器的視圖。
圖6b表示圖6a中濾波器頻譜響應(yīng)的曲線圖。
圖7a表示按照本發(fā)明波長選擇濾波器的視圖。
圖7b表示圖7a中濾波器頻譜響應(yīng)的曲線圖。
圖8表示按照本發(fā)明波長選擇濾波器的模擬圖。
圖9表示圖8中濾波器頻譜響應(yīng)的曲線圖。
圖10表示按照本發(fā)明圖1中網(wǎng)絡(luò)的另一個實施例復(fù)用/去復(fù)用器裝置。
圖11表示反射型對偶中凸塊和切口寬度的曲線圖。
具體實施例方式
圖1表示建筑物1內(nèi)安裝的光局域網(wǎng)例子的示意圖，包括外部光纜2，例如，從外部的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)輸入，外部光纜2連接到分配單元3，分配單元3通常安排在所述建筑物1的地下室內(nèi)或建筑物內(nèi)或與建筑物鄰近的另一個合適位置。
一般地說，光局域網(wǎng)可用于經(jīng)衛(wèi)星和/或經(jīng)同軸纜線和/或經(jīng)光纖和/或通過空氣分配長距離傳輸?shù)亩鄠€電視和/或電話和/或互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字或模擬信號到多個電子用戶設(shè)備。
在圖1中，建筑物1包括多個生活單元A1-A6；例如，所述生活單元被分成三個樓層。每個所述生活單元設(shè)置適用的配線管道，它適合于至少接納一個攜帶所述數(shù)字或模擬信號的連接纜線C1-C6。
此處所用的術(shù)語“生活單元”是不太恰當(dāng)?shù)拿Q，因為它包括從網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)和/或發(fā)送服務(wù)到網(wǎng)絡(luò)的任何用戶。
所述連接纜線可以是光纜或電纜或同時存在光信號和電信號的混合纜線。
如圖2所示，所述分配單元3包括光復(fù)用/去復(fù)用器裝置4和分配裝置5。所述復(fù)用/去復(fù)用器裝置4分開來自外部光纜2的各個信道或各組信道的WDM信號，而所述分配裝置5分割對應(yīng)于生活單元數(shù)目的若干個信號的每個單波長信道或每組信道，并耦合這些信號到多個所述連接纜線。在專利申請US5978536中描述所述連接纜線的例子。
最好是，所述分配裝置5包括分束器，它適合于路由來自復(fù)用/去復(fù)用器裝置4的數(shù)字光信號到光輸入/輸出端口。所述輸入/輸出端口最好是雙向端口。
分配裝置5還可以包括光電轉(zhuǎn)換單元(未畫出)，其中來自復(fù)用/去復(fù)用器裝置4的光信號可以轉(zhuǎn)換成電信號。
在這個實施例中，例如，分配裝置5按照100Mbit/sFastethernetTM協(xié)議分配數(shù)字信號到多個用戶。所述信號以光形式到達所述復(fù)用/去復(fù)用器裝置4。然后，這些信號被所述光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號。
此外，分配單元適合于在多個電信號中選取給每個用戶預(yù)定的數(shù)字信號(例如，按照100Mbit/s FastethernetTM協(xié)議)，并發(fā)送它到對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器。所述轉(zhuǎn)換器把給用戶預(yù)定的數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的光信號，并通過所述連接纜線發(fā)送它到對應(yīng)的用戶設(shè)備。
光局域網(wǎng)最好利用低成本傳輸激光器通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)射光信號。通常，所述激光器與長距離光遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中高成本的傳輸激光器有很大不同。長距離光遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中的激光器是溫度穩(wěn)定激光器，因為傳輸波長的重大起伏是有害的。在DWDM遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，信道之間的間隔往往小于1nm。
最好是，光局域網(wǎng)中信道之間的間隔大于1nm。更好的是，所述信道之間的間隔大于1.6nm。
光局域網(wǎng)的典型激光器是垂直腔激光器，它發(fā)射的波長是在800nm-900nm的范圍內(nèi)。然而，本發(fā)明的復(fù)用/去復(fù)用器裝置也可以設(shè)計成分開不同波長范圍內(nèi)的信道(例如，在1300nm附近)。
所述激光器需要是溫度穩(wěn)定激光器，例如，在溫度變化的影響下，其中心傳輸波長的起伏可以大于0.5nm。本發(fā)明的復(fù)用/去復(fù)用器裝置有很寬的頻帶以克服中心波長的這種起伏。
圖3所示的復(fù)用/去復(fù)用器裝置4包括基片41，最好是在半導(dǎo)體材料上實現(xiàn)的，例如，硅。在所述基片上疊加多層。具體地說，在所述基片41的頂部疊加第一層42。最好是，所述第一層是氧化硅(二氧化硅)。在所述第一層42的頂部安排第二層43。最好是，所述第二層是氮氧化硅(SiOxNy)。在所述第二層43的頂部安排第三層44。最好是，所述第三層是氧化硅。
所述第一層和所述第三層分別是波導(dǎo)的內(nèi)包層和外包層，而所述第二層代表所述波導(dǎo)的芯層。全部材料是光透射材料。
在所述第三層44表面上設(shè)置多個脊。所述脊的形狀確定橫向界線和光束沿波導(dǎo)傳輸?shù)膫鞑シ较?。在圖4中，畫出圖3中所述復(fù)用/去復(fù)用器裝置的側(cè)視圖部分P，其中展示所述多層。
在圖3和4的例子中，它展示有脊的所述波導(dǎo)。可以配置不同種類的波導(dǎo)，例如，埋式波導(dǎo)，其中導(dǎo)向單元埋入到硅層中。所述導(dǎo)向單元的工作像一個脊，它確定橫向界線和光束沿波導(dǎo)傳輸?shù)膫鞑シ较颉Ａ硪环N使用的波導(dǎo)是類似于光子晶體的窄波導(dǎo)，其中在光波導(dǎo)上設(shè)置多個孔。所述孔的位置確定所述光基片上的波導(dǎo)。
具體地說，在圖3中設(shè)置第一脊45，第二脊46，第三脊47和第四脊48。最好是，第一脊橫跨整個層，所述脊的一端是WDM信號的輸入端口451。
沿所述第一脊45設(shè)置第一濾波器452。從所述輸入端口451入射的光束被所述第一濾波器部分地反射，和部分地傳輸?shù)剿龅谝患?5另一端的第一輸出端口453。反射光束被引導(dǎo)到所述第二脊46的一端。沿所述第二脊46設(shè)置第二濾波器462。從所述第二脊46一端入射的光束被所述第二濾波器462部分地反射，和部分地傳輸?shù)剿龅诙?6另一端的第二輸出端口463。沿所述第三脊47設(shè)置第三濾波器472。從所述第三脊47一端入射的光束被所述第三濾波器472部分地反射，和部分地傳輸?shù)剿龅谌?7另一端的第三輸出端口473。反射的光束被引導(dǎo)到所述第四脊48的一端。沿所述第四脊設(shè)置第四濾波器482。傳輸?shù)剿龅谒臑V波器482的光束輸出到第四輸出端口483。
所述濾波器最好是光波長選擇濾波器。具體地說，每個濾波器能夠反射預(yù)定帶寬中的預(yù)定波長或預(yù)定波長間隔。預(yù)定帶寬中的其余波長最好是傳輸通過該濾波器。
在圖3的例子中，沿所述脊設(shè)置所述濾波器。相當(dāng)?shù)?，可以在上述其他類型的波?dǎo)上設(shè)置所述濾波器。
借助于具有高差距調(diào)制折射率的光柵狀光結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)所述濾波器。
具有高差距折射率的光結(jié)構(gòu)是這樣的結(jié)構(gòu)，它包括至少有第一折射率的第一區(qū)和至少有第二折射率的第二區(qū)，所述第一區(qū)與所述第二區(qū)相鄰，其中所述第一折射率與所述第二折射率之間的差距大于0.1。具體地說，所述第一區(qū)是高折射率區(qū)。所述第二區(qū)是低折射率區(qū)。
具有高差距調(diào)制折射率的光結(jié)構(gòu)是這樣的結(jié)構(gòu)，它包括多個高折射率區(qū)和多個低折射率區(qū)，在兩個接連的高折射率區(qū)之間形成一個低折射率區(qū)，其中所述多個高折射率區(qū)中至少兩個高折射率區(qū)有各不相同的尺寸。
最好是，所述多個低折射率區(qū)中至少兩個低折射率區(qū)有各不相同的尺寸。
所述光結(jié)構(gòu)最好是相對于光傳播方向的對稱結(jié)構(gòu)，即，所述結(jié)構(gòu)的前一半與后一半是對稱的。
借助于不同的光學(xué)特性材料，可以實現(xiàn)所述高折射率區(qū)和所述低折射率區(qū)。具體地說，所述高折射率區(qū)可以是硅基材料 借助于所述硅材料中實現(xiàn)的切口(空氣折射率＝1)，可以制成所述低折射率區(qū)。或者，借助于其他材料可以實現(xiàn)所述區(qū)，只要在高折射率區(qū)與低折射率區(qū)之間存在高折射率差距。具體地說，在圖3，4和5的例子中，借助于切口實現(xiàn)低折射率區(qū)。事實上，切口是容易在脊上實現(xiàn)的。在其他類型的波導(dǎo)中，通過插入一片預(yù)定材料，可以實現(xiàn)所述低折射率區(qū)。
在圖5中，沿所述脊設(shè)置多個切口。所述切口的深度最好等于脊和三層的深度。切口有相對于脊長度方向切割的橫向預(yù)定方向，切口是沿該方向制成的。例如，可以借助于電子束光刻和隨后的蝕刻技術(shù)制成切口。這是微電子技術(shù)領(lǐng)域中的熟知工藝?？梢岳闷渌墓に囍谱髑锌?。
例如，在圖5中，它描述第一切口4521，第二切口4522和第三切口4523。所述切口可以是真空或充滿空氣，其他的氣體或液體，所述切口至少產(chǎn)生類似于光柵的共振結(jié)構(gòu)；具體地說，沿光波導(dǎo)設(shè)置具有調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)。事實上，折射率臺階或差距源于各層折射率(例如， )與空氣折射率 之差。在兩個接連的切口之間形成凸塊。
這種濾波器反射預(yù)定頻帶(阻帶)的某些波長和傳輸預(yù)定頻帶(通帶)的其他波長。最好是，選取這樣的切割方向，它引導(dǎo)所述阻帶中波長的所述反射光束到基片上另一個脊。
圖6a和7a表示通過切割所述脊產(chǎn)生的橫向結(jié)構(gòu)示意圖。
這兩個附圖的位置是為了便于對它們進行比較。具體地說，該結(jié)構(gòu)的位置是相對于一對直角坐標(biāo)軸X，Z，其中X指出沿光傳播方向的位置，而Z指出切口深度方向的位置。
具體地說，在圖6a中，它展示有多個橫向切口的結(jié)構(gòu)，每個切口最好有相同的寬度。這種類型結(jié)構(gòu)是共振結(jié)構(gòu)，在預(yù)定的波長頻帶上允許有透射頻譜響應(yīng)，如圖6b所示。具體地說，圖6b中曲線表示在波長λ域內(nèi)的反射頻帶SB和透射頻帶PB。切口的寬度和相鄰兩個切口之間的距離確定阻帶SB的中心波長λSB，通帶PB的中心波長λPB，以及所述SB與PB之間的寬度。
在圖6a中，單元C包括各層的切口和凸塊。具體地說，單元的長度dC是dC＝dcut+dblock在以上的定義中，我們的目的是計算切口和凸塊的尺寸相對于切口和凸塊材料的折射率(例如，SiO2凸塊和空氣切口)。
具體地說dcut＝dcut’/neff cutdblock＝dblock’/neff block其中dcut’和dblock’分別是切口和凸塊的實際尺寸，而neff cut和neff block分別是切口和凸塊的有效折射率。
阻帶SB的中心波長值λSB取決于dC，具體地說，dC基本上是λSB/2的整數(shù)倍。
單元的長度dC基本上是λSB/2的整數(shù)倍。
若滿足公式dcut＝λSB/4nair和dblock＝λSB/4nblock，則以上的條件得到驗證。
根據(jù)以上的關(guān)系，一旦選取了濾波器的阻帶SB，可以選取切口的尺寸和兩個相鄰切口之間的距離。
根據(jù)圖6b中的曲線，本申請者已觀察到圖6a中濾波器的通帶PB包含一些多余的尖峰。此外，引入完全相同尺寸的切口(圖6a)，則不可能選擇獨立于通帶寬度的阻帶寬度。
在圖7a中，它表示“切趾”結(jié)構(gòu)的例子。具體地說，所述結(jié)構(gòu)包括在脊預(yù)定位置的多個切口。濾波器的結(jié)構(gòu)至少包括一個缺陷，缺陷是由至少一個不同尺寸的所述凸塊代表。最好是，所述切口產(chǎn)生的所述凸塊有不同的尺寸，而各個切口之間不是等距離的。
這意味著，有效折射率變化不是嚴(yán)格周期性的；而折射率變化至少是在對應(yīng)于切口和凸塊折射率的兩個值之間變化。所述變化的間距是沿著濾波器變化。
這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的通帶，它包括在圖6a的濾波器阻帶中(見圖6b的曲線)。應(yīng)當(dāng)注意，圖6b和圖7b的曲線圖有對應(yīng)的垂直軸和相同的波長(水平)標(biāo)尺。圖7a的結(jié)構(gòu)包含多個子結(jié)構(gòu)，每個子結(jié)構(gòu)至少包括一個切口和一個凸塊。所述子結(jié)構(gòu)是相鄰排列的。
在本發(fā)明中，反射型子結(jié)構(gòu)或反射型對偶包括一個切口和一個凸塊，所述切口寬度與所述凸塊寬度之和基本上是λSB/4的偶數(shù)倍，其中λSB是阻帶或反射頻帶的中心波長。
在本發(fā)明中，透射型子結(jié)構(gòu)或透射型對偶包括一個切口和一個凸塊，所述切口寬度與所述凸塊寬度之和基本上是λPB/4的奇數(shù)倍，其中λPB是通帶或透射頻帶的中心波長。所述反射型對偶的所述凸塊包含上述的缺陷。
每一個所述子結(jié)構(gòu)也是有反射頻帶和透射頻帶的共振結(jié)構(gòu)，它們的中心波長分別是上述的λSB和λPB。
在本發(fā)明中，“切趾”結(jié)構(gòu)包括多個透射型對偶和多個反射型對偶，其中在第一透射型對偶與第二透射型對偶之間至少設(shè)置一個反射型對偶。
最好是，前一半結(jié)構(gòu)至少包括第一透射型對偶和第二透射型對偶，其中第二透射型對偶的凸塊寬度大于第一透射型對偶的凸塊寬度。
換句話說，在所述前一半濾波器中，接連透射型對偶的凸塊寬度是沿光傳播方向增大。
此外，在所述前一半中，反射型對偶的尺寸可以各不相同。最好是，在所述前一半結(jié)構(gòu)中，接連的反射型對偶數(shù)目增多。
具體地說，在本發(fā)明中，“數(shù)目增多”意味著，在所述前一半濾波器中，沿光傳播方向的接連反射型對偶數(shù)目可以相同或增多。
最好是，所述反射型對偶有相同的寬度。
最好是，后一半結(jié)構(gòu)與所述前一半結(jié)構(gòu)有相反的對應(yīng)關(guān)系。在本發(fā)明中，“相反的對應(yīng)關(guān)系”意味著，前一半結(jié)構(gòu)有關(guān)于透射型對偶和反射型對偶數(shù)目以及依此設(shè)置的相同配置。
最好是，所述后一半結(jié)構(gòu)與所述前一半結(jié)構(gòu)是對稱的。即，所述前一半中折射率的調(diào)制是反比于所述后一半中折射率的調(diào)制。具體地說，對稱結(jié)構(gòu)的前一半與后一半是反射對稱。
如上所述，該結(jié)構(gòu)包括多個串聯(lián)的子結(jié)構(gòu)或?qū)ε?反射型和透射型)；每個所述子結(jié)構(gòu)是濾波器自身，而全部結(jié)構(gòu)包含許多串聯(lián)的濾波器。透射型對偶和反射型對偶的所述交替在兩個相鄰反射頻帶(阻帶)之間產(chǎn)生足夠?qū)挼耐干漕l帶(通帶)。
此外，全部結(jié)構(gòu)在通帶中和阻帶中的頻譜響應(yīng)比單個濾波器的頻譜響應(yīng)有更多臺階。換句話說，透射型對偶的缺陷數(shù)目確定該結(jié)構(gòu)通帶和阻帶的臺階。有整個結(jié)構(gòu)最大缺陷的透射型對偶基本上確定通帶寬度。事實上，缺陷寬度與通帶的帶寬成反比關(guān)系。
“切趾”結(jié)構(gòu)是在第一透射型對偶與第二透射型對偶之間至少設(shè)置一個反射型對偶的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的透射頻帶(通帶)比接連的透射型對偶的結(jié)構(gòu)更平坦。切趾結(jié)構(gòu)中接連凸塊寬度的所述增大也有助于得到平坦的通帶。接連反射型對偶數(shù)目的所述增多也有助于得到平坦的通帶。
最好是，對稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對于通帶中心波長λSB的對稱通帶。
在圖7a的例子中，該濾波器包括五個缺陷D1-D5。在前一半的所述濾波器中，在缺陷與下一個缺陷之間設(shè)置數(shù)目增多的切口和缺陷寬度的增大。在后一半的所述濾波器中，在缺陷與下一個缺陷之間設(shè)置數(shù)目減少的切口和缺陷寬度的減小。
圖7a的完整結(jié)構(gòu)包括互相對稱的第一子結(jié)構(gòu)和第二子結(jié)構(gòu)。具體地說，該結(jié)構(gòu)是相對于垂直軸Y對稱的。所述垂直軸Y是在所述第三凸塊D3的中央。
所述第一凸塊D1的寬度最好是d1＝m1λSB/2，所述第二凸塊D2的寬度最好是d2＝m2λSB/2，所述第三凸塊D3的寬度最好是d3＝m3λSB/2，所述第四凸塊D4的寬度最好是d4＝m4λSB/2，所述第五凸塊D5的寬度最好是d5＝m5λSB/2，其中m1≤m2≤m3≥m4≥m5是整數(shù)。最好是，m1＝m5和m2＝m4。一般地說，參數(shù)m的選擇確定產(chǎn)生的新通帶PB’寬度。有利的是，通過改變m1-m5的值，可以確定通帶中的平坦頻帶。
在圖7b中，它表示圖7a中濾波器的頻譜響應(yīng)與波長的關(guān)系曲線。新通帶PB’的中心波長是λPB′，它對應(yīng)于圖6b中阻帶的中心波長λSB。必須注意，圖6和圖7例子中切口的尺寸是相同的。
這個新通帶PB’基本上是平坦的，而新阻帶SB’基本上也是平坦的。這意味著，濾波器的反射信道和透射信道基本保持相同的形狀。與反射信道和透射信道相關(guān)的每個信號基本上不受畸變的影響。
切口是光不能被引導(dǎo)的區(qū)域；與此相反，進入凸塊中的光被引導(dǎo)。這種切口的寬度可以確定信道中光功率的損耗。在波長1500nm附近，切口可以在360-380nm之間。在這種情況下，通過減小切口的尺寸和增大相同對偶中對應(yīng)于凸塊的尺寸，可以減小功率損耗。
例如，在圖11中，它表示反射型對偶中凸塊和切口尺寸的曲線。具體地說，它展示四條曲線。第一條曲線C1是dcut+dblock＝λ/2，該材料(凸塊)的折射率是n1＝1.5。所述曲線基本上是一條直線。第二條曲線C2是材料(凸塊)的折射率曲線，n2＝1.45。第三條曲線C3是材料(凸塊)的折射率曲線，n3＝3。第四條曲線C4是材料(凸塊)的折射率曲線，n4＝3.33。
所述曲線C2，C3和C4說明，如何能夠補償切口寬度隨凸塊寬度變化的變化。點P是濾波器完全共振的點，即，條件dcut+dblock正好是λ/2的整數(shù)倍，但這些曲線說明，利用不同的切口和凸塊尺寸，可以找到基本共振的條件。
例子本申請人實現(xiàn)了圖3-4所示配置的復(fù)用/去復(fù)用器裝置中一個濾波器的模擬。具體地說，在這個模擬中各層和脊的尺寸是下包層42的高度＝8.57μm。
芯層的高度＝896nm。
上包層44的高度＝208nm。
層42，43，和44的寬度＝40μm。
所有脊的高度＝100nm。
所有脊的寬度＝6μm。
使用的材料(脊，下包層和上包層是氧化硅，芯層是氮氧化硅)是與傳輸?shù)牟ㄩL有關(guān)。具體地說，圖3中復(fù)用/去復(fù)用器裝置能夠分開各自波長為810nm，830nm，850nm，870nm的四個信道。在不同的波長下，可以利用其他的材料，例如，砷化鉀，磷酸銦鋁。
每個濾波器是以一個所述透射波長為中心。具體地說，第一濾波器452透射810nm的信號和反射其他的波長。第二濾波器462透射830nm的信號和反射其他的波長。第三濾波器472透射850nm的信號和反射其他的波長。第四濾波器482透射870nm的信號和反射其他的波長。
模擬涉及復(fù)用/去復(fù)用器裝置的第二濾波器462。利用基本類似的方法可以設(shè)計其他的濾波器。在圖8中，畫出濾波器的示意圖。
該濾波器包括10個缺陷DF1-DF10和36個切口。具體地說，該濾波器是相對于垂直軸Y’對稱的(D1的尺寸等于D10的尺寸，D2的尺寸等于D9的尺寸，等等)。該結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的第一透射型對偶(第一缺陷DF1)，兩個反射型對偶，第二透射型對偶(第二缺陷DF2)，三個反射型對偶，第三透射型對偶(第三缺陷DF3)，三個反射型對偶，第四透射型對偶(第四缺陷DF4)，三個反射型對偶，第五透射型對偶(第五缺陷DF5)，三個反射型對偶，第六透射型對偶(第六缺陷DF6)，三個反射型對偶，第七透射型對偶(第七缺陷DF7)，三個反射型對偶，第八透射型對偶(第八缺陷DF8)，三個反射型對偶，第九透射型對偶(第九缺陷DF9)，兩個反射型對偶，第十透射型對偶(第十缺陷DF10)。
切口和缺陷的尺寸是如下所示切口dcut的寬度＝102nm。
除了缺陷D1，...，D10″以外的兩個切口之間的凸塊寬度d＝204nm。
缺陷D1和D10的寬度d1＝1725nm。
缺陷D2和D9的寬度d2＝2000nm。
缺陷D3和D8的寬度d3＝3103nm。
缺陷D4，D5，D6和D7的寬度d4＝3379nm。
圖9表示所述濾波器的頻譜響應(yīng)。例如，所述曲線圖是垂直于切口平面的入射光束頻譜響應(yīng)。圖9的曲線是傾斜濾波器頻譜響應(yīng)的良好實際近似，如圖3的濾波器，其中所述入射光束有與脊相同的方向。在這種情況下，波導(dǎo)的脊不垂直于切口平面，脊的取向是引導(dǎo)下一個波導(dǎo)中的反射光束。
通帶PB’的中心波長基本上是在830nm附近；這意味著，這種波長的信道被所述濾波器透射。
本發(fā)明的復(fù)用/去復(fù)用器裝置是雙向裝置。不同波長的信號可以沿波導(dǎo)的兩個方向傳輸。此外，濾波器是雙向濾波器。在光局域網(wǎng)中可以方便地提供雙向信號。例如，電話和/或互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字或模擬信號需要雙向裝置。在這個例子中，展示四信道復(fù)用/去復(fù)用器裝置。相當(dāng)?shù)兀梢蕴砑痈嗟男诺?。具體地說，第五信道，例如，可以利用相反方向的監(jiān)測信號。在這種情況下，在基片上設(shè)置另一個波導(dǎo)(脊)和另一個濾波器。
本發(fā)明的裝置是在半導(dǎo)體基片上實現(xiàn)的。最好是，在相同的基片上可以實現(xiàn)電子電路。最好是，該基片可以包括光學(xué)裝置和電子裝置；因此，本發(fā)明提供尺寸減小的緊致裝置。
本發(fā)明可以提供光復(fù)用/去復(fù)用器裝置的許多配置。在圖10中，例如，它表示另一種方案的復(fù)用器裝置4’。在這個例子中，所述裝置能夠分開四個信道的CDWM信號，其波長分別是810nm，830nm，850nm，和870nm。具體地說，該裝置包括第一波導(dǎo)45’，第二波導(dǎo)46’，第三波導(dǎo)47’和第四波導(dǎo)48’。在所述第一波導(dǎo)上形成第一濾波器451’和第二濾波器452’。在所述第二波導(dǎo)46’上形成第三濾波器461’。在第一波導(dǎo)的一端輸入CWDM信號。第一濾波器451’傳輸850nm和870nm的信道，和反射其余兩個信道到第二波導(dǎo)46’。第二濾波器452’傳輸850nm的信道到輸出端，和反射870nm的信道到所述第四波導(dǎo)48’和另一個輸出端。第三濾波器傳輸830nm的信道到另一個輸出端，和反射810nm的信道到所述第三波導(dǎo)47’和另一個輸出端。在這個實施例中，第一濾波器能夠傳輸包括兩個信道(例如，從840nm到880nm)的頻帶。借助于本發(fā)明，可以提供有極寬頻帶的濾波器；所述寬頻帶包含多個信道。
權(quán)利要求
1.一種光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，包括-基片，-所述基片上的多個波導(dǎo)，-在所述多個波導(dǎo)中一個波導(dǎo)上實現(xiàn)的至少一個波長選擇濾波器，-所述至少一個濾波器能夠透射第一預(yù)定頻帶波長(PB’)和反射第二預(yù)定頻帶波長(SB’)，其中所述至少一個濾波器包括至少有高折射率的第一區(qū)和至少有低折射率的第二區(qū)，所述第一區(qū)與所述第二區(qū)相鄰，并形成提供所述第一預(yù)定頻帶的多個透射型對偶和提供所述第二預(yù)定頻帶的多個反射型對偶，透射型對偶與反射型對偶互相串聯(lián)以形成具有高差距調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中借助于所述波導(dǎo)上設(shè)置的多個橫向切口實現(xiàn)所述低折射率區(qū)，而所述高折射率區(qū)是在兩個接連切口之間形成的凸塊。
3.按照權(quán)利要求2的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中每個對偶包括一個切口和一個凸塊。
4.按照權(quán)利要求1的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中在第一透射型對偶與第二透射型對偶之間至少設(shè)置一個反射型對偶。
5.按照權(quán)利要求4的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中在前一半所述濾波器中，所述透射型對偶中凸塊寬度是沿光的傳播方向增大。
6.按照權(quán)利要求5的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中在前一半所述濾波器中，接連反射型對偶的數(shù)目是沿光的傳播方向增多。
7.按照權(quán)利要求5的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中所述反射型對偶有相同的寬度。
8.按照權(quán)利要求5的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中后一半所述濾波器與前一半濾波器有相反的對應(yīng)關(guān)系。
9.按照權(quán)利要求8的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中后一半所述濾波器的結(jié)構(gòu)與所述前一半濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的。
10.按照權(quán)利要求2的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中在所述反射型對偶中，所述切口寬度與所述凸塊寬度之和基本上是所述第二預(yù)定頻帶(SB’)1/4中心波長的偶數(shù)倍。
11.按照權(quán)利要求2的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中在所述透射型對偶中，所述切口寬度與所述凸塊寬度之和基本上是所述第一預(yù)定頻帶(PB’)1/4中心波長的奇數(shù)倍。
12.按照權(quán)利要求1的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中所述多個波導(dǎo)中至少一個波導(dǎo)包括脊。
13.按照權(quán)利要求1的光復(fù)用/去復(fù)用器裝置，其中所述基片是半導(dǎo)體基片。
14.一種在光波導(dǎo)上實現(xiàn)的光波長選擇濾波器，所述濾波器能夠透射第一預(yù)定頻帶波長(PB’)和反射第二預(yù)定頻帶波長(SB，)，其特征是，它包括至少有高折射率的第一區(qū)和至少有低折射率的第二區(qū)，所述第一區(qū)與所述第二區(qū)相鄰，并形成提供所述第一預(yù)定頻帶的多個透射型對偶和提供所述第二預(yù)定頻帶的多個反射型對偶，透射型對偶與反射型對偶互相串聯(lián)以形成具有高差距調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)。
15.按照權(quán)利要求14的光波長選擇濾波器，其中借助于所述波導(dǎo)上設(shè)置的多個橫向切口實現(xiàn)所述低折射率區(qū)，而所述高折射率區(qū)是在兩個接連切口之間形成的凸塊。
16.一種在基片上實現(xiàn)光波長選擇濾波器的方法，包括以下步驟在所述基片上提供光透射材料的波導(dǎo)，在所述波導(dǎo)上設(shè)置多個切口，從而形成提供第一預(yù)定頻帶波長的多個透射型對偶和提供第二預(yù)定頻帶波長的多個反射型對偶，透射型對偶與反射型對偶設(shè)置成互相串聯(lián)。
全文摘要
光復(fù)用/去復(fù)用器裝置(4)包括基片，所述基片表面上的多個波導(dǎo)(45，46，47，48)，多個波長選擇濾波器(452，462，472，482)。所述多個濾波器中的每個濾波器能夠透射第一預(yù)定頻帶波長(PB’)和反射第二預(yù)定頻帶波長(SB’)。所述多個濾波器中的每個濾波器包括在所述波導(dǎo)預(yù)定位置上設(shè)置的多個橫向切口(4521，4522，4523)。所述切口形成提供所述第一預(yù)定頻帶的多個透射型對偶和提供所述第二預(yù)定頻帶的多個反射型對偶。所述透射型對偶與所述反射型對偶互相串聯(lián)。我們分別地公開波長選擇濾波器和制造濾波器的方法。
文檔編號G02B6/124GK1559014SQ01823743
公開日2004年12月29日 申請日期2001年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者賈科莫·戈尼, 莫里茲歐·托曼, 馬珂·羅馬格諾力, 馬泰奧·凱爾基, 凱爾基, 歐 托曼, 羅馬格諾力, 賈科莫 戈尼 申請人:皮雷利&C.有限公司