專利名稱：帶寬調(diào)節(jié)式波長(zhǎng)去復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包括能根據(jù)波長(zhǎng)選擇光信號(hào)通路的波長(zhǎng)多路復(fù)用器和去復(fù)用器。
波長(zhǎng)多路復(fù)用器可將分立光纖中傳輸?shù)牟煌ㄩL(zhǎng)的光信號(hào)送入單根光纖中，然后再由波長(zhǎng)去復(fù)用器將其送入分立的光纖中。一般，在多路復(fù)用和去復(fù)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(gè)傳輸方向上起多路復(fù)用器的作用，而在相反的傳輸方向上起去復(fù)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(dǎo)體。在本發(fā)明為較佳形式的平面光路中，輸入和輸出導(dǎo)體是由沉積在平面襯底上的纖芯材料形成的波導(dǎo)，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(zhǎng)的光。衍射鏡片還可用來聚焦不同波長(zhǎng)的光，或者用一獨(dú)立透鏡實(shí)現(xiàn)此目的。
在多路復(fù)用模式中，聚焦衍射鏡片使各輸入波導(dǎo)發(fā)送的不同波長(zhǎng)的光重疊于單根輸出波導(dǎo)上。在去復(fù)用模式中，衍射鏡片使單根輸入波導(dǎo)發(fā)送的不同波長(zhǎng)的光分離，并將分離后的光聚焦在各個(gè)輸出波導(dǎo)上。
在設(shè)計(jì)多路復(fù)用/去復(fù)用裝置時(shí)要考慮幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)因數(shù)。例如，最好在較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高的信道密度。但是，每個(gè)信道的帶寬最好盡可能寬，以便適應(yīng)現(xiàn)實(shí)實(shí)際中信道的波長(zhǎng)變化，另外最好將串音保持最低，以便區(qū)分相鄰的信道。
本發(fā)明旨在優(yōu)化平面波長(zhǎng)多路復(fù)用器和去復(fù)用器設(shè)計(jì)中信道帶寬和串音衰減之間的協(xié)調(diào)。通過調(diào)節(jié)輸入和輸出波導(dǎo)模場(chǎng)的大小可以控制這種協(xié)調(diào)，它由兩個(gè)相鄰的信道賦予一個(gè)預(yù)定波長(zhǎng)的信道。模場(chǎng)半徑(即，強(qiáng)度分布曲線在最大強(qiáng)度l/e2處的半徑)的增大會(huì)增加信道帶寬，但減弱了串音衰減。但是，對(duì)串音衰減量給出一個(gè)容差時(shí)，通過調(diào)節(jié)模場(chǎng)半徑可以優(yōu)化帶寬，所述容差被作為相鄰信道信號(hào)衰減的量度。
用漏斗體(funnel)改變輸入和輸出波導(dǎo)的寬度，可以調(diào)節(jié)波導(dǎo)模場(chǎng)的大小。例如，本發(fā)明可以用作去復(fù)用器，它具有單根可以傳輸不同波長(zhǎng)信道中多個(gè)光信號(hào)的輸入波導(dǎo)，和一系列獨(dú)立傳輸不同波長(zhǎng)信道的輸出波導(dǎo)。色散和聚焦鏡片使輸入波導(dǎo)里端發(fā)出的不同波長(zhǎng)信道色散，并使不同波長(zhǎng)信道聚焦在一系列輸出波導(dǎo)里端上。漏斗體可被安裝在輸入和輸出波導(dǎo)的這些里端，并沿波導(dǎo)各自的長(zhǎng)度方向改變其寬度，從而變化模場(chǎng)半徑。漏斗體還可沿波導(dǎo)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(dǎo)里端之間用較寬的波導(dǎo)引導(dǎo)光。
漏斗體的外寬度對(duì)應(yīng)于漏斗體與波導(dǎo)外端之間的波導(dǎo)寬度，內(nèi)寬度可在波導(dǎo)里端產(chǎn)生所需的模場(chǎng)，而其半角度量了從漏斗體外寬度至內(nèi)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(dǎo)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(shù)和模場(chǎng)半徑之間不存在簡(jiǎn)單的關(guān)系，但是眾所周知，增加漏斗體內(nèi)寬度可以增大模場(chǎng)半徑。模場(chǎng)半徑與信道帶寬或串音衰減之間的關(guān)系可以從輸入和輸出波導(dǎo)之間的耦合系數(shù)導(dǎo)出，耦合系數(shù)可表示成各信道波長(zhǎng)中心處的一波長(zhǎng)范圍的分貝損耗。
信道帶寬的定義是，分貝損耗小于一預(yù)定值的波長(zhǎng)范圍，而串音衰減被定義為相鄰信道波長(zhǎng)處的分貝損耗。通過增大模場(chǎng)半徑，可將任何過量的串音衰減轉(zhuǎn)換成加寬的信道帶寬。漏斗體可增大模場(chǎng)半徑，并在其外端保持所需的波長(zhǎng)寬度，以便與較大的光學(xué)系統(tǒng)相連。


圖1是本發(fā)明平面光路中多路復(fù)用器/去復(fù)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(dǎo)的放大平面圖。
圖3是參照限定漏斗體的參數(shù)的類似輸入波導(dǎo)的放大展開平面圖。
圖4是耦合系數(shù)函數(shù)的曲線圖，示出了在位于一例舉的信道波長(zhǎng)中心處的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，模場(chǎng)半徑變化對(duì)分貝損耗的影響。
附圖中示出了本發(fā)明用作平面鏡片的較佳實(shí)施例。本實(shí)施例就去復(fù)用器的光傳播方向進(jìn)行描述，但同樣可在相反的光傳播方向上起到多路復(fù)用器的作用。事實(shí)上，在使用多路復(fù)用器和去復(fù)用器術(shù)語(yǔ)時(shí)，只使實(shí)施例涉及這兩種可能功能中的一個(gè)，但并不排斥另一個(gè)。
密集型波長(zhǎng)去復(fù)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(shù)可以形成纖芯材料層14和包層材料16。
輸入波導(dǎo)20和輸出波導(dǎo)22會(huì)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(huán)形衍射光柵24也位于該圓的切線上。輸入波導(dǎo)20和輸出波導(dǎo)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(dāng)分離，以便與較大的光學(xué)系統(tǒng)(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(dǎo)20和22相對(duì)于衍射光柵24定位在Rowland圓上，致使輸入波導(dǎo)20里端28處的模場(chǎng)按照成象光(imaged light)各自的波長(zhǎng)聚焦在輸出波導(dǎo)22不同的里端30上。由此，可用輸出波導(dǎo)22里端30的定位實(shí)現(xiàn)信道波長(zhǎng)的選擇。為了給諸信道提供不變的波長(zhǎng)間隔，必須將輸出波導(dǎo)22的里端30等間距地安排在Rowland圓的中心。兩波導(dǎo)之間的間距“s”(可用單位微米表示)以及信道波長(zhǎng)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(chǎn)生的波長(zhǎng)色散“σ”(可用單位微米/納米表示)相一致s＝σsλ假設(shè)本設(shè)計(jì)不考慮光學(xué)像差，那么被衍射場(chǎng)是輸入波導(dǎo)模場(chǎng)的實(shí)際成象，且其圍繞Rowland圓的位置由信道波長(zhǎng)“λ0”確定。與輸出波導(dǎo)22耦合的光是衍射光柵24產(chǎn)生的被衍射場(chǎng)與輸出波導(dǎo)模場(chǎng)之間的重疊積分。這兩個(gè)相同場(chǎng)之間具有類似高斯分布的耦合系數(shù)可以通過以下簡(jiǎn)單函數(shù)表示dBloss=4.34[σ(λ-λ0)w]2]]>其中，“dBloss”是以分貝為單位的信號(hào)損耗量，“λ”是信道波長(zhǎng)“λ0”附近一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，而“w”是模場(chǎng)的公共半徑(單位為微米)。
圖4示出了關(guān)于兩個(gè)不同模場(chǎng)半徑“w”的函數(shù)。假設(shè)信道間隔“sλ”為1納米，波長(zhǎng)色散“σ”為20微米/納米，由此在Rowland圓上兩個(gè)相鄰輸出波導(dǎo)之間的間距“s”為20微米。在信道波長(zhǎng)“λ0”處具有最大曲率的曲線40表示模場(chǎng)半徑“w”為4微米，而曲線42表示模場(chǎng)半徑“w”為9微米。用信道間隔“sλ”替代“(λ-λ0)”項(xiàng)，便得到相鄰信道上串音衰減“Xtalk”的表達(dá)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(yù)定數(shù)值(例如，3分貝)所處的波長(zhǎng)范圍。用半信道帶寬“△λFWHM/2”替代耦合系數(shù)中的“(λ-λ0)”項(xiàng)，并重新整理得到以下表達(dá)式ΔλFWHM=dBloss4.342wσ]]>當(dāng)分貝損耗“dBloss”給定為3分貝時(shí)，信道帶寬“△λFWHM”的表達(dá)式簡(jiǎn)化為ΔλFWHM=1.66wσ]]>
當(dāng)模場(chǎng)半徑“w”從4微米增大至9微米時(shí)，信道帶寬“△λFWHM”也從0.33納米增長(zhǎng)至0.75納米。因此，通過增大模場(chǎng)半徑“w”可將串音衰減“Xtalk”超過20分貝的部分轉(zhuǎn)換成信道帶寬的增長(zhǎng)“△λFWHM”。
圖2和圖3示出在輸入和輸出波導(dǎo)20和22各自的里端28和30處使用了漏斗體46和48，用于調(diào)節(jié)模場(chǎng)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(dǎo)20的寬度“Wr”相等，而其內(nèi)寬度“Wi”是在波導(dǎo)20的里端28處測(cè)得的。外寬度“Wo”和內(nèi)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(chǎng)耦合不大的絕熱變化。
盡管存在許多其他因素影響模場(chǎng)半徑“w”，但本人發(fā)現(xiàn)，使內(nèi)寬度“Wi”相對(duì)漏斗體46和48某預(yù)定外寬度“Wo”增大可以增加模場(chǎng)半徑“w”。例如，本人發(fā)現(xiàn)逐漸將波導(dǎo)的內(nèi)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(dǎo)的模場(chǎng)半徑“w”從4微米增大到6微米。最大內(nèi)寬度“Wi”首先受到輸出波導(dǎo)里端之間間距“s”的限制。根據(jù)處理特性，最大內(nèi)寬度“Wi”還受到兩個(gè)相鄰信道之間相鄰耦合的限制。該相鄰耦合會(huì)導(dǎo)致來自一波導(dǎo)的光與來自另一波導(dǎo)的光耦合，而該耦合必須大于目標(biāo)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(fā)明還可應(yīng)用于其他各種波導(dǎo)間光的色散和聚焦情況，包括平面波導(dǎo)與體光學(xué)結(jié)合的混合光學(xué)。獨(dú)立的光學(xué)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(zhǎng)色散光的長(zhǎng)度可變的波導(dǎo)或其他結(jié)構(gòu)可用來代替衍射光柵。
權(quán)利要求
1.一種可對(duì)信道帶寬和串音衰減作相對(duì)調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)多路復(fù)用器/去復(fù)用器，其特征在于，包括第一導(dǎo)體，它沿在外端和里端之間延伸的長(zhǎng)度方向傳送不同波長(zhǎng)信道中的多個(gè)光信號(hào)；一系列第二導(dǎo)體，它們各自沿在外端和里端間延伸的長(zhǎng)度方向獨(dú)立傳送不同波長(zhǎng)信道；一色散和聚焦鏡片，它色散第一導(dǎo)體所述里端發(fā)出的不同波長(zhǎng)信道，并將不同波長(zhǎng)信道聚焦在第二導(dǎo)體系列的所述里端上；以及漏斗體，它們位于第二導(dǎo)體的所述里端和外端之間，其寬度沿第二導(dǎo)體的長(zhǎng)度方向變化，以便對(duì)信道帶寬和相鄰信道間的串音衰減作相對(duì)調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器/去復(fù)用器，其特征在于，所述第一和第二導(dǎo)體之間的耦合系數(shù)可以表示成處于各信道波長(zhǎng)中心的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的分貝損耗。
3.如權(quán)利要求2所述的多路復(fù)用器/去復(fù)用器，其特征在于，信道帶寬被定義為分貝損耗小于一預(yù)定值的波長(zhǎng)范圍，并且串音衰減被作為相鄰信道波長(zhǎng)處分貝損耗的量度。
4.如權(quán)利要求3所述的多路復(fù)用器/去復(fù)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(shí)擴(kuò)展信道帶寬，從而利用了過量的串音衰減。
5.如權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器/去復(fù)用器，其特征在于，還將一漏斗體安置在第一導(dǎo)體的所述里端和外端之間。
6.如權(quán)利要求5所述的多路復(fù)用器/去復(fù)用器，其特征在于，位于第一導(dǎo)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(dǎo)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(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器/去復(fù)用器，其特征在于，所述漏斗體由以下參數(shù)定義第一寬度，它對(duì)應(yīng)于所述漏斗體與第二導(dǎo)體所述外端之間所述第二導(dǎo)體的寬度；第二寬度，它對(duì)應(yīng)于第二導(dǎo)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(quán)利要求7所述的多路復(fù)用器/去復(fù)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(quán)利要求8所述的多路復(fù)用器/去復(fù)用器，其特征在于，所述半角不大于1度。
10.如權(quán)利要求7所述的多路復(fù)用器/去復(fù)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(dǎo)體所述里端之間的間距。
11.一種信道帶寬增大的光學(xué)去復(fù)用器，其特征在于，包括輸入波導(dǎo)，它具有一輸入波導(dǎo)模場(chǎng)；一系列輸出波導(dǎo)，每個(gè)輸出波導(dǎo)都具有一輸出波導(dǎo)模場(chǎng)；色散鏡片，它具有一系列色散場(chǎng)，大體上能將輸入波導(dǎo)模場(chǎng)成象至每個(gè)所述輸出波導(dǎo)上，從而使所述輸出波導(dǎo)獨(dú)立地傳送由所述輸入波導(dǎo)傳送的多個(gè)信道；以及漏斗體，它們位于能夠擴(kuò)展輸出模場(chǎng)的所述輸出波導(dǎo)中，從而增大了輸出波導(dǎo)傳送的信道寬度。
12.如權(quán)利要求11所述的去復(fù)用器，其特征在于，根據(jù)以下關(guān)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(chǎng)的模場(chǎng)半徑，而“σ”是對(duì)波長(zhǎng)沿焦線色散的度量。
13.如權(quán)利要求12所述的去復(fù)用器，其特征在于，所述漏斗體增大了模場(chǎng)半徑“w”，并且/或者所述漏斗體里端的寬度大小與模場(chǎng)半徑“w”的數(shù)值具有相同的數(shù)量級(jí)。
14.如權(quán)利要求11所述的去復(fù)用器，其特征在于，所述輸入和輸出波導(dǎo)在外端和里端之間延伸其各自的長(zhǎng)度，并且所述衍射鏡片在輸入和輸出波導(dǎo)的所述里端之間傳送成象。
15.如權(quán)利要求11所述的去復(fù)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(dǎo)固定在平面襯底上，并且在所述輸入和輸出波導(dǎo)上覆蓋了一層具有不同折射率的類似沉積的包層。
16.如權(quán)利要求15所述的去復(fù)用器，其特征在于，至少具有以下一條特性(a)通過沿波導(dǎo)的長(zhǎng)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(dǎo)的里端擴(kuò)大所述漏斗體的寬度；(c)限制擴(kuò)大的變化率，以便提供絕熱變化；(d)位于輸入波導(dǎo)中的漏斗體的大小類似于位于輸出波導(dǎo)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(fù)用光學(xué)裝置中優(yōu)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(dǎo)與一系列輸出波導(dǎo)耦合，所述色散鏡片產(chǎn)生一系列色散場(chǎng)，大體上能將輸入波導(dǎo)的模場(chǎng)成象在每個(gè)所述輸出波導(dǎo)上；并且在輸入和輸出波導(dǎo)中形成漏斗體，以便增大模場(chǎng)半徑，從而擴(kuò)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(dǎo)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(dǎo)寬度的步驟。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，根據(jù)以下關(guān)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(chǎng)的模場(chǎng)半徑，而“σ”是對(duì)波長(zhǎng)沿焦線色散的度量，并且/或者根據(jù)以下關(guān)系式大致確定某給定波長(zhǎng)間隔“sλ”時(shí)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(dǎo)的模場(chǎng)可以在密集型波長(zhǎng)去復(fù)用器中獲得串音與信道帶寬之間的協(xié)調(diào)。在輸入和輸出波導(dǎo)的里端和外端之間形成漏斗體，可以增大模場(chǎng)半徑，由此降低了串音衰減，且增加了信道帶寬。
文檔編號(hào)H01P5/00GK1161582SQ96117968
公開日1997年10月8日 申請(qǐng)日期1996年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月27日
發(fā)明者丹尼斯M·特魯契特 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司