CN101292184A - 矩形通带复用器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低损耗的矩形通带复用器，包括相干连接到波导光栅路由(WGR)的三臂干涉仪，形成大致为N＝3类型的通带，而没有本征损耗。该三臂干涉仪具有基本等于信道间隔的自由频谱范围(FSR)，并且与具有更大FSR的M臂干涉仪相连。所述三臂干涉仪包括与1×3耦合器和3×3耦合器光连接的三根波导，每根波导的路径长度呈线性增加。该1×3耦合器可由一系列Y分支耦合器构造而成。

Description

矩形通带复用器

技术领域

本发明主要涉及光通信领域，尤其涉及具有改进特性的无损矩形通带复用器。

背景技术

在采用波分复用(WDM)的通信网络中，对于解复用器/复用器(此后以通用术语“复用器”指代)有利的是呈现出矩形通带以及零色散的特性，这些特性增强了复用器的“级联性”。有一种装置，即人们所熟知的波导光栅路由(WGR)显示了其作为复用器的价值。(可参考文献，例如“基于光学控相阵列的新聚焦及发散平面元件”(M.K.Smit，″New Focusing and Dispersive Planar Component Based On An OpticalPhased Array，″Electron.Lett.，Vol 24，pp.385-386(1988))；“用于具有纳米分辨率的波分复用器/解复用器的阵列波导光栅”(H.Takahashi，et al，″Arrayed-Waveguide Grating For WavelengthDivision Multi/Deplexer With Nanometer Resolution，″Electron.Lett.Vol.26，pp.87-88，(1990))；以及“利用两个星形耦合器平面结构的NxN光纤复用器”(C.Dragone，″An NxN Optical Multiplexer Using A PlanarArrangement Of Two Star Couplers，″IEEE Photon.Technol.Lett.Vol.3，pp.812-815，(1991))).

正如本技术领域里人所知的，通过WGR有很多方法可以达到矩形通带。第一种方法涉及图像失配(imgage mismatching)的应用，比如使用Y分支多模干涉(MMI)耦合器或者输入波导上的短干涉(shorthorn)，或改变光栅臂的长度和损耗。(可参考文献，例如“具有宽且基本平坦的通带的频率路由装置”(C.Dragone，″Frequency RoutingDevice Having A Wide And Substantially Flat Passband，″United StatesPatent No.5,412,744，(1995))；“利用多模干涉耦合器对集成阵列波导滤波器拓宽通带”(M.R.Amersfoort，et al.，″Passband BroadentingOf Integrated Arrayed Waveguide Filters Using Multimode InterferenceCouplers，″Electron.Lett.，Vol 32，pp.449-451，(1996))；“具有抛物线波导号角的平频谱响应阵列波导光栅复用器”(K.Okamato andA.Sugita，″Flat Spectral Response Arrayed-Waveguide GratingMultiplexer With Parabolic Waveguide Horns，″Electron Lett.，Vol.32，pp.1661-1662，(1996))；“用于拓宽波长路由器的通带的高效技术”(C.Dragone，″Efficient Techniques For Widening The Passband Of AWavelength Router，″J.Lightwave.Technol.I，Vol.16，pp.1895-1906，(Oct 1998))；以及“用于平坦化频谱响应波长复用器/解复用器的多光栅法”(A.Rigny，et al.，″Multigrating Method For Flattened SpectralResponse Wavelength Multi/Demultiplexer，″Electron.Lett.，Vol.33，pp.1701-1702，(1997)))。然而很不幸地，图象失配呈现出本征损耗，而且通带角度(passband corner)越尖锐，损耗越大。可以认识到的是，可将矩形通带视为N条并排(side-by-side)的一阶高斯通带。结果，由图像失配创建的矩形通带的透射比(transmissivity)必须为＜＝1/N。

第二种通过WGR达到矩形通带的方法是采用同步光栅，同步光栅具有两个相干连接的干涉仪，该干涉仪具有相同的空间离散但不同的自由频谱范围。(可参考文献，例如“具有宽阔且基本平坦的通带的频率路由装置”(C.Dragone，″Frequency Routing Device Having a WideAnd Substantially Flat Passband，″United States Patent No.5,488,680，(1996))；“基于硅平面波导解复用器的原始低损耗及平坦化通带二氧化硅”(G.H.B.Thompson，et al.，″An Original Low-Loss And Pass-BandFlattened Si02 on Si Planar Wavelength Demultiplexer，″Optical FiberConference Digest，pp.77，(1998))；以及“紧凑且低损耗的集成盒状通带复用器”(C.R.Doerr，et al.，″Compact And Low-Loss Integratedbox-Like Passband Multiplexer，″IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.15，pp.918-920，(July 2003))).

最近，有技术显示可以通过将两臂干涉仪相干连接到WGR构造复用器，从而形成只有很少或没有本征损耗的N＝2类型的通带。

发明内容

发明人开发了低损耗矩形通带复用器，其包括相干连接到波导光栅路由(WGR)的三臂干涉仪，从而大致形成没有本征损耗的N＝3类型的通带。

从这种创新的构造所得到的复用器特别紧凑而且很容易构造。

附图说明

通过参考附图，可以更完整地了解本发明，其中：

图1是根据本发明的低损耗矩形通带复用器的示意图；

图2是优选用于图1中的复用器的三臂干涉仪及与其相关联的耦合器的示意图；

图3显示了从根据本发明构造的封装复用器的16个输出测得的透射比；

图4(a)显示了测得的透射比的图形，图4(b)显示了根据本发明构造的封装复用器的信道9的群延迟；

图5(a)显示了测得的透射比，图5(b)同时显示了根据本发明构造的封装复用器(实线)和经改进设计的模拟(虚线)的群延迟；

图6显示了由图2(a)中的干涉仪发射的计算解复用频谱，3x3耦合器在图6(a)中是单段的，在图6(b)中是双段的。

具体实施方式

首先参照图1，其为本发明的低损耗矩形复用器100的示意图。更具体地说，复用器包括具有基本等于信道间隔(channel spacing)的自由频谱范围(FSR)的三臂干涉仪110，与具有更大FSR的M臂干涉仪120相连。在首选的实施例中，M臂干涉仪120具有连接到两个星形耦合器130、140的M个波导120[1J...120[M]，每根波导具有线性增加的路径长度。

本领域的技术人员很快就可以将熟知的M臂干涉仪120认作“频率路由装置”，它用作光频(optical frequency)复用器和光频解复用器。这样的频率路由装置在本技术领域内是为人所熟知的，在1996年1月30日授予Dragone的序号为5,488,680的美国专利中对其有更详细的描述，其全部内容作为参考被引入本说明书中。

可以知道，星形耦合器130、140每个都包括通过自由空间区域连接到多个输出端口的多个输入端口。(耦合器130的)多个(M个)输出端口连接到M个波导，波导向星形耦合器140相应的相应多个(M个)输入端口提供预定量的路径长度差。优选地，这些装置由波导形成。

三臂干涉仪110包括三根波导110[1]、110[2]、110[3]，各呈现出线性增加的路径长度。三根波导110[1]、110[2]、110[3]连接到两个耦合器117、119，一端连接一个。

为达到本发明的目的，优选地，这两个耦合器117、119并不是诸如那些(130，140)连接到M臂干涉仪120的星形耦合器。部分是因为当端口数量较小和当整个布里渊区(Brillouin zone)必须使用于特定应用时，星形耦合器呈现出较高的额外损耗。

例如，当从外部输入到外部输出端口时，3x3的星形耦合器典型地呈现出～1.8dB的附加损耗。此外，如果耦合到三臂干涉仪110的第二耦合器是星形耦合器，就会发射出到达较高的衍射级的所不希望的光进入WGR，引起串扰(crosstalk)。因此，本发明结构的优选实施例采用包括第一耦合器117的Y分支模式耦合器116和包括第二耦合器119的3x3定向耦合器(directional coupler)的模式[或相当的3x3的多模干涉(MMI)耦合器]。

现在参照图2(a)，其为前述三臂干涉仪210和耦合器217、219的示意图。特别地，组成三臂干涉仪210的三臂210[1]、210[2]、110[3]的臂长呈现出线性增加的长度。也就是说，臂210[2]比臂210[1]长ΔL，臂210[3]比臂210[2]长2ΔL。

在干涉仪210的相对端是耦合器217和219，他们分别在图2(b)和图2(c)/(d)中有相应更详细的图示。先来参照图2(b)，图中显示了包括Y分支耦合器216模式的耦合器217。因为这只是对于耦合器217的首选实施例，所以应该注意的是，任何低损耗1x3耦合器都适用。

从另一个方面看，可认为耦合器217是一系列1x2的分离器(splitter)，在这个例子中，是4个1x2的分离器。此外，如果对组成(comprise)耦合器217的1x2分离器进行选择性的分段，就可以实现既达到非常低的损耗又能取得所需的光分比(split ratio)。可被充分认识到的是，这种1x3耦合器设计的显著优点是，对于波长、极化(polarization)和制造的改变而言，其光分比是稳健的。

更具体地说，如果组成耦合器217的1x2分离器每个都是50/50分离器，那么引导入三臂(210[1]、210[2]和210[3])的净光分比为25/50/25。这对于这里所述的矩形通带来说是相当理想的光分比。另一方面，如果光分比为66.7/33.3的两个1x2分离器用于最外层的两个分离器中，且光分比为50/50的两个1x2分离器用于另外的两个，那么所导致的净分离为33.3/33.3/33.3，平均分配到三臂210[1]、210[2]和210[3]中。

现在关注三臂干涉仪210的另一端，具体的是耦合器219，我们同样注意到所显示的耦合器219也是简单的3x3定向耦合器。本领域的技术人员可认识到的是，如果如图2(c)中所示使用这种简单的3x3定向耦合器，从中间端口220[2]将有相对较小的输出，因此将对总的装置损耗和通带形状产生负面的影响。

然而，通过使用在图2(d)中显示的双级3x3定向耦合器，可以有效地模拟(emulate)3x3星形耦合器。更详细地讲，参照图2(d)，可以发现干涉仪的臂210[1]和210[3]出一系列连续的弯曲，造成局部本征模(local eigenmode)之间的一系列相移。具体的是，第一相移为～35度，接着大致为～270(即～90)度，再接着大致为～90度，其中这些相位可以以360度为模(modulo)。依此，这样构造的双级3x3耦合器的输出基本上等于穿过(across)三个输出220[1]、220[2]和220[3]的透射比。注意，可以用相当的MMI耦合器代替每个定向耦合器而不偏离本发明的精神。

参照图6，有另一种方法可以理解单级和双级3x3耦合器的运作。图6显示了从图2(a)中所示的干涉仪的端口220[1](实线)、220[2](点线)和220[3](虚线)计算所得的解复用频谱，其中3x3耦合器在图6(a)中是单段的，在图6(b)中是双段的。因为在单段耦合器的情况下输出端口220[1]...220[3]之间的相对相位是+/-90度，图6(a)中的所有三个通带在自由频谱范围内都不是相等地分配的。当用于图1的装置时，会造成更窄的通带。将双级耦合器设计成在输出220之间具有+/-120度的相对相位。这样图6(b)中的全部三个通带在自由频谱范围内得以相等的分配，这与以真正的星形耦合器替换3x3耦合器的情况一样。这就加宽了图1中的装置的通带。

现在，很有必要分析一下3x3定向耦合器的运行。可知，简单的3x3定向耦合器的输入/输出矩阵如下：

$\frac{1}{4}\left(\begin{array}{ccc}1& \sqrt{2}& 1\\ \sqrt{2}& 0& -\sqrt{2}\\ 0& -\sqrt{2}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\exp \left(j2\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ 0& \exp \left(\mathrm{j\θ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& \sqrt{2}& 1\\ \sqrt{2}& 0& -\sqrt{2}\\ 1& -\sqrt{2}& 1\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，Θ与耦合器的长度成比例。为使通带中具有零色散，Θ＝π/2。这保证了到耦合器的其中一个外端口的输入在耦合器另一侧上产生对称的输出，因而使得通带中的全部波长具有通过装置的相同的平均路径长度。

在具有Θ＝π/2的3x3耦合器输出处的功率分配在进入(launch)外部波导时分别为1/4、1/2、1/4。前述用于三臂干涉仪输入处的4个Y分支耦合器的模式产生同样的功率分配，而且，与此同时，对于波长、极化及制造(WPF)的变化反应不敏感。在双段3x3耦合器的情况下，这样的功率分配的工作同样良好。

这样的模式匹配能够有利地为通带边缘保证～100％的透射比。另一方面，如果不用更为理想的Y分支耦合器而是用三根耦合的波导(定向的或MMI的耦合器)做成1x3耦合器，由于耦合器中较小的WPF变化所引起的干涉仪臂中的所希望功率分配的偏离会导致较高通带纹波(passband ripple)。

可认识到的是，定向(以及MMI)耦合器是“绑定的(bounded)”，这与星形耦合器形成鲜明的对比，因此这些耦合器的输出之间的相位差不必是单调的。然而可以显示，对于PxP定向(或MMI)耦合器，仅在P＜4时，当进入单输入时，从输出到输出相位单调地变化。因此，如果想要其路径长度差单调地增加的话，则连接到WGR的干涉仪中的臂的最大数量是3。

可以很快认识到此臂数限制的影响，例如，假如试图使用4x4定向耦合器把本设计扩大到包括四臂干涉仪。要构造这样的装置，四臂干涉仪的臂长的分配的比例则必须是0∶2∶1∶3，本领域技术人员可以容易地认识到这是不可能紧凑地得到实现的。

然而，束缚耦合器的另外一个结果是：从图1中干涉仪117出现的解复用图像随波长在空间上来回跳动，而不是如使用星形耦合器情况下的的锯齿模式。这导致形成的通带不像N＝P通带一样具有高的品质因数(figure of merit)(1-dB通带宽度由20-dB通带宽度划分)。尽管束缚耦合器(bounded coupler)有这些限制，这里使用的多级3x3定向耦合器仍然能到实现所需的锯齿状。

已设计出16-ch版的复用器并随后进行了构造。其通过使用硅基二氧化硅波导制造而成，纤芯包层指数对比(core-cladding indexcontrast)为0.80％，纤芯高度为6.0μm。该装置呈现出以下特性：信道空间(channel spacing)为100GHz；有包括波导光栅路由(WGR)的82臂；WGR中的运行光栅级数(operating grating order)83；弯曲半径为4.1mm；波导输出端口宽度为11.5μm，以及两个星形耦合器中的0.13rad的光栅臂俘获角。

所采用的3x3定向耦合器(此设计使用单段设计)包括三根波导，其外部两根以10mm的半径弯曲到8.2μm的中心至中心间隔。此外，波导的初始宽度为4.3μm，一旦三臂都平行则扩增到4.8μm。波导的平直部分长度是820μm。

随后从制成的晶片切割(dic)出芯片，光纤带组件(assembly)固定到芯片左侧面，该组件随后被放置于保护性封装里。

在工作时，呈现出的极化相关波长偏移为26pm。为了将三臂干涉仪和WGR波长对准，有必要驱动臂中的热光移相器(thermoopticphase shifter)，使得以490mW驱动最长的臂，以470mW驱动中间臂。

图3显示了测得的16个信道(所有信道的移相器设置是相同的)的透射比。包括一个连接器最坏情况插入损耗为5.8dB，通带中的最坏情况峰-峰波纹为1.0dB。最坏串扰(距信道中心±30GHz)为23.4dB。通带品质因数为0.56nm/0.96nm＝0.58。图4是显示信道9的测得的透射比和群延迟的图。损耗为光纤到光纤，包括一个连接器和单个任意极化(arbitrary polarization)。

为帮助理解这些性能特征，通过使用本征模分析和sinc束传播(sinc propagation)法模拟了该装置。通过使用所展示装置的设计参数和弱化3x3耦合器中的耦合使其明显弱于期望值(最佳是～50％)，可以得到图5的实线曲线。很容易可以认识到的是，对于这些初步装置，模拟和实验之间的相近匹配意味着3x3定向耦合器中的耦合很可能太弱。这可能是因为模式相关的蚀刻引起中央波导比外部波导更窄，导致三根波导之间的传播常数(传播常数)失配。

当以正确的耦合器强度重新进行模拟，而且对设计作出调整，通过将光栅臂(grating arm)数改成88、将两个星形耦合器中的光栅入口填充角(fill angle)改成0.155rad、将输出波导宽度改成14.5μm，就可以得到图5中的虚线曲线。可以看到，损耗降低了～2dB，纹波和色散消失了，并且串扰改进了＞7dB。此经改进的通带的品质因数为0.59。这足以媲美品质因数为0.45的WGR同步的两臂干涉仪组成的备选复用器。如果将3x3耦合器改成图2(d)中的双段设计，通带的品质因数甚至提高得更多。

可以认识到的是，应该可以证明根据本发明构造的装置所特有的提高的品质因数对于高频谱效率系统和诸如波长分插利用(wavelengthadd-drop)的高级联装置来说是极其有益的。

此处虽然用一些特定例子讨论和描述了本发明，但是本领域的技术人员会明白本说明书中所披露的技术并不受其限制。因此，本发明仅受权利要求所附权利要求的限制。

Claims (7)

1.一种光学器件，包括：

1x3光耦合器；

三臂干涉仪，与所述1x3耦合器光连接，其中所述三臂呈现出线性增加的路径长度；以及

3x3耦合器，与所述干涉仪光连接，所述3x3耦合器是从由定向耦合器或多模干涉(MMI)耦合器组成的组中选出的一个。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述1x3光耦合器包括Y分支耦合器的设置。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述3x3耦合器是单级耦合器，并呈现出局部本征模之间的大致为90度的相移。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述3x3耦合器是双级耦合器，并呈现出大致为～35度、～270度及～90度的相移，或其以360度为模的相移。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，还包括：

M臂干涉仪，与所述3x3耦合器光连接，

其中，所述三臂干涉仪呈现出基本等于信道间隔的自由频谱范围，而所述M臂干涉仪呈现出充分大于(＞＞)所述三臂干涉仪的自由频谱范围的自由频谱范围。

6.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述M臂干涉仪的M臂呈现出线性增加的路径长度。

7.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述三臂干涉仪的第一臂呈现出路径长度L，所述三臂干涉仪的第二臂呈现出以大致等于ΔL的量大于所述第一臂的路径长度，所述三臂干涉仪的第三臂呈现出以大致等于2ΔL的量大于所述第二臂的路径长度。

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