相位匹配光柵的製作方法
2023-06-14 00:50:41
專利名稱：相位匹配光柵的製作方法
技術領域：
本發明涉及相位匹配光柵，用於在傳輸波分多路WDM信號的光學通訊網絡中進行信號復用和解復用(demultiplexing)。相位匹配光柵光柵沿整個傳輸光譜提供等相輸出信道。
背景技術：
在光學網絡中傳輸能力的增加需要解復用器(demultiplexer)，例如自由空間體光柵，或者集成光路，例如陣列波導光柵(AWG)，以及階梯光柵(echelle grating)，其可以提供更寬的通帶和在通帶內更低的紋波(ripple)。對於傳輸具有更寬光譜的較高比特率的網絡系統更是如此。而且，使用可重構的光學加減模塊(ROADM)的光學網絡具有通過多組解復用器和復用器串聯的光學信號，使得累積損失更為嚴重。
要求所有輸出信道的通帶在器件中是恆定的，優選具有相同的寬度和平頂曲線(flat top profile)。在現有技術的設計中存在大量的例子來提高通帶寬度、提供平頂曲線和降低紋波。然而已經注意到，通帶形狀隨標準AWG中的輸出而變化。中心輸出的通帶具有最高的振幅和帶寬，而隨著逐漸地遠離中心，它變得較低和較窄。通帶的變化性導致從輸出到輸出的濾波函數的變形，降低了平坦度和增加了紋波。由於它降低了外部信道的質量，因此限制了AWG的性能。
2004年7月27日授權給ALCATEL OPTONICS UK LIMITED的美國專利NO.6768842公開了一種AWG，其中對在星形耦合器波導的陣列波導的角度進行線性調頻(CHIRP)以除去第三級像差，它會在AWG輸出信道信號中引起不對稱，特別是在AWG具有平坦通帶中。星形耦合器的形狀沒有改變。
根據本發明已經確定，當使用共焦或羅蘭環(Rowland)結構時，將中心輸出與周圍輸出相比，在光柵線和焦線上的輸出之間具有相位線性誤差。這對應於在限制通帶的每個輸出之間的相對相差。在AWG的情況下，無論是共焦或Rowland結構，該衰減主要來自於在輸出星形耦合器中的場像差(field aberration)。如果所使用的輸入波導遠離中心，對於輸入星形耦合器也發生相同的衰減。
2002年1月15日授權給BRITISH TECHNOLOGY GROUP的美國專利NO.6,339,664公開了一種AWG，為其設計非線性ΔL增量以拓寬3dB通帶。這通過在波導陣列的通路長度增量中插入非線性的拋物線函數來完成。它可以作為光柵線中的變化或通過改變波導而不改變圓形光柵線來實現。任何一個方法都改變了平均相位。然而，本專利沒有發現星形耦合器幾何尺寸會引起相位誤差。結果，即使當通帶被拓寬時，也未對單個的輸出相位進行校正，並且通帶均勻性沿波長光譜未提高。
該相位線性誤差是由許多光柵所共有的幾何結構引起的。例如，凹面體光柵或階梯光柵也一般包括與拱形焦線相對的拱形光柵線，這導致相同的相位誤差，該誤差通常被忽略。改變陣列中到達光柵線的相位僅改變由輸出看見的平均相位。光柵線的幾何形狀控制輸出到輸出的變化。
本發明的一個目的是提供一種光柵，其中所有的輸出在振幅和寬度上基本上相等。
本發明另一個目的是提供一種光柵，其中所有的輸出的相位基本上是匹配的。
發明內容
本發明已經發現，儘管輸出的焦線限定了圓弧，但如果光柵的光柵線設置在橢圓上而不是圓弧上，仍然可以找到最佳位置，在此位置基本上消除了相位線性誤差，並且所有的輸出基本上具有相同的相位。結果，這產生了沿WDM光譜的基本均勻的通帶。
相應地，本發明涉及一種光柵，用於將多個波長的輸入光分成多個空間分開的波長信道帶，包括光柵，其具有包括非圓形橢圓的凹面光柵線，並具有焦點f；多個輸出，其設置在實質上成圓形的圓弧上，所述圓弧通過f且具有實質上等於橢圓焦距的半徑；由此在輸出接收到的每個波長信道中的光具有基本上相同的相位。
本發明的另一個方面涉及一種光柵，用於將多個波長的輸入光分成多個空間分開的波長信道帶，包括陣列波導光柵，其在解復用方向具有光柵，包括多個波導臂，每個波導臂與任何一個其它波導臂具有光程長度差；輸入星形耦合器，其在輸入光柵線被光學耦合到光柵，並在輸入焦線被光學耦合到至少一個輸入波導；輸出星形耦合器，其在輸出光柵線被光學耦合到光柵，並在輸出焦線被光學耦合到多個輸出波導，其中輸出光柵線包括具有焦距的非圓形橢圓，並且輸出焦線包括圓弧，該圓弧具有基本上等於橢圓焦距的半徑，焦線的中心點實質上設置在離開光柵線的橢圓的焦距處，由此在每個信道帶的光在多個輸出具有基本上相同的相位。
本發明的另一個方案涉及一種光柵，用於將多個波長的輸入光分成多個空間分開的波長通道帶，包括陣列波導光柵，其在解復用方向具有光柵，包括多個波導臂，每個波導臂與任何一個其它波導臂具有光程長度差；輸入星形耦合器，其在輸入光柵線被光學耦合到光柵，並在輸入焦線被光學耦合到至少一個輸入波導；輸出星形耦合器，其在輸出光柵線被光學耦合到光柵，並在輸出焦線被光學耦合到多個輸出波導，其中輸出光柵線包括具有焦距的非圓形橢圓，並且輸出焦線包括圓弧，該圓弧具有基本上等於橢圓焦距的半徑，焦線的中心點實質上設置在離開從光柵線的橢圓的焦距處，由此在每個信道帶的光在多個輸出具有基本上相同的相位。
參考表示其優選實施方式的附圖更具體地描述本發明，其中[16]圖1是根據本發明的陣列波導光柵(AWG)的圖；[17]圖2是根據本發明的凹面衍射光柵解復用器；[18]圖3是根據本發明的階梯光柵；[19]圖4是現有技術共焦星形耦合器的示意圖；[20]圖5是具有共焦星形耦合器的現有技術平頂AWG的通帶圖解說明；[21]圖6A是沿圖5的AWG的三個輸出計算的線性的相位誤差模擬的圖解說明；[22]圖6B是圖6A中表示的三個輸出的模擬通帶光譜的圖解說明；[23]圖7是根據本發明的星形耦合器的示意圖；[24]圖8A是來自沿包括圖7的星形耦合器的AWG的三個輸出計算的線性的相位誤差模擬的圖解說明；[25]圖8B是在圖8A中表示的三個輸出的通帶光譜的圖解說明；[26]圖9是根據本發明製造的AWG的通帶的圖解說明；[27]圖10A是來自具有圓形光柵線的星形耦合器的三個輸出的相位的示意和模擬的圖解說明，中心輸出設置在光柵線的中心點；[28]圖10B是圖10A的三個輸出的相位的示意和模擬的圖解說明，其中光柵線已經移動成橢圓，並且每個輸出的相位是相等的；[29]圖10C是圖10B的三個輸出的相位的示意和模擬的圖解說明，其中通過調整光柵的臂長(未示出)已經修改了每個輸出的相位。
本領域中當然理解，雖然根據它們的解復用功能來描述，但這些器件反過來作為復用器同樣工作。為了清楚和一致起見，例如輸入和輸出的元件在解復用功能中被認為是一致的，當然儘管用於復用時，它們的作用是相反的。
具體實施例方式參考圖1，根據本發明，陣列波導光柵AWG通常示為10，其包括在輸入焦線12被光學耦合到輸入星形耦合器2的輸入波導1。在輸入光柵線14輸入星形耦合器2被光學耦合到波導臂陣列3。在橢圓輸出光柵線16波導臂陣列3被光學耦合到輸出星形耦合器4。來自波導臂陣列3的光沿輸出星形耦合器4傳輸到設置在輸出焦線18的多個輸出波導5。
圖2示出通常示為325的衍射光柵復用器。包括具有多個波長的光的WDM信號在埠1從波導315被耦合到循環器311，並從輸出埠2朝向凹面衍射光柵320。光柵320具有橢圓輪廓以修正根據本發明的分散的輸出信道的相位。分散波長信道被聚焦在拱形輸出耦合器340上，在這種情況下是反射式波長平衡器。波長信道的分開的多束光束從耦合器340被反射回光柵320處，這些光束重新結合成單個的光束，此光束指向循環器311的埠2，並從埠2傳播到輸出埠3。
圖3示出具有拱形光柵元件32的階梯光柵30，拱形光柵元件32形成在與來自多個輸入和輸出波導36的自由空間區域34相對的集成器件中。波導36沿拱形焦線38被光學耦合到自由空間區域34。光柵32限定橢圓曲線。
轉到圖4，特別是聚焦在輸出星形耦合器4上，在標準幾何形狀中，波導臂陣列3在半徑為R的圓形曲線C1進入輸出星形耦合器4。輸出波導5設置在距波導臂陣列3的距離R處，也設置在圓弧C2上，其通常具有相同的半徑R(共焦結構)或R/2(Rowland圓形結構)。圖4示出共焦結構，其中Ak位於在 處的圓弧C1上，在以F為中心的參考系統中G位於在 處的圓弧C2上。
可以這樣計算通過輸出G接收到的光從傳播到星形耦合器，由每個陣列波導A1到AN的相位加權的復和(complex sum)。
TG=|k=1Nake2i.k.mce2insGAk|2]]>(公式1)其中λ是波長，M是AWG的級，λc是中心波長，ak是光在AK的複合振幅，ns是平板中的有效折射率。
如果輸出位於弧C1的準確的中心F，那麼通路FA1到FAN是相等的，並且不影響傳輸。(公式1)變成TF=|k=1Nake2i.k.mc|2]]>(公式2)[37]對於在G離開中心的輸出，通路GA1到GAN相對於k將接近線性，如公式3所示。
GAk=R(cosG-1+cosk)2+(sinG-sink)2]]>=R1-2sink(sinG-4(sinG2)2)=R(1-ksinG)+error(G,k)]]>(公式3)公式1變成TG=|k=1Nake2i.k.mce2insR(1-k.sinG)e2inserror(G,k)|2]]>(公式4)TG=|k=1Nake2ik.m(c-nsRsinGm)e2inserror(G,k)|2TF(-nsRsinGm)]]>(公式5)當不考慮來自線性的誤差時，這導致類似於F中的一個的光譜，但在不同的波長，如上面的等式所示。
在現有技術的星形耦合器中，這種誤差被忽略(共焦或Rowland圓)。然而，特別是對於大量的輸出，相位線性誤差將產生顯著的傳輸衰減。圖2示出使用常規的共焦設計的平頂AWG的40個輸出的傳輸。可以看出，通帶沿信道輸出從一側傾斜到另一側。
為了證實上面提出的模型是有效的並說明通帶沿埠的不均勻性，計算來自平頂AWG的埠1、20(中心)和40的線性相位誤差。圖6A示出為埠1、20和40計算的相位線性誤差。圖6B示出埠1、20和40的AWG的模擬光譜上的相位線性誤差。在圖5中示出的模擬和實驗結果之間的良好相關性驗證了模型並證實了在標準星形耦合器設計中這些通帶變化的起源。
在本文件中提出的發明是星形耦合器結構，其中將陣列波導設置在橢圓弧上而不是圓弧上，這是為了降低從埠到埠的通帶衰減。圖7示出的結構，其中在以F為中心的參考系統中，陣列波導3AK在 進入橢圓弧E上的輸出星形耦合器4，而不是標準圓弧C1，其中當橢圓弧E與原來的圓弧C1相同時，ε≠0。將陣列波導3設計成確保每個通過AWG的光程之間的延遲具有固定的增量。每個通路由穿過輸入星形耦合器2的長度構成，陣列波導3由具有或不具有直的部分的一系列彎曲和輸出星形耦合器4構成。所以，將波導從C1移動到E在光程中產生平均相位變化。這可以通過調節在陣列中的波導長度補償。這在圖10A-10C中示出。圖10A示出具有共焦或Rowland結構圓弧的光柵線16的現有技術的星形耦合器。畫出了共焦線18上的輸出5在埠1、20和40的相位。在該結構中，三個輸出的相位不是相等的或平坦的。在圖10B中，光柵線16已經變為橢圓形的E。儘管不是平坦的，但在埠1、20和40的相位是相等的。在圖10C中，為了在每個信道中產生平坦的相位，通過調整陣列3的波導長度來修改圖10B的結構。
根據本發明，光柵線16被包含在基於圓形星形耦合器4的本質上標準的AWG設計中。通過基本上呈線性的函數來描述光柵陣列的延遲，儘管這不是必要的。標準AWG的這些標稱延遲不隨圓形星形耦合器設計而改變。只通過星形耦合器幾何形狀的改變來改變單個信道相位。一旦各信道具有相同的相位，在陣列中平均相位也可以稍作改變以獲得優選的平坦相位。
通過使用具有上述相同模型的不同偏心率ε，可以發現優選值為-0.25，其中相位線性誤差和它們從埠到埠的作用、以及通帶都將最小化。
圖8A示出埠1、20和40的模擬相位誤差和相應光譜。通過比較圖8A和圖6A可以看出，相位誤差已經大大降低並且對於埠1和40是相等且對稱的。它們在從埠到埠的通帶形狀上的作用是很小的。從圖8B可以看出，圖8A中三個輸出的通帶光譜的圖解論證了在整個光譜上通帶實質上具有相同的形狀。
根據本發明的AWG製造成具有-0.25的偏心率的橢圓光柵線。在圖9中示出沿40信道WDM光譜的所測量的通帶。如圖所示，最小變化發生在沿著40個輸出的通帶中，使得AWG對於所有輸出都具有良好性能。
一旦光柵線被確定，使用例如AutoCAD的設計程序的設計方法畫出了最短的波導，並計算出其總體路徑長度，例如在輸入線性耦合器的組合信道、波導陣列以及到達假定中心輸出的輸出星形耦合器。在最終的設計中，在中心點可以沒有輸出。然後通過為每個以迭代方式布置的連續波導確定正確的延遲增量來解決陣列，直到解決第N個波導。
儘管已經參考具體實施方式
描述了本發明，但在不脫離本發明的情況下的各種修改和替換對本領域的技術人員是顯而易見的。例如，波導可以設置在接近橢圓的光柵線上，例如多項式函數的和，它使得從輸出到輸出的相位線性變形得到糾正。因此本發明不應該局限於上面給出的具體實施方式
的例子，而應由權利要求書限定。
權利要求
1.一種光柵，用於將多個波長的輸入光分成多個空間分開的波長信道帶，包括光柵元件，其具有包括非圓形橢圓的凹面光柵線和具有焦點f；多個輸出，其設置在實質上成圓形的弧上，所述圓弧通過f並具有實質上等於橢圓焦距的半徑；由此在輸出接收到的每個波長信道中的光具有實質上相同的相位。
2.如權利要求1所述的光柵，其中所述非圓形橢圓具有-0.25的偏心率。
3.如權利要求1所述的光柵，其中所述橢圓由多項式函數的和近似。
4.如權利要求1所述的光柵，其中所述光柵包括集成式陣列波導光柵，所述集成式陣列波導光柵具有至少一個輸入波導，其被光學耦合到輸入星形耦合器的焦線；光柵元件，包括多個波導臂，在每個輸入星形耦合器和輸出星形耦合器，波導臂的端部形成光柵線；多個輸出波導，其被耦合到輸出星形耦合器的焦線，其中輸出星形耦合器的光柵線包括非圓形橢圓。
5.如權利要求4所述的光柵，其中所述非圓形橢圓具有-0.25的偏心率。
6.如權利要求4所述的光柵，其中所述輸入星形耦合器的光柵線包括非圓形橢圓。
7.如權利要求4所述的光柵，其中所述波導臂具有光程以便為每個輸出提供平坦的相位。
8.如權利要求1所述的光柵，其中所述光柵包括集成式階梯光柵，所述集成式階梯光柵具有至少一個輸入波導；階梯光柵，具有包括非圓形橢圓的光柵線；自由空間區域；以及多個輸出波導，其具有設置在實質上成圓形的弧中的端部，所述圓弧與所述自由空間區域相鄰。
9.如權利要求1所述的光柵，其中所述光柵包括具有橢圓輪廓的凹面體光柵。
10.一種光柵，用於將多個波長的輸入光分成多個空間分開的波長信道帶，包括陣列波導光柵，其在解復用方向具有光柵元件，包括多個波導臂，每個波導臂與任何一個其它波導臂具有光程長度差；輸入星形耦合器，其在輸入光柵線被光學耦合到所述光柵元件，並在輸入焦線被光學耦合到至少一個輸入波導；輸出星形耦合器，其在輸出光柵線被光學耦合到所述光柵元件，並在輸出焦線被光學耦合到多個輸出波導，其中所述輸出光柵線包括具有焦距的非圓形橢圓，並且所述輸出焦線包括圓弧，該圓弧具有實質上等於所述橢圓焦距的半徑，所述焦線的中心點基本上設置在離開光柵線的橢圓的焦距，由此在每個信道帶的光在多個輸出具有實質上相同的相位。
11.如權利要求10所述的光柵，其中所述輸出光柵線的非圓形橢圓具有-0.25的偏心率。
12.如權利要求11所述的光柵，其中對所述光柵波導臂中的光程長度進行補償，這樣每個信道帶中的光在多個輸出具有實質上平坦的相位。
13.如權利要求10所述的光柵，其中所述輸入星形耦合器的輸入光柵線包括從輸入焦線設置橢圓的焦距的非圓形橢圓，所述輸入焦線包括具有半徑等於橢圓焦距的圓弧，用於接收來自設置在所述輸入焦線的非中心位置的輸入波導的光。
14.如權利要求10所述的光柵，其中多個波導臂的光程長度差相對於圓形輸出光柵線而計算出；由所述光程長度差產生的光學延遲實質上保持在與所述橢圓輸出光柵線的組合中。
15.如權利要求10所述的光柵，其中可以通過實質上成線性的函數來定義多個波導臂的光程長度差。
16.如權利要求10所述的光柵，其中所述橢圓由多項式函數的和近似。
全文摘要
本發明涉及相位匹配光柵，用於在光學通訊網絡中進行信號復用和解復用。在現有技術的光柵中，將中心輸出與周圍輸出比較，在光柵線和焦線上的輸出之間具有相位線性誤差。這對應於在限制通帶的每個輸出之間的相對相差。在AWG的情況下，該衰減主要來自於輸出星形耦合器中的場像差(field aberration)。本發明已經發現，儘管輸出的焦線限定了基本上成圓形的弧，但如果光柵的光柵線設置在橢圓上而不是圓弧上，仍然可以找到最佳的位置，在此位置基本上消除了相位線性誤差，並且所有的輸出基本上具有相同的相位。因此，這產生了沿整個WDM光譜的基本均勻的通帶。
文檔編號G02B6/34GK1880988SQ20061008693
公開日2006年12月20日 申請日期2006年6月19日 優先權日2005年6月17日
發明者巴斯來米·方達 申請人:Jds尤尼弗思公司