包含空芯波導的整體光發射與光接收裝置的製作方法
2023-07-31 08:43:11 1
專利名稱：包含空芯波導的整體光發射與光接收裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光發射與光接收裝置，具體涉及供電信系統及其類似系統使用的這類裝置。
供基於電信網絡的光纖使用的光發射與光接收系統是公知的。典型的發射系統包含若干光學部件(如雷射器、光調製器、波長濾波器等)，所述的若干光學部件配置成可產生光強調製雷射束用於傳送信息。經調製的雷射束耦合進一段光纖並被傳送到遠程的接收系統，所述的接收系統一般包含若干光學部件，所述的若干光學部件配置成可提取由經調製的雷射攜帶的信息。
以前曾經利用被剛性地保持在適當位置的光學部件使光束在這些光學部件之間的自由空間內耦合，實現了發射和接收電路。然而，維持這樣的部件所必需的對準可能是困難的，尤其是當裝置遭遇機械振動時。利用短光纖將必需的光學部件通過光耦合起來也是公知的並且在本領域中更普遍。儘管這種實現手段提供了具有強度增大的電路，但是要使這樣的裝置緊湊是困難的。此外，與各種光纖接口相關聯的光損耗可大大降低裝置的性能並且主動將自由空間或光纖耦合部件對準的複雜度/成本也是很高的。
本發明的目的是減輕已知發射和接收系統的至少某些缺點。
按照本發明的第一方面，發射裝置包含一個或多個雷射器；通過所述的一個或多個雷射器中的每一個對輻射輸出進行光強調製的調製部件；以及輸出由調製部件產生的調製輻射的輸出部件，其特徵在於，所述的裝置包含在襯底上形成的空芯光波導，在使用中，所述空芯光波導將輻射從一個或多個雷射器引導至調製部件並從調製部件引導至輸出部件。
發射裝置因此被設置成可用來產生調製光信號以進一步傳輸，例如，沿著光纖或穿過自由空間的傳輸。與現有技術的自由空間或光纖耦合系統相比，在襯底上形成的空芯波導內的光束引導提供了更緊湊和堅固的光學裝置。與實芯波導相比，空芯波導還使更高的光功率能夠被傳輸。此外，與現有技術的光纖耦合系統相比，光纖端面反射量被減少，從而減少了與裝置相關聯的光損耗。
應當注意空芯光波導結構形成時，其空芯中可能充滿了空氣。然而，這無論如何也不應被看成是對本發明範圍的限制。空芯可包含任何流體(如液體或如氮等的惰性氣體)或者是真空的。術語「空芯」僅僅意味著芯部缺少任何固體材料。此外，術語「光」和「光的」在這裡被用來指任何波長範圍從深紫外到遠紅外變化的電磁輻射。
其優點在於，一個或多個雷射器和調製部件中至少一個是可便利地位於在襯底上形成的對準槽內的獨立部件。換句話說，雷射器和/或調製部件的光調製器是最好位於在襯底上形成的對準槽內的混合光學部件。將對準槽製成適當的形狀以此接納部件並且因此如必要可以比各種空芯光波導更深/更淺和/或更寬/更窄。彈簧夾或微型夾可用來確保部件位於適當的位置。
此外，還可以足夠的精度製作對準槽以使其容納的光學部件對準。把光學部件放進這樣的對準槽將因此自動地校準光學部件並且不需要部件對準或調節步驟。換句話說，本發明可提供光學部件的被動對準而不是需要其中部件位置被調節(如通過手)直至獲得想要的對準這樣的主動對準。在電子電路製造中使用的傳統的摘嵌(pick and place)技術及其類似的技術可用來將光學部件放進相關聯的對準槽。另外，摘嵌技術可提供必要的對準。例如，在被放置並且接著被固定(如粘合)時部件可被精確對準以此保持準直。表面張力對準技術(如回流焊接)還可用來對準如雷射器等部件。
對準槽和(尤其是)光學部件的製造可帶有一定尺寸的公差。隨著光學部件相對於空芯波導的對準角度誤差的增加，光學部件和相關聯的空芯光波導之間的耦合效率將降低。然而，空芯波導截面尺寸的減少將增加可接受的角度對準公差，雖然是以由減少的芯部尺寸和增加的(更緊的)橫向對準公差引起的光波導中輕微增加的損耗為代價。因此，獲得的對某種光學部件的對準公差的了解(例如，由對光學部件製造公差的了解而獲得)將使空芯波導的尺寸可被選擇以確保高耦合效率。還可使用這種類型的對準槽容納下述的各種光學部件(如光隔離器、透鏡、光束組合部件、檢測器、波長濾波器等)。
其便利在於，一個或多個雷射器和一個或多個光調製器中的至少一個是在襯底上形成的整體部件。因此，如果襯底使用適當的材料，則一個或多個雷射器和一個或多個光調製器中任何一方可整體地在襯底內/中形成。正如下面關於蓋部/底部配置所描述的，襯底可包含由在其中可形成整體部件的材料(如GaAs)組成的區域。也可採用將混合和整體部件組合的方式。
其優點在於，輸出部件配置成可將調製輻射耦合進至少一條輸出光纖。輸出部件最好包含至少一個光纖接合部件，以將光纖光學且機械地接合到所述裝置。每個光纖接合部件可包含對準槽或V形槽，它們在襯底上形成並配置成可將實芯光纖固定在適當位置上，從而使光輸入/輸出端與所述裝置接通。也可設置階梯式光纖對準槽用來保持緩衝層和包層。也可設置彈簧夾或微型夾以確保光纖位於適當的位置。
通過例如在對準槽內夾住光纖包層來實現空芯光纖的芯部和所述裝置的空芯波導的對準同樣是有利，因為空氣芯到空氣芯的連接不會有任何不必要的反射。然而，本領域技術人員會認識到空芯光纖的使用可能只對多模波導應用是可行的。
為了在光纖的芯部和光路的空芯波導之間提供有效的耦合，空芯波導的截面應當適合於光纖芯部的截面。在實芯光纖的場合，洩漏進包層意味著光纖傳送的模寬實際上大於芯部的直徑；例如，通常單模玻璃光纖的10μm實芯具有約14μm直徑的總場寬。
如果光纖的模寬不同於空芯波導，則至少一個光纖接合部件配置成可接納帶透鏡的輸出光纖是有利的。帶透鏡的光纖使光場適當地擴大或縮小，以使光束耦合到芯部尺寸不同於空芯波導的光纖。
至少一個光纖接合部件包含模匹配部件也是有利的。該模匹配部件可包含位於襯底上的、用來根據需要從光纖端面縮小/擴大光場的分立透鏡(如球形或GRIN棒狀等)。透鏡可帶有減反射塗層。作為備選或另增的方式，該模匹配部件可包含楔形空芯波導部分，從而當其穿過裝置時可擴大或縮小光場。
其便利在於，所述裝置包含一個雷射器。單波長調製的雷射輸出接著被耦合進比如單條光纖。所述裝置因此設置了獨立的單波長發射模塊。本領域技術人員會了解這樣的模塊可與其它單波長發射模塊(可能也是本發明的)設在一處，其輸出通過光纖輸送至光束組合器。
其優點在於，可設有多個雷射器。一般地，每個雷射器將帶有一個相關聯的光調製器，以使獨立的數據被各雷射器產生的光束傳輸。其便利在於，所述多個雷射器中的每一個可具有不同的輸出波長，以使所述裝置可用來生成兩個或多個用於沿單條光纖傳輸的波長通道。
還可設置光束組合部件，這是有利的。該光束組合部件配置成可將多束調製光束組合成組合光束，其中所述的組合光束耦合進單條輸出光纖。如此，若干個波長通道可沿著單個傳輸光纖傳輸。
其便利在於，所述多束調製光束中的每一束耦合進多條輸出光纖中的一條。還可設置獨立的(如與光纖連接的)光束組合部件，以組合由所述裝置的各條獨立輸出光纖傳送的多個單波長通道。
其優點在於，所述一個或多個雷射器中的一個是半導體雷射器並且所述半導體雷射器最好是波長可調半導體雷射器。至少一個波長可調雷射器的使用為所述裝置設置的波長通道提供了靈活性。對於電信應用來說，雷射器的波長輸出通常在1.4μm至1.6μm的電信波長範圍內。
其優點在於，設有一個或多個檢測器用來監測所述的一個或多個雷射器的輻射輸出強度。可設有光抽頭來從空芯光波導中抽取光束並送往檢測器。所述光抽頭可以是分光器或者是在GB2003/000331和GB2003/000370中所描述類型的空心多模幹涉(MMI)器，這是有利的。
其便利在於，所述裝置還包含至少一個光隔離器。所述光隔離器的設置確保了所述裝置內的反射不會回授到雷射器，在該處反射可被進一步放大。也可使用雷射器和光隔離器的組合件。
由某些類型的雷射器(尤其是半導體雷射器)提供的輸出具有由雷射器結構指定的某種波束形狀。因此，設置一個或多個波束整形部件是有利的。波束整形部件將使波束形狀與可耦合進相關聯的空芯光波導的最優波束形狀相配。這還可減少所述裝置的光損耗。
其優點在於，所述雷射波束整形部件中的至少一個包含一個或多個透鏡。例如，可使用柱面透鏡或球形透鏡。波束整形部件中的至少一個可同時或選擇地包含楔形空芯光波導。楔形可以是一維或是兩維的。例如，在矩形截面波導的場合，波導寬度可以逐漸變細而波導深度不變。
還可在所述裝置的各種部件之間設置若干波束整形部件。例如，半導體雷射器可產生3μm×10μm的雷射束，該雷射束被整形成半徑為4μm的光束以最佳地通過光調製器。在通過光調製器後，光束可被再次整形以優化進入光纖的耦合效率。
其便利在於，所述的調製部件包含一個或多個光電調製器。例如，砷化鎵(GaAs)光電調製器。可使用若干可選用的調製器(如鈮酸鋰體調製器或電吸附調製器(EMA))。一般地，數字控制信號被施加於調製器以使數字光強調製(即0或1)被施加於關聯雷射器的輸出。
按照本發明的第二方面，發射裝置包含至少一個能夠產生光強調製輻射的雷射器和用來將雷射器產生的輻射耦合進至少一條輸出光纖的輸出部件，其特徵在於，所述裝置包含在襯底上形成的空芯光波導，在使用中，所述的空芯光波導將輻射從至少一個雷射器引導到至少一條光纖。
發射裝置設置成用經調製的雷射器產生沿光纖傳輸的經調製的光信號。與現有技術的自由空間或光纖耦合系統相比，在襯底上形成的空芯波導內的光束引導提供了更緊湊和堅固的光學裝置。與實芯波導相比，空芯波導還使更高的光功率被傳輸。此外，與現有技術的光纖耦合系統相比，光纖端面反射量被減少，從而減少了與所述裝置相關聯的光損耗。
輸出部件可包括至少一個光纖接合部件。至少一個光纖接合部件可配置成用來接納帶透鏡的輸出光纖(這是有利的)，並且/或者可包含上述模匹配部件。
按照本發明的第三方面，接收裝置包含一個或多個檢測器和一個或多個光纖接合部件，一個或多個光纖接合部件配置成可接納一條或多條光纖，其特徵在於，通過在襯底上形成的至少一個空芯光波導，輻射從一條或多條光纖被引導至一個或多個檢測器。
接收裝置被設置成可檢測從光纖接收的光調製信號並將這樣的信號轉換成電模擬信號。與現有技術的自由空間或光纖耦合系統相比，在襯底上形成的空芯波導內的光束引導提供了更緊湊和堅固的光學裝置。與實芯波導相比，空芯波導還使更高的光功率被接收。此外，與現有技術的光纖耦合系統相比，光纖端面反射量減少，從而減少了與所述裝置相關聯的光損耗。
光纖接合部件可包括上述的用於發射裝置的任何光纖接合部件。
其優點在於，所述裝置包含能使多重光信號(如不同波長通道)被檢測的多個檢測器。所述裝置可包含配置成可接納多條光纖的多個光纖接合部件；所述多條光纖中的每一條可接著被引導至多個檢測器中的一個。
或者，可便利地設置一個光纖接合部件，所述的光纖接合部件配置成可接納輸送包含有多個不同波長通道的輻射的一條光纖。所述裝置還可有利地包含波長解復用部件，所述的波長解復用部件配置成可分離所述的不同波長通道並將每個波長通道引導至多個檢測器中的一個。換句話說，所述裝置執行檢測和解復用功能。
其優點在於，設有至少一個可變光衰減器並且配置成使得從所述至少一條光纖接收到的輻射的衰減可控。
其便利在於，還設有至少一個波長選擇濾波器以確保只有所需波長的輻射被引導至檢測器。
其優點在於，至少一個光纖接合部件包含模匹配部件；例如，與發射裝置有關的上述類型的模匹配部件。至少一個光纖接合部件可便利地配置成可接納帶透鏡的光纖。
按照本發明的第四方面，所設置的發射/接收裝置包含本發明第一或第二方面的發射裝置和本發明第三方面的接收裝置。其優點在於，所述的發射裝置和接收裝置在一共同的襯底上形成，從而形成了集成的發射/接收裝置。該集成的發射/接收裝置還可包含解復用器和/或復用器。還可設有旁路空芯波導。
其優點在於，所述裝置在包含半導體材料的襯底上形成。採用微製造技術可便利地蝕刻半導體襯底(如矽)以提供高精度的空芯波導。襯底可有利地包含多層晶片；例如SiGe、絕緣體基矽(SOI)、矽玻璃或矽基砷化鎵。本領域技術人員會認識到微製造技術通常包括確定圖案的光刻步驟，隨後是將圖案遷移至襯底材料上/內的一層或多層的蝕刻步驟。光刻步驟可包括光蝕刻、X射線或電子束光刻。蝕刻步驟可利用離子束加工、化學蝕刻或等離子幹法蝕刻。其優點在於，可通過深度反應離子蝕刻(還稱為幹法深蝕刻或矽深蝕刻)構成光路。這種類型的微製造技術還可與各種層澱積技術(如濺射、CVD和電鍍)相配合。
儘管可有利地使用包含半導體材料的襯底，所述裝置還可在各種可選用的襯底上形成。例如，可使用石英、矽石或玻璃襯底。其便利在於，本發明使用的襯底容易使半導體處理技術得以應用。應當注意的是儘管半導體處理技術按其定義被開發而用於半導體襯底，但是這些技術也可有利地用於不需要襯底之半導體特性的某些非半導體襯底。
其優點在於，所述裝置的空芯光波導具有基本為矩形(這裡包括正方形)的截面。正方形或幾乎正方形截面的空芯波導提供了其中的損耗基本上與偏振無關的波導，在光束的偏振狀態未知或變化時被優選。深度大於寬度的波導尺寸設定會增加偏振相關損耗，但是當波導中傳播的光束的偏振狀態已知時，這可能是有利的。儘管矩形截面波導是適宜的，但是還有許多可選的波導形狀是可供利用的。例如，可設置圓形的、橢圓形的、菱形的或V型的波導。
其優點在於，空芯光波導尺寸設定成優先引導以基模傳播的輻射(即，高次模被波導高度衰減)。另外，空芯光波導還可配置成支持多模傳播，而所述的裝置可配置成使光以只激勵其中基模的方式耦合進波導。對於1.4μm至1.6μm的電信波長範圍內的光來說，多模空芯光波導的截面尺寸優選大於50μm，更優選大於100μm，最優選大於150μm。
其便利在於，空芯波導的內表面帶有反射塗層。反射塗層的材料可以是金屬層(如金、銀或銅)。金屬將在由金屬的物理性質所規定的波長範圍內表現出適當的低折射率；比如由倫敦E.D.PalikAcademic Press1998年出版的「光學常數手冊」(「the handbook ofoptical constants」by E.D.Palik，Academic Press，London，1998)這樣的標準教科書提供了有關各種材料的波長相關折射率的精確數據。更具體地說，在約500nm至2.2μm的波長範圍內，金具有小於空氣的折射率；這包含了1400nm至1600nm的重要電信波段範圍內的波長。在560nm至2200nm的波長範圍內，銅具有小於1的折射率；而在320nm至2480nm的波長範圍內，銀具有相似的折射率。
可利用本領域技術人員已知的各種技術進行金屬層的澱積。這些技術包括濺射、蒸發、化學汽相澱積(CVD)以及電鍍或非電鍍覆。CVD和鍍覆技術使金屬層在無明顯與方向相關的厚度變化的情形下被澱積。將試樣和/或源旋轉的濺射還可提供更平坦的塗層。當允許採用批(即多襯底並行)處理時，鍍覆技術尤其有利。尤其是，選用非電鍍覆以達到良好的一致性。
本領域技術人員將認識到可在金屬層澱積之前先澱積黏附層和/或擴散阻擋層。例如，在澱積金之前先提供鉻或鈦金屬層作為黏附層。還可在澱積金之前先在黏附層上澱積擴散阻擋層(如鉑)。或者，也可使用黏附與擴散組合層(如氮化鈦、鈦鎢合金或絕緣層)。
反射塗層還可由包含任何一層或多層的金屬、電介質或半導體的疊層(例如電介質疊層或金屬-電介質疊層)提供。任何多重疊層的反射特性也可在某種程度上依賴於在其上澱積的基層材料的特性。因此，襯底材料也可形成底層，成為任何這種多重疊層中的一部分。
在電介質疊層的場合，本領域技術人員會認識到電介質層的光學厚度提供了將確定塗層反射特性的幹涉作用。可通過CVD或濺射或反應性濺射來澱積電介質材料。或者，也可通過與已澱積的金屬層的化學反應來形成電介質層。例如，銀金屬層可經過化學反應而生成滷化銀表面薄層。
如果設置反射塗層，則可用來形成襯底的材料種類就大大增加。例如，可通過包括熱模壓印浮雕圖案或熱壓鑄的技術來製作塑料波導裝置。這些技術包括形成原版(master)。原版可利用深度幹法蝕刻在半導體材料(如矽)中形成。另外，原版也可用LIGA或UV LIGA技術由澱積層構成。一旦原版形成，空芯波導就可通過壓印(即壓制)或熱印在塑料襯底內形成。原版還可製成適合於構成副原版，所述的副原版可用來在塑料襯底內形成空芯波導。於是，空芯塑料波導可製成並被塗敷反射塗層。帶有反射塗層的塑料空芯波導還可由塑料或聚合物構成。例如，可利用在「自旋塗敷」聚合物塗層(例如Microchem.公司可提供的SU8)上進行光刻來形成空芯波導。
其便利在於，襯底包含底部和蓋部。換句話說，兩片材料可結合而形成所述裝置的空芯波導結構。製成底部的材料可以不同於蓋部。這將使比如空芯波導和某些光學部件在底部(如由矽製成的)形成，而某些電子的和/或光電部件(光電二極體或雷射器等)在GaAs蓋部形成。或者，所有光學部件和通道可在底部形成，而由基本平坦的材料片形成蓋部；在裝配期間，這種布置將不需要任何蓋部/底部對準步驟。這種布置為生產必要的空芯波導提供了便利的方法，在PCT專利申請GB2003/000331中對此作了詳細描述。
現在，僅通過舉例的方式並參考下列附圖對本發明進行描述，其中
圖1表示本發明的空芯波導發射模塊，圖2表示本發明的空芯波導接收模塊，圖3表示在多波長光通信系統中使用的若干發射模塊和接收模塊，以及圖4說明如何將這樣的裝置用作多波長光通信網絡中的中間節點。
參看圖1，可看到本發明的發射模塊2包含多個光學部件；即半導體雷射源4、第一檢測器6、光隔離器8、GaAs光電調製器10、分光器12、第二檢測器14和球形透鏡16。光學部件被固定在於矽襯底18的底部形成的對準槽內。空芯光波導20也在襯底18的底部形成，並配置成通過光來連結各種光學部件。
在使用中，雷射源4生成的光束經由空芯光波導耦合進第一檢測器6，並且還耦合進光隔離器8。穿過光隔離器8和兩個球形透鏡16之後，光束被GaAs光電調製器10調製。少量經調製的光經由分光器12被發送至第二檢測器14，而剩餘的經調製的光被耦合進帶透鏡的光纖22。第一檢測器6使原始的雷射輸出功率可被監測，而第二檢測器14設置成可監測經調製的雷射束的強度。
圖2示出的是本發明的接收模塊30。接收模塊30包含若干光學部件，即檢測器32和濾波器34。所述光學部件被固定在於矽襯底38的底部形成的對準槽內，並且空芯光波導40通過光來連結各種光學部件。
在使用中，來自帶透鏡的輸入光纖42的經調製的光被耦合進空芯光波導40並被引導至檢測器32，在該處光束攜帶的經調製的信號被轉換成電信號。
發射和接收模塊的空芯光波導用襯底形成，所述的襯底具有底部和蓋部；例如，圖2中接收器的剖面圖所示的底部38a和蓋部38b。一般地，在底部設有對準槽以此接納光路的各種獨立光學部件。可以足夠的精度設置對準槽以在將光學部件放進各自對應的槽中時光學部件能夠自校準。這種被動對準確保了在部件連接之前無需主動對準步驟即可使光學部件相對於襯底的空芯波導被對準。本領域技術人員會了解某些光學結構可與襯底整體地形式。
為了完全確定空芯波導，蓋部可僅包含被連接(如使用環氧樹脂層粘合的)到底部的基本平坦的材料片。另外，光學部件或結構(如與底部光學部件對應的空腔)可在蓋部形成或附著在蓋部上。蓋部也可由不同於底部的材料製成。例如，底部可由矽製成，而蓋部由GaAs製成。這將使對準槽在矽底部形成，而控制電子部件和/或光電部件(如光電二極體、雷射器等)在GaAs蓋部形成。
使用多段空芯光波導耦合各種光學部件，減少了與光纖耦和系統相關聯的光損耗並且去掉了與自由空間系統相關聯的色散效應。此外，在共同的襯底上形成空芯光波導和對準槽使得光學部件與空芯光波導可精確對準，從而使光學效率達到最大。
參看圖3，示出的是如何利用圖1所示類型的多個發射模塊2a-2d和圖2所示類型的多個接收模塊30a-30d來實現多波長光通信網絡。該通信網絡包含發射部分50和接收部分52。
發射部分50包含配置成可產生波長為λ1的輻射的第一發射模塊2a、配置成可產生波長為λ2的輻射的第二發射模塊2b、配置成可產生波長為λ3的輻射的第三發射模塊2c以及配置成可產生波長為λ4的輻射的第四發射模塊2d。對每束光的強度進行調製以此可傳送信息。
四束光強調製光束(λ1至λ4)從它們各自對應的發射模塊經過短光纖段54a-54d傳送至復用器56。該復用器56配置成可將光束組合併將其耦合進單條傳輸光纖58。該傳輸光纖58可長達若干公裡，並且如果需要可沿該光纖長度的多個點處設置一個或多個放大節點(如摻鉺放大器)(圖中未示出)。在代理人的索引號為QIP/P7294的同時待審的GB專利申請中對一種適當的空芯EDFA作了描述。
接收部分52包含解一個復用器60，該解復用器60接收來自傳輸光纖58的組合(λ1至λ4)光束並分離出四個波長分量。短光纖段62a-62d用來將波長為λ1的輻射耦合進第一接收模塊30a、將波長為λ2的輻射耦合進第二接收模塊30b、將波長為λ3的輻射耦合進第三接收模塊30c並將波長為λ4的輻射耦合進第四接收模塊30d。每個接收模塊將經光強調製的信號轉換成電信號。
發射部分和接收部分各用矽襯底製成；一般地，所述襯底包含底部(在底部形成光學部件和波導通道的對準槽)和蓋部。與現有技術的、包含若干獨立封裝並通過多段光纖連結的部件(如雷射器、光隔離器、調製器等)的系統相比，這種配置使每一部分都明顯減小。與現有技術的光纖耦合系統相比，本發明的發射器和接收器的製作比較簡單，並且利用自動「摘嵌」製造技術就可實現。
儘管圖3表示的是同獨立的發射/接收模塊一起使用的獨立的光纖耦合的復用/解復用部件，但是也可在形成相關聯的發射或接收模塊的相同襯底上形成/設置這樣的部件。在待批的GB專利申請0306634.7中對可利用空芯光波導實現的復用器和解復用器作了詳細描述。在這樣的配置中，可用在襯底上形成的空芯光波導代替光纖54和62。這種配置還減少了所述系統的光損耗。
儘管上面描述的是四波長系統，但是本領域技術人員當會了解根據需要可使用更少或更多數量的波長通道。此外，儘管圖3所示系統被配置成單向傳輸數據，但是實現雙向數據發送/接收系統也是可能的。例如，組合的發射/接收部分可包含圖1所示類型的一個或多個發射模塊以及圖2所示類型的一個或多個接收模塊。
參看圖4，示出的組合的發射/接收裝置70設在沿著配置成可傳送比如10個不同波長(λ1至λ10)的信號波束的多波長光纖傳輸線72的一點處。一個分接解復用器(drop demultiplexer)74配置成可將10個信號波束中的多達3個引導至發射/接收裝置70，並且插接復用器(add multiplexer)76配置成可將3個波束加起來並引導至光纖傳輸線。
所述發射/接收裝置包含接收級78和發射級80。接收級78包含圖2所描述類型的3個接收模塊30a-30c，發射級80包含圖1所描述類型的3個發射模塊2a-2c。接收級和發射級在共同的襯底82上形成，從而與可能使用多個光纖耦合部件相比可提供更緊湊的配置。
在使用中，所述分接解復用器從光纖傳輸線72分離出多達3個波長通道(比如λ1、λ3和λ4)並經由光纖73a-73c將每個波長引導至相關聯的接收模塊30a-30c。在此例中，波長λ1被引導至第一接收模塊30a、波長λ3被引導至第二接收模塊30b、波長λ4被引導至第三接收模塊30c。
每個接收模塊30a-30c提取經調製光束中攜帶的信息並輸出攜帶該信息的電信號(E1、E3和E4)。一般地，這樣的信息將包含數字編碼數據。發射模塊2a-2c各配置成可接收數字編碼電信號(E1′、E3′和E4′)形式的數據，並將電信號轉換成經光強調製的光束λ1′、λ3′和λ4′。這些光束接著經由光纖78a-78c通過插接復用器76而光耦合進傳輸光纖傳輸線72。
這樣，能夠從光纖傳輸線72中分離出作為波長λ1、λ3和λ4傳送的數據並插入攜帶不同數據的光束λ1′、λ3′和λ4′。光束λ2和λ5-10全部繞過發射/接收裝置70。
新生成的光束λ1′、λ3′和λ4′必須是和被抽取的光束λ1、λ3和λ4的波長相同，或者配置成不是已用來將數據傳過光纖的波長。換句話說，任何回授進光纖傳輸線的光束必須和已經傳過(且未被抽取的)光纖的任何光束的波長不同。因此，如果在發射模塊中雷射的波長是固定的，則只能使用該模塊使光束加到傳輸光纖，其條件是相應波長的光束已從光纖中抽出或未在第一位置穿過光纖。如果需要的話，可用可調雷射來構成發射級80的發射模塊中的一個或多個，以使發射模塊能輸出若干不同波長中的任何一個。這增加了裝置的靈活性。
還應注意分接解復用器74、插接復用器76和發射/接收裝置70全都可以在共同的襯底上形成。例如，可使用光學插/分復用器(OADM)或者可重配置的光學插/分復用器(ROADM)。在這樣的配置中，空芯光波導可在襯底上形成，以代替光纖73和78並將旁路光束從分接解復用器傳送到插接復用器。這進一步減少了光損耗並增加了布置的緊湊性。
所述裝置也可將尺寸設定得可利用與多模波導同時存在的所謂「再次成像」現象。光學部件之間的長度可選擇成為空芯光波導的再次成像長度(或其倍數)，以使得(對於已知截面尺寸的多模波導而言)輸入光束輪廓的圖像在部件附近重現。
其它文獻中有對再次成像效應的詳細描述，例如，PCT專利申請GB2003/000331。簡而言之，已經發現通過將波導的長度設計得與其寬度和深度具有適當的關係，多模波導(具體地說是具有矩形截面的波導)就可設計成造成給定波長的對稱、反對稱或非對稱光場的再次成像。換句話說，輸入光束的高斯輸入輪廓在沿已知波導傳播一定距離之後被再次成像(即重現)。這種效果還產生了光束複製(beam replication)，即在比再次成像的長度短的距離上形成光束的多重圖像。這些效應在US5410625中有過描述，它提供了多模幹涉(MMI)光分離器的基礎。
作為一例，考慮正方形截面波導中的對稱場。正方形截面波導中的對稱場的再次成像長度由「波導寬度的平方除以傳播輻射的波長」給出。對稱場的再次成像在再次成像長度和再次成像長度的若干倍處發生。因此對於50.0μm寬的空芯波導和1.55μm的輻射，再次成像長度為1.613mm。對稱場在這個長度上並且在這個長度的整數倍處(即3.23mm、4.84mm等)再次成像。例如，來自單模光纖的TEM00高斯輸入光束在1.613mm的距離處再次成像。
或者，對於非對稱場的情形，再次成像發生在8倍於對稱場再次成像所需的長度處(即對於50μm寬的空芯波導為12.09mm)。非對稱視場的鏡像在該長度的一半處(即6.05mm)形成。更具體地說，將輸入偏離多模區中心線可提供這樣的非對稱輸入，該輸入沿波導在中心線兩側以相等的偏移量在預定距離處再次成像。
在波導的深度和寬度基本上不同的矩形波導的場合，與兩個波導截面尺寸(如深度和寬度)相關聯的再次成像長度本身是不同的。然而，通過將矩形空芯波導尺寸之間的關係配置成使得對於特定寬度和深度在同一長度處產生再次成像，任何視場可被再次成像。因此，通過將與寬度w1和w2的軸線相關聯的再次成像長度配置成相同，對稱場可在空芯矩形波導內被再次成像。也可使用楔形光波導來讓光束擴大和縮小。
再次成像的實現具有下列優點為了在空芯波導和相關聯的光纖之間耦合光束，不需要對準部件(如透鏡)。
權利要求
1.一種發射裝置，包含一個或多個雷射器、通過所述一個或多個雷射器中的每一個對輻射輸出進行光強調製的調製部件以及用於輸出由所述調製部件產生的經調製輻射的輸出部件，其特徵在於，所述裝置包含在襯底上形成的空芯光波導，在使用中，所述空芯光波導將輻射從所述一個或多個雷射器引導至所述調製部件，並從所述調製部件引導至所述輸出部件。
2.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述一個或多個雷射器和所述調製部件中至少一方為獨立部件。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述獨立部件位於在所述襯底上形成的對準槽內。
4.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述一個或多個雷射器和所述調製部件中至少一方是在所述襯底內形成的整體部件。
5.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述輸出部件配置成可使所述經調製輻射耦合進至少一條輸出光纖。
6.如權利要求5所述的裝置，其中，所述輸出部件包含至少一個光纖接合部件。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件配置成可接納帶透鏡的輸出光纖。
8.如權利要求6所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件包含模匹配部件。
9.如前面任一權利要求所述的裝置，所述裝置包含一個雷射器。
10.如前面權利要求1至8中任一項所述的裝置，所述裝置包含多個雷射器。
11.如權利要求10所述的裝置，其中，所述多個雷射器中的每一個具有不同的輸出波長。
12.如權利要求11所述的裝置，其中，另外設有光束組合部件，以使多束經調製光束組合成組合光束，其中所述輸出部件配置成可使所述組合光束耦合進單條輸出光纖。
13.如前面權利要求10至11中任一項所述的裝置，其中，所述輸出部件配置成可使所述多束調製光束中的每一束耦合進多條輸出光纖中的一條。
14.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述一個或多個雷射器中的一個為半導體雷射器。
15.如權利要求14所述的裝置，其中，所述半導體雷射器是波長可調半導體雷射器。
16.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，設有一個或多個檢測器來監測所述一個或多個雷射器的輻射輸出強度。
17.如前面任一權利要求所述的裝置，所述裝置還包含至少一個光隔離器。
18.如前面任一權利要求所述的裝置，其中設有一個或多個波束整形部件。
19.如權利要求18所述的裝置，其中，所述波束整形裝置中的至少一個包含一個或多個透鏡。
20.如前面權利要求18至19中的任一項所述的裝置，其中，所述波束整形裝置中的至少一個包含楔形空芯光波導。
21.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述調製部件包含一個或多個光電調製器。
22.一種發射裝置，包含能夠產生經光強調製的輻射的至少一個雷射器和用以使所述雷射器產生的輻射耦合進至少一個輸出光纖的輸出部件，其特徵在於，所述裝置包含在襯底上形成的空芯光波導，在使用中，所述空芯光波導將輻射從所述至少一個雷射器引導至所述至少一條光纖。
23.一種接收裝置，包含一個或多個檢測器和一個或多個光纖接合部件，所述一個或多個光纖接合部件配置成可接納一條或多條光纖，其特徵在於，通過在襯底上形成的至少一個空芯光波導，輻射從所述一條或多條光纖引導至所述一個或多個檢測器。
24.如權利要求23所述的裝置，所述裝置包含多個檢測器。
25.如權利要求24所述的裝置，其中，設有多個光纖接合部件用來接納多條光纖。
26.如權利要求25所述的裝置，其中，在使用中，來自所述多條光纖中的每一條的輻射被引導至所述多個檢測器中的一個。
27.如權利要求24所述的裝置，其中，設有一個光纖接合部件，所述光纖接合部件配置成可接納一條傳送包含多個不同波長通道的輻射的光纖。
28.如權利要求27所述的裝置，還包含波長解復用部件，所述波長解復用部件配置成可分離所述的不同波長通道並將各波長通道引導至所述多個檢測器中的一個。
29.如前面權利要求23至28中任一項所述的裝置，還包含至少一個可變光衰減器，它配置成可提供對從所述至少一條光纖接收的輻射的可控衰減。
30.如前面權利要求23至29中任一項所述的裝置，還包含至少一個波長選擇濾波器。
31.如前面權利要求23至30中任一項所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件包含一個模匹配部件。
32.如前面權利要求23至31中任一項所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件配置成可接納一個帶透鏡的光纖。
33.一種發射/接收裝置，包含如權利要求1至22中任一項所述的發射裝置和如權利要求23至32中任一項所述的接收裝置。
34.如權利要求33所述的裝置，其中，所述發射裝置和所述接收裝置在共同的襯底上形成。
35.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述襯底包含半導體材料。
36.如權利要求35所述的裝置，其中，所述襯底包括絕緣體基矽(SOI)晶片。
37.如前面任一權利要求所述的裝置，所述裝置通過微製造技術製成。
38.如權利要求37所述的裝置，其中，所述微製造技術包含深度反應性離子蝕刻。
39.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述空芯光波導基本上為矩形截面。
40.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述空芯光波導的尺寸設定成優先引導以基模傳播的輻射。
41.如前面權利要求1至39中任一項所述的裝置，其中，所述空芯光波導的尺寸設定為優先引導以多模傳播的輻射。
42.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述空芯光波導的內表面有反射塗層。
43.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述襯底包含底部和蓋部。
44.一種基本上如本說明書中參照圖1和圖3描述的發射模塊。
45.一種基本上如本說明書中參照圖2和圖3描述的接收模塊。
46.一種基本上如本說明書中參照圖4描述的發射/接收模塊。
全文摘要
所描述的發射裝置(2)包含一個或多個雷射器(4)、通過所述一個或多個雷射器(4)的每一個對輻射輸出進行光強調製的調製部件(10)以及用於輸出由調製部件產生的經調製輻射並使之進入比如光纖(22)的輸出部件。所述裝置包含在襯底(8)上形成的空芯光波導(20)，在使用中，空芯光波導(20)將輻射從一個或多個雷射器(4)引導至調製部件(10)並從調製部件(10)引導至輸出部件。所描述的關聯接收裝置(30)包含一個或多個檢測器(32)和一個或多個光纖接合部件，所述一個或多個光纖接合部件配置成可接納一條或多條光纖(42)。所述接收器的特徵在於，通過在襯底上形成的至少一個空芯光波導(40)，輻射從所述一條或多條光纖(42)被引導至所述一個或多個檢測器(32)。還示出了組合的接收/發射裝置(70)。
文檔編號G02B6/12GK1860392SQ200480027987
公開日2006年11月8日 申請日期2004年7月23日 優先權日2003年7月28日
發明者M·E·麥尼, R·M·詹金斯, J·麥奎蘭 申請人:秦內蒂克有限公司