具有減小的驅動電壓、耦合到緊湊的低損耗陣列波導光柵的非對稱馬赫－曾德幹涉儀的製作方法

2023-05-09 17:33:46

專利名稱：具有減小的驅動電壓、耦合到緊湊的低損耗陣列波導光柵的非對稱馬赫－曾德幹涉儀的製作方法
技術領域：
本申請涉及一種集成陣列波導光柵(AWG)復用器/解復用器，其採用非對稱輸入的馬赫-曾德幹涉儀(Mach-Zehnder interferometer，MZI)以獲得具有低波動的較寬通帶，特別地，本發明涉及一種採用緊湊設計的集成MZI-AWG，以提高製造效率。
背景技術：
增加光網絡中的傳輸容量要求諸如AWG(也稱作波導光柵路由器WGR)的解復用器具有較寬通帶和在該通帶內具有較低波動，特別地，因為通過光網絡傳播的較高比特率信號具有待傳輸的較寬光譜。此外，採用可重構光插分模塊(ROADM)的光網絡的光信號穿過級聯的解復用器和復用器。因此，必須使每一級的損耗達到最小。
在AWG的「平頂(flat-top)」設計中，通帶具有儘可能寬和平的形狀，在過去該設計已經被用來加寬通帶以擴展傳輸特性。平頂型AWG的一個例子是基於拋物線形喇叭的設計，其能夠增加0.5dB通帶到大約50％信道間隔，以一些功率損耗為代價。
也已經提出了其他的設計來改善通帶特性，並減小功率損耗，例如在CorradoDragone以ATT公司名義申請的第5,488,680號的美國專利中。如圖1所示，該現有技術設計10包括第一頻率路由元件(frequency routing element)12，該第一頻率路由元件12至少有一個輸入端和耦合到光柵14的P個輸出端，其中P＞2。與拋物線形喇叭設計相比，這種方法在提供寬通帶的同時顯著減少了插入損耗。在一構造中，Dragone公開了一種被耦合到AWG 14的輸入端的馬赫-曾德結構12。MZI 12由輸入Y-分支耦合器16和在AWG 14的平板接口22處的3dB耦合器20組成，該Y分支耦合器16將光功率平等地分到兩個不同長度的波導臂18，18』中。公開的MZI 12具有和第二光柵14相同的曲率，意味著MZI 12的較短波導18和光柵的較短臂位於同一側。這種結構的一個缺點是其不能被緊密地堆疊，這減少了可印製到一塊晶片的器件的總數目。
C.R.Doerr以朗訊技術有限公司名義申請的第6,728,446號美國專利公開了一種類似的集成結構。Doerr展示了一種替換的設計30，參見圖2，其允許堆疊MZI-AWG並最大化波導數目。在這種設計中，MZI 32由一個Y分支耦合器34，兩個具有不同延遲的波導臂36，36』，和最後在AWG42的平板接口44處的3dB耦合器40組成，所述波導臂36，36』耦合進入完全180度耦合器38，該耦合器38將每一臂36，36』的能量傳送到另一臂。Doerr在這種設計中加入180度耦合器38可「翻轉」MZI 32的曲率，使得整個設計更緊湊和可堆疊。然而，跨過寬波長光譜將一個臂中的光100％地傳送到另一臂的完美180度耦合器的製造具有很大難度。耦合器的工藝偏差、波長和偏振靈敏度都可能導致整個通帶形狀的偏振相關損耗(PDL)、色散(CD)和偏振模色散(PMD)的性能退化。
因此，為克服現有技術的局限性，非常需要一種具有寬的平頂通帶的可堆疊AWG。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種能提供具有大致平坦的頂部的較寬通帶，且具有緊湊的、可堆疊的設計的集成式MZI-AWG裝置。
本發明的另一個目的是提供一種具有減小的驅動電壓的輸入MZI。
本發明已經發現在製造非對稱輸入MZI的過程中，在耦合器輸入到AWG之前，使長臂物理上跨過較短的臂，這樣便利用可堆疊設計以低損耗實現了通帶加寬效應，從而省去了定向耦合器的製造及其帶來的性能缺陷。
因此，本發明的一個方面是提供一種光學復用器/解復用器，包括非對稱馬赫-曾德幹涉儀(MZI)，其被光學耦合到陣列波導光柵(AWG)，其中[11]所述MZI包括一對彼此之間具有光程差(optical path length difference)的波導臂，它們被設置以使得該波導臂對之間彼此交叉而基本沒有光學耦合，並共同來限定第一曲率，以及[12]所述AWG適於將多波長光信號在空間上分成彼此之間具有預定信道間隔的光信道，所述AWG限定與第一曲率相反的第二曲率，並且其中[13]所述MZI具有基本等於所述AWG的信道間隔的自由光譜範圍(FSR)。
特別地，本發明提供一種MZI，其包括輸入定向耦合器，用於在一對波導臂之間基本平等地分配引入輸入端的光，並在輸出定向耦合器處將光耦合以將其耦合入AWG，其中該波導臂對之間光程差近似為c/n/dnu，其中c是光速，n是有效折射率，且dnu是AWG的信道間隔。
本發明實施例中，輸入定向耦合器包括第一輸入端和第二輸入端，該第一輸入端與第二輸入端之間的相位差等於AWG的信道間隔的一半。
在進一步的實施例中，本發明包括與一對波導臂相關聯的光學移相器。
在本發明的可替換實施例中，光學復用器/解復用器包括非對稱馬赫-曾德幹涉儀(MZI)，其被光學耦合到陣列波導光柵(AWG)，其中[18]所述MZI包括一對彼此之間具有光程差的波導臂，它們被設置以使得該波導臂對之間彼此交叉而基本沒有光學耦合，並共同來限定第一曲率，以及[19]所述AWG適於將多波長光信號在空間上分成彼此之間具有預定信道間隔的光信道，所述AWG限定與第一曲率相反的第二曲率。
本發明還提供一種光學復用器/解復用器，其中MZI的光場與AWG的光場基本同步。
本發明的實施例還包括與MZI的一對波導臂相關聯的光學移相器，所述光學移相器將MZI的光場同步調節到AWG的光場。


根據下述結合附圖的詳細說明，本發明更多的特徵和優點將變得明顯，其中[23]圖1是現有技術中公開的集成MZI-AWG裝置的示意圖；[24]圖2是現有技術中公開的還包括定向耦合器的集成MZI-AWG裝置的示意圖；[25]圖3是根據本發明的集成MZI-AWG裝置的示意圖；[26]圖4是圖3所示裝置的MZI部分的局部放大圖；[27]圖5A是用於100GHz間隔裝置的MZI產生的光場的圖表；[28]圖5B是用於同樣的100GHz裝置的AGW產生的光場的圖表；[29]圖6A是為圖5A和圖5B的疊加圖表；[30]圖6B是圖6A產生的傳輸結果的圖表；[31]圖7A是AWG象場與MZI場不正確同步的圖表；[32]圖7B是圖7A所產生的傳輸結果的圖表；[33]圖8A是MZI場和AWG場的圖表，其中MZI曲率倒轉而不與波導臂相交；[34]圖8B是圖8A所產生的傳輸結果的圖表；[35]圖9是圖1的現有技術的裝置的晶片按比例布置的示意圖；[36]圖10是根據本發明的裝置的晶片按比例布置的示意圖；[37]圖11A是如圖2所示的多個包括180度耦合器的裝置的疊加光譜的圖解說明，用來測量偏振模色散(PMD)對波長的關係； 圖11B是如圖3所示的多個裝置的疊加光譜的圖解說明，利用交叉的波導測量偏振模色散(PMD)對波長的關係；[39]圖12是在波導交叉角範圍所測量的串擾值的圖解說明；[40]圖13是在波導交叉角範圍所測量的插入損耗的圖解說明。
需要注意的是在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的特徵。
具體實施例方式圖3示出的是根據本發明的集成MZI-AWG裝置100。MZI 102被耦合至AWG104，因此MZI 102的輸入端106和106』與裝置130的輸出位於同一個矽晶片的相對側，基本成一直線，並且MZI的波導臂110，110』的曲率與AWG的波導臂120的曲率相反。根據本發明MZI 102將來自輸入端106和106』的光耦合到定向耦合器108，該定向耦合器108將該光在波導臂110，110』之間平等地分配。兩個臂110，100』的光程差(path length difference)產生選定的相位延遲。重要的是，較長光程波導110』在靠近AWG波導臂120的較長光程區域位置處被耦合到平板自由空間區域118的平板接口116；而較短光程波導110在靠近AWG波導臂120的較短光程區域位置處被耦合到平板接口116。為了實現MZI 102和AWG 104之間相反的曲率，在112處交叉波導110，110』。這樣便倒轉了相位延遲輸入110』進入平板118的位置，省去了加入180度定向耦合器的複雜性。
裝置100被製造成集成平面矽波導裝置。MZI 102包括兩個信道波導輸入106和106』，它們被耦合進入到3dB定向耦合器108，該定向耦合器108的輸出是信道波導110，110』。這些信道波導110，110』之間具有接近c/n/dun的光程差，這裡c是光速，n是有效折射率，以及dnu是AWG的信道間隔。設計光信道波導交叉112以使得兩個光信道波導110，110』之間在交叉點112基本不發生光耦合。信道波導110，110』在末端的3dB定向耦合器114中被耦合，並輸入到AWG結構104的平板118。獲得的馬赫-曾德幹涉儀具有等於AWG的信道間隔的自由光譜範圍。AWG 104包括平板118，其被耦合到波導光柵120，波導光柵120被光學耦合入平板122，以及輸出信道波導130。在波分復用系統(WDM)中，AWG將包括多個波長的光信號在空間上分成多個波段信道。每個信道都具有中心頻率和信道間隔，信道間隔等於中心頻率之間的頻率差。
為了理解馬赫-曾德幹涉儀如何產生低損耗寬頻帶響應，可以關注平板118的入口平面116處發生了什麼。MZI-AWG的傳輸相當於MZI成像的場(在該平面的左側)和AWG成像的場(從該平面的右側)的卷積(convolution)。
圖5A的圖表示出了用於100GHz間隔裝置的MZI產生的場。隨著頻率改變，抵達進入定向耦合器114的兩個波導的光由於不同的相位而發生幹涉。
圖5B示出了AWG產生的場。隨著頻率改變，AWG平移(translate)輸出波導的圖像。
圖6A示出了前兩個圖形的疊加。在中心頻率(194THz)，陣列產生的圖像以對稱的方式很好地耦合到MZI產生的圖像。雖然兩個場自身粗糙地疊加，其從193.98THz到194.02THz保持很好耦合。圖6B示出了傳輸結果，其具有寬通帶和良好的串擾。
由於工藝偏差，MZI可能沒被正確地調節到AWG。這種情況下，MZI的圖像將無法正確地與AWG產生的圖像同步，如圖7A的例子所示。獲得的傳輸結果(參見圖7B)變得不對稱且通帶和串擾質量降級。
分別在MZI臂110/110』頂部放置加熱器111能夠將MZI調整到AWG並校正工藝偏差。通過加熱一個或另一個加熱器，可以產生從0到pi的相移以校正兩臂110和110』之間的相位差。其它已知的移相器，例如電光移相器，同樣可以被取代。
本發明中，我們發現其有利的一點，即能夠使用兩個輸入106和106』中的一個來減少調整MZI到AWG所需的最大熱量。MZI的兩個輸入106和106』具有相似的光譜，但是它們之間的相移為信道間隔的一半，即具有pi的相位差。所以，如果MZI的一個輸入需要小相移p0，則另一個輸入將根據該相移提供完全異相的光譜，但是將以pi-p0正確地調整。通過選擇最接近調整設定值的輸入，只需要從0到pi/2調整MZI臂，因此，減少了調整MZI所需熱量的最大值。
圖8A和8B示出了如果將MZI中的曲率反向但不交叉波導臂110，110』時發生了什麼。在中心頻率(194THz)，陣列產生的圖像以對稱的方式被耦合到MZI產生的圖像(圖8A)。另一方面，這兩個圖像遠離中心時很快將其自身分開。圖8B示出了傳輸結果，其具有差的串擾的非常窄的通帶。
圖9示出了Dragone設計的晶片布局圖，其中可在8英寸晶片上印製20個電路。這可與圖10比較，圖10示出了利用本發明設計方法設計的緊密堆疊晶片布局圖，其中可在8英寸晶片上印製57個電路，產量提高了100％-150％。
集成MZI-AWG裝置100具有適於有效晶片產量的緊湊設計，類似於Doerr公開的反相曲率，而不需要180度定向耦合器。180度耦合器增加了到裝置的長度和波長靈敏度。此外，Doerr教導了180度耦合器和90度耦合器之間的移相補償，例如熱光移相器，來校正耦合器不可避免的缺陷。
圖11A示出了與180度定向耦合器相關的偏振模色散(PMD)損失(penalty)。180度耦合器的長度大約是3dB定向耦合器的兩倍。圖中表示出了幾個晶片的疊加光譜。PMD損失在Doerr裝置通帶的中心顯示出非常高的PMD值，高的PMD值可通過交叉的波導設計被大大地降低，因為(在交叉的波導設計中)光必須穿過較少耦合區域，因此，降低了整體PMD和其對於任何工藝或應力變化的敏感度。
與180度耦合器相比，本發明公開的交叉的信道波導是相對消色差的，如圖11B所示。經交叉112的大部分光將通過。小百分比的光將在包層中作為雜散光輻射，或被作為串擾引導進入其它波導。雜散光可能影響性能，因為其以與耦合器進入平板相同的方向輻射，並可能被再次耦合入AWG陣列。為了最小化這些有害的效應(其可產生插入損耗或串擾退化)，交叉角必須大。在一個優選實施例中，波導之間的角度是30度。圖12示出了其它波導中交叉角θ從90度減少到30度時所測量的串擾。小於30度的角產生的串擾對於大多數應用都不可接受。圖13中的數據當交叉角為20-90度之間時，所測得的插入損耗。
相比現有技術中昂貴而複雜的方法，本發明提供了相對簡單的解決方案，並改善了通帶性能。
需要注意的是，在此雖然是與解復用功能相結合描述了本發明的裝置，但是為本領域技術人員所公知的是，該裝置可反向操作用作復用器。在反向的復用操作中，本公開文本中標識為輸入元件將變為輸出，反之亦然。
本發明的上述實施例只是作為示範。因此，本發明的範圍僅由所附加的權利要求書的範圍來限定。
權利要求
1.一種光學復用器/解復用器，包括非對稱馬赫-曾德幹涉儀MZI，其被光學耦合到陣列波導光柵AWG，其中所述MZI包括一對彼此之間具有光程差的波導臂，所述波導臂被設置以使得所述波導臂對彼此交叉而基本沒有光學耦合，並共同來限定第一曲率，以及所述AWG適於將多波長光信號在空間上分成多個光信道，所述多個光信道之間具有預定的信道間隔，所述AWG限定與所述第一曲率相反的第二曲率，並且其中所述MZI具有基本等於所述AWG的所述信道間隔的自由光譜範圍FSR。
2.根據權利要求1所限定的光學復用器/解復用器，其中所述MZI包括輸入定向耦合器，所述輸入定向耦合器將引入輸入端的光在所述波導臂對之間基本平等地分配，並在輸出定向耦合器處將光耦合以將其耦合入所述AWG，其中所述波導臂對之間的光程差近似為c/n/dnu，其中c是光速，n是有效折射率，且dnu是所述AWG的信道間隔。
3.根據權利要求2所限定的光學復用器/解復用器，其中所述輸入定向耦合器包括第一輸入端和第二輸入端，所述第一輸入端與所述第二輸入端之間具有的相位差等於所述AWG的信道間隔的一半。
4.根據權利要求3所限定的光學復用器/解復用器，還包括與所述波導臂對相關聯的光學移相器。
5.根據權利要求4所限定的光學復用器/解復用器，其中所述光學移相器包括設置在所述波導臂對中的至少一個的上面的加熱器。
6.根據權利要求2所限定的光學復用器/解復用器，其中所述波導臂對彼此以至少30度的角交叉。
7.根據權利要求1所限定的光學復用器/解復用器，包括集成矽波導裝置。
8.根據權利要求1所限定的光學復用器/解復用器，其中所述MZI的至少一個輸入端和所述AWG的多個輸出端設置在矽晶片的相對側。
9.一種光學復用器/解復用器，包括非對稱馬赫-曾德幹涉儀MZI，其被光學耦合入陣列波導光柵AWG，所述AWG包括具有曲率的波導陣列，在第一和第二平板區域之間，所述AWG被耦合以將包含多個波長的光信號在空間上分成多個波段信道，每個信道都具有中心頻率和信道間隔，信道間隔包括中心頻率之間的頻率差；在空間上分開的位置，設置多個輸出信道波導以耦合每個信道的光，所述多個輸出信道波導被光學耦合到所述第二平板區域；所述非對稱MZI包括第一耦合器，所述第一耦合器將輸入光信號在一對波導臂之間基本平等地分配，所述波導臂對之間具有近似等於c/n/dnu的光程差，其中c是光速，n是折射率，且dnu是所述AWG的信道間隔，所述波導臂與第二耦合器結合以將光信號光學耦合到所述AWG；其中所述MZI的自由光譜範圍FSR基本等於所述AWG的信道間隔，並且所述波導臂對之間物理上交叉而基本沒有光耦合，使得所述波導臂對的曲率與所述波導陣列的曲率相反。
10.根據權利要求9所限定的光學復用器/解復用器，其中所述MZI的所述第一耦合器和所述第二耦合器包括輸入定向耦合器和輸出定向耦合器，並且其中所述第一定向耦合器包括第一輸入端和第二輸入端，所述第一輸入端與所述第二輸入端之間的相位差等於所述AWG的信道間隔的一半。
11.根據權利要求10所限定的光學復用器/解復用器，還包括與所述波導臂對相關聯的光學移相器。
12.根據權利要求11所限定的光學復用器/解復用器，其中所述光學移相器包括設置在所述波導臂對中的至少一個的上面的加熱器。
13.一種光學復用器/解復用器，包括非對稱馬赫-曾德幹涉儀MZI，其被光學耦合到陣列波導光柵AWG，其中所述MZI包括一對彼此之間具有光程差的波導臂，所述波導臂對被設置以使得所述波導臂對之間彼此交叉而基本沒有光學耦合，並共同來限定第一曲率，以及所述AWG適於將多波長光信號在空間上分成多個光信道，所述多個光信道之間具有預定的信道間隔，所述AWG限定與第一曲率相反的第二曲率。
14.根據權利要求13所限定的光學復用器/解復用器，其中所述MZI的光場與所述AWG的光場基本同步。
15.根據權利要求14所限定的光學復用器/解復用器，還包括與所述MZI的波導臂對相關聯的光學移相器，用來將所述MZI的光場的同步調節到所述AWG的光場。
全文摘要
本發明涉及一種具有減小的驅動電壓、耦合到緊湊的低損耗陣列波導光柵(AWG)以提供具有低波動較寬通帶的非對稱馬赫－曾德幹涉儀(MZI)。該集成裝置具有用於提高產量的緊湊的可堆疊設計。裝置的輸入和輸出被調準成位於一條直線並布置在矽晶片的相對側，MZI具有與AWG相反的曲率。為了實現這種調準，在光信號被結合併耦合進入AWG之前，MZI的波導臂彼此交叉而沒有光耦合。
文檔編號H04J14/02GK101075006SQ20071010755
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月21日 優先權日2006年5月19日
發明者巴特勒米·方達, 大衛·J.·多爾蒂 申請人:Jds尤尼弗思公司