波長選擇器的製作方法

2023-09-16 09:42:00

專利名稱：波長選擇器的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成光學領域，特別涉及一種波長選擇器，適用於做光通信無源/有源器件。
背景技術：
大容量高速光通信網絡，需要各種高性能光無源器件，特別是陣列化的具有高波長選擇性的光無源器件，如波分復用/解復用器(WDMUX/WMUX，Wavelength demutipler/wavelength mutiplexer)、波長選擇開關(WSS，Wavelength-selective switches)、波長選擇路由(WSR，wavelength-selective routing)、波長選擇耦合器(WSC，Wavelength-selective coupler)、波長分插復用器(WADM，Wavelengthadd/drop mutiplexer)等，同時還要求這些器件尺寸小、插入損耗低、信道隔離度及與光纖的兼容性好等。現有器件還不能充分滿足這些要求。例如方向耦合器(Directional Coupler)和波導形Mach-Zehnder幹涉器，波長解析度低，主要用於雙波長或間隔較大的多波長應用領域。再如光纖布喇格光柵(FBG，Fiber Bragg Grating)，它通過沿光纖軸向對其折射率進行周期性調製，產生布喇格反射，是一種窄帶陷波濾波器或窄帶反射器，波長解析度高，但它是一種獨立元件，難以陣列化。採用類似原理的分布式布喇格反射器(Distributed Braggreflector，DBR)，雖然可採用光集成技術製作，而且同樣具有很高的波長選擇性，但由於反射後的光波沿原傳播方向反向傳播，這樣應用起來很不方便，主要用於製作DBR半導體雷射器。

發明內容
本發明的目的是克服上述現有技術的不足之處，提供兩種可以用於實現波分復用/解復用、光開關、光路由等各種功能的波長選擇器(WS，Wavelength selector)，該波長選擇器波長解析度高，尺寸小，插入損耗低，可以採用光集成技術批量製造，解決從輸入光波導中提取任一波長而不顯著影響其他波長的問題。
為達到上述目的，本發明的技術方案提供的第一種波長選擇器，它包括輸入光波導，過渡光波導和輸出光波導，在輸入光波導和過渡光波導之間有一個耦合區，在該耦合區內，輸入光波導和過渡光波導相隔很近地平行排列；在輸入光波導和過渡光波導的耦合區內，過渡光波導有一段為周期性波導，且過渡光波導與輸出光波導在耦合區的起始端外側直接相連。
本發明的技術方案同時提供的第二種波長選擇器，它包括輸入光波導，過渡光波導和輸出光波導，在輸入光波導和過渡光波導之間有一個耦合區，在該耦合區內，輸入光波導和過渡光波導相隔很近地平行排列；在耦合區結束端的外側，過渡光波導通過一個Y型結與輸出光波導相連，且在Y型結的與過渡光波導相對的那一側，輸出光波導有一段為周期性波導。
所述的第一種，通過調整過渡光波導中的周期性波導的周期長短調整輸出光波的波長大小，通過調整周期性波導的分布長度和/或微擾變化強弱和/或在耦合區內，輸入光波導和過渡光波導的間隔、長度、折射率與尺寸分布來調整輸出光波的光強大小。
所述的第二種波長選擇器，通過調整輸出光波導中的周期性波導的周期長短調整輸出光波的波長大小，通過調整周期性波導的分布長度和/或微擾變化強弱和/或在耦合區內，輸入光波導和過渡光波導的間隔、長度、折射率與尺寸分布來調整輸出光波的光強大小。
所述的第一種波長選擇器，過渡光波導中的周期性波導由分段式光波導構成，或通過光波導的折射率或/和厚度或/和寬度尺寸做周期性微擾變化來實現。
所述的第二種波長選擇器，輸出光波導中的周期性波導由分段式光波導構成，或通過光波導的折射率或/和厚度或/和寬度尺寸做周期性微擾變化來實現。
所述的第一種波長選擇器，在輸入光波導和過渡光波導的耦合區結束端的外側，輸入光波導與過渡光波導分別經過一段距離後通過一個Y型結相連，在它們相連前所分別經過的距離，應儘量使得從輸入光波導的輸入端輸入的光波，在經過不同路徑最後匯合在一起時的光程儘可能相等或近似為波長的整數倍。
所述的第二種波長選擇器，在輸入光波導和過渡光波導的耦合區結束端的外側，輸入光波導與輸出光波導分別經過一段距離後通過一個Y型結相連，在它們相連前所分別經過的距離，應儘量使得從輸入光波導的輸入端輸入的光波，在經過不同路徑最後匯合在一起時的光程儘可能相等或近似為波長的整數倍。
所述的第一種和第二種波長選擇器，通過外應力、熱形變和壓電陶瓷的電致伸縮調節波長選擇器中光波導的幾何尺寸與相對位置，和/或通過電光效應、磁光效應、聲光效應和半導體材料的等離子體色散效應改變光波導的折射率。
所述的第一種和第二種波長選擇器，輸入光波導、過渡光波導和輸出光波導處於同一光波導層平面或分別處於兩個不同的光波導層平面。
本說明書中所用術語說明(1)、分段式光波導由多段光波導串接組成的光波導，每段光波導之間有一個很小的間隙，而且每段光波導的中心一般互相對準。由於每段光波導之間的間隙很小，儘管在間隙處會發生光的反射和散射，形成一定程度的微擾，但光波仍然沿光波導向前傳播。
本發明的基本原理是綜合利用方向耦合器的光波場耦合原理和布喇格反射濾波原理來構造一個新的器件，實現高分辨波長選擇，即利用類似方向耦合器的耦合原理把光波從輸入光波導中取出來，再利用布喇格反射濾波原理對所取出的波長進行嚴格篩選、分離，為了避免對其他波長光波造成嚴重影響，必要時還可把經過布喇格反射濾波篩選後剩下的光波再送回輸入光波導。為了方便講述按照上述原理構造的波長選擇器的工作原理，下面分別簡單回顧一下方向耦合器和布喇格反射濾波器的工作原理。
在方向耦合器中，當輸入光波導和輸出光波導在一段耦合區內相隔很近地平行排列時，輸入光波導中的光波會逐步向輸出光波導轉移，假設輸入光波導中的光波矢振幅為A1(z)，輸出光波導中的光波矢振幅為A2(z)，z為從耦合區的起始處開始(z＝0)光波在光波導中傳播的距離，則根據微擾理論可用如下方程組描述A1(z)和A2(z)之間的耦合 式中，K12和K21是輸入光波導和輸出光波導之間的耦合係數，Δ＝β1-β2，β1和β2分別為輸入光波導和輸出光波導中光波的傳播常數。對某一波長的光波，如果它正好滿足相位匹配條件，即β1＝β2，或Δ＝0，由(1)和(2)可以解出A2(z)＝K21/K212Sin(|K21|z)(3)由(3)式可以看出輸出光波導中的光場隨距離z呈正弦周期性變化。當z＝π/2|K21|＝Lc時，輸出光波導中的光強I＝|A2(z)|2達到最大，這就是一個常規方向耦合器的工作原理，長度Lc即為該方向耦合器的耦合長度。但是由於對近似滿足相位匹配條件的光波，β1≈β2，輸出光波導中A2(z)也有較大值，因此常規方向耦合器的波長解析度並不高。
在布喇格反射濾波器中，光波導的折射率或結構尺寸沿光波導的長度方向z做微擾周期變化，假設其折射率微擾Δn2(x，z)的變化周期為Λ，可將周期函數Δn2(x，z)展開成傅立葉級數，n2(x,z)=n2(x)-amExp[im2z]------(4)]]>對某一波長的光波，記光波導中正向和反向傳播光波的傳播常數分別為β+和β-，如果它們正好滿足相位匹配條件，2πm/Λ＝β+-β-，則傳播常數為β+正向傳播光波由於Δn2(x，z)的第m次諧波的調製耦合到傳播常數為β-的反向傳播光波，設正向和反向傳播光波的光波矢振幅分別為A+(z)和A-(z)，根據微擾理論，可用如下方程組描述A+(z)和A-(z)之間的耦合 式中，K12和K21是正向和反向傳播光波之間的耦合係數。解方程(5)、(6)可以發現，對某一特定波長的光波，由於它們正好滿足相位匹配條件，只要光波導微擾區的分布長度足夠長，可以實現近似100％的反射，這就是布喇格反射濾波原理。
在本發明提出的波長選擇器中，如果周期性波導位於輸出光波導上，而不在過渡光波導上，則輸入光波導和過渡光波導在耦合區內構成一個常規方向耦合器；同時位於輸出光波導上的周期性波導構成一個常規布喇格反射濾波器，此種結構形式的波長選擇器可以看作是一個常規方向耦合器和一個常規布喇格反射濾波器的簡單串接。其工作過程首先是由過渡光波導通過方向耦合器從輸入光波導中取出一定波長分布範圍內的光波，再通過輸出光波導上的周期性波導的布喇格反射精選出特定波長的光波，同時由於過渡光波導通過一個Y型結與輸出光波導相連，當輸出光波導中由布喇格反射回來的光波反向通過Y型結時，一定比例的光波繼續沿輸出光波導傳播，並從輸出光波導的輸出埠輸出，一定比例的光波會反向回到過渡光波導，並進一步通過方向耦合器耦合回到輸入光波導，從輸入光波導的輸入埠反向輸出。
在本發明提出的波長選擇器中，如果周期性波導位於過渡光波導上，且位於輸入光波導和過渡光波導的耦合區內，則輸入光波導和過渡光波導之間的耦合行為會偏離常規方向耦合器，而過渡光波導上的周期性波導的行為也會在某些方面偏離常規布喇格反射器，因此此時不能把波長選擇器看作是一個常規方向耦合器和一個常規布喇格反射器的簡單串接或並聯，應該對其特性進行綜合分析。記輸入光波導中正向傳播和反向傳播光波矢振幅分別為A1(z)和A4(z)，同時記過渡光波導中正向傳播和反向傳播光波矢振幅分別為A2(z)和A3(z)，則從耦合區的起始端開始，沿輸入光波的傳播方向，類似方向耦合器的耦合機理，A1(z)會耦合到A2(z)，記它們之間的耦合係數分別為K12、K21；同時，在過渡光波導中，類似布喇格反射機理，A2(z)會耦合到A3(z)，記它們之間的耦合係數分別為K23、K32；接著，類似方向耦合器的耦合機理，過渡光波導中反向傳播的A3(z)會耦合回到輸入光波導中，形成反向傳播的A4(z)，記它們之間的耦合係數分別為K34、K43。綜合上述各步可以看出，一方面A1(z)會耦合到A2(z)，使A2(z)增加，另一方面，A2(z)會耦合到A3(z)，使A2(z)減小。同樣一方面A2(z)會耦合到A3(z)，使A3(z)增加，另一方面，A3(z)會耦合到A4(z)，使A3(z)減小。這樣當滿足相位匹配條件時，可以寫出A1(z)、A2(z)、A3(z)和A4(z)間的耦合方程組 儘管方程(7)-(10)的解比較複雜，但我們可以據此進行定性分析。由於A3(z)為波長選擇器的輸出光波的光波矢振幅，如果A3(z)恆等於零，即波長選擇器無輸出，它就不能起到從輸入光波導中選擇、分離一定波長光波的目的。通過反證法可以證明，A3(z)不會恆等於零。因為一旦A3(z)恆等於零，則其導數也恆等於零，由方程(10)可知，A4(z)為常數，再由方程(9)可知A2(z)必須為常數，且A4(z)＝K32/K34A2(z)。如果A2(z)為不等於零的常數，則由方程(7)可知，A1(z)不恆等於零，再由方程(8)可知A2(z)的導數不為零，這與A2(z)為常數相矛盾，因此A2(z)必須為等於零的常數，這樣A1(z)為常數，即保持輸入時的初始值不變，而A2(z)、A3(z)和A4(z)全部為零，這種情況只有輸入光波導和過渡光波導相隔很遠，它們之間的耦合為零才可能出現。而在波長選擇器的耦合區，輸入光波導和過渡光波導相隔很近地平行排列，因此必定有一定大小的、光波矢振幅為A3(z)的光波輸出。
下面再考慮A3(z)取極大的情況。在最佳情況下，假設在耦合區起始區A3(z)達到極大，此時，A3(z)的導數為零，根據方程(9)有A4(0)＝K32/K34A2(0)。由於在起始區，A2(0)0，因此A4(0)，這說明總光能主要由|A3(0)|2和|A1(0)|2構成，但|A3(0)|2與|A1(0)|2之比，即波長選擇器對特定波長的光波的反射率的大小，必須根據方程組(7)-(10)確定。另外過渡光波導不必要在整個耦合區都做成周期性波導，例如可以在耦合區的起始端故意留一段為常規光波導，這樣可能起到調整|A3(0)|2與|A1(0)|2之比的作用。總之可以通過調整耦合區內輸入光波導和過渡光波導的間隔、長度、折射率與尺寸分布等，來調整耦合係數K12和K21，以及K34和K43，同時可以通過調整過渡光波導中的周期性波導的微擾變化強弱來調整耦合係數K23和K32，這樣當K12、K21、K23、K32、K34和K43以及周期性波導的分布長度都根據方程組(7)-(10)調整到合適大小時，就可調整|A3(0)|2達到最大或達到某一預定值。
另外除波長選擇器選擇分離出的特定波長光波外(我們稱該特定波長為波長選擇器的工作波長)，所有其他波長的光波也都會在一定程度上耦合進入過渡光波導，但由於它們不滿足布喇格條件，不會被周期性波導反射。為了減小對這些非工作波長光波的損耗，可以在耦合區的結束端，把傳輸這些光波的過渡光波導或輸出光波導以Y型結的方式與輸入光波導的輸出端相連，使它們重新回到輸入光波導。為了避免這些經過不同路徑過來的光波由於幹涉相互抵消，應該調整輸出光波導或過渡光波導和輸入光波導在匯合前的長度，使得經過不同路徑最後匯合在一起時的光波的光程儘可能相等或近似為波長的整數倍。當然也可拋棄這些被耦合出去的非工作波長光波，或把它們引導到其他地方用於檢測或其他用途。
另外通過外應力、熱形變、壓電陶瓷的電致伸縮等調節波長選擇器中光波導的幾何尺寸、相對位置，或通過電光效應、磁光效應、聲光效應、半導體材料的體色散效應等改變光波導的折射率，可以動態地改變波長選擇器的工作波長，從而用於製作波長選擇性光開關、光調製器等各種光網絡器件和光譜儀、傳感測量儀等。
本發明與現有技術相比具有以下優點和效果本發明所涉及的波長選擇器，由於採用了布喇格反射原理，其波長解析度大大超過方向耦合器，同時它的輸入與輸出光波導是分離的，使用方便，因此它繼承了布喇格反射器和方向耦合器的優點，同時又克服了它們各自的缺陷，結構緊湊，損耗小，便於多級串接組合。


圖1為本發明在周期性波導採用等長度分段式光波導製作在過渡光波導上，且位於過渡光波導與輸入光波導的耦合區內，同時過渡光波導與輸入光波導的輸出端通過Y型結相連時，波長選擇器的實施例示意圖。
圖2為本發明在周期性波導採用折射率微擾方式製作在輸出光波導上，且位於過渡光波導與輸入光波導的耦合區外時，波長選擇器的
具體實施例方式
圖1中輸入光波導1與過渡光波導2在耦合區4內相距很近地平行排列，過渡光波導2在耦合區4的起始端外側與輸出光波導3直接相連，這裡耦合區4的起始端指輸入光波沿輸入光波導1進入耦合區4時所首先經過的那一端，即圖1中耦合區4的左端，相對應地，耦合區4的另一端為其結束端。在耦合區4的結束端外側，輸入光波導1與過渡光波導2分別經過一定距離後通過Y型結相連。在耦合區4內，過渡光波導2採用分段式光波導形成周期型波導，由於類似方向耦合器的耦合機理，輸入光波導1中的波長為λi的光波滿足相位匹配條件，耦合到過渡光波導2中，與波長λi相近的光波λi-1、λi+1等也分別在一定程度上耦合到過渡光波導2中，但只有λi滿足布喇格反射條件，被反射到與過渡光波導2直接相連的輸出光波導3中，並從輸出光波導3的輸出埠輸出，當然也可能有一定比例的波長為λi的光波又耦合進入輸入光波導1反向傳播，從輸入光波導1的輸入埠反向輸出。通過調整耦合區4內輸入光波導1和過渡光波導2的間隔、長度、折射率與尺寸分布等參數，同時通過調整過渡光波導2在耦合區4內的周期性波導的微擾變化強弱以及分布長度等，可調整從輸出光波導3的輸出埠輸出的光波λi的大小，使其達到最大或達到某一預定值。為了避免對與波長λi相近的λi-1、λi+1等光波的損耗，在耦合區4的結束端的外側，過渡光波導2與輸入光波導1分別經過一定距離後，通過Y型結相連，這樣λi-1、λi+1等光波又重新回到輸入光波導1中，以便於與下一級波長選擇器級連。為了避免這些經過不同路徑過來的λi-1、λi+1等光波由於幹涉相互抵消，應該調整輸入光波導1和過渡光波導2在匯合前的長度，使得經過不同路徑最後匯合在一起時的光波的光程儘可能相等或近似為波長的整數倍。
圖2中輸入光波導1與過渡光波導2在耦合區4內相距很近地平行排列，構成一個常規方向耦合器，過渡光波導2在耦合區4的結束端外側與輸出光波導3通過Y型結相連。在該Y型結的與過渡光波導2相對的一側，輸出光波導3採用折射率微擾變化方式形成周期型波導，構成一個常規布喇格反射器5。在耦合區4內，輸入光波導1中的波長為λi的光波滿足相位匹配條件，耦合到過渡光波導2中，與波長λi相近的光波λi-1、λi+1等也分別在一定程度上耦合到過渡光波導2中，它們通過Y型結輸出到輸出光波導3中，但只有λi滿足布喇格條件，被接近100％地反射，並反向通過同一Y型結，此時一定比例的波長為λi的光波繼續沿輸出光波導3傳播，並從輸出光波導3的左輸出埠輸出，同時一定比例的波長為λi的光波會返回過渡光波導2，並進一步耦合到輸入光波導1中反向傳播，從輸入光波導1的位於左側的輸入埠反向輸出。通過控制Y型結的內部結構，如過渡光波導2與輸出光波導3的夾角、間歇等，調整波長為λi的光波在反向通過Y型結時的分配比例。同時不滿足布喇格反射條件的波長為......λi-1、λi+1、......等的光波繼續沿輸出光波導3傳播從其右輸出埠輸出。
本發明所提出的波長選擇器，儘管一個波長選擇器只能選出一個特定波長，即對應一個信道，但採用光集成技術，對應多個光波長的波長選擇器可按一定方式串接起來組成多個通道。例如把多個具有不同工作波長的波長選擇器集成到同一塊器件上，且它們的輸出光波導相串連，則可構成一個光波復用器，同樣把多個具有不同工作波長的波長選擇器集成到同一塊器件上，且它們的輸入光波導相串連，則可構成一個光波解復用器。進一步由光波解復用器和光波復用器可以組成路由器。
權利要求
1.一種波長選擇器，它包括輸入光波導，過渡光波導和輸出光波導，在輸入光波導和過渡光波導之間有一個耦合區，在該耦合區內，輸入光波導和過渡光波導相隔很近地平行排列；在輸入光波導和過渡光波導的耦合區內，過渡光波導有一段為周期性波導，且過渡光波導與輸出光波導在耦合區的起始端外側直接相連。
2.一種波長選擇器，它包括輸入光波導，過渡光波導和輸出光波導，在輸入光波導和過渡光波導之間有一個耦合區，在該耦合區內，輸入光波導和過渡光波導相隔很近地平行排列；在耦合區結束端的外側，過渡光波導通過一個Y型結與輸出光波導相連，且在Y型結的與過渡光波導相對的那一側，輸出光波導有一段為周期性波導。
3.根據權利要求1所述的波長選擇器，其特徵在於，通過調整過渡光波導中的周期性波導的周期長短調整輸出光波的波長大小，通過調整周期性波導的分布長度和/或微擾變化強弱和/或在耦合區內，輸入光波導和過渡光波導的間隔、長度、折射率與尺寸分布來調整輸出光波的光強大小。
4.根據權利要求2所述的波長選擇器，其特徵在於，通過調整輸出光波導中的周期性波導的周期長短調整輸出光波的波長大小，通過調整周期性波導的分布長度和/或微擾變化強弱和/或在耦合區內，輸入光波導和過渡光波導的間隔、長度、折射率與尺寸分布來調整輸出光波的光強大小。
5.根據權利要求1所述的波長選擇器，其特徵在於，過渡光波導中的周期性波導由分段式光波導構成，或通過光波導的折射率或/和厚度或/和寬度尺寸做周期性微擾變化來實現。
6.根據權利要求2所述的波長選擇器，其特徵在於，輸出光波導中的周期性波導由分段式光波導構成，或通過光波導的折射率或/和厚度或/和寬度尺寸做周期性微擾變化來實現。
7.根據權利要求1所述的波長選擇器，其特徵在於，在輸入光波導和過渡光波導的耦合區結束端的外側，輸入光波導與過渡光波導分別經過一段距離後通過一個Y型結相連，在它們相連前所分別經過的距離，應儘量使得從輸入光波導的輸入端輸入的光波，在經過不同路徑最後匯合在一起時的光程儘可能相等或近似為波長的整數倍。
8.根據權利要求2所述的波長選擇器，其特徵在於，在輸入光波導和過渡光波導的耦合區結束端的外側，輸入光波導與輸出光波導分別經過一段距離後通過一個Y型結相連，在它們相連前所分別經過的距離，應儘量使得從輸入光波導的輸入端輸入的光波，在經過不同路徑最後匯合在一起時的光程儘可能相等或近似為波長的整數倍。
9.根據權利要求1或權利要求2所述的波長選擇器，其特徵在於，通過外應力、熱形變和壓電陶瓷的電致伸縮調節波長選擇器中光波導的幾何尺寸與相對位置，和/或通過電光效應、磁光效應、聲光效應和半導體材料的等離子體色散效應改變光波導的折射率。
10.根據權利要求1或權利要求2所述的波長選擇器，其特徵在於，輸入光波導、過渡光波導和輸出光波導處於同一光波導層平面或分別處於兩個不同的光波導層平面。
全文摘要
本發明公開了一種波長選擇器，它綜合利用方向耦合器的光波場耦合原理和布喇格反射濾波原理來實現高分辨波長選擇，它包括輸入光波導，過渡光波導和輸出光波導，在輸入光波導和過渡光波導之間有一個耦合區，在該耦合區內，輸入光波導和過渡光波導相隔很近地平行排列；在耦合區內，過渡光波導有一段為周期性波導，且過渡光波導與輸出光波導在耦合區的起始端外側直接相連，或者，在耦合區結束端的外側，過渡光波導通過一個Y型結與輸出光波導相連，且在Y型結的與過渡光波導相對的那一側，輸出光波導有一段為周期性波導。其尺寸小，插入損耗低，便於多級連組合實現波分復用/解復用、光開關、光路由等各種功能，同時可以採用光集成技術批量製造。
文檔編號G02F1/01GK1540376SQ03122029
公開日2004年10月27日 申請日期2003年4月22日 優先權日2003年4月22日
發明者李志揚 申請人:李志揚