專利名稱：用于稀疏波分復用的集成型解復用器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光通信波分復用領域，特別涉及一種適用于稀疏波分復用的低成本、頻譜性能優(yōu)良、制作工藝簡便的集成型平面波分復用器件。
背景技術：
光纖通信在短短數十年得到巨大的發(fā)展，最近幾年更是急劇膨脹，如今光纖已經鋪設到世界的每個角落。在很大程度上，光纖彌補了電纜通信的不足，使通信容量和質量大大增加。然而隨著社會經濟的發(fā)展，人們對信息的需求呈指數增長，通信業(yè)務也從電話、數據向視頻、多媒體等寬帶業(yè)務發(fā)展，傳統(tǒng)光傳輸的帶寬也不夠用了。所幸在單根光纖上運用波分復用(WDM)技術能夠成十幾倍、幾十倍、上百倍的增加系統(tǒng)容量，滿足增長的對帶寬的需求。
波分復用技術現已提高得可以傳送數百個波長的激光，每個波長間的間隔1.6，0.8或0.4nm，甚至0.2nm，這種技術稱作密集波分復用(DWDM)。DWDM產品的目標一直是滿足不斷增長的長途傳輸容量要求，然而短程網的帶寬擴容的市場也非常巨大，其首選技術還是成熟的波分復用技術。DWDM技術在廣域網應用獲得巨大成功，當然也可以應用在要求更低的短途應用中，但這需要付出昂貴的代價，超過敷設新光纜這種“空分復用”技術。因此，不能簡單地將廣域網DWDM方案用短程網。
CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)稀疏波分復用技術繼承了光通信波分復用的優(yōu)點，提供了短途應用承受得起的擴容技術。CWDM采用比DWDM稀疏得多的波長間隔，犧牲了DWDM中通道數目多的優(yōu)勢，同時也拋棄了支持密集通道所需的高昂成本，取得服務提供商除擴容以外另一個迫切需要的價格優(yōu)勢。廣域網由于傳輸距離很長，中間要用很多個放大器，DWDM系統(tǒng)在很長的距離上用密集的波長通道共用光纖和放大器，可以大幅度降低成本。短途網由于距離短，損耗不是影響性能的主要因素，也可以不需要使用放大器，簡單采用和廣域網一樣的DWDM設備不合算。CWDM技術在光纖更寬的損耗窗口中劃分頻譜很寬的波長通道，可以使用無溫控激光器，對濾波器的要求也大大降低，可以大幅度降低成本。
解復用器是波分復用光纖通信系統(tǒng)中最關鍵的器件。現有的實現技術主要有薄膜濾波、光纖光柵、平面集成波導等。其中平面集成波導解復用器可以在很小的芯片上實現40通道以上的密集波分復用，它利用半導體工藝可以進行大批量生產，具有潛在的成本優(yōu)勢。目前陣列波導光柵AWG等平面集成波導器件成本居高不下主要原因是尺寸大，每個硅片上可制作的芯片數目較少；器件要求嚴格，成品率低；需要溫度控制。
目前用平面集成技術實現稀疏波分復用解復用器的報道甚少。McMullin等在“Theory and simulation of a concave diffraction grating demultiplexerfor coarse WDM systems”Lightwave Technology，Journal of，Volume20Issue4，April 2002，Page(s)758-765中提到類似器件，但是它沒有省略輸入輸出波導，并無尺寸優(yōu)勢。而且采用多模平板波導，需要很厚的波導，增加了工藝制造的難度，還會引人應力等問題。同時由于多個模式的存在，聚集性能和頻譜響應都不理想。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于稀疏波分復用的集成型解復用器，省略了輸入和輸出波導的制作，其工藝簡單，成本低廉而且頻譜性能優(yōu)良。
本發(fā)明采用的技術如下方案1用于稀疏波分復用的集成型解復用器，它包括自由傳播區(qū)、蝕刻凹面光柵，在自由傳播區(qū)的輸入端和輸出端分別采用輸入光纖、輸出光纖陣列直接耦合，輸入端和輸出端在芯片的切割平面上，輸入光纖和輸出光纖陣列垂直于切割平面。
輸入端采用標準單模光纖，自由傳播區(qū)采用單模平板波導，輸出端采用標準多模光纖陣列。
方案2用于稀疏波分復用的集成型解復用器，它包括兩個自由傳播區(qū)、波導陣列，在兩個自由傳播區(qū)的輸入端和輸出端分別采用輸入光纖、輸出光纖陣列直接耦合，輸入端和輸出端在芯片的切割平面上，輸入光纖和輸出光纖陣列垂直于切割平面。
輸入端采用標準單模光纖，兩個自由傳播區(qū)采用單模平板波導，輸出端采用標準多模光纖陣列。
本發(fā)明具有的有益的效果是解復用器采用平面集成波導技術，采用成熟的半導體工藝可以實現解復用芯片的批量生產，用于干涉聚集光束的自由傳播區(qū)域都采用單模平板波導。解復用器的色散部件，是經過特別設計使不同波長聚集在同一條輸出直線上。這樣可以省略輸入波導和輸出波導，使光纖陣列可以直接與解復用芯片聯結。輸入光纖使用標準單模光纖承載多波長信號，可以傳輸較遠的距離，同時與單模平板波導的耦合效率高，能量損耗小。輸出光纖采用標準多模光纖，其大的數值孔徑更容易接受色散后的單個通道的光，而其大的芯層直徑可以使輸出光纖可以接收很寬波長范圍的光，增大了通道的帶寬，可以省略解復用器本身的溫度控制模塊，減小了器件的體積，降低了成本和功耗；同時對整個稀疏波分復用系統(tǒng)中各種因素影響的波長偏移具有很好的容忍性。同時在這個寬的通道頻譜響應中，通帶的頂部平坦，波長的偏移對功率的影響很小，大大減小了由于波長偏移引起的功率變化的影響。解復用器的色散性能都設計成適合標準稀疏波分復用波長間隔以及波導輸出間距的值，使緊密排列的光纖陣列滿足稀疏波分復用的要求。可以應用于CWDM系統(tǒng)的波長分配，尤其是從單模光纖到多模光纖局域網或接入網；也可以用于CWDM收發(fā)器來增加單根光纖的傳輸容量；可以實現低成本的稀疏波分復用通道監(jiān)控；在光纖接入的無源網絡PON中，可以作為無源器件倍增帶寬。


圖1是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的稀疏波分復用的解復用器結構示意圖；圖2是基于陣列波導光柵(AWG)的稀疏波分復用的解復用器結構示意圖；圖3是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的稀疏波分復用的解復用器的色散特性；圖4是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的稀疏波分復用的解復用器各通道頻譜響應；圖5是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的稀疏波分復用的解復用器的通道均勻性。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的一個實例，基于蝕刻衍射光柵(EDG)的稀疏波分復用的解復用器結構示意圖，包括輸入光纖1，輸出波光纖陣列2、自由傳播區(qū)域3和蝕刻凹面光柵4。包含多個波長的光信號從輸入光纖1進入，在光纖末端與芯片邊緣的連接處耦合入自由傳播區(qū)域3，光在自由傳播區(qū)域3中擴散傳播，光能量分布到蝕刻凹面光柵4的各個面上，經反射分波和聚焦后不同的波長的光聚集在不同的輸出端口，由輸出光纖2導出。
圖2是本發(fā)明的另一個實例，基于陣列波導光柵(AWG)的稀疏波分復用的解復用器結構示意圖，包括輸入光纖5，輸出波光纖陣列6、兩個自由傳播區(qū)域7和波導陣列8。
輸入光纖采用標準單模光纖，直徑是標準的125微米，芯層直徑9微米左右。輸出光纖采用標準多模(62.5/125)光纖，外徑125微米，芯層直徑62.5微米。其他多模光纖如50/125微米，100/140微米的也可以使用。前者會減小通道頻譜響應的通帶寬度，后者有較大的通帶寬度，但一般不應用在光通信中。
這里以基于蝕刻衍射光柵(EDG)的解復用器為設計例子說明本發(fā)明的具體實現形式，而基于陣列波導光柵(AWG)的解復用器的設計可以完全使用相同的設計。
解復用芯片采用半導體工藝在硅片或其他基底材料上鍍上薄膜，形成平板波導。芯片圖形轉移上去后切割形成單個解復用芯片。衍射光柵采用RIE和ICP等干法刻蝕，形成多個垂直小面組成的反射光柵。為了減小損耗，增大反射率，通?？梢栽诳涛g成型的反射面上鍍上一層金屬反射層，或者把光柵面刻蝕成直角的V形齒，利用全反射減小透射損耗。
光柵的設計在這里是至關重要的，它使不同波長的光聚集在一條直線上，在指定點附近的像差很小，色散也保持線性。通常EDG的結構是基于Rowland圓的設計，入射點和出射點在Rowland圓上，而光柵在以2倍Rowland圓半徑為半徑的圓上，光柵與Rowland圓相切。這樣不同波長的光入射可以很好的成像在輸出點，這些點上的離焦像差和慧差為0，總的像差非常小。但是制作的解復用器并不需要非常嚴格的像差控制，我們可以通過減小像差要求來達到聚集在直線上的要求。
如圖1所示，光程函數可以寫為F(x，λ)＝neff[IP+PO-(IP0+P0O)]-G(x)mλ(1)這里I是入射點，O是垂直線上的輸出點。P0是光柵上的參考點，P是光柵上的任意一點。通常我們只需要確定光柵每個反射齒面的中點就可以得到光柵。這樣可以取G(x)的值為整數值k，P0和P也相應是齒面的中點。這樣光程函數可以寫為F(k，λ)＝neff[IPk+PkO-(IP0+P0O)]-kmλ(2)假設這些點的坐標分別是I(x1，y1)，O(x0，yO)， 和 。于是式(2)可以增加一個變量寫成F(k,λ,y0)=neff(xI-xPk)2+(yI-yPk)2+(xO-xPk)2+(yO-yPk)2-((xI-xP0)2+(yI-yP0)2+(xO-xP0)2+(yO-yP0)2)-kmλ---(3)]]>為了降低垂直直線上指定點

附近位置成像的像差，光柵上的點

應該滿足方程F(k,λ0,yO0)=0---(4)]]>這里λ0是聚集在O0點處的中心波長。同時也要滿足在

點處的對y0的導數為0F′(k,λ0,yO0)=0---(5)]]>根據式(4)，光柵點

是在以O0和I為焦點的橢圓上(如果O0和I重合，則在圓上)。
令x＝0為輸入和輸出點所在的直線上，式(5)可以表示為F′(k,λ0,yO0)=neff(yO0-yPk)/(xO0-xPk)2+(yO0-yPk)2-(yO0-yP0)/(xO0-xP0)2+(yO0-yP0)2-kmD---(6)]]>這里D=dλdyO|yO=yO0]]>，是光柵的色散率。
(5)，(6)兩個方程已經確定了光柵所有的中心點位置，在這些點上加上光柵而整個光柵就確定了。
這里給出這個實例的設計例子

這里有效折射率取1.47，是使用最常使用的二氧化硅波導材料。我們用比較精確的標量衍射理論模擬計算EDG的性能，使用的模擬參數

圖3是光柵的色散曲線，看得出線性度很好，與設計值6.25μm/nm非常接近。但是隨著輸出的范圍增大，線性度會變差，因為這里的輸出范圍相比傳統(tǒng)的帶輸出波導的EDG大的多。盡管如此，在這里的輸出范圍，線性保持得很好。
圖4是8個通道的頻譜響應。可以看出通帶很寬，而且頂部很平，幾乎沒有帶內波紋。這是因為多模光纖具有大的芯層直徑。這樣的特性，非常適用于CWDM的應用。對于中心通道，只引入了0.03dB的附加損耗。各個通道的3dB特寬也幾乎相同，為10nm。
圖5顯示了通道的均勻性，最大的損耗差值為1.5dB。可以看到損耗隨著遠離中心通道而增加。這是由單個光柵齒的衍射包絡所決定的。如果光柵齒面減小，均勻性可以增加，但是這樣會增大工藝制作的難度。
權利要求
1.用于稀疏波分復用的集成型解復用器，它包括自由傳播區(qū)(3)、蝕刻凹面光柵(4)，其特征在于在自由傳播區(qū)(3)的輸入端和輸出端分別采用輸入光纖(1)、輸出光纖陣列(2)直接耦合，輸入端和輸出端在芯片的切割平面上，輸入光纖和輸出光纖陣列垂直于切割平面。
2.根據權利要求1所述用于稀疏波分復用的集成型解復用器，其特征在于輸入端采用標準單模光纖，自由傳播區(qū)(3)采用單模平板波導，輸出端采用標準多模光纖陣列。
3.用于稀疏波分復用的集成型解復用器，它包括兩個自由傳播區(qū)(7)、波導陣列(8)，其特征在于在兩個自由傳播區(qū)(7)的輸入端和輸出端分別采用輸入光纖(5)、輸出光纖陣列(6)直接耦合，輸入端和輸出端在芯片的切割平面上，輸入光纖和輸出光纖陣列垂直于切割平面。
4.根據權利要求3所述用于稀疏波分復用的集成型解復用器，其特征在于輸入端采用標準單模光纖，兩個自由傳播區(qū)(7)采用單模平板波導，輸出端采用標準多模光纖陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于稀疏波分復用的集成型解復用器。其色散部件是經過特別設計而使輸出面在一條直線上，輸入光纖和輸出光纖陣列與自由傳播區(qū)域直接耦合，省略了輸入和輸出波導的制作。與原有器件相比，芯片尺寸大大減小，成本降低。采用多模光纖輸出可使器件具有寬而平坦的頻譜響應，對溫度和偏振引起的波長深移不敏感，適合應用于稀疏波分復用光傳輸系統(tǒng)中。
文檔編號G02B6/34GK1406020SQ0213732
公開日2003年3月26日 申請日期2002年9月28日 優(yōu)先權日2002年9月28日
發(fā)明者盛鐘延, 何賽靈 申請人:浙江大學