專利名稱：有源/無源單片集成通道濾波偏振分解器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及偏振分解器領域，更具體地說涉及有源-無源集成偏振分解器。
背景技術：
芯片級偏振分解器(PS)在光電路比如高級光子集成集成電路(PIC)中是關鍵的。對于需要偏振分集或其它的偏振控制的許多應用，這種偏振分解器都是必不可少的。根據材料體系，芯片級PS已經證實在LiNbO3、聚合物、玻璃、III-V半導體和其它的無源材料中。在這些材料體系中，僅僅III-V半導體在本質上適合于有源-無源單片集成(APMI)應用。形成芯片級PS的各種方法的特征可能是基于方向耦合器或波導交叉、基于非對稱Y-分支、基于馬赫陳德爾干涉儀、基于諧振隧道、基于多模干涉和基于光柵。
在基于方向耦合器或波導交叉的方案中，在一個偏振的條形狀態(tài)和另一個的交叉狀態(tài)中使用相對較大的雙折射形成方向耦合器或波導交叉?；诜菍ΨQ的Y-分支的PS在兩個不同的波導中需要非對稱的雙折射并使用模式演化以將不同的偏振分類為不同的波導?；隈R赫陳德爾干涉儀的PS使不同的偏振的輸入在干涉儀中經過不同的光學路徑長度差以使它們到達不同的輸出波導?；谥C振隧道的PS在方向耦合器的中間引入第三波導以便僅一個偏振能夠通過中間一個隧道耦合在兩個波導之間?；贛MI的PS在不良的成像平面上接續(xù)MMI耦合器以使不同的偏振能夠耦合到不同的輸出波導。基于光柵的PS利用這樣的事實不同偏振的輸入將衍射到不同的空間位置以使它們可以被分離。
然而，這種偏振分解器不適合于有源-無源單片集成。它們要么依賴于InGaAsP/InP材料體系(即用于有源功能)所不具備的較大的材料固有雙折射，要么依賴于用于更大的雙折射的空氣或金屬覆層波導，而這種覆層波導與可與有源結構集成的低損失嵌入型無源波導不兼容。最后，優(yōu)選具有單片集成在帶有無源功能(比如波長多路復用/多路分解、偏振控制和信號濾波)的單芯片上的有源功能(比如激光器、放大器、調制器、檢測器等)。

發(fā)明內容
通過提供一種基于AWG和波導雙折射并具有多通道操作的芯片級有源-無源單片集成的InP偏振分解器，本發(fā)明解決了已有技術的缺陷。
在本發(fā)明的一個實施例中，一種集成的偏振分解器包括至少具有輸入耦合器、輸出耦合器和連接輸入和輸出耦合器的長度不等的多個波導的陣列波導光柵(AWG)。在本發(fā)明的集成的偏振分解器中，AWG的至少兩個輸出端口相對于輸入端口設置以使到達位于AWG的輸出側處的自由空間區(qū)的不同的相位波前的單通道輸入信號的第一偏振分量和第二偏振分量分別被輸出端口中的各個端口接收，以使第一偏振分量和第二偏振分量通過AWG分開。此外，使用有源/無源單片集成技術集成偏振分解器以使偏振分解器能夠與有源器件以及無源器件集成在一起。
附圖概述結合附圖，通過下文的詳細描述容易理解本發(fā)明的教導，在附圖中；附

圖1描述了本發(fā)明的集成的通道濾波的偏振分解器的一種實施例的高級方塊圖；附圖2所示為附圖1的偏振分解器的實驗設備的高級方塊圖；和附圖3圖示了附圖1的偏振分解器的TM(No.1)輸出和TE(No.5)輸出的輸出功率。
為便于理解，只要可能，使用相同的參考標號表示這些附圖中公共的相同元件。
優(yōu)選實施例的詳細描述雖然在此參考將輸入通道分解為TE和TM模式的單個輸入偏振分解器描述本發(fā)明的各種實施例，但是本發(fā)明的特定的實施例不應該看作對本發(fā)明的范圍的限制。本發(fā)明的教導的領域中的普通技術人員應該理解的是本發(fā)明的原理可以應用到將輸入通道分解為各種偏振模式的實質上具有任何數量的輸入和輸出的偏振分解器中。
在TE模式波和TM模式波在陣列(型)波導光柵(AWG)中沿波導行進時，這些波在進入AWG的輸出側上的自由空間(FS)區(qū)中之前到達不同的相位波前(phase front)。對于僅一個波長通道的輸入，F(xiàn)S區(qū)然后將TE模式波和TM模式波聚焦到在AWG的輸出側上的不同的圖像點上，這些圖像點在輸出焦平面上被雙折射波長移位。因此，通過將輸出波導設置在這些圖像位置上，AWG分解單個通道輸入的TE-模式波和TM-模式波。為將單個通道輸入信號的TE-模式波和TM-模式波進行分解的輸入和輸出波導的定位一般性地描述在Arjen R.Vellekoop，“A Small-Size Polarization Splitter Based On APlanar Optical Phased Array”，Journal of Lightwave Technology，Vol.8，No.，January 1990，在此以引用參考的方式將其全部內容并入在本申請中。簡單地說，由于AWG的相位傳遞由每個通道的傳播常數和總長度的乘積確定，并且因為波導的傳播常數取決于偏振以及通道的波長，因此相位陣列可以作為偏振分解器以及波長多路復用器/多路分解器操作。此外，本發(fā)明的偏振分解器還可以用于根據輸出端口的定位將輸入通道的偏振分解為除了TE-模式和TM-模式之外的模式。
此外，利用光柵自由光譜區(qū)(FSR)，AWG也能夠偏振分解被分隔開FSR的整數倍的波長。由于AWG對傳播光信號的影響，因此輸入信號也被濾波。雖然這形成了依賴于AWG波長的分解器，但是這種分解器在某些應用中可能是理想的，例如因為這種分解器限制了放大的自發(fā)發(fā)射(ASE)噪聲的影響。
附圖1描述了本發(fā)明的集成的通道濾波的偏振分解器的一種實施例的高級方塊圖。附圖1的偏振分解器100包括AWG，該AWG包括輸入波導110、輸入耦合器(以星形耦合器為例)120、輸出耦合器(以星形耦合器為例)130、連接輸入耦合器120和輸出耦合器130的且長度不等的多個波導(波導陣列)140和多個輸出波導150。附圖1的偏振分解器100的AWG設計是這樣的一種波長約束AWG設計具有700GHz的FSR和通過一個通道間隔分開的七個輸出。通道間隔是100GHz并且通帶被設計成具有30GHz的最大半高寬(FWHM)的高斯型。雖然在附圖1的偏振分解器100中，耦合器以星形耦合器作為實例說明，但是具有與星形耦合器基本類似的功能的其它耦合器(比如板條狀波導透鏡)可以替換本發(fā)明的星形耦合器。
附圖1的偏振分解器100的尺寸大約為5mm×6mm。在本發(fā)明的偏振分解器(比如附圖1的偏振分解器100)的TE和TM有效折光率之間的差值通常大約為0.154％。在1550nm中心波長周圍，這個有效折光率差產生了大約2.4nm的雙折射移位，在附圖1的偏振分解器100中這個移位大致等于三個通道的間隔。
本發(fā)明的偏振分解器(比如附圖1的偏振分解器100)使用有源-無源單片集成(APMI)技術集成。例如，根據一種制造技術，淺蝕刻嵌入型肋結構用于形成本發(fā)明的偏振分解器的無源波導。這種技術在InP材料體系中提供了記錄低傳播損失。然后通過多量子阱(MQW)的另一薄層直接在肋的頂部上形成有源部分，這種薄層通過形成無源波導的相同的再生長嵌入。這樣，本發(fā)明的偏振分解器可用作有源器件和無源器件。例如，TE和TM-模式的幅值例如可以通過在有源部分中的放大而被獨立地控制，這樣可以實現(xiàn)芯片級可調的偏振控制器。優(yōu)選地，InP/InGaAsP是為根據本發(fā)明的偏振分解器選擇的材料，因為這種材料允許與有源光子部件(比如發(fā)射器、接收器、光放大器、開關等)單片集成在一起。在這種形式中，多波導可以彼此緊密靠近地放置以使在特定的光學功能方面(例如，用于增益的最佳化的有源波導、用于最佳地使耦合容易的無源波導、用于分解的最佳化的無源波導、方向耦合或其它的無源器件)每個波導可以最佳化。
此外，根據本發(fā)明的偏振分解器能夠使用本領域中公知的其它技術用于有源-無源單片集成(APMI)。例如，本發(fā)明的偏振分解器可以包括光電子集成波導器件，該光電子集成波導器件利用相同波導材料的一次生長來應用傾斜的價帶量子阱半導體雙異質結構。這樣，本發(fā)明的偏振分解器可以用于普通無源操作的無偏差(no bias)操作或作為有源器件操作的反偏差操作。這種技術一般性地公開在美國專利US5,953,479(1999年9月14日授予給Zhou等人)中，在此以引用參考的方式將其全部內容結合在本申請中。
返回到附圖1，在偏振分解器100中，輸出波導No.1和No.5分別作為TM輸出和TE輸出，實例性地說明了以用于中心大約1550nm的波長通道。在典型的AWG結構中，偏振分解器100的輸出波導的編號從彎曲的波導陣列的內側開始(更短的波導側)到外側(更長的波導側)。稍稍更高的TE-模式的有效折光率使TE-模式出現(xiàn)在到TM輸出的內側的3個通道周圍。假定輸出波導No.1與輸出波導No.5匹配并且雙折射移位接近三個通道分隔，則對于1550nm的通道和遠離1550nm達FSR的整數的通道，波導No.1是TM輸出且波導No.5是TE輸出。
在本發(fā)明的偏振分解器(比如附圖1的偏振分解器100)中，單通道信號進入輸入波導110并耦合進入AWG。單通道輸入信號的TE-模式波和TM-模式波沿波導陣列140行進，它們在進入AWG的輸出耦合器130的自由空間區(qū)之前到達不同的相位波前。然后自由空間區(qū)將TE-模式波和TM-模式波聚焦在不同的圖像點上，這些圖像點在輸出焦平面上被雙折射波長移位，因此，通過將輸出波導150設置在這些圖像位置上，偏振分解器100分解單通道輸入的TE和TM模式。由于FSR的緣故，該器件也可用于被分隔AWG的FSR的整數倍的波長。
附圖2所示為附圖1的偏振分解器100的實驗性裝配的高級方塊圖。附圖2的實驗性裝配200包括未偏振的寬束ASE源(以鉺摻雜的光纖放大器(EDFA)為例)210、可編程偏振控制器(PPC)220、本發(fā)明的偏振分解器的一種實施例(以附圖1的偏振分解器100為例)和光學檢測器(以光譜分析儀為例(OSA))230。EDFA 210后跟著可編程偏振控制器(PPC)220。PPC 220的第一級是線性偏振器。PPC220的輸出通過連接器(未示)連接到有透鏡的光纖(透鏡光纖)240。透鏡的光纖240的標稱焦點長度是8微米。透鏡的光纖240通過光纖支架安裝在三軸變換級(未示)。這樣，PPC 220的輸出光學地連接到偏振分解器100。偏振分解器100的輸出耦合到分開的光纖250，分開的光纖250通過光纖支架(未示)也安裝在三軸變換級(未示)上。使用OSA 230在偏振分解器100的TM(No.1)輸出和在TE(No.5)輸出上測量通帶，同時PPC 220從有利于TM的偏振到有利于TE的偏振改變偏振的輸入狀態(tài)(SOP)。在這個實驗中，通過調節(jié)PPC 220使有利于TE偏振的發(fā)射首先在TE輸出(No.5)上最大化以補償由在EDFA 210和偏振分解器100的輸入面之間的互連光纖引起的任何偏振變化。
隨后，PPC 220的第一級(例如線性偏振器)以6度的步長旋轉90度。由于通過互連的光纖的SOP的變換應該是單一的，因此輸入SOP的旋轉在互連光纖的輸出上產生了SOP相同旋轉，因此將給偏振分解器100的輸入從有利于TM的偏振改變到有利于TE的偏振。
附圖3圖示了在通過旋轉PPC 220的輸入線性偏振器改變輸入SOP的同時，具有1550nm的輸入波長的偏振分解器100的TM(No.1)輸出和TE(No.5)輸出的輸出功率。在附圖3中，TM(No.1)輸出和TE(No.5)的輸出功率相對于PPC 220的相對位置以度為單元繪制。在附圖3中可以看出，在輸入從有利于TM的偏振改變到有利于TE的偏振時，所傳輸的光功率從偏振分解器100的TM(No.1)輸出擺動到TE(No.5)輸出。對于TM和TE的兩種模式實現(xiàn)了15dB的消光比。對于與1550nm通道分隔FSR的整數的通道，也可以同時實現(xiàn)類似的偏振束分解。例如，附圖進一步圖示了對于大約1555nm(虛線)和1544nm(點劃線)的輸入波長偏振分解器100的TM(No.1)輸出和TE(No.7)輸出的輸出功率。對于這些通道也可以實現(xiàn)在消光比方面類似的性能。消光比的局限主要來自由于有缺陷的成像在焦平面上引起的散射的背景和偏振分解器100的光柵臂的相位誤差。對于AWG的通道串繞，這些都是相同的局限因素。
如附圖3所示，在附圖2的偏振分解器100的TE(No.5)輸出上的最大的光纖到光纖傳輸功率大約是25dB，而在TM(No.1)輸出上的最大的光纖到光纖傳輸功率大約是-28dB。分開的光纖250和透鏡光纖240的耦合損失估計大約分別為10.5dB和5dB。光纖面沒有被涂敷并且來自兩個面的反射損失增加大約3dB的損失。連接器損失和來自未涂敷的光纖尖端的反射增加高達1dB的損失。這意味著對于TE-模式的總芯片級損失大約是5.5dB，對于TM-模式大約是8.5dB，假設TM-模式和TE-模式具有類似的耦合損失。這種損失的差別主要由TE和TM模式的不同的傳播損失引起。TM輸出位于布里淵區(qū)的邊緣上而TE輸出位于布里淵區(qū)的中心附近的事實也對在TE輸出和TM輸出之間的損失差別有輕微的影響。
本發(fā)明的偏振分解器依賴于波長。此外，由于AWG的特性，偏振分解器也以由AWG濾波器通帶給定的通道濾波執(zhí)行波長多路復用/多路分解。通道濾波可以減小寬帶噪聲比如沿傳輸鏈路產生的例如ASE等寬帶噪聲的影響，因此改善了所檢測的信號噪聲比(SNR)。此外，由于通過FSR分隔的通道在這個方面均等，因此實現(xiàn)了多路通道操作。
本發(fā)明的偏振分解器的輸出波導的對齊對于偏振分解器的功能很重要。此外，上文確定的模擬的有效折光率差與實際的可能不同，在TE和TM模式之間產生了偏移。例如，在偏振分解器100中，對于在1550nm上的輸入通道，在所測量的TE和TM輸出之間可以觀測到0.27nm的波長的輕微移位。這個波長移位可能造成通過本發(fā)明的偏振分解器的數據信號的劣化，應該使其最小化。然而，對于給定的波導設計和層結構，在本發(fā)明的偏振分解器的設計中可以實驗地確定并校正在TE和TM-模式之間的有效折光率差。因為在TE和TM模式之間通過AWG的移位實質上僅涉及有效折光率差和中心波長，因此通過保持偏振分解器結構的良好的可重復性可以使這個誤差最小化。
在本發(fā)明的變型實施例中，通過AWG的輸出端口的適當放置，根據本發(fā)明的偏振分解器可以將輸入通道分解為除了TE-模式和TM-模式分量之外的偏振分量。
雖然前文已經描述了本發(fā)明的各種實施例，但是在不脫離本發(fā)明的基本精神的前提下還可以設計出本發(fā)明的其它實施例。因此，根據后面的權利要求確定本發(fā)明的適當的范圍。
權利要求
1.一種集成的偏振分解器，包括陣列型波導光柵(AWG)，包括輸入耦合器；輸出耦合器；和連接所述輸入和輸出耦合器且長度不等的多個波導；其中所述AWG的至少兩個輸出端口相對于輸入端口設置，以使到達位于所述AWG的輸出側處的自由空間區(qū)的不同的相位波前的單通道輸入信號的第一偏振分量和第二偏振分量分別被所述輸出端口中的各個端口接收，以使所述第一偏振分量和所述第二偏振分量通過所述AWG分開；和其中使用有源/無源單片集成技術集成所述偏振分解器，以使所述偏振分解器能夠與有源器件以及無源器件集成在一起。
2.權利要求1所述的偏振分解器，其中所述第一偏振分量包括TE模式，所述第二偏振分量包括所述輸入信號的TM模式。
3.權利要求1所述的偏振分解器，其中在波長上與所述單通道輸入信號分隔所述AWG的自由光譜區(qū)的整數倍的輸入信號的偏振也通過所述AWG分開。
4.權利要求1所述的偏振分解器，其中所述輸出耦合器和所述輸入耦合器中的至少一個包括星形耦合器。
5.權利要求1所述的偏振分解器，其中所述輸出耦合器和所述輸入耦合器中的至少一個包括板條形波導透鏡。
6.權利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器對于包括多于一個單通道的輸入信號執(zhí)行波長多路復用和多路分解中的至少一種。
7.權利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器執(zhí)行通道濾波。
8.權利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器由光波導制造，每個所述光波導包括淺蝕刻嵌入型肋結構無源層；和用作有源層的在嵌入型肋結構的頂部上的多量子阱(MQW)的薄層。
9.權利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器進一步用作可調的偏振控制器。
10.一種集成的偏振分解器，包括陣列型波導光柵(AWG)，包括用于接收輸入信號的至少一個輸入裝置；用于將所述輸入信號耦合到所述AWG的裝置；用于從所述AWG耦合輸出信號的裝置；連接所述輸入耦合裝置和所述輸出耦合裝置且長度不等的多個波導；和至少兩個輸出裝置；其中所述AWG的所述至少兩個輸出裝置相對于所述至少一個輸入裝置設置，以使到達位于所述AWG的所述輸出耦合裝置處的自由空間區(qū)的不同的相位波前的所述輸入信號的第一偏振分量和第二偏振分量分別被所述輸出裝置中的各個輸出裝置接收，以使所述第一偏振分量和所述第二偏振分量通過所述AWG分開；和其中使用有源/無源單片集成技術集成所述偏振分解器，以使所述偏振分解器能夠與有源器件以及無源器件集成在一起。
11.一種制造偏振分解器的方法，包括；使用有源/無源單片集成技術集成陣列型波導光柵，其中所述AWG的至少兩個輸出端口相對于輸入端口設置，以使到達在所述AWG的輸出側上的自由空間區(qū)的不同的相位波前上的單通道輸入信號的第一偏振分量和第二偏振分量分別被所述輸出端口中的單獨的一些端口接收，以使所述第一偏振分量和所述第二偏振分量通過所述AWG分開。
全文摘要
本發(fā)明提出了基于由雙折射的波導構成的陣列波導光柵的InP芯片級偏振分解器。本發(fā)明也執(zhí)行通道濾波和在WDM/DWDM應用中有用的多路分解。所要求的波導結構使用有源－無源單片集成平臺形成，提供了具有有源器件以及無源器件的偏振分解器的集成。
文檔編號G02B6/12GK1658025SQ200510005950
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月1日 優(yōu)先權日2004年2月2日
發(fā)明者皮特羅·A.·G·伯納斯科尼, 楊衛(wèi)國 申請人:朗迅科技公司