專利名稱：監(jiān)測多波長信號用的光學裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測多波長信號用的光學裝置，更具體的說，涉及一種監(jiān)測例如光通信系統(tǒng)中從一衍射光柵輸出的信號用的光學裝置。
背景技術：
在光通信系統(tǒng)的不同部分中，對光信號的采樣能力是很重要的。通常需要能對信號例如其功率、波長、信噪比等進行某種測量。采樣過程通常需要加入某種形式的分出耦合器結(jié)構(tap-off couplerstructure)。但是這種耦合作用常常會由信號的波譜、形狀、偏振等發(fā)生畸變而降低傳送信號的品質(zhì)。這反過來又影響整個系統(tǒng)的性能。為使系統(tǒng)的功率分配達到最大(也就是使功率損失最小)，最好僅分出該信號的很小部分，由于這個事實將會使上述缺點變得更壞。但是實際上實現(xiàn)這種小分出比的分出耦合器是很困難的，因為它們常常對制造工藝、波長或偏振都是很敏感的。
在波分復用(WDM)系統(tǒng)中，這種情況明顯地更為復雜。必須對攜帶在同一實際光纖通路(physical fibre channel)中的各個波長通道在一單獨基礎上進行檢測。這就要求對所有通道采樣，因而要求將它們分開以便能對每個通道進行單獨測量。在這種情形下，采樣應該是對波長不敏感的，以便能在這些通道之間進行相關的測量。將采樣的信號分進相關的波長通道是困難的，而且需要“分路器(demultiplexer)”的功能性，這就會使成本變得昂貴起來。
如果該采樣是在該系統(tǒng)中的分路器階段內(nèi)進行，則因為不再需要獨立的分路器而會獲得明顯的好處。但是，由該分路器的各個輸出通道對各個波長采樣并不是簡單的。每個輸出通道加入一采樣耦合器，明顯地會增加各個輸出口之間所需要的實際間隔，這通常會導致裝置尺寸的增大和性能的降低。而且，由于使用單獨的耦合器來對每個通道采樣，所以很難實現(xiàn)一種使得相關測量成為可能的均勻的或可預言的采樣通道分布。
本發(fā)明提供一種改進的監(jiān)測信號的方法和裝置，可避免或減少這些困難。
發(fā)明概述按照本發(fā)明的第一方面，提供一種監(jiān)測多波長信號用的光學裝置，該裝置包括一個衍射光柵，用來將多波長的光學信號分成很多由單一波長或很窄的波長帶構成的信號；第一接收器，被安置來接收來自衍射光柵的第m級衍射的信號；第二接收器，被安置來接收來自衍射光柵的較高或較低的第m+p級衍射的信號；以及監(jiān)測器，它與第二接收器相連，以確定來自上述較高或較低的第m+p級衍射的信號的特性，從而監(jiān)測在第m級衍射中信號的特性。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一集成的光學收發(fā)設備，該設備包括一個形成在第一和第二反饋元件之間的激光諧振腔；一個在激光諧振腔中的衍射光柵，用來確定激光諧振腔發(fā)射的激光的波長；以及光接收器，上述衍射光柵被安排來接收被選擇的與發(fā)射的激光波長不同的光，并將這選定波長的光傳送到光接收器；該衍射光柵還被安排來衍射在上述發(fā)射的激光波長上的，處于比激光諧振腔內(nèi)所用的衍射級高或低的衍射級中的光；為了監(jiān)測從激光諧振腔內(nèi)發(fā)射的光的功率輸出，它還包括一用來接收上述處于較高或較低衍射級的光的輸出監(jiān)測器。
本發(fā)明的其它特點從下面的描述和從說明書所附的權利要求中將會顯而易見。
這里所用的術語衍射光柵，應認為是包括反射或透射光柵(例如，如

圖1-圖3所示)，陣列波導光柵(arrayed wavelengthgrating)和其它的色散光柵結(jié)構，包括全息光柵或相位光柵。
附圖簡介現(xiàn)在將通過實例并參考下列附圖來對本發(fā)明作進一步描述圖1表示含有本發(fā)明的光學裝置的第一種形式的收發(fā)設備的示意圖；圖2表示含有本發(fā)明的光學裝置的第二種形式的收發(fā)設備的示意圖；圖3表示含有本發(fā)明的光學裝置的WDM分路器的示意圖；圖4圖示圖1，圖2和圖3所示的衍射光柵的主級和鄰近級衍射；以及圖5表示圖4中的主通道譜線的放大圖。
圖1和圖2表示含有本發(fā)明的光學裝置的WDM分路器，但應知道該光學裝置也可使用在其它的應用中。圖1和圖2的主題還在共同未決的專利申請GB9727013．6中作了介紹和提出了權利要求。
圖1表示一塊絕緣體上硅芯片之類的光學芯片1，上述收發(fā)設備就做在這芯片上。一集成波導2(如一種硅的條狀波導)從第一反饋元件3，如拋過光的形成在該波導2一端的小平面上的部分減反射(AR)的涂層，伸向由在硅片的表面上蝕刻出來的一系列狹窄的淺槽4A構成的透射光柵4。在芯片1的適當位置處還做有另一波導5，用來接收以所選擇的角度從透射光柵4衍射的光，并經(jīng)過光學放大器6(如半導體激光放大器芯片)導向第二反饋元件7，如該激光放大器6的高反射(HR)涂層小面。在所示例子中，該光柵包含一個由具有線性調(diào)頻周期的小孔(chirped period apertures)構成的線性陣列，這樣它還把所透過的光聚焦。
沿波導2向透射光柵4傳播的光當它離開波導2時便發(fā)散進入硅層中，如虛線8所示。光以干涉圖的形式離開透射光柵4，該干涉圖是由以公知方式形成光柵的具有線性調(diào)頻周期小孔的線性陣列產(chǎn)生的，而且這光包含一系列的峰，這些峰相對于光柵軸線(也就是與光柵垂直并與波導2共線的軸線)在不同的角度位置上，每個峰包括一特定波長或波帶的光。
波導5被這樣放置，使其能接收具有選定波長λ1的光，這個波長應是收發(fā)設備所傳送的波長。這個波長的光在按熟知的方式形成在AR涂層3和HR涂層7之間的激光諧振腔中被放大，且當AR涂層只是部分反射時，此光的一部分就作為該收發(fā)設備在λ1波長上的輸出，通過AR涂層3從收發(fā)設備傳送出去。
另一波導9也以一選定角度提供在芯片上，以便能接收從透射光柵4來的第二波長λ2的光，并將此光傳送到光電二級管之類的探測器10上。
為了便于波導5和9接收相應的波長λ1和λ2，兩波導之間需要的間隔典型地是在10-20微米的數(shù)量級，這與裝置的大小和幾何形狀有關。
因此，透射光柵的作用是為了把由收發(fā)設備通過部分減反射涂層3接收的第二波長λ2的光導向光電二極管10。
這樣波長選擇結(jié)構4就被集成為形成在部分減反射(AR)涂層面3和半導體激光放大器6高反射(HR)涂層面7之間的激光諧振腔的一部分。光柵4被用來在同一芯片中設定傳送和接收的數(shù)據(jù)兩者的相關波長。由于光柵4被當作波長選擇濾波器成為激光諧振腔的一部分，因而它設定了激光器的發(fā)射波長。同時，光柵4還用作一種帶通濾波器，因而確保探測器10被恰當范圍的波長照射。
因此，光柵4的波長選擇性在一種波長λ1上能形成激光振蕩的封閉腔，并能在探測器處隨意檢測另一種波長λ2。探測器10在物理意義上講是激光諧振腔的一部分，但在波長領域看卻是與激光諧振腔分離的。在波導9終端的光電二極管10充當一個高效吸收體，從而防止了在這個波長上振蕩的形成。
圖1圖示出第一種形式的收發(fā)設備，其中波長λ2上的數(shù)據(jù)被耦合進該裝置，并被光柵4多路分解以便照射探測器10。如上所述，圖1所示實例包含一線性調(diào)頻聚焦光柵4來完成信號的多路分解和聚焦。
圖2表示第二種形式的收發(fā)設備，它把蝕刻在硅片中的準直與聚焦鏡11同反射光柵12組合在一起。兩個準直與聚焦鏡11和反射光柵都可用在硅片的表面上通過深蝕刻的方法形成。
該激光器發(fā)射的激光波長，由光柵分路器12通過在光學放大器6中在波長λ1上提供選定的波長反饋來決定。
由該裝置接收的被檢測波長λ2，由準直與聚焦鏡11和光柵12導向到探測器10。這樣，光柵12又被包含在激光諧振腔中，在每個往返周期中把從輸入數(shù)據(jù)方面來的輻射激光波長進行多路傳輸和多路分解。這就把探測器10隔離，并在激光器的高反射涂層面7，通過光柵分路器12到芯片上的部分減反射涂層面3之間形成一激光諧振腔。
如果波長λ1和λ2明顯不同，則減反射涂層3就可設計成對于被檢測的波長λ2具有一較低的反射值(即較小的反射性)，以改善耦合系數(shù)；而且對于被發(fā)送波長λ1具有較高的反射值(即較高的反射性)，以減小激光閾值。
上述的收發(fā)設備包含一光學裝置，用來監(jiān)測從激光器發(fā)射的光，其方法是利用衍射光柵對激光諧振腔內(nèi)的光采樣?？梢园言摴鈻旁O計成將激光功率的小而有限的一部分攜帶在較低或較高的衍射級中。這可與另一光分出波導13耦合，并且與另一光電二極管14耦合。通過恰當?shù)脑O計，這種較高或較低衍射級的空間間隔應與發(fā)射和檢測波長λ1和λ2的空間間隔十分不同，以便能在焦平面上很好地將這些波導分隔開。
圖1和圖2只表示出單一的光分出波導13，但為了監(jiān)測每個感興趣的波長，也可提供另外的一些光分出波導。
如上所述，這里描述的收發(fā)設備最好是做在絕緣體上的硅(SOI)芯片上。SOI芯片能容易使收發(fā)設備的各零件集成化，并能將制造成本降得相當?shù)汀ｊP于SOI芯片和制作在其上的條狀波導的詳情，被在WO95／08787中給出。
關于將光電二極管探測器之類的零件安裝在SOI芯片上的方法，介紹在GB2307786A和共同未決的申請GB9702559．7(公開號GB2315595A)中。
采用電子束或光刻技術在光學芯片的表面上制備透射和反射光柵已是眾所周知的方法，因此將不再詳述。該透射光柵4通?？偸怯梢恍┥疃群蛯挾葹榱泓c幾微米(如0．2微米)，長為幾個微米的淺槽構成。周期是線性調(diào)頻的，而且通?？偸菑牧泓c幾微米變化到幾微米。
反射光柵12通常總是由深度蝕刻的具有寬度和間隔都為5-20微米的反射表面的細節(jié)構成，而且該光柵通常可具有大約500微米的長度。
準直與聚焦鏡11也總是用一直穿過導光層的深度蝕刻方法形成，其寬度是從幾百微米到幾個毫米。這兩個鏡最好如圖2所示是凹的，以便使光準直和聚焦，而且還可用一鋁質(zhì)的反射涂層覆蓋其上。如上所述，這種光柵和準直與聚焦鏡都可用已知的光刻工藝精密制造，例如其精度可在大約0．2微米之內(nèi)。這樣的精度是可重復的，因而可使收發(fā)設備制造成具有精確匹配的發(fā)射和接收波長。
上述裝置在用來使通道信號分離的分路器內(nèi)能夠?qū)Ω鱾€波長通道進行采樣，而無須每個通道要求一個耦合器。光柵通過將各個波長通道在空間上分成(分散成)一些分離的輸出波導，來實現(xiàn)多路信號的分離(多路傳輸)作用。
在慣常的分路器中，這種光柵被設計成在一特定的衍射級上工作的，而且為了使該級的衍射效率最大可使光柵閃耀，且此衍射級是由裝置性能要求，通道間隔和中央通道的波長決定的。這種光柵通常還設計成使所有其它的衍射級蘊含的功率最小。
但是，這里的光柵卻被設計成在較低或較高衍射級上攜帶小而有限的一部分信號功率，而且實際上幾乎總是這樣。如上所述，這些都可用于監(jiān)測的目的，而不會明顯地對主要通道帶來影響。這些衍射級的色散特性、相對功率、串饋(cross-talk)、溫度依賴性、通道響應形狀等等，都直接與主衍射級的這些方面相關，所以從這些衍射級所做的用于監(jiān)測目的的測量都可容易地與主通道的特性連接起來。在這些衍射級中對各通道的較小功率部分也可以與主衍射級同樣的方式聚焦在各個波導中。通過恰當?shù)脑O計，這種較高或較低的衍射級的空間間隔應與那些主要通道的十分不同，以便能在焦平面上將各波導很好地間隔開。
用于監(jiān)測的衍射級不必是鄰近的級。任何較高或較低級都可用于監(jiān)測的目的。為了具有要求的功率水平和通道的均勻性，可以對這種衍射級進行選擇和設計。但是，為了確保理想的光分出特性，在總體光柵設計的某些方面可能需要作某種折衷。
本發(fā)明的另一實施例示于圖3中。圖3表示準直和聚焦鏡15以及反射光柵16，它們被安排來將輸入波導17接收的信號進行信號多路分離。
標有第m級的第一衍射級被第一組接收波導18接收(用來提供裝置的輸出)，而標有第(m+p)級的另一衍射級被第二組接收波導19接收，這級衍射被導至一排光探測器20。
圖4圖示這種以光柵為基礎的分路器的主衍射級和鄰近的衍射級。這里所用的光柵具有10微米的間距和200條光柵基元。在輸入和輸出準直聚焦鏡15上使用的焦距都是10毫米。該分路器被設計成用于8個通道，這些通道彼此的間隔為0．8nm。在本例中在光柵16和準直聚焦鏡15上的入射角在所有情形都是45°。在圖4中不同波長的信號被表示為緊密的束狀，但在下述的圖5中卻是較為清楚可見的。
如圖4所示，不同的衍射級提供不同的特性。一些提供較多的功率，一些具有增加的色散，以及一些具有更好的通道均勻性。根據(jù)特定的應用，為了達到最佳的采樣功能，將需要采取一折衷的設計方案。典型地說，在側(cè)面的衍射級中采樣功率為主衍射級功率的1％-10％。此采樣功率必須大于分路器的背景噪聲功率。
圖5表示圖4中的主通道的光譜的放大圖示。這些模之間的平均空間間隔近似為10微米，且通道橫方向上的強度變化(通道均勻性)小于1．5％。
如果選擇最低的第三衍射級(位于-1700微米處)來提供監(jiān)測，則會實現(xiàn)示于圖6中的通道分布。如該圖所示，這種情形下中心通道的監(jiān)測功率約比主通道低-18分貝。各監(jiān)測通道之間的平均空間間隔是8微米，通道的均勻性近似為9％的變化。利用現(xiàn)有技術的裝置來實現(xiàn)具有很小偏振依賴性的這樣小的分束比將是很困難的，特別是要具有這樣好的通道均勻性將更為困難。當非均勻性是由單個光柵基元的衍射圖樣的形狀引起，因而是公知的而且應是可重復的時候，這種非均勻性也是可以矯正的。此外，這些監(jiān)測通道應顯示出幾乎與主通道全相同的熱、偏振，串饋(cross-talk)等特性。
圖3所示的實施例使用了一種反射光柵，但也可采用其它形式的光柵。
這樣上述光學裝置比之于現(xiàn)有技術具有很多的優(yōu)點·它具有較為簡單的構形，而且不需要任何耦合元件。
·監(jiān)測是與信號分離同時自動現(xiàn)實的。
·很少或沒有偏振、光譜和波長依賴性，或者說在分出機構中很少或沒有畸變。
·本裝置相當容易制造，而且其性能不受制造方面的變化的影響。
·監(jiān)測過程對于通道的均勻性或主通道的功率沒有或幾乎沒有影響。
·此外，監(jiān)測器的分出不必在攜帶有主WDM通道的波導之間形成。
上述的光學裝置可以用在任何WDM系統(tǒng)中，尤其是可以用在所描述的那些用于通信系統(tǒng)的收發(fā)設備中。
權利要求
1．一種監(jiān)測多波長信號用的光學裝置，該裝置包括一個衍射光柵，用來將多波長的光學信號分成很多由單一波長或很窄的波長帶構成的信號；第一接收器，被安置來接收來自衍射光柵的第m級衍射的信號；第二接收器，被安置來接收來自衍射光柵的較高或較低的第m+p級衍射的信號；以及監(jiān)測器，它與第二接收器相連，以確定來自上述較高或較低級衍射的信號的特性，從而監(jiān)測在第m級衍射中信號的特性。
2．按照權利要求1所述的光學裝置，其特征在于該第一接收器是與該裝置的輸出相連接的。
3．按照權利要求1或2所述的光學裝置，其特征在于多波長光學信號的大部分功率是在第m級衍射中輸出的。
4．按照權利要求3所述的光學裝置，其特征在于多波長光學信號的10％或以下的功率是在第m+p級衍射中輸出的。
5．按照前述任一權利要求所述的光學裝置，其特征在于該監(jiān)測器包括一個或多個光探測器。
6．按照前述任一權利要求所述的光學裝置，其特征在于該裝置被集成在一芯片上。
7．按照權利要求6所述的光學裝置，其特征在于該裝置被集成在一絕緣體上硅的芯片上。
8．按照權利要求6或7所述的光學裝置，其特征在于該衍射光柵包括形成在上述芯片表面上的一系列凹槽。
9．按照權利要求6，7或8所述的光學裝置，其特征在于該第一和第二接收器各包括一個或多個集成在所述芯片上的波導。
10．按照前述任一權利要求所述的光學裝置，其特征在于它構成一收發(fā)設備的一部分。
11．一種集成的光學收發(fā)設備，它包括一個形成在第一和第二反饋元件之間的激光諧振腔；一個在激光諧振腔中的衍射光柵，用來確定激光諧振腔發(fā)射的激光的波長；以及光接收器，該衍射光柵被安排來接收被選擇的與發(fā)射的激光波長不同的光，并將這選定波長的光傳送到光接收器；該衍射光柵還被安排來衍射在上述發(fā)射的激光波長上的，處于比激光諧振腔內(nèi)所用的衍射級高或低的衍射級中的光；為了監(jiān)測從激光諧振腔內(nèi)發(fā)射的光的功率輸出，它還包括一用來接收上述處于較高或較低衍射級的光的輸出監(jiān)測器。
12．一種光學裝置或收發(fā)設備，基本上如此前參照附圖所述。
全文摘要
一種光學裝置,包括一衍射光柵(16),用來把在輸入波導(17)上接收的多波長信號分成很多具有單一波長或狹窄波帶的信號。第一組波導(18)從來自光柵(16)的主(第m)衍射級接收信號以提供該裝置的輸出。第二組波導(19)從來自光柵的一較低或較高的(第m+p)衍射級接收信號,并將這些信號傳送給光探測器(20)。這樣在第一組波導(18)上輸出的信號的特性可以從光探測器(20)接收到的信號的特性來監(jiān)測,因為這種較低或較高的(第m+p)衍射級的特性是與主(第m)衍射級的特性緊密相關的。
文檔編號H04B10/40GK1290433SQ98813779
公開日2001年4月4日 申請日期1998年12月18日 優(yōu)先權日1997年12月23日
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