專利名稱：集成型稀疏波分復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光通信波分復(fù)用領(lǐng)域，特別涉及一種適用于稀疏波分復(fù)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(fù)用器件。
背景技術(shù)：
光纖通信在短短數(shù)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(jīng)鋪設(shè)到世界的每個(gè)角落。在很大程度上，光纖彌補(bǔ)了電纜通信的不足，使通信容量和質(zhì)量大大增加。然而隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對信息的需求呈指數(shù)增長，通信業(yè)務(wù)也從電話、數(shù)據(jù)向視頻、多媒體等寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展，傳統(tǒng)光傳輸?shù)膸捯膊粔蛴昧?。所幸在單根光纖上運(yùn)用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)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(fù)用技術(shù)現(xiàn)已提高得可以傳送數(shù)百個(gè)波長的激光，每個(gè)波長間的間隔1.6，0.8或0.4nm，甚至0.2nm，這種技術(shù)稱作密集波分復(fù)用(DWDM)。DWDM產(chǎn)品的目標(biāo)一直是滿足不斷增長的長途傳輸容量要求，然而短程網(wǎng)的帶寬擴(kuò)容的市場也非常巨大，其首選技術(shù)還是成熟的波分復(fù)用技術(shù)。DWDM技術(shù)在廣域網(wǎng)應(yīng)用獲得巨大成功，當(dāng)然也可以應(yīng)用在要求更低的短途應(yīng)用中，但這需要付出昂貴的代價(jià)，超過敷設(shè)新光纜這種“空分復(fù)用”技術(shù)。因此，不能簡單地將廣域網(wǎng)DWDM方案用短程網(wǎng)。
CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)稀疏波分復(fù)用技術(shù)繼承了光通信波分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，提供了短途應(yīng)用承受得起的擴(kuò)容技術(shù)。CWDM采用比DWDM稀疏得多的波長間隔，犧牲了DWDM中通道數(shù)目多的優(yōu)勢，同時(shí)也拋棄了支持密集通道所需的高昂成本，取得服務(wù)提供商除擴(kuò)容以外另一個(gè)迫切需要的價(jià)格優(yōu)勢。廣域網(wǎng)由于傳輸距離很長，中間要用很多個(gè)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(wǎng)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(wǎng)一樣的DWDM設(shè)備不合算。CWDM技術(shù)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(fù)用器是波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件?，F(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有薄膜濾波、光纖光柵、平面集成波導(dǎo)等。其中平面集成波導(dǎo)解復(fù)用器可以在很小的芯片上實(shí)現(xiàn)40通道以上的密集波分復(fù)用，它利用半導(dǎo)體工藝可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)，具有潛在的成本優(yōu)勢。目前陣列波導(dǎo)光柵AWG等平面集成波導(dǎo)器件成本居高不下主要原因是尺寸大，每個(gè)硅片上可制作的芯片數(shù)目較少；器件要求嚴(yán)格，成品率低；需要溫度控制。
目前用平面集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)稀疏波分復(fù)用解復(fù)用器的報(bào)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(dǎo)，并無尺寸優(yōu)勢。而且采用多模平板波導(dǎo)，需要很厚的波導(dǎo)，增加了工藝制造的難度，還會引人應(yīng)力等問題。同時(shí)由于多個(gè)模式的存在，聚集性能和頻譜響應(yīng)都不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種集成型稀疏波分復(fù)用器，省略了輸入和輸出波導(dǎo)的制作，基工藝簡單，成本低廉而且頻譜性能優(yōu)良。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)如下方案1集成型稀疏波分復(fù)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(biāo)準(zhǔn)單模光纖，自由傳播區(qū)采用單模平板波導(dǎo)，輸出端采用標(biāo)準(zhǔn)多模光纖陣列。
方案2集成型稀疏波分復(fù)用器，它包括兩個(gè)自由傳播區(qū)、波導(dǎo)陣列，在兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)單模光纖，兩個(gè)自由傳播區(qū)采用單模平板波導(dǎo)，輸出端采用標(biāo)準(zhǔn)多模光纖陣列。
本實(shí)用新型具有的有益效果是解復(fù)用器采用平面集成波導(dǎo)技術(shù)，采用成熟的半導(dǎo)體工藝可以實(shí)現(xiàn)解復(fù)用芯片的批量生產(chǎn)，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(dǎo)。解復(fù)用器的色散部件，是經(jīng)過特別設(shè)計(jì)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(dǎo)和輸出波導(dǎo)，使光纖陣列可以直接與解復(fù)用芯片聯(lián)結(jié)。輸入光纖使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖承載多波長信號，可以傳輸較遠(yuǎn)的距離，同時(shí)與單模平板波導(dǎo)的耦合效率高，能量損耗小。輸出光纖采用標(biāo)準(zhǔn)多模光纖，其大的數(shù)值孔徑更容易接受色散后的單個(gè)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(fù)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(shí)對整個(gè)稀疏波分復(fù)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(shí)在這個(gè)寬的通道頻譜響應(yīng)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(fù)用器的色散性能都設(shè)計(jì)成適合標(biāo)準(zhǔn)稀疏波分復(fù)用波長間隔以及波導(dǎo)輸出間距的值，使緊密排列的光纖陣列滿足稀疏波分復(fù)用的要求。可以應(yīng)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(wǎng)或接入網(wǎng)；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(shí)現(xiàn)低成本的稀疏波分復(fù)用通道監(jiān)控；在光纖接入的無源網(wǎng)絡(luò)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)的集成型稀疏波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的集成型稀疏波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的集成型稀疏波分復(fù)用器的色散特性；圖4是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的集成型稀疏波分復(fù)用器的各通道頻譜響應(yīng)；圖5是基于蝕刻衍射光柵(EDG)的集成型稀疏波分復(fù)用器的通道均勻性。
具體實(shí)施方式
圖1是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)例，基于蝕刻衍射光柵(EDG)的稀疏波分復(fù)用的解復(fù)用器結(jié)構(gòu)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(gè)波長的光信號從輸入光纖1進(jìn)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(kuò)散傳播，光能量分布到蝕刻凹面光柵4的各個(gè)面上，經(jīng)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(dǎo)出。
圖2是本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)例，基于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的稀疏波分復(fù)用的解復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖，包括輸入光纖5，輸出波光纖陣列6、兩個(gè)自由傳播區(qū)域7和波導(dǎo)陣列8。
輸入光纖采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，直徑是標(biāo)準(zhǔn)的125微米，芯層直徑9微米左右。輸出光纖采用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的通帶寬度，后者有較大的通帶寬度，但一般不應(yīng)用在光通信中。
這里以基于蝕刻衍射光柵(EDG)的解復(fù)用器為設(shè)計(jì)例子說明本實(shí)用新型的具體實(shí)現(xiàn)形式，而基于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的解復(fù)用器的設(shè)計(jì)可以完全使用相同的設(shè)計(jì)。
解復(fù)用芯片采用半導(dǎo)體工藝在硅片或其他基底材料上鍍上薄膜，形成平板波導(dǎo)。芯片圖形轉(zhuǎn)移上去后切割形成單個(gè)解復(fù)用芯片。衍射光柵采用RIE和ICP等干法刻蝕，形成多個(gè)垂直小面組成的反射光柵。為了減小損耗，增大反射率，通常可以在刻蝕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(shè)計(jì)在這里是至關(guān)重要的，它使不同波長的光聚集在一條直線上，在指定點(diǎn)附近的像差很小，色散也保持線性。通常EDG的結(jié)構(gòu)是基于Rowland圓的設(shè)計(jì)，入射點(diǎn)和出射點(diǎn)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(diǎn)，這些點(diǎn)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(fù)用器并不需要非常嚴(yán)格的像差控制，我們可以通過減小像差要求來達(dá)到聚集在直線上的要求。
如圖1所示，光程函數(shù)可以寫為 這里I是入射點(diǎn)，O是垂直線上的輸出點(diǎn)。P0是光柵上的參考點(diǎn)，P是光柵上的任意一點(diǎn)。通常我們只需要確定光柵每個(gè)反射齒面的中點(diǎn)就可以得到光柵。這樣町以取G(x)的值為整數(shù)值k，P0和P也相應(yīng)是齒面的中點(diǎn)。這樣光程函數(shù)可以寫為F(k，λ)＝neff[IPk+PkO-(IP0+P0O)]-kmλ (2)假設(shè)這些點(diǎn)的坐標(biāo)分別是I(xI，yI，)，O(xO，yO)， 和 于是式(2)可以增加一個(gè)變量寫成F(k,λ,yO)=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)]]>為了降低乖直直線上指定點(diǎn) 附近位置成像的像差，光柵上的點(diǎn) 應(yīng)該滿足方程F(k,λ0,yO0)=0----(4)]]>
這里λ0是聚集在O0點(diǎn)處的中心波長。
同時(shí)也要滿足在

點(diǎn)處的對y0的導(dǎo)數(shù)為0F′(k,λ0,yO0)=0----(5)]]>根據(jù)式(4)，光柵點(diǎn)

是在以O(shè)0和I為焦點(diǎn)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(diǎn)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(gè)方程已經(jīng)確定了光柵所有的中心點(diǎn)位置，在這些點(diǎn)上加上光柵面整個(gè)光柵就確定了。
這里給出這個(gè)實(shí)例的設(shè)計(jì)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(dǎo)材料。我們用比較精確的標(biāo)量衍射理論模擬計(jì)算EDG的性能，使用的模擬參數(shù)

圖3是光柵的色散曲線，看得出線性度很好，與設(shè)計(jì)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?yàn)檫@里的輸出范圍相比傳統(tǒng)的帶輸出波導(dǎo)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(gè)通道的頻譜響應(yīng)?？梢钥闯鐾◣Ш軐?，而且頂部很平，幾乎沒有帶內(nèi)波紋。這是因?yàn)槎嗄９饫w具有大的芯層直徑。這樣的特性，非常適用于CWDM的應(yīng)用。對于中心通道，只引入了0.03dB的附加損耗。各個(gè)通道的3dB帶寬也幾乎相同，為10nm。
圖5顯示了通道的均勻性，最大的損耗差值為1.5dB?？梢钥吹綋p耗隨著遠(yuǎn)離中心通道而增加。這是由單個(gè)光柵齒的衍射包絡(luò)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(quán)利要求1.集成型稀疏波分復(fù)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(jù)權(quán)利要求1所述集成型稀疏波分復(fù)用器，其特征在于輸入端采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，自由傳播區(qū)(3)采用單模平板波導(dǎo)，輸出端采用標(biāo)準(zhǔn)多模光纖陣列。
3.集成型稀疏波分復(fù)用器，它包括兩個(gè)自由傳播區(qū)(7)、波導(dǎo)陣列(8)，其特征在于在兩個(gè)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(jù)權(quán)利要求3所述集成型稀疏波分復(fù)用器，其特征在于輸入端采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，兩個(gè)自由傳播區(qū)(7)采用單模平板波導(dǎo)，輸出端采用標(biāo)準(zhǔn)多模光纖陣列。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種集成型稀疏波分復(fù)用器。其色散部件是經(jīng)過特別設(shè)計(jì)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(dǎo)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(yīng)，對溫度和偏振引起的波長深移不敏感，適合應(yīng)用于稀疏波分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)中。
文檔編號H04B10/12GK2579093SQ0226052
公開日2003年10月8日 申請日期2002年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月28日
發(fā)明者盛鐘延, 何賽靈 申請人:浙江大學(xué)