专利名称：具有布喇格衍射光栅的光多路分解器及使用其的光通信模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光通信模块。更具体地讲，本发明涉及一种具有至少一个布喇格衍射光栅以用于使发送和接收光信号侧的串扰最小的光多路分解器，以及一种使用该光多路分解器的光通信模块。
背景技术：
近年来，增加了对双向光通信模块的需求，在这种模块中，允许不同波长的两个或更多不同波长的光信号通过单一的光纤沿着任一方向传播，以使它们能够发送或接收光信号。
图1所示为在使用不同波长光的双向光通信过程中波长复用的原理。
参考图1，通过一个光纤3将一个基站1与一个用户单元2相连。尽管通常有许多这样的单元，但为了避免不必要的细节使该图不易看懂，这里只有一个用户单元2。这样，在实际双向光通信单元中有多个分支点，各个光纤从这些点延伸向各个用户。基站1通过将诸如电话信号、电视信号等信息转换为数字信号而驱动光发射单元，即激光二极管LD1(4)。通过基站的多路分解器5将被识别为具有波长λ1的数字信号发送到光纤3，然后，通过用户单元的多路分解器6接收到光接收单元，即光电二极管PD2(7)。接着，将接收到的信号再一次转换为电信号，并重新产生因特网文本或运动图像。这样，将从基站1到用户单元2的传播方向称作“下行流”方向。
同时，在用户单元2一侧，利用激光二极管8将数据信息信号转换为被识别为具有波长λ2的光信号。通过多路分解器6、光纤3和基站的多路分解器5，按照该顺序，将λ2光输入到光电二极管PD1(9)。基站1适当地处理被光电二极管PD1转换的电信号。这样，将从用户单元2到基站1的传播方向称作“上行流”方向。
此外，为了通过单一的光纤发送具有两个或更多波长的光信号，基站和用户单元都需要具有识别波长并分离光路的功能。由多路分解器来执行该功能。
一种制造多路分解器的方法以使用光纤和使用光薄膜波导为例。至于光薄膜波导的使用，近年来趋向于寻找具有紧凑体积、低价格和高集成度的波导。一种使用光薄膜波导的多路分解器的例子以波分复用(WDM)滤波器、多模式干涉仪(MMI)或方向耦合器为例。
图2所示为根据一种现有技术的光通信模块的结构，其中将使用了波分复用滤波器的多路分解器应用于光通信模块。该多路分解器被设计为将一个多层薄膜21插入基底22，这样根据从光纤23进入的光和从光源24退出的光波长之差可以将其彼此分离。
在图2中，具有特定波长λ1的光信号通过光纤23进入并经第一波导传播到远离光纤侧的多层薄膜21。由于多层薄膜21起到反射特定波长λ2的作用，当从光纤23入射的光传输波长为λ1而不具备反射波长λ2时，该入射光透射多层薄膜21到达光探测器25，例如探测入射光的光电二极管。另一方面，当从光纤23入射的光具有激光二极管发射的反射波长λ2时，将该入射光射入第二波导并在其中传播，并接着被多层薄膜21反射以通过光纤23退出。
不过，在实际应用中使用现有技术有实际困难，这是因为用于将多层薄膜插入基底的过程非常复杂而且这种构造需要高度完善的制造方法。
图3和4所示为一种根据现有技术使用光薄膜波导的多路分解器的构造。具体地，图3所示为一种使用多模式干涉仪(MMI)的多路分解器的构造。图4和5所示为一种使用方向耦合器(DC)多路分解器的构造。更具体地，图4所示为使用两种不同波长的双路复用器(biplexer)的结构，而图5所示为使用三种不同波长的三路复用器(triplexer)的结构。
不过，在如图3所示使用常规MMI的多路分解器的情况下，如图6和7所示，串扰和插入损失根据波导的宽度M和长度L而变化。图6a和6b分别表示了波长为1550纳米和1310纳米时，插入损失和串扰根据波导宽度W的变化。图7a和7b分别表示了波长为1550纳米和1310纳米时，插入损失和串扰根据波导长度L的变化。在图6和7中，Q表示设计参考值。这里“串扰”是指在预期端口测量到的输出信号最大值和在另一个确定端口测量到的输出信号最大值之比。串扰的增大意味着信号失真变得严重。
图4和5分别表示了方向耦合器401和501的结构，其中串扰和插入损失的变化也取决于波导之间的距离D和波导的长度L。图8至图10以图表形式给出了串扰和插入损失的变化。
图8a和8b分别表示了在使用图4多路分解器的光通信模块中，在波长分别为1550纳米和1310纳米时插入损失O和串扰P根据波导之间距离D的变化。图9a和9b表示了在波长分别为1550纳米和1310纳米时插入损失O和串扰P根据波导长度L的变化。图10a、10b和10b表示了在使用图5的多路分解器的光通信模块中，在波长分别为1550纳米、1490纳米和1310纳米时插入损失O和串扰P根据波导之间距离D的变化。在图8a至图10c中，Q表示设计参考值。
这样，在现有技术的多路分解器的情况下，满足串扰标准需要严格遵循波导宽度值、长度值以及波导之间的距离等等的设计优化值。必须基于这种遵循程度来制造波导。然而，根据当前的处理水平，很难避免产生±0.2微米左右的公差。结果，由于许多制造的多路分解器在需要的公差范围之外，所以出现了多路分解器产量明显减少的问题。
发明内容
所以，本发明至少部分目的是解决现有技术中出现的上述问题。本发明的一个方面是提供一种具有至少一个布喇格衍射光栅的光多路分解器以及一种使用这种多路分解器的光通信模块，通过使使用光薄膜波导的光多路分解器具有不受诸如波导长度、宽度以及波导之间距离之类的设计值影响，即使在处理公差大约在±0.2微米时，也能满足串扰标准。
为了实现本发明的上述方面，提供了一种具有设置于预定部分的彼此紧邻的第一和第二波导以执行模式耦合的光多路分解器。根据本发明，将经第一波导的一端输入的光信号经第二波导发送到光接收单元，在第二波导中将经第一波导的另一端输入的输出光波经第一波导的一端输出，且包括形成于第二波导上并具有波长选择性的第一布喇格衍射光栅，该光栅通过近似100％地透射光信号的接收波长以及近似100％地反射输出光波的波长使串扰最小。
优选的是，为了近似100％地透射输出光波的波长并近似100％地反射光信号的接收波长，该光多路分解器进一步包括形成于第一波导的第二布喇格衍射光栅。
更优选地，使形成的第一和第二布喇格衍射光栅倾斜，这样被第一和第二布喇格衍射光栅反射的光波经该波导退出。
为了实现发明的此方面，提供了一种光通信模块，包括光源；用于接收具有第一波长光信号的第一光探测器；第一波导，该第一波导一端与光源相连而另一端用于输入、输出光信号，并经另一端输出光源的输出光；为了执行模式耦合，在预定部分与第一波导紧邻设置的第二波导，该第二波导一端与第一光探测器相连以将经第一波导的另一端输入的第一波长光信号发送到第一光探测器；以及形成于第二波导一端并具有波长选择性的第一布喇格衍射光栅，该光栅利用近似100％地透射第一波长光信号以及近似100％地反射输出光的波长使由输出光的波长引起并在第一光探测器测量到的串扰最小。
结合附图，参考下面的详细叙述将会使对本发明上述及其他目的、特征和优点更加清楚，其中图1所示为使用不同波长光的波长多路复用双向光通信的原理；图2所示为根据现有技术的光通信模块结构，其中将使用波分复用滤波器的多路分解器应用于该光通信模块；图3所示为使用多模式干涉仪(MMI)的常规多路分解器的构造；图4所示为使用方向耦合器(DC)的常规多路分解器的构造，该方向耦合器以两个不同的波长工作；
图5所示为使用方向耦合器(DC)的常规多路分解器的构造，该方向耦合器以三个不同的波长工作；图6a和6b分别表示在使用图3的多路分解器的光通信模块中波长为1550纳米和1310纳米时插入损失和串扰根据波导宽度W的变化；图7a和7b分别表示在使用图3的多路分解器的光通信模块中波长为1550纳米和1310纳米时插入损失和串扰根据波导长度L的变化；图8a和8b分别表示在使用图4的多路分解器的光通信模块中波长为1550纳米和1310纳米时插入损失和串扰根据波导长度的变化；图9a和9b分别表示在使用图4的多路分解器的光通信模块中波长为1550纳米和1310纳米时插入损失和串扰根据波导长度的变化；图10a、10b和10c分别表示在使用图5的多路分解器的光通信模块中波长为1550纳米、1490纳米和1310纳米时插入损失O和串扰P1、P2和P3根据波导之间距离的变化；图11所示为根据本发明第一优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造；图12所示为根据本发明第二优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造；图13所示为根据本发明第三优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造；以及图14所示为根据本发明第四优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造。
具体实施例方式
下面将参考附图对本发明的优选方面以及各种变化进行详细说明。在下面本发明的说明中，当这里采用的已知功能和构造的详细说明会使本发明的主题不明确时，省略对其说明。还应理解的是所示附图并不是限制，且本领域的普通或熟练技术人员懂得在本发明在所公开的发明精神和所附权利要求范围之内的变化。
图11所示为根据本发明第一优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造。
本发明的一种光多路分解器包括为了执行模式耦合而彼此紧邻设置于各个预定位置的第一和第二波导110和120。为了提供光传输信号的输入和输出，第一波导具有输入波导110a和第一输出波导110b，且第二波导具有伪波导120a和第二输出波导120b。此外，光多路分解器100包括分别形成于第一和第二输出波导110b和120b上的第一和第二布喇格衍射光栅。
分别将第一和第二波导110和120彼此紧邻设置于预定部分110c和120c。同时，第一和第二波导以并行线排列延伸以在二者之间提供光信号的耦合。下文中，将各个并行排列的预定部分称为耦合部分130。根据耦合部分的长度L和第一、第二波导110、120之间的距离，特别是第一和第二波导110和120耦合部分之间的距离来确定耦合系数。
输入波导110a从耦合部分110c或130向第一波导110的一端延伸，或者接收来自通信网络的光信号。可选地，就此而言，输入波导将光学信号发送至同一通信网络或另一个网络。
第一输出波导110b从耦合部分110c或130向第一波导110的另一端延伸并与诸如激光二极管光源相连，其中在耦合部分和另一端之间有弯曲部分。
接着将第一布喇格衍射光栅111形成于与激光二极管相连的第一波导110的第一输出波导110b之上。这种排列允许从激光二极管发射的特定波长(例如1310纳米)的输出光近似100％地透射，而且还允许特定波长(例如1550纳米)的输入光近似100％地反射。布喇格衍射光栅111的功能使用了布喇格衍射光栅的特定特性。该布喇格衍射光栅的特性如下所述作为一种反射滤波器，布喇格衍射光栅的功能特性在于反射特定波长范围(即停止带)的光而透射其他光。将这种特殊的布喇格衍射光栅设计为在光纤波导中周期性地变化折射率。为了实现这一点，使用了各种方法，诸如使用紫外激光的全息图法以及掩膜法等等。所有这些方法的一个共同点在于使用光波导的感光灵敏度改变光波导的折射率。
感光灵敏度是指当将波长约为240纳米的强紫外光射线加入光波导时，在将紫外光射线施加于光波导的部分时折射率会增大的现象。这种感光灵敏度受到布喇格衍射光栅反射率的影响。感光灵敏度与反射率成正比。例如，当感光灵敏度高的时候，反射率也高。在布喇格衍射光栅中特定波长的光按照以下原则被反射在布喇格衍射光栅中透射的同时，光波在并行线之间反射。
在这种情况下，当被反射光波具有准确相位2nπ时，将该光波受到结构干涉处理。基于这种原理，可以利用各种方法在光纤上刻下每一条线，例如一种方法是刻在垂直方向波导上，一种方法是刻在以固定角度倾斜的波导上。在本发明的此方面，形成布喇格衍射光栅使其与波导相对倾斜，这样就不会阻碍从布喇格衍射光栅反射的光按入射方向返回。换句话说，光栅不会阻碍从光栅反射的光被反射到出口之外。
伪波导120a从耦合部分120c或130延伸到第二波导120的一端，其中在耦合部分和第二波导一端之间有第一雕刻部分。优选的是，终止于第二波导120的一端122。
第二输出波导120b从耦合部分120c或130延伸到第二波导120的另一端并接着与光探测器PD相连，其中在耦合部分和第二波导另一端之间有第二雕刻部分。
第二布喇格衍射光栅121形成于与光探测器PD相连的第二波导120的第二输出波导120b上，并允许从光探测器PD发射的特定波长(例如1550纳米)的输入光近似100％地透射，而且还允许特定波长(例如1310纳米)的输出光近似100％地反射。布喇格衍射光栅121的特性和制造方法与前述相同。
具有根据本发明上述构造的多路分解器的操作如下从输入波导110a输入的波长波段为1.5微米的输入光波经耦合部分130传播到与光探测器PD相连的第二波导120，其中所有输入光波或光信号没有传播到光探测器PD，而是其中一部分经第一光波导110传播到了光源LD。这里，形成于与光源LD相连的第一输出波导110b上的第一布喇格衍射光栅111具有近似100％地反射波长波段在1.5微米的光波并近似100％地透射波长波段在1.3微米的光波的特性，所以由1.5微米波长波段的输入光波引起并在光源LD测量到的串扰变得非常低。此外，第一布喇格衍射光栅具有除90°之外的特定倾斜角度，所以反射光波不会沿入射方向退出波导。同时，光源LD发射的1.3微米波长波段的光波依次通过与光源LD相连的第一输出波导110b、耦合部分130以及输入波导110a到基站。在这种情况下，将一部分光波经第二波导120输入到光探测器PD。此时，形成于与光探测器PD相连的第二输出波导120b上的第二布喇格衍射光栅121具有近似100％地反射1.3微米波长波段光波并近似100％地透射1.5微米波长波段光波的特性，所以由1.3微米波长波段的输出光波引起并在光探测器PD测量到的串扰变得非常低。
图12所示为根据本发明第二优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造。
本实施例的光多路分解器包括为了执行模式耦合而彼此紧邻设置于各个预定部分的第一和第二光波导210和220。为了提供光传输信号的输入和输出，第一波导210具有输入波导210a和第一输出波导210b，且第二波导220具有伪波导220a和第二输出波导220b。此外，光多路分解器200包括形成于第二输出波导220b上的布喇格衍射光栅221。除了第一方面中从与光源LD相连的第一光波导上移走布喇格衍射光栅之外，本发明第二方面提供的操作与结构和发明第一方面的相类似。所以，不再对重复的构件、操作、功能等进行详细地说明。在此，尽管没有接收信号，但作为双向串扰(BXT)入射到光电二极管PD的1.3微米波长波段的光信号好象有接收值一样地操作，这是因为光电二极管PD执行直接反应以给出输出值。所以，光信号给相关要素操作的问题带来了问题。相比而言，作为单向串扰(UXT)入射到光源LD的1.5微米波长波段的信号会在一定程度上影响激光的振荡，不过程度不会很严重。所以，可以将光源LD一侧的布喇格衍射光栅移走。
图13所示为根据本发明第三优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造。该第三发明涉及到三路复用器的构造，用于分离两种具有1550纳米和1490纳米波长的输入光波和一种具有1310纳米波长的输出光波，并将其通路分开。
本发明第三方面的光多路分解器或三路复用器300包括为了执行模式耦合而彼此紧邻设置于各个预定部分的第一、第二和第三光波导310、320和330。为了提供光传输信号的输入和输出，第一波导310具有输入波导310a和第一输出波导310b，第二波导320具有伪波导320a和第二输出波导320b，以及第三波导330具有伪波导330a和第三输出波导330b。
此外，三路复用器300包括形成于第一至第三输出波导310b、320b和330b上的第一至第四布喇格衍射光栅311、321、331和333。在图13中，没有说明的参考号322和332分别表示伪波导320a和330a的末端。
本发明第三方面三路复用器的构造包括将反射1490纳米波长波段光波(并近似100％地透射1550纳米波长波段光波)的第一布喇格衍射光栅311设置于与接收1550纳米波长波段光波的第一光探测器PD1相连的第一波导310的第一输出波导310b上，其中将反射1550纳米波长波段光波(并近似100％地透射1490纳米波长波段光波)的第二布喇格衍射光栅321设置于与接收1490纳米波长波段光波的第二光探测器PD2相连的第二波导320的第二输出波导320b上，以及将反射1550纳米和1490纳米波长波段光波的第三和第四布喇格衍射光栅311和333设置于与发送1310纳米波长波段光波的光源LD相连的第三波导330的第三输出波导330b上。
可选地，可以使用其他具有宽带宽的布喇格衍射光栅用于反射范围从1490纳米到1550纳米的整个光波来代替使用形成于与光源LD相连的第三波导330的第三输出波导330b上并反射1550纳米和1490纳米波长波段光波的第三和第四布喇格衍射光栅331和333。
具有上述构造的三路复用器操作如下在经输入波导310a从基站输入的范围从1490纳米到1550纳米的光波中，进入光源LD的一部分被形成于与光源LD相连的第三光波导330上并近似100％地反射1490纳米和1550纳米波长波段光波的第三和第四布喇格衍射光栅331和333反射到第三光波导330之外。
所以，由输入光波引起并在光源LD被测量到的单向串扰变得非常低。从光源LD发射的部分1310纳米波长波段的光波经光波导310和320进入光探测器PD1和PD2。形成于与光探测器相连的光波导310和320输出波导310b和320b上的布喇格衍射光栅具有近似100％地透射1490纳米和1550纳米波长波段光波并近似100％地反射1310纳米波长波段光波的特性，所以由输出光波引起并在各个光探测器PD1和PD2被测量到的双向串扰变得非常低。
图14所示为根据本发明第四优选方面的一种具有布喇格衍射光栅的光多路分解器的构造。本发明的第四方面涉及另一种三路复用器的构造。
第四方面的光多路分解器或三路复用器400包括为了执行模式耦合而彼此紧邻设置于各个预定位置的第一、第二和第三光波导410、420和430。为了提供光传输信号的输入和输出，第一波导410具有输入波导410a和第一输出波导410b，第二波导320具有伪波导420a和第二输出波导420b，以及第三波导430具有伪波导430a和第三输出波导430b。此外，三路复用器400包括形成于第一至第三输出波导410b、420b和430b上的第一至第四布喇格衍射光栅411、421、431和433。
与图13所示本发明的第三方面类似，第四方面的三路复用器400具有前述构造功能，以分离从基站输入的两种具有1550纳米和1490纳米波长的输入光波和一种具有1310纳米波长的输出光波，并将其通路分开。由于第四方面的三路复用器400与本发明第三方面的相类似，省略对其详细说明。
同时，参考本发明的具体方面对本发明进行详细说明，而且对于本领域熟练技术人员而言，不脱离所附权利要求确定的本发明的范围和精神能够容易地进行各种形式上和细节的变化。
例如，除上述实施例讨论的节点滤波器之外，还可以额外地使用多模式干涉仪(MMI)、方向耦合器或类似设备。则本发明的范围并不限于前述实施例，而是由所附的权利要求及其等同物确定。
如上所述，根据本发明的多路分解器配有至少一个设置于与光源以及光接收单元相连的光波导上并具有近似100％透射希望光波和近似100％反射不希望的光波的波长选择性的布喇格衍射光栅。因此，当制造使用光薄膜波导的多路分解器时，波导之间距离、单元的宽度和长度具有大约±0.2微米的公差，可以使在光探测器PD探测到的串扰最小并增强处理的余量，所以可以很大程度地提高生产率。
权利要求
1.一种多路分解器，包括在预定部分彼此紧邻设置以执行模式耦合的第一和第二波导，其中经第一波导的一端输入的光信号经第一波导的预定部分和第二波导的预定部分透射到第二波导的光接收单元，以及其中将经第一波导的另一端输入的输出光波经第一波导的一端输出，其中多路分解器包括形成于第二波导上并具有波长选择性的第一布喇格衍射光栅，该光栅通过近似100％地透射光信号的接收波长以及通过近似100％地反射输出光波的波长而使串扰最小。
2.根据权利要求1所述的多路分解器，进一步包括形成于第一波导上的第二布喇格衍射光栅，用于近似100％地透射输出光波的波长并近似100％地反射光信号的接收波长。
3.根据权利要求1所述的多路分解器，其特征在于形成的第一和第二布喇格衍射光栅倾斜，以使被第一和第二布喇格衍射光栅反射的光波退出波导。
4.一种光通信模块，包括光源；用于接收多个具有第一波长的多个光信号的第一光探测器；第一波导，该第一波导的一端与光源相连而另一端用于输入和输出该多个光信号，以及用于经另一端输出光源的输出光；在第一和第二束波的预定部分与第一波导紧邻设置以执行模式耦合的第二波导，所述第二波导的一端与第一光探测器相连以将经第一波导的另一端输入的第一波长的光信号透射到第一光探测器；以及形成于第二波导的一端并具有波长选择性的第一布喇格衍射光栅，该光栅通过近似100％地透射多个第一波长的光信号以及近似100％地反射输出光的波长以使第一光探测器测量到的来自输出光波长的串扰最小。
5.根据权利要求4所述的光通信模块，进一步包括形成于第一波导一端上的第二布喇格衍射光栅，用于通过近似100％地透射输出光波的波长并通过近似100％地反射光信号的接收波长以使在光源测量到的来自光信号接收波长的串扰最小。
6.根据权利要求4所述的光通信模块，进一步包括用于接收具有第二波长的光信号的第二光探测器；在第一、第二和第三波导的每一个的预定部分与第二波导紧邻设置以执行模式耦合的第三波导，该第三波导的一端与第二光探测器相连，以将经第一波导的另一端输入的第二波长的光信号透射到第二光探测器；以及形成于第三波导的一端上的第三布喇格衍射光栅，该光栅通过近似100％地透射光信号的接收波长以及通过近似100％地反射输出光的波长，以使在第一光探测器测量到的输出光的波长引起的串扰最小。
7.根据权利要求6所述的光通信模块，进一步包括形成于第一波导的一端是的第四布喇格衍射光栅，用于通过近似100％地透射输出光波的波长并通过近似100％地反射第一和第二波长的光信号，以使在光源测量到的由第一和第二波长的光信号引起的串扰最小。
8.根据权利要求7所述的光通信模块，其特征在于第四布喇格衍射光栅包括第五布喇格衍射光栅，用于近似100％地透射输出光波的波长并近似100％地反射第一波长的光信号；以及第六布喇格衍射光栅，用于近似100％地透射输出光波的波长并近似100％地反射第二波长的光信号。
9.根据权利要求4所述的光通信模块，其特征在于形成的布喇格衍射光栅倾斜，这以使被该布喇格衍射光栅反射的光波退出波导。
10.根据权利要求5所述的光通信模块，其特征在于形成的布喇格衍射光栅倾斜，以使被该布喇格衍射光栅反射的光波退出波导。
11.根据权利要求6所述的光通信模块，其特征在于形成的布喇格衍射光栅倾斜，以使被该布喇格衍射光栅反射的光波退出波导。
12.根据权利要求7所述的光通信模块，其特征在于形成的布喇格衍射光栅倾斜，以使被该布喇格衍射光栅反射的光波退出波导。
13.根据权利要求8所述的光通信模块，其特征在于形成的布喇格衍射光栅倾斜，以使被该布喇格衍射光栅反射的光波退出波导。
全文摘要
一种具有至少一个布喇格衍射光栅用于使发送和接收光信号侧的串扰最小的光多路分解器，以及一种使用该光多路分解器的光通信模块。该光多路分解器具有在预定部分彼此紧邻设置以执行模式耦合的第一和第二波导，所以经第一波导的一端输入的光信号经第二波导透射到光接收单元，以及其中将经第一波导的另一端输入的输出光波经第一波导的一端输出。具有波长选择性的第一布喇格衍射光栅形成于第二波导上，该光栅通过近似100％地透射光信号的接收波长以及近似100％地反射输出光波的波长而使串扰最小。
文档编号G02B6/42GK1573385SQ20041000156
公开日2005年2月2日 申请日期2004年1月13日 优先权日2003年6月24日
发明者具俊谟, 金世润, 金京濂 申请人:三星电子株式会社