专利名称：双衍射光栅平面光波电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双衍射光栅平面光波电路，尤其涉及一种用在光纤到户(Fiber-to-the-Home，FTTH)光接入网络中的平面光波电路(Planar Lightwave Circuit，PLC)光学单纤三向器(triplexer)。
背景技术：
单纤三向器或声音-数据-视频(VDV)处理器充当从FTTP光网进入用户家中的光学网关。单纤三向器是非常小巧且成本很低的连接设备，它可以接收两个高速信道(例如1490nm，用于电话和因特网信号传输；1550nm，用于视频信号传输)的信号，而且同时在第三信道(例如1310nm，用于信号输出)上传输信号。为了敷设简单，所有这些信号被复用到单根光纤上。
典型的单纤三向器需求向传统PLC设计技术提出了相当大的挑战。光学结构中必须有激光器，通常波长是1310nm，被耦合到一根单模光纤，用于传输来自用户家中的光学信号。在同一根光纤的另一方向，来自户外的波长名义上为1490nm和1550nm的光被获取、被解复用并被导出到光学检测器。由于这些波长上可操作的通频带导致了困难加大。在1310nm信道，期望的带宽是50nm到100nm，这就提供了一个大的范围，在此范围内，实际上激光器能够无热工作，其中对于检测器信道而言只需要10nm到20nm的带宽。更确切地说，发光二极管工作在单横向模式，且常用的输入/输出光纤是单模光纤，因此沿激光器信道的轨道在所有点上一定与单模光学一致。换句话说，激光器信道的轨道必须是可逆的。在现有技术中，特别是在PLC中采用单衍射结构的这些设计技术，没有实用的办法利用具有基本上不同的通频带的信道来选择较宽的波长范围(～1250nm到1600nm)。
现有技术设备，举例来说，2002年12月10授予Althaus的专利号6,493,121的美国专利公开了一个这样的设备，如图1所示，采用许多独立的、精巧制作的薄膜滤光片(thin film filters，TFF)2a和2b，它们被放置在沿准直光路的特定位置，实现了VDV处理器(单纤三向器1)的功能。TFF 2a和TFF 2b与离散激光器3、光电检测器4a及光电检测器4b耦合，并被封装在独立的圆柱式(Transistor-Outline，TO)封装6中，然后被装配成一个组件。带有两个输入信道(1490nm和1550nm)的输入信号通过光纤7进入单纤三向器1。第一信道由第一TFF 2a解复用，并被引导至第一光电检测器4a；第二信道由第二TFF 2b解复用，并被引导至第二光电检测器4b。在激光器3中生成输出信道(1310nm)并通过第一TFF 2a和第二TFF 2b输出光纤7。不幸的是，这些器件的装配是非常精密的，要求所有的元件被调整至装配公差非常小。
为了试图简化外壳结构，因此在2004年5月4公开的、授予Althaus等人的美国专利号6,731,882以及2004年6月29日公开的授予Melchoir等人的6,757,460的专利中介绍了装配工艺。为了进一步改进，如图2所示，包括在半导体微装置(microbench)上配置所有的元器件，保证可重复和精确调整。不幸地是，所有这些解决方法仍然牵涉到带有TO封装的多个TFF的调整问题。2004年2月17日公开的授予Baumann等人的美国专利6,694,102中介绍了现有技术的一个不带TFF的解决方案，其中介绍了一种利用多个Mach-Zehnder干涉仪的双向复用器。
本发明的目的是通过利用双衍射光栅装置提供平面光波电路三向器来克服现有技术的缺陷，该双衍射光栅装置可实现具有不同通频带的信道的较宽波长范围的应用。
发明内容
因此，本发明所涉及一种平面光波电路波分复用器/解复用器，其包含平板波导，其限定由间隙连接的第一和第二平板区域；第一和第二面对面凹反射衍射光栅，其位于平板波导的各一端；第一波导，其延伸至第一平板区域；第二波导，其延伸至第一平板区域；第三波导，其延伸至第二平板区域；其中第一和第二反射光栅和第一、第二、第三波导的末端被安置，使得第一波长范围内的波长光将通过第一光栅在第一和第二波导之间传输，并且因此第二波长范围内的波长的光将通过所述第一和第二光栅在所述第一和第三波导之间传输，所述第二波长范围的波长高于或者低于所述第一波长范围。
下面将结合代表优选实施例的附图更加详细的介绍本发明，其中；图1所示是基于单纤三向器的传统薄膜滤光片；
图2所示是基于采用半导体基片的单纤三向器的传统薄膜滤光片；图3所示是传统的反射衍射光栅；图4所示为本发明所介绍的带减色散的双衍射光栅装置；图5所示为图4所介绍的采用双衍射光栅装置的复用器/解复用器；图6所示为图4所介绍的采用双衍射光栅装置的单纤三向器；图7所示为图4所介绍的减色散单纤三向器的响应曲线；图8所示为本发明所介绍的带增色散的双衍射光栅装置；图9所示为图8所介绍的采用增强双衍射光栅装置的单纤三向器；和图10所示为图8所介绍的增色散单纤三向器的响应曲线。
优选实施例的详细描述平面光波反射衍射光栅包括一组按特定顺序排列的小平面。单个衍射光栅的特性参照图3来介绍。光束11，包含多个波长信道λ1，λ2，λ3...，以特定的入射角θin射入衍射光栅12，分段坡度为Λ且衍射阶数为m。随后根据波长和衍射阶数，该光束以角度θout被分散开来，依据光栅方程mλ＝Λ(sinθin+sinθout)(1)从光栅方程(1)来看，由入射光波长λN来确定衍射阶数的形成。当考虑光谱构成时，必须已知衍射角θNout是如何随入射光的入射角θin变化的。因此，对方程式(1)求关于θNout的微分，假设入射角θin不变，推导出下式θNout/λ＝m/ΛcosθNout(2)量dθNout/dλ是与波长λ的小变化相对应的衍射角θNout的变化，这被称作衍射光栅的角色散(angular dispersion)。角色散随着阶数m的加大、分段坡度Λ的降低以及衍射角θNout加大而增加。衍射光栅的线性色散(linear dispersion)是该项(角色散)与系统有效焦距的乘积。
由于不同波长λN的光以不同的角度θNout发生衍射，每一阶数m被引入光谱中。由一个给定的衍射光栅生成的阶数是受分段坡度Λ限定的，因为θNout不能超过90°。最高阶数由Λ/λN确定，所以，粗光栅(较大Λ)能够生成很多级光谱，而细光栅只能生成一阶或二阶光谱。
就单纤三向器而言，对于激光器相应的通频带为100nm，对于检测器信道相应的通频带为～20nm。用单个衍射结构来实现这样的装置是不切实际的，因为各信道将共用公共的物理色散(physical dispersion)。假设分光平板区域已经经选定，这样最小合理的引导波导宽度可在光栅输出处理20nm的通频带。对于100nm的通频带信道，如果可逆轨道是必须的，那么波导宽度要足够宽以便能够支持各种各样的模态，同时需制造带有对制造公差高度敏感的装置。
根据上述方程(1)，输出角可以被分离出来，由下式给定sinθout=mλΛ-sinθin---(3)]]>方程(3)说明的是输出角θout直接随波长λN的变化关系，假设输入角是固定值，这种情况发生在从位于第一衍射光栅的单个波导发射的单复用光束。
下面的方程是由方程(1)通过分离输入角推导得到的sinθin=mλΛ-sinθout---(4)]]>因此，如果第二光栅被放置在第一光栅的输出处，和适当选择阶数(m2)、坡度(Λ2)和输入/输出角，只要第一光栅输出角(方程3)的变化与第二光栅输入角(方程4)的变化相同，就可以稳定与波长相关的第二光栅的输出角。
图4中所描述的是减色散双光栅结构的基本操作情况。给定波长范围的输入光经由输入波导21从平面光波电路(PLC)20a的边缘发射出去。输入光到达输入22处进入第一平板波导区域23，该区域包含第一凹反射衍射光栅24。第一光栅24将光聚焦到焦线26的某一位置上，此位置随波长的变化而变化。焦线26(这里用罗兰圆(Rowland circle)表示，尽管其它实施例也是可以的)也是第二凹反射衍射光栅27的焦线。来自于第一光栅24的光，其沿着焦线26聚焦，穿越间隙28进入第二平板波导29，并照亮第二光栅27。超出给定波长范围的光不能穿越间隙28，而能够通过从芯片20a边缘延伸到第一波导区域23的附加波导聚集，如下文所述。第二光栅27使光重新聚焦到输出端点31上，在此处光由输出波导32捕获并输出。选择输出端点31的位置以及第二光栅27的参数(阶数m和坡度Λ)，以便精确补偿由于波长的改变而导致的沿第一光栅24的焦线26的变化。所以，来自于输入波导21的光在输出端点31上成像，且被输出到装置的输出端而与波长无关。该装置预期能对波长平传输。在实际应用中，由于各种原因，这种传输将不是完全与波长无关。第一光栅24的焦线26只能接近于第二光栅27的焦线，平场(flat-field)设计的特殊情况除外。尽管这样，当第二光栅27的输入位置沿着焦线26发生改变时，第二光栅27的照明也将发生改变。但是，波长相关传输的实质的平坦化还是可以实现的。
参照图5，根据本发明的减色散双光栅装置可以用作波分复用器/解复用器(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)，更确切地说，可作为分波或通波的复用器，在该装置中，具有多个波长信道的光经由位于第一凹反射光栅24的第一端口(也就是输入波导21)发射出去。第一光栅24在第一波长范围内分离出一个或多个波长信道，并分别在单独的输出波导(例如33和34)上聚集这些波长的光。剩余的光，即在具有更高或更低波长的第二波长范围内，穿越间隙28射到第二反射光栅27上，其引导并将该光(也就是在第二波长范围内)聚焦到波导32上，其通频带比输出波导33和34信道输出通频带宽2，3，4或5倍。在波长范围内穿越间隙28、从另一个输入波导41射入第一平板波导区域23的光将会耦合到不同的输出波导，例如波导42。
对于由波导32发射的复用光波长信道和由波导33和34发射的光波长信道可以采用同样的结构。在第二波长范围内，来自于波导32的波长信道，穿过第二光栅27，穿越间隙28，离开第一光栅24，进入波导21。在第一波长范围内，来自于波导33和34的波长信道，直接离开第一光栅24进入波导21。
参照图6，制造一个单纤三向器，其结合了图4和图5的特点。携带两个(或多个)信息信道(例如，1490nm和1550nm)输入光经由波导21被发射出去，该波导21成为被光学耦合到FTTH光网络的输入/输出波导。第一凹反射光栅装置24用合适的方式、以20-30nm的通频带将输入光分散成所选的波长，并且将被分散的子光束分别聚集到第一输出波导33和第二输出波导34的末端上，其在焦线26上。如果需要，可以增加另外的输出波导，其邻近第一波导33和第二波导34，以便捕获其他所需的波长。光电检测器阵列36(例如光电二极管)被放置在输出波导33和34的相对末端，用于将光信号转换为电信号。
以相对方向传播的输出信号光波长信道(信道)，例如在1310nm信道，源自激光源37，该激光源37被光学耦合到PLC 20的边缘。对激光器信道而言，所需的物理色散太高以至于激光器信道被捕获到一个波导中。相反，激光经由延伸到焦线26的波导32发射，在第二凹反射光栅27处进入第二平板波导区域29，第二凹反射光栅27将光沿着焦线26聚焦，并引导光穿越间隙28到达第一凹反射光栅24，第一凹反射光栅24被成形以使分散的光不能进入输入/输出波导21。第二光栅27与第一光栅24(减色散)的实际波长色散是相对的，因此对于经历两个光栅的光波长，可降低、消除、逆转其净物理色散。因为反射光栅24和反射光栅27被排列，如上所述，以稳定不同波长的输出角，对于波长范围内的任一波长，沿激光器信道的轨道是可逆的，任一波长将经过间隙28。
如图7所示，在减色散装置中，基于两种光栅的使用，对～1310nm的激光波长，在超过100nm带宽上，得到了非常平坦的传输通频带。1490nm和1550nm的检测器信道各自只经历一个光栅，并且它们只分散成很窄的带宽。
在VDV处理器中，在1310nm的激光源与1490nm和1550nm的接收器信道之间，有时需要对接近50dB进行隔离。在基于光栅的装置中，背景光的主光源起因于由于平面侧面上的缺陷导致的散射。平面自身被排列以生成相位相干干涉从而分散并按波长特定方式聚焦光。在反射面和非反射面的侧壁之间的拐角(corner rounding)也是周期性的，从而保证空间一致性，但是由于不适当的相位，导致出现低亮度的周期性重像。平面的粗糙程度将在空间上是不相干的，导致出现随机的低级别的背景光。因此，如果强的激光信号入射到光栅上，且接收器信道也从这个光栅获得了此信号，那么接收器信道将会具有由于激光器而产生的强背景光，其低于激光器强度的典型级别是30dB。～50dB的间隔更接近于实用VDV处理器的要求。
如果第二光栅放置在第一光栅的输出处，并且正确选择阶数(m2)、坡度(Λ2)和角度，那么就可以通过利用由于第一光栅散射而导致第二光栅输入角变化和波长变化这两个变化来改变与波长相关的第二光栅输出角。
图8显示了被设计用来改善激光源与接收器相隔离的增色散双衍射光栅结构的工作原理。输入信号，包含多个光波长信道，其从PLC 50a的边缘沿着输入波导51发射到第一平板波导区域53的输入端口52。信号被引导至第一凹面衍射光栅54，第一凹面衍射光栅54将输入信号散射成构成的波长信道，并将他们沿着焦线56聚焦，其聚焦位置随波长的改变而改变。焦线56(这里用罗兰圆(Rowland circle)表示，尽管其它实施例也是可以的)也是第二凹反射衍射光栅57的焦线。在指定波长范围内的光，经间隙58传播，穿越第二波导区域59到达第二光栅57。第二光栅57将这些光进一步散射，并且将不同的波长信道沿着焦线56重新聚焦至输出端点61a，61b等处，在此处根据波长，它们被输出波导62a，62b等中的一个捕获。选择输出端点61a，61b等的位置以及第二光栅57的参数(阶数m和坡度Λ)，就可以加大由于波长的改变而使得沿着第二光栅57焦线56的聚焦位置发生的变化，在输出端点61a，61b等处产生平滑的更大的物理色散。因此，来自输入波导51的光在输出端点61a，61b等处成像，并将光提取到具有比单独采用第一光栅54或第二光栅57所得到的散射作用大的装置的输出端。当与只使用光栅中的一个光栅的装置相比时，该装置被期望具有更窄的传输带宽对波长。
参照图9，对图8中增色散双衍射光栅做了较小的修改(例如附加的输入波导63)以提供单纤三向器的功能。来自于激光器64的1310nm的激光从芯片50b的边缘射出进入输入波导63，波导63的末端位于焦线56上，并且沿着第一平板波导区域53传播到第一凹面反射光栅装置54。光栅54以便利的方式，即利用激光器信道的100nm通频带将输入光复用到第一波导51，第一波导51充当输入/输出波导，其末端也落在焦线56上。光沿着芯片的边缘离开第一输入/输出波导51，传输到FTTH网络。1490nm和1550nm的输入光进入第一输入/输出波导51，沿着1310nm激光的相反方向传输。1490nm和1550nm信道的光通过第一平板波导53传到第一凹面反射光栅装置54，在接近焦线56处被分散开。光所需的物理色散被设计得太低以至不足以将检测器信道与第一光栅装置54区分开来。光通过间隙58传输到第二凹面反射光栅57上的第二平板波导区域59，这样的结构设计用于增强散射作用，因此1490nm和1550nm信道的光被充分分散以分别被输出波导62a和62b接收，其末端也是落在焦线56上。带宽20nm到30nm通频带的两个信道从芯片边缘射出进入光电检测器66a和66b。对特定波长带宽(即1260-1360nm的带宽)而言，沿激光器信道的轨道是可逆的。因为1310nm的激光射线在打到第一光栅54之上时立即被截获，该光在散射离开第一光栅54后，射到第二光栅57上得到仅有的1310nm射线。期望的光强为度～30dB，比激光光强要低。1310nm的射线被打到第二光栅57上～30dB的光进一步减弱，正如在波导62a或62b处看到的，因为安置这些波导是用来捕获1490nm和1550nm的射线。因此，才有可能得到来自检测器信道的激光射线～60dB独立光。因此，附加散射结构具有非常高的独立等级。
与减色散双光栅结构类似，从输入/输出波导51或输入波导63发射出的第一波长范围内的光沿着焦线56传播，但停留在第一平板波导区域54，而第二波长范围内的光透过间隙58到达第二光栅57。与减色散结构相反，由输入/输出波导51发射的、包含1310nm信道波长范围的光停留在第一平板状波导区域53，而包含检测器信道1490nm和1550nm波长范围的光穿越间隙58射到第二光栅57上。
如图10所示，检测器信道的传输通频带很狭窄，而激光器信道相当宽。1490nm和1552nm的检测器信道分别经过两个光栅，它们被散射到很窄的带宽内，也就是20nm到30nm的带宽。1310nm射线仅被下列的一个光栅截获，也就是具有100nm以上的带宽，这就改善了激光射线与检测器信道之间的独立等级，在上述情况下可以达到45dB之上的独立等级。对标准光栅而言，独立等级由典型的30dB显著提高，并且只有通过使用双光栅增色散结构才有可能实现。
权利要求
1.一种平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其包含平板波导，其限定通过间隙相连接的第一和第二平板区域；第一和第二面对面凹反射衍射光栅，其位于所述平板波导的各一端；第一波导，其延伸至所述第一平板区域；第二波导，其延伸至所述第一平板区域；第三波导，其延伸至所述第二平板区域；其中所述第一和第二反射光栅和所述第一、第二、第三波导的末端被安置，使得第一波长范围内的波长的光将通过所述第一光栅在所述第一和第二波导之间传输，并且因此第二波长范围内的波长的光将通过所述第一和第二光栅在所述第一和第三波导之间传输，所述第二波长范围的波长高于或者低于所述第一波长范围。
2.根据权利要求1所述的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第一和第二光栅实际上具有同一焦线；并且其中，所述第一和第二波导的末端实际上位于所述间隙一侧上的焦线上，而所述第三波导的末端位于所述间隙另一侧上的焦线上。
3.根据权利要求2所述的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述焦线由罗兰圆限定。
4.根据权利要求1所述的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第二光栅的物理色散与所述第一光栅的物理色散是相反的，因此实际上在所述第二波长范围内的所有光学波长信道将在所述第一和第三波导之间传播。
5.根据权利要求4所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，还包含从所述第一平板区域延伸出的第四波导，其中所述第一波导能够发射包含第一和第二光波长信道的第一光信号，所述第一和第二光波长信道位于所述第一光栅处的所述第一波长范围内；并且其中所述第一光栅能够分散所述第一和第二光波长信道，并能够将所述第一和第二光波长信道分别聚焦到所述第二和第四波导上。
6.根据权利要求5所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第三波导能够发射包含所述第二波长范围内的第三波长信道的第二光信号，所述第二光信号通过所述第一和第二光栅被聚焦到所述第一波导上。
7.根据权利要求6所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，从所述第一和第二衍射光栅两者反射离开的光波长信道通频带比仅从所述第一衍射光栅反射离开的光波长信道通频带宽2到5倍。
8.根据权利要求6所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第一和第二信道的通频带分别大约为20nm到30nm，其中所述第三信道的通频带大约为100nm。
9.根据权利要求8所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第一和第二信道的通频带分别由大致1490nm和大致1550nm的中心波长所限定，其中所述第三信道的通频带由大致1310nm的中心波长所限定。
10.根据权利要求6所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，还包括激光器，其被光学耦合到所述第三波导，用于产生所述第二光信号；以及第一和第二光电检测器，其被光学耦合到所述第二和第四波导，用于将所述第一和第二光波长信道转换成电信号。
11.根据权利要求1所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第二光栅的物理色散增强了由所述第一光栅引起的物理色散，因此在所述第二波长范围内仅仅一个光波长信道将在所述第一和第三波导之间传输。
12.根据权利要求11所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，还包含从所述第二平板区域延伸出的第四波导，其中所述第一波导能够发射包含第一和第二光波长信道的第一光信号，所述第一和第二光波长信道在位于所述第一光栅处的所述第二波长范围内，所述第一光栅与所述第二光栅共同将所述第一和第二光波长信道分散开并将所述第一和第二光波长信道分别聚焦到所述第三和第四波导上。
13.根据权利要求12所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第二波导能够发射包含所述第一波长范围内的第三光波导信道的第二光信号，所述第二光信号通过所述第一光栅被聚焦到所述第一波导上。
14.根据权利要求13所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，仅从所述第一衍射光栅反射离开的光波长信道比从所述第一和第二衍射光栅两者反射离开的光波长信道宽2到5倍。
15.根据权利要求13所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第一和第二信道的通频带分别大约为20nm到30nm，其中，所述第三信道的通频带大约为100nm。
16.根据权利要求15所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第一和第二信道的通频带分别由大致1490nm和大致1550nm的中心波长所限定；其中，所述第三信道的通频带由大致1310nm的中心波长所限定。
17.根据权利要求13所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，还包括激光器，其被光学耦合到所述第二波导，用于产生所述第二光信号；以及第一和第二光电检测器，其被光学耦合到所述第三和第四波导，用于将所述第一和第二光波长信道转换成电信号。
18.根据权利要求12所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，所述第一光信号还包含所述第一波长范围内的第三光波导信道，所述第一光信号通过第一光栅被聚焦到所述第二波导上。
19.根据权利要求1所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，其中，将从所述第二波导发射出的、所述第一波长范围内的光波长信道与从所述第三波导发射出的、所述第二波长范围内的另一波长信道一起复用到所述第一波导上。
20.根据权利要求1所述的的平面光波电路波分复用器/解复用器装置，将所述第一波长范围内的光波长信道与从第一波导发射出的、所述第二波长范围内的另一光波长信道解复用，并将它们分别聚焦到所述第二和第三波导上。
全文摘要
本发明涉及一种平面光波电路，其包含一对相对的、共用同一焦线的凹反射衍射光栅，该焦线将第一和第二平板波导区域分隔开。输入和输出波导的末端被沿着焦线设置，目的是为了发射并接收由衍射光栅的一个或者两个引导的光。本发明使得某一波长范围的光能从输入波导发射出来，通过单个衍射光栅和几个输出波导引导，所有这些都在单个平板波导区域内，而另一波长范围的光将被从不同平板波导区域的输出波导的一个衍射光栅引导到另一个衍射光栅。
文档编号G02B5/18GK1950738SQ200580009498
公开日2007年4月18日 申请日期2005年3月7日 优先权日2004年3月24日
发明者瑟治·比达克, 阿斯霍克·巴拉克里斯南, 马特·皮尔森 申请人:铱诺博伦斯有限公司