复合光合波器的制造方法

复合光合波器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及复合光合波器。用于合并多个光信号的复合光合波器包括一组合波器。这组合波器包括至少一个偏振合波器，该偏振合波器光学地连接到至少一个非偏振合波器。非偏振合波器合并第一组输入信号并同时保持在第一组信号中的各个输入信号的偏振。偏振合波器合并第二组输入信号并同时变换在第二组信号中的至少一个输入信号的偏振。
【专利说明】复合光合波器

【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及光合波器，并且更特别是涉及用于合并多个光信号的复合光合波 器。

【背景技术】
[0002] 在光通信系统中，例如用于小于40公里距离的40G比特每秒（b/s)或100Gb/s的 以太网，要求数据传输速率和带宽为非常高，而期望收发器的尺寸和成本为非常低。为减少 成本，在很多情况下，不同波长的多个光信号被合并入单个光纤中。通过合并几个信号，光 通信的容量被增大。
[0003] 存在两种光合波器，即功率合波器和波长合波器。基于多模干涉（MMI)的耦合器 一般被用作用于合并不同波长的多个光信号的功率合波器。在MMI耦合器的输入侧，使用 多个波导端口来导引多个输入信号。在输出侧，对于输出信号使用单个端口，而所有输入信 号被合并入此输出信号。然而，对于各个输入信号，仅有功率的一部分存在于输出信号中。
[0004] 例如，4xmMI耦合器能够合并四个光信号，但对于各个信号有至少6分贝（dB) 的功率损耗。此类装置的例子由如下文献描述：Besse等的"Optical bandwidth and fabrication tolerance of multimode interference couplers (多模干涉奉禹合器的光带 宽和制造公差），"IEEE J. Lightwave Technol. (IEEE 光学学报），vol. 12, no. 6, ρρ· 1004-1 009, Junel994。
[0005] 波长合波器的例子包括阵列波导光栅、以及基于环谐振器的滤波器。波长合波器 通常为窄带的，能够导致信号失真。波长合波器理论上产生小的功率损耗，但实际上损耗会 大得多。精确控制波长合波器的尺寸是很难的而且合波器的尺寸的小的误差能够导致大的 插入损耗。插入损耗是在光纤中插入合波器导致的信号功率的损耗，且通常以dB为单位。 这样的装置的例子在美国专利6, 195, 482中描述。
[0006] 因此，存在对于使输入信号的功率的插入损耗最小化的光合波器的需要。


【发明内容】

[0007] 本发明的一些实施例的目的在于，提供用于在合并光信号的同时使插入损耗最小 化的系统。本发明的一些实施例的另一个目的在于，提供具有大带宽且易于制造的光合波 器。
[0008] 本发明的一些实施例利用了光纤数据通信的两个基本特性。首先，各个波长的输 入信号具有相同的偏振模式，例如横电（TE)模式。其次，在由于输入信号的合并而产生的 输出信号中，在构成输出信号的各个波长之间的相对偏振不需要是相同的。
[0009] 本发明的一些实施例基于如下理解：偏振合波器能够以合并的光信号的功率的最 小损耗来合并特定偏振的光信号。此外，非偏振合波器能够将光信号合并为适于偏振合波 器的信号。因此，包括至少一个偏振合波器和至少一个非偏振合波器的复合光合波器能够 合并多个光信号，例如四个光信号，同时使被合波信号的功率最优化。
[0010] 这样的理解和认识使得能够使用偏振合波器来设计复合光合波器。有利的是，当 与仅用功率合波器比较时，偏振合波器消除了固有的损耗。此外，偏振合波器与波长合波器 相比时，减少了波长特征的要求并且使波长间隔加倍。
[0011] 因此，一个实施例公开了包括一组合波器的、用于合并多个光信号的复合光合波 器。该组合波器包括至少一个偏振合波器，该偏振合波器光学地连接到至少一个非偏振合 波器。非偏振合波器合并第一组输入信号而同时保持在第一组信号中的各个输入信号的偏 振。偏振合波器合并第二组输入信号而同时变换在第二组信号中的至少一个输入信号的偏 振。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1A是根据本发明的一些实施例的复合光合波器的示意图。
[0013] 图1B和1C是根据本发明的一些实施例的图1A的复合光合波器的变形的示意图。
[0014] 图2A是根据本发明的一些实施例的用于合并四个输入的光信号的方法的框图。
[0015] 图2B和2C是根据本发明的一些实施例的图2A的方法的变形。
[0016] 图3是根据一个实施例的偏振合波器的例子。
[0017] 图4是根据一个实施例的偏振合波器的例子。
[0018] 图5是根据一个实施例的偏振合波器的例子。
[0019] 图6是根据一些实施例的复合光合波器的例子。
[0020] 图7是根据本发明的一个实施例的空间模式变换器的例子。
[0021] 图8A和8B是在图7的空间模式变换器中的信号的传播的仿真的图示；以及
[0022] 图9A和9B是使用图7的空间模式变换器的复合光合波器的波束传播的图示。

【具体实施方式】
[0023] 本发明的一些实施例提供使插入损耗最小化并且使带宽最大化的用于多个光信 号的光合波器。一些实施例利用了以光学方式对数据进行通信时通常不使用偏振复用的事 实。换句话说，各个光信号具有单一的偏振。类似地，例如激光等光源在例如横电（TE)模 式中以相同偏振振荡。此外，在单模光纤中的光信号能够是任意偏振。对于在光信号之间 的相对偏振没有要求。
[0024] 这样的理解和认识使得能够设计同时使用偏振和非偏振合波器的复合光合波器。 有利的是，当与仅用功率合波器比较时，偏振合波器消除了固有的损耗。此外，与波长合波 器相比时，偏振合波器减少了波长特征的要求并且使波长间隔加倍。
[0025] 图1A示出根据本发明的一些实施例的复合光合波器110。复合光合波器能够被用 于合并光信号，同时使光信号的功率损耗最小化。
[0026] 对于复合光合波器110,输入信号130包括多个光信号，而输出信号140包括具有 多个不同偏振的光分量的单个光信号。输入和/或输出信号的偏振可以包括基本横磁（TM) 模式和基本横电（TE)模式。
[0027] 合波器110由一组120包括至少一个偏振合波器160和至少一个非偏振合波器 150的光合波器构成。如本文所用，非偏振合波器合并例如第一组的输入信号的多个输入信 号，同时保持在第一组中的各个输入信号的偏振。偏振合波器合并例如第二组的输入信号 的多个输入信号，同时变换在第二组中的至少一个输入信号的偏振。
[0028] 非偏振合波器的例子包括功率合波器和波长合波器。典型的偏振合波器可包括空 间模式变换器和/或偏振变换器。
[0029] 本发明的一些实施例基于如下理解：偏振合波器能够以被合并的光信号的功率的 最小损耗来合并特定偏振的光信号。因此，包括至少一个偏振合波器和至少一个非偏振合 波器的复合光合波器能够合并例如4个的多个光信号，同时使被合波信号的功率最优化。
[0030] 图1B示出根据本发明的一些实施例的复合光合波器110的变形。在此实施例中， 偏振合波器160被实现为光学地连接到合波器162的偏振变换器155。在此实施例中，偏振 变换器155变换至少一个光信号的偏振，而合波器162合并由偏振变换器155和非偏振合 波器150输出的不同偏振的多个光信号。
[0031] 图1C不出复合光合波器110的另一变形，其中偏振合波器161是复合的，并且具 有偏振变换器和合波器的组合的功能。在图1B和1C的实施例的变形中，一组合波器包括 连接到偏振合波器的两个非偏振合波器，从而这两个非偏振合波器的输出信号就是对于偏 振合波器的输入信号。
[0032] 图2A示出使用根据本发明的一个实施例的复合变换器110来合并包括第一信号 210、第二信号212、第三信号214以及第四信号216这四个输入光信号的框图。这些光信号 是向复合变换器110的输入，复合变换器110包括第一非偏振合波器240和第二非偏振合 波器241这两个非偏振合波器。复合变换器还包括偏振变换器255和合波器250。附加地 或替代地，偏振变换器255和合波器250能够被实现为复合偏振合波器253。
[0033] 非偏振合波器240-241合并多个光信号，同时保持光信号的分量的偏振，以输出 多个合并的光信号。具体而言，第一非偏振合波器240合并第一信号和第二信号来形成第 一合波信号245,而第二非偏振合波器241合并第三信号和第四信号来形成第二合波信号 247。偏振变换器255变换第二合波信号247的偏振。偏振合波器250将第一合波信号和 第二合波信号合并为单一光信号140。光信号140能够包括基本横磁（TM)模式下的第一分 量270和基本横电（TE)模式下的第二分量260。
[0034] 图2B示出根据一个实施例的图2A的复合光合波器的变形。四个输入信号，即信 号以及TE 4234是TE模式下的输入信号。非偏振合波器由两个功率 合波器280和285构成。功率合波器280将信号231和232合并以形成包含TE模式下的 两个分量的信号283。类似地，功率合波器285将信号233和234合并以形成也包含TE模 式下的两个分量的信号287。偏振变换器288将例如TE模式下的两个分量的、合并的TE信 号287的偏振变换为例如TM模式下的两个分量的TM信号289。偏振合波器290对信号进 行合并，以使信号283的偏振被保持来形成输出信号140的TE模式分量，例如TE模式下的 两个分量。TM信号289的偏振未被改变，形成输出信号140的TM模式分量，例如TM模式下 的两个分量。合波器的其它变形是可能的。
[0035] 图2C示出根据另一个实施例的图2A的复合光合波器的变形。四个输入信号是 TE模式下的输入信号，即信号ΤΕ431、TE2232、TE3233以及TE4234。这里，第一输入信号 在TE模式下，具有第一波长λ i，第二输入信号在TE模式下，具有第二波长λ 2，第三输入 信号在ΤΕ模式下，具有第三波长λ 3，第四输入信号在ΤΕ模式下，具有第四波长λ 4，使得 λ Ρ λ 3> λ 2> λ 4。非偏振合波器由两个波长合波器281和282构成。
[0036] 波长合波器281合并信号231和232以构成包含两个TE模式分量的信号283。类 似地，波长合波器282合并信号233和234以构成也包含两个TE模式分量的信号287。因 为λ 1和λ 2之间的波长间隔通常比λ 1和λ 3之间的大两倍，所以，对于波长合波器281 的要求降低，可以接受更小的尺寸和/或更大的制造公差。偏振变换器288将合并的ΤΕ信 号287的偏振变换为ΤΜ信号289。偏振合波器290合并信号以使信号283的偏振保持不 变并为了输出信号140的ΤΕ模式分量。ΤΜ信号287的偏振未被改变，以形成输出信号140 的ΤΜ模式分量。合波器的其他变形是可能的。
[0037] 复合合波器能够被实现为具有基板、芯和包层的外延生长结构。例如，在一个实施 例中，复合变换器是磷化铟（InP) /铟镓砷磷（InGaAsP)结构，其包括InP基板、具有对InP 例如60%晶格匹配的As组合物的InGaAsP芯层和InP包层。在另一实施例中，复合变换器 是砷化镓（GaAs)/砷化铝镓（AlGaAs)。其它变形也是可能的并且在本发明的实施例的范围 内。
[0038] 复合偏振变换器/合波器
[0039] 本发明的一些实施例使用例如变换器/合波器161的偏振合波器，其具有偏振变 换器和合波器的组合功能。在一些实施例中，偏振合波器使用空间模式变换器及其后跟随 的偏振变换器来实现。
[0040] 空间模式变换器变换光信号的分量的至少模式的阶。例如，空间模式变换器能够 将一阶模式的光信号变换为二阶模式。空间模式变换器能够包括但并不局限于非对称Y形 耦合器、非对称定向耦合器、以及基于多模干涉（MMI)的空间模式变换器。
[0041] 在一些实施例中，空间模式变换器将第一信号维持于基本TE模式，同时将一阶TE 模式的第二信号变换为二阶TE模式，并且将两个信号合并入相同的输出端口。在这些实施 例中，空间模式变换器也是合波器。
[0042] 在一些实施例中，偏振变换器是这样一种偏振变换器：二阶TE模式被变换为一阶 TM模式，而同时一阶TE模式保持该模式。
[0043] 图3示出偏振合波器300的例子。在此实施例中，通过上Y分支311传播的第一 光信号313和通过下Y分支312传播的第二光信号314这两者都在基本T&模式中。空间 模式变换器310,例如Y耦合器，将第一信号的T&模式变换为TEi模式而不改变第二信号。 偏振变换器320将第一信号的TEi模式变换为模式而不改变第二信号。由此，在合波器 300的输出侧，第一信号的基本ΤΕ模式被变换为基本ΤΜ模式，而第二分量的基本ΤΕ模式的 偏振被保持。此外，基本模式ΤΕ和ΤΜ被合并并且同时传播。
[0044] 在合波器300中，二阶模式TEi在线325处的设备的输出端口处可能没有完全地变 换为TM。模式。为了进一步提高变换效率，能够引入其它变换器，例如两级锥形（bi-level taper)。
[0045] 图4示出包括两级锥形330的复合偏振合波器的另一个例子。在此实施例中，在 上Y分支的第一信号和在下Y分支的第二信号这两者都具有基本TE模式。空间模式变换 器310,例如Y耦合器，将第一信号的T&模式变换为TEi模式而不改变第二信号。偏振变 换器320将第一信号的TEi模式变换为TM。模式而不改变第二信号。
[0046] 在此实施例中，偏振变换器是两个部件，即宽度锥形（width taper) 320和两级锥 形330的组合。在设备400的输出处，第一信号的基本TE模式被变换为基本TM模式而第 二信号的基本TE模式的偏振被保持。基本模式TE和TM被合并并且一起传播。
[0047] 在图4中所示的实施例中，二阶模式TEi分量仍然可能存在于在线335处的设备的 输出端口处。例如，如果信号的二阶TEi模式与ΤΕ0和TM。模式两者一起传播，结果能够导 致低消光比和偏振合波器的性能欠佳。为了改进性能，在信号被输出前，需要除去较高阶的 模式。为此，本发明的一些实施例包括除去模式的高阶模式滤波器，且仅有两种基本T&和 TM。模式被通过。
[0048] 图5示出复合偏振合波器500的另一个例子。在此实施例中，在上Y分支的第一 信号和在下Y分支的第二信号这两者都具有基本TE偏振。空间模式变换器310,例如Y耦 合器，将第一信号的TE。模式变换为TE 1模式而不改变第二信号。偏振变换器320将第一信 号的TEi模式变换为式而不改变第二信号。在此实施例中，偏振变换器是例如宽度锥 形320和两级锥形330这两个部件的组合。此外，高阶模式滤波器340除去高阶模式，特别 是TEi模式。在模式滤波器340中，波导宽度在100um长的范围上从例如2um到1.2um线 性地减小。在设备500的输出处，第一分量的基本TE模式被变换为基本TM模式而第二分 量的基本TE模式的偏振被保持。基本模式TE和TM被合并并且同时传播。
[0049] 图6示出包括四个输入端口 610、两个功率合波器620以及复合偏振变换器/合波 器630的复合光合波器的例子。
[0050] 图7示出根据本发明的一个实施例的空间模式变换器700。空间模式变换器700 能够与例如变换器320的偏振变换器组合以形成复合偏振合波器。变换器700是多模干涉 (MMI)设备，具有在第一部分710和第二部分715之间的倾斜接合处740。基于MMI的变换 器700包括一个输出端口 750和两个输入端口。第一输入端口 720偏离中心，而第二输入 端口处于部分710 -侧的中心，即第二输入端口的轴731与第一部分的轴711对准。TE(I模 式下的第一信号是向第一端口 720的输入。TEQ模式下的第二信号是向第二端口 730的输 入。变换器700将第一信号从T&变换为TEi，同时保持第二信号的ΤΕ0模式。
[0051] 图8A和8B示出在空间模式变换器700中信号的传播的仿真。图8A示出进入上 (偏离中心)端口 720的第一信号。图8B示出进入下中心端口的第二信号。倾斜接合处740 是这样的位置：到上端口的输入信号有宽的分离742,而到下（中心)端口的输入信号有节点 741。这样，到上端口的输入信号具有适当的相移，并被变换为二阶TE模式751，而第二输入 信号的输出信号752的模式被保持。
[0052] 图9A和9B示出使用空间模式变换器700的复合偏振变换器/合波器的仿真的波 束传播。图9A示出通过上(偏离中心)端口 720传播的TE模式下的第一输入信号910的变 换。图9B示出通过下（中心)端口 730传播的TE模式下的第二输入信号920的变换。第一 信号被变换为输出信号的TM模式分量930,而第二信号形成输出信号的TE模式分量。
【权利要求】
1. 一种用于合并多个光信号的复合光合波器，包括： 一组合波器，其中所述一组合波器包括至少一个偏振合波器，该偏振合波器光学地连 接到至少一个非偏振合波器，其中所述非偏振合波器合并第一组输入信号并同时保持在第 一组信号中的各个输入信号的偏振，并且其中所述偏振合波器合并第二组输入信号并同时 变换在第二组信号中的至少一个输入信号的偏振。
2. 根据权利要求1所述的复合光合波器，其中所述偏振合波器包括用于变换光信号的 偏振的偏振变换器和用于合并不同偏振的多个光信号的合波器。
3. 根据权利要求1所述的复合光合波器，其中所述一组合波器包括连接到所述偏振合 波器的两个非偏振合波器，使得所述两个非偏振合波器的输出信号是对于所述偏振合波器 的输入信号。
4. 根据权利要求1所述的复合光合波器，其中所述非偏振合波器包括： 第一非偏振合波器，用于将第一输入信号和第二输入信号合并为第一合波信号；以及 第二非偏振合波器，用于将第三输入信号和第四输入信号合并为第二合波信号，并且 其中所述偏振合波器包括： 偏振变换器，用于变换所述第二合波信号的偏振；以及 合波器，用于合并所述第一输入信号和所述第二合波信号以产生具有在基本横磁（TM) 模式下的第一分量和在基本横电（TE)模式下的第二分量的输出信号。
5. 根据权利要求4所述的复合光合波器，其中所述第一输入信号、所述第二输入信号、 所述第三输入信号以及所述第四输入信号在所述TE模式下，所述第一非偏振合波器和所 述第二非偏振合波器是功率合波器，所述第一合波信号和第二合波信号各自包含所述TE 模式下的两个分量，所述偏振变换器变换所述TM模式下的所述第二合波信号的两个分量 的偏振，使得所述合波器将所述第一合波信号的所述TE模式下的两个分量与所述第二合 波信号的所述TM模式下的两个分量进行合并，以产生具有所述TE模式下的两个分量和所 述TM模式下的两个分量的输出信号。
6. 根据权利要求4所述的复合光合波器，其中所述第一输入信号在所述TE模式下，并 具有第一波长，所述第二输入信号在所述TE模式下，并具有第二波长λ 2，所述第三输入 信号在所述ΤΕ模式下，并具有第三波长λ 3，所述第四输入信号在所述ΤΕ模式下，并具有第 四波长λ 4，使得λ ρ λ 3> λ 2> λ 4，且其中所述第一和第二非偏振合波器是波长合波器，并且 所述第一合波信号和所述第二合波信号各自包含所述ΤΕ模式下的两个分量，并且所述偏 振变换器变换ΤΜ模式下所述第二合波信号的所述两个分量的偏振，使得所述合波器将所 述第一合波信号的所述ΤΕ模式下的两个分量与所述第二合波信号的所述ΤΜ模式下的两个 分量进行合并，以产生具有所述ΤΕ模式下的两个分量和所述ΤΜ模式下的两个分量的所述 输出信号。
7. 根据权利要求1所述的复合光合波器，其中所述偏振合波器包括空间模式变换器和 偏振变换器。
8. 根据权利要求7所述的复合光合波器，其中到所述偏振合波器的输入包括基本横电 (TEJ模式下的第一光信号、和所述Τ&模式下的第二光信号，其中所述空间模式变换器将 所述第一光信号的所述Τ&模式变换为一阶横电（ΤΕΡ模式而不改变所述第二光信号，并且 其中所述偏振变换器将所述第一信号的模式从所述TEi模式变换为基本横磁（TMJ模式。
9. 根据权利要求7所述的复合光合波器，其中所述偏振变换器包括具有比输出侧更宽 的输入侧的锥形。
10. 根据权利要求7所述的复合光合波器，其中所述偏振变换器包括两级锥形。
11. 根据权利要求7所述的复合光合波器，其中所述偏振变换器包括具有比输出侧更 宽的输入侧的锥形、以及两级锥形。
12. 根据权利要求7所述的复合光合波器，其中所述空间模式变换器包括非对称Y形耦 合器。
13. 根据权利要求7所述的复合光合波器，其中所述空间模式变换器包括非对称定向 奉禹合器。
14. 根据权利要求7所述的复合光合波器，其中所述空间模式变换器包括： 多模干涉（MMI)结构，包括通过倾斜接合处连接到第二部分的第一部分； 至少两个输入端口，包括布置于所述丽I结构的偏离中心的第一端口和布置于所述 MMI结构的中心的第二端口，使得通过所述第一端口传播的第一信号在所述倾斜接合处具 有宽的分离，并且通过所述第二端口传播的第二信号在所述倾斜接合处具有节点；以及 至少一个输出端口。
【文档编号】G02B6/27GK104122621SQ201410161381
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2013年4月23日
【发明者】小岛启介, 王炳南, 秋浓俊昭, 西川智志, 柳生荣治 申请人:三菱电机株式会社