专利名称：模式敏感滤光器和光发射器/接收器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光发射器和接收器，以及用于其的模式敏感滤光器(mode sensitive filter)。
背景技术：
公知为单模光纤的光纤广泛用于现有技术中。在广义上，单模光纤是一次仅支持一种传输模式的光纤的总称，更具体地说，单模光纤是支持在1.2μm或更大波长下的单一传输模式的光纤。后者定义的单模光纤一般具有大约10μm的芯部直径(core diameter)。
在现有技术中公知的是例如在试图沿着这种类型的单模光纤传输0.78μm波长的光线时将产生多种传输模式。图4是示出这个过程的解释性视图。在芯部直径Da为10μm的光纤中，波长λa为1.3μm的光线以单模传播，如图4(a)所示。然而，当传输波长λb为0.78μm的光线时，产生多种传输模式，如图4(b)所示。对于波长λb，单独传输模式也可以通过利用芯部直径Db为6μm的光纤来实现。
多重传输模式带来的问题为在不同光路中传播的每种传输模式导致差模时延(DMD)，DMD公知为极大地恶化数据传输速率。于是，当在光纤中产生多重传输模式时，不可能进行高速光通信。
另一方面，发射1.3μm(或1.5μm)波长的用作光发射器/接收器的光源的半导体激光器比波长0.78μm(或0.85μm)的激光器昂贵，这是由于具有较长波长(1.2～1.70μm)的半导体激光器要在磷化铟(InP)衬底上制造，而较短波长(0.6～0.9μm)的半导体激光器在砷化镓(GaAs)衬底上制造。大规模生产短波长半导体激光器，以用于诸如致密盘和DVD的光盘中，由此，减少了与材料和制造设备相关的成本。另一方面，InP半导体激光器在应用于光通信方面具有局限，并因此，需要更昂贵的材料和制造设备。
此外，制造短波长(0.6～0.9μm)的光接收装置已经很廉价，这是由于可以使用硅(Si)或GaAs衬底上的光电二极管。支持较长波长(1.2～1.70μm)的光电二极管制造成本较高，这是由于他们需要使用InP材料。
当前，对于低成本的光发射器/接收器的需求较大，以用于访问网络。由于如上所述的原因，短波光发射器和接收器在减少成本方面更具有优势。然而，已经存在大量的单模光纤(在上述长波长区域具有单一传输模式的光纤)，这就在铺设具有不同芯部直径的新光纤上出现困难。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种短波光发射器/接收器，其能够与在长波长范围内具有单一传输模式的光纤一同使用。
这个和其他的目的将通过根据本发明的光发射器/接收器予以实现，该光发射器/接收器包括在长波长范围(1.2～1.7μm)内具有单一传输模式的光纤或光波导，和模式敏感滤光器，该滤光器连接到在短波长范围(0.6～1.0μm)内具有单一传输模式的光纤或光波导上。通过这种结构，光发射器/接收器可以滤掉沿着长波长范围内具有单一传输模式的光纤传输短波长光线时所产生的高阶模式，于是，有可能利用包括廉价的光发射和光接收装置的短波光发射器/接收器进行宽带传输。本发明的特定特征为其对廉价的GaAs-AlGaAs形成的具有0.75～0.88μm波长的半导体激光器和光通信中使用的具有1.30～1.65μm工作波长的最普遍的单模光纤的选择。通过这种结构，可预期到本发明能够以可能最低的成本应用于广泛的应用中。
图中图1是示出根据本发明第一实施例的光发射器/接收器的大致结构的平面图；图2是示出本发明的光发射器/接收器之间的普通通信过程的解释性视图；图3是示出根据本发明第二实施例的光发射器/接收器的结构的平面图；以及图4是示出根据光纤的芯部直径和光线的波长而产生单一模式传输和多重模式传输的过程的解释性视图。
具体实施例方式
在参照附图的同时，描述根据本发明优选实施例的光发射器/接收器以及模式敏感滤光器。
图1示出根据本发明第一实施例的光发射器/接收器的基本结构。本发明的光发射器/接收器10包括半导体激光器1、光电二极管2、WDM(波分复用)光纤耦合器3、以及模式敏感滤光器4。半导体激光器1采用GaAs衬底上生长的AlGaAs激光器。光电二极管2为光接受元件，其包括Si衬底上生长的Si-PIN光电二极管。模式敏感滤光器4被构造成芯部直径B为6μm的光纤7和芯部直径A为10μm的光纤8在交界处9同轴熔接到一起。波长为0.78μm的光线在模式敏感滤光器4的光纤7端中以单模传播，来自光纤7端的这种短波长与光纤8端的最低阶模式耦合。
虽然波长为0.78μm(或0.85μm)的光线可以在模式敏感滤光器4的光纤8端以多种传输模式传播，在光纤7的芯部中不能存在与光纤8端内最低阶传输模式不同的传输模式，这些其他传输模式的光线被吸收到光纤7的包层中，并被衰减。
根据上述特征，模式敏感滤光器4具有仅激励在现有大芯部直径的光线的传输端上的最低阶模式，消除所有不同于这个最低阶模式的其他模式的效果。由此，在接收端只是接收到最低阶模式。即使在传输端只激励具有宽芯部的光线内的最高阶模式时，光纤中的弯曲等也可以将最低阶模式转变为最高阶模式，导致如上所述的差模时延。然而，模式敏感滤光器在接收端消除了这种高阶模式。
虽然可以构想到只在接收端上提供一个模式敏感滤光器，在传输过程中产生多种高阶模式时，高阶模式有可能转变成最低阶模式。在这种情况下，不可能预测到在传输路径何处发生模式转变。结果，在所接收到的光线的最低阶模式中发生大致与差模时延相同的现象，导致带宽局限。于是，理想的是在传输端和接收端二者都提供一个模式敏感滤光器4。图1所示的第一实施例的光发射器/接收器10满足这些条件。
图1中的半导体激光器1采用从0.78μm到0.85μm的波长。来自具有0.78μm波长的半导体激光器1的光线例如经由WDM光纤耦合器3和模式敏感滤光器4传输，并通过传输口6输出。类似地，例如来自外部光源的波长为0.85μm的光信号经由模式敏感滤光器4和WDM光纤耦合器3传输到光电二极管2。
与这个光发射器/接收器配套的是另外的光发射器/接收器，其具有产生0.85μm波长的半导体激光器1。来自具有0.85μm波长的这个半导体激光器1的光线经由WDM光纤耦合器3和模式敏感滤光器4传输，并通过传输口6输出。另一方面，例如来自外部光源的波长为0.78μm的光信号经由模式敏感滤光器4和WDM光纤耦合器3传输到光电二极管2。
图2示出本发明的光发射器/接收器之间的大致通信过程。第一光发射器/接收器10a发射波长为0.78μm的光线，而第二光发射器/接收器10b发射波长为0.85μm的光线，在此，在单独一根光纤中通过以一种波长在一个方向上发射信号，而在相反方向上以另一种波长发射信号进行双向传输。
虽然本实施例描述了用于进行单根光线双向传输的光发射器/接收器，显而易见的是本发明也可以应用于将不同的光纤用作发送路线和接收路线的光发射器/接收器中。本实施例也可以采用将波长从一个方向改变到另一个方向的方法。然而，本发明也可以应用于对两个方向利用相同波长进行单根纤维双向传输的方法中。在这种情况下，普通的光纤耦合器可以替代图1中的WDM光纤耦合器3。
AAAA此外，虽然作用为本实施例的光源的半导体激光器1为GaAs衬底上生长并具有0.75～0.88μm波长的AlGaAs激光器，也有可能利用GaAs衬底上生长并具有0.63～0.68μm波长的AlGaInP激光器或GaAs衬底上形成并具有0.9～1.0μm波长的AlGaAs-GaInAs形变量子阱激光器。也有可能采用与上述相同材料的发光二极管以取代半导体激光器。在GaAs衬底上生长的发光元件可以以低于InP衬底上生长的发光元件的成本制造。在这些装置中，AlGaAs激光器(波长为0.75～0.88μm)尤其节省成本。于是，特别理想的是将模式敏感滤光器4的特性设计为适应这个波长范围。
此外，Si-Pin二极管用作本实施例中的光电二极管2，但是也可以使用高度敏感的Si-APD(雪崩光电二极管)。Si衬底上生长的光电二极管可以以低于InP衬底上形成的光接收装置的成本制造。然而，这种光电二极管只对探测短于1.0μm的波长具有足够的灵敏度。GaAs光电二极管也可以取代Si光电二极管使用。GaAs光电二极管比InP光电二极管廉价，并且可以进行比Si光电二极管更快的操作。GaAs光电二极管具有以2.5Gbps或10Gbps的速度进行工作的优点，而Si光电二极管难于以2.5Gbps或更快的速度工作。
由于大多数现存的单模光纤设计成用在1.3～1.65μm范围内，尤其理想的是将模式敏感滤光器4制造成具有适于这个波长范围的特性。
图3是根据本发明第二实施例的光发射器/接收器的结构的平面图。本实施例的光发射器/接收器由WDM耦合器14构成，该耦合器14设置在平面光波导衬底11上。模式敏感滤光器13形成在平面光波导衬底11和光纤12的接合处。半导体激光器1和光电二极管2与图1所示的第一实施例中的相同。
本实施例的模式敏感滤光器13被构造成形成在平面光波导衬底11上的波导15具有较小的横截面积，以便在短波长端产生单一模式。由于光纤12为普通的单模光纤(具有长波长单一传输模式的光纤)，短波长时，在光纤12中存在多种传输模式，如上所述，模式敏感滤光器可以通过接合波导15和光纤12予以构造。
在本实施例中，模式敏感滤光器通过将短波长端的单模平面光波导与长波长端的单模光纤结合而构成，相反，模式敏感滤光器可以通过将短波长端的单模光纤与长波长端的单模平面光波导结合而构成。此外，有可能通过接合短波长端和长波长端二者上的单模平面光波导来构造模式敏感滤光器。
在上面的描述中，改进了光纤的芯部直径或光波导的横截面积，以改变具有单一传输模式的波段。然而，也可以通过改变芯部和包层之间的折射率来改变波长。
根据本发明的光发射器/接收器及其模式敏感滤光器可以通过利用低成本的短波长光发射器和现有的长波长单模光纤实现宽带信号传输，而不会出现差模时延的问题。
权利要求
1.一种模式敏感滤光器，包括在第一波长下具有单一传输模式的第一光纤和连接到第一光纤上的第二光纤，第二光纤在第一波长下产生多种传输模式，并在长于第一波长的第二波长下具有单一传输模式。
2.一种模式敏感滤光器，包括在从0.60μm到1.0μm波长下具有单一传输模式的第一光纤，和在从1.20μm到1.70μm波长下具有单一传输模式的第二光纤。
3.如权利要求2所述的模式敏感滤光器，其特征在于，第一光纤尤其是在从0.75μm到0.88μm波长下具有单一传输模式，而第二光纤尤其在从1.30μm到1.65μm波长下具有单一传输模式。
4.一种模式敏感滤光器，包括在第一波长下具有单一传输模式的光波导，和连接到光波导上的光纤，光纤在第一波长下产生多种传输模式，并且在长于第一波长的第二波长下具有单一传输模式。
5.一种模式敏感滤光器，包括在从0.60μm到1.0μm波长下具有单一传输模式的光波导，和在从1.20μm到1.70μm波长下具有单一传输模式的光纤。
6.如权利要求5所述的模式敏感滤光器，其特征在于，光波导尤其是在从0.75μm到0.88μm波长下具有单一传输模式，而光纤尤其在从1.30μm到1.65μm波长下具有单一传输模式。
7.一种模式敏感滤光器，包括在第一波长下具有单一传输模式的光纤和连接到光纤上的光波导，光波导在第一波长下产生多种传输模式，并且在长于第一波长的第二波长下具有单一传输模式。
8.一种模式敏感滤光器，包括在从0.60μm到1.0μm波长下具有单一传输模式的光纤，和在从1.20μm到1.70μm波长下具有单一传输模式的光波导。
9.如权利要求8所述的模式敏感滤光器，其特征在于，光纤尤其是在从0.75μm到0.88μm波长下具有单一传输模式，而光波导尤其在从1.30μm到1.65μm波长下具有单一传输模式。
10.一种模式敏感滤光器，包括在第一波长下具有单一传输模式的第一光波导和连接到第一光波导上的第二光波导，第二光波导在第一波长下产生多种传输模式，并且在长于第一波长的第二波长下具有单一传输模式。
11.一种模式敏感滤光器，包括在从0.60μm到0.9μm波长下具有单一传输模式的第一光波导，和在从1.20μm到1.70μm波长下具有单一传输模式的第二光波导。
12.如权利要求11所述的模式敏感滤光器，其特征在于，第一光波导尤其是在从0.75μm到0.88μm波长下具有单一传输模式，而第二光波导尤其在从1.30μm到1.65μm波长下具有单一传输模式。
13.一种光发射器/接收器，包括光源、光接收元件、和如权利要求1到12中任一项所述的模式敏感滤光器。
14.如权利要求13所述的光发射器/接收器，其特征在于，光源是形成在砷化镓(GaAs)衬底上的半导体装置。
15.如权利要求13所述的光发射器/接收器，其特征在于，光接收元件为形成在硅(Si)衬底上的半导体装置。
16.如权利要求13所述的光发射器/接收器，其特征在于，光接收元件为形成在砷化镓(GaAs)衬底上的半导体装置。
全文摘要
本发明公开了一种设置有模式敏感滤光器的光发射器/接收器，该模式敏感滤光器由接合在长波长(1.2～1.7μm)下具有单一传输模式的光纤或光波导和在短波长(0.6～1.0μm)下具有单一传输模式的光纤或光波导而构成，通过这种结构，光发射器/接收器可以滤掉短波长光线沿着在长波长范围内具有单一传输模式的光纤传输时所产生高阶模式，于是，有可能利用廉价的、短波长光发射器/接收器进行宽带传输。
文档编号G02B6/00GK1396724SQ0214129
公开日2003年2月12日 申请日期2002年7月5日 优先权日2001年7月6日
发明者太田猛史 申请人:光技术统合网株式会社