专利名称：波长选择器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光学领域，特别涉及一种波长选择器，适用于做光通信无源/有源器件。
背景技术：
大容量高速光通信网络，需要各种高性能光无源器件，特别是阵列化的具有高波长选择性的光无源器件，如波分复用/解复用器(WDMUX/WMUX，Wavelength demutipler/wavelength mutiplexer)、波长选择开关(WSS，Wavelength-selective switches)、波长选择路由(WSR，wavelength-selective routing)、波长选择耦合器(WSC，Wavelength-selective coupler)、波长分插复用器(WADM，Wavelengthadd/drop mutiplexer)等，同时还要求这些器件尺寸小、插入损耗低、信道隔离度及与光纤的兼容性好等。现有器件还不能充分满足这些要求。例如方向耦合器(Directional Coupler)和波导形Mach-Zehnder干涉器，波长分辨率低，主要用于双波长或间隔较大的多波长应用领域。再如光纤布喇格光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)，它通过沿光纤轴向对其折射率进行周期性调制，产生布喇格反射，是一种窄带陷波滤波器或窄带反射器，波长分辨率高，但它是一种独立元件，难以阵列化。采用类似原理的分布式布喇格反射器(Distributed Braggreflector，DBR)，虽然可采用光集成技术制作，而且同样具有很高的波长选择性，但由于反射后的光波沿原传播方向反向传播，这样应用起来很不方便，主要用于制作DBR半导体激光器。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供两种可以用于实现波分复用/解复用、光开关、光路由等各种功能的波长选择器(WS，Wavelength selector)，该波长选择器波长分辨率高，尺寸小，插入损耗低，可以采用光集成技术批量制造，解决从输入光波导中提取任一波长而不显著影响其他波长的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供的第一种波长选择器，它包括输入光波导，过渡光波导和输出光波导，在输入光波导和过渡光波导之间有一个耦合区，在该耦合区内，输入光波导和过渡光波导相隔很近地平行排列；在输入光波导和过渡光波导的耦合区内，过渡光波导有一段为周期性波导，且过渡光波导与输出光波导在耦合区的起始端外侧直接相连。
本发明的技术方案同时提供的第二种波长选择器，它包括输入光波导，过渡光波导和输出光波导，在输入光波导和过渡光波导之间有一个耦合区，在该耦合区内，输入光波导和过渡光波导相隔很近地平行排列；在耦合区结束端的外侧，过渡光波导通过一个Y型结与输出光波导相连，且在Y型结的与过渡光波导相对的那一侧，输出光波导有一段为周期性波导。
所述的第一种，通过调整过渡光波导中的周期性波导的周期长短调整输出光波的波长大小，通过调整周期性波导的分布长度和/或微扰变化强弱和/或在耦合区内，输入光波导和过渡光波导的间隔、长度、折射率与尺寸分布来调整输出光波的光强大小。
所述的第二种波长选择器，通过调整输出光波导中的周期性波导的周期长短调整输出光波的波长大小，通过调整周期性波导的分布长度和/或微扰变化强弱和/或在耦合区内，输入光波导和过渡光波导的间隔、长度、折射率与尺寸分布来调整输出光波的光强大小。
所述的第一种波长选择器，过渡光波导中的周期性波导由分段式光波导构成，或通过光波导的折射率或/和厚度或/和宽度尺寸做周期性微扰变化来实现。
所述的第二种波长选择器，输出光波导中的周期性波导由分段式光波导构成，或通过光波导的折射率或/和厚度或/和宽度尺寸做周期性微扰变化来实现。
所述的第一种波长选择器，在输入光波导和过渡光波导的耦合区结束端的外侧，输入光波导与过渡光波导分别经过一段距离后通过一个Y型结相连，在它们相连前所分别经过的距离，应尽量使得从输入光波导的输入端输入的光波，在经过不同路径最后汇合在一起时的光程尽可能相等或近似为波长的整数倍。
所述的第二种波长选择器，在输入光波导和过渡光波导的耦合区结束端的外侧，输入光波导与输出光波导分别经过一段距离后通过一个Y型结相连，在它们相连前所分别经过的距离，应尽量使得从输入光波导的输入端输入的光波，在经过不同路径最后汇合在一起时的光程尽可能相等或近似为波长的整数倍。
所述的第一种和第二种波长选择器，通过外应力、热形变和压电陶瓷的电致伸缩调节波长选择器中光波导的几何尺寸与相对位置，和/或通过电光效应、磁光效应、声光效应和半导体材料的等离子体色散效应改变光波导的折射率。
所述的第一种和第二种波长选择器，输入光波导、过渡光波导和输出光波导处于同一光波导层平面或分别处于两个不同的光波导层平面。
本说明书中所用术语说明(1)、分段式光波导由多段光波导串接组成的光波导，每段光波导之间有一个很小的间隙，而且每段光波导的中心一般互相对准。由于每段光波导之间的间隙很小，尽管在间隙处会发生光的反射和散射，形成一定程度的微扰，但光波仍然沿光波导向前传播。
本发明的基本原理是综合利用方向耦合器的光波场耦合原理和布喇格反射滤波原理来构造一个新的器件，实现高分辨波长选择，即利用类似方向耦合器的耦合原理把光波从输入光波导中取出来，再利用布喇格反射滤波原理对所取出的波长进行严格筛选、分离，为了避免对其他波长光波造成严重影响，必要时还可把经过布喇格反射滤波筛选后剩下的光波再送回输入光波导。为了方便讲述按照上述原理构造的波长选择器的工作原理，下面分别简单回顾一下方向耦合器和布喇格反射滤波器的工作原理。
在方向耦合器中，当输入光波导和输出光波导在一段耦合区内相隔很近地平行排列时，输入光波导中的光波会逐步向输出光波导转移，假设输入光波导中的光波矢振幅为A1(z)，输出光波导中的光波矢振幅为A2(z)，z为从耦合区的起始处开始(z＝0)光波在光波导中传播的距离，则根据微扰理论可用如下方程组描述A1(z)和A2(z)之间的耦合 式中，K12和K21是输入光波导和输出光波导之间的耦合系数，Δ＝β1-β2，β1和β2分别为输入光波导和输出光波导中光波的传播常数。对某一波长的光波，如果它正好满足相位匹配条件，即β1＝β2，或Δ＝0，由(1)和(2)可以解出A2(z)＝K21/K212Sin(|K21|z)(3)由(3)式可以看出输出光波导中的光场随距离z呈正弦周期性变化。当z＝π/2|K21|＝Lc时，输出光波导中的光强I＝|A2(z)|2达到最大，这就是一个常规方向耦合器的工作原理，长度Lc即为该方向耦合器的耦合长度。但是由于对近似满足相位匹配条件的光波，β1≈β2，输出光波导中A2(z)也有较大值，因此常规方向耦合器的波长分辨率并不高。
在布喇格反射滤波器中，光波导的折射率或结构尺寸沿光波导的长度方向z做微扰周期变化，假设其折射率微扰Δn2(x，z)的变化周期为Λ，可将周期函数Δn2(x，z)展开成傅立叶级数，Δn2(x,z)=Δn2(x)Σ-∞∞amExp[im2πΛz]------(4)]]>对某一波长的光波，记光波导中正向和反向传播光波的传播常数分别为β+和β-，如果它们正好满足相位匹配条件，2πm/Λ＝β+-β-，则传播常数为β+正向传播光波由于Δn2(x，z)的第m次谐波的调制耦合到传播常数为β-的反向传播光波，设正向和反向传播光波的光波矢振幅分别为A+(z)和A-(z)，根据微扰理论，可用如下方程组描述A+(z)和A-(z)之间的耦合 式中，K12和K21是正向和反向传播光波之间的耦合系数。解方程(5)、(6)可以发现，对某一特定波长的光波，由于它们正好满足相位匹配条件，只要光波导微扰区的分布长度足够长，可以实现近似100％的反射，这就是布喇格反射滤波原理。
在本发明提出的波长选择器中，如果周期性波导位于输出光波导上，而不在过渡光波导上，则输入光波导和过渡光波导在耦合区内构成一个常规方向耦合器；同时位于输出光波导上的周期性波导构成一个常规布喇格反射滤波器，此种结构形式的波长选择器可以看作是一个常规方向耦合器和一个常规布喇格反射滤波器的简单串接。其工作过程首先是由过渡光波导通过方向耦合器从输入光波导中取出一定波长分布范围内的光波，再通过输出光波导上的周期性波导的布喇格反射精选出特定波长的光波，同时由于过渡光波导通过一个Y型结与输出光波导相连，当输出光波导中由布喇格反射回来的光波反向通过Y型结时，一定比例的光波继续沿输出光波导传播，并从输出光波导的输出端口输出，一定比例的光波会反向回到过渡光波导，并进一步通过方向耦合器耦合回到输入光波导，从输入光波导的输入端口反向输出。
在本发明提出的波长选择器中，如果周期性波导位于过渡光波导上，且位于输入光波导和过渡光波导的耦合区内，则输入光波导和过渡光波导之间的耦合行为会偏离常规方向耦合器，而过渡光波导上的周期性波导的行为也会在某些方面偏离常规布喇格反射器，因此此时不能把波长选择器看作是一个常规方向耦合器和一个常规布喇格反射器的简单串接或并联，应该对其特性进行综合分析。记输入光波导中正向传播和反向传播光波矢振幅分别为A1(z)和A4(z)，同时记过渡光波导中正向传播和反向传播光波矢振幅分别为A2(z)和A3(z)，则从耦合区的起始端开始，沿输入光波的传播方向，类似方向耦合器的耦合机理，A1(z)会耦合到A2(z)，记它们之间的耦合系数分别为K12、K21；同时，在过渡光波导中，类似布喇格反射机理，A2(z)会耦合到A3(z)，记它们之间的耦合系数分别为K23、K32；接着，类似方向耦合器的耦合机理，过渡光波导中反向传播的A3(z)会耦合回到输入光波导中，形成反向传播的A4(z)，记它们之间的耦合系数分别为K34、K43。综合上述各步可以看出，一方面A1(z)会耦合到A2(z)，使A2(z)增加，另一方面，A2(z)会耦合到A3(z)，使A2(z)减小。同样一方面A2(z)会耦合到A3(z)，使A3(z)增加，另一方面，A3(z)会耦合到A4(z)，使A3(z)减小。这样当满足相位匹配条件时，可以写出A1(z)、A2(z)、A3(z)和A4(z)间的耦合方程组 尽管方程(7)-(10)的解比较复杂，但我们可以据此进行定性分析。由于A3(z)为波长选择器的输出光波的光波矢振幅，如果A3(z)恒等于零，即波长选择器无输出，它就不能起到从输入光波导中选择、分离一定波长光波的目的。通过反证法可以证明，A3(z)不会恒等于零。因为一旦A3(z)恒等于零，则其导数也恒等于零，由方程(10)可知，A4(z)为常数，再由方程(9)可知A2(z)必须为常数，且A4(z)＝K32/K34A2(z)。如果A2(z)为不等于零的常数，则由方程(7)可知，A1(z)不恒等于零，再由方程(8)可知A2(z)的导数不为零，这与A2(z)为常数相矛盾，因此A2(z)必须为等于零的常数，这样A1(z)为常数，即保持输入时的初始值不变，而A2(z)、A3(z)和A4(z)全部为零，这种情况只有输入光波导和过渡光波导相隔很远，它们之间的耦合为零才可能出现。而在波长选择器的耦合区，输入光波导和过渡光波导相隔很近地平行排列，因此必定有一定大小的、光波矢振幅为A3(z)的光波输出。
下面再考虑A3(z)取极大的情况。在最佳情况下，假设在耦合区起始区A3(z)达到极大，此时，A3(z)的导数为零，根据方程(9)有A4(0)＝K32/K34A2(0)。由于在起始区，A2(0)0，因此A4(0)，这说明总光能主要由|A3(0)|2和|A1(0)|2构成，但|A3(0)|2与|A1(0)|2之比，即波长选择器对特定波长的光波的反射率的大小，必须根据方程组(7)-(10)确定。另外过渡光波导不必要在整个耦合区都做成周期性波导，例如可以在耦合区的起始端故意留一段为常规光波导，这样可能起到调整|A3(0)|2与|A1(0)|2之比的作用。总之可以通过调整耦合区内输入光波导和过渡光波导的间隔、长度、折射率与尺寸分布等，来调整耦合系数K12和K21，以及K34和K43，同时可以通过调整过渡光波导中的周期性波导的微扰变化强弱来调整耦合系数K23和K32，这样当K12、K21、K23、K32、K34和K43以及周期性波导的分布长度都根据方程组(7)-(10)调整到合适大小时，就可调整|A3(0)|2达到最大或达到某一预定值。
另外除波长选择器选择分离出的特定波长光波外(我们称该特定波长为波长选择器的工作波长)，所有其他波长的光波也都会在一定程度上耦合进入过渡光波导，但由于它们不满足布喇格条件，不会被周期性波导反射。为了减小对这些非工作波长光波的损耗，可以在耦合区的结束端，把传输这些光波的过渡光波导或输出光波导以Y型结的方式与输入光波导的输出端相连，使它们重新回到输入光波导。为了避免这些经过不同路径过来的光波由于干涉相互抵消，应该调整输出光波导或过渡光波导和输入光波导在汇合前的长度，使得经过不同路径最后汇合在一起时的光波的光程尽可能相等或近似为波长的整数倍。当然也可抛弃这些被耦合出去的非工作波长光波，或把它们引导到其他地方用于检测或其他用途。
另外通过外应力、热形变、压电陶瓷的电致伸缩等调节波长选择器中光波导的几何尺寸、相对位置，或通过电光效应、磁光效应、声光效应、半导体材料的体色散效应等改变光波导的折射率，可以动态地改变波长选择器的工作波长，从而用于制作波长选择性光开关、光调制器等各种光网络器件和光谱仪、传感测量仪等。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果本发明所涉及的波长选择器，由于采用了布喇格反射原理，其波长分辨率大大超过方向耦合器，同时它的输入与输出光波导是分离的，使用方便，因此它继承了布喇格反射器和方向耦合器的优点，同时又克服了它们各自的缺陷，结构紧凑，损耗小，便于多级串接组合。
图1为本发明在周期性波导采用等长度分段式光波导制作在过渡光波导上，且位于过渡光波导与输入光波导的耦合区内，同时过渡光波导与输入光波导的输出端通过Y型结相连时，波长选择器的实施例示意图。
图2为本发明在周期性波导采用折射率微扰方式制作在输出光波导上，且位于过渡光波导与输入光波导的耦合区外时，波长选择器的
具体实施例方式
图1中输入光波导1与过渡光波导2在耦合区4内相距很近地平行排列，过渡光波导2在耦合区4的起始端外侧与输出光波导3直接相连，这里耦合区4的起始端指输入光波沿输入光波导1进入耦合区4时所首先经过的那一端，即图1中耦合区4的左端，相对应地，耦合区4的另一端为其结束端。在耦合区4的结束端外侧，输入光波导1与过渡光波导2分别经过一定距离后通过Y型结相连。在耦合区4内，过渡光波导2采用分段式光波导形成周期型波导，由于类似方向耦合器的耦合机理，输入光波导1中的波长为λi的光波满足相位匹配条件，耦合到过渡光波导2中，与波长λi相近的光波λi-1、λi+1等也分别在一定程度上耦合到过渡光波导2中，但只有λi满足布喇格反射条件，被反射到与过渡光波导2直接相连的输出光波导3中，并从输出光波导3的输出端口输出，当然也可能有一定比例的波长为λi的光波又耦合进入输入光波导1反向传播，从输入光波导1的输入端口反向输出。通过调整耦合区4内输入光波导1和过渡光波导2的间隔、长度、折射率与尺寸分布等参数，同时通过调整过渡光波导2在耦合区4内的周期性波导的微扰变化强弱以及分布长度等，可调整从输出光波导3的输出端口输出的光波λi的大小，使其达到最大或达到某一预定值。为了避免对与波长λi相近的λi-1、λi+1等光波的损耗，在耦合区4的结束端的外侧，过渡光波导2与输入光波导1分别经过一定距离后，通过Y型结相连，这样λi-1、λi+1等光波又重新回到输入光波导1中，以便于与下一级波长选择器级连。为了避免这些经过不同路径过来的λi-1、λi+1等光波由于干涉相互抵消，应该调整输入光波导1和过渡光波导2在汇合前的长度，使得经过不同路径最后汇合在一起时的光波的光程尽可能相等或近似为波长的整数倍。
图2中输入光波导1与过渡光波导2在耦合区4内相距很近地平行排列，构成一个常规方向耦合器，过渡光波导2在耦合区4的结束端外侧与输出光波导3通过Y型结相连。在该Y型结的与过渡光波导2相对的一侧，输出光波导3采用折射率微扰变化方式形成周期型波导，构成一个常规布喇格反射器5。在耦合区4内，输入光波导1中的波长为λi的光波满足相位匹配条件，耦合到过渡光波导2中，与波长λi相近的光波λi-1、λi+1等也分别在一定程度上耦合到过渡光波导2中，它们通过Y型结输出到输出光波导3中，但只有λi满足布喇格条件，被接近100％地反射，并反向通过同一Y型结，此时一定比例的波长为λi的光波继续沿输出光波导3传播，并从输出光波导3的左输出端口输出，同时一定比例的波长为λi的光波会返回过渡光波导2，并进一步耦合到输入光波导1中反向传播，从输入光波导1的位于左侧的输入端口反向输出。通过控制Y型结的内部结构，如过渡光波导2与输出光波导3的夹角、间歇等，调整波长为λi的光波在反向通过Y型结时的分配比例。同时不满足布喇格反射条件的波长为......λi-1、λi+1、......等的光波继续沿输出光波导3传播从其右输出端口输出。
本发明所提出的波长选择器，尽管一个波长选择器只能选出一个特定波长，即对应一个信道，但采用光集成技术，对应多个光波长的波长选择器可按一定方式串接起来组成多个通道。例如把多个具有不同工作波长的波长选择器集成到同一块器件上，且它们的输出光波导相串连，则可构成一个光波复用器，同样把多个具有不同工作波长的波长选择器集成到同一块器件上，且它们的输入光波导相串连，则可构成一个光波解复用器。进一步由光波解复用器和光波复用器可以组成路由器。
权利要求
1.一种波长选择器，它包括输入光波导，过渡光波导和输出光波导，在输入光波导和过渡光波导之间有一个耦合区，在该耦合区内，输入光波导和过渡光波导相隔很近地平行排列；在输入光波导和过渡光波导的耦合区内，过渡光波导有一段为周期性波导，且过渡光波导与输出光波导在耦合区的起始端外侧直接相连。
2.一种波长选择器，它包括输入光波导，过渡光波导和输出光波导，在输入光波导和过渡光波导之间有一个耦合区，在该耦合区内，输入光波导和过渡光波导相隔很近地平行排列；在耦合区结束端的外侧，过渡光波导通过一个Y型结与输出光波导相连，且在Y型结的与过渡光波导相对的那一侧，输出光波导有一段为周期性波导。
3.根据权利要求1所述的波长选择器，其特征在于，通过调整过渡光波导中的周期性波导的周期长短调整输出光波的波长大小，通过调整周期性波导的分布长度和/或微扰变化强弱和/或在耦合区内，输入光波导和过渡光波导的间隔、长度、折射率与尺寸分布来调整输出光波的光强大小。
4.根据权利要求2所述的波长选择器，其特征在于，通过调整输出光波导中的周期性波导的周期长短调整输出光波的波长大小，通过调整周期性波导的分布长度和/或微扰变化强弱和/或在耦合区内，输入光波导和过渡光波导的间隔、长度、折射率与尺寸分布来调整输出光波的光强大小。
5.根据权利要求1所述的波长选择器，其特征在于，过渡光波导中的周期性波导由分段式光波导构成，或通过光波导的折射率或/和厚度或/和宽度尺寸做周期性微扰变化来实现。
6.根据权利要求2所述的波长选择器，其特征在于，输出光波导中的周期性波导由分段式光波导构成，或通过光波导的折射率或/和厚度或/和宽度尺寸做周期性微扰变化来实现。
7.根据权利要求1所述的波长选择器，其特征在于，在输入光波导和过渡光波导的耦合区结束端的外侧，输入光波导与过渡光波导分别经过一段距离后通过一个Y型结相连，在它们相连前所分别经过的距离，应尽量使得从输入光波导的输入端输入的光波，在经过不同路径最后汇合在一起时的光程尽可能相等或近似为波长的整数倍。
8.根据权利要求2所述的波长选择器，其特征在于，在输入光波导和过渡光波导的耦合区结束端的外侧，输入光波导与输出光波导分别经过一段距离后通过一个Y型结相连，在它们相连前所分别经过的距离，应尽量使得从输入光波导的输入端输入的光波，在经过不同路径最后汇合在一起时的光程尽可能相等或近似为波长的整数倍。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的波长选择器，其特征在于，通过外应力、热形变和压电陶瓷的电致伸缩调节波长选择器中光波导的几何尺寸与相对位置，和/或通过电光效应、磁光效应、声光效应和半导体材料的等离子体色散效应改变光波导的折射率。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的波长选择器，其特征在于，输入光波导、过渡光波导和输出光波导处于同一光波导层平面或分别处于两个不同的光波导层平面。
全文摘要
本发明公开了一种波长选择器，它综合利用方向耦合器的光波场耦合原理和布喇格反射滤波原理来实现高分辨波长选择，它包括输入光波导，过渡光波导和输出光波导，在输入光波导和过渡光波导之间有一个耦合区，在该耦合区内，输入光波导和过渡光波导相隔很近地平行排列；在耦合区内，过渡光波导有一段为周期性波导，且过渡光波导与输出光波导在耦合区的起始端外侧直接相连，或者，在耦合区结束端的外侧，过渡光波导通过一个Y型结与输出光波导相连，且在Y型结的与过渡光波导相对的那一侧，输出光波导有一段为周期性波导。其尺寸小，插入损耗低，便于多级连组合实现波分复用/解复用、光开关、光路由等各种功能，同时可以采用光集成技术批量制造。
文档编号G02F1/01GK1540376SQ03122029
公开日2004年10月27日 申请日期2003年4月22日 优先权日2003年4月22日
发明者李志扬 申请人:李志扬