光波导设备及其制作方法

专利名称：光波导设备及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导设备及其制作方法。更具体地说，本发明涉及一种使用了至少一个光学环形谐振器(optical ring resonator)、其具有向更高频率一边扩展的可运行或可使用频率范围的光波导设备，以及该设备的制作方法。
通常，当传输速率增长到10Gbit/s或更高时，光纤的“波长色散”会给信号光(signal light)的传输性能带来很显著的不利影响，这经常会限制了采用光纤传输时的可传输距离。这是因为通过光纤传输的信号光的速度存在波长相关。更明确地说，通常，由于光调制引起的所谓波长啁啾会使光谱线在振荡模式下加宽。如果在传输线或通道中存在波长色散，在该线或通道中传输的信号光的传输速率在加宽的光谱线内会发生变化。因此，在通过光纤进行长距离传输后，信号光各组成部分的到达时间将会根据各自的波长改变，因而调制的信号光的波形将会降级(degrade)或者变形(deform)。这种调制的信号光的波形的降级或者变形使得要如期望的那样再现它的原有波形很困难。
为了解决这一问题，各种类型的“补偿型光纤(compensated opticalfiber)”已经被广泛的应用。这些补偿型的光纤包括一个直径小于普通光纤芯(core)的芯，从而在那里产生一个负的波长色散。由于这个负的波长色散，发生在被传输的信号光的有源光纤中的波长色散被抵消了，结果传输的信号光的可能出现的波形降级得到了防止。
然而，补偿型光纤有许多使用上的限制。例如，(i)总长度至少需要至少约20公里；(ii)信号光的输入电平必须足够低以防止因光的非线性引起的“四光波混合”(four lightewave mixture)现象；及(iii)在实际装配光纤的装配现场或地点波长色散不能够被调节的。这里，“四光波混合”现象是指一种物质由于它的非线性偏振(polarization)而事实上吸收了两个光子，然后发射出两个光子，以这种方式保存能量的现象。另外，这种补偿型光纤还存在信号光的损耗率与普通光纤比较相对较高的问题。
为了解决上述有关损耗率的问题及消除补偿型光纤的上述限制，“波导型色散补偿器(waveguide-type dispersion compensated)”，特别是那些应用了光环谐振器(optical ring resonator)的波导型色散补偿器，已经开始被研究。
光环谐振器作为光滤波器的应用已经被期待和研究了很长时间。波导型光环谐振器包括一个作为谐振器的环形或者圆形光波导(下文可能被简称为波导)，及一个用于将信号光输入谐振器波导和从那里输出信号光的输入/输出光波导。输入/输出波导在耦接部分(couplingsection)与谐振器波导光耦合。在耦接部分形成有一定向光耦合器以将这两种波导光耦合在一起。通过改变定向耦合器的折射率(refractiveindex)进而改变信号光的相位，可以控制关于谐振器波导的信号光的分支比(branching ratio)。因而，环形谐振器自身的锐度(finesse)也成为可控的。此外，通过改变圆形谐振器波导的温度，谐振波长也会发生改变。因而，环形谐振器作为一个波长可变的光滤波器是可行的。
此外，近年来，研究已经被引导至积极利用环形谐振器的波长色散特性，以控制发生在光纤中的波长色散。这是指为了消除光纤使用时因波长色散特性引起的信号光脉冲波形的降级，是通过产生与光纤波长色散相反的波长色散，从而抑制光脉冲波形的降级。


图1所示是现有技术中此类光色散补偿设备结构的一个示例。ECOC 2000，Munich，Post-deadline paper的第一篇论文，由F.Horst，C.Berendsen，R.Beyeler，G.Bona，R.Gernann，H.Salemink，andD.Wiesmann等人撰写的，标题“Tunable ring resonator dispersioncompensators realized in high-refractive-index contrast Siontechnology”，公开了光色散补偿设备100，其具有用平面光波电路(Planar Lightwave Circuit，PLC)技术形成的光路。
设备100包含一个作为光环谐振器的环形谐振器波导101，一个线形输入/输出光波导102，以及一个用于将波导101、102相互光耦合的定向光耦合器103。构成谐振器波导101的光波导的折射率与它周围材料的折射率有大的差别。
将多个图1所示的色散补偿设备100能够彼此串联在一起，以增大能获得的波长色散值。例如，当四个设备100串联连接时，最大的波长色散是-3430微微秒每毫微米(ps/nm)，在这种情况下最高的可运行频率为12.5GHz。这意味着，如果是这样，200公里普通光纤的波长色散可以被补偿。当环形谐振器波导101的总长度设为约4mm时，最高可运行频率显著地扩展为25GHz，其中得到的波长色散为415ps/nm。
在图1所示的现有技术的色散补偿设备100中，另加了一个在定向耦合器103内与环形谐振器波导101和直线形的输入/输出波导102重叠的加热器104。通过向加热器104提供电能来改变波导101和102相应部分的温度，可以控制谐振器波导101(即环形谐振器)的锐度(finesse)。如果锐度提高，波长色散也会随之增加。反之，锐度降低，波长色散也会随之减少。
加热器104，设置为与定向耦合器103的波导臂重叠，通过给它供应电能可用来控制或调节在谐振器波导101内传输的信号光的波长。另一方面，另一个加热器105设置为与环形波导101而不是耦合器103的剩余部分重叠。通过给它供应电能，加热器105可用来控制或调节在谐振器波导101内传输的信号光的相位，进而调节锐度和波长色散。
图2所示是现有技术中色散补偿设备结构的另一示例。OFC2001，Anaheim，California，Post-deadline paper的第二篇论文，PD9，由C.K.Madson et al.等人撰写，标题“Compact Integrated TunableChromatic Dispersion Compensator with a 4000 ps/nm Tuning Range”，其对应于2001年9月11日公布的美国专利No.6,289,151公开了带有用PLC技术形成的光路的色散补偿设备120。
与图1所示的设备100不同，图2所示的设备包括一个引入光环谐振器121的Mach-Zehnder光干涉仪122。干涉仪122有两个光波导臂121A和121B，彼此长度相等。于是，干涉仪122相对中心线具有对称的结构。臂121A和121B通过光定向耦合器123A和123B彼此光耦合。耦合器123A和123B中的任何一个组成了一个2×2(即两输入两输出)的光耦合器。该臂121A和121B彼此交叉，分别通过定向耦合器123A和123B与两个输入/输出光波导124A和124B连接。
利用图2所示的现有技术的色散补偿设备120，通过输入/输出波导124A和124B其中之一传输的信号光经耦合器123A或123B以预定的分支比流入环形谐振器121，再从谐振器121流出经耦合器123B或123A以预定的分支比到达输入/输出波导124A和124B中的另一个。
加热器126，设置为与环形谐振器121重叠，用于波长调节。加热器127，设置为在干涉仪122内与波导臂121B重叠，用于相位调节。
环形谐振器121的锐度是利用臂121A和121B之间折射率的差别，以及/或者加热器127的使用来控制的，可以得到±1980ps/nm的波长色散。最高的可运行频率为13.4GHz。在第二篇文件中，运用图2中的色散补偿设备和不归零信号进行了10Gb/s的信号传输实验，结果证实了期望的色散补偿特性和传输特性是可实现的。
由以上说明可知，可以理解用于补偿光纤波长色散的光电路可以通过PLC技术制作的光环谐振器来实现。然而，到目前为止报道的使用光环谐振器的常规色散补偿设备(包括上述现有技术的色散补偿设备100和120)，其最高的可运行频率还是较低，约为25GHz。为了将最高可运行频率向更短波长(即更高的频率)一边移动，光环谐振器自身的总长度需要尽可能的短。
然而，图1和图2所示的上述现有技术的色散补偿设备100和120中，提供了如定向耦合器103或者Mach-Zehnder干涉仪122这样的光耦合器。由于上述光耦合器必须要有相对很大的尺寸，所以限制了环形谐振器101或121的总的波导长度的缩小。这一限制条件将设备100和120的最高可运行频率限制在约25GHz的水平。
本发明的另一目的是提供一种光波导设备以及制作该设备的方法，它能够减小自身的尺寸和降低制作成本。
本发明还有一个目的是提供一种光波导设备以及该制作设备的方法，其能够适用于更高速的光通讯。
通过下面的说明，那些熟知本技术的人将清楚地了解上述目的以及其它没有详述的目的。
依照本发明的第一个方面，提供了一种光波导设备，其包括一个用作为光环谐振器的单模光谐振器波导；一个具有第一端和第二端的单模光输入/输出波导；输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；输入/输出波导在一区域内靠近谐振器波导设置；一个Mach-Zehnder干涉仪，其以如下方式形成包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；所述干涉仪具有第一光耦合器，用于利用多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合；以及具有第二光耦合器，用于利用多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合。
依照本发明第一个方面的光波导设备中，提供了一个用作为光环谐振器的单模光谐振器波导和一个单模输入/输出光波导。将输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，输出信号光从输入/输出波导的第二端输出。输入/输出波导设置在靠近谐振器波导的区域内。
此外，一个Mach-Zehnder干涉仪，其以如下方式形成包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分。所述干涉仪具有第一光耦合器，用于由于多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合；以及一个第二光耦合器，用于利用多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合。
这样，依照本发明第一个方面的光波导设备包括一个具有第一和第二多模干涉光耦合器以将谐振器波导和输入/输出波导彼此光耦合的Mach-Zehnder干涉仪。这意味着将谐振器波导和输入/输出波导光耦合的光耦合部分可以很容易被缩小。因此，与图1所示的上述现有技术的设备100相比，谐振器波导上除第一波导臂、第一和第二耦合器外的部分可以相对做得较长；作为光环谐振器的谐振器波导的总长度也可以减小。结果，可运行或可使用的频率范围扩展到了更高频率一边，例如，扩展到大约60GHz或更高。这导致了比以前更高速的光通讯。
此外，因为谐振器波导的总长度可以减小，设备本身也可以缩小，同时降低了设备自身的制作成本。
依照本发明的第二个方面，提供了另一种光波导设备，包括一个用作为光环谐振器的光谐振器波导；一个具有第一端和第二端的输入/输出光波导；输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；输入/输出波导定位在一区域内靠近谐振器波导的位置；一个Mach-Zehnder干涉仪，以如下方式形成，以包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；干涉仪具有一个第一光耦合器，包含区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；以及一个第二光耦合器，包含区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；以及其中输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
依照本发明第二个方面的光波导设备中，提供了一个具有第一和第二多模干涉光耦合器的Mach-Zehnder干涉仪，以将谐振器波导和输入输出波导彼此光耦合。这意味着将谐振器波导和输入/输出波导光耦合的光耦合部分可以很容易被缩小。因此，与图1所示的上述现有技术的设备100相比，谐振器波导上除第一波导臂、第一和第二耦合器外的部分可以相对做得较长，谐振器波导的总长度也可以减小。结果，可运行或可使用的频率范围扩展到了更高频率一边，例如，扩展到大约60GHz或更高。这导致了比以前更高速的光通讯。
此外，因为谐振器波导的总长度可以减小，设备本身也可以缩小，同时降低了设备自身的制作成本。
依照本发明的第三个方面，还提供了另一种光波导设备，包括一个Mach-Zehnder干涉仪，其包含一个第一光耦合器，一个第二光耦合器，一个将第一光耦合器和第二光耦合器连接的第一光波导臂，以及一个以与第一波导臂交叉的方式将第一耦合器和第二耦合器连接起来的第二光波导臂；第一耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；第二耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；一个光谐振器波导，用作为光环谐振器，以如下方式连接，该谐振器波导的一端连接至第一耦合器，它的另一端连接至第二耦合器；
一个光输入波导，其以如下方式连接，该输入波导的一端连接至第一耦合器；以及一个光输出波导，其以如下方式连接，该输出波导的一端连接至第二耦合器；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；以及其中输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
依照本发明第三个方面的光波导设备中，提供了一个具有第一和第二多模干涉光耦合器的Mach-Zehnder干涉仪，以将谐振器波导和输入输出波导彼此光耦合。这意味着将谐振器波导和输入/输出波导光耦合的光耦合部分可以很容易被缩小。因此，与图2所示的上述现有技术的设备120相比，谐振器波导和第一、第二光波导臂可以相对做得较长。谐振器波导和第一和第二波导臂的总长度也可以减小。结果，可运行或可使用的频率范围扩展到了更高频率一边，例如，扩展到大约60GHz或更高。这导致了比以前更高速的光通讯。
此外，因为谐振器波导、第一和第二波导臂的总长度可以减小，设备本身也可以缩小，同时降低了设备自身的制作成本。
在依照本发明第一个到第三个方面的设备的一个较佳实施例中，另外提供了一个温度控制器，用于控制干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。温度控制器与第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠。这个实施例有一个附加的效果，即可以通过控制在干扰仪内传输的信号光的相位来控制精确度和得到的波长色散。
在依照本发明第一个到第三个方面的设备的另一较佳实施例中，另外提供了一个温度控制器，用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器内传输的信号光的波长。温度控制器与谐振器波导重叠。这个实施例有一个附加的效果，即可以通过控制在谐振器波导内传输的信号光的波长来调节谐振频率。
在依照本发明第一个到第三个方面的设备的又一较佳实施例中，谐振器波导是由折射率比谐振器波导周围材料的折射率大百分之四或更高的材料制成。这个实施例有一个附加的效果，即形成的谐振器波导可以具有较小的曲率半径。
在依照本发明第一个到第三个方面的设备的又一优选实施例中，谐振器波导的总长度以满足可运行频率为25GHz或更大这个条件来确定。这个实施例有一个附加的效果，即可以实现25GHz或更高的可运行频率。
在依照本发明第一个到第三个方面的设备的又一优选实施例中，谐振器波导、输入/输出波导、以及干涉仪组成了第一光谐振区。至少还有一个具有与第一光谐振区结构相同的另加的光谐振区以与第一光谐振区串联连接的方式被提供。这个实施例有一个附加的效果，即增强了本发明取得的各个技术效果。
依照本发明的第四个方面，又一种光波导设备，其包括一个Mach-Zehnder干涉仪，包含一个第一光耦合器，一个第二光耦合器，一个位于第一光耦合器和第二光耦合器之间的第三光耦合器，一个连接第一耦合器和第三耦合器的第一光波导臂，一个以不与第一波导臂交叉的方式连接第一耦合器和第三耦合器的第二光波导臂，一个连接第二耦合器和第三耦合器的第三光波导臂，一个以不与第三波导臂交叉的方式连接第二耦合器和第三耦合器的第四光波导臂；
第一耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；第二耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；第三耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第三多模光波导区；一个作为光环谐振器的光谐振器波导，以如下方式连接，第一波导的一端连接至第一耦合器，它的另一端连接至第二耦合器；一个光输入波导，以如下方式连接，该输入波导的一端连接至第一耦合器；以及一个光输出波导，以如下方式连接，该输出波导的一端连接至第二耦合器；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第三多模波导区的第一连接侧与其光连接；其中第三波导臂的一端和第四波导臂的一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第三波导臂的另一端和第四波导臂的另一端在第三多模波导区的第二连接侧与其光连接；其中输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
在依照本发明第四个方面的光波导设备中，提供了一个包括第一到第三多模干涉光耦合器的Mach-Zehnder干涉仪，以将谐振器波导和输入、输出波导光耦合。这意味着将谐振器波导和输入、输出波导光耦合的光耦合部分可以很容易被缩小。因此，与图1和图2所示的上述现有技术的设备100和120相比，谐振器波导和第一、第二光波导臂可以相对做得较长；谐振器波导和第一到第四波导臂的总长度也可以减小。结果，可运行或可使用的频率范围扩展到了更高频率一边，例如，扩展到大约60GHz或更高。这导致了比以前更高速的光通讯。
此外，因为谐振器波导和第一到第四波导臂的总长度可以减小，设备本身也可以缩小，同时降低了设备自身的制作成本。
在依照本发明第四个方面的设备的一个优选实施例中，另外提供了一个温度控制器，用于控制干涉仪的第一到第四波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。温度控制器与第一到第四波导臂中至少一个波导臂重叠。这个实施例有一个附加的效果，即可以通过控制在干扰仪内传输的信号光的相位来控制精确度和得到的波长色散。
在依照本发明第四个方面的设备的另一优选实施例中，另外提供了一个温度控制器，用于控制谐振器波导剩余部分的温度，进而控制在谐振器内传输的信号光的波长。温度控制器与谐振器波导剩余部分重叠。这个实施例有一个附加的效果，即可以通过控制在谐振器波导内传输的信号光的波长来调节谐振频率。
在依照本发明第四个方面的设备的又一优选实施例中，谐振器波导是由折射率比谐振器波导周围材料的折射率大百分之四或更高的材料制成。这个实施例有一个附加的效果，即形成的谐振器波导可以具有较小的曲率半径。
在依照本发明第四个方面的设备的又一优选实施例中，谐振器波导的总长度以满足可运行频率为25GHz或更大这个条件来确定。这个实施例有一个附加的效果，即可以实现25GHz或更高的可运行频率。
在依照本发明第四个方面的设备的又一优选实施例中，谐振器波导、输入/输出波导、以及干涉仪组成了第一光谐振区。至少还有一个具有与第一光谐振区结构相同的另加的光谐振区以与第一光谐振区串联连接的方式被提供。这个实施例中有一个附加的效果，即增强了本发明取得的各个技术效果。
依照本发明的第五个方面，提供了一种制作光波导设备的方法，包括以下步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以如下方式将核心层构图，形成一个作为光环谐振器的单模光谐振器波导、一个具有第一端和第二端的单模光输入/输出波导，以及一个Mach-Zehnder干涉仪；其中将输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；其中输入/输出波导在一区域内靠近谐振器波导设置；以及其中干涉仪以如下方式形成，其包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；其中干涉仪具有一个第一光耦合器，用于由于多模光干涉，将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合；以及一个第二光耦合器，用于由于多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合。
在依照本发明第五个方面的方法中，可以清楚看出上述依照本发明第一个方面的光波导设备可以用平面光波电路(PLC)技术制成。
依照本发明的第六个方面，提供了另一种制作光波导设备的方法，包括以下步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以如下方式将核心层构图，以形成一个作为光环谐振器的光谐振器波导、一个具有第一端和第二端的输入/输出光波导，以及一个Maeh-Zehnder干涉仪；其中将输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；其中输入/输出波导在一区域内靠近谐振器波导设置；其中Mach-Zehnder干涉仪以如下方式形成，以包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；其中干涉仪具有一个第一光耦合器，包含区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；以及一个第二光耦合器，包含区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；其中输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
在依照本发明第六个方面的方法中，可以清楚看出依照本发明第二个方面的光波导设备可以用平面光波电路(PLC)技术制成。
依照本发明的第七个方面，提供了又一种制作光波导设备的方法，包括以下步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以如下方式将核心层构图，以形成一个Mach-Zehnder干涉仪，一个作为光环谐振器的光谐振器波导，一个光输入波导，以及一个光输出波导；
其中干涉仪包含一个第一光耦合器，一个第二光耦合器，一个将第一光耦合器和第二光耦合器连接的第一光波导臂，以及一个以与第一波导臂交叉的方式将第一耦合器和第二耦合器连接起来的第二光波导臂；其中第一耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；其中第二耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；其中光谐振器波导以如下方式连接，该谐振器波导的一端连接至第一耦合器，它的另一端连接至第二耦合器；其中输入波导以如下方式连接，该输入波导的一端连接至第一耦合器；其中输出波导以如下方式连接，该输出波导的一端连接至第二耦合器；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；其中输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
在依照本发明第七个方面的方法中，可以清楚看出上述依照本发明第三个方面的光波导设备可以用平面光波电路(PLC)技术制成。
在依照本发明第五个到第七个方面的方法的一个优选实施例中，包括一个形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤，一个在上覆层上形成一个加热层的步骤，以及一个将加热层构图以形成一个与干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠的温度控制器的步骤。温度控制器用于控制第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。
温度控制器可以全部或者部分覆盖在第一和第二波导臂中至少一个波导臂上。
在依照本发明第五个到第七个方面的方法的另一优选实施例中，包括一个形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤，一个在上覆层上形成一个加热层的步骤，以及一个将加热层构图以形成一个与谐振器波导重叠的温度控制器的步骤。温度控制器用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长。
温度控制器可以全部或者部分覆盖在谐振器波导剩余部分上。
依照本发明的第八个方面，提供了又一种制作光波导设备的方法，包括以下步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以如下方式将核心层构图，以形成一个Mach-Zehnder干涉仪，一个作为光环谐振器的光谐振器波导，一个光输入波导，以及一个光输出波导；其中干涉仪包含一个第一光耦合器，一个第二光耦合器，一个位于第一光耦合器和第二光耦合器之间的第三光耦合器，一个连接第一耦合器和第三耦合器的第一光波导臂，一个以不与第一波导臂交叉的方式连接第一耦合器和第三耦合器的第二光波导臂，一个连接第二耦合器和第三耦合器的第三光波导臂，一个以不与第三波导臂交叉的方式连接第二耦合器和第三耦合器的第四光波导臂；其中第一耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；其中第二耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；其中第三耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第三多模光波导区；其中谐振器波导以如下方式连接，第一波导的一端连接至第一耦合器，它的另一端连接至第二耦合器；其中输入波导以如下方式连接，该输入波导的一端连接至第一耦合器；其中输出波导以如下方式连接，该输出波导的一端连接至第二耦合器；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第三多模波导区的第一连接侧与其光连接；其中第三波导臂的一端和第四波导臂的一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第三波导臂的另一端和第四波导臂的另一端在第三多模波导区的第二连接侧与其光连接；其中输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
在依照本发明第八个方面的方法中，可以清楚看出上述依照本发明第四个方面的光波导设备可以用平面光波电路(PLC)技术制成。
在依照本发明第八个方面的方法的一个优选实施例中，包括一个形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤，一个在上覆层上形成一个加热层的步骤，以及一个将加热层构图以形成一个与干涉仪的第一到第四波导臂中至少一个波导臂重叠的温度控制器的步骤。温度控制器用于控制第一到第四波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。
温度控制器可以全部或者部分覆盖在第一到第四波导臂中至少一个波导臂上。
在依照本发明第八个方面的方法的另一优选实施例中，包括一个形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤，一个在上覆层上形成一个加热层的步骤，以及一个将加热层构图以形成一个与谐振器波导重叠的温度控制器的步骤。温度控制器用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长。
温度控制器可以全部或者部分覆盖在谐振器波导上。
图1是显示一种现有技术的光色散补偿设备结构的平面示意图。
图2是显示另一种现有技术的光色散补偿设备结构的平面示意图。
图3是显示依照本发明第一实施例的光波导设备结构的平面示意图，其中该设备被配置为一种光色散补偿设备。
图4A和图4B是平面示意图，分别显示了依照图3所示第一实施例的光波导设备中，Mach-Zehnder干涉仪的第一和第二多模干涉光耦合器与光输入/输出波导和光谐振器波导相互连接的结构。
图5A到5D是分别根据图3所示第一实施例的光波导设备制作步骤的剖面示意图。
图6是显示图3所示第一实施例的光波导设备中，群延时时间和环形谐振器波长之间的关系的曲线图。
图7是显示依照本发明第二实施例的光波导设备结构的平面示意图，其中该设备被配置为一种光色散补偿设备。
图8是显示依照本发明第三实施例的光波导设备结构的平面示意图，其中该设备被配置为一种光色散补偿设备。
图9是显示依照本发明第四实施例的光波导设备结构的平面示意图，该设备由多个图7所示第二实施例的设备串联连接而成，以配置为一种光色散补偿设备。
图10是显示依照本发明第五实施例的光波导设备结构的平面示意图，其中该设备由多个图8所示第三实施例的设备串联连接而成，以配置为一种光色散补偿设备。
图11是显示依照本发明第六实施例的光波导设备结构的平面示意图，其中该设备由多个图3所示第一实施例的设备串联连接而成，以配置为一种光色散补偿设备。
Mach-Zehnder干涉仪204由第一和第二多模干涉(multi-modeinterference，MMI)光耦合器2051和2052以及第一和第二光波导臂2021和2031组成。第一波导臂2021是线形波导(即输入/输出波导)202的一部分。第二波导臂2031是圆型波导(即谐振器波导)203的一部分。
用于相位调节或控制的加热器208在干涉仪204中与第一波导臂2031重叠。用于波长调节或控制的加热器209与谐振器波导203的其余部分2032重叠，它位于干涉仪204的外部。
输入/输出波导202的输入侧部分2022(它位于图3的左侧)作为输入波导。输入/输出波导202剩余的输出侧部分2023(它位于在图3的右侧)作为输出波导。
图4A显示了光波导设备200中第一多模干涉光耦合器2051与输入/输出波导202和谐振器波导203相互连接的结构。图4B显示了光波导设备200中第二多模干涉耦合器2052与输入/输出波导202和谐振器波导203相互连接的结构。
从图4A和图4B中可以看出，第一和第二多模干涉光耦合器2051和2052分别具有多模干涉光波导区2061和2062，波导区2061和2062中的任何一个均具有四个端口和大的宽度，光多模干涉就发生在波导区2061和2062中。
如图4A所示，在第一多模干涉耦合器2051的多模干涉光波导区2061的一侧(即图4A的左侧)，输入/输出波导202的输入侧部分2022的末端和谐振器波导203剩余部分2032的末端分别与波导区2061的相应端口连接。在第一多模干涉耦合器2051的光波导区2061的另一侧(即图4A的右侧)，由部分输入/输出波导202形成的第一波导臂2021的一端和由部分谐振器波导203形成的第二波导臂2031的一端分别与波导区2061的相应端口连接。
第一多模干涉耦合器2051的波导区2061的宽度大于输入/输出波导202输入侧部分2022与谐振器波导203剩余部分2032的宽度之和，第一多模干涉耦合器2051的波导区2061的宽度大于第一和第二波导臂2021、2031的宽度之和。
类似的，如图4B所示，在第二多模干涉耦合器2052的多模干涉光波导区2062的一侧(即图4B的右侧)，输入/输出波导202输出侧部分2023的末端和谐振器波导203剩余部分2032的末端分别与波导区2062的相应端口连接。在第二多模干涉耦合器2052的多模干涉光波导区2062的另一侧(即图4B的左侧)，第一波导臂2021的另一端和第二波导臂2031的另一端分别与波导区2062的相应端口连接。
第二多模干涉耦合器2052的多模干涉光波导区2062的宽度大于输入/输出波导202输出侧部分2023与谐振器波导203剩余部分2032的宽度之和，第二多模干涉耦合器2052的多模干涉光波导区2062的宽度大于第一和第二波导臂2021、2031的宽度之和。
依照图3所示第一实施例的光波导设备200的工作过程与图1和图2所示现有技术的色散补偿设备100和120大致相同。具体地说，输入信号光SIN被施加到输入/输出波导202的输入端。输入信号光SIN通过该波导202传输到波导202的输出端。然后，输入信号光SIN通过波导202的输入侧端口2022(即输入波导)经第一多模干涉光耦合器2051以预定的分支比流入环形谐振器波导203，从而产生两个分支光输入信号SIN1和SIN2。如此产生的这两个分支输入信号SIN1和SIN2分别通过第一和第二波导臂2021、2031传输，如图4A所示。此后，分支信号光SIN2在环形谐振器波导203中沿相同路径反复循环流动，引起光谐振。在谐振器波导203中循环的分支信号光SIN2的一部分会从谐振器波导203流出经第二多模干涉耦合器2052以预定的分支比流至输入/输出波导202的输出侧部分2023，如图4B所示。这样，分支输入信号光SIN1和SIN2又重新结合在一起，在那儿产生输出信号光Sout。因此产生的输出信号光通过输入/输出波导202输出侧端口(即输出波导)2023传输，可从波导202的输出端得到。
环形谐振器波导203的总长或者全长比输入信号光SIN的脉冲的波长要短的多。因此，已进入谐振器波导203的输入信号光SIN在波导203中循环流动时会引起光干涉。结果，输入信号光SIN的延时时间会依照它的波长做周期性的变化。利用延时时间周期性变化引起的负的色散特性，可以补偿通过输入/输出波导202输入侧端口2022传输的光输入信号SIN的色散。
在依照图3所示第一实施例所述的光波导设备200中，Mach-Zehnder干涉仪204由第一和第二多模干涉耦合器2051、2052，及第一和第二波导臂2021、2031组成。与前述现有技术设备100和120中使用的光定向耦合器103，123A，和123B相比，多模干涉耦合器2051和2052的尺寸可以做得更小。因此，环形谐振器波导203的总长度减小了，从而可以实现本发明的目的，这将在稍后说明。
图5A至5D分别显示了依照图3所示本发明第一实施例的光波导设备200制作方法的工艺步骤。
首先，如图5A所示，厚度为15μm的下覆层222形成于单晶硅(Si)衬底221的表面上，然后厚度为4μm的核心层223形成于已形成的下覆层222的表面上。层221和222中的每一层都是通过常压化学汽相淀积(APCVD)过程形成的。下覆层222是由掺有锗和磷的硅石(silica)或石英玻璃(quartz glass)制成，即掺杂锗磷的石英玻璃(GPSG)。核心层223由氧氮化硅(SiON)制成。层222和层223之间折射率的差别Δ设置为约4％。这一阶段的状态如图5A所示。
随后，铬(Cr)层225通过一个蒸发过程形成于核心层223上。在用于将构图铬层225的抗蚀层(未显示)通过涂覆形成于层225上之后，利用光刻技术对抗蚀层进行构图以得到所期望的平面形状。利用以这种方式构图的抗蚀层作为掩模，通过干蚀刻过程将铬层225有选择性的加以蚀刻以具有想得到的波导所对应的图案。这一阶段的状态如图5B所示，图中构图的铬层225位于核心层223之上。
然后，使用构图的铬层225作为掩模，通过反应离子蚀刻过程(Reactive Ion Etching，RIE)将核心层223有选择性的加以蚀刻，直到下覆层222的表面显露出来(即直到核心层223被穿透)。这样，核心层只有在铬层225下面的部分被保留下来。换句话说，核心层被有选择性的去除以具有想得到的波导所对应的平面形状。这个阶段的状态如图5C所示。
然后在具有上述结构的衬底221上，利用化学汽相淀积(CVD)过程形成覆盖于衬底221整个表面的厚度为10μm的上覆层226，如图5D所示。上覆层226由掺杂锗磷的石英玻璃GPSG制成，且覆盖着下覆层222裸露的表面、下覆层225剩余部分的侧面、以及核心层223的表面和侧面；在将上覆层226的表面平整(planarized)后，加热层227通过蒸发过程形成于整个衬底221上的上覆层226表面。如此形成的加热层227由铂和金的合金(即铂金，PtAu)制成。加热层227用于形成加热器208和209及用于使上覆层226的折射率部分可变。之后，加热层227通过光刻技术和蚀刻过程被有选择性的蚀刻，以有选择性的除去227层不需要的部分。这样，依照图3所示第一实施例的光波导设备200被制成，如图5D所示。
构图的核心层223形成了输入/输出波导202、谐振器波导203以及第一和第二多模干涉耦合器2051、2052的核心。构图的加热层227形成了用于相位调节的加热器208以及用于波长调节的加热器209。
在此实施例中，输入/输出波导202、谐振器波导203以及第一和第二多模干涉耦合器2051、2052的核心是在同一过程与构图的核心层223同时形成的。然而，本发明并不仅仅局限于此。这些核心还可以通过单独的过程形成。
在这样制作的依照第一实施例的光波导设备200中，环形谐振器波导203的总长或全长为2mm，可获得的自由光谱范围(Free SpectralRange，FSR)为100GHz。在这里，“FSR”是指光谐振器的光谐振光谱中各个谐振频率峰值之间的间隔。当环形谐振器波导203的总长度、波导203的折射率、以及光速分别定义为L，n，和c时，作为光环谐振器的波导203的FSR表达为下面的等式(1)。
FSR＝(c/n)*L (1)如干涉仪204内的第一和第二多模干涉耦合器2051、2052的多模干涉光波导具有相同的宽度10μm和相同的长度40μm。位于耦合器2051和2052之间的波导臂2021和2031具有相同的长度500μm。通过用于相位调节的加热器208改变波导臂2031的温度，波导臂2031的折射率也随之改变。因而，干涉仪204的分支比是可变的，同时，谐振器波导203的锐度也是可控制的。通过对锐度的控制或者调节，就可以调节谐振器波导203波长色散的数值。此外，通过用于波长调节的加热器209来改变谐振器波导203剩余部分2032的温度，可以控制谐振器波导203的谐振频率从而将谐振波长调谐以得到所期望的波长。
发明人实际制作了依照图3所示第一实施例的光波导设备200，将这样制成的八个设备200串联起来，并且测量它的延迟特性。结果，他获得了范围为±500ps/nm的波长色散。然后，他通过加热器208和209分别改变波导臂2031和谐振器波导203端口2032的温度。随后，他证实了波长色散值在全部±500ps/nm的范围内是可以控制或者调节的。而且，当分别向加热器208和209提供的电流达到最优化时，他在100GHz自由光谱范围(FSR)中的60GHz有效带宽内得到了延时时间随着波长改变而发生线性变化的区域，从而证实了一个扩展的可运行频率范围是可以实现的。此外，他证实了包括光纤耦合损耗在内的插入损耗为3dB那样低，结果达到了所期望的特性。这些结果将在下面详细解释。
在依照图3所示第一实施例的光波导设备200中，输入/输出波导202和谐振器波导203通过第一和第二多模干涉耦合器2051、2052相互光耦合的。波导202和203的耦合部分组成了Mach-Zehnder干涉仪204。通过控制与波导臂2031重叠、用于相位调节的加热器208的电流，可以控制光环谐振器的锐度。如上面所解释的，第一和第二多模干涉耦合器2051、2052分别具有依照多模干涉原理实现2×2(即两个输入和两个输出)运行方式而设计的多模干涉波导区域2061和2062。
如人所知，多模干涉原理主要是用于设计使信号光分开或耦合的1×N或N×N无源光波导(passive optical waveguide)。例如，在LucasB.Soldano所著的名称为“Journal of Lightwave Technology”的论文中(Vol.13，No.4，1995，pp.615-627)对该原理作了说明。将依照多模干涉原理得到的多模干涉长度定义为Lπ，，多模干涉长度Lπ通常由下面的等式(2)和(3)得出。
We＝W1+(λ0/π)(Nc/Nr)2σ(Nr2-Nc2)-(1/2) (2)Lπ＝4Nr*We*(2/3λ0) (3)在等式(2)和(3)中，W1是多模干涉区域的宽度，Nr是光波导(即核心)的折射率，Nc是波导的覆层的折射率，λ0为入射光的波长，以及σ是一个参数，当入射光为TE(横电场)模式时其值为0(即σ＝0)，当入射光为轴向模式时其值为1(即σ＝1)。
根据多模干涉原理，满足下面的等式(4)时，多模干涉区域是作为1×N(即1个输入和N个输出)光波导，这里的N为正整数，并且LM为多模干涉区域的长度。
LM＝(3/4)NLπ(4)此外，当满足下面的等式(5)时，多模干涉区域是作为N×N(即N个输入和N个输出)光波导。
LM＝(3/N)Lπ(5)
在依照图3所示第一实施例的设备200中，N被设为2。因此，第一和第二光耦合器2051和2052的多模干涉波导区域2061和2062各自作为2×2(即两输入两输出)的光耦合器2051和2052。
接下来，将对作为光环谐振器的环形谐振器波导203的工作过程进行说明。
光环谐振器的频率特性是用它特有谐振频率所形成频谱的峰值来表征的。这意味具有与某一谐振频率相同的频率的输入信号光被从谐振器波导203输出到输入/输出波导202，因而谐振器波导203具有光频率或者波长滤波器的功能。谐振频率以一定的间隔出现即为由上述等式(1)定义的所谓“自由谐振区(FSR)”。为了用硅酸盐玻璃(折射率n约为1.5)制成的光波导来实现50GHz的自由谐振区，谐振器波导203的总长度L需要设置为4mm(即L＝4mm)。
利用与谐振器波导203重叠的、用于波长调节的加热器209，将相位变化应用在谐振器203的有效光通路长度(effective optical pathlength，n*L)上，以最大限度地接近于输入信号光的某一波长，则谐振频率fr的位置会在FSR的宽度内变化。这意味谐振频率fr可以通过使用加热器209来调节。此外，利用与波导臂2031交迭的加热器208来控制Mach-Zehnder干涉仪204内波导臂2031的温度，可以改变环形谐振器的锐度。这意味着波长色散的数值是可调的。
作为光滤波器函数的环形谐振器(即谐振器波导203)的转移函数F(transfer function)由下面的等式(6)给出，其中A为光输出，A0为光输入，k为模耦合(mode-coupling)系数，1为耦合长度，ρ为谐振器波导203的传输损耗，β为一个传输常量，以及L为波导203的长度。F=AA0=cos(κ1)-exp(-ρ2L-jβL)1-cos(κ1)exp(-ρ2L-jβL)---(6)]]>转移函数F的相位Φ由下面的等式(7)给出，它是通过计算Φ的虚部与实部的比值得到的。Φ=tan-1(Im(F)Re(F))---(7)]]>此外，群时延τg由下面的等式(8)给出，它是通过求相位Φ关于波长λ的微分得出的，这里的c为光速。τg=λ2κC-dΦ2λ---(8)]]>如图6显示了环形谐振器(即谐振器波导203)群时延τg与波长关系曲线的计算结果。这个结果是在四个环形谐振器串联在一起的情况下由发明人计算出来的，其中每个谐振器203的长度L被设为4mm，供给用于相位调节的加热器208的电流以满足在宽的波长范围内获得负的波长色散值的条件加以最优化。由图6所示结果可以看出，得到了关于每个环形谐振器的特有波长的周期性延迟特性。例如，当输入到谐振器的输入光波长约为1.552μm时，得到一个负的波长色散，因此在光纤传输中发生的正的波长色散可以被抵消。
在依照本发明第一实施例的光波导设备200中，不象图1和图2所示的现有技术设备100和120中那样用定向耦合器103，123A和123B进行光耦合，而是在Mach-Zehnder干涉仪204中用第一和第二多模干涉耦合器2051、2052把环形谐振器波导203和输入/输出波导202光耦合在一起。这意味着光耦合部分(即干涉仪204)的尺寸很容易缩小。因此，与现有技术的设备100和120相比较，谐振器波导203上除光耦合器2051和2052外的部分2031和2032可以相对做得较长，因此在不减小谐振器波导203曲率半径的情况下可以减小它的总长度。结果，可运行或可使用的频率范围扩展到了更高频率一边，例如，大约60GHz或更高(这也导致了更高速的光通讯)，同时，设备200本身的尺寸也减小了。
因为设备200本身的尺寸减小了，单个晶片或衬底上就可以制作更多数量的设备200。于是，设备200的制作成本因为产量的提高而降低了。
另一方面，由于现有技术的设备100和120使用定向耦合器103，123A和123B，定向耦合器本身的总长度就有约1mm那么大，因此，在曲率半径不减小的情况下想要减少作为环形谐振器的光波导的总长度是很困难的。因此说，可获得的FSR被限制在最高50GHz，想要进一步扩展FSR是非常困难的。第二实施例图7显示了依照本发明第二实施例的光波导设备300的结构，其中每一与图3所示第一实施例所用参考标记(reference symbols)相同的标记后都加上了后缀“A”。与第一实施例相同，设备300被配置为一种色散补偿设备。
具体地说，依照第二实施例的光波导设备300包括具有一个交叉点或重叠处3016的弯曲的光波导301，Mach-Zehnder干涉仪204A，第一和第二多模干涉光耦合器205A1和205A2，用于相位调节的加热器208A，以及用于波长调节的加热器209A。与依照图3所示第一实施例的设备200不同的是，输入/输出光波导和环形谐振器波导不是彼此分离开的。输入/输出光波导和环形谐振器波导是由单个光波导301形成的。
波导301，干涉仪204A，第一和第二多模干涉耦合器205A1和205A2，以及加热器208A和209A均形成在衬底201上。
波导301具有第一和第二弯曲的波导臂3011和3012，它们位于第一耦合器205A1的一侧(即图7中向上的一侧)和第二耦合器205A2的一侧(即图7中向上的一侧)之间。第一和第二波导臂3011和3012彼此长度相等并且重叠于交叉点3016，同第一和第二耦合器205A1、205A2共同组成了Mach-Zehnder干涉仪204A.
波导301的位于第一耦合器205A1另一侧(即图7中向下的一侧)和第二耦合器205A2另一侧(图7中向下的一侧)之间的弯曲部分3013形成了光谐振器波导203A的一部分。将弯曲部分3013、第一臂3011的位于交叉点3016和第二耦合器205A2之间的部分301’1、以及第二臂3012的位于交叉点3016和第一耦合器205A1之间的部分301’2、和第一耦合器205A1结合起来近似形成了一个圆，产生作为光环谐振器的环形谐振器波导203A。
波导301具有一个从第一耦合器205A1另一侧(图7中向下的一侧)伸出的弯曲部分3014，以及一个从第二耦合器205A2另一侧(图7中向下的一侧)伸出的弯曲部分3015。这两部分3014和3015分别作为输入/输出光波导。
环形谐振器203A的锐度是通过向用于相位调节的加热器208A提供电流来调节的，加热器208A与干涉仪204A内的第二臂3012重叠。因而可以得到期望的波长色散值。另一方面，波长的控制是通过向用于波长调节的加热器209A提供电流来实现的，加热器209A与波导301位于干涉仪204A外的部分3013重叠。因而所期望的波长色散特性也可以象依照图3所示第一实施例的设备200那样获得。
除了掩模(即图5B所示的构图铬层225)的图案不同外，依照第二实施例的光波导设备300可以用与图5A到5D所示的第一实施例设备200相同的制作步骤制成。因此，关于设备300制作方法的说明在这里就省略了。
采用第二实施例的设备300，同样可以获得第一实施例的设备200所具有的有益效果，因为设备300和设备200的结构实质上是相同的。第三实施例图8显示了依照本发明第三实施的光波导设备400的结构，其中每一与图3所示第一实施例所用参考标记相同的标记后都加上了后缀“B”。与第一实施例相同，设备400被配置为一种色散补偿设备。
如图8所示，依照第三实施例的光波导设备400包括一个弯曲的光输入/输出波导202B，一个作为光环谐振器的环形光谐振器波导203B，一个Mach-Zehnder干涉仪204B，一个用于相位调节的加热器208B，以及一个用于波长调节的加热器209B。波导202B和203B，干涉仪204B，第一和第二多模干涉耦合器205A1、205A2，以及加热器208B和209B都形成于衬底201上。与图7所示第二实施例的设备300不同在于波导202B和203B之间没有交叉点。
干涉仪204B具有第一，第二，和第三多模干涉耦合器205B1，205B2，、205B3。第一和第二多模干涉耦合器205B1和205B2所处的位置分别与第二实施例的设备300中第一和第二多模干涉耦合器205A1、205A2的位置大致相同。将第三多模干涉耦合器205B3定位于大致相当于第二实施例的设备300中形成的交叉点3016所在的位置。由于提供了第三多模干涉耦合器205B3，在没有第二实施例的交叉点3016的情况下也可以在干涉仪204B内实现波导202B和203B之间的光耦合，同时，干涉仪204B内相邻的两个波导臂202B1和202B2，和相邻的两个波导臂203B1和203B2都可以和第二实施例一样做成等长的。
波导臂202B1将第一和第三耦合器205B1、205B3彼此光连接。波导臂202B2的长度与臂202B1相等，将第二和第三耦合器205B2和205B3彼此光连接。波导臂203B1沿着波导臂202B1将第一和第三耦合器205B1和205B3彼此光连接。波导臂203B2的长度与臂203B1相等，沿着波导臂202B2将第二和第三耦合器205B2、205B3彼此光连接。
用于相位调节的加热器208B定位于干涉仪204B内且与第二和第三耦合器205B2、205B3之间的波导臂202B2重叠。用于波长调节的加热器209B定位于干涉仪204B外且与第一和第二耦合器205B1和205B2之间的波导臂203B3重叠。
环形谐振器203B的锐度是通过给用于相位调节的加热器208B提供电流来调节的。因而可以得到所期望的波长色散值。另一方面，波长的控制是通过向用于波长调节的加热器209B提供电流来实现的。因而期望的波长色散特性也可以象图3所示第一实施例的设备200那样获得。
除了依照波导图案和多模干涉耦合器数量的不同而采用不同的掩模(即图5B所示的铬层225)图案外，依照图8所示第三实施例的光波导设备300可以用与图5A至5D所示的第一实施例设备200相同的制作步骤制成。因此，关于设备400制作方法的说明在这里就省略了。
第三实施例的设备400同样可以获得第一实施例的设备200所具有的有益效果，因为设备400和设备200的结构实质上是相同的。第四实施例图9显示了本发明第四实施例的光波导设备500的结构，图中将图7所示第二实施例的特定个数的光波导设备300相互串联连接。图9显示的是四个设备300的连接。
当特定个数的谐振器波导203A通过将相邻设备300间波导301的末端相互连接而串联起来时，有一个趋势是得到的波长色散值的增长与谐振器波导203A的总数大致是成比例的。因此，第四实施例的设备500和第二实施例的设备300相比所取得的技术效果就增加了。
虽然在图9中设备300的连接个数是四个，但本发明并不仅限于此。设备300的连接个数可以是大于等于2的任一其他数。第五实施例图10显示了本发明第五实施例的光波导设备600的结构，图中将特定个数的图8所示第三实施例的光波导设备400串联连接。图10显示的是两个设备400的连接。
第五实施例的设备600与第三实施例的设备400相比所取得的技术效果增强了。
虽然图10中设备400的连接个数是两个，但本发明并不仅限于此。设备400的连接个数可以是大于等于2的任一其他数。第六实施例图11显示了本发明第六实施例的光波导设备700的结构，其中将特定个数的图3所示第一实施例的光波导设备200串联连接。图10显示的是三个设备200的连接。
第六实施例的设备700与第一实施例的设备200相比所取得的技术效果增强了。
虽然图11中设备200的连接个数是三个，但本发明并不仅限于此。设备200的连接个数可以是大于等于2的任一其他数。其他实施例显然本发明并不仅限于上述的第一到第六实施例。各个实施例都有可能进行任何修改。例如，虽然氧氮化硅(SiON)在第一到第六实施例中被用作核心层223的材料，但其他材料，例如，掺杂锗、磷和/或硼的硅石或石英玻璃，也可以用于相同目的。此外，衬底的材料也不仅限于硅。它可以用石英，硅石，铟化磷(InP)，砷化镓(GaAs)，或其他材料制成。
上述实施例中，使用四乙基原硅酸盐(Tetra Ethyl Ortho Silicate，TEOS)和臭氧(ozone)的常压化学气相沉积过程被用于形成各个层。然而，其他的过程，例如等离子增强化学汽相淀积(PECVD)和减压化学汽相淀积(RPCVD)方法也可用于相同目的。
本发明的优选方式已经描述过了，可以理解，对于那些熟知本技术的人来说，在不背离本发明精神的情况下所作的修改将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应以下面的权力要求书为准。
权利要求
1.一种光波导设备，包括一个用作为光环谐振器的单模光谐振器波导；一个具有第一端和第二端的单模光输入/输出波导；输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；输入/输出波导在一区域内靠近谐振器波导设置；一个Mach-Zehnder干涉仪，其以如下方式形成包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；所述干涉仪具有第一光耦合器，用于利用多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合；以及具有第二光耦合器，用于利用多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合。
2.如权利要求1所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位；其中所述温度控制器与第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠。
3.如权利要求1所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长；其中温度控制器被形成为与谐振器波导重叠。
4.如权利要求1所述的设备，其中谐振器波导是由折射率比谐振器波导波导周围材料的折射率大百分之四或更高的材料制成的。
5.如权利要求1所述的设备，其中谐振器波导的总长度以满足能运行频率为25GHz或更大这个条件来确定。
6.如权利要求1所述的设备，其中谐振器波导，输入/输出波导，以及干涉仪组成了第一光谐振区；以及其中至少还有一个具有与第一光谐振区相同结构的附加的光谐振区以与第一光谐振区串联连接的方式被另外提供。
7.一种光波导设备，包括一个用作为光环谐振器的光谐振器波导；一个具有第一端和第二端的输入/输出光波导；输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；所述输入/输出波导定位在靠近谐振器波导的区域内；Mach-Zehnder干涉仪，其以如下方式形成包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；干涉仪，其具有一个第一光耦合器，它包含区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；以及一个第二光耦合器，它包含区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；其中所述第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在其第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；以及其中输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
8.如权利要求7所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位；其中所述温度控制器与第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠。
9.如权利要求7所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长；其中所述温度控制器与谐振器波导重叠。
10.如权利要求7所述的设备，其中所述谐振器波导由折射率比谐振器波导周围材料的折射率大百分之四或更高的材料制成。
11.如权利要求7所述的设备，其中谐振器波导的总长度是以满足能运行频率为25GHz或更大这个条件来确定。
12.如权利要求7所述的设备，其中谐振器波导，输入/输出波导，以及干涉仪组成了第一光谐振区；以及另外提供至少一个具有与第一光谐振区结构相同的光谐振区以与第一光谐振区串联的方式连接。
13.一种光波导设备，包括一个Mach-Zehnder干涉仪，它包含第一光耦合器，第二光耦合器，将第一光耦合器和第二光耦合器连接的第一光波导臂，以及一个以与第一波导臂交叉的方式将第一耦合器和第二耦合器连接起来的第二光波导臂；所述第一耦合器具有一个区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；所述第二耦合器具有一个区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；光谐振器波导，其用作为光环谐振器，以如下方式连接，该谐振器波导的一端连接至第一耦合器，它的另一端连接至第二耦合器；光输入波导，其以如下方式连接，该输入波导的一端连接至第一耦合器；以及光输出波导，其以如下方式连接，该输出波导的一端连接至第二耦合器；其中将第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；其中将输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
14.如权利要求13所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位；其中温度控制器与第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠。
15.如权利要求13所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长；其中温度控制器与谐振器波导重叠。
16.如权利要求13所述的设备，其中谐振器波导由折射率比谐振器波导周围材料的折射率大百分之四或更高的材料制成。
17.如权利要求13所述的设备，其中谐振器波导的总长度是以满足能运行频率为25GHz或更大这个条件来确定。
18.如权利要求13所述的设备，其中谐振器波导，输入/输出波导，以及干涉仪组成了第一光谐振区；其中至少还有一个具有与第一光谐振区结构相同的附加的光谐振区以与第一光谐振区串联连接的方式被提供。
19.一种光波导设备，包括一个Mach-Zehnder干涉仪，它包含第一光耦合器，第二光耦合器，位于第一光耦合器和第二光耦合器之间的第三光耦合器，连接第一耦合器和第三耦合器的第一光波导臂，一个以不与第一波导臂交叉的方式连接第一耦合器和第三耦合器的第二光波导臂，一个连接第二耦合器和第三耦合器的第三光波导臂，一个以不与第三波导臂交叉的方式连接第二耦合器和第三耦合器的第四光波导臂；所述第一耦合器具有一个区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；所述第二耦合器具有一个区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；所述第三耦合器具有一个区域内发生多模光干涉的第三多模光波导区；一个作为光环谐振器的光谐振器波导，它以如下方式连接，第一波导的一端连接至第一耦合器，它的另一端连接至第二耦合器；光输入波导，它以如下方式连接，该输入波导的一端连接至第一耦合器；以及光输出波导，它以如下方式连接，该输出波导的一端连接至第二耦合器；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第三多模波导区的第一连接侧与其光连接；其中第三波导臂的一端和第四波导臂的一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第三波导臂的另一端和第四波导臂的另一端在第三多模波导区的第二连接侧与其光连接；其中输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
20.如权利要求19所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制干涉仪的第一到第四波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位；其中温度控制器与第一到第四波导臂中至少一个波导臂重叠。
21.如权利要求19所述的设备，还包括一个温度控制器，用于控制谐振器波导剩余部分的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长；其中温度控制器与谐振器波导的剩余部分重叠。
22.如权利要求19所述的设备，其中所述谐振器波导由折射率比谐振器波导周围材料的折射率大百分之四或更高的材料制成。
23.如权利要求19所述的设备，其中谐振器波导的总长度是以满足能运行频率为25GHz或更大这个条件来确定。
24.如权利要求19所述的设备，其中所述谐振器波导，输入/输出波导，以及干涉仪组成了第一光谐振区；以及其中至少还有一个具有与第一光谐振区结构相同的附加的光谐振区以与第一光谐振区串联连接的方式被提供。
25.一种制作光波导设备的方法，包括下述步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以如下方式将核心层构图，以形成一个作为光环谐振器的单模光谐振器波导、一个具有第一端和第二端的单模光输入/输出波导，以及一个Mach-Zehnder干涉仪；其中将输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，并将输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；以及其中输入/输出波导定位在一区域内靠近谐振器波导；以及其中干涉仪以如下方式形成，它包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；以及其中干涉仪具有一个第一光耦合器，用于利用多模光干涉将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合；以及一个第二光耦合器，用于由于多模光干涉，将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图的核心层的步骤；在上覆层上形成加热层的步骤；以及附加地提供将加热层构图以形成一个与干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠的温度控制器的步骤；其中所述温度控制器用于控制第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。
27.如权利要求25所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图的核心层的步骤；在上覆层上形成一个加热层的步骤；以及附加地提供将加热层构图以形成一个与谐振器波导重叠的温度控制器的步骤；其中所述温度控制器用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长。
28.一种制作光波导设备的方法，包括下述步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以如下方式构图核心层，以形成一个作为光环谐振器的光谐振器波导、一个具有第一端和第二端的输入/输出光波导，以及一个Mach-Zehnder干涉仪；其中将输入信号光输入到输入/输出波导的第一端，将输出信号光从输入/输出波导的第二端输出；以及其中将输入/输出波导定位在一区域内靠近谐振器波导的位置；以及其中Mach-Zehnder干涉仪以如下方式形成，它包含位于所述区域内的，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分和作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分；以及其中干涉仪具有一个第一光耦合器，包含区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；以及一个第二光耦合器，包含区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；以及其中输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
29.如权利要求28所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤；在上覆层上形成一个加热层的步骤；以及将加热层构图以形成一个与干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠的温度控制器的步骤；其中，温度控制器用于控制第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。
30.如权利要求28所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤；在上覆层上形成一个加热层的步骤；以及将加热层构图以形成一个与谐振器波导重叠的温度控制器的步骤；其中，温度控制器用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长。
31.一种制作光波导设备的方法，包括下述步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以这种方式将核心层构图，以形成Mach-Zehnder干涉仪，一个作为光环谐振器的光谐振器波导，以及光输入波导和光输出波导；其中干涉仪包含第一光耦合器，第二光耦合器，将第一光耦合器和第二光耦合器连接的第一光波导臂，以及一个以与第一波导臂交叉的方式将第一耦合器和第二耦合器连接起来的第二光波导臂；其中第一耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；以及其中第二耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；以及其中光谐振器波导以如下方式连接，该谐振器波导的一端连接至第一耦合器，它的另一端连接至第二耦合器；以及其中输入波导以如下方式连接，该输入波导的一端连接至第一耦合器；以及其中输出波导以如下方式连接，该输出波导的一端连接至第二耦合器；以及其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接；以及其中输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
32.如权利要求31所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图的核心层的步骤；在上覆层形成一个加热层的步骤；以及附加地提供一个将加热层构图以形成一个与干涉仪的第一和第二波导臂中至少一个波导臂重叠的温度控制器的步骤；其中所述温度控制器用于控制第一和第二波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。
33.如权利要求31所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图的核心层的步骤；在上覆层上形成一个加热层的步骤；以及附加地提供一个将加热层构图以形成一个与谐振器波导重叠的温度控制器的步骤；其中所述温度控制器用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长。
34.一种制作光波导设备的方法，包括以下步骤在衬底上用第一材料形成一个下覆层；用折射率大于第一材料的第二材料在下覆层上形成一个核心层；以及以如下方式将核心层构图，以形成Mach-Zehnder干涉仪，一个作为光环谐振器的光谐振器波导，光输入波导，以及光输出波导；其中所述干涉仪包含第一光耦合器，第二光耦合器，位于第一光耦合器和第二光耦合器之间的第三光耦合器，连接第一耦合器和第三耦合器的第一光波导臂，一个以不与第一波导臂交叉的方式连接第一耦合器和第三耦合器的第二光波导臂，连接第二耦合器和第三耦合器的第三光波导臂，一个以不与第三波导臂交叉的方式连接第二耦合器和第三耦合器的第四光波导臂；以及其中第一耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第一多模光波导区；以及其中第二耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第二多模光波导区；以及其中第三耦合器具有在其区域内发生多模光干涉的第三多模光波导区；以及其中谐振器波导以如下方式连接，将第一波导的一端连接至第一耦合器，和将它的另一端连接至第二耦合器；以及其中输入波导以如下方式连接，将该输入波导的一端连接至第一耦合器；以及其中输出波导以如下方式连接，将该输出波导的一端连接至第二耦合器；以及其中第一波导臂的一端和第二波导臂的一端在第一多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第一波导臂的另一端和第二波导臂的另一端在第三多模波导区的第一连接侧与其光连接；以及其中第三波导臂的一端和第四波导臂的一端在第二多模波导区的第一连接侧与其光连接，而第三波导臂的另一端和第四波导臂的另一端在第三多模波导区的第二连接侧与其光连接；以及其中输入波导的一端在第一多模波导区的第二连接侧与其光连接，而输出波导的一端在第二多模波导区的第二连接侧与其光连接。
35.如权利要求34所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤；在上覆层上形成一个加热层的步骤；以及将加热层以这种方式构图，以形成一个与干涉仪的第一、第二、第三和第四波导臂中至少一个波导臂重叠的温度控制器的步骤；其中所述温度控制器用于控制第一、第二、第三和第四波导臂中至少一个波导臂的温度，进而控制在干涉仪内传输的信号光的相位。
36.如权利要求34所述的方法，进一步包括形成一个上覆层以覆盖构图核心层的步骤；在上覆层上形成一个加热层的步骤；以及附加地提供将加热层以这种方式构图，以形成一个与谐振器波导重叠的温度控制器的步骤；其中所述温度控制器用于控制谐振器波导的温度，进而控制在谐振器波导内传输的信号光的波长。
37.一种光波导设备，包括一个环型光波导；一个线性光波导，其以一定间隔定位于接近环型光波导；第一多模干涉光耦合器，其定位于接近环型光波导的线性波导的一部分；第二多模干涉光耦合器，其定位于接近环型光波导的线性波导的一部分；其中所述第一多模干涉光耦合器和第二多模干涉光耦合器形成Mach-Zehnder光干涉仪。
38.如权利要求37所述的设备，进一步包括温度控制器，用于控制在光干涉仪中传播的信号光的相位；其中所述温度控制器与光干涉仪内的环型光波导重叠。
39.如权利要求37所述的设备，进一步包括温度控制器，用于控制在光干涉仪中传播的信号光的波长；其中所述温度控制器与光干涉仪外的环型光波导重叠。
全文摘要
一种可将运行频率扩展到更高频率一边的光波导设备。该设备包括一个作为光环谐振器的单模光谐振器波导，一个在一区域内靠近谐振器波导设置的单模光输入/输出波导，以及一个Mach－Zehnder干涉仪，该干涉仪以如下方式形成它包括在所述区域内，作为其第一光波导臂的谐振器波导的一部分，以及作为其第二光波导臂的输入/输出波导的一部分。干涉仪具有第一光耦合器，用于由于多模光干涉，将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输入侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合；以及一个第二光耦合器，用于由于多模光干涉，将第一波导臂和第二波导臂与输入/输出波导的输出侧部分和谐振器波导的剩余部分光耦合。
文档编号G02F1/01GK1460869SQ0312374
公开日2003年12月10日 申请日期2003年5月19日 优先权日2002年5月17日
发明者山崎裕幸 申请人:日本电气株式会社