专利名称：包含空芯波导的整体光发射与光接收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光发射与光接收装置，具体涉及供电信系统及其类似系统使用的这类装置。
供基于电信网络的光纤使用的光发射与光接收系统是公知的。典型的发射系统包含若干光学部件(如激光器、光调制器、波长滤波器等)，所述的若干光学部件配置成可产生光强调制激光束用于传送信息。经调制的激光束耦合进一段光纤并被传送到远程的接收系统，所述的接收系统一般包含若干光学部件，所述的若干光学部件配置成可提取由经调制的激光携带的信息。
以前曾经利用被刚性地保持在适当位置的光学部件使光束在这些光学部件之间的自由空间内耦合，实现了发射和接收电路。然而，维持这样的部件所必需的对准可能是困难的，尤其是当装置遭遇机械振动时。利用短光纤将必需的光学部件通过光耦合起来也是公知的并且在本领域中更普遍。尽管这种实现手段提供了具有强度增大的电路，但是要使这样的装置紧凑是困难的。此外，与各种光纤接口相关联的光损耗可大大降低装置的性能并且主动将自由空间或光纤耦合部件对准的复杂度/成本也是很高的。
本发明的目的是减轻已知发射和接收系统的至少某些缺点。
按照本发明的第一方面，发射装置包含一个或多个激光器；通过所述的一个或多个激光器中的每一个对辐射输出进行光强调制的调制部件；以及输出由调制部件产生的调制辐射的输出部件，其特征在于，所述的装置包含在衬底上形成的空芯光波导，在使用中，所述空芯光波导将辐射从一个或多个激光器引导至调制部件并从调制部件引导至输出部件。
发射装置因此被设置成可用来产生调制光信号以进一步传输，例如，沿着光纤或穿过自由空间的传输。与现有技术的自由空间或光纤耦合系统相比，在衬底上形成的空芯波导内的光束引导提供了更紧凑和坚固的光学装置。与实芯波导相比，空芯波导还使更高的光功率能够被传输。此外，与现有技术的光纤耦合系统相比，光纤端面反射量被减少，从而减少了与装置相关联的光损耗。
应当注意空芯光波导结构形成时，其空芯中可能充满了空气。然而，这无论如何也不应被看成是对本发明范围的限制。空芯可包含任何流体(如液体或如氮等的惰性气体)或者是真空的。术语“空芯”仅仅意味着芯部缺少任何固体材料。此外，术语“光”和“光的”在这里被用来指任何波长范围从深紫外到远红外变化的电磁辐射。
其优点在于，一个或多个激光器和调制部件中至少一个是可便利地位于在衬底上形成的对准槽内的独立部件。换句话说，激光器和/或调制部件的光调制器是最好位于在衬底上形成的对准槽内的混合光学部件。将对准槽制成适当的形状以此接纳部件并且因此如必要可以比各种空芯光波导更深/更浅和/或更宽/更窄。弹簧夹或微型夹可用来确保部件位于适当的位置。
此外，还可以足够的精度制作对准槽以使其容纳的光学部件对准。把光学部件放进这样的对准槽将因此自动地校准光学部件并且不需要部件对准或调节步骤。换句话说，本发明可提供光学部件的被动对准而不是需要其中部件位置被调节(如通过手)直至获得想要的对准这样的主动对准。在电子电路制造中使用的传统的摘嵌(pick and place)技术及其类似的技术可用来将光学部件放进相关联的对准槽。另外，摘嵌技术可提供必要的对准。例如，在被放置并且接着被固定(如粘合)时部件可被精确对准以此保持准直。表面张力对准技术(如回流焊接)还可用来对准如激光器等部件。
对准槽和(尤其是)光学部件的制造可带有一定尺寸的公差。随着光学部件相对于空芯波导的对准角度误差的增加，光学部件和相关联的空芯光波导之间的耦合效率将降低。然而，空芯波导截面尺寸的减少将增加可接受的角度对准公差，虽然是以由减少的芯部尺寸和增加的(更紧的)横向对准公差引起的光波导中轻微增加的损耗为代价。因此，获得的对某种光学部件的对准公差的了解(例如，由对光学部件制造公差的了解而获得)将使空芯波导的尺寸可被选择以确保高耦合效率。还可使用这种类型的对准槽容纳下述的各种光学部件(如光隔离器、透镜、光束组合部件、检测器、波长滤波器等)。
其便利在于，一个或多个激光器和一个或多个光调制器中的至少一个是在衬底上形成的整体部件。因此，如果衬底使用适当的材料，则一个或多个激光器和一个或多个光调制器中任何一方可整体地在衬底内/中形成。正如下面关于盖部/底部配置所描述的，衬底可包含由在其中可形成整体部件的材料(如GaAs)组成的区域。也可采用将混合和整体部件组合的方式。
其优点在于，输出部件配置成可将调制辐射耦合进至少一条输出光纤。输出部件最好包含至少一个光纤接合部件，以将光纤光学且机械地接合到所述装置。每个光纤接合部件可包含对准槽或V形槽，它们在衬底上形成并配置成可将实芯光纤固定在适当位置上，从而使光输入/输出端与所述装置接通。也可设置阶梯式光纤对准槽用来保持缓冲层和包层。也可设置弹簧夹或微型夹以确保光纤位于适当的位置。
通过例如在对准槽内夹住光纤包层来实现空芯光纤的芯部和所述装置的空芯波导的对准同样是有利，因为空气芯到空气芯的连接不会有任何不必要的反射。然而，本领域技术人员会认识到空芯光纤的使用可能只对多模波导应用是可行的。
为了在光纤的芯部和光路的空芯波导之间提供有效的耦合，空芯波导的截面应当适合于光纤芯部的截面。在实芯光纤的场合，泄漏进包层意味着光纤传送的模宽实际上大于芯部的直径；例如，通常单模玻璃光纤的10μm实芯具有约14μm直径的总场宽。
如果光纤的模宽不同于空芯波导，则至少一个光纤接合部件配置成可接纳带透镜的输出光纤是有利的。带透镜的光纤使光场适当地扩大或缩小，以使光束耦合到芯部尺寸不同于空芯波导的光纤。
至少一个光纤接合部件包含模匹配部件也是有利的。该模匹配部件可包含位于衬底上的、用来根据需要从光纤端面缩小/扩大光场的分立透镜(如球形或GRIN棒状等)。透镜可带有减反射涂层。作为备选或另增的方式，该模匹配部件可包含楔形空芯波导部分，从而当其穿过装置时可扩大或缩小光场。
其便利在于，所述装置包含一个激光器。单波长调制的激光输出接着被耦合进比如单条光纤。所述装置因此设置了独立的单波长发射模块。本领域技术人员会了解这样的模块可与其它单波长发射模块(可能也是本发明的)设在一处，其输出通过光纤输送至光束组合器。
其优点在于，可设有多个激光器。一般地，每个激光器将带有一个相关联的光调制器，以使独立的数据被各激光器产生的光束传输。其便利在于，所述多个激光器中的每一个可具有不同的输出波长，以使所述装置可用来生成两个或多个用于沿单条光纤传输的波长通道。
还可设置光束组合部件，这是有利的。该光束组合部件配置成可将多束调制光束组合成组合光束，其中所述的组合光束耦合进单条输出光纤。如此，若干个波长通道可沿着单个传输光纤传输。
其便利在于，所述多束调制光束中的每一束耦合进多条输出光纤中的一条。还可设置独立的(如与光纤连接的)光束组合部件，以组合由所述装置的各条独立输出光纤传送的多个单波长通道。
其优点在于，所述一个或多个激光器中的一个是半导体激光器并且所述半导体激光器最好是波长可调半导体激光器。至少一个波长可调激光器的使用为所述装置设置的波长通道提供了灵活性。对于电信应用来说，激光器的波长输出通常在1.4μm至1.6μm的电信波长范围内。
其优点在于，设有一个或多个检测器用来监测所述的一个或多个激光器的辐射输出强度。可设有光抽头来从空芯光波导中抽取光束并送往检测器。所述光抽头可以是分光器或者是在GB2003/000331和GB2003/000370中所描述类型的空心多模干涉(MMI)器，这是有利的。
其便利在于，所述装置还包含至少一个光隔离器。所述光隔离器的设置确保了所述装置内的反射不会回授到激光器，在该处反射可被进一步放大。也可使用激光器和光隔离器的组合件。
由某些类型的激光器(尤其是半导体激光器)提供的输出具有由激光器结构指定的某种波束形状。因此，设置一个或多个波束整形部件是有利的。波束整形部件将使波束形状与可耦合进相关联的空芯光波导的最优波束形状相配。这还可减少所述装置的光损耗。
其优点在于，所述激光波束整形部件中的至少一个包含一个或多个透镜。例如，可使用柱面透镜或球形透镜。波束整形部件中的至少一个可同时或选择地包含楔形空芯光波导。楔形可以是一维或是两维的。例如，在矩形截面波导的场合，波导宽度可以逐渐变细而波导深度不变。
还可在所述装置的各种部件之间设置若干波束整形部件。例如，半导体激光器可产生3μm×10μm的激光束，该激光束被整形成半径为4μm的光束以最佳地通过光调制器。在通过光调制器后，光束可被再次整形以优化进入光纤的耦合效率。
其便利在于，所述的调制部件包含一个或多个光电调制器。例如，砷化镓(GaAs)光电调制器。可使用若干可选用的调制器(如铌酸锂体调制器或电吸附调制器(EMA))。一般地，数字控制信号被施加于调制器以使数字光强调制(即0或1)被施加于关联激光器的输出。
按照本发明的第二方面，发射装置包含至少一个能够产生光强调制辐射的激光器和用来将激光器产生的辐射耦合进至少一条输出光纤的输出部件，其特征在于，所述装置包含在衬底上形成的空芯光波导，在使用中，所述的空芯光波导将辐射从至少一个激光器引导到至少一条光纤。
发射装置设置成用经调制的激光器产生沿光纤传输的经调制的光信号。与现有技术的自由空间或光纤耦合系统相比，在衬底上形成的空芯波导内的光束引导提供了更紧凑和坚固的光学装置。与实芯波导相比，空芯波导还使更高的光功率被传输。此外，与现有技术的光纤耦合系统相比，光纤端面反射量被减少，从而减少了与所述装置相关联的光损耗。
输出部件可包括至少一个光纤接合部件。至少一个光纤接合部件可配置成用来接纳带透镜的输出光纤(这是有利的)，并且/或者可包含上述模匹配部件。
按照本发明的第三方面，接收装置包含一个或多个检测器和一个或多个光纤接合部件，一个或多个光纤接合部件配置成可接纳一条或多条光纤，其特征在于，通过在衬底上形成的至少一个空芯光波导，辐射从一条或多条光纤被引导至一个或多个检测器。
接收装置被设置成可检测从光纤接收的光调制信号并将这样的信号转换成电模拟信号。与现有技术的自由空间或光纤耦合系统相比，在衬底上形成的空芯波导内的光束引导提供了更紧凑和坚固的光学装置。与实芯波导相比，空芯波导还使更高的光功率被接收。此外，与现有技术的光纤耦合系统相比，光纤端面反射量减少，从而减少了与所述装置相关联的光损耗。
光纤接合部件可包括上述的用于发射装置的任何光纤接合部件。
其优点在于，所述装置包含能使多重光信号(如不同波长通道)被检测的多个检测器。所述装置可包含配置成可接纳多条光纤的多个光纤接合部件；所述多条光纤中的每一条可接着被引导至多个检测器中的一个。
或者，可便利地设置一个光纤接合部件，所述的光纤接合部件配置成可接纳输送包含有多个不同波长通道的辐射的一条光纤。所述装置还可有利地包含波长解复用部件，所述的波长解复用部件配置成可分离所述的不同波长通道并将每个波长通道引导至多个检测器中的一个。换句话说，所述装置执行检测和解复用功能。
其优点在于，设有至少一个可变光衰减器并且配置成使得从所述至少一条光纤接收到的辐射的衰减可控。
其便利在于，还设有至少一个波长选择滤波器以确保只有所需波长的辐射被引导至检测器。
其优点在于，至少一个光纤接合部件包含模匹配部件；例如，与发射装置有关的上述类型的模匹配部件。至少一个光纤接合部件可便利地配置成可接纳带透镜的光纤。
按照本发明的第四方面，所设置的发射/接收装置包含本发明第一或第二方面的发射装置和本发明第三方面的接收装置。其优点在于，所述的发射装置和接收装置在一共同的衬底上形成，从而形成了集成的发射/接收装置。该集成的发射/接收装置还可包含解复用器和/或复用器。还可设有旁路空芯波导。
其优点在于，所述装置在包含半导体材料的衬底上形成。采用微制造技术可便利地蚀刻半导体衬底(如硅)以提供高精度的空芯波导。衬底可有利地包含多层晶片；例如SiGe、绝缘体基硅(SOI)、硅玻璃或硅基砷化镓。本领域技术人员会认识到微制造技术通常包括确定图案的光刻步骤，随后是将图案迁移至衬底材料上/内的一层或多层的蚀刻步骤。光刻步骤可包括光蚀刻、X射线或电子束光刻。蚀刻步骤可利用离子束加工、化学蚀刻或等离子干法蚀刻。其优点在于，可通过深度反应离子蚀刻(还称为干法深蚀刻或硅深蚀刻)构成光路。这种类型的微制造技术还可与各种层淀积技术(如溅射、CVD和电镀)相配合。
尽管可有利地使用包含半导体材料的衬底，所述装置还可在各种可选用的衬底上形成。例如，可使用石英、硅石或玻璃衬底。其便利在于，本发明使用的衬底容易使半导体处理技术得以应用。应当注意的是尽管半导体处理技术按其定义被开发而用于半导体衬底，但是这些技术也可有利地用于不需要衬底之半导体特性的某些非半导体衬底。
其优点在于，所述装置的空芯光波导具有基本为矩形(这里包括正方形)的截面。正方形或几乎正方形截面的空芯波导提供了其中的损耗基本上与偏振无关的波导，在光束的偏振状态未知或变化时被优选。深度大于宽度的波导尺寸设定会增加偏振相关损耗，但是当波导中传播的光束的偏振状态已知时，这可能是有利的。尽管矩形截面波导是适宜的，但是还有许多可选的波导形状是可供利用的。例如，可设置圆形的、椭圆形的、菱形的或V型的波导。
其优点在于，空芯光波导尺寸设定成优先引导以基模传播的辐射(即，高次模被波导高度衰减)。另外，空芯光波导还可配置成支持多模传播，而所述的装置可配置成使光以只激励其中基模的方式耦合进波导。对于1.4μm至1.6μm的电信波长范围内的光来说，多模空芯光波导的截面尺寸优选大于50μm，更优选大于100μm，最优选大于150μm。
其便利在于，空芯波导的内表面带有反射涂层。反射涂层的材料可以是金属层(如金、银或铜)。金属将在由金属的物理性质所规定的波长范围内表现出适当的低折射率；比如由伦敦E.D.PalikAcademic Press1998年出版的“光学常数手册”(“the handbook ofoptical constants”by E.D.Palik，Academic Press，London，1998)这样的标准教科书提供了有关各种材料的波长相关折射率的精确数据。更具体地说，在约500nm至2.2μm的波长范围内，金具有小于空气的折射率；这包含了1400nm至1600nm的重要电信波段范围内的波长。在560nm至2200nm的波长范围内，铜具有小于1的折射率；而在320nm至2480nm的波长范围内，银具有相似的折射率。
可利用本领域技术人员已知的各种技术进行金属层的淀积。这些技术包括溅射、蒸发、化学汽相淀积(CVD)以及电镀或非电镀覆。CVD和镀覆技术使金属层在无明显与方向相关的厚度变化的情形下被淀积。将试样和/或源旋转的溅射还可提供更平坦的涂层。当允许采用批(即多衬底并行)处理时，镀覆技术尤其有利。尤其是，选用非电镀覆以达到良好的一致性。
本领域技术人员将认识到可在金属层淀积之前先淀积黏附层和/或扩散阻挡层。例如，在淀积金之前先提供铬或钛金属层作为黏附层。还可在淀积金之前先在黏附层上淀积扩散阻挡层(如铂)。或者，也可使用黏附与扩散组合层(如氮化钛、钛钨合金或绝缘层)。
反射涂层还可由包含任何一层或多层的金属、电介质或半导体的叠层(例如电介质叠层或金属-电介质叠层)提供。任何多重叠层的反射特性也可在某种程度上依赖于在其上淀积的基层材料的特性。因此，衬底材料也可形成底层，成为任何这种多重叠层中的一部分。
在电介质叠层的场合，本领域技术人员会认识到电介质层的光学厚度提供了将确定涂层反射特性的干涉作用。可通过CVD或溅射或反应性溅射来淀积电介质材料。或者，也可通过与已淀积的金属层的化学反应来形成电介质层。例如，银金属层可经过化学反应而生成卤化银表面薄层。
如果设置反射涂层，则可用来形成衬底的材料种类就大大增加。例如，可通过包括热模压印浮雕图案或热压铸的技术来制作塑料波导装置。这些技术包括形成原版(master)。原版可利用深度干法蚀刻在半导体材料(如硅)中形成。另外，原版也可用LIGA或UV LIGA技术由淀积层构成。一旦原版形成，空芯波导就可通过压印(即压制)或热印在塑料衬底内形成。原版还可制成适合于构成副原版，所述的副原版可用来在塑料衬底内形成空芯波导。于是，空芯塑料波导可制成并被涂敷反射涂层。带有反射涂层的塑料空芯波导还可由塑料或聚合物构成。例如，可利用在“自旋涂敷”聚合物涂层(例如Microchem.公司可提供的SU8)上进行光刻来形成空芯波导。
其便利在于，衬底包含底部和盖部。换句话说，两片材料可结合而形成所述装置的空芯波导结构。制成底部的材料可以不同于盖部。这将使比如空芯波导和某些光学部件在底部(如由硅制成的)形成，而某些电子的和/或光电部件(光电二极管或激光器等)在GaAs盖部形成。或者，所有光学部件和通道可在底部形成，而由基本平坦的材料片形成盖部；在装配期间，这种布置将不需要任何盖部/底部对准步骤。这种布置为生产必要的空芯波导提供了便利的方法，在PCT专利申请GB2003/000331中对此作了详细描述。
现在，仅通过举例的方式并参考下列附图对本发明进行描述，其中
图1表示本发明的空芯波导发射模块，图2表示本发明的空芯波导接收模块，图3表示在多波长光通信系统中使用的若干发射模块和接收模块，以及图4说明如何将这样的装置用作多波长光通信网络中的中间节点。
参看图1，可看到本发明的发射模块2包含多个光学部件；即半导体激光源4、第一检测器6、光隔离器8、GaAs光电调制器10、分光器12、第二检测器14和球形透镜16。光学部件被固定在于硅衬底18的底部形成的对准槽内。空芯光波导20也在衬底18的底部形成，并配置成通过光来链接各种光学部件。
在使用中，激光源4生成的光束经由空芯光波导耦合进第一检测器6，并且还耦合进光隔离器8。穿过光隔离器8和两个球形透镜16之后，光束被GaAs光电调制器10调制。少量经调制的光经由分光器12被发送至第二检测器14，而剩余的经调制的光被耦合进带透镜的光纤22。第一检测器6使原始的激光输出功率可被监测，而第二检测器14设置成可监测经调制的激光束的强度。
图2示出的是本发明的接收模块30。接收模块30包含若干光学部件，即检测器32和滤波器34。所述光学部件被固定在于硅衬底38的底部形成的对准槽内，并且空芯光波导40通过光来链接各种光学部件。
在使用中，来自带透镜的输入光纤42的经调制的光被耦合进空芯光波导40并被引导至检测器32，在该处光束携带的经调制的信号被转换成电信号。
发射和接收模块的空芯光波导用衬底形成，所述的衬底具有底部和盖部；例如，图2中接收器的剖面图所示的底部38a和盖部38b。一般地，在底部设有对准槽以此接纳光路的各种独立光学部件。可以足够的精度设置对准槽以在将光学部件放进各自对应的槽中时光学部件能够自校准。这种被动对准确保了在部件连接之前无需主动对准步骤即可使光学部件相对于衬底的空芯波导被对准。本领域技术人员会了解某些光学结构可与衬底整体地形式。
为了完全确定空芯波导，盖部可仅包含被连接(如使用环氧树脂层粘合的)到底部的基本平坦的材料片。另外，光学部件或结构(如与底部光学部件对应的空腔)可在盖部形成或附着在盖部上。盖部也可由不同于底部的材料制成。例如，底部可由硅制成，而盖部由GaAs制成。这将使对准槽在硅底部形成，而控制电子部件和/或光电部件(如光电二极管、激光器等)在GaAs盖部形成。
使用多段空芯光波导耦合各种光学部件，减少了与光纤耦和系统相关联的光损耗并且去掉了与自由空间系统相关联的色散效应。此外，在共同的衬底上形成空芯光波导和对准槽使得光学部件与空芯光波导可精确对准，从而使光学效率达到最大。
参看图3，示出的是如何利用图1所示类型的多个发射模块2a-2d和图2所示类型的多个接收模块30a-30d来实现多波长光通信网络。该通信网络包含发射部分50和接收部分52。
发射部分50包含配置成可产生波长为λ1的辐射的第一发射模块2a、配置成可产生波长为λ2的辐射的第二发射模块2b、配置成可产生波长为λ3的辐射的第三发射模块2c以及配置成可产生波长为λ4的辐射的第四发射模块2d。对每束光的强度进行调制以此可传送信息。
四束光强调制光束(λ1至λ4)从它们各自对应的发射模块经过短光纤段54a-54d传送至复用器56。该复用器56配置成可将光束组合并将其耦合进单条传输光纤58。该传输光纤58可长达若干公里，并且如果需要可沿该光纤长度的多个点处设置一个或多个放大节点(如掺铒放大器)(图中未示出)。在代理人的索引号为QIP/P7294的同时待审的GB专利申请中对一种适当的空芯EDFA作了描述。
接收部分52包含解一个复用器60，该解复用器60接收来自传输光纤58的组合(λ1至λ4)光束并分离出四个波长分量。短光纤段62a-62d用来将波长为λ1的辐射耦合进第一接收模块30a、将波长为λ2的辐射耦合进第二接收模块30b、将波长为λ3的辐射耦合进第三接收模块30c并将波长为λ4的辐射耦合进第四接收模块30d。每个接收模块将经光强调制的信号转换成电信号。
发射部分和接收部分各用硅衬底制成；一般地，所述衬底包含底部(在底部形成光学部件和波导通道的对准槽)和盖部。与现有技术的、包含若干独立封装并通过多段光纤链接的部件(如激光器、光隔离器、调制器等)的系统相比，这种配置使每一部分都明显减小。与现有技术的光纤耦合系统相比，本发明的发射器和接收器的制作比较简单，并且利用自动“摘嵌”制造技术就可实现。
尽管图3表示的是同独立的发射/接收模块一起使用的独立的光纤耦合的复用/解复用部件，但是也可在形成相关联的发射或接收模块的相同衬底上形成/设置这样的部件。在待批的GB专利申请0306634.7中对可利用空芯光波导实现的复用器和解复用器作了详细描述。在这样的配置中，可用在衬底上形成的空芯光波导代替光纤54和62。这种配置还减少了所述系统的光损耗。
尽管上面描述的是四波长系统，但是本领域技术人员当会了解根据需要可使用更少或更多数量的波长通道。此外，尽管图3所示系统被配置成单向传输数据，但是实现双向数据发送/接收系统也是可能的。例如，组合的发射/接收部分可包含图1所示类型的一个或多个发射模块以及图2所示类型的一个或多个接收模块。
参看图4，示出的组合的发射/接收装置70设在沿着配置成可传送比如10个不同波长(λ1至λ10)的信号波束的多波长光纤传输线72的一点处。一个分接解复用器(drop demultiplexer)74配置成可将10个信号波束中的多达3个引导至发射/接收装置70，并且插接复用器(add multiplexer)76配置成可将3个波束加起来并引导至光纤传输线。
所述发射/接收装置包含接收级78和发射级80。接收级78包含图2所描述类型的3个接收模块30a-30c，发射级80包含图1所描述类型的3个发射模块2a-2c。接收级和发射级在共同的衬底82上形成，从而与可能使用多个光纤耦合部件相比可提供更紧凑的配置。
在使用中，所述分接解复用器从光纤传输线72分离出多达3个波长通道(比如λ1、λ3和λ4)并经由光纤73a-73c将每个波长引导至相关联的接收模块30a-30c。在此例中，波长λ1被引导至第一接收模块30a、波长λ3被引导至第二接收模块30b、波长λ4被引导至第三接收模块30c。
每个接收模块30a-30c提取经调制光束中携带的信息并输出携带该信息的电信号(E1、E3和E4)。一般地，这样的信息将包含数字编码数据。发射模块2a-2c各配置成可接收数字编码电信号(E1′、E3′和E4′)形式的数据，并将电信号转换成经光强调制的光束λ1′、λ3′和λ4′。这些光束接着经由光纤78a-78c通过插接复用器76而光耦合进传输光纤传输线72。
这样，能够从光纤传输线72中分离出作为波长λ1、λ3和λ4传送的数据并插入携带不同数据的光束λ1′、λ3′和λ4′。光束λ2和λ5-10全部绕过发射/接收装置70。
新生成的光束λ1′、λ3′和λ4′必须是和被抽取的光束λ1、λ3和λ4的波长相同，或者配置成不是已用来将数据传过光纤的波长。换句话说，任何回授进光纤传输线的光束必须和已经传过(且未被抽取的)光纤的任何光束的波长不同。因此，如果在发射模块中激光的波长是固定的，则只能使用该模块使光束加到传输光纤，其条件是相应波长的光束已从光纤中抽出或未在第一位置穿过光纤。如果需要的话，可用可调激光来构成发射级80的发射模块中的一个或多个，以使发射模块能输出若干不同波长中的任何一个。这增加了装置的灵活性。
还应注意分接解复用器74、插接复用器76和发射/接收装置70全都可以在共同的衬底上形成。例如，可使用光学插/分复用器(OADM)或者可重配置的光学插/分复用器(ROADM)。在这样的配置中，空芯光波导可在衬底上形成，以代替光纤73和78并将旁路光束从分接解复用器传送到插接复用器。这进一步减少了光损耗并增加了布置的紧凑性。
所述装置也可将尺寸设定得可利用与多模波导同时存在的所谓“再次成像”现象。光学部件之间的长度可选择成为空芯光波导的再次成像长度(或其倍数)，以使得(对于已知截面尺寸的多模波导而言)输入光束轮廓的图像在部件附近重现。
其它文献中有对再次成像效应的详细描述，例如，PCT专利申请GB2003/000331。简而言之，已经发现通过将波导的长度设计得与其宽度和深度具有适当的关系，多模波导(具体地说是具有矩形截面的波导)就可设计成造成给定波长的对称、反对称或非对称光场的再次成像。换句话说，输入光束的高斯输入轮廓在沿已知波导传播一定距离之后被再次成像(即重现)。这种效果还产生了光束复制(beam replication)，即在比再次成像的长度短的距离上形成光束的多重图像。这些效应在US5410625中有过描述，它提供了多模干涉(MMI)光分离器的基础。
作为一例，考虑正方形截面波导中的对称场。正方形截面波导中的对称场的再次成像长度由“波导宽度的平方除以传播辐射的波长”给出。对称场的再次成像在再次成像长度和再次成像长度的若干倍处发生。因此对于50.0μm宽的空芯波导和1.55μm的辐射，再次成像长度为1.613mm。对称场在这个长度上并且在这个长度的整数倍处(即3.23mm、4.84mm等)再次成像。例如，来自单模光纤的TEM00高斯输入光束在1.613mm的距离处再次成像。
或者，对于非对称场的情形，再次成像发生在8倍于对称场再次成像所需的长度处(即对于50μm宽的空芯波导为12.09mm)。非对称视场的镜像在该长度的一半处(即6.05mm)形成。更具体地说，将输入偏离多模区中心线可提供这样的非对称输入，该输入沿波导在中心线两侧以相等的偏移量在预定距离处再次成像。
在波导的深度和宽度基本上不同的矩形波导的场合，与两个波导截面尺寸(如深度和宽度)相关联的再次成像长度本身是不同的。然而，通过将矩形空芯波导尺寸之间的关系配置成使得对于特定宽度和深度在同一长度处产生再次成像，任何视场可被再次成像。因此，通过将与宽度w1和w2的轴线相关联的再次成像长度配置成相同，对称场可在空芯矩形波导内被再次成像。也可使用楔形光波导来让光束扩大和缩小。
再次成像的实现具有下列优点为了在空芯波导和相关联的光纤之间耦合光束，不需要对准部件(如透镜)。
权利要求
1.一种发射装置，包含一个或多个激光器、通过所述一个或多个激光器中的每一个对辐射输出进行光强调制的调制部件以及用于输出由所述调制部件产生的经调制辐射的输出部件，其特征在于，所述装置包含在衬底上形成的空芯光波导，在使用中，所述空芯光波导将辐射从所述一个或多个激光器引导至所述调制部件，并从所述调制部件引导至所述输出部件。
2.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个激光器和所述调制部件中至少一方为独立部件。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述独立部件位于在所述衬底上形成的对准槽内。
4.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个激光器和所述调制部件中至少一方是在所述衬底内形成的整体部件。
5.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述输出部件配置成可使所述经调制辐射耦合进至少一条输出光纤。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述输出部件包含至少一个光纤接合部件。
7.如权利要求6所述的装置，其中，至少一个光纤接合部件配置成可接纳带透镜的输出光纤。
8.如权利要求6所述的装置，其中，至少一个光纤接合部件包含模匹配部件。
9.如前面任一权利要求所述的装置，所述装置包含一个激光器。
10.如前面权利要求1至8中任一项所述的装置，所述装置包含多个激光器。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述多个激光器中的每一个具有不同的输出波长。
12.如权利要求11所述的装置，其中，另外设有光束组合部件，以使多束经调制光束组合成组合光束，其中所述输出部件配置成可使所述组合光束耦合进单条输出光纤。
13.如前面权利要求10至11中任一项所述的装置，其中，所述输出部件配置成可使所述多束调制光束中的每一束耦合进多条输出光纤中的一条。
14.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述一个或多个激光器中的一个为半导体激光器。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述半导体激光器是波长可调半导体激光器。
16.如前面任一权利要求所述的装置，其中，设有一个或多个检测器来监测所述一个或多个激光器的辐射输出强度。
17.如前面任一权利要求所述的装置，所述装置还包含至少一个光隔离器。
18.如前面任一权利要求所述的装置，其中设有一个或多个波束整形部件。
19.如权利要求18所述的装置，其中，所述波束整形装置中的至少一个包含一个或多个透镜。
20.如前面权利要求18至19中的任一项所述的装置，其中，所述波束整形装置中的至少一个包含楔形空芯光波导。
21.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述调制部件包含一个或多个光电调制器。
22.一种发射装置，包含能够产生经光强调制的辐射的至少一个激光器和用以使所述激光器产生的辐射耦合进至少一个输出光纤的输出部件，其特征在于，所述装置包含在衬底上形成的空芯光波导，在使用中，所述空芯光波导将辐射从所述至少一个激光器引导至所述至少一条光纤。
23.一种接收装置，包含一个或多个检测器和一个或多个光纤接合部件，所述一个或多个光纤接合部件配置成可接纳一条或多条光纤，其特征在于，通过在衬底上形成的至少一个空芯光波导，辐射从所述一条或多条光纤引导至所述一个或多个检测器。
24.如权利要求23所述的装置，所述装置包含多个检测器。
25.如权利要求24所述的装置，其中，设有多个光纤接合部件用来接纳多条光纤。
26.如权利要求25所述的装置，其中，在使用中，来自所述多条光纤中的每一条的辐射被引导至所述多个检测器中的一个。
27.如权利要求24所述的装置，其中，设有一个光纤接合部件，所述光纤接合部件配置成可接纳一条传送包含多个不同波长通道的辐射的光纤。
28.如权利要求27所述的装置，还包含波长解复用部件，所述波长解复用部件配置成可分离所述的不同波长通道并将各波长通道引导至所述多个检测器中的一个。
29.如前面权利要求23至28中任一项所述的装置，还包含至少一个可变光衰减器，它配置成可提供对从所述至少一条光纤接收的辐射的可控衰减。
30.如前面权利要求23至29中任一项所述的装置，还包含至少一个波长选择滤波器。
31.如前面权利要求23至30中任一项所述的装置，其中，至少一个光纤接合部件包含一个模匹配部件。
32.如前面权利要求23至31中任一项所述的装置，其中，至少一个光纤接合部件配置成可接纳一个带透镜的光纤。
33.一种发射/接收装置，包含如权利要求1至22中任一项所述的发射装置和如权利要求23至32中任一项所述的接收装置。
34.如权利要求33所述的装置，其中，所述发射装置和所述接收装置在共同的衬底上形成。
35.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述衬底包含半导体材料。
36.如权利要求35所述的装置，其中，所述衬底包括绝缘体基硅(SOI)晶片。
37.如前面任一权利要求所述的装置，所述装置通过微制造技术制成。
38.如权利要求37所述的装置，其中，所述微制造技术包含深度反应性离子蚀刻。
39.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述空芯光波导基本上为矩形截面。
40.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述空芯光波导的尺寸设定成优先引导以基模传播的辐射。
41.如前面权利要求1至39中任一项所述的装置，其中，所述空芯光波导的尺寸设定为优先引导以多模传播的辐射。
42.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述空芯光波导的内表面有反射涂层。
43.如前面任一权利要求所述的装置，其中，所述衬底包含底部和盖部。
44.一种基本上如本说明书中参照图1和图3描述的发射模块。
45.一种基本上如本说明书中参照图2和图3描述的接收模块。
46.一种基本上如本说明书中参照图4描述的发射/接收模块。
全文摘要
所描述的发射装置(2)包含一个或多个激光器(4)、通过所述一个或多个激光器(4)的每一个对辐射输出进行光强调制的调制部件(10)以及用于输出由调制部件产生的经调制辐射并使之进入比如光纤(22)的输出部件。所述装置包含在衬底(8)上形成的空芯光波导(20)，在使用中，空芯光波导(20)将辐射从一个或多个激光器(4)引导至调制部件(10)并从调制部件(10)引导至输出部件。所描述的关联接收装置(30)包含一个或多个检测器(32)和一个或多个光纤接合部件，所述一个或多个光纤接合部件配置成可接纳一条或多条光纤(42)。所述接收器的特征在于，通过在衬底上形成的至少一个空芯光波导(40)，辐射从所述一条或多条光纤(42)被引导至所述一个或多个检测器(32)。还示出了组合的接收/发射装置(70)。
文档编号G02B6/12GK1860392SQ200480027987
公开日2006年11月8日 申请日期2004年7月23日 优先权日2003年7月28日
发明者M·E·麦尼, R·M·詹金斯, J·麦奎兰 申请人:秦内蒂克有限公司