專利名稱：平坦化光相位陣列通帶的分段波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及形成在芯片上的集成光學(xué)器件。具體的說，本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)色散光學(xué)結(jié)構(gòu)，比如陣列波導(dǎo)多路分用/開關(guān)元件。
背景技術(shù)：
陣列波導(dǎo)(AWG)多路復(fù)用器，也稱作光相位陣列(phasar)，已經(jīng)成為很多光學(xué)系統(tǒng)特別是波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)中很重要的組成部分。WDM網(wǎng)絡(luò)使用單個(gè)光纖來運(yùn)載多種不同波長(zhǎng)處的光學(xué)載波，每種光學(xué)載波被用其自己的數(shù)據(jù)信號(hào)來進(jìn)行調(diào)制。電子器件和光電器件一般都限于每秒10-40吉比特每秒(Gbs)的數(shù)據(jù)率。在WDM中，通過在光纖末端處采用適當(dāng)?shù)墓鈴?fù)用和去復(fù)用，可在波長(zhǎng)分離的載波上并行地操作電子器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖帶寬更好地利用，光纖帶寬可以高達(dá)300兆兆赫茲(THz)。WDM能用光學(xué)載波的數(shù)目來有效地倍增光纖的傳輸容量。
一種WMD通信系統(tǒng)的例子示出在圖1中。多個(gè)(N個(gè))電子數(shù)據(jù)信道進(jìn)入一個(gè)發(fā)送器10，調(diào)制各個(gè)發(fā)光器比如具有N個(gè)相應(yīng)自由空間輸出載波波長(zhǎng)λ1，λ2，…λN的激光器12。WDM信道的數(shù)目N逐漸增加至64或更多。這些波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的光頻，fi＝c/λi，其中c是光速，從而產(chǎn)生N個(gè)頻率f1，f2…fN。方便地，這些頻率被設(shè)置成WDM梳形頻譜，該頻譜具有以基本恒定的信道間(Inter-channel)間隔分開的相鄰波長(zhǎng)f1，f2…fN，其中該信道間間隔由下式給出Δfs＝fi+1-fi(1)典型的信道間隔Δfs是100GHz。由于這些頻率被狹窄地隔開，因此有時(shí)用波長(zhǎng)間隔來表示該信道間隔比較容易，波長(zhǎng)間隔大致由下式給出Δλs=λ2cΔfs-----(2)]]>在中心波長(zhǎng)是1550nm和信道頻率間隔是100GHz的情形中，信道波長(zhǎng)間隔Δλs大約是0.8nm。光波分復(fù)用器14組合不同波長(zhǎng)的光信號(hào)并將合成信號(hào)輸出到單個(gè)光纖16上。光接收器20包括一個(gè)波分去復(fù)用器22，該波分去復(fù)用器22根據(jù)收到信號(hào)的光波長(zhǎng)將該收到的信號(hào)分給依據(jù)相同波長(zhǎng)分配λ1，λ2，…λN的N個(gè)光探測(cè)器24。由于通常在無(wú)源系統(tǒng)中存在的互逆性，因此波分去復(fù)用器可基本與波分復(fù)用器相同，只是把輸入和輸出反置。
另外，可以在發(fā)送器和接收器20間的光路16上插入一個(gè)光學(xué)分插復(fù)用器(ADM)30。該光學(xué)分插線路30從光纖16上的光信道移除一個(gè)或多個(gè)處于波長(zhǎng)λAD的波長(zhǎng)信號(hào)，并將一個(gè)或許包含有不同信息但處于相同光載波波長(zhǎng)λAD的光數(shù)據(jù)信號(hào)插回至光纖16上。一般地，采用非常類似WDM14、22的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該ADM30。
全光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被提出，在全光網(wǎng)絡(luò)中具有很多節(jié)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)被一種功能上無(wú)源的網(wǎng)絡(luò)連接，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括一個(gè)發(fā)送器10和一個(gè)接收器20，該功能上無(wú)源的網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間依照其波長(zhǎng)來路由(route)信號(hào)。在這種全光網(wǎng)絡(luò)中的這些路由元件需要類似于ADM30的開關(guān)元件。
為了最大化光纖16的傳輸容量并利用某些元件像摻鉺光纖放大器的可用帶寬，應(yīng)使波長(zhǎng)信道λ1，λ2，…λN盡可能靠近以具有最小的信道間隔Δλs。在高級(jí)的系統(tǒng)中，對(duì)于中心位于約1300或1550nm的信號(hào)即石英光纖的優(yōu)選波段，該信道間間隔Δλs是1nm或更小。這種密間隔的WDM網(wǎng)絡(luò)被稱作密集WDM網(wǎng)絡(luò)(DWDM)。
上述的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可能遇到一個(gè)問題，該問題由發(fā)送器10、接收器20和中間節(jié)點(diǎn)30的操作都指向相同的WDM波長(zhǎng)組λ1，λ2，…λN的事實(shí)引起。然而，分布元件的每一個(gè)都必須提供其自身的波長(zhǎng)校準(zhǔn)。由于環(huán)境和老化效應(yīng)，一個(gè)元件的波長(zhǎng)校準(zhǔn)設(shè)置很可能不同于其它元件的波長(zhǎng)校準(zhǔn)設(shè)置。由于光學(xué)信道的密間隔，網(wǎng)絡(luò)元件間的任何誤校準(zhǔn)都可能產(chǎn)生信道間干涉。
對(duì)于最佳的光學(xué)系統(tǒng)，通常將光纖16、WDM14和22以及ADM30設(shè)計(jì)成至少在端口(port)處對(duì)所用光波長(zhǎng)是單模的。盡管每個(gè)激光器12發(fā)射的光可能帶寬極窄，但這些頻率敏感元件14、22、30的單模響應(yīng)通常具有一種波長(zhǎng)(頻率)特性，這種頻率(波長(zhǎng))特性關(guān)于信道中心波長(zhǎng)λ0近似呈高斯分布F(λ)＝exp(-(λ-λ0)/λG)。對(duì)于現(xiàn)代的制造技術(shù)，高斯通帶λG的值可相當(dāng)隨意地選擇。但該通帶的值受到相反的限制。對(duì)于密集WDM系統(tǒng)，信道間的間隔Δλs被設(shè)置得盡可能小。高斯通帶λG必須顯著地小于該信道間間隔Δλs，以避免信道間的干涉。另一方面，激光器12和其它頻率敏感元件的頻率特性受永久變化或臨時(shí)變化的影響。如果通帶λG被設(shè)置得太小，則波峰會(huì)很窄，而且偏離峰值波長(zhǎng)λ0的很小波長(zhǎng)變化就會(huì)引起操作偏移至波峰一側(cè)，從而降低信號(hào)強(qiáng)度。也就是說，對(duì)于很強(qiáng)的信號(hào)，通帶λG應(yīng)當(dāng)被設(shè)置得足夠大以提供一個(gè)寬頂部的峰。
Amersfoort等人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這些問題，如在美國(guó)專利US5,629,992中所披露的，該文獻(xiàn)被全文引用在此以作參考。該專利描述了由Hunsperger等人在美國(guó)專利US4,773,063和Dragone在美國(guó)專利US5412744和US5488680所述類型的陣列波導(dǎo)光柵，也稱作光相位陣列。特別是，Amersfoort等人描述了一種圖2示意性例舉的WDM光相位陣列40。單模波導(dǎo)42耦合在一定長(zhǎng)度多模波導(dǎo)44的一端，以在第一自由空間區(qū)域50一個(gè)側(cè)壁48上的端46處生成來自單模波導(dǎo)42的輻射的重影(doubled image)。該單模波導(dǎo)42的寬度大約等于其所傳送光的波長(zhǎng)，考慮到折射率，該寬度基本是單一恒定的。該多模波導(dǎo)44具有較大的寬度，充當(dāng)多模干涉儀(MMI，multi-mode interferometer)。多個(gè)單模陣列波導(dǎo)52呈星形耦合器的形式耦合在該第一空間區(qū)域50另一側(cè)的端口上。這些陣列波導(dǎo)52的另一端耦合到第二自由空間區(qū)域54的一側(cè)。陣列波導(dǎo)52的長(zhǎng)度相互間具有預(yù)定的長(zhǎng)度差，從而該陣列波導(dǎo)52充當(dāng)類似于平面衍射光柵工作的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)。單模輸出波導(dǎo)56沿第二自由空間區(qū)域的輸出壁(wall)耦合在該第二自由空間區(qū)域54的另一側(cè)上。該AWG使來自輸入波導(dǎo)42的多波長(zhǎng)信號(hào)在相應(yīng)的輸出波導(dǎo)56上解波長(zhǎng)復(fù)用。因?yàn)檫@種器件的可逆性質(zhì)，所以輸入和輸出可以反過來，從而相同的結(jié)構(gòu)可以用作波長(zhǎng)多路復(fù)用器或波長(zhǎng)多路分用器或用作多路分用器。AWG只是波長(zhǎng)色散光學(xué)器件的一個(gè)例子。Amersfoort等人預(yù)期的波導(dǎo)的布置和數(shù)目要比下面所示單輸出的例子更寬。
圖2所示的光學(xué)回路是示意性的。所示的結(jié)構(gòu)提供有水平光波導(dǎo)，一般包括有四周被低折射率包層包圍的高折射率波導(dǎo)。垂直波導(dǎo)一般由夾有高折射率波導(dǎo)層的低折射率層的層狀或板狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。但是，這兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以組合成例如脊形波導(dǎo)。
MMI44被設(shè)計(jì)用來在進(jìn)入第一自由空間區(qū)域50的接口46處，將單模輸入光纖42所攜帶的狹窄高斯光場(chǎng)轉(zhuǎn)換成顯著加寬的非高斯光場(chǎng)。從而多模波導(dǎo)44和光相位陣列40剩余部分間的自由空間的波長(zhǎng)特性就被平坦化(flattened)。結(jié)果，在采用多模干涉濾光器44的情況下，就能夠得到一種具有窄波長(zhǎng)通帶λ的光相位陣列，如圖3光譜60所示，但具有一個(gè)平坦頂部62。從而，得到的傳輸函數(shù)T(λ)響應(yīng)于中心值的小的波長(zhǎng)變化就僅有較小的改變。然而，Amersfoort等人的這種MMI解決方案物理上受限于平坦度和通帶λ間的固定關(guān)系，這是因?yàn)樗镜墓庾V表示的是兩最低橫模的和。
采用一個(gè)Y-耦合器可以得到類似的結(jié)果，該Y-耦合器在進(jìn)入第一自由空間區(qū)域50的兩個(gè)單模波導(dǎo)間分割輸入波導(dǎo)42上的單模輸入。加寬的信號(hào)被提供給輸出波導(dǎo)56，從而將響應(yīng)平坦化。
任何類似于MMI或Y-分支的通帶平坦化技術(shù)的性能都受到下列事實(shí)的限制，即由于能得到的有限斜率或下降(roll-off)，所需的矩形響應(yīng)都只能近似達(dá)到。各種技術(shù)的區(qū)別在于它們?cè)诙啻蟪潭壬辖咏罴秧憫?yīng)。該最佳響應(yīng)對(duì)應(yīng)于輸出場(chǎng)的最佳分布。對(duì)于Y-分支設(shè)計(jì)，由兩種波導(dǎo)模式的干涉來構(gòu)造輸出場(chǎng)。對(duì)于MMI設(shè)計(jì)，通常使用不止兩個(gè)導(dǎo)模(guide mode)，但其數(shù)量受限于尺寸的擴(kuò)大及對(duì)波長(zhǎng)和制造參數(shù)變化的敏感性的增大。
在1999年11月1日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)第09/430,836號(hào)中(其全文被結(jié)合在此作參考)，Bulthius等人披露了一種陣列波導(dǎo)光柵，其中一個(gè)Mach-Zehnder干涉儀分離輸入信號(hào)，并在將這些分離信號(hào)并行輸入多模干涉濾光器44之前，在這些分離信號(hào)間引入等于光相位陣列40自由光譜范圍的光程差。這種設(shè)計(jì)補(bǔ)償了陣列波導(dǎo)光柵輸出焦平面上高斯圖像的移動(dòng)，而且不需要進(jìn)行場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，對(duì)于Y-分支和MMI，這種轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致2dB的功率損失。但這種設(shè)計(jì)需要Mach-Zehnder干涉儀在兩個(gè)信號(hào)間提供精確的50∶50功率分配和精確的相位差。這一精度對(duì)于制作來說是很困難的。
如日本特許專利公報(bào)9-298228中所披露的，另一種平坦化光相位陣列通帶的設(shè)計(jì)在單模波導(dǎo)和自由空間區(qū)域間采用一個(gè)直線形或拋物線形波導(dǎo)段。盡管這種拋物線實(shí)施方案看起來能得到顯著的結(jié)果，但這種結(jié)構(gòu)的制作被認(rèn)為是相當(dāng)困難的。
因此，就希望提供一種光譜響應(yīng)具有改進(jìn)的平坦度同時(shí)不犧牲窄通帶的光相位陣列。還希望這種改進(jìn)可以用不要求精確的制造公差的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可以概括為一種波長(zhǎng)色散光學(xué)器件，比如光相位陣列，相對(duì)于具有相同帶寬的高斯通帶，具有平坦化的通帶特性。分段的波導(dǎo)置于這種波長(zhǎng)色散器件的輸入壁(input wall)或輸出壁上，選擇各段的尺寸和布局來實(shí)現(xiàn)平坦化的通帶響應(yīng)。
依照本發(fā)明的一個(gè)方面，運(yùn)載光信號(hào)的單模波導(dǎo)通過分段波導(dǎo)耦合在波長(zhǎng)色散光學(xué)器件上，該分段波導(dǎo)包括多個(gè)與低折射率環(huán)繞包層區(qū)相比折射率較高的材料段。該分段波導(dǎo)將光場(chǎng)由單模波導(dǎo)末端上的狹窄單模場(chǎng)展寬為自由空間區(qū)域側(cè)面上的展寬多模場(chǎng)。
該分段波導(dǎo)可以放置在波長(zhǎng)色散器件的輸入側(cè)上或輸出側(cè)上，將輸入或輸出端口的至少一個(gè)耦合到器件上。
本發(fā)明包括一種通帶平坦化光相位陣列，該光相位陣列具有兩個(gè)光學(xué)相互作用區(qū)例如自由空間區(qū)域，由不同長(zhǎng)度的多個(gè)波導(dǎo)耦合。
有利的是，輻射在單模光波導(dǎo)上輸入和輸出該器件。分段波導(dǎo)可以插入在一個(gè)單模波導(dǎo)和波長(zhǎng)色散器件之間，例如在一個(gè)自由空間區(qū)域的壁上。然而，本發(fā)明并不限于單模波導(dǎo)，而是可以包括錐形波導(dǎo)、多模波導(dǎo)或其它類型連接在分段波導(dǎo)外端上的光學(xué)端口。
優(yōu)選的是，這些段是繞主軸線對(duì)稱設(shè)置的矩形塊對(duì)，但這些段沿主軸線可以是連續(xù)的。這些塊沿主軸線可以具有恒定的寬度，但在主軸線的橫向上具有不同的寬度。然而，其它形式的段也是可以的，包括繞中心軸線設(shè)置不止兩個(gè)塊。中心軸線可以彎曲，而且這些塊可以繞軸線非對(duì)稱地設(shè)置。
用于此應(yīng)用和其它波長(zhǎng)色散應(yīng)用的分段波導(dǎo)可以用一種尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過將固定的變化量引入各個(gè)段的寬度，確定這種變化量是否改進(jìn)了波長(zhǎng)色散器件另一側(cè)處的通帶平坦化或其它頻譜特性，這種尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)將初始設(shè)計(jì)逐步改良成改進(jìn)的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明尤其適用于基于光纖的波分復(fù)用通信系統(tǒng)。


圖1是一種波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)的線路圖；圖2是一種采用陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的現(xiàn)有技術(shù)光相位陣列的平面圖，該陣列波導(dǎo)光柵(AWG)可用作圖1中WDM系統(tǒng)的一部分；圖3是示出通帶平坦化效果的傳輸光譜的示意圖；圖4是包括有分段波導(dǎo)的光相位陣列一部分的示意性平面圖；圖5是分段波導(dǎo)的示意性平面圖；圖6是本發(fā)明所用尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)的流程圖；圖7是分段波導(dǎo)的詳細(xì)平面圖；圖8是本發(fā)明的平坦化通帶與現(xiàn)有技術(shù)的高斯通帶進(jìn)行比較的曲線圖；具體實(shí)施方式
依照本發(fā)明，在傳送數(shù)據(jù)的單模波導(dǎo)和光相位陣列或陣列波導(dǎo)(AWG)復(fù)用/分用器的自由空間區(qū)域中的一個(gè)之間插入分段波導(dǎo)。這種分段波導(dǎo)包括多個(gè)離散但不連續(xù)的段，一般由繞主光軸對(duì)稱設(shè)置的塊對(duì)(pairs of blocks)組成。
本發(fā)明平坦化通帶光相位陣列的示意性例子的一部分示出在圖4的示意性平面圖中。一個(gè)分段波導(dǎo)區(qū)70插在單模輸入波導(dǎo)42和第一自由空間區(qū)50的輸入壁48之間。本發(fā)明的光相位陣列的剩余部分可與圖2中現(xiàn)有技術(shù)的光相位陣列40完全相同。在本實(shí)施例中，該分段波導(dǎo)區(qū)70包括多個(gè)段，每個(gè)段都含有兩個(gè)對(duì)稱放置的矩形塊72。每個(gè)塊72都由與制作單模波導(dǎo)42和自由空間區(qū)域50所用相同的材料和/或結(jié)構(gòu)構(gòu)成。也就是說，相對(duì)于塊72外側(cè)的材料，塊72的材料和/或結(jié)構(gòu)是高折射率材料。在脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的情形中，單模波導(dǎo)42由很窄的表面脊確定，塊72的每一個(gè)由具有與脊相同高度、且寬度和長(zhǎng)度取決于塊72尺寸的平臺(tái)(mesa)限定。或者，在埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的情形中，埋層(buried layer)由不同折射率的材料交替組成。因此，這種分段波導(dǎo)70可以用制作傳統(tǒng)光相位陣列所用的相同方法、將一個(gè)或多個(gè)光掩模加以適當(dāng)改變來制造。
分段波導(dǎo)能夠比背景技術(shù)中討論的Y-分支和MMI技術(shù)提供更好的通帶平坦化。通帶平坦化試圖逼近矩形的光譜響應(yīng)，而且最佳的光譜響應(yīng)對(duì)應(yīng)于輸出場(chǎng)的最佳分布，這種最佳分布通常不是矩形的。如所提到的，現(xiàn)有技術(shù)中在能用來獲得最佳場(chǎng)分布的導(dǎo)模數(shù)上是受限的，但分段波導(dǎo)能夠設(shè)計(jì)成產(chǎn)生很多不同強(qiáng)度和相位的模，從而提供更佳的性能。
圖5圖示了分段波導(dǎo)80的一個(gè)更詳細(xì)但仍舊是示意性的平面圖。它包括由各個(gè)矩形塊對(duì)821、822、823、824、825、826、827、828、829、8210組成的Nseg個(gè)段，這些矩形塊對(duì)關(guān)于中心軸線84對(duì)稱設(shè)置。依照沿軸線84的相應(yīng)長(zhǎng)度值Lseg和在軸線84橫向上的相應(yīng)寬度值Wseg，每個(gè)塊由與周圍低折射率材料相比具有高折射率的材料形成，所述寬度由相應(yīng)的橫向間隙Wgap分開。中心軸線84同時(shí)也是單模波導(dǎo)42的中心軸線，并且在這一點(diǎn)上垂直于彎曲的自由空間側(cè)壁48。在該說明性實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)注意兩個(gè)塊對(duì)821、826是零間隙Wseg的，從而這兩對(duì)的每一對(duì)在對(duì)間都是連續(xù)的。另一方面，塊對(duì)825是空段，不含有任何高折射率材料。
分段波導(dǎo)80的直接目的是將沿單模波導(dǎo)42傳送的單模光場(chǎng)86轉(zhuǎn)換成改進(jìn)的非高斯輸出場(chǎng)88。雖然單模光場(chǎng)86一般具有帶單峰的高斯形狀，但輸出場(chǎng)88是非高斯的，這兒所示出的包含有兩個(gè)不同峰。輸出場(chǎng)88一般整體上要比與輸出場(chǎng)88的峰相關(guān)聯(lián)的高斯分布更寬。輸出場(chǎng)88的精確形狀取決于每個(gè)塊對(duì)的分段波導(dǎo)參數(shù)Leg、Wseg和Wgap的確定。盡管所示出的光場(chǎng)88寬于單模場(chǎng)86，但重要的參數(shù)不是場(chǎng)的寬度甚或平坦度，而是含有該分段波導(dǎo)的光相位陣列的光譜響應(yīng)的平坦度?？梢韵鄬?duì)于單模高斯場(chǎng)保持或者甚至減小該場(chǎng)寬度，同時(shí)有利地增加光相位陣列光譜響應(yīng)的平坦度。
鄰近分段波導(dǎo)70輸出端的第一自由空間區(qū)50輸入壁48處的光場(chǎng)需要被傳送至第二自由空間區(qū)54的輸出壁58來作為輸出場(chǎng)。在一種正確工作的陣列波導(dǎo)光柵中，這兩個(gè)場(chǎng)應(yīng)當(dāng)具有幾乎相同的分布，盡管當(dāng)頻率或波長(zhǎng)變化時(shí)焦平面會(huì)出現(xiàn)偏移。光相位陣列的光譜響應(yīng)一般是輸出壁58處的輸出場(chǎng)與輸出波導(dǎo)52在其輸入面上的響應(yīng)的疊加。在輸出波導(dǎo)52是單模的情形中，這種空間響應(yīng)一般是高斯型的。希望相對(duì)于高斯光譜響應(yīng)使這種輸出場(chǎng)疊加和接收機(jī)靈敏度代表的光譜響應(yīng)平坦化。理想地，輸出場(chǎng)和接收機(jī)靈明度的卷積(convolution)是矩形響應(yīng)。更一般地，這種響應(yīng)應(yīng)當(dāng)比高斯響應(yīng)更平坦且具有更陡的下降。采用相對(duì)窄的輸出場(chǎng)可獲得這種平坦度的光譜響應(yīng)。
最優(yōu)化響應(yīng)所采用的模擬程序不需要通過陣列波導(dǎo)光柵來傳播場(chǎng)，只要光柵的響應(yīng)接近已知且能用來將輸入光場(chǎng)轉(zhuǎn)換成輸出光場(chǎng)。
圖5中所示的分段波導(dǎo)80沿中心軸線是非周期性的，這與很類似于光柵的周期性分段波導(dǎo)不同。Spiihler等人在“采用非周期性分段波導(dǎo)的很短平面石英模斑尺寸轉(zhuǎn)換器(A very short planar silicaspot-size converter using a nonperiodic segmented waveguide)”，Journal of Lightwave Technology，vol.16，no.9，1998年9月，pp.1680-1685中描述了一種非周期性分段波導(dǎo)。這種轉(zhuǎn)換器被用來在集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光纖之間進(jìn)行模場(chǎng)直徑(mode size)的匹配，但沒有提到平坦化。
尋優(yōu)算法提供一種確定分段波導(dǎo)許多參數(shù)的有效方法。Fogel在“何謂尋優(yōu)計(jì)算(What is evolutionary computation)”IEEESpectrum，2000年2月，pp.26-32中概括描述了這種尋優(yōu)算法。現(xiàn)在還有一整本刊物IEEE Transactions On Evolutionary Computation討論該主題。Spühler等人在“應(yīng)用于集成模斑尺寸轉(zhuǎn)換器合成的進(jìn)化優(yōu)化程序(An evolutionary optimzation procedure applied to thesynthesis of integrated spot-size converters)”，Optical and QuantumElectronics，vol.20，1998，pp.305-321中描述到這種算法在設(shè)計(jì)分段波導(dǎo)方面的應(yīng)用，其中分段波導(dǎo)用于在脊形波導(dǎo)和單模光纖之間轉(zhuǎn)換光場(chǎng)。尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)類似于在種群中引入隨機(jī)變異的達(dá)爾文進(jìn)化過程。種群中只有最適者生存下來。在此，根據(jù)線路的在光相位陣列上提供窄、平坦化、低損耗通帶的性能來確定適合度(適應(yīng)性)。由于該通帶不是高斯的，因此對(duì)于相對(duì)小的衰減值，帶寬優(yōu)選較寬，而對(duì)相對(duì)大的衰減值，帶寬優(yōu)選較窄。該優(yōu)選的通帶非常類似矩形響應(yīng)，且具有一個(gè)平頂，平頂兩側(cè)急劇下降。
如圖6的總體流程圖所示，一種尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)包括初始步驟100，通過從頭開始生成一個(gè)或多個(gè)用于分段波導(dǎo)的初始設(shè)計(jì)來初始化種群。這些初始設(shè)計(jì)包括縱向(垂直)結(jié)構(gòu)(verticalstructure)的不變特征、其厚度和摻雜級(jí)以及輻射波長(zhǎng)。變量特征可包括段的數(shù)目Nseg、其各自的長(zhǎng)度Lseg、各自的寬度Wseg和各自的間隙Wgap。為了簡(jiǎn)化這種尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)，段數(shù)Nseg可設(shè)定為不變值，而且考慮到通常的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其各自長(zhǎng)度Lseg可設(shè)定為通常的不變值。從而，初始種群的每個(gè)成員由兩個(gè)變量Wseg和Wgap的相應(yīng)Nseg值來描述。
在步驟102中，一個(gè)或多個(gè)隨機(jī)變異(Wseg和Wgap值的變化)被引入種群內(nèi)，以從母體(parent)生成在一個(gè)或多個(gè)特性方面發(fā)生變化的后代(offspring)。變化的差別可以很小，但在一些方法中，例如通過從兩個(gè)母體的每一個(gè)取出一些特性并將其組合而生成后代，可以產(chǎn)生很大的差別。Spühler等人的程序給出了對(duì)變異程序的指導(dǎo)，但其它程序也是可以的。
在步驟104中，確定種群中每個(gè)候選者或成員(member)的適應(yīng)性(fitness)。本例中的適應(yīng)性取決于光相位陣列的通帶特性，更重要的是成員的平坦度和下降(roll-off)，例如用3dB和10dB點(diǎn)測(cè)量。通過計(jì)算峰值周圍波長(zhǎng)特性的導(dǎo)數(shù)例如δT/δλ和δT2/δλ2，就可以量化該平坦度和下降。但其它的方法也是可以的。即由針對(duì)各群中每一個(gè)成員所計(jì)算的傳輸光譜來確定所述適應(yīng)性(適合度)。適合度隨著逼近矩形光譜響應(yīng)而增加。平坦度越大，帶寬就越高。同時(shí)也期望更急劇的下降。在這種設(shè)計(jì)程序中，所有的這些特性都應(yīng)當(dāng)盡可能地最優(yōu)化。另外，功率損失即最大傳輸?shù)臏p小應(yīng)當(dāng)最小化。
但是應(yīng)當(dāng)注意，通過計(jì)算輻射穿過光相位陣列后，單波長(zhǎng)信號(hào)在第二自由空間輸出壁上的側(cè)向光分布，并用該分布與已知的輸出波導(dǎo)響應(yīng)卷積(convolute)，可以等效地確定光相位陣列的傳輸頻譜，因?yàn)楣庀辔魂嚵袑⒉ㄩL(zhǎng)與該壁上的空間位置視為等效的。
適合度需要通過進(jìn)行單模光場(chǎng)穿過分段波導(dǎo)然后至少大體上穿過光相位陣列的剩余部分傳播至光相位陣列輸出面的計(jì)算來確定，盡管除分段波導(dǎo)輸出處的場(chǎng)分布外，穿過光相位陣列的傳播不依賴于分段波導(dǎo)的詳細(xì)特征。該計(jì)算同時(shí)需要包括輸出波導(dǎo)對(duì)提供給它的光場(chǎng)的響應(yīng)。原則上，該計(jì)算包括評(píng)價(jià)穿過整個(gè)器件的單模輸入場(chǎng)的作為波長(zhǎng)函數(shù)的傳播。這種計(jì)算對(duì)于半導(dǎo)體光學(xué)器件來說是已知的，可以是或二維或三維的計(jì)算。但是，這種計(jì)算可以通過假定分段波導(dǎo)輸出場(chǎng)在陣列波導(dǎo)光柵的輸出焦平面上完美成像，僅依照所用波長(zhǎng)偏移，來進(jìn)行簡(jiǎn)化。結(jié)果，就僅有輸入波導(dǎo)、分段波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和具有一定依賴于波長(zhǎng)的側(cè)向偏移的輸出波導(dǎo)需要被評(píng)價(jià)。波束傳播法(BPM)可以用來計(jì)算每種設(shè)計(jì)的特性。Hoekstra在“集成光學(xué)器件中用來建模的波束傳播法(On beam propagation methods formodeling in integrated optics)”，Optical and QuantumElectronics，vol.29，1997，pp.157-171中描述了BPM。這種BPM程序計(jì)算光場(chǎng)穿過一種結(jié)構(gòu)的傳播，該結(jié)構(gòu)由其組成部分的折射率部分至少部分地確定。以已知的輸入分布例如具有高斯分布的模式開始，該計(jì)算隨著輻射傳播通過該結(jié)構(gòu)而修改該分布。最終，可以分析這種場(chǎng)來建立這種結(jié)構(gòu)的特性，例如該結(jié)構(gòu)中給定位置處基模內(nèi)所剩余的能量。
在步驟106中，基于步驟104的適合度判斷來選擇幸存種群。在最簡(jiǎn)單的算法中，種群中具有最高適合度值的M個(gè)個(gè)體被保留。比較復(fù)雜的選擇標(biāo)準(zhǔn)也是可以的，例如使得不過早地消除一個(gè)世系(line of ancestry)在步驟108中，確定尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)是否應(yīng)當(dāng)以步驟110中對(duì)具有最高適合度值的當(dāng)前最佳解決辦法的選擇而終止。該判斷可以由迭代次數(shù)或某個(gè)現(xiàn)有的適合度閾值來確定。如果該算法沒有終止，則流程返回至步驟102來生成新一代子孫。
這種尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)的輸出是Nseg對(duì)塊參數(shù)Wseg和Wgap。
應(yīng)當(dāng)理解，塊遠(yuǎn)離主軸線延伸的程度變得不再重要，因此大一些的塊不必關(guān)于主軸線完全對(duì)稱。同時(shí)應(yīng)當(dāng)理解，這種尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)可以應(yīng)用于具有更多變量參數(shù)和不需要成對(duì)的塊沿直軸線對(duì)稱設(shè)置的結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。
這一尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)的應(yīng)用產(chǎn)生了一種如圖7曲線圖所示的分段波導(dǎo)120。在這種不變?cè)O(shè)計(jì)中，分段波導(dǎo)120具有155μm的長(zhǎng)度和24μm的最大寬度，以及在155μm上延伸的三十一個(gè)相同長(zhǎng)度Lseg的段。該尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)選擇了一個(gè)最佳幸存者，其中大多數(shù)的段具有零間隙Wgap，盡管在中間的段間形成有四個(gè)間隙122。借助于直接連接在自由空間區(qū)域上的單模波導(dǎo)的光譜124，圖8描繪了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的通帶特性，更準(zhǔn)確地講是傳輸頻譜。該傳統(tǒng)光譜124可以描述為高斯分布。另一方面，圖6中本發(fā)明的分段波導(dǎo)1210置于單模波導(dǎo)42和第一自由空間區(qū)域之間產(chǎn)生光譜126。相對(duì)于高斯頻譜124，本發(fā)明的設(shè)計(jì)將1dB通帶增加到2.7倍，將3db通帶增加到2.1倍。很重要的是，與具有一般高斯通帶124的傳統(tǒng)光相位陣列相比，包含該分段波導(dǎo)的光相位陣列的平坦化頻譜126具有更加平坦的頂部以及更寬的通帶。更多的評(píng)價(jià)已經(jīng)表明，這種優(yōu)化分段波導(dǎo)設(shè)計(jì)的制造公差和偏振依賴性(polarization dependence)可比得上Amersfoort等人的多模干涉濾光器設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的包括一個(gè)或多個(gè)分段波導(dǎo)的光相位陣列的一個(gè)重要應(yīng)用是用在像圖1所示的WDM通信網(wǎng)絡(luò)中。該光相位陣列可以用在多路復(fù)用器、多路分用器、分插復(fù)用器、未示出的全光交換節(jié)點(diǎn)或這些元件的組合中。
盡管本發(fā)明是參考具有1個(gè)輸入和N個(gè)輸出的多路分用器實(shí)施例來進(jìn)行描述的，但眾所周知，因?yàn)榫€性可逆性，這種相同的設(shè)計(jì)可以作為具有N個(gè)輸入和1個(gè)輸出的多路復(fù)用器來工作。而且，該分段波導(dǎo)可以置于單個(gè)端口的末端處或置于另一端N個(gè)端口的一個(gè)或多個(gè)處，或者分段波導(dǎo)可以置于兩端。此外，已經(jīng)知道，光相位陣列的相同總體設(shè)計(jì)也可采用在其輸入和輸出側(cè)兩側(cè)都設(shè)置多個(gè)端口來實(shí)現(xiàn)。在這種情形中，分段波導(dǎo)可以置于任一側(cè)的端口上。
上面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的討論假定了分段波導(dǎo)是沿垂直于自由空間區(qū)域表面的軸線排列的。但是，偏離垂直的很小傾角例如2°或更小并不會(huì)顯著地影響結(jié)果。各個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也可以具有比簡(jiǎn)單的同質(zhì)平面芯更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。取而代之，可以采用一個(gè)梯度折射率芯或多層芯。
上述的實(shí)施例直接將單模波導(dǎo)與分段波導(dǎo)連接起來。但作為選擇，可以將另一類光波導(dǎo)插入到兩者之間，像寬度逐漸變化的錐形波導(dǎo)，單模波導(dǎo)沿之與分段波導(dǎo)相耦合。另外，通帶的平坦化并不必限于是單模的輸入或輸出波導(dǎo)。在一些應(yīng)用中，線性傳播的輸入或輸出波導(dǎo)并不需要。例如，分段波導(dǎo)可放置在一個(gè)自由空間區(qū)域和形成光相位陣列輸入或輸出端口的模片邊緣(edge of the die)之間。
雖然上面將這些段描述為對(duì)稱的矩形塊對(duì)的形式，但這些段可以具有其它非平滑變化的形式。已知可以將塊的一般垂直于主軸線的側(cè)面進(jìn)行彎曲并使這些側(cè)面總體上平行。也可使采用其它方式沿主軸線設(shè)置的塊的側(cè)面傾斜。除兩個(gè)外，在一個(gè)軸向位置處的塊的數(shù)目可以選擇為例如一個(gè)、三個(gè)或四個(gè)或更多。這些段在垂直于中心軸線的方向也可以是不對(duì)稱的，這可能使得輻射的主傳播方向不沿直線軸線。主軸線可隨設(shè)置在其任意側(cè)的塊而緩慢地彎曲。不同段可以具有不同的長(zhǎng)度。
自由空間區(qū)域的形狀可以不同于通常與星形耦合器，例如多模干涉(MMI)濾光器或板條耦合器相關(guān)的形狀，板條耦合器是一種允許板條形波導(dǎo)與其它形式的光波導(dǎo)像光纖、多模波導(dǎo)或MMI濾光器相連的廣義星形耦合器。所有這些結(jié)構(gòu)都可以用光學(xué)相互作用區(qū)域表征。另外，本發(fā)明基于一種光波分散器件的通帶平坦化，并不限于陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
用于設(shè)計(jì)分段波導(dǎo)的尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)能被應(yīng)用于平坦化其它類型波長(zhǎng)色散光學(xué)器件的通帶。
這樣，本發(fā)明為光相位陣列提供了一種光相位陣列顯著平坦化的通帶，且制造方法僅有很小的變化。本發(fā)明也可應(yīng)用于修整其它類型波長(zhǎng)色散光學(xué)器件的頻譜特性。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的波長(zhǎng)色散結(jié)構(gòu)，在所述兩側(cè)間，光信號(hào)在所述第一側(cè)上的第一位置和所述第二側(cè)上的第二位置之間傳播，所述第一和第二位置間的對(duì)應(yīng)關(guān)系取決于所述光信號(hào)的波長(zhǎng)；和鄰接所述第一側(cè)的所述第一位置的分段波導(dǎo)，用來將所述光信號(hào)耦合至所述波長(zhǎng)色散結(jié)構(gòu)或者耦合來自所述波長(zhǎng)色散結(jié)構(gòu)的光信號(hào)。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)器件，其中所述波長(zhǎng)色散結(jié)構(gòu)是一個(gè)陣列波導(dǎo)光柵，包括包括所述第一側(cè)的第一光學(xué)相互作用區(qū)；包括所述第二側(cè)的第二光學(xué)相互作用區(qū)；和數(shù)個(gè)波導(dǎo)，用來耦合分別與所述第一側(cè)和所述第二側(cè)相對(duì)的所述第一和第二光學(xué)相互作用區(qū)的內(nèi)側(cè)；
3.權(quán)利要求1的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)包括數(shù)組一個(gè)或多個(gè)塊，分別設(shè)置在所述光信號(hào)傳播方向的相對(duì)側(cè)上，所述塊具有的尺寸使所述光相位陣列的通帶與高斯通帶相比被平坦化。
4.權(quán)利要求1的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)具有非周期性結(jié)構(gòu)。
5.一種光相位陣列，包括陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)；至少一個(gè)位于所述結(jié)構(gòu)第一側(cè)上的第一波導(dǎo)和至少一個(gè)位于所述結(jié)構(gòu)第二側(cè)上的第二波導(dǎo)，所述陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)色散地耦合所述第一側(cè)和第二側(cè)；和分段波導(dǎo)，設(shè)置在所述第一波導(dǎo)和所述陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)之間。
6.權(quán)利要求5的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)具有非周期性結(jié)構(gòu)。
7.權(quán)利要求5的光相位陣列，其中所述第一和第二波導(dǎo)包括單模波導(dǎo)。
8.一種光相位陣列，包括第一光學(xué)相互作用區(qū)；第二光學(xué)相互作用區(qū)；數(shù)個(gè)波導(dǎo)，用來耦合所述第一和第二光學(xué)相互作用區(qū)的內(nèi)側(cè)；光學(xué)端口，位于與所述數(shù)個(gè)波導(dǎo)相對(duì)的所述第二光學(xué)相互作用區(qū)的外側(cè)；分段波導(dǎo)，耦合在與所述數(shù)個(gè)波導(dǎo)相對(duì)的所述第一光學(xué)相互作用區(qū)的外側(cè)，并沿穿過所述第一和第二光學(xué)相互作用區(qū)和所述數(shù)個(gè)波導(dǎo)的輻射的輻射傳播方向設(shè)置。
9.權(quán)利要求8的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)沿所述輻射傳播方向是非周期性的。
10.權(quán)利要求8的光相位陣列，其中所述輻射被輸入進(jìn)所述光相位陣列，到達(dá)其與所述第一光學(xué)相互作用區(qū)相對(duì)的一側(cè)上的所述分段波導(dǎo)。
11.權(quán)利要求8的光相位陣列，其中所述輻射被輸入進(jìn)所述光相位陣列，通過所述光學(xué)端口進(jìn)入所述第二光學(xué)相互作用區(qū)。
12.權(quán)利要求8的光相位陣列，還包括單模第一波導(dǎo)，耦合在與所述第一光學(xué)相互作用區(qū)相對(duì)的所述分段波導(dǎo)的一側(cè)。
13.權(quán)利要求12的光相位陣列，還包括插在所述第一波導(dǎo)和所述分段波導(dǎo)之間的錐形波導(dǎo)。
14.權(quán)利要求12的光相位陣列，還包括耦合在所述光學(xué)端口上的單模第二波導(dǎo)。
15.權(quán)利要求8的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)沿一主軸線設(shè)置。
16.權(quán)利要求8的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)包括數(shù)組一個(gè)或多個(gè)塊，設(shè)置在所述輻射傳播方向的相對(duì)側(cè)，所述這些塊具有的尺寸使所述光相位陣列的通帶相對(duì)于高斯通帶被平坦化。
17.一種光相位陣列，包括第一光學(xué)相互作用區(qū)；第二光學(xué)相互作用區(qū)；數(shù)個(gè)波導(dǎo)，耦合所述第一和第二光學(xué)相互作用區(qū)的所述內(nèi)側(cè)；至少一個(gè)單模第一波導(dǎo)，耦合在所述第一光學(xué)相互作用區(qū)的外側(cè)；至少一個(gè)單模第二波導(dǎo)，耦合在所述第二光學(xué)相互作用區(qū)的外側(cè)；分段波導(dǎo)，沿一主軸線耦合在所述至少一個(gè)第一波導(dǎo)的其中一個(gè)和所述第一光學(xué)相互作用區(qū)之間。
18.權(quán)利要求17的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)沿所述主軸線是非周期性的。
19.權(quán)利要求17的光相位陣列，其中所述第一和第二光學(xué)相互作用區(qū)是自由空間區(qū)域。
20.權(quán)利要求17的光相位陣列，其中所述分段波導(dǎo)包括數(shù)組一個(gè)或多個(gè)塊，設(shè)置在所述主軸線的相對(duì)側(cè)，所述這些塊具有的尺寸使所述光相位陣列的通帶相對(duì)于高斯通帶被平坦化。
21.一種波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)，包括運(yùn)送多重光信號(hào)的多個(gè)單模光信道，這些多重光信號(hào)具有各自的光載波波長(zhǎng)，所述系統(tǒng)包括波長(zhǎng)路由光相位陣列；和分段波導(dǎo)，操作上插在所述光相位陣列和在所述光相位陣列第一側(cè)的所述單模光信道的第一個(gè)之間，耦合靠近所述一個(gè)單模光信道的第一光場(chǎng)和在所述光相位陣列的與所述第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)且靠近所述單模光信道的第二個(gè)的第二光場(chǎng)，所述第一和所述第二單模光信道之間的頻譜響應(yīng)比高斯響應(yīng)更平坦。
22.權(quán)利要求21的通信系統(tǒng)，其中所述第二光場(chǎng)寬于高斯峰。
23.權(quán)利要求21的通信系統(tǒng)，其中所述單模光信道包括單模光纖。
24.權(quán)利要求23的通信系統(tǒng)，還包括多個(gè)由所述光纖相互連接的通信節(jié)點(diǎn)，所述這些節(jié)點(diǎn)的至少一個(gè)包括所述光相位陣列和所述分段波導(dǎo)。
25.權(quán)利要求21的通信系統(tǒng)，其中所述分段波導(dǎo)包括多個(gè)沿輻射傳播方向非周期性設(shè)置并位于該輻射傳播方向相對(duì)側(cè)上的塊對(duì)。
26.一種設(shè)計(jì)光譜修整光學(xué)器件的方法，包括下列步驟提供一種不變的設(shè)計(jì)，所述設(shè)計(jì)包括光學(xué)端口、波長(zhǎng)色散元件和分段波導(dǎo)，所述分段波導(dǎo)具有操作上耦合在所述光學(xué)端口和所述波長(zhǎng)色散元件第一側(cè)上的末端，所述波長(zhǎng)色散元件的所述第一側(cè)和第二側(cè)提供所述元件的輸入和輸出；提供包含所述分段波導(dǎo)的變化參數(shù)的種群的一個(gè)或多個(gè)初始成員，所述初始成員是下述步驟的第一次操作過程中的已有成員；和循環(huán)地進(jìn)行一種進(jìn)化選擇過程，包括下列子步驟通過隨機(jī)地改變所述種群中的已有成員的所述變化參數(shù)來生成所述種群的更多成員；在所述生成步驟后對(duì)所述種群的每個(gè)成員確定一個(gè)適合度標(biāo)準(zhǔn)，所述適合度標(biāo)準(zhǔn)包括在所述波長(zhǎng)色散元件的所述第二側(cè)處確定的特性；依照所述適合度標(biāo)準(zhǔn)的所述值對(duì)所有成員來選擇所述種群的幸存成員；確定所述進(jìn)化選擇過程是否應(yīng)當(dāng)終止；其中如果所述進(jìn)化選擇過程被終止，則選擇所述種群中具有所述適合度標(biāo)準(zhǔn)的最好值的成員，和其中如果所述進(jìn)化選擇過程沒有終止，則用所述幸存成員作為已有成員來重復(fù)該進(jìn)化選擇過程。
27.權(quán)利要求26的方法，其中所述波長(zhǎng)色散元件是光相位陣列。
28.權(quán)利要求26的方法，其中所述光學(xué)端口是單模波導(dǎo)的一端。
29.權(quán)利要求26的方法，其中所述適合度標(biāo)準(zhǔn)包括光譜響應(yīng)的平坦度。
全文摘要
一種光相位陣列(陣列波導(dǎo)光柵)包括設(shè)置在光相位陣列和一個(gè)單模波導(dǎo)之間的分段波導(dǎo)，其中的單模波導(dǎo)位于光相位陣列的輸入側(cè)或者輸出側(cè)。該分段波導(dǎo)被最優(yōu)化以生成光相位陣列的平坦化通帶，從而最小化光相位陣列頻譜響應(yīng)的變化。這種優(yōu)化可以借助于一種尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)來進(jìn)行，其中該尋優(yōu)算法(進(jìn)化算法)將隨機(jī)變異引入設(shè)計(jì)種群，并在多代選擇進(jìn)程中挑選較好的成員。這種平坦化通帶光相位陣列特別適用于波分復(fù)用(WDM)光纖通信網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)G02B6/10GK1488079SQ01822246
公開日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2001年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者哈姆·萬(wàn)韋爾丹, 弗萊德瑞克·馬賽爾·萬(wàn)·德爾·弗利特, 哈姆 萬(wàn)韋爾丹, 瑞克 馬賽爾 萬(wàn) 德爾 弗利特 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾光電子英國(guó)有限公司