CN100437176C - 偏振补偿的光分路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振补偿的平面波导分支，它具有一个用来传输兼有TE和TM模式、线性非偏振光信号的平面光学主干波导。能够支持TE和TM模式的平面光学分支波导与主干波导进行光学耦合，使得主干波导内传播的光信号的至少一部分以不想要的不平衡性耦合进分支波导中，对于从主干波导耦合进分支波导的该至少一部分光信号，其中TM模式的耦合比TE模式的耦合强。在主干波导与分支波导之间发生耦合之区域下游的一部分所述分支波导，或即一个波导部分，对此进行光学耦合以接收至少一部分光信号，并有预定半径的至少一个预定弯曲，用来补偿在TM和TE模式中从主干波导光学耦合进分支波导的光线引起的不想要的不平衡。

Description

偏振补偿的光分路器

技术领域

本发明涉及一种光波导分路器，该分路器从输入端口到输出端口实质上没有偏振相关损耗。

背景技术

光学分路器应用于许多光网络，诸如应用作为功率平衡、信号监测或是放大或衰减中的反馈控制。光学分路器可以转移或分流一小部分预定信号功率，随后可测量该信号功率以确定主信号中的功率而不明显地衰减主信号。虽然，光学分路器通常用来分流输入信号的一小部分，但它也可以分流50％以上的输入信号。

光学分路器的要求通常是对信号通道的插入损耗低，以及对分路器通道有最小的波长相关损耗(WDL)和偏振相关损耗(PDL)。

偏振相关损耗定义为在所有可能的偏振态下一个光学元件或系统传输中最高值与最低值之差的变量。它是在所有偏振态下一个光学器件所有可能传输状态中最大值与最小值的比率。

PDL(dB)＝10×Log(P_max/P_min)

作为一个例子，光学分路器的技术规范为：

i.插入损耗(信号通道)         ＜0.2dB

ii.偏振相关损耗(分路器通道)  ＜0.2dB

iii.波长均匀性(分路器通道)   ＜0.2dB

iv.分路器耦合系数            2-5％

在波导器件中制作光学分路器的一种最普通方法是采用如图1a所示的定向耦合器10。

定向耦合器的工作原理基于耦合模式理论，它在相关文献中有充分的描述。Derwyn C.Johnson和Kenneth O.Hill的美国第4,291,940号、4,779,945号、4,900,119号、5,004,316号和5,054,874号专利中公开了定向耦合器，附于此作为参考。根本上说，是将两个波导以预定长度紧密地靠近，使来自一个波导的光耦合到相邻波导中。耦合进相邻波导的光量取决于若干因素，包括但不限于波导的折射率分布、波导间的间隔和耦合区域的长度。图1b中的曲线示明两种偏振模式下从波导1到波导2的耦合效率与耦合长度的相关函数。如图1b所示，耦合效率与耦合长度成正弦关系，两种偏振有稍微不同的周期。耦合模式理论指出，波导间的耦合效率依赖于定向耦合器长度而服从正弦关系。

定向耦合器10为光学分路器提供一种合适的装配块，由此，对于给定的设计可以调整耦合器长度来改变从主信号波导上耦合或分流出的光量。定向耦合器的额外插入损耗一般都很低，因此，可以满足在信号通道中低插入损耗和精确控制分路器耦合比的要求。不过，对于基于二氧化硅-硅的光学分路器，也就是在硅基底上覆盖掺杂二氧化硅组成的波导器件，难以得到低PDL的分路器。

对于基于全二氧化硅光纤的分路器，其纤芯和包层材料之间的热膨胀不匹配度低(通常小于：0.5ppm)。虽然，抽拉光纤是一个高温过程，热膨胀系数(CTE)不匹配度低意味着在材料中产生的热应力相对于平面二氧化硅-硅器件来说很小，因此由应力引起的二次折射在这种光纤中同样也很小。相反，二氧化硅-硅器件之类的平面波导中，纤芯、包层和基底材料之间有很大的热膨胀系数不匹配，这是因通常需要一个比已蚀刻纤芯层低得多的低温来沉积最后一层包覆层造成的。器件的处理过程会引起热应力，在波导区域导致应力引起的二次折射。基于定向耦合器之分路器的偏振相关性周知地是因应力引起的二次折射造成的，它导致两种偏振模式下耦合长度的不同(PDCR-偏振相关耦合比)。对于TM偏振来说，如图1b所示，TM模式的耦合增强时其耦合长度较短，图中示意表明两种波导中耦合区域长度与功率正弦变化间的函数关系。耦合强度的不同表明，与TM曲线相比TE曲线在长度轴上相对右移。尽管分路器设计于很小的耦合比，但实际数据表明，即使分路器功率比为-15dB，由PDCR引起的PDL仍然处于不能接受的程度。

对于二氧化硅-硅器件，一种来用获得偏振无关性分路器功能的方法是采用具有相反光学特性的附加波导器件来补偿定向耦合器分路器输出中TM模式的不平衡性或高耦合比，如对TM模式提供高的损耗。这种方案公开在Henry等人的美国第5,539,850号专利中，其中补偿是择优地应用也是TM模式耦合的第二定向耦合器获得的。其结构示于图2中，图中具有输入主干波导22的第一定向耦合器20与第一支臂24耦合，该支臂本身起主干支臂的作用，在这个主干支臂上配置有第二补偿耦合器26，耦合到进不使用的分支28。分路器波导27具有补偿的输出。通常，这种补偿通过选择一个短的和一个长的耦合长度来完成，使它们以如图1b所示的相反正弦峰进行传输，其中不同偏振的光线传播有相反的正弦峰符号。

本发明的一个目的是在输入端和输出端之间提供一种相对便宜、过程可控和光学回路实质上没有PDL的光学分路器，以免在输入端和输出端之间遭受很大的PDL。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种具有对偏振相关损耗进行补偿的平面光学波导光分路器，包括：第一光学波导，当光线辐射进所述第一光学波导输入端时支持第一偏振模式和第二偏振模式；第二光学波导，具有与第一光学波导相邻并接近的至少一个耦合部分，用来将辐射进第一光学波导的光线的一部分接收到第二光学波导中，所述耦合部分以偏振相关的方式耦合光线，使得第一偏振模式比第二偏振模式更强地从第一光学波导耦合进第二光学波导中，由此引起从第一光学波导耦合进第二光学波导中的光线的偏振相关损耗；第二光学波导的弯曲部分与耦合部分有明显的区别，并且设置于耦合部分和输出端之间，所述弯曲部分有至少一个预定的弯曲，所述弯曲具有小半径以使第一偏振模式的光线比第二偏振模式的光线更有效地辐射出波导的弯曲部分，进入弯曲部分的包层，以便在留在第二光学波导中的光线通过弯曲部分后补偿其由于耦合部分所引起的偏振相关损耗。

根据本发明的另一方面，提供一种平面光学波导系统，包含一个支持第一偏振模式和第二偏振模式的第一光学波导，并包含具有至少一个与第一光学波导相邻并接近的耦合部分的第二光学波导，用来把进入第一光学波导的光的一部分分路到第二光学波导中，其中，在工作时，从第一光学波导已耦合进第二光学波导的第一偏振模式光线有第一插入损耗I₁₁，它远小于耦合进第二光学波导的第二偏振模式光线的第二插入损耗I₂₁，从而产生插入损耗差I_Δ＝I₂₁-I₁₁，I_Δ＞0，所述平面光学波导系统的特征在于：第二光学波导的一部分包括至少一个弯曲，所述弯曲具有小半径致使光以偏振相关的方式透过所述弯曲，因而使第一偏振模式的光线比第二偏振模式的光线在所述至少一个弯曲中经历更高的光学损耗，以便在从第一光学波导耦合到第二光学波导的光线通过所述至少一个弯曲后补偿其插入损耗差I_Δ。

根据本发明的再一方面，提供一种偏振补偿的平面波导分支，包括：平面光学主干波导，用来传输具有TE和TM模式的线性非偏振光信号，所述平面光学主干波导包含设置于硅基底上的二氧化硅；平面光学分支波导，包含设置于所述硅基底上的二氧化硅，所述平面光学分支波导能够支持TE和TM模式并光学耦合到主干波导，使得主干波导内传播的光信号的至少一部分在TE和TM模式之间不平衡地耦合进分支波导，从而导致从主干波导耦合进分支波导的光信号的该至少一部分其TM模式的耦合强于TE模式的耦合；其中，所述分支波导的一部分具有预定的弯曲，所述预定的弯曲具有规定的尺寸和形状并具有从2mm至3mm的预定半径，从而导致TM模式比TE模式在预定的弯曲中的光学损耗更高，由此用来补偿TM和TE之间的所述耦合不平衡，所述分支波导的一部分在如下区域的下游，用于接收光信号的至少一部分，在所述区域中在主干和光学耦合到主干的分支波导或波导部分之间发生耦合。

根据本发明的又一方面，提供一种用于传输多个光信号并在同一基底中有多个分离的主干波导的光学波导芯片，每个主干波导都有一个由分离的耦合区域进行光学耦合的分支波导，由于在耦合区域中的TE和TM模式耦合之间的不平衡，对于从每一个主干耦合到各自的分支波导的光线，每个耦合区域都在TE模式和TM模式之间引起插入损耗差，所述光学波导芯片的特征在于：每个分支波导在所述耦合区域的下游具有波导区，所述波导区中具有至少一个预定的弯曲，所述弯曲的特征在于其具有小弯曲半径，以至导致光线以偏振相关的方式透过所述波导区，以便补偿由于所述耦合区域所引起的TM模式和TE模式之间的插入损耗差。

根据本发明的一个方面，提供一种从输入端到输出端实质上没有偏振相关损耗的平面光学波导光分路器，包括：

光学波导，当光线辐射进所述波导输入端时支持第一偏振模式和第二偏振模式：

第二光学波导，具有与第一光学波导相邻并接近的至少一个耦合部分，用来接收自第一光学波导辐射进第二光学波导的部分光线，所述耦合部分本身以实质上偏振相关的状态耦合光线，使得第一偏振模式比第二偏振模式更强地从第一光学波导耦合进第二光学波导中；

第二光学波导的一部分与耦合部分有明显的区别，它至少有一个预定的弯曲部分，以使第一偏振模式的光比第二偏振模式的光更有效地辐射出波导的弯曲部分，进入弯曲部分的包层，因此有效地消除来自耦合部分的偏振相关性，留在第二光学波导中的光线通过弯曲部分后从输出端出射。

根据本发明，还提供一种平面光学波导系统，包括一个支持第一偏振模式和第二偏振模式的第一光学波导，并包括有至少一个与第一光学波导相邻并接近的耦合部分的第二光学波导，用来分流自第一光学波导进光入第二光学波导的一部分光线，工作时，从第一光学波导耦合进第二光学波导的第一偏振模式光线有插入损耗I₁₁，它远小于耦合进第二光学波导的第二偏振模式光线的插入损耗I₂₁，其中插入损耗差I_Δ＝I₂₁-I₁₁，I_Δ＞0，这里的改进包括：

第二光学波导的一部分至少有一个弯曲，因而使第一偏振模式的光比第二偏振模式的光更有效地辐射出所述弯曲部分的纤芯，以至实质上使插入损耗差I_Δ为零。

根据本发明还提供一个平面波导补偿的分支，包括：

用来传输具有TE和TM模式、线性非偏振光信号的一个平面光学主干波导；

一个能够支持TE和TM模式并光学耦合到主干波导的平面光学分支波导，使得主干波导内光信号传输的至少一部分不平衡地耦合进分支波导，从主干波导耦合进分支波导的光信号的该至少一部分其TM模式的耦合强于TE模式的耦合；其中，对此进行光学耦合并用来接收至少一部分光信号的，所述分支波导部分或即一个波导部分，具有预定半径的至少一个弯曲，用来补偿从主干波导上光学耦合分支波导的光线引起的TM模式和TE模式中的不平衡。

在传输许多光信号并在同一基底中有许多分离的主干波导的芯片中，每个主干波导都有一个由分离的耦合区域进行光学耦合的分支波导，光线从每个主干波导耦合到各别的分支波导时，每个耦合区域内的每个光学耦合都引起TE模式耦合和TM模式耦合中的不平衡，这里的改进包括：

每个分支波导在所述耦合区域的下游有一个至少具有预定弯曲的波导区域，用来抵消和补偿所述不平衡，以有效地使TE和TM模式中的所述不平衡为零。

附图说明

本发明的实施例将结合下列附图进行说明，其中：

图1是根据本发明一个实施例的定向耦合器示意图。

图1a是现有技术定向耦合器的示意图。

图1b是现有技术定向耦合器的响应曲线图，示明从输入端到第二波导输出端传输效率与耦合器长度之间的函数关系。

图2是现有技术偏振无关性分路器的示意图，具有两个有明显不同的耦合比的定向耦合器，使第一耦合器的偏振相关性被第二耦合器抵消。

图3a、3b和3c的曲线图示明，如何用一个在分路器下游的补偿用弯曲波导来补偿分路器的波长相关性和偏振相关特性。

图4是传输损耗与波长之间的曲线关系图，示明一个传统的定向耦合器分路器在C频段内TE和TM偏振的插入损耗。

图5是图4的定向耦合器中在耦合器分支内插入一段本发明特征的预定弯曲的波导时，传输损耗与波长之间的曲线关系。

图6的曲线图示明具有90度弯曲的二氧化硅波导的实测偏振相关损耗(PDL)与弯曲半径的关系，其中细虚线表示在1545nm波长下实测的PDL，粗虚线表示在C频段内PDL的光谱倾斜，其中，PDL倾斜定义为1570nm上的PDL与1520nm上的PDL之差。

图7的曲线图示明具有90度弯曲的二氧化硅波导的实测插科损耗(IL)与弯曲半径的关系，其中细虚线表示在1545nm波长下测得的插入损耗，粗虚线表示在C频段内插入损耗的光谱倾斜，其中插入损耗倾斜定义为1570nm上的插入损耗与1520nm上的插入损耗之差。

图8a和8b的波导示意图示明一个波导阵列的交叉分路器布置图，以及相邻波导之间分路器的安排图。

图9a示明PDL的分路器补偿，给出了标称4％的波导分路器定向耦合器实测的插入损耗(左纵轴，粗曲线)和PDL(右纵轴，细曲线)。

图9b示明在1520nm到1570nm的波长内0.35dB(max)到小于0.15dB(max)的PDL改善。

具体实施方式

参照图1，示明一个波导线路，它可以方便和经济地补偿二氧化硅-硅波导器件中分路器的偏振相关性。输入端口102通过定向耦合器100光耦合到输出支臂104上。通过在分支或支臂上使用一个小半径的弯曲波导，可以获得低PDL的分路器功能。定向耦合器内使TM偏振在波导间更容易耦合的这种现像，还使得小的弯曲半径引起较大的偏振相关弯曲损耗。

从根本上说，TM模式不易受束缚，因此，它比之TE模式既在波导之间更容易耦合，也更容易从弯曲波导中辐射出来。

由于TM模式更强地从主干波导耦合到分路器或分支波导中，在分支波导内分流的功率电平TM偏振比TM偏振略高，这在图3c上可以看出。给分支波导增加一个小半径的弯曲波导，可引入一个附加损耗，如图3b所示，该损耗对于TM偏振来说更高，因此能补偿定向耦合器引起的PDL。当然，也可将具有预定弯曲的一个补偿波导光耦合到分支波导的输出端，而于是使分支波导本身的一部分弯曲。通常，改变对定向耦合器的PDL有影响的材料成分或波导尺寸的设计，也会影响弯曲波导损耗的偏振相关性，从而使设计对生产中的变异有鲁棒性。通过弯曲波导补偿设计不但可使偏振相关性减到最小，波长均匀性同样可以得到改善。定向耦合器中长波长的耦合更强，但它从补偿用弯曲波导中也辐射得更快。结果，相对于基于标准单级定向耦合器的分路器来说，弯曲补偿的分路器(BCT)其波长相关性减小。如图5所示，通过选择合适的弯曲半径，第一定向耦合器的PDL和波长倾斜都可以减小。

本发明的关键在于使用具有小弯曲半径的弧形波导插入分路器的下游通路中。分流比通常在1％到10％范围内的补偿用弯曲波导设计，采用2到3mm的半径和90度的总弯曲量，它可以是或不是一个连续的圆弧。在0.7％到0.8％折射率差的波导中采用如此小的弯曲半径是一种创意的设计改进。为了避免过多的光学损耗，0.7％到0.8％折射率差的二氧化硅-硅处理的标准设计规则使最小半径限制于不超过4.5mm。虽然，小半径的弯曲有高的损耗，例如2dB，但这对分路器来说并不紧要，因为可以通过调节定向耦合器的分流比来获得总的分流比。由于高损耗，在分路器下游采用小弯曲半径的波导设计仅应用于分路器的PDL和波长相关性补偿。与其它补偿结构相比，这种简便性、可重复性和可靠性的设计具有相当优点。

图4示明在5μm×5μm纤芯尺寸下通过折射率差为0.8％的二氧化硅-硅波导实现定向耦合器分路器时，传输损耗的波长相关性。图中示出波导中两种偏振模式(TM和TE)的传输损耗。TM模式的的传输损耗较高，说明在两种模式中相等的输入功率下，TM光比TE光相对更多地耦合到分路器波导中。

图5示明对于与图4中相同的波导提供2mm半径、90度的弯曲时，对于从波导中向外辐射来说，TM模式在弯曲区域传播的损耗比TE模式的大。如果分路器对TM更有效，则该弯曲波导能提供补偿，使TE和TM模式总的分路器耦合比相等。

小弯曲半径的补偿器还能很好地使集成器件阵列受益。典型的器件阵列(例如可变光衰减器(VOA))的光学通路可安排成相互平行，从芯片的一端直通到另一端。器件中各波导以一定节距间隔，节距或是决定于器件特性(例如可变光衰减器的热串扰)，或是决定于芯片两端的光纤连接带阵列的节距。波导节距在整个芯片内往往有变化。在阵列中间的器件分支波导必须连接到芯片的一端，对于其光纤连接或是照明边缘安装的安装检测器，或是照明芯片颠倒或顶面安装的安装检测器。这可以使相近波导交叉来实现，这称为交叉形分路器，或是保持与阵列平行来实现，这称为叉指形分路器。

由于允许较小的器件间节距，小半径的弯曲补偿器适合于交叉形分路器。低折射率差(0.7％到0.8％)的波导必须以大于45度交叉，以避免高的损耗和串扰。为了交叉许多波导而不引起器件波导的过多损耗，往往必需90度的交叉角。如图8a所示，2到3mm的小弯曲半径使第一波导在给定的节距下能以较大的角度交叉。这可使器件的集成度更高，正是集成元件中降低成本的关键。交叉可以将每个波导中从80a到80h的分路器引到芯片边缘，在边缘处它们可以绕82a到82h分别耦合到光纤或检测器上，分路器波导必须与信号波导交叉。信号波导的间隔必须足够远，以使得相邻分路器能以足够大的角度交叉，避免光串扰或光耦合。使用小弯曲半径的PDL补偿器有助于这方面，因为在相同的交叉角限制下它可以使信号波导间隔较近。

对于图8b中所示的叉指形分路器，那里提供了11个波导和11个分路器，每个分路器通道从90a到90k与相应的信号通道92a到92k并排；输出通道以交织形式将信号通道和分路器通道分开。分路器的PDL补偿弯曲结构其安排与交叉分路器的不同。如图8b所示，叉指形分路器的弯曲结构可以是“蛇形”弯曲结构，由紧密的弯曲半径构成。这里，弯曲的目的是相同，也就是使TM模式产生较高的损耗。如果分路器要与信号波导一起引到芯片边缘，则补偿用弯曲圆弧可以分散成一系列相反方向的弯曲。

对于独立式芯片，通过同时调节下游弯曲波导和处理条件(例如外包层的热膨胀系数(CTE))，可一并补偿分路器的PDL和WDL，以获得最佳的光学性能。

图9a和9b示明只有定向耦合器(a)以及定向耦合器加弯曲波导(b)时分路器的PDL，清楚地指出弯曲波导对PDL的改进，并在某种程度上指明弯曲波导对WDL的改进。

在不偏离本发明的精神和范围下，可以设想出许多其它实施例。

Claims (8)

1.一种具有对偏振相关损耗进行补偿的平面光学波导光分路器，包括：

第一光学波导，当光线辐射进所述第一光学波导输入端时支持第一偏振模式和第二偏振模式；

第二光学波导，具有与第一光学波导相邻并接近的至少一个耦合部分，用来将辐射进第一光学波导的光线的一部分接收到第二光学波导中，所述耦合部分以偏振相关的方式耦合光线，使得第一偏振模式比第二偏振模式更强地从第一光学波导耦合进第二光学波导中，由此引起从第一光学波导耦合进第二光学波导中的光线的偏振相关损耗；

第二光学波导的弯曲部分与耦合部分有明显的区别，并且设置于耦合部分和输出端之间，所述弯曲部分有至少一个预定的弯曲，所述弯曲具有小半径以使第一偏振模式的光线比第二偏振模式的光线更有效地辐射出波导的弯曲部分，进入弯曲部分的包层，以便在留在第二光学波导中的光线通过弯曲部分后补偿其由于耦合部分所引起的偏振相关损耗。

2.根据权利要求1所述的平面光学波导光分路器，其中，所述平面光学波导光分路器包含具有不匹配的热膨胀系数的光学材料。

3.根据权利要求2所述的平面光学波导光分路器，其中，所述平面光学波导光分路器包含设置于硅基底上的二氧化硅。

4.根据权利要求3所述的平面光学波导光分路器，其中，所述至少一个预定的弯曲具有2mm至3mm的弯曲半径。

5.一种平面光学波导系统，包含一个支持第一偏振模式和第二偏振模式的第一光学波导，并包含具有至少一个与第一光学波导相邻并接近的耦合部分的第二光学波导，用来把进入第一光学波导的光的一部分分路到第二光学波导中，其中，在工作时，从第一光学波导已耦合进第二光学波导的第一偏振模式光线有第一插入损耗I₁₁它远小于耦合进第二光学波导的第二偏振模式光线的第二插入损耗I₂₁，从而产生插入损耗差I_Δ＝I₂₁-I₁₁，I_Δ＞0，所述平面光学波导系统的特征在于：

第二光学波导的一部分包括至少一个弯曲，所述弯曲具有小半径致使光以偏振相关的方式透过所述弯曲，因而使第一偏振模式的光线比第二偏振模式的光线在所述至少一个弯曲中经历更高的光学损耗，以便在从第一光学波导耦合到第二光学波导的光线通过所述至少一个弯曲后补偿其插入损耗差I_Δ。

6.一种偏振补偿的平面波导分支，包括：

平面光学主干波导，用来传输具有TE和TM模式的线性非偏振光信号，所述平面光学主干波导包含设置于硅基底上的二氧化硅；

平面光学分支波导，包含设置于所述硅基底上的二氧化硅，所述平面光学分支波导能够支持TE和TM模式并光学耦合到主干波导，使得主干波导内传播的光信号的至少一部分在TE和TM模式之间不平衡地耦合进分支波导，从而导致从主干波导耦合进分支波导的光信号的该至少一部分其TM模式的耦合强于TE模式的耦合；

其中，所述分支波导的一部分具有预定的弯曲，所述预定的弯曲具有规定的尺寸和形状并具有从2mm至3mm的预定半径，从而导致TM模式比TE模式在预定的弯曲中的光学损耗更高，由此用来补偿TM和TE之间的所述耦合不平衡，所述分支波导的一部分在如下区域的下游，用于接收光信号的至少一部分，在所述区域中在主干和光学耦合到主干的分支波导或波导部分之间发生耦合。

7.一种用于传输多个光信号并在同一基底中有多个分离的主干波导的光学波导芯片，每个主干波导都有一个由分离的耦合区域进行光学耦合的分支波导，由于在耦合区域中的TE和TM模式耦合之间的不平衡，对于从每一个主干耦合到各自的分支波导的光线，每个耦合区域都在TE模式和TM模式之间引起插入损耗差，所述光学波导芯片的特征在于：

每个分支波导在所述耦合区域的下游具有波导区，所述波导区中具有至少一个预定的弯曲，所述弯曲的特征在于其具有小弯曲半径，以至导致光线以偏振相关的方式透过所述波导区，以便补偿由于所述耦合区域所引起的TM模式和TE模式之间的插入损耗差。

8.根据权利要求7所述的光学波导芯片，该芯片在硅基底上包含二氧化硅，其中所述弯曲半径为2mm至3mm。

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