基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器

摘要

本发明公开了一种基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器，它由一个阵列波导干涉器和一个布喇格反射滤波器构成，布喇格反射滤波器的工作波长位于阵列波导干涉器的滤波通带范围内，且制作在阵列波导干涉器的输入光波导的前端，光波从阵列波导干涉器的输入光波导的后端输入。本发明结构简单，尺寸小，特别适用于制作大规模复杂光集成系统芯片，也可用于光谱和传感测量。

说明书

                      技术领域

本发明属于集成光学领域，具体地是一种特别适用于制作大规模复杂光集成系统芯片，也可用于光谱、传感等领域的基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器。

                      背景技术

密集波分复用(Dense wavelength division multiplier，DWDM)是提高光纤通信容量的一个重要手段。其原理是把许多不同波长的光波复合到一根光纤进行传播，这样比仅传播单一波长光波效率提高了很多。具体从技术上讲，在光纤起始端需要把多个波长光信号，通过波分复用器复合进一根光纤；在终端，需要通过波分解复用器把不同波长光波从该光纤里一一分解出来。如果解复用器能够只把单根光纤中某一波长的光波分解出来而不影响其他波长光波，这种解复用器又可以称为波长选择器(Wavelength selector)。目前有许多器件可以进行波分复用/解复用，如阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating，AWG)，阵列波导干涉器(Arrayed waveguide interferometer，AWI)，布喇格光纤光栅(FBG)等等。其中用一块AWG已可以实现一百多路光信号的波分复用/解复用，但是单个AWG本身体积较大，在一块基片上往往只能集成一、二个AWG。而AWI是本发明人最近提出的一种新型“阵列波导型干涉器”(发明专利申请号：01114223.5，实用新型专利号：ZL 01240150.1)。由于采用了多光束干涉原理，该阵列波导干涉器相当于一个波长窄带滤波器，通过多个AWI的级连可以实现波分复用/解复用。尽管AWI的尺寸可做到几个平方毫米，但是当进一步压缩AWI的尺寸时，由于小曲率半径光波导的引入，可能使得器件损耗迅速增加。另外布喇格光纤光栅相当于一个窄带反射器，它可以对光纤中正向传播的某一波长光波实现近似100％的反射，但反射后的光波反向传播，需要通过一个环行器把它分离出来，再加上布喇格光纤光栅本身是一种分立元件，因此采用布喇格光纤光栅的解复用器结构复杂，不适于大规模集成。与布喇格光纤光栅非常相似的还有一种器件称为布喇格反射滤波器，只不过布喇格光纤光栅通过对光纤折射率的周期调制直接制作在光纤上，而布喇格反射滤波器采用周期性光波导结构制作在平面基片上。布喇格反射滤波器所采用的周期性光波导可以是折射率周期变化的光波导，也可以是尺寸结构，如厚度或宽度，周期变化的光波导。布喇格光纤光栅与布喇格反射滤波器都采用了布喇格反射原理，即正向传播的光波由于受周期性光波导的调制，转换成反向传播光波导。布喇格反射滤波器常常作为反射器用于制作半导体激光器，但是由于反射光波沿原路径反向传播，因此它不能单独构成波长选择器。

为了制作大规模光集成芯片，实现对几十、上百根光纤中光信号的同时波分复用/解复用、光交叉互连、光交换处理等，需要把成千上万个光无源/有源器件集成在一块芯片上，这就要求每个器件在保证性能的条件下尺寸尽可能小，而现有器件很难充分满足这一要求。

                      发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种波长分辨率高、尺寸小的基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器，它属于波导型光无源器件，特别适用于制作大规模光集成芯片，解决高性能波长选择器的微形化问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器，它由一个阵列波导干涉器和一个布喇格反射滤波器构成，布喇格反射滤波器的工作波长位于阵列波导干涉器的滤波通带范围内，布喇格反射滤波器制作在阵列波导干涉器的输入光波导上，靠近输入光波导的前端，阵列波导干涉器的输入光波导的后端为器件的总输入端口，阵列波导干涉器的输出光波导的前端为器件的总输出端口，所有阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器制作在一块或者二块基片上。

所述的基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器，其阵列波导干涉器的输入光波导和输出光波导的夹角为零，光波从输入光波导经过阵列波导干涉器的耦合光波导阵列中相邻两根光波导耦合到达输出光波导时的光程差为零。

所述的基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器，所有光波导分别制作在同一块基片上的不同光波导层中，或分别制作在两块不同基片上，再对准贴合成一个整体。

本说明书中所用术语说明：(1)、布喇格反射滤波器的工作波长：布喇格反射滤波器由折射率或结构、尺寸做周期性变化的光波导组成，沿该光波导正向传播的一定波长的光波满足布喇格反射条件会发生近似100％的反射，称此波长为该布喇格反射滤波器的工作波长。(2)、阵列波导干涉器的通带范围：一个阵列波导干涉器包括一个输入光波导、一个输出光波导和一个耦合光波导阵列，该耦合光波导阵列由许多根光波导组成，其中每根光波导从输入光波导侧面取出一小部分光波，并经过一定相移后，输送到输出光波导。由于经过耦合光波导阵列中相邻两根光波导耦合到输出光波导的光波的光程不同，只有一定波长的光波满足相长干涉条件，能够从输出光波导输出，因此阵列波导干涉器相当于一个窄带滤波器，只有在一个狭窄波长范围内的光波才能通过阵列波导干涉器，称此波长范围为阵列波导干涉器的通带范围。(3)、阵列波导干涉器的输入/出光波导的前/后端：只有从输入光波导某一端输入的合适波长的光波才能到达输出光波导的输出端，称输入光波导的此输入端为输入光波导的前端，此时光波的输出端为输出光波导的前端。相对应地，输入/出光波导的另一端称为输入/出光波导的后端。从输入光波导的后端输入的光波可能无法达到输出光波导，至少不会从输出光波导的前端输出。(4)、输入光波导与输出光波导之间的夹角：指在阵列波导干涉器中，一定波长光波的光波矢从阵列波导干涉器的输入光波导的前端开始，最终传播到输出光波导的输出端的过程中所转过的角度。

本发明的基本原理是：首先用布喇格反射滤波器对输入光波中待分离的某一波长光波进行反射，然后用阵列波导干涉器将被反射后反向传播的光波从输入光波导分离出来。

由于在基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器中，布喇格反射滤波器制作在阵列波导干涉器的输入光波导的前端，因此当一定波长光波从阵列波导干涉器的输入光波导的后端输入时，阵列波导干涉器对该光波不发生作用，而当该光波传播到在阵列波导干涉器的输入光波导的前端时，由于存在一个布喇格反射器，如果光波波长合适，即满足布喇格反射条件，则该光波被反射回来，反射后的光波此时正向通过阵列波导干涉器，由于布喇格反射器的工作波长位于阵列波导干涉器滤波的通带范围内，因此该波长光波同时又满足阵列波导干涉器的相长干涉条件，这样它会从阵列波导干涉器的输出光波导的前端输出，这样就实现了对该波长光波的选择分离，而其他波长光波不被布喇格反射器反射，继续向前传播。

在阵列波导干涉器中，一般输入光波导与输出光波导的夹角不为零，但此时，随着器件宽度增加，器件高度也增加。为了进一步压缩器件高度，可以使阵列波导干涉器的输入光波导与输出光波导的夹角为零，此时经过耦合光波导阵列中相邻两根光波导到达输出光波导的光波的光程可能全部相同，阵列波导干涉器变为一个无限宽带滤波器，即从阵列波导干涉器的输入光波导的前端输入的任何波长光波都会从输出光波导输出。不过由于对波长的选择功能主要由布喇格反射器实现，阵列波导干涉器的通带宽度并不重要。此时的阵列波导干涉器相当于一系列并联的Y型结，每个Y型结从输入光波导中分离一定功率比例的光波，送到输出光波导。这样经过多个Y型结的分离，最后输入光波导中的光波几乎全部被送到输出光波导。

阵列波导干涉器由输入光波导、输出光波导和耦合光波导阵列组成，耦合光波导与输入光波导和输出光波导可分布于不同平面，也就是说可以制作在不同光波导层，因为耦合光波导不管是在输入光波导和输出光波导的侧面还是正上方，只要它们相隔距离适当就可实现正确耦合，保证阵列波导干涉器的正常工作。因此对基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的混合型波长选择器，所有光波导可以分别制作在同一基片上的不同光波导层中，甚至可以分别制作在两块不同基片上，再对准贴合成一个整体。

基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的波长选择器可以应用于许多场合，例如多个此类波长选择器级联可以实现波分解复用。再如，采用特定光波导材料制作布喇格反射滤波器，则可通过材料的电光，或声光，或热光，或磁光，或等离子体色散等效应改变光波导的折射率，或通过压电效应改变光波导的空间周期，从而实现布喇格反射滤波器的调谐，即工作波长的改变，起到光开关或传感作用。

本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

本发明混合型波长选择器，既克服了布喇格反射滤波器只能对光波进行反射而不能从原光路中分离出来的弱点，也克服了阵列波导干涉器当其尺寸很小时可能损耗较大的弱点，同时保证了高波长分辨率，其结构简单，尺寸小，特别适用于制作大规模复杂光集成系统芯片。

                      附图说明

图1为阵列波导干涉器的工作原理示意图。

图2为本发明在阵列波导干涉器的输入光波导与输出光波导的夹角不为零度时的实施例示意图。

图3为本发明在阵列波导干涉器的输入光波导与输出光波导的夹角为零度时的实施例示意图。

图4为本发明在阵列波导干涉器的输入光波导与输出光波导的夹角为零度，且输入光波导、输出光波导等分别制作在不同基片上时的

实施例示意图。

                    具体实施方式

在图1中，阵列波导干涉器由输入光波导1、输出光波导2和耦合光波导阵列WS组成，其中耦合光波导阵列WS中包含很多根光波导W。如图所示，光波I_in从输入光波导1的左端口(即前端)输入，耦合光波导阵列WS中的每根光波导，从左至右，依次从输入光波导1的侧面耦合取出一小部分光波，送到输出光波导2，分别形成E₁、E₂、E₃、E₄、......、E_N-3、E_N-2、E_N-1、E_N，它们相互之间存在一定光程差。以E₁、E₂为例，一小部分光波从a点，经左起第一根光波导耦合，在d点汇合到输出光波导2形成E₁，同时另一小部分光波从b点，经左起第二根光波导耦合，在c点汇合到输出光波导2形成E₂，作辅助线de平行于ab，由于第一根光波导与第二根光波导平行，不难发现，E₂、E₁之间的几何路程差为|ab|+|bc|-(|ad|+|dc|)＝|de|+|ec|-|dc|，几何路程差再乘以折射率即为光程差。E₁、E₂、E₃、E₄、......、E_N-3、E_N-2、E_N-1、E_N在输出光波导2中发生多光束干涉，由于它们相互之间存在一定光程差，只有一定波长光波才正好满足相长干涉条件，从输出光波导2输出，形成I_out。因此阵列波导干涉器相当于一个窄带滤波器，而且耦合光波导阵列WS中包含的光波导W越多，阵列波导干涉器的通带范围越窄。

在图2中，基于阵列波导干涉器和布喇格反射滤波器的混合型波长选择器由阵列波导干涉器3和布喇格反射滤波器4构成，布喇格反射滤波器4制作在阵列波导干涉器3的输入光波导1上，且靠近输入光波导1的前端口5。端口6为输入光波导1的后端口，同时也为器件的总输入端口。工作时，波长为λ₁、λ₂、...λ_j、...λ_N-1、λ_N的光波从输入光波导1的后端口6输入，如图所示从左向右传播，此时阵列波导干涉器3对这些光波不起作用，因为它们的传播方向不对。当光波传播到接近输入光波导1的前端口5时，此时光波进入布喇格反射滤波器4，波长为λ_j的光波满足布喇格反射条件被近似100％反射，同时波长λ_j也位于阵列波导干涉器3的通带范围内，因此反向传播的波长为λ_j的光波满足相长干涉条件，被阵列波导干涉器3送到其输出光波导2，从其前端口7输出，端口7也是器件的总输出端口。经过上述过程，波长为λ_j的光波就被选择分离出来，而其他波长光波基本不受影响，继续向前传播。在图2中，阵列波导干涉器3的输入光波导1和输出光波导2之间的夹角不为零，这样器件的整体高度随阵列波导干涉器3的宽度的增加而增加。

在图3中，阵列波导干涉器3的输入光波导1和输出光波导2之间的夹角为零，即互相平行，这样不管器件的宽度怎样变化，其高度保持不变。同时输入光波导1和输出光波导2之间的间距越小，器件高度越小。但如果输入光波导1和输出光波导2之间的间距过小，则会发生直接耦合，即输入光波导1中无论正向、反向传播光波，不管其波长为多少，都会直接耦合进入输出光波导2，这样器件就起不到的波长选择的作用。一般当输入光波导1和输出光波导2之间的间距大于20微米时，直接耦合就可忽略不计，这意味着器件的整体高度可压缩到约20微米，这样就非常有利于大规模光集成。

在图4中，布喇格反射滤波器4和阵列波导干涉器3的输入光波导1制作在基片9上，而阵列波导干涉器3的输出光波导2和耦合光波导阵列制作在基片8上。基片8与基片9贴合前应严格对准，即保证阵列波导干涉器3的耦合光波导阵列中的每根光波导的末端正好位于阵列波导干涉器3的输入光波导1的正上方，并形成一个完整的阵列波导干涉器。采用两块基片的好处是，这两块基片可以为不同材料，例如基片8为低损耗的石英玻璃基片，而基片9为具有电光效应的铌酸锂基片，这样可以实现两种材料的功能互补，达到最佳器件性能。