CN1646958A - 集成光学元件的波导滤模器 - Google Patents

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Abstract

通过在集成光路中引入成像多模干涉装置，可以抑制诸如横向波导场振荡和背反射等性能下降。特别是横向波导场振荡(因未对准的光耦合而发生)的抑制能显著减少光功率分配器结构中(例如在Mach－Zehnder调制器中所采用的)功率分配比的变化。

Description

集成光学元件的波导滤模器
发明领域
本发明涉及集成光学元件，更具体地说，涉及用于集成光学元件的波导滤模器。
背景
随着电信和数据通信日益采用光纤作为优选的通信介质，通信设备中通常使用的电气元件正由等效的集成光学元件取代，包括波导、光放大器、分光器等。
为了从光纤传送到集成光学元件，光信号首先由用形成集成光学元件同一介质形成的波导所接收。可以认为，由波导传送的光信号具有至少一种模式，其中，模式是指在传播时保持其横向场分布的传播的或渐逝的电磁场的许多可能图案之一。每种模式的特点在于其频率、极化、电场强度和磁场强度。一种模式的电磁场图案取决于信号的频率以及波导的折射率、介电常数和几何结构。
多模干扰(MMI)装置依靠多模波导的自成像特性。自成像是指在波导传播方向上输入场图案按照周期性间隔以单一或多个图像的形式重现的特性。自成像是传播常数和模数的(近平方律)依赖关系的结果。
MMI耦合器是一种示范的MMI装置，它由输入波导和输出波导组成，二者之间用MMI区分隔开。MMI区支持以不同的相速度传播的能导致周期性自成像的大量模式。MMI区可有多个输入端和多个输出端。MMI区的大小根据所关注的信号波长来选择，并建立作为输入端信号函数的输出端光信号的特性。例如，适当大小的MMI耦合器可具有单一输入端并将所述输入的信号分开，使所述信号在两个输出端之间分配。
MMI装置在需要N×M功率分配结构(即将N个输入端的功率分配(不一定是均匀地)到M个输出端)的集成光路中已成为重要的元件。需要功率分配结构的示范集成光路包括环形激光器、阵列波导光栅、干涉型调制器和光开关。Mach-Zehnder调制器是需要功率分配结构的集成光路的另一实例。干涉型调制器中功率分配结构的配置决定了功率分配比，功率分配比是指输入功率在许多输出功率之间例如两个输出功率之间的分配。
和集成电气元件一样，集成光元件也需要耦合。但和仅需要电连线相接触的集成电气元件不同，当光纤耦合到通向集成光元件的波导时，会发生未对准情况。未对准的光耦合会激发除在功率分配结构的输入波导中的基模外的其它模式，导致功率分配结构的功率分配比的改变。固定所述功率分配比对于干涉型调制器是至关重要的。
如果光纤和波导之间的耦合能以亚微米的精度实现，则分配比可以固定，但这个要求导致非常小的制造容差。
虽然有少数波导和分配器的设计允许有固定的分配比，与未对准无关，但如果装置的要求不适合这些设计，则对于分配比与未对准之间的依赖关系问题就没有已知的解决方案。
不理想的功率分配比会降低Mach-Zehnder或其它干涉型调制器的装置性能。
输入端到集成光器件的未对准是一个问题，在波导和光纤之间的输出耦合上会发生另一问题。在所关注的光元件的输出波导上部分光信号会因输出波导和光纤之间的耦合而在光元件处被反射回来。这些反射通常称为“背反射”。
通常，可以用适当材料涂敷输出波导的小平面来减少这些背反射。虽然背反射可以用这种方法来减少，但对于某些应用这种减少可能还不够。而且，必需涂敷的涂层厚度的精度要求非常小的容差，而且即使如此，降低背反射的涂层的有效性对于需减少其背反射的信号的波长变化非常敏感。
减少背反射的另一种方法涉及使波导小平面倾斜一定的角度。但对于某些应用这种方法仍不足以减少背反射，特别是需要具有小基模场直径的波导或大折射率阶跃波导的那些应用。而且，使波导倾斜导致了封装的复杂性。
显然，需要降低未对准耦合后波导中存在的高次模式的负面效应。而且，最好能找到另一种方法来替代目前的降低背反射的方法。概述
通过从输入到分配结构的信号中消除高次模式，模消除器可显著降低在集成光元件的输入端因未对准的光耦合引起的功率分配的变化。因此模消除器可提高封装容差和这些集成光元件的性能。模消除器也可以用在集成光元件的输出端来降低背反射。
按照本发明的一个方面，提供一种集成光路，它包括：输入波导；成像多模干扰装置，所述装置适合于基本上去除从输入波导接收的光信号中除基模外的所有模式；以及与成像多模干扰装置光学连通的光功率分配结构。
按照本发明的另一个方面，提供一种在光功率分配结构的输入端抑制传播的横向波导场振荡的方法，所述方法包括制造与光功率分配结构光学连通的成像多模干扰装置。
按照本发明的又一个方面，提供一种集成光路，它包括与功率分配结构光学连通的成像多模干扰装置。
按照本发明的又一个方面，提供一种集成光路，它包括具有倾斜输出端的半导体光放大器以及在半导体光放大器和倾斜输出端之间的成像多模干扰装置。
按照本发明的又一个方面，提供一种集成光路，它包括具有倾斜输出端的波导装置以及在波导装置和倾斜输出端之间的成像多模干扰装置。
按照本发明的又一个方面，提出使用成像多模干扰装置作为集成光路中的光模消除器。
按照本发明的又一个方面，提出使用成像多模干扰装置在从多模干扰装置的输入端接收的光信号中基本上去除除基模外的所有模式。
按照本发明的又一个方面，提出一种半导体光放大器，它包括：成像多模干扰装置，它适合于基本上去除从输入波导接收的光信号中除基模外的所有模式；以及与成像多模干扰装置接触的电极，它适合于通过施加电信号来改变多模干扰装置的光学特性。
按照本发明的又一个方面，提出一种光衰减器，它包括：输入波导；成像多模干扰装置，所述装置适合于基本上去除从输入波导接收的光信号中除基模外的所有模式；以及电极，它适合于将偏置电压加到成像多模干扰装置的表面上。
对于本专业的技术人员来说，结合附图阅读了对本发明具体实施例所作的以下说明后，本发明的其它方面和特性就可显而易见。
附图简要说明
在示出本发明示范实施例的以下各图中：
图1A示出按照本发明的实施例用作模消除器的多模干扰装置的透视图；
图1B示出图1的模消除器的顶视图，示出MMI区的基本结构；
图1C示出图1的模消除器的MMI区的第一替代结构的顶视图；
图1D示出图1的模消除器的MMI区的第二替代结构的顶视图；
图2A示出按照本发明第一实施例的使用中的模消除器；
图2B示出按照本发明第二实施例的使用中的模消除器；
图3示出按照本发明实施例的第一示范集成光路，其中在半导体光放大器的每一侧设置有模消除器；
图4示出按照本发明实施例的第二示范集成光路，其中在光波导装置的每一侧设置有模消除器；
图5示出按照本发明实施例的与模消除器组合的半导体光放大器；
图6示出按照本发明实施例的模消除器的另一种配置；
图7示出按照本发明实施例的集成光路，包括模消除器和干涉型调制器；以及
图8示出本发明的实施例对蝶式MMI分配比的影响。
详细说明
图1A示出用作模消除器的强导向1对1成像MMI装置100的透视图。应当指出，1对1的意思是所述装置具有一个输入端和一个输出端。为形成模消除器100，外延生长一种结构，所述结构包括上包层102、核心层104和下包层106。然后使用传统的光刻工艺刻蚀所述外延结构，以便形成输入波导108、多模干扰(MMI)区112和输出波导110。模消除器100的顶视图示于图1B。
MMI区112也可采用其它的形状，如图1C和1D的顶视图所示。图1C中第一种替代的模消除器100C具有的MMI区112C其侧边结构为向外倾斜，而图1D中第二种替代的模消除器100D具有的MMI区112D其侧边结构为向内倾斜。图1C的MMI区112C和图1D的MMI区112D的倾斜的侧边结构可以用来减少从模消除器辐射的光的背反射。对本专业的技术人员来说很明显也可使用图1B、1C和1D所示结构的各种组合。
对本专业的技术人员来说很明显的是，对图1B、1C和1D所示的MMI实施方案中的任何一个加上一个电极与适当的外延结构相组合，允许将所得到的模消除器用作光衰减器。而且，所得到的装置的大面积为所吸收的功率提供极好的散热。
以下各图一般示出集成光元件各种配置的顶视图。用于制造这种装置的材料实例包括InP、GaAs和LiNbO3。
图2A示出一种集成光路，其中提供1对1成像MMI装置202作为模消除器，所述模消除器串联在光纤212和功率分配结构204之间，功率分配结构204可以是例如多模干扰(MMI)装置、定向耦合器、星形耦合器等。光纤212向输入波导208提供光信号，光信号从输入波导208传输到模消除器202。功率分配结构204的输出在第一输出波导210X和第二输出波导210Y之间分配。在第一输出波导210X和第二输出波导210Y上的光信号被传送到其它集成电路上。
图2B示出一种不同于图2A所示的集成光路，其中模消除器202串联在波导装置206之后，波导装置206可以是例如半导体光放大器(SOA)、激光器等。模消除器202的输出通过具有倾斜小表面211的输出波导传送。
第一示范集成光路300示于图3。第一示范集成光路300包括半导体光放大器(SOA)304并具有输入波导308和输出波导310。输入波导308具有涂敷的倾斜小表面309，输出波导310具有涂敷的倾斜小表面311。输入模消除器302A设置在通到SOA 304的输入光通路中，输出模消除器302B设置在输出光通路中。
第二示范集成光路400示于图4。第二示范集成光路400包括波导装置406，波导装置406串联在图3的输入波导308和输出波导310之间，取代SOA 304。
SOA 500示于图5，它包括连接到输入波导508的多模干扰(MMI)区512和输出波导510。通常，SOA 500包括电极504。输入波导508具有涂敷的倾斜小表面509，输出波导510具有涂敷的倾斜小表面511。对本专业的技术人员来说很明显的是，SOA 500的MMI区512可以具有图1B、1C和1D的各实例中任一种结构或它们的组合结构。
部分集成光路示于图6，示出1对1成像MMI装置600的另一种配置，作为另一种模消除器。可以看出，这是上文中给出的典型配置，所述不同的模消除器600包括连接到输入波导608和输出波导610的MMI区612。但所述不同的模消除器600在输出端还包括另两个波导，通向第一转储端口614A和第二转储端口614B。转储端口614A和614B中的每一个包括各自的光检测器620A和620B。对本专业的技术人员来说很明显的是，所述不同的模消除器600的MMI区612可以具有图1B、1C和1D的各实例中任一种结构或它们的组合结构。
示范集成光路700示于图7，它包括用作模消除器的1对1成像MMI装置702以及干涉型调制器720。示范集成光路700还包括向模消除器702提供输入信号的输入波导708、从模消除器702通向干涉型调制器720的中间波导718以及传送来自干涉型调制器720的输出信号的输出波导710。干涉型调制器720包括输入光功率分配器722，它通过上波导728U和下波导728L连接到输出光功率组合器724。下波导728L包括相位改变装置(PAD)726。PAD例如可以是其折射率可以通过加电压来改变的装置。应当指出，干涉型调制器720可以认为是图2的波导装置206或图4的波导装置406。而且，输入光功率分配器722和输出光功率组合器724均示为2对2装置。在干涉型调制器720的其它实施方案中，输入光功率分配器722可以是1对2装置。另外，输出光功率组合器724可以是2对1装置。
在每个上述实施例中，相对于输入频率选择MMI区112、512、712的尺寸，使得MMI装置的输出主要是输入信号的基模。
参阅图2A，光纤212和输入波导208之间的未对准(未对准)可激发高次波导模式，其差频会导致横向波导场振荡，这种未对准可以通过从输入到功率分配结构204的信号中消除这些高次模式加以补偿。这样，模消除器202(图2A)就可显著减少或消除功率分配结构204的功率分配比的变化。通过适当选择模消除器202的尺寸，在输出端可得到的输入端信号的图像可以仅仅具有基模。固定功率分配比对于干涉型调制器的性能至关重要。所以模消除器202可增加调制器装置的制造容限或改进调制器的性能。有利的是当功率分配结构204是光开关时，降低这些横向波导场的振荡可防止串音增加。
参阅图2B，模消除器202设置在波导装置206的倾斜小表面211之前。在这种配置中，模消除器202可以大大减少高次光背反射(导向和辐射)，否则这种高次光背反射会从倾斜小表面211返回到波导装置206。
具体地说，可以这样选择模消除器202的尺寸，使得输出端的信号是输入端信号的图像并仅包括基模。此处术语“输入”和“输出”是相对于所考虑的信号的方向而言。例如，在考虑图2B的背反射时，背反射的方向是从右到左，所以模消除器202的右侧可以认为是输入，其左侧可以认为是输出。由于背反射主要包括高次模式，在左侧就很少看到进入右侧的任何背反射。
这种配置通常可提高具有倾斜小表面的波导在许多强导向波导装置中的应用。示范的强导向波导结构包括调制器、模式变换器以及阵列波导光栅(AWG)。模消除器202的使用也适合于埋置的或弱导向波导。
放大光信号的常用途径涉及使用掺铒光纤放大器(EDFA)，其中部分光纤用铒掺杂，这样当所述部分由外部辐射(光)源泵激时，通过所述部分的光信号就被放大。对比之下，半导体光放大器(SOA)涉及与电极相接触的半导体波导的“有源”部分。和EDFA情况下用光泵激不同，电极是用电能进行电泵激，以便通过所述有源部分放大光信号。
图3中，输入模消除器302A设置成与SOA 304和输出模消除器302B串联。输入模消除器302A用来减少因未对准的光耦合所引起的横向波导场振荡。输入模消除器302A和输出模消除器302B都用来减少不然会接收到的来自倾斜小表面309和311的背反射。背反射是SOA噪声系数(以下讨论)中的重要构成因素，必需认真加以控制。
同理，在图4中，输入模消除器302A设置成与波导装置406和输出模消除器302B串联。输入模消除器302A用来减少因未对准的光耦合所引起的横向波导场振荡。输入模消除器302A和输出模消除器302B都用来减少不然会接收到的来自倾斜小表面309和311的背反射。
如图5所示，模消除器和SOA的结构可以互补。在图5的SOA 500中，MMI区512，可以认为是模消除器的一部分，是SOA 500的有源部分。可以对电极504进行电泵激来启动SOA 500。电极504的形状应能优化MMI区512中基模的增益。以前的文献中(发明人不详)曾建议菱形作为在其它SOA应用中电极504的最佳形状。这种SOA/MMI结构提供波导小表面和增益区的高次模式反射之间的很少重叠。
通常光学元件(例如SOA装置)性能的量度用噪声系数来表示，是指SOA装置的输出信噪比对输入信噪比的比值，假定输入信噪比是受散粒噪声限制的。
背反射一般会影响SOA的噪声系数，也会影响调谐的增益控制的激光器的线宽。当模消除器设置在给定装置的倾斜涂敷小表面之前以减少背反射时，从小表面反射的高次模式会由模消除器散射，从而减少向所述装置的反馈。已发现减少背反射能得到改进的噪声系数，特别对SOA更是如此。
在图6的替代的模消除器600工作时，所述替代的模消除器600用来把从输入波导608接收到的光信号耦合到输出波导610。在正常工作条件下，从输入波导608接收的光信号的基模可通过MMI区612，不受阻碍，而通过两个转储端口614A和614B将高次辐射和导向模式引出。正如选择设置输出波导610是为了接收输入光信号的基模，选择设置两个转储端口614A和614B是为了优化耦合高次和辐射模式。替代的模消除器600可以减少输出波导610以外的小表面的背反射，其方式类似于前述模消除器的工作。但替代的模消除器600的总体尺寸大于前述的模消除器，这样可以容纳附加的输出波导。通过接收在第一转储端口614A的光检测器620A和在第二转储端口614B的光检测器620B的信号，就可以监视装置耦合随时间的变化并提供反馈机制，而不会分接输出波导610上产生的主要信号。
图7所示的示范集成光路700中的干涉型调制器720通常工作如下。在中间波导718上接收的输入信号中的功率由输入光功率分配器722按预定的功率分配比进行分配。在输出光功率组合器724处，通过上波导728U和下波导728L中每一个接收的信号被组合，形成输出波导710上的输出。通过使用PAD 726，上波导728U和下波导728L中的信号到达输出光功率组合器724时彼此不同相。输出波导710上输出信号的功率取决于信号不同相的程度。通过用调制信号控制PAD726，就可以用所述调制信号调制输出信号。
干涉型调制器720的可预测的操作依赖于在输入光功率分配器722中固定所述功率分配比。为此，在干涉型调制器720之前引入模消除器702。通过消除会在输入信号中引起横向波导场振荡的任何高次模式，模消除器702就改善了干涉型调制器720的性能。
图8示出本发明的实施例对蝶式MMI分配比的影响。具体地说，使用一种尺寸为6μm乘80μm的模消除器。曲线800绘出了蝶式MMI在有和没有模消除器时对应于许多未对准值的分配比。显然，加上模消除器显著减少了未对准对分配比的影响。
其它修改对本专业的技术人员来说也是显而易见的，所以本发明由权利要求书限定。

Claims (16)

1.一种集成光路，它包括：
输入波导，
成像多模干扰装置，它适合于基本上去除从所述输入波导接收的光信号中除基模外的所有模式；以及
光功率分配器结构，它与所述成像多模干扰装置光学连通。
2.如权利要求1所述的光路，其特征在于：所述多模干扰装置包括与所述光功率分配器结构光学连通的主输出端和与转储端口光学连通的辅助输出端。
3.如权利要求1所述的光路，其特征在于：所述成像多模干扰装置是1对1装置。
4.如上述权利要求中任何一项所述的光路，其特征在于：所述成像多模干扰装置具有用来减少光背反射的结构。
5.一种用于在光功率分配器结构的输入端抑制传播的横向波导场振荡的方法，所述方法包括制造与所述光功率分配器结构光学连通的成像多模干扰装置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述多模干扰装置包括与所述光功率分配器结构光学连通的主输出端和与转储端口光学连通的辅助输出端，并且所述方法还包括从所述转储端口接收差错信号并监视所述差错信号的实质性改变。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述光功率分配器结构是干扰型调制器的部件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述干扰型调制器是Mach-Zehnder调制器。
9.一种集成光路，它包括与光功率分配器结构光学连通的成像多模干扰装置。
10.一种集成光路，它包括：
具有倾斜输出端的半导体光放大器；以及
在所述半导体光放大器和所述倾斜输出端之间的成像多模干扰装置。
11.如权利要求10所述的集成光路，其特征在于：所述半导体光放大器也具有倾斜的输入端，并且所述成像多模干扰装置是第一成像多模干扰装置，所述集成光路还包括在所述半导体光放大器和所述倾斜输入端之间的第二成像多模干扰装置。
12.一种集成光路，它包括：
具有倾斜输出端的波导装置；以及
在所述波导装置和所述倾斜输出端之间的成像多模干扰装置。
13.在集成光路中使用成像多模干扰装置作为光模消除器。
14.使用成像多模干扰装置基本上去除在所述多模干扰装置的输入端接收的光信号中除基模外的所有模式。
15.一种半导体光放大器，它包括：
成像多模干扰装置，它适合于基本上去除从输入波导接收的光信号中除基模外的所有模式；以及
与所述多模干扰装置接触的电极，所述电极适合于通过施加电信号来改变所述多模干扰装置的光学特性。
16.一种光衰减器，它包括：
输入波导；
成像多模干扰装置，它适合于基本上去除从所述输入波导接收的光信号中除基模外的所有模式；以及
电极，适合于将偏置电压加到所述成像多模干扰装置的表面上。
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