可调谐的光学添加/去除多路复用器 【发明领域】
本发明一般旨在改进集成型波分多路复用器(multiplexer)/去多路复用器(demultiplexer)光学装置，其中能以有效的方式添加(add)或去除(drop)某一特定波长(或若干特定波长)的光。该装置可用折射率随温度变化大的光学聚合物制造。可在宽的波长范围内使用单个滤光元件，因而能动态地选择波长。
发明的背景技术
正如D.C.Johnson、K.O.Hill、F.Bilodeau和S.Faucher在“窄带波长选择性光学分接头与合并器(combiner)的设计新原理”(Electron Lett.，第23卷，668-669页(1987))和C.R.Giles与V.Mizrahi在“WDM光波网络的低损耗添加/去除多路复用器”(Proc.100C，第66-67页(1995))的论文中揭示的那样，在本技术领域中，用于添加/去除波长编码信号(特定波长的光)的装置是众所周知的，上述论文包括在此用作参照。这类装置应用的光纤除了应用于局域网、计算机网等以外，主要应用于电信系统。光纤能够载送大量信息，而本发明的装置的目的正是通过分离不同波长信道上载送的信息，对光纤提取/注入选定量的信息。
这类装置包括各种各样的元件，它们一起提供期望的波长编码信号的分离。正如E.A.J.Marcatili在论文“集成光学的电介质矩形波导与定向耦合器”(Bell Syst.Tech.J.，第2071页(1969))中揭示的那样，集成光耦合器，尤其是定向耦合器，历来用于建立瞬逝定向耦合，该论文包括在此用作参照。光信号在各平面波导间耦合，第二平面波导中的信号与第一平面波导中的信号以同一方向传播。
正如L.B.Soldano与E.C.M.Penning在论文“基于自成像的光学多模干涉装置：原理与应用”(J.Lightwave Technol.，第13卷，615-627页(1995))中揭示的那样，MMI(多模干涉)耦合器一直用来建立耦合，该论文包括在此用作参照。MMI耦合器实现自成像，因而输入多模波导的视场(field)轮廓沿着波导传播方向以周期间隔的单像或多像再现。
光学循环器是至少具有三个端口地光耦合装置。三端口循环器耦合进入端口1至端口2的光、进入端口2至端口3的光和进入端口3至端口1的光。
如K.O.Hill与G.Meltz在论文“纤维布喇格光栅技术基础与概况”(J.Lightwave Technol.，第15卷，1263-1276页(1997))和T.Erdogan在论文“纤维授让(granting)光谱”(J.Lightwave Techuol.，第15卷，1277-1294页(1997))中揭示的那样，衍射光栅(如布喇格光栅)一般用来隔离窄带波长，这些论文包括在此用作参照。正如L.Eldada、S.Yin、C.Poga、C.Glass、R.Blomquist和R.A.Norwood在论文“应用聚合物布喇格光栅MZI的集成多信道OADM”(Photonics Technol.Lett.，第10卷，1416-1418页(1998))中揭示的那样，此类光栅反射器能构成一种装置，可用于在光纤传输系统中添加或从中去除预定中心波长的光信号，而不影响其它波长的信号，该论文包括在此用作参照。
希望能对单一光信号装置在某一动态波长范围内，比现有装置更精密地去除某一波长，而不必为此采用多个光信号装置。
【发明内容】
本发明通常指具有微调装置的光信号装置，能更有效地控制从多波长光信号中分离的光波长。
本发明的光信号装置有一独特的材料阵列，还包括改变光信号装置的温度，它能精密地选择去除或添加光信号的目标波长，并且迅速地将波长从一个目标波长改变成另一个目标波长。
具体而言，本发明的光信号装置包括：
a)基片(substrate)；
b)一对间隔开的第一和第二包层，其组成材料具有至少类似的折射率值；
c)包括位于这对包层之间的一个波导或一对相对波导的核心层，其折射率值大于所述第一和第二包层的折射率值，从而核心层与包层的折射率值之间的差异使多波长光信号以单模通过所述装置；
d)形成滤光装置(filter means)的光栅，用于使所述多波长光信号的单一光波长从中分离出来；和
e)用于改变至少所述核心层的折射率以控制要从所述多波长光信号中分离出来的光波长的装置。
在光信号装置的一个较佳结构中，至少核心层是用热敏材料制成的，而改变折射率的装置利用了对热敏材料的加热。热光效应是较佳的折射率调谐效应，它在本说明书的大部分内容中用作示例效应。一般而言，在本发明中可用任何一种折射率调谐效应(如电光效应、应力光学效应)及其任何组合来改变折射率。
在光信号装置的一种较佳结构中，两个包层位于折射率改变装置与核心之间，两个包层各自具有不同的折射率。还揭示了制造本发明光信号装置的方法。
附图简述
下面附图(同一标号表示同一部件)用于列举本发明的实施例，而不是限制本发明内容。
图1是本发明的光信号装置的一个滤光元件实施例的示意正视图；
图2是本发明的光信号装置的另一个滤光元件实施例的示意正视图，它在加热器与核心层之间应用了不同折射率的两个包层；
图3是示出由本发明中用到的滤光元件反射的光波长随着温度变化的曲线图；
图4A～4C是根据本发明的三个单滤光元件实施例的示意图；
图5A—B是根据本发明的应用两只加热器(有开关或无开关)的二级添加/去除滤光器的两个实施例的示意图；
图6A—6D是根据本发明的带有一个或多个加热器和各种开关结构的四极添加/去除滤光器的示意图；
图7是根据本发明的四级添加/去除滤光器的示意图，其中把不用的信道返回总线；
图8是本发明的四级添加/去除滤光器的示意图，这里用1×5合并器将不用的信道与通过(pass-through)线路直接合并起来；
图9是根据本发明的四级添加/去除滤光器的示意图，通过对滤光器一侧作外调谐(out-tuning)来减少开关数量并简化合并器；
图10是根据本发明的四级添加/去除滤光器的示意图，通过对滤光器两侧作外调谐来减少开关数量并简化合并器；
图11是本发明的四级添加/去除滤光器的另一实施例的示意图，它应用了多侧外调谐和最少数量开关；和
图12是本发明的四级添加/去除滤光器的示意图，其中用添加滤光器将不用的信道与通过线路合并起来。
发明内容的详细描述
本发明针对这样一种光信号装置，其中在滤光元件(如布喇格光栅)中应用了一种最好利用加热器与热敏聚合物改变折射率的装置，来制成一种可微调的添加或去除信号滤光器，用于在宽的波长范围内去除或添加某一预选的光波长。
在本发明的一种较佳形式中，采用具有两个耦合区的Mach-Zehnder干涉计型装置、100％定向耦合器或多模干涉(MMI)耦合器。在包含3dB定向耦合器或3dB多模干涉耦合器的耦合区之间是光栅区，它由一光栅系统(如布喇格光栅)组成。Mach-Zehnder型装置的光栅区里的波导通常相互隔开，故在该区域内不出现瞬逝耦合。
在本发明的另一种较佳形式中，在两个光循环器之间应用一只单波导，波导内是由光栅系统组成的光栅区。
根据本发明的一个较佳形式，光信号装置有一特制的光栅区，它由热敏材料制成，即具有相对较大的热光系数(定义为折射率随温度的变化)，例如绝对值至少是104/℃(如热敏聚合物)。热敏聚合物的例子包括交联丙烯酸酯、聚酰亚胺和聚甲基丙烯酸甲酯，例如有乙氧基化双酚二丙烯酸酯、三丙乙醇二丙烯酸酯和1，6己二醇二丙烯酸盐。
当加热是改变至少核心层内的折射率的手段时，光栅区就配以加热(诸如特定电阻的电极)或引起聚合物温度变化的其它装置。参照图1，它示出本发明光学装置的第一种光栅区结构。滤光元件2包括核心区4，其每边有各自的包层6A和6B。光栅在核心区4内，最好也在包层6A和6B内。包层6A上面是加热器8，如上所述，它可以是一根特定电阻的电极。下包层6B的下面配有基片10。如上所述，核心层由热敏聚合物制成。上包层6A与下包层6B最好地用类似材料制成，虽然各层的折射率不同，这在下文再讨论。
根据本发明，加热器贴近滤光元件来加热热敏聚合物。如图3所示，随着滤光元件温度升高，反射光波长通常以线性斜率变化。具体如图3例子所示，在20～100℃范围内，反射光波长将每摄低度缩短0.256nm。在该温度范围内，反射光波长将线性地改变约20nm。因此，本发明通过升降构成滤光元件的材料的温度，可改变光信号装置中的滤光元件的反射光波长。
如图1所述的实施例中，核心4的折射率(n)将超过上下包层6A与6B二者的折射率。上下包层6A与6B的折射率最好相同，但只要二者都小于核心层的折射率，它们可以不一样。
在本发明的较佳形式中，下包层6B的厚度约10～20μm，而上包层6A的厚度约5～10μm。核心层的厚度最好是约3～9μm。
应用于本发明的一种较佳滤光元件示于图2。该滤光元件在加热器8与另一上包层6A之间设一附加上包层6C。附加上包层6C的其折射率低于上包层6A的折射率，增设的原因是包含加热器8的金属元件容易吸收光。附加包层6C的作用是将光推离加热器，因而提供损失很小的光信号，同时使整个包层厚度(6A与6C)小得足以用加热器8有效地加热核心4。
在图2实施例中，各层的厚度与上面结合图1的实施例所述的相同。应注意，上包层6A与6C的组合厚度最好在约5～10μm范围内。
本发明适用于级联的光信号装置(如基于Mach-Zehnder或基于定向耦合器或基于波导加隔离器(waveguide-with-isolator)的N级单信道元件)以便制造在宽范围(如24～100nm)内可调谐的去除滤光器。加热装置应用于滤光元件，当启动加热装置时，热量加到聚合材料造成滤光元件的反射波长变化。
下表1列出在给定的固定温度范围与波长调谐范围所需要的级数(N)。用于可调谐性的值为0.25nm/℃，表示反射波长与所示温度之间的线性关系，这一关系结合图3的例子描述和显示。
表1 特 定 带 宽温度范围每级调谐 范围 24nm 32nm 40nm 80nm 100nm 100GHz(0.8nm)信道数30信道40信道50信道100信道125信道10℃ 2.5nm 10级13级16级32级40级20℃ 5.0nm 5级7级8级16级20级30℃ 7.5nm 4级5级6级11级14级40℃ 10.0nm 3级4级4级8级10级50℃ 12.5nm 2级3级4级7级8级100℃ 25.0nm 1级2级2级4级4级
如表1所示，对一给定的温度范围，对于每级可以发生多少次调谐有个极限。例如，对于温度范围为10℃的滤光元件，每级调谐范围为2.5nm。
根据信道间距与通信系统的带宽，滤光元件将包含固定数量的信道。例如，若电信系统的带宽为24nm，则有30个信道，每信道0.8nm。
如表1所示，可容易地确定对给定的带宽在给定的温度范围内进行调谐所需要的级数。例如，如果聚合材料与所需的调谐速度允许温度范围为30℃，信道间距为0.8nm，带宽为40nm，则要求六级，每级的调谐范围为7.5nm。若希望级数更少些，可应用更高的温度范围。级数更少导致插入损耗更小(即横贯装置的光损耗量，以dB为单位)，但是降低了将装置调谐到给定波长的速度。
若对于给定带宽采用更大量级数(即更低温度范围)，热传输则更迅速。然而，更大量级数扩大光信号装置的长度，导致插入损耗更高。因此，最好以适中的级数，在10～100℃中间的温度范围工作。
表1中级数N也代表1×M开关中的M，该开关用来选择单级的输出。1×M开关可用一连串1×2开关实现(通常，1×P，其中P小于M)。如果两个外级因温度略偏出调谐范围而解谐了(tune out)，N就变为N-1。不希望调谐非边缘级，因为一般希望用大的调谐能力来减少级数。然而，选择性调谐也意味着在不同加热器的区段之间有额外的加热器和额外的间距，而不采用外调谐(out-tuning)的话，整个样品能均匀地加热。如果级数(N)为2时采用外调谐，则无需开关。
根据本发明，改变滤光元件的聚合物材料的温度，可以控制光信号装置中每级中去除的波长。根据下式，改变温度使折射率发生变化，由此改变了从多波长光信号中去除或添加该光信号的光波长：
λ＝2N∧式中的λ是去除或添加的波长，N是加热时材料的有效折射率，∧是光栅的周期。
这样，加热使得要添加或去除的波长λ发生变化，其中加热改变了N，通常达到较低程度的∧。
本发明使用的滤光元件适用于范围广泛的各种光信号装置，参照图4A～4C，示出的三种光信号装置都应用了图1或2所示的本发明的滤光元件2。图4A示出Nach-Zehnder实施例，图4B示出100％定向耦合器实施例，而图4C示出的实施例在两个三端口光循环器18之间应用一个单波导。在所有三个实施例中，滤光元件都包括横贯光栅区20的加热器8，如结合图1和2描述的那样。工作时，多波长光源通过输入口22进入光栅区20。单个光波长按照加热器8确定的光栅区温度反射。所需的单波长信号通过去除口24从光栅区去除，而其余的光波长通过光栅区射出“通过”口26。加热器确定的波长还可以通过“添加”口28注入而添加到从“通过”口出射的波长里。在图4A实施例中，两个3dB定向耦合器12可以是3dBMMI(多模干涉)耦合器。在图4B实施例中，100％定向耦合器14可由100％MMI耦合器取代。在图4C实施例中，如果容许高插入损耗和高返回反射率，三端口光循环器18也可用1×2分功器取代。
根据图3所示的反射波长与温度的相依性，通过调节加热器，可依照本发明精确地选择从光源中去除或添加到其中的特定光波长。在图3所示的例子中，光栅区温度每升高1℃，反射波长将缩短0.256nm。
可以在另一滤光元件中进一步处理如图4A～4C所示通过该滤光元件的其余光波长，使两个去除的波长进入单个开关，从而按用户要求去除其中的一个波长。这种配置如图5A与5B所示。
参照图5A，这里应用了两个滤光元件2A与2B，它们各自具有加热器8A与8B。第一选择波长λ1将从滤光元件2A去除并进入1×2开关(标为30)，缺少λ1的其余光信号将传入第二滤光元件2B。与图3例子所示类似地调节加热器温度，以便去除将同样进入开关30的不同的光波长λ2。在图5A所示的实施例中，波长λ1与λ2都为用户使用，而且开关30让用户按需要通过去除口32去除λ1或λ2。外调谐最好在不使用的级中应用，因而在有用范围内的任何信息都不会丢失。
图5B实施例与图5A实施例雷同，只是开关已用合并器代替。本例中必须使用外调谐，从而只有所需的波长从去除口32出射。
图5A的配置在开关中有一些光强损失，而图5B的配置通常有更大的损失(约3dB)，不过为了访问更宽的波长范围和/或提高调谐速度而要求超过一级时，这样的损失是可以接受的。
如图3例子所示，外调谐波长是一个在加热器温度范围内处于有效波长范围之外的波长。例如，如果光栅是图3中测量的那种类型，而且加热器选择的温度范围为40℃～80℃，那么可调谐波长有效范围约为1563nm～1553nm。假定第二光栅对于同样的温度范围滤除范围为1553nm～1543nm的波长，这样外调谐的波长应落在总范围之外(例如1564nm或1542nm)。因此，参照图5B，如果λ1在可调谐范围内而λ2是外调谐波长，那么唯一被合并器去除的波长将是λ1。
根据本发明用加热器去除选定波长的四级配置如图6A～6D所示。
参照图6A，图中示出的本发明的实施例，它应用4级和单个使用1×4开关的加热器去除所需的波长信号。在图6B实施例中，用一连串1×2开关代替图6A中的1×4开关，得到同样的效果。
在图6C实施例中，应用两个加热器可以外调谐边缘级。三个端口通过1×3开关去除单波长光信号，而第四端口去除第四信道，它与1×3开关的输出合并成最终去除端口。
图6D实施例应用两个加热器可外调谐边缘级和1×2开关，合并1×2开关的输出以形成最终去除端口。
不使用的非外调谐级的输出包含来自可用波长范围的信息，所述信号最好返回到总线。图7示出这样一种实施例，汇集并返回不使用的信道。在本例中，各级的输出端设有1×2开关，将信号送至去除口或通过口。在图7中，汇集不使用的信道可以使用例如6dB合并器。把不使用的信道重插入总线可以使用例如3dB合并器。
如图8的实施例，将汇集的信道中的损耗减至7dB的一种方法是发送所有四条信道，并用1×5合并器把它们与通过线路合并在一起。这样就将通过信道的损耗从3dB增大到7dB。由于均衡了所有完成通过的信道，所以这一增大仍可以接受。
在这类环境中解谐边缘级是可行的，并导致简化了光学电路。如图9所示，虽然要附加一个加热器，但是需要的1×2开关少了一个，而且通过口的1×5合并器变为1×3合并器，损耗由7dB减为4，7dB。如图10所示，如果添加一个以上的加热器，还可取消另一个1×2开关。
在本发明的另一实施例中，图10实施例的一种改型用1×4合并器取代去除口的1×4开关，如图11所示。
在本发明的再一个实施例中，图10实施例的一种改型用添加滤光器取代了通过口的1×3合并器，如图12所示。添加滤光器的光栅与它们对应的添加/去除滤光器的光栅具有同样的周期，而且它们与这些添加/去除滤光器共用同样的加热器(或通常加热到同样的温度)。添加滤光器可以具有极低的光损耗，防止出现1×N合并器的N倍损耗(circumventing the factor of N loss of1×N combiners)。
应该理解，在图5—11中，去除口的所有配置都可在添加口实施。还应明白，图5—11所示的采用图4A中的那种Mach-Zehnder型装置的所有多级配置，也可以应用图4B所示类型的100％定向耦合器，或者应用图4C所示类型的三端口光循环器之间的单波导。