CN1297537A - 波分多路复用 - Google Patents

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Abstract

阵列式波导光栅装置具有与两个自由空间区域(2,4)互连的波导通道系列(3),所述装置通过所述自由空间区域进行光输入和输出。在所述系列中,所述各通道(3)中任何两个彼此相邻的通道之间存在光程长度差,所述光程长度差由相应的光程长度增量确定。横跨所述通道(3)的光程长度增长是非线性的,它不由所述光程长度增量中的任何一个值确定,也不由所述光程长度增量中的多个值确定,所述光程长度增量中的多个值各自确定所述各通道中至少3个所述通道(3)的子集的线性光程长度增长。

Description

波分多路复用
本发明涉及波分多路复用领域，并且涉及阵列式波导光栅的设计。
对于利用波分多路复用(WDM)的网络，例如无源光网络(PON)，需要用作波长选择多路复用器、多路分路器和路由器的元件。这些元件的例子是光纤法布里-珀罗滤波器、在线式光纤布喇格光栅、自由空间衍射光栅、级联滤光器和阵列式波导光栅，这些元件中最后提到的元件是本发明的主题。
阵列式波导光栅(AWG)通常称为波导光栅路由器(WGR)，而有时称为相控阵(PHASAR)或相控阵波导光栅(PAWG)。
如美国专利No.5,002,350中所描述的，可以认为AWG是由两个星形耦合器构成，一个在AWG的输入侧，而另一个在AWG的输出侧，它们由M个波导通道的阵列、按照m=1到m=M的顺序相互连接，同时，所述各通道具有逐渐增大的光程长度，使得第m个通道的光程长度比第(m-1)个通道的光程长度大固定的增量Δl。
已经由淀积在硅基片上的掺杂的二氧化硅薄膜、利用基于磷化铟的技术制成AWG。
某些AWG在相邻通道或光栅臂之间具有使用时不能改变的光程长度增量Δl，这种类型的AWG在下文中称为无源的。在美国专利5,002,350中可以见到无源AWG的实例。
美国专利5,515,460公开了另一种类型的AWG，它允许在使用时改变光程长度增量Δl的大小，这类AWG在下文中称为有源的。在美国专利5,515,460的AWG的设计中，通过施加电流信号Ⅰ来改变所述光程长度，即，Δl=f(Ⅰ)，使得可以通过改变所施加的控制信号的电流来调谐所述装置。
在标准的无源和有源AWG中，通道通带的形状近似地为正弦平方形(sinc squared)，这是输入和输出波导模与由所述波导阵列产生的阶梯传递函数的多重卷积。结果，滤长偏移容差最小。就是说，如果输入波导有无意的小量改变，那么，这很可能导致输入信号到达的输出端口的无意的改变，或者至少引起耦合到预期的输出端口中的信号功率的损失。
从以下文件得知扩展AWG的通带以便解决这个问题的若干方法：
(1)M.R.Amersfoort等人在Electronics Letters,Vol.23,pp449至451(1996)公开一种具有多模干涉耦合器的装置。
(2)Y.P.Ho等人在Photonic.Tech.LettVol.9,pp 342至344(1997)公开一种在输出侧具有多个罗兰圆的装置。
(3)A.Rigny等人在IEE Conference Publication,No.448,pp 79至82(1997年9月)，Proceedings 23rd ECOC Edinburgh UK，公开一种具有两个交错的通道组、每一组具有不同的光程差增量的装置。
(4)美国专利No.5,412,744(Dragone)公开一种Y形分支形式的双波导输入装置。
(5)D.Trouchet等人在OFC‘97 Technical Digest,pp 302和303公开一种其中输入和输出星形耦合器具有两个焦点的装置。
根据用所附的权利要求1至29作为例子的本发明的第一方面，提供一种阵列式波导光栅，其中各通道具有非线性的光程差增长(progression)。
因此，本设计从根本上不同于传统的AWG的设计，在传统的AWG设计中，光程长度随着通道数而以相等的步长增长，因此，提供被认为是传统的AWG中的基本技术要求的线性相位分布。相反，在本设计中，通道之间的光程长度增量是通道数目的函数，即，通道的光程长度随着通道数目以不等步长增长，因此提供非线性相位分布。可以认为通道之间的所述不等光程长度增量包含与传统的AWG中的一样的相等光程长度增量分量，后者与在最佳实施例中是超线性多项式函数的附加的光程长度增量分量组合。这种附加分量是相位分布的非线性属性的来源。
下面将指出，所述增量不必是正的，而可以是负的，即，可以是减量，因此应当把在描述本发明及其实施例时使用增量这个词理解为具有这种含义。
在某些实施例中，所述光程长度增量附加分量遵循抛物线函数，因此产生抛物线分布、即二次函数分布的非线性相位分布。
在其它实施例中，所述非线性相位分布是超抛物线的或次抛物线的。在一个特殊的实施例中发现：2.1次的超抛物线非线性分布提供最佳性能。
由于通常一个函数可以按照偶次幂和/或奇次幂来展开，所以，一般说来，所述非线性分布可以包含比较高的偶次和/或奇次展开项。
由于偏离传统AWG的线性相位分布，所以，可以在不要求任何附加的元件以及不增加波导结构及其制造的复杂性的情况下实现通带加宽。
可以通过改变几何通道长度和/或通过改变沿所述通道的折射率来改变光程长度。
根据用所附的权利要求30至41作为例子的本发明的第二方面，提供一种阵列式波导光栅，其中通过对通道传输进行幅度调制来修改所述通带，例如通过在各通道范围内与通道有关的衰减或增益，或者通过结合耦合系数的通道相关性，所述耦合系数是关于耦合到各通道或从各通道耦合出来的耦合系数。
为了更好地理解本发明以及说明如何实施本发明，下面将以举例说明的方式涉及附图，附图中：
图1是根据本发明的第一和第二实施例的AWG的示意图；
图2和3显示根据本发明的第一实施例的具有输出星形耦合器的AWG的通带特性，所述AWG呈现偏离罗兰圆的抛物线的、即、二次函数的通带特性；
图4显示随着以规一化到自由光谱区FSR的方式表示的通带宽度Δλ的增加，以平均信噪比S/N表示的带外信号抑制的降低；
图5显示随着以规一化到自由光谱区FSR的方式表示的通带宽度Δλ的增加，平均装置功率传输率T的降低；
图6显示根据本发明的第二实施例的具有输出星形耦合器的AWG的通带特性，所述AWG呈现偏离罗兰圆的超抛物线的、即、2.1次函数的通带特性；
图7显示具有输出星形耦合器的AWG的通带特性，所述AWG呈现偏离罗兰圆的次抛物线的和超抛物线的p=1.85至2.25次函数的通带特性，所述特性曲线是以阶次p、规一化的通带宽度Δλ/FSR以及规一化的通带变化(即，纹波)画出的；
图8显示对于不同的规一化通带宽度Δλ/FSR的值，平均通带传输率T随阶次p的变化；
图9是根据本发明的第三实施例的AWG的示意图；
图10至13以用dB表示的传输率T与用μm表示的波长λ的关系的曲线的形式，显示作为第三实施例的例子的加宽通带的AWG；
图14以用dB表示的传输率T与用μm表示的波长λ的关系的曲线的形式，显示作为第三实施例的例子的双通带的AWG；
图15是根据本发明的第四实施例的AWG的示意图；
图16以用dB表示的传输率T与用μm表示的波长λ的关系的曲线的形式，显示作为第四实施例的例子的加宽通带的AWG；
图17显示在FSR=27.3nm的自由光谱范围内以dB表示的最大纹波RMAX的变化与规一化的通带宽度Δλ/FSR的关系，作为第四实施例的例子；
图18显示在FSR=27.3nm的自由光谱区内以dB表示的带外噪声抑制(即，信噪比)NS的变化与规一化的通带宽度Δλ/FSR的关系，作为第四实施例的例子；
图19显示根据第五实施例的具有40个通道的双通带的AWG的、在装置输出的一个FSR范围内用dB表示的传输率T与用μm表示的波长的关系的例子；以及
图20显示对于图19的例子、用弧度表示的相对于标准线性相位分布的相位偏离φ与通道数m的关系；
图21显示根据第五实施例的具有40个通道的通带加宽的AWG的用dB表示的传输率T与用μm表示的波长的关系的例子；以及
图22显示对于图21的例子、用弧度表示的相对于标准线性相位分布的相位偏离φ与通道数m的关系；
图23是根据本发明的第六实施例的AWG的示意图；
图24显示第六实施例的例子的幅度调制分布；
图25显示第六实施例的例子的通带特性；以及
图26是根据本发明的第七实施例的AWG的示意图。
图1是根据本发明的第一和第二实施例的AWG的示意图。所述AWG的一般形式与传统的AWG的相同。所述AWG具有一个输入通道1，后者的终端孔径位于形成输入侧自由空间2的一个边缘的弧线上，图1中示意地用表示罗兰圆的圆周的虚线显示输入侧自由空间2。多个波导3按照1至M的顺序编号，其中m表示所述M个波导3中的第m个波导，所述多个波导3的各个终端孔径位于输入侧自由空间2的面对上述弧线的另外的弧线上并且安排来接收来自输入通道1的经过自由空间2传播之后的光分量。所述各通道3延伸而终止于输出侧自由空间4的边缘上的相应的另一些孔径。传统上，各通道3的终端孔径所在的边缘是光栅圆的弧线，所述光栅圆用其直径是所述光栅圆的半径的罗兰圆的虚线表示。但是，这不是第一和第二实施例的情况，在第一和第二实施例中，所述边缘不沿着圆的弧线，即，所述边缘不是弧形的，如图中用虚线表示的。下文中将借助理论分析更加详细地描述这种边缘的轮廓以及如何设计它。最后，多个输出通道安排成相应的各孔径位于输出侧自由空间区域4的弧线上，和传统的AWG中的一样。
下面将指出，可以修改图1的AWG，以便包括已知的多个输入通道1，如众所周知。此外，下面将指出，通过代之以在输入侧自由空间区域2上采取通道孔径的相似的非弧形排列也能够提供和通过输出侧自由空间区域4上通道孔径的任何给定的非弧形分布的相同的效果。类似地，两种孔径分布可以都是非弧形的以便提供相同的效果。
下面展开适用于根据第一和第二实施例的具有非线性相位分布的AWG的理论描述。
在相位变迹法之后，由下式给出描述来自一个输出端口的输出幅度谱t(λ)的基本方程： t ( λ ) = Σ m = 1 M f m f m ′ exp [ j ( 2 πnΔl / λ ) α ] - - - ( 1 )
以及
α=m+φ
其中φ是m的函数并且是一般的相位偏离分布，在本实施例中由下式给出：
φ=B[mod(m-M/2)]p        (1a)
其中
λ是波长，
fm，fm’分别是扇入和扇出的第m个波导的耦合系数，
n是折射率，
Δl是代表相同FSR的传统AWG的各波导之间的标准的递增的光程长度差的常数，
M是所述阵列的通道总数，以及
p是决定相位分布的形状的指数。
在这一点上，人们注意到，如果α=m，即，B=0，则方程(1)简化为用于传统的无源AWG的方程，而如果α=m+Bm，其中B电控制信号的函数，则方程(1)简化为用于传统的有源AWG的方程。
方程(1a)中的指数p确定横跨M个波导的相位分布相对于线性相位分布的偏离，使得p=2对应于抛物线相位分布，而p＜2和p＞2分别表示次抛物线分布和超抛物线分布。方程(1)中的模数保证所述相位分布保持既是实数又对称于各波导中的中心波导。系数B是在AWG的扇出部分抛物线或其它阶次的函数偏离罗兰圆的量的量度。为了实现加宽的3dB宽度的频谱Δλ，用下式来接近地近似所需要的B值： B = 2 ( Δλ - Δ λ 0 ) π ( MnΔl / λ 0 ) P / 2 FSR - - ( 2 )
其中
Δλ0=λ0 2/MnΔl未加宽的(即，未修改的)AWG的通带3dB宽度，
λ0是通带的中心波长，
FSR是自由光谱区，以及
nΔl/λ0是AWG光栅阶次。
下面将参考图2至5描述本发明的第一实施例。第一实施例输出侧自由空间区域4的各通道3的孔径具有相对于弧形分布的抛物线偏离，如在上述理论分析中通过设置p=2所描述的那样。输入侧自由空间区域2的各通道3的孔径的分布仍然是弧形的。
图2显示对于相对于传统的罗兰圆配置的抛物线偏离的不同的B值，第一实施例的AWG的通带特性。所述曲线是波长λ与用dB表示的传输率T的关系曲线。为了比较，还示出对于B=0的、即、传统的弧形孔径分布的通带特性。传输率被规一化到标准的AWG响应，即，B=0情况下的响应。关于图2的例子的其它参数值是M=40，Δl=40μm，n=2.2，以及FSR=27nm。所述分析基于适合于傅立叶光学装置的菲涅尔衍射理论。当通带从其B=0的值0.67nm增加到15.1nm时，变化仍然是小的，具有4.1dB的最大纹波，所述变化是在整个通带上传输率相对于其平均值的偏离的量度。
图3是与图2的相同的例子的另一条曲线。与图2中的一样，画出波长λ与传输率T的关系曲线，虽然图3中所述传输率是以线性比例画出的。图3中示出的附加信息是规一化的通带Δλ/FSR，后者以第三维的形式示出。
图4以信噪比S/N的形式示出作为规一化通带宽度Δλ/FSR的函数的带外信号抑制。随着抛物线偏离的加大，带外信号抑制降低。在本实施例中，S/N从窄通带极限值32 dB降低到0.56倍的自由光谱区FSR的通带Δλ情况下的0dB，其中FSR为27nm，即，Δλ=15.1nm。
图5示出作为通带宽度Δλ的函数的通过AWG的、在整个AWG通带上平均的功率传输率T。正如从基本的能量守恒原理可以预期的，随着通带加宽程度的增加，所述传输率下降。在本实施例中，从窄通带极限值到0.56倍的自由光谱区FSR的通带Δλ的所述下降是11.5dB，其中FSR为27nm。传输率的降低是为所述加宽和平化响应所付出的代价。
下面参考图6描述本发明的第二实施例。
除了具有2.1的阶次值p的超抛物线非线性相位分布方面之外，第二实施例与第一实施例相同。
图6对应于图2，并且对于相对于传统的罗兰圆配置的超抛物线偏离的不同的B值，示出第二实施例的AWG的通带特性。图6的例子的其它参数值与图2的相同，即，M=40,Δl=27μm,n=2.2，以及FSR=40nm。随着B值从0增加到1.9×10-4，通带从0.7nm增加到28nm。
图7举例说明作为P和Δλ的函数的通带变化(即，纹波)。指数p在1.85至2.25范围内、从次抛物线值到超抛物线值变化。在p=2.1时，在Δλ/FSR=0.4至0.8的范围内，通带的变化最小，因此在第二实施例中选择这个p值。
图8示出在与图7的相同的范围内，作为指数p的函数的以dB表示的平均通带传输率T，每一条曲线针对规一化通带宽度Δλ/FSR的特定值。该曲线表明，随着p从p=1.9增加到2.2，所述传输效率增加。因此，再参考图7，可以看到，p=2.2或者比p=2.1或者比p=2.0提供更好的传输率，但是，以增加变化或纹波为代价。
作为各通道3的孔径围绕一个或两个自由空间区域排列的光栅圆形配置的偏离的一种可供选择的方案，在某些情况下可以通过在AWG的平面结构上选择通道本身的路由、而按照传统的方法在光栅圆上排列通道孔径来实现相同的光程长度增长。
下面参考图9描述本发明的第三实施例。
该AWG的一般形式与传统的AWG的形式以及图1中所示的形式相似。即，该AWG包括：输入通道1，但可以包括多个输入通道；输入侧自由空间区域2；多个波导3，它们按照1至M的顺序编号，其中m表示所述M个波导3中的第m个波导；输出侧自由空间区域4；以及多个输出通道5。和传统的AWG中的一样，在输入侧和输出侧自由空间区域4和5两者，各通道3的孔径所在的边缘是弧形的，如相应的罗兰圆的虚线所表示的。
第三实施例的AWG由于以下原因而不同于传统的AWG：安排相位控制装置6作用在波导通道1至M的长度的相应部分上，以便把所需要的函数形式的相位移加到通道1至M集体地传播的波前上。
例如，对于基于硅技术的AWG，相位控制装置6可以是一层氢化无定形硅(α-Si：H)。另一种方法是，相位控制装置6可以例如以电极的形式或者嵌入基于磷化铟技术的AWG中，或者嵌入基于铌酸锂技术的AWG中。
下文中将假定，加在给定通道上的相位移将正比于相位控制装置6将相关通道延伸的通道段的长度。
图9中描绘的相位控制装置6在AWG的输入侧具有线性的形状，而在AWG的输出侧具有抛物线形状，以便把抛物线相位移加到波前上。根据上述理论分析，可以把抛物线形状描述为：y∝B[mod(m-M/2)]p其中p=2
由于这种抛物线形状，第三实施例的AWG从根本上具有与第一实施例的AWG相同的物理效果。第一和第三实施例的AWG的工作之间的唯一差别在于：在第三实施例中，可以通过改变加在相位控制装置6上的电压或电流来改变抛物线偏离的量。根据理论分析，这等于参数B，后者是电控制信号的函数，根据用于制造AWG的技术，所述电控制信号可以是电流信号或电压信号。就是说，参数B=f(I)或B=f(V)。因此，对于相关的应用和装置，可以把第三实施例的AWG中的通带加宽的程度改变到最佳值，例如利用反馈过程连续地改变、或者在制造时一次性改变、或者例如在装配之后认为必须重新校准时随时改变。
第三实施例的例子可以具有比较低或比较高的大于1的非整数阶次分布，例如，p=1.5和p=3.4，或者小于1的非整数阶次分布，例如，p=0.5和p=0.8，这些例子由方程(1)结合以下公式描述：α=m+B[mod(m-M/2)]p    (1d)
可以把这种具有p＞1和p＜1的AWG分别看作凹透镜和凸透镜的AWG模拟。
图10至13显示通带加宽的例子，分别具有p=0.5、p=0.8、p=1.5和3.4，所述曲线类似于图2的曲线。就是说，图10至13以用dB表示的传输率T与用μm表示的波长λ的关系曲线的形式显示通带加宽。
所述相位控制装置的形状还可以模仿参考第二实施例讨论的非抛物线分布。
下面参考图15至18描述本发明的第四实施例。第四实施例的AWG在两个方面类似于第三实施例的AWG。首先，相位控制装置6既在AWG输入侧又在AWG输出侧具有抛物线分布，如图15中示意地示出的。其次，有一个附加部件7，它是另一个相位控制装置，可以用来补偿由相位控制装置6产生的中心波长漂移。所述中心波长漂移是抛物线相移装置6的副作用，它导致增加相邻波导之间的相位差，由于失谐光谱的叠加而产生所需要的通带加宽。不对称的抛物线相移装置6产生中心波长漂移，可以把它看作所需要的相位分布的副作用。为了消除这种中心波长漂移，所述另一个相移装置7是不规则四边形(或三角形)，如图15中示意地表示的。这样安排相移装置6和另一个相移装置7，使得它们中的一个对较低通道数m的通道有较长的长度，而另一个对较高通道数m的通道有较长的长度。图15中，不规则四边形相移装置7对较低通道数m有较长的长度，而抛物线相移装置6对较高通道数m有较长的长度。图15中以可以用控制信号VA和VB来控制的形式示出相移装置6和7，当AWG是利用铌酸锂技术制造的时候就是这种情况，在这种情况下相移装置采用电极的形式。
除了中心波长补偿之外，不规则四边形相移装置7还为较长的波长和较短波长两者提供绝对波长可调谐性的另一个好处，这使AWG可以用作有源或可编程的AWG。
此外，不规则四边形相移装置7提供具有控制AWG的FSR的能力的再一个好处，从以下对图18的讨论将明白这一点。
可以利用以上的方程(1)、但是结合以下的方程而不是方程(1a)来描述第四实施例的AWG：
α=m+Am+Bm2
对于抛物线相移装置6，如以上所讨论的，其中B=f(IB或VB)，而另一个系数“A”与不规则四边形相移装置7有关，系数“A”是另外施加的控制信号的函数，即，A=f(IA或VA)。
因此，为了实现中心波长λ1的3dB宽度Δλ的加宽的光谱，待满足的条件可以近似为： B = 2 ( Δλ - Δ λ 0 ) π λ 0 ( M - 1 ) - - ( 2 b )
以及
A=-(m-1)B+(λ0-λ1)/λ0    (3b)
例如，对于基于铌酸锂技术并且使用Z切割晶体的AWG，对于所需要的通带Δλ=18.3nm和装置参数M=40、Δl=35μm、λ0=1.541μm以及n=2.2，方程(2b)和(3b)给出A=-7.2×10-3和B=1.9×10-4。在电光系数r33=30.8×10-12m/V的情况下，不规则四边形和抛物线形电极7和6所需要的电压VA和VB分别是10V左右。
图16以用dB表示的传输率T与用μm表示的波长λ的关系的曲线的形式，显示作为第四实施例的这个例子的加宽通带。在传输功率从B=0的值降低13dB的情况下，3dB通带宽度从0.77nm增加到18.3nn，其中，增加B表示增加电极电压VB。如可以看到的，当通过增加施加在电极上的电压而加大通带宽度时，所述通带仍然基本上是平的。这种效果类似于合成凹透镜的作用。
图17显示在FSR=27.3nm的自由光谱区内以dB表示的最大纹波RMAX的变化与规一化的通带宽度Δλ/FSR的关系，作为第四实施例的例子。
对于第四实施例的例子，图18显示在FSR=27.3nm的自由光谱区内以dB表示的带外噪声抑制(即信噪比)NS的变化与规一化的道带宽度Δλ/FSR的关系。
图17和18显示，随着通带宽度的增加，通带的纹波增加并且带外噪声抑制降低。一般说来，存在最大的实际的通带加宽，在本实施例中，这是大约0.6FSR。
在第四实施例的改型中，可以包括具有三次曲线分布的第三相移装置(未示出)和/或具有正交分布的第四相移装置(未示出)等。一般说来，具有多个多项式分布相移装置的AWG可以用以上方程(1)结合下式来描述：
α=m+Am+Bm2+Cm3+Dm4…    (1c)
附加的较高次多项式分布相移装置对光谱滤波特性进行进一步的处理，以便实现较低的通带纹波和较高的信噪比。从以上给出的理论分析可以明白，合成孔径理论的技术可以用于针对诸如动态光谱均衡和分段通带等问题。
的确，方程(1c)的数列的无限扩展可以描述任何相位分布。为了产生任意的分布，也许最好用多个电极代替单个电极(或电极的等效物)，每一个通道一个。然后，可以通过在所述m个电极上施加m个电压电平Vm来产生所需要的任意的相位分布。利用任意相位分布的相位调制是第五实施例的主题，下面进一步描述。
第四实施例的另外的改型可以用以下的相移装置代替抛物线相移装置6：所述相移装置做成提供联系第三实施例描述的那种类型的非抛物线分布的形状。在所述情况下，通过设置M/2=0来修改方程(1d)，所述求模函数变得多余，以便考虑相移装置6关于所述各通道的不对称性，即，在那种情况下，α=m+Bmp。
上述所有第一至第四实施例及其改型都具有共同的特点：通过在各波导通道3中引入不同于标准的AWG的线性调制的相位调制，修改所述光谱通带特性，在所述情况下就是加宽所述通带或者将其分成多个通带。就是说，上述实施例在没有利用幅度调制的情况下修改所述通带。
除了上述理论框架之外，还可以利用诸如模拟退火的非确定性非线性算法(在M.A.Seldowitz等人的论文中描述了这种算法，AppliedOptis,Vol.26,pp2788至2798(1987))或者全息技术(在M.C.Parker等人的论文中描述了这种技术，IEEE Photon Technol.Letters Vol.9,pp529至531)来获得横跨所述各通道3的相位分布，以便产生所需要的光谱通带特性，即，一种不包含任何幅度特调制分量的分布。这与确定性线性算法形成对照，后者只能得到相位和幅度的混合解。
图19显示本发明第五实施例的双通带的AWG的用dB表示的传输率T与用μm表示的波长的关系的例子，所述AWG具有图20中所示的相对于标准线性相位分布的相位偏离，所述相位偏离是根据模拟退火算法算出的，并且波导通道总数m=40。以弧度计算相对于标准线性增长的相位偏离φ。人们注意到，虽然施加了不规则的、看上去随意相位分布偏离，但是，AWG的通常的周期特性被保持下来。就是说，图19示出一种经由AWG的单一的自由光谱区的输出，这种输出在整个波长谱上周期性地重复。根据图20，显然，对标准的线性相位分布的偏离相对于中心通道是不对称的。
如图21和22中所示，类似于第一至第四实施例，所述模拟的退火算法还能够产生光谱加宽的通带。
图21显示本发明第五实施例的用dB表示的传输率T与用μm表示的波长的关系的通带加宽的AWG的另一个例子，所述AWG具有根据模拟退火算法计算的、图22中所示的、相对于标准线性相位分布的相位偏离。与关于图19和20所作的类似的说明在这里也适用。
在某些应用场合可能需要另外一些通带，例如，用于光谱均衡、噪声抑制、调谐、或波长选择放大/衰减的通带。波长选择放大/衰减在波分复用(WDM)长距离光纤传输中得到应用，用来在中继站补偿中继站之间衰减的波长依赖性(以及由此产生的WDM通道依赖性)。
因此，这种非确定性技术提供一种计算方法，用来计算为了获得关于通带修改的任何需要的最终结果需要什么样的相位分布偏离。所有解具有共同的特点：仅仅利用相位调制、即、不利用幅度调制来实现通带修改，因此避免了与幅度调制相关的固有损耗。
但是，幅度调制可以用于这样的AWG的通带，所述AWG具有以单一的光程长度增量Δl为特征的传统的线性相位分布，下面将参考显示本发明的第六和第七实施例的图23至26对此进行描述。
图23是根据本发明的第六实施例的AWG的示意图。
所述AWG的一般形式类似于传统的有源AWG的形式，后者具有相位控制装置7，例如图23中所示的电极，或者具有根据美国专利US 5,515,460的相位控制装置的结构。所述AWG还包括传统的部件：输入通道1，输入侧自由空间区域2，多个波导3，输出侧自由空间区域4以及在图23中用字母p编号的多个输出通道5。字母R表示自由空间区域2和4的特征长度。
第六实施例的AWG的附加特征是幅度调制装置8，后者通过使经过每一个通道的光被衰减所需要的量来提供通带修改功能。
第六实施例的通带修改是通带加宽。实现通带加宽的方法是：构成幅度调制装置8，以便在m个通道上提供衰减分布A，后者在图24中以dB示出。所述衰减分布对称于所述各通道中具有0衰减的中心通道并且用正弦(sinc)函数来描述。除了所述幅度调制之外，在通道m=1至5以及m=26至30、即、位于正弦函数的各极点之外的那些通道光程长度中，还存在半个周期、即、π的相位变化。
所述衰减分布可以是在制造期间固定的，即，可以是无源的，或者，可以响应电控制信号而导出，即，可以是有源的。
选择正弦函数是由于这种函数的傅立叶变换是矩形脉冲函数，并且由于可以根据傅立叶光学来描述AWG，这将在输出侧产生所需要的光谱加宽。
利用AWG的傅立叶属性的实现，根据傅立叶变换对的知识，可以容易地选择横跨各通道3的衰减分布的其它函数形式，以便在输出端提供所需要的加宽的分布，或者甚至提供用于实现所需要的通道修改的任何其它输出分布、例如升余弦分布。
例如，可以利用半宽度的高斯衰减分布来产生通带的高斯加宽，高斯函数的傅立叶变换是另一种高斯函数。
图25显示当加在相位调制装置7上的电压VA通过VA=V1至V10范围内一系列分立值变化、以便输出到10个输出端口中任一个输出端口时，通过p=1的输出端口的光谱传输。其它输出端口的响应是一样的，除了由于AWG的已知的循环(即，周期性)特性的结果各电压值以循环的方式轮换外。从图25可以看到，产生了具有4nm的3dB宽度的接近矩形的通带。
通过在反馈控制下调整加在其上的电控制信号，具有不规则四边形有源区的相位调制装置7例如可以用来提供温度稳定性。如果AWG设置在交换机中，即，设置在有源控制的复杂性可接受的环境中，则这种实现是可行的。
可以通过以下方程来描述从第六实施例的有源AWG的输出端口p输出的光谱分布t(λ)：
t(λ,p)=(wh/λR)… · · · · Σ m = 1 M a m E m exp [ j ( 2 πnm / λ ) ( Δl ( 1 + n 2 r 33 V / 2 w ) - PWD / R ) ] - - - ( 6 )
其中，在该方程中首次引入的参数是：
Em   横跨M个波导的光信号电场分布；
h,w  分别为波导高度和宽度；
D    波导之间的距离；
W    在扇入部分的输出端口之间的距离；以及
am   第m个波导中的衰减。
图24和25中所示的结果是针对以下参数值的：n=2.2,r33=30.8×10-12mV-1(即，铌酸锂基片)，M=30,w=h=5μm,D=W=10μm,R=1.42nm,Δl=27.3μm，以及am由以下方程定义：am=sin{(12m-M-1)πΔλ/2λFSR}/(2m-M-1)Max[am]    (6a)
其中
Δλ是3dB通带宽度；
λFSR是AWG的自由光谱区；以及
Max[m]是在中心波长提供0衰减的规一化因子。
方程(6)假定输入到每一个波导通道的等强度作用的正常情况。
对于本实施例，总的信号衰减是5dB。
在第六实施例的改型中省去了相位调制装置7，在这种情况下采用的是具有另外类似的通带修改的无源AWG。如果AWG处在交换机的光学网络下游，即，处在优先选用无源装置的环境中，则这种实现是可取的。
图26是根据本发明的第七实施例的AWG的示意图。
可以认为第七实施例的AWG类似于第六实施例的改型的AWG，它包括幅度调制装置8，而不包括相位调制装置。
第七实施例的AWG与第六实施例的AWG的不同之处在于：波导通道m的相应部分备有用来提供相应的增益电平Gm的放大装置。例如，在J.A.Bebbington等人，Applied Physics Letters,Vol.62,pp 337至339(1993)中描述的过程之后，可以用稀土元素，例如饵，对二氧化硅基片进行可变地掺杂。通过在另外的输入端口10提供泵激光束来引入放大，所述另外的输入端口10不同于信号传输光束用的输入端口1。另外，公共输入端口可以既用于信号光束又用于泵激光束。这样，通过以来自光纤电信技术的已知的方法进行光泵激而在所述各通道中产生放大。
这样，例如，有可能利用第七实施例的AWG提供正弦函数(sincfunction)形式的幅度调制，即，具有关于第六实施例的图24中所示的函数形式的幅度调制。但是，在第七实施例的情况下，y轴将不是衰减，而是相对强度，绝对强度值取决于所述增益电平Gm。
可以用以下方程来描述第七实施例的有源AWG的响应t(λ)： t ( λ ) = Σ m = 1 M ( 2 f m f m ′ / ( 2 m - 1 ) ) sin x cos y - - ( 7 )
其中
x=(2m-1)πΔλ/2λFSR    和    y=(2m-1)(πnΔl/λ+φp/2)
可以把上述方程缩短和表示为： t ( λ ) = Σ m = 1 M ( f m f m ′ / ( 2 m - M - 1 ) ) sin xexpy - - - ( 7 ′ )
其中
x=(2m-M-1)πΔλ/2λFSR  和    y=jm(2πnΔl/λ+φp)
其中，在这些方程中首次引入的参数是：
φp与第p个输出端口相关的相位差；以及
fm,fm’分别是扇入和扇出部分的耦合系数。
由方程(7’)中的指数因数确定由增益参数Gm定义的第m个通道的幅度。
第七实施例的特定例子具有以下参数值：M=30;Δλ=4nm;λFSR=40nm以及Δl=39μm。产生大约5dB的总的功率损耗。交调失真优于18dB，而通带的-25dB至-3dB形状比(form ratio)是1.57。
作为在通道3中提供选择性衰减或增益装置的替代方案，可以通过改变fm和/或fm’来实现通道选择性幅度调制，就是说，采用以下方法来实现通道选择性幅度调制：这样设计对着通道3的孔径，使得各光学部件从所述通道进入自由空间区域或从自由空间区域退到所述通道的耦合系数变化，以便产生把所需要的幅度调制分布加到所述装置上的总的通道传输效率。这样，可以产生第五第六实施例的改型。
图26中所示的本发明的第七实施例是第六实施例的改型，其中将所有通道增益系数Gm设置为相等。这样，提供具有均匀幅度调制分布的AWG，和传统AWG的情况一样。因此，光谱通带特性与传统的AWG的一样，即，不存在通带的加宽。但是，与传统的AWG不同，这里存在内部放大，或者至少存在内部衰减补偿，这可能是所希望的。

Claims (47)

1．一种阵列式波导光栅装置，它具有与两个自由空间区域互连的波导通道系列，所述装置通过所述自由空间区域进行光输入和输出，在所述系列中，所述各通道中任何两个彼此相邻的通道之间存在光程长度差，所述光程长度差由相应的光程长度增量确定，其中，横跨所述通道的光程长度增长是非线性的，它不由所述光程长度增量中的任何一个值确定，也不由所述光程长度增量中的多个值确定，所述光程长度增量中的多个值各自确定所述各通道中至少3个通道的子集的线性光程长度增长。
2．权利要求1的装置，其特征在于：所述光程长度增量以所述各通道中的一个通道为起点、从最小增量值开始依次增长。
3．一种阵列式波导光栅装置，它具有与两个自由空间区域互连的波导通道系列，所述装置通过所述自由空间区域进行光输入和输出，在所述系列中，所述各通道中任何两个彼此相邻的通道之间存在光程长度差，所述光程长度差由相应的光程长度增量确定，存在这样的装置、它可以用来改变所述光程长度增量、以便可以使所述光程长度增量追随横跨所述各通道的光程长度增长，横跨所述通道的光程长度增长是非线性的，它不由所述光程长度增量中的任何一个值确定，也不由所述光程长度增量中的多个值确定，所述光程长度增量中的多个值各自确定所述各通道中至少3个通道的子集的线性光程长度增长。
4．权利要求3的装置，其特征在于包括这样的装置、它可以用来改变所述光程长度增量、以便可以使所述光程长度增量以所述各通道中的一个通道为起点、从最小增量值开始依次增长。
5．一种阵列式波导光栅装置，它具有与两个自由空间区域互连的波导通道系列，所述装置通过所述自由空间区域进行光输入和输出，在所述系列中，所述各通道中任何两个彼此相邻的通道之间存在光程长度差，所述光程长度差由相应的光程长度增量确定，其中，所述光程长度增量以所述各通道中的一个通道为起点、从最小增量值开始依次增长。
6．一种阵列式波导光栅装置，它具有与两个自由空间区域互连的波导通道系列，所述装置通过所述自由空间区域进行光输入和输出，在所述系列中，所述各通道中任何两个彼此相邻的通道之间存在光程长度差，所述光程长度差由相应的光程长度增量确定，存在这样的装置、它可以用来改变所述光程长度增量、以便可以使所述光程长度增量以所述各通道中的一个通道为起点、从最小增量值开始依次增长。
7．权利要求4或6的装置，其特征在于：所述光程长度增量改变装置包括输入端，用来接收电控制信号以便按照由所述控制信号的电平确定的方式改变所述光程长度增量。
8．权利要求4、6或7的装置，其特征在于还包括这样的装置，它可以用来改变所述各通道的所述光程长度，以便使每一个所述光程长度增量改变基本上相等的量。
9．权利要求8的装置，其特征在于：所述光程长度改变装置包括用来接收其电平确定所述基本上相等的量的另一种电控制信号的输入端。
10．权利要求4、6、7、8或9的装置，其特征在于：所述装置是这样构成的，使得所述控制信号或每一种控制信号是电流信号。
11．权利要求4、6、7、8或9的装置，其特征在于：所述装置是这样构成的，使得所述控制信号或每一种控制信号是电压信号。
12．权利要求2或4或权利要求5至11中任何一个的装置，其特征在于：所述起点通道是在所述系列末端或靠近所述系列末端的通道，因此，所述光程长度增量基本上横跨所述系列的所有通道而依次增长。
13．权利要求12的装置，其特征在于：所述起点通道处在所述系列的末端，在该末端，所述各通道具有比较短的光程长度。
14．权利要求12的装置，其特征在于：所述起点通道处在所述系列的末端，在该末端，所述各通道具有比较长的光程长度。
15．权利要求2或4或权利要求5至14中任何一个的装置，其特征在于：所述起点通道是在所述系列中点或靠近所述系列中点的通道，因此，所述光程长度增量朝着所述系列的两端依次增长。
16．权利要求2或4或权利要求5至15中任何一个的装置，其特征在于：所述依次增长光程长度增量由正比于从所述起点通道计算的、自乘到因子p次幂的所述系列的通道数的函数确定。
17．权利要求16的装置，其特征在于：所述因子p=1.85至2.25。
18．权利要求16的装置，其特征在于：所述因子p近似地等于2，以便提供光程长度增量的抛物线增长。
19．权利要求16的装置，其特征在于：所述因子p的值近似地等于0.5、0.8、1.5、2.1和3.4中的一个值。
20．权利要求16的装置，其特征在于：所述因子p大于1。
21．权利要求16的装置，其特征在于：所述因子p小于1并且大于0。
22．权利要求1或3的装置，其特征在于：所述光程长度增量横跨所述通道系列不规则地改变。
23．一种阵列式波导光栅装置，它具有与两个自由空间区域互连的波导通道系列，所述装置通过所述自由空间区域进行光输入和输出，在所述系列中，所述各通道中任何两个彼此相邻的通道之间存在光程长度差，所述光程长度差由相应的光程长度增量确定，其中，所述光程长度增量横跨所述通道系列不规则地改变。
24．一种阵列式波导光栅装置，它具有与两个自由空间区域互连的波导通道系列，所述装置通过所述自由空间区域进行光输入和输出，在所述系列中，所述各通道中任何两个彼此相邻的通道之间存在光程长度差，所述光程长度差由相应的光程长度增量确定，存在这样的装置、它可以用来改变所述光程长度增量、以便所述光程长度增量横跨所述通道系列不规则地改变。
25．权利要求22、23或24的装置，其特征在于：一些所述光程长度增量的值是正的，而一些所述光程长度增量的值是负的。
26．权利要求22、23、24或25的装置，其特征在于：所述不规则变化的光程长度增量的值是这样的，使得所述装置具有至少接近从信号理论和孔径理论之一得知的函数的通带，以便提供滤光特性。
27．权利要求26的装置，其特征在于：所述滤光特性是以下特性之一：通带加宽，通带均衡，分成至少两个通带的通带分段以及在整个所述通带上的波长选择放大/衰减。
28．一种设计根据权利要求26或27的阵列式波导装置的方法，所述方法包括：
选择确定所述装置的所需要的通带的函数；
对于所述装置的多个波导通道中的每一个求出一组非确定性方程的解，以便求出相对于线性相位分布的相位偏离，利用这种相位偏离可以获得至少接近所需要的通带的通带，以及
对所述系列的每一个通道，从所述相位偏离计算所述光程长度增量的幅度和符号。
29．权利要求28的方法，其特征在于利用全息技术。
30．权利要求28的方法，其特征在于利用模拟退火技术。
31．一种阵列式波导光栅装置，它包括：两个自由空间区域；与所述两个自由空间区域互连的一个波导通道系列；以及各自连接到所述两个自由空间区域之一的输入和输出通道，存在用于调制通过所述波导通道系列的光的幅度的装置，以便提供横跨所述通道系列的不均匀的幅度调制分布。
32．权利要求31的装置，其特征在于：所述幅度调制装置包括用来衰减和/或放大在所述各通道中传播的光的电平的装置。
33．权利要求31或32的装置，其特征在于：所述幅度调制装置包括用来调制光从所述自由空间区域耦合所述各通道中和/或从所述各通道出来耦合到所述自由空间区域的效率的装置。
34．权利要求31、32或33的装置，其特征在于：所述分布提供一种装置通带，后者至少接近从信号理论和孔径理论之一得知的函数，以便提供滤光特性。
35．权利要求34的装置，其特征在于：所述滤光特性是以下特性之一：通带加宽，通带均衡，分成至少两个通带的通带分段以及在整个所述通带上的波长选择放大/衰减。
36．权利要求34的装置，其特征在于：所述滤光特性是通带加宽，所述加宽的通带的形状接近矩形或方波函数。
37．权利要求31至36中任何一个的装置，其特征在于：所述分布由正弦函数(sinc function)和升余弦函数之一确定。
38．权利要求31至37中任何一个的装置，其特征在于：所述通道系列的一端的所述幅度调制的电平接近所述通道系列的另一端的所述幅度调制的电平。
39．权利要求31至38中任何一个的装置，其特征在于：所述分布至少大约对称于所述通道系列的中点。
40．权利要求31至39中任何一个的装置，其特征在于：所述波导通道系列包括增益介质。
41．权利要求40的装置，其特征在于：所述装置包括用以接收光泵激光束的输入通道和用以接收信号传输光束的另一个输入通道。
42．权利要求40或41的装置，其特征在于：所述增益介质是用稀土元素掺杂的。
43．权利要求42的装置，其特征在于：所述稀土元素是饵。
44．权利要求1至27和31至43中任何一个的装置，其特征在于：所述通道的光程长度正比于几何路径长度。
45．权利要求1至27和31至43中任何一个的装置，其特征在于：在所述各通道中，所述折射率就沿着所述各通道传播的光而论是变化的，或者使用时是可变的。
46．一种阵列式波导光栅装置，它基本上如上文中参考附图的图1至8、图9至14、图15至18、图19至22、图23至25或图26所描述的。
47．权利要求1至27中任何一个的装置，其特征在于具有权利要求31至43中任何一个的所述附加部件。
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