CN1658025A - 有源/无源单片集成通道滤波偏振分解器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了基于由双折射的波导构成的阵列波导光栅的InP芯片级偏振分解器。本发明也执行通道滤波和在WDM/DWDM应用中有用的多路分解。所要求的波导结构使用有源－无源单片集成平台形成，提供了具有有源器件以及无源器件的偏振分解器的集成。

Description

有源/无源单片集成 通道滤波偏振分解器
技术领域
本发明涉及偏振分解器领域，更具体地说涉及有源-无源集成偏振分解器。
背景技术
芯片级偏振分解器(PS)在光电路比如高级光子集成集成电路(PIC)中是关键的。对于需要偏振分集或其它的偏振控制的许多应用，这种偏振分解器都是必不可少的。根据材料体系，芯片级PS已经证实在LiNbO3、聚合物、玻璃、III-V半导体和其它的无源材料中。在这些材料体系中，仅仅III-V半导体在本质上适合于有源-无源单片集成(APMI)应用。形成芯片级PS的各种方法的特征可能是基于方向耦合器或波导交叉、基于非对称Y-分支、基于马赫陈德尔干涉仪、基于谐振隧道、基于多模干涉和基于光栅。
在基于方向耦合器或波导交叉的方案中，在一个偏振的条形状态和另一个的交叉状态中使用相对较大的双折射形成方向耦合器或波导交叉。基于非对称的Y-分支的PS在两个不同的波导中需要非对称的双折射并使用模式演化以将不同的偏振分类为不同的波导。基于马赫陈德尔干涉仪的PS使不同的偏振的输入在干涉仪中经过不同的光学路径长度差以使它们到达不同的输出波导。基于谐振隧道的PS在方向耦合器的中间引入第三波导以便仅一个偏振能够通过中间一个隧道耦合在两个波导之间。基于MMI的PS在不良的成像平面上接续MMI耦合器以使不同的偏振能够耦合到不同的输出波导。基于光栅的PS利用这样的事实：不同偏振的输入将衍射到不同的空间位置以使它们可以被分离。
然而，这种偏振分解器不适合于有源-无源单片集成。它们要么依赖于InGaAsP/InP材料体系(即用于有源功能)所不具备的较大的材料固有双折射，要么依赖于用于更大的双折射的空气或金属覆层波导，而这种覆层波导与可与有源结构集成的低损失嵌入型无源波导不兼容。最后，优选具有单片集成在带有无源功能(比如波长多路复用/多路分解、偏振控制和信号滤波)的单芯片上的有源功能(比如激光器、放大器、调制器、检测器等)。
发明内容
通过提供一种基于AWG和波导双折射并具有多通道操作的芯片级有源-无源单片集成的InP偏振分解器，本发明解决了已有技术的缺陷。
在本发明的一个实施例中，一种集成的偏振分解器包括至少具有输入耦合器、输出耦合器和连接输入和输出耦合器的长度不等的多个波导的阵列波导光栅(AWG)。在本发明的集成的偏振分解器中，AWG的至少两个输出端口相对于输入端口设置以使到达位于AWG的输出侧处的自由空间区的不同的相位波前的单通道输入信号的第一偏振分量和第二偏振分量分别被输出端口中的各个端口接收，以使第一偏振分量和第二偏振分量通过AWG分开。此外，使用有源/无源单片集成技术集成偏振分解器以使偏振分解器能够与有源器件以及无源器件集成在一起。
附图概述
结合附图，通过下文的详细描述容易理解本发明的教导，在附图中；
附图1描述了本发明的集成的通道滤波的偏振分解器的一种实施例的高级方块图；
附图2所示为附图1的偏振分解器的实验设备的高级方块图；和
附图3图示了附图1的偏振分解器的TM(No.1)输出和TE(No.5)输出的输出功率。
为便于理解，只要可能，使用相同的参考标号表示这些附图中公共的相同元件。
优选实施例的详细描述
虽然在此参考将输入通道分解为TE和TM模式的单个输入偏振分解器描述本发明的各种实施例，但是本发明的特定的实施例不应该看作对本发明的范围的限制。本发明的教导的领域中的普通技术人员应该理解的是本发明的原理可以应用到将输入通道分解为各种偏振模式的实质上具有任何数量的输入和输出的偏振分解器中。
在TE模式波和TM模式波在阵列(型)波导光栅(AWG)中沿波导行进时，这些波在进入AWG的输出侧上的自由空间(FS)区中之前到达不同的相位波前(phase front)。对于仅一个波长通道的输入，FS区然后将TE模式波和TM模式波聚焦到在AWG的输出侧上的不同的图像点上，这些图像点在输出焦平面上被双折射波长移位。因此，通过将输出波导设置在这些图像位置上，AWG分解单个通道输入的TE-模式波和TM-模式波。为将单个通道输入信号的TE-模式波和TM-模式波进行分解的输入和输出波导的定位一般性地描述在Arjen R.Vellekoop，“A Small-Size Polarization Splitter Based On APlanar Optical Phased Array”，Journal of Lightwave Technology，Vol.8，No.，January 1990，在此以引用参考的方式将其全部内容并入在本申请中。简单地说，由于AWG的相位传递由每个通道的传播常数和总长度的乘积确定，并且因为波导的传播常数取决于偏振以及通道的波长，因此相位阵列可以作为偏振分解器以及波长多路复用器/多路分解器操作。此外，本发明的偏振分解器还可以用于根据输出端口的定位将输入通道的偏振分解为除了TE-模式和TM-模式之外的模式。
此外，利用光栅自由光谱区(FSR)，AWG也能够偏振分解被分隔开FSR的整数倍的波长。由于AWG对传播光信号的影响，因此输入信号也被滤波。虽然这形成了依赖于AWG波长的分解器，但是这种分解器在某些应用中可能是理想的，例如因为这种分解器限制了放大的自发发射(ASE)噪声的影响。
附图1描述了本发明的集成的通道滤波的偏振分解器的一种实施例的高级方块图。附图1的偏振分解器100包括AWG，该AWG包括输入波导110、输入耦合器(以星形耦合器为例)120、输出耦合器(以星形耦合器为例)130、连接输入耦合器120和输出耦合器130的且长度不等的多个波导(波导阵列)140和多个输出波导150。附图1的偏振分解器100的AWG设计是这样的一种波长约束AWG设计：具有700GHz的FSR和通过一个通道间隔分开的七个输出。通道间隔是100GHz并且通带被设计成具有30GHz的最大半高宽(FWHM)的高斯型。虽然在附图1的偏振分解器100中，耦合器以星形耦合器作为实例说明，但是具有与星形耦合器基本类似的功能的其它耦合器(比如板条状波导透镜)可以替换本发明的星形耦合器。
附图1的偏振分解器100的尺寸大约为5mm×6mm。在本发明的偏振分解器(比如附图1的偏振分解器100)的TE和TM有效折光率之间的差值通常大约为0.154％。在1550nm中心波长周围，这个有效折光率差产生了大约2.4nm的双折射移位，在附图1的偏振分解器100中这个移位大致等于三个通道的间隔。
本发明的偏振分解器(比如附图1的偏振分解器100)使用有源-无源单片集成(APMI)技术集成。例如，根据一种制造技术，浅蚀刻嵌入型肋结构用于形成本发明的偏振分解器的无源波导。这种技术在InP材料体系中提供了记录低传播损失。然后通过多量子阱(MQW)的另一薄层直接在肋的顶部上形成有源部分，这种薄层通过形成无源波导的相同的再生长嵌入。这样，本发明的偏振分解器可用作有源器件和无源器件。例如，TE和TM-模式的幅值例如可以通过在有源部分中的放大而被独立地控制，这样可以实现芯片级可调的偏振控制器。优选地，InP/InGaAsP是为根据本发明的偏振分解器选择的材料，因为这种材料允许与有源光子部件(比如发射器、接收器、光放大器、开关等)单片集成在一起。在这种形式中，多波导可以彼此紧密靠近地放置以使在特定的光学功能方面(例如，用于增益的最佳化的有源波导、用于最佳地使耦合容易的无源波导、用于分解的最佳化的无源波导、方向耦合或其它的无源器件)每个波导可以最佳化。
此外，根据本发明的偏振分解器能够使用本领域中公知的其它技术用于有源-无源单片集成(APMI)。例如，本发明的偏振分解器可以包括光电子集成波导器件，该光电子集成波导器件利用相同波导材料的一次生长来应用倾斜的价带量子阱半导体双异质结构。这样，本发明的偏振分解器可以用于普通无源操作的无偏差(no bias)操作或作为有源器件操作的反偏差操作。这种技术一般性地公开在美国专利US5,953,479(1999年9月14日授予给Zhou等人)中，在此以引用参考的方式将其全部内容结合在本申请中。
返回到附图1，在偏振分解器100中，输出波导No.1和No.5分别作为TM输出和TE输出，实例性地说明了以用于中心大约1550nm的波长通道。在典型的AWG结构中，偏振分解器100的输出波导的编号从弯曲的波导阵列的内侧开始(更短的波导侧)到外侧(更长的波导侧)。稍稍更高的TE-模式的有效折光率使TE-模式出现在到TM输出的内侧的3个通道周围。假定输出波导No.1与输出波导No.5匹配并且双折射移位接近三个通道分隔，则对于1550nm的通道和远离1550nm达FSR的整数的通道，波导No.1是TM输出且波导No.5是TE输出。
在本发明的偏振分解器(比如附图1的偏振分解器100)中，单通道信号进入输入波导110并耦合进入AWG。单通道输入信号的TE-模式波和TM-模式波沿波导阵列140行进，它们在进入AWG的输出耦合器130的自由空间区之前到达不同的相位波前。然后自由空间区将TE-模式波和TM-模式波聚焦在不同的图像点上，这些图像点在输出焦平面上被双折射波长移位，因此，通过将输出波导150设置在这些图像位置上，偏振分解器100分解单通道输入的TE和TM模式。由于FSR的缘故，该器件也可用于被分隔AWG的FSR的整数倍的波长。
附图2所示为附图1的偏振分解器100的实验性装配的高级方块图。附图2的实验性装配200包括未偏振的宽束ASE源(以铒掺杂的光纤放大器(EDFA)为例)210、可编程偏振控制器(PPC)220、本发明的偏振分解器的一种实施例(以附图1的偏振分解器100为例)和光学检测器(以光谱分析仪为例(OSA))230。EDFA 210后跟着可编程偏振控制器(PPC)220。PPC 220的第一级是线性偏振器。PPC220的输出通过连接器(未示)连接到有透镜的光纤(透镜光纤)240。透镜的光纤240的标称焦点长度是8微米。透镜的光纤240通过光纤支架安装在三轴变换级(未示)。这样，PPC 220的输出光学地连接到偏振分解器100。偏振分解器100的输出耦合到分开的光纤250，分开的光纤250通过光纤支架(未示)也安装在三轴变换级(未示)上。使用OSA 230在偏振分解器100的TM(No.1)输出和在TE(No.5)输出上测量通带，同时PPC 220从有利于TM的偏振到有利于TE的偏振改变偏振的输入状态(SOP)。在这个实验中，通过调节PPC 220使有利于TE偏振的发射首先在TE输出(No.5)上最大化以补偿由在EDFA 210和偏振分解器100的输入面之间的互连光纤引起的任何偏振变化。
随后，PPC 220的第一级(例如线性偏振器)以6度的步长旋转90度。由于通过互连的光纤的SOP的变换应该是单一的，因此输入SOP的旋转在互连光纤的输出上产生了SOP相同旋转，因此将给偏振分解器100的输入从有利于TM的偏振改变到有利于TE的偏振。
附图3图示了在通过旋转PPC 220的输入线性偏振器改变输入SOP的同时，具有1550nm的输入波长的偏振分解器100的TM(No.1)输出和TE(No.5)输出的输出功率。在附图3中，TM(No.1)输出和TE(No.5)的输出功率相对于PPC 220的相对位置以度为单元绘制。在附图3中可以看出，在输入从有利于TM的偏振改变到有利于TE的偏振时，所传输的光功率从偏振分解器100的TM(No.1)输出摆动到TE(No.5)输出。对于TM和TE的两种模式实现了15dB的消光比。对于与1550nm通道分隔FSR的整数的通道，也可以同时实现类似的偏振束分解。例如，附图进一步图示了对于大约1555nm(虚线)和1544nm(点划线)的输入波长偏振分解器100的TM(No.1)输出和TE(No.7)输出的输出功率。对于这些通道也可以实现在消光比方面类似的性能。消光比的局限主要来自由于有缺陷的成像在焦平面上引起的散射的背景和偏振分解器100的光栅臂的相位误差。对于AWG的通道串绕，这些都是相同的局限因素。
如附图3所示，在附图2的偏振分解器100的TE(No.5)输出上的最大的光纤到光纤传输功率大约是25dB，而在TM(No.1)输出上的最大的光纤到光纤传输功率大约是-28dB。分开的光纤250和透镜光纤240的耦合损失估计大约分别为10.5dB和5dB。光纤面没有被涂敷并且来自两个面的反射损失增加大约3dB的损失。连接器损失和来自未涂敷的光纤尖端的反射增加高达1dB的损失。这意味着对于TE-模式的总芯片级损失大约是5.5dB，对于TM-模式大约是8.5dB，假设TM-模式和TE-模式具有类似的耦合损失。这种损失的差别主要由TE和TM模式的不同的传播损失引起。TM输出位于布里渊区的边缘上而TE输出位于布里渊区的中心附近的事实也对在TE输出和TM输出之间的损失差别有轻微的影响。
本发明的偏振分解器依赖于波长。此外，由于AWG的特性，偏振分解器也以由AWG滤波器通带给定的通道滤波执行波长多路复用/多路分解。通道滤波可以减小宽带噪声比如沿传输链路产生的例如ASE等宽带噪声的影响，因此改善了所检测的信号噪声比(SNR)。此外，由于通过FSR分隔的通道在这个方面均等，因此实现了多路通道操作。
本发明的偏振分解器的输出波导的对齐对于偏振分解器的功能很重要。此外，上文确定的模拟的有效折光率差与实际的可能不同，在TE和TM模式之间产生了偏移。例如，在偏振分解器100中，对于在1550nm上的输入通道，在所测量的TE和TM输出之间可以观测到0.27nm的波长的轻微移位。这个波长移位可能造成通过本发明的偏振分解器的数据信号的劣化，应该使其最小化。然而，对于给定的波导设计和层结构，在本发明的偏振分解器的设计中可以实验地确定并校正在TE和TM-模式之间的有效折光率差。因为在TE和TM模式之间通过AWG的移位实质上仅涉及有效折光率差和中心波长，因此通过保持偏振分解器结构的良好的可重复性可以使这个误差最小化。
在本发明的变型实施例中，通过AWG的输出端口的适当放置，根据本发明的偏振分解器可以将输入通道分解为除了TE-模式和TM-模式分量之外的偏振分量。
虽然前文已经描述了本发明的各种实施例，但是在不脱离本发明的基本精神的前提下还可以设计出本发明的其它实施例。因此，根据后面的权利要求确定本发明的适当的范围。

Claims (11)

1.一种集成的偏振分解器，包括：
阵列型波导光栅(AWG)，包括：
输入耦合器；
输出耦合器；和
连接所述输入和输出耦合器且长度不等的多个波导；
其中所述AWG的至少两个输出端口相对于输入端口设置，以使到达位于所述AWG的输出侧处的自由空间区的不同的相位波前的单通道输入信号的第一偏振分量和第二偏振分量分别被所述输出端口中的各个端口接收，以使所述第一偏振分量和所述第二偏振分量通过所述AWG分开；和
其中使用有源/无源单片集成技术集成所述偏振分解器，以使所述偏振分解器能够与有源器件以及无源器件集成在一起。
2.权利要求1所述的偏振分解器，其中所述第一偏振分量包括TE模式，所述第二偏振分量包括所述输入信号的TM模式。
3.权利要求1所述的偏振分解器，其中在波长上与所述单通道输入信号分隔所述AWG的自由光谱区的整数倍的输入信号的偏振也通过所述AWG分开。
4.权利要求1所述的偏振分解器，其中所述输出耦合器和所述输入耦合器中的至少一个包括星形耦合器。
5.权利要求1所述的偏振分解器，其中所述输出耦合器和所述输入耦合器中的至少一个包括板条形波导透镜。
6.权利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器对于包括多于一个单通道的输入信号执行波长多路复用和多路分解中的至少一种。
7.权利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器执行通道滤波。
8.权利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器由光波导制造，每个所述光波导包括：
浅蚀刻嵌入型肋结构无源层；和
用作有源层的在嵌入型肋结构的顶部上的多量子阱(MQW)的薄层。
9.权利要求1所述的偏振分解器，其中所述偏振分解器进一步用作可调的偏振控制器。
10.一种集成的偏振分解器，包括：
阵列型波导光栅(AWG)，包括：
用于接收输入信号的至少一个输入装置；
用于将所述输入信号耦合到所述AWG的装置；
用于从所述AWG耦合输出信号的装置；
连接所述输入耦合装置和所述输出耦合装置且长度不等的多个波导；和
至少两个输出装置；
其中所述AWG的所述至少两个输出装置相对于所述至少一个输入装置设置，以使到达位于所述AWG的所述输出耦合装置处的自由空间区的不同的相位波前的所述输入信号的第一偏振分量和第二偏振分量分别被所述输出装置中的各个输出装置接收，以使所述第一偏振分量和所述第二偏振分量通过所述AWG分开；和
其中使用有源/无源单片集成技术集成所述偏振分解器，以使所述偏振分解器能够与有源器件以及无源器件集成在一起。
11.一种制造偏振分解器的方法，包括；
使用有源/无源单片集成技术集成阵列型波导光栅，其中所述AWG的至少两个输出端口相对于输入端口设置，以使到达在所述AWG的输出侧上的自由空间区的不同的相位波前上的单通道输入信号的第一偏振分量和第二偏振分量分别被所述输出端口中的单独的一些端口接收，以使所述第一偏振分量和所述第二偏振分量通过所述AWG分开。
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