DE60219647T2

DE60219647T2 - Entzerrung des durchlassbandes in einem wellenleitergitter

Info

Publication number: DE60219647T2
Application number: DE60219647T
Authority: DE
Inventors: Harm Van Weerden
Original assignee: Gemfire Europe Ltd
Current assignee: Kaiam Europe Ltd
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: EP1430342A2; ATE360225T1; EP1430342B1; WO2002103423A2; DE60219647D1; WO2002103423A3; GB0114608D0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem Array angeordnete Wellenleitergitter (AWGs) und insbesondere eine Durchlaßbandabflachung in AWGs. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Durchlaßbandabflachmerkmale für AWGs.
STAND DER TECHNIK
AWGs sind nun gut bekannte Komponenten in der optischen Kommunikationsnetzwerkindustrie. Ein AWG ist eine planare Struktur mit einer Anzahl von Arraywellenleitern, die zusammen wie ein Beugungsgitter in einem Spektrometer wirken. AWGs können als Multiplexer und als Demultiplexer verwendet werden und eine einzige AWG-Konstruktion kann üblicherweise sowohl als ein Multiplexer als auch als ein Demultiplexer verwendet werden. Die Konstruktion und der Betrieb solcher AWGs ist aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Siehe z.B. "PHASAR-based WDM-Devices: Principles, Design and Applications", M.K. Smit, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Band 2, Nr. 2, Juni 1996, US 5,002,350 und WO97/23969.
Ein typischer AWG-Multiplexer/Demultiplexer 1 ist in 1 dargestellt und weist ein Substrat oder einen "Rohchip" 1 auf, bei dem mindestens ein im wesentlichen einmodiger Eingangswellenleiter 2 für ein gemultiplextes Eingangssignal, zwei Scheibenkuppler 3, 4 (manchmal auch als "Sternkoppler" bezeichnet), die mit jedem Ende eines in einem Array angeordneten Wellenleitergitters 5 verbunden sind, das ein Array an Transmissionswellenleitern 8 aufweist, von denen nur einige gezeigt sind, und eine Mehrzahl von im wesentlichen einmodigen Ausgangswellenleitern 10 (nur einige sind gezeigt) zum Ausgeben entsprechender Wellenlängenkanalausgänge von dem zweiten (Ausgangs)scheibenkoppler 4 zu der Kante 12 des Rohchips 1 vorgesehen ist. In einer allgemein bekannten Weise gibt es einen konstanten vorbestimmten optischen Weglängenunterschied zwischen den Längen benachbarter Wellenleiter 8 in dem Array (typischerweise erhöht sich die physikalische Länge der Wellenleiter schrittweise um den gleichen Betrag von einem Wellenleiter zu dem nächsten), der die Position der verschiedenen Wellenlängenausgangskanäle auf der Ausgangsfläche des zweiten Scheibenkupplers 4 bestimmt. Typischerweise erhöht sich die physikalische Länge der Wellenleiter schrittweise um den gleichen Betrag, ΔL, von einem Wellenleiter zu dem nächsten, wobei ΔL = mλc/nc,wobei λ_c die Mittenwellenlänge des Gitters ist, n_c der effektive Brechungsindex der Array-Wellenleiter ist und m eine ganze Zahl ist. Auf eine bekannte Weise sind die Wellenleiter und die Scheibenkoppler typischerweise als "Kerne" auf einem Siliziumsubstrat (eine Oxidschicht wird im allgemeinen vor dem Abscheiden der Wellenleitermaterialien auf dem Substrat vorgesehen) gebildet und sie sind in ein Mantelmaterial eingebettet, was z. B. durch Flammenhydrolyseabscheidungs-(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) oder chemische Dampfabscheidungs-(Chemical Vapour Deposition, CVD)Herstellungsprozesse erfolgt.
In dem beschriebenen AWGs entspricht das Durchlaßband (d.h. die Form des Transmissionsspektrums T(λ), welches eine Auftragung des dB-Verlustes gegen die Wellenlänge ist) für jeden Ausgangskanal im allgemeinen der Kopplung eines Gauß'schen Strahls in einen Gauß'schen Wellenleiter und ist daher selbst Gauß-förmig. In vielen Situationen wäre es wünschenswerter, daß der AWG ein flaches Durchlaßband aufweist. Dies im allgemeinen deshalb, da ein Gauß'sches Durchlaßband eine genaue Kontrolle der emittierten Wellenlängen erfordert, was es schwierig macht, es in einem System zu verwenden. Verschiedene Arten, ein flaches Durchlaßband zu erreichen, wurden vorgeschlagen, eine Art ist es, eine "Nahfeldformung" zu verwenden. Dies erfordert das Erzeugen eines Modenfeldes mit zwei Spitzen aus dem Eingangsmodenfeld (mit einer Spitze). Wenn dieses Feld mit zwei Spitzen mit dem einmodigen Ausgangswellenleiter gefaltet wird, nimmt das resultierende Durchlaßband die Form einer einzigen im allgemeinen flachen Spitze an.
Eine Möglichkeit, das erforderliche Feld mit doppelter Spitze zu erzeugen, ist es, ein MMI (Mehrmodeninterferometer) an dem Ende des Eingangswellenleiters neben dem ersten Scheibenkoppler, wie in 2(a) gezeigt, zu verwenden. Das MMI erzeugt Moden höherer Ordnung aus dem Einmodeneingangssignal und diese mehreren Moden verursachen ein Feld mit doppelter Spitze in dem Ausgang des MMI. US 5,629,992 (Amersfoort) beschreibt diese Durchlaßbandabflachtechnik im Detail.
Eine alternative Technik ist es, eine parabolisch geformte Verjüngung oder ein "Horn" an dem Ende des Eingangswellenleiters, wie in 2(b) gezeigt, zu verwenden. Dies ist in JP 9297228 A beschrieben. Die parabolische Verjüngung führt zu einer kontinuierlichen Modenexpansion (durch Anregung von Moden höherer Ordnung) des Eingangssignals längs der Länge der Verjüngung, bis sowohl die Fundamentale als auch die Moden zweiter Ordnung vorhanden sind, wodurch in dem Ausgangsende der Verjüngung ein Feld mit zwei Spitzen gebildet wird.
Jedoch leiden beide der oben beschriebenen Techniken unter dem Nachteil, daß die Durchlaßbandabflacheinrichtung (d.h. das MMI oder das parabolische Horn) einen signifikanten Einfügverlust in der Vorrichtung erzeugt. Dies ist größtenteils auf Verluste durch Strahlungsmoden zurückzuführen, die durch Diskontinuitäten an dem Ende des Einmodeneingangswellenleiters erzeugt werden, z.B. der Eingangskante des MMI oder des parabolischen Horns. Auch hat das parabolische Horn seinen steilsten Verjüngungswinkel in dem schmalsten Teil der Verjüngung (dem Beginn), was Strahlungsverluste unterstützen kann. Strahlungsverluste neigen auch dazu, ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Wellenlängenkanälen des AWG zu erhöhen, was hochgradig unerwünscht ist.
EP-A-0444817 betrifft einen optischen Multiplexer/Demultiplexer. Er enthält eine Mehrzahl von optischen Wellenleitern, von denen jeder sich in der Länge von seinem benachbarten Wellenleiter um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet.
EP-A-0881512 diskutiert einen Signalrouter für optische Signale. Der Router hat Eingangs- und Ausgangswellenleiterarme, die so konfiguriert werden können, daß ein Signal, das auf den Wellenleiterarm einwirkt, mehrere Moden in diesem Wellenleiterarm anregt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen oder mehrere der vorangegangenen Nachteile zu vermeiden oder zu minimieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine in einem Array angeordnete Wellenleitergitter-(AWG-)Vorrichtung bereitgestellt, mit:
mindestens einem im wesentlichen einmodigen Wellenleiter, der optisch mit einem ersten Freiraumkoppler verbunden ist,
einer Mehrzahl von Array-Wellenleitern, die optisch zwischen dem ersten Freiraumkoppler und einem zweiten Freiraumkoppler verbunden sind, wobei die Mehrzahl von Array-Wellenleitern zwischen einander vorbestimmte optische Weglängenunterschiede aufweisen,
einer Mehrzahl von im wesentlichen einmodigen Ausgangswellenleitern, die optisch mit dem zweiten Plattenkoppler verbunden sind,
Mitteln zum Abflachen des Durchlaßbandes, die zwischen mindestens einem der im wesentlichen einmodigen Eingangs- und Ausgangswellenleitern und einem benachbarten der ersten und zweiten Freiraumkoppler angeordnet sind, wobei die Mittel zum Abflachen des Durchlaßbandes einen nicht-adiabatisch verjüngten Wellenleiter aufweisen, der sich in der Breite zu dem entsprechenden Freiraumkoppler hin aufweitet,
mindestens einem Anfangsteil des nicht-adiabatisch verjüngten Wellenleiters, wobei dieser Anfangsteil mit dem einen im wesentlichen einmodigen Eingangs- und Ausgangswellenleiter verbunden ist, wobei er einen Kegelwinkel aufweist, der sich zu dem entsprechenden Freiraumkoppler hin vergrößert und wobei der nicht-adiabatisch verjüngte Wellenleiter im wesentlichen kontinuierlich in den einen der im wesentlichen einmodigen Eingangs- und Ausgangswellenleiter übergeht,
wobei der verjüngte Wellenleiter eine gekrümmte Form aufweist, die durch die folgenden Gleichungen definiert ist:
wobei

L: die Länge des verjüngten Wellenleiters ist,
w(t): die Breite längs der Ausbreitungsrichtung ist,
z(t): die Länge längs der Ausbreitungsrichtung ist,
w_in und w_out: die Breiten der Eingangs- und Ausgangsenden des verjüngten Wellenleiters sind, und p ein Formfaktor ist, der einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist.

Durch Konstruieren der Durchlaßbandabflachmittel, so daß sie nahtlos in das Ende des Einmodeneingangs- oder -ausgangswellenleiters übergehen, werden Diskontinuitäten in der Form zwischen dem Eingangs-/Ausgangswellenleiter und der Durchlaßbandabflacheinrichtung vermieden und daher werden Strahlungsverluste minimal gehalten. Dies steht in direktem Gegensatz zu der Verwendung eines MMI zur Durchlaßbandabflachung, wie in US 5,629,992 vorgeschlagen, welche auf den Diskontinuitäten zwischen der Form des Endes des MMI und dem Ende des damit verbundenen Einmodeneingangswellenleiters beruht, um die Mode zweiter Ordnung zu erzeugen. Auch werden durch Vorsehen eines Verjüngungswinkels, der sich hin zu dem Koppler vergrößert, Strahlungsverluste gering gehalten.
Zur Vermeidung von Zweifeln werden alle Bezüge auf "Moden", die hiernach auftreten, auf geführte Moden (statt auf Strahlungsmoden) bezogen, es sei denn es ist anders beschrieben.
Vorzugsweise wird der nicht-adiabatisch verjüngte Wellenleiter schrittweise verjüngt, so daß die Mode zweiter Ordnung schrittweise angeregt wird.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung basiert die Form gegenüberliegender verjüngter Seiten des nicht-adiabatisch verjüngten Wellenleiters jeweils auf einer Kosinuskurve. Die Kosinuskurve kann eine vorbestimmte Störung darin eingefügt aufweisen, so daß eine Leistungsumwandlung von der fundamentalen in die Mode zweiter Ordnung in den Durchlaßbandabflachmitteln vergrößert wird. Zum Beispiel ist in einer beschriebenen Ausführungsform die Form des Wellenleiters eine Funktion eines Störungsfaktors, p, der die Form eines Teils des verjüngten Wellenleiters kontrolliert. Dieser Störungsfaktor p kann so gewählt sein, daß ein gewünschter Grad an Leistungsumwandlung zwischen der fundamentalen und der Mode zweiter Ordnung in verjüngten Wellenleitern erzielt wird, z.B. in dem Bereich von 5-20% Umwandlung. Die Länge des verjüngten Wellenleiters zwischen dem entsprechenden Freiraumkoppler und dem ersten Ende des entsprechenden Eingangs- oder Ausgangswellenleiters ist vorzugsweise so gewählt, daß sichergestellt wird, daß die Phasendifferenz zwischen der Fundamentalen und Moden zweiter Ordnung an dem entsprechenden Freiraumkoppler ungefähr gleich, vorzugsweise im wesentlichen gleich N × π ist, wobei N eine ganze Zahl ist.
Wenn die AWG-Vorrichtung mehr als einen Eingangswellenleiter aufweist, ist ein im wesentlichen identisches Durchlaßbandabflachmittel vorzugsweise für jeden Eingangswellenleiter vorgesehen. Wenn das Durchlaßbandabflachmittel zwischen einem Ausgangswellenleiter und dem zweiten Koppler angeordnet ist, ist das Durchlaßbandabflachmittel vorzugsweise für jeden Ausgangswellenleiter vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nur in Form eines Beispiels und gemäß den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische ebene Ansicht eines herkömmlichen AWG.
2(a) und (b) stellen eine ebene Ansicht zweier Durchlaßbandabflacheinrichtung aus dem Stand der Technik dar, die in dem AWG aus 1 verwendet werden können.
3 ist eine schematische ebene Ansicht eines AWG gemäß einem ersten Beispiel, das für ein Verständnis der Erfindung hilfreich ist.
4 ist eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Teils A aus 3(a), welche eine neue Durchlaßbandabflacheinrichtung in der AWG-Vorrichtung aus 3(a) im Detail darstellt.
5(a) stellt eine modifizierte Version des Phasenschieberabschnitts des Beispiels aus 3(b) dar.
5(b) stellt ein mögliches Beispiel dar, das für ein Verständnis der Erfindung hilfreich ist, die den alternativen Phasenschieberabschnitt aus 5(a) in einem AWG verwendet, welcher mehrere Eingangswellenleiter aufweist und sie stellt auch verjüngte Ausgangswellenleiter des AWG dar.
6(a) stellt eine weitere mögliche modifizierte Version des Phasenschieberabschnitts des Beispiels aus 3 dar.
6 stellt ein weiteres mögliches Beispiel dar, welches für das Verständnis der Erfindung hilfreich ist, das eine andere mögliche modifizierte Version des Phasenschieberabschnitts aus 3(b) in einem AWG verwendet, der mehrere Eingangswellenleiter aufweist und sie stellt auch adiabatisch verjüngte Ausgangswellenleiter des AWG dar.
7 ist ein Graph, der das Durchlaßband PBF1_A eines Ausgangskanals eines hergestellten Prototyp-AWG darstellt, der die in 6 gezeigte Durchlaßbandabflacheinrichtung auf jedem Eingangswellenleiter verwendet und adiabatisch verjüngte Ausgangswellenleiter, wie in 6 gezeigt, und auch das Durchlaßband G_A für den gleichen Ausgangskanal in einem AWG, der nur adiabatische Verjüngungen in den Eingangs- und Ausgangswellenleitern aufweist.
8 ist eine schematische ebene Ansicht eines AWG gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
9(a) bis (c) stellt die modifizierte Form der gestörten kosinusförmigen Durchlaßbandabflacheinrichtung aus dem AWG aus 6 dar, welche erhalten wurde, wenn drei verschiedene Formfaktoren, p, verwendet wurden, um die Kosinusform zu stören.
10 stellt die bevorzugteste Form des gestörten Kosinuswellenleiters dar, welche erreicht wurde, wobei ein Formfaktor p = 0,8 verwendet wurde.
11 ist ein Graph, der das Ausgangskanaldurchlaßband eines hergestellten Prototyp-AWG darstellt, welcher das in 10(b) gezeigte Durchlaßbandabflachmittel auf jedem Eingangswellenleiter verwendet und adiabatisch verjüngte Ausgangswellenleiter und auch das Durchlaßband für den gleichen Ausgangskanal in einem AWG, das nur adiabatische Verjüngungen auf den Eingangs- und Ausgangswellenleitern aufweist.
12 ist eine schematische ebene Ansicht eines AWG gemäß einer weiteren Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um das Durchlaßband eines AWG des in 1 dargestellten Typs abzuflachen kann eine nicht-adiabatische Verjüngung an dem Ende jedes Eingangswellenleiters zwischen dem Eingangswellenleiter 2 und dem ersten Scheibenkoppler 3 verwendet werden. 3(a) zeigt eine ebene Ansicht einer AWG-Vorrichtung 20 gemäß einem ersten Beispiel, das für ein Verständnis der Erfindung hilfreich ist. Gleiche Komponenten wie die in 1 sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Aus Gründen der Klarheit sind nur einige der Array-Wellenleiter 8 und Ausgangswellenleiter 10 gezeigt. Zwei Eingangswellenleiter 21, 22 sind gezeigt, jedoch könnten in der Praxis mehr vorhanden sein, wenn dies erwünscht ist. Eine Durchlaßbandabflacheinrichtung 30 ist an einem Ausgangsende 23 jedes Einmodeneingangswellenleiters 21, 22 angeordnet, wobei sie optisch den Eingangswellenleiter 22 mit dem ersten Scheibenwellenleiter verbindet. Die Konstruktion der Durchlaßbandabflacheinrichtung 30, die in jedem Eingangswellenleiter verwendet wird, ist im Detail in 3(b) gezeigt. Die Einrichtung weist einen exponentiellen Verjüngungsabschnitt 32 auf, der unmittelbar von einem geraden Wellenleiterabschnitt 34 gefolgt ist, der die gleiche Breite w aufweist wie das Ende des exponentiellen Verjüngungsabschnitts 32. Die Verjüngung ist durch folgende Gleichungen definiert:
wobei L die Länge des Verjüngungsabschnittes ist, w(t) die Breite längs der Ausbreitungsrichtung ist, z(t) die Länge längs der Ausbreitungsrichtung ist und w_in und w_out die Breiten der Eingangs- bzw. Ausgangsenden des Verjüngungsabschnittes sind. Der exponentielle Abschnitt 32 regt schrittweise die Mode zweiter Ordnung an. Die Länge L1 des Verjüngungsabschnitts 32 ist so gewählt, daß sie lang genug ist, um einen gewünschten Grad an Leistungsumwandlung von der Fundamentalmode (des Einmodeneingangswellenleiters 22) in die Mode zweiter Ordnung in dem Bereich von 5-20%, typischerweise von 5-10%, an Konversion zu erzielen.
Der Zweck des Phasenschiebers wird aus der folgenden Diskussion, die die chromatische Dispersion betrifft, deutlich. Dieses Thema ist auch vollständig in unserer anhängigen UK-Patentanmeldung, angemeldet am 11. Juni 2001, in den Namen von Kymata Limited und BBV Software BV (Anmeldenummer noch nicht bekannt) und dem Titel "Arrayed Waveguide Grating with Reduced Chromatic Dispersion" diskutiert, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Die differentielle Gruppenverzögerung Δτ_c einer Filtervorrichtung steht mit ihrer chromatischen Dispersion D und ihrer Teilung δλ in Beziehung: Δτc = δλ·Dc,wobei die Teilung δλ = der Unterschied in der Durchlaßbandmittenwellenlänge zwischen den TE- und TM-Polarisationen.
Die Gruppenverzögerung τ_group und die chromatische Dispersion einer AWG-Vorrichtung wird aus der Phase Φ ihrer Antwort berechnet:
Die chromatische Dispersion D_c = dτ_group/dλ folgt als:
Um die chromatische Dispersion zu minimieren, verwenden wir den Phasenschieberabschnitt 34, so daß die Phasendifferenz Δφ zwischen der Fundamentalen und Moden zweiter Ordnung an dem Ende des Phasenschieberabschnitts 34, wo sie in die Eingangsfläche 35 des ersten Schreibenkopplers 3 eintreten, so zu konstruieren, daß gilt: Δφ = Nπ,wobei N eine ganze Zahl ist. In der Ausführungsform aus 3(a) und (b) haben wir die Länge des Phasenschiebers 34 so konstruiert, daß die Phasendifferenz Δφ = 2π beträgt, wobei die beiden Moden effektiv in Phase sind. Dies erfolgt durch zunächst Optimieren der Länge L1 des exponentiellen Verjüngungsabschnitts 32, um den gewünschten Grad an Modenkonversion zu ergeben, typischerweise in dem Bereich von 5-20%, z.B. ungefähr 7%. Als nächstes wird die Phase zwischen den Moden 0. und 2. Ordnung an dem Ende der exponentiellen Verjüngung berechnet, wobei z.B. eine BPM-Simulation verwendet wird. Zuletzt wird die Länge L2 des Phasenschiebers 34, die notwendig ist, um die gewünschte Phasendifferenz Δφ = 2π an dem Ausgangsende des Phasenschiebers zu erreichen, berechnet. Wieder kann dies aus BPM-Simulationen der Struktur erfolgen oder alternativ kann die Theorie von MMIs, die von Soldano in "Optical Multi-Mode Interference Devices Based an Self-Imaging:Principles and Applications", von L. Soldano und E. Pennings, Journal of Lightwave Technology, S. 615–627, 1995, verwendet werden, um diese Berechnung zu erleichtern. Dies ist weiterhin in der anhängigen UK-Patentanmeldung, angemeldet am 11. Juni 2001 in den Namen von Kymata Limited und BBV Software BV (Anmeldenummer noch nicht bekannt) und mit dem Titel "Arrayed Waveguide Grating with Reduced Chromatic Dispersion" beschrieben, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme wie oben erwähnt vollständig aufgenommen wird.
Es ist offensichtlich, daß die exakte Phasendifferenz Δφ an dem Ende der Durchlaßbandabflachstruktur in der Praxis von dem gewünschten Wert von 2π abweichen kann, z.B. aufgrund von Herstellungsdefekten oder anderen Abweichungen in der tatsächlichen Vorrichtungsstruktur von der Konstruktionsstruktur auf der die Simulationen basieren. Jedoch sollte, solange die tatsächliche Phasendifferenz ungefähr Nπ ist, wobei N eine ganze Zahl ist, die CD immer noch relativ gering sein, so daß die Erfindung einen gewissen Vorteil bereitstellt.
Wie es allgemein im Stand der Technik verstanden wird, erzeugt die Faltung des Feldes mit doppelter Spitze, das in die Eingangsfläche 35 des ersten Scheibenkopplers 3 aus dem Ausgangsende des Durchlaßbandabflachmittels 30 mit der Fundamentalmode irgendeines der Einmodenausgangswellenleiter 10 eintritt, ein im allgemeinen flaches Durchlaßband (d.h. spektrale Antwort) des entsprechenden Wellenlängenkanals des AWG-Ausgangs. Unsere Simulationen zeigen, daß das Durchlaßbandabflachmittel 30 das erwünschte im allgemeinen flache Durchlaßband erzeugt, jedoch haben wir bemerkt, daß eine leichte "Riffelung" in der abgeflachten Spitze der Antwort vorhanden ist. Dieser Riffelungseffekt kann im wesentlichen durch Einfügen einer Verjüngung 38 in dem Ende jedes Ausgangswellenleiters 10 entfernt werden, wo dieser mit dem zweiten Scheibenkoppler 4 (siehe 3(a)) verbunden ist, so daß sich die Ausgangswellenleiter 10 jeweils hin zu dem zweiten Scheibenkoppler 4 aufweiten. (Diese Verjüngungen und Durchlaßbandabflacheinrichtungen 30 sind in 3(a) aus Gründen der Darstellung maßstäblich vergrößert, wenn sie mit dem Rest der Merkmale des AWG verglichen werden.) Diese Verjüngung 38 ist eine lineare adiabatische Verjüngung mit der Verjüngungsaufweitung hin zu dem zweiten Scheibenkoppler 4. Wir definieren eine adiabatische Verjüngung als eine, in der die gesamte Leistungsumwandlung in geführte Moden höherer Ordnung (oberhalb der Fundamentalmode) und Strahlungsmoden unter –35 dB liegt.
Es ist wert erwähnt zu werten, daß, wenn es mehr als einen Eingangswellenleiter gibt, es für jeden Eingangswellenleiter vorteilhaft ist, mit einer identischen Durchlaßbandab flach(PBF)einrichtung 30 ausgestattet zu werden, wodurch jede PBF-Einrichtung auf einer oder beiden Seiten durch mindestens eine identische PBF-Einrichtung flankiert wird. Wir glauben, daß dies Strahlungseffekte weiter reduziert (die Nachbarn modifizieren das Strahlungsspektrum). Daher kann es auch vorteilhaft sein, einen zusätzlichen PBF auf jeder Seite des Eingangswellenleiterarrays anzuordnen ohne befestigten Eingangswellenleiter, nur damit jede PBF-Einrichtung auf beiden Seiten durch eine identische PBF-Einrichtung flankiert ist.
Modifizierte Versionen des Phasenschiebers 34 sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel können die Kanten des Phasenschiebers (in ebener Ansicht) gekrümmt sein, statt daß sie einen parallelseitigen Wellenleiter bilden. 5(a) stellt eine Durchlaßbandabflachstruktur dar, in der die gegenüberliegenden Seiten des Phasenschiebers 40 durch eine Kosinusform definiert sind. Der kosinusförmige Phasenschieber 40 ist durch die folgenden Gleichungen definiert:
im Fall, daß Δw < 0 und
im Fall, daß Δw < 0 und
wobei acos eine Abkürzung von arccos ist.
5(b) stellt drei Eingangswellenleiter eines AWG mit solch einer Struktur in der Eingangsbrennebene 35 des ersten Scheibenkopplers 3 dar und zeigt auch die Ausgangsbrennebene 39 des zweiten Scheibenkopplers 4 und zwei Ausgangswellenleiter 10, jeder mit der linearen adiabatischen Verjüngungsstruktur 38 zum Reduzieren von Riffeln. Die Kosinusform kann gegenüber dem parallelseitigen Phasenschieber aus 3(b) vorteilhaft sein, da sie einen kontinuierlicheren Übergang zwischen dem exponentiellen Verjüngungsabschnitt und dem Phasenschieber darstellt, wodurch Strahlungsverluste an diesem Übergang reduziert werden. Jedoch kann die Struktur aus 6(a) in der Praxis ein erhöhtes Übersprechen zwischen benachbarten Wellenlängenkanälen hervorrufen.
6 stellt eine modifizierte Version des Beispiels aus 5(b) dar, indem der Phasenschieber 40' dieses Mal eine invertierte Kosinusform aufweist (definiert durch die gleichen Gleichungen, jedoch invers geformt). Diese Struktur vermeidet jedwedes Nachbarübersprechen, verglichen mit der Phasenschieberstruktur aus 6(a). 7 ist eine Auftragung des Ausgangskanaldurchlaßbandes (Graph PBF1_A) des in 6 dargestellten AWG, aufgetragen aus praktischen Ergebnissen, die von einer hergestellten Prototypvorrichtung dieser Konstruktion erhalten wurden und zeigt auch das im allgemeinen Gauß'sche Durchlaßband (Graph G_A), das für einen ähnlichen AWG erhalten wurde, der diese Durchlaßbandabflacheinrichtung nicht verwendet, sondern nur mit adiabatischen linearen Verjüngungen an den Enden der Eingangs- und Ausgangswellenleiter, die mit den Scheibenkopplern 3, 4 verbunden sind, hergestellt war.
8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Wieder sind gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. In dieser Ausführungsform liegt die Durchlaßbandabflacheinrichtung in der Form eines verjüngten Wellenleiters 40 vor, der eine krummlinige Form in der Form einer gestörten Kosinusfunktion aufweist, die durch die folgenden Gleichungen definiert ist:
wobei

L: die Länge des Verjüngungsabschnitts ist,
w(t): die Breite längs der Ausbreitungsrichtung ist,
z(t): die Länge längs der Ausbreitungsrichtung ist,
w_in und w_out: die Breiten der Eingangs- bzw. Ausgangsenden des Verjüngungsabschnitts sind und
p: ein Formfaktor ist, der einen Wert zwischen 0 und 1 zur Durchlaßbandabflachung aufweist und der im wesentlichen die Steigung in der Mitte (z = 0,5 L) der Verjüngung steuert (Werte von p größer als 1 sind auch möglich, obwohl weniger bevorzugt).

Für ein gegebenes w_in und w_out sind die freien Parameter in der Verjüngungsform daher L und p. Für verschiedene p-Werte ändert sich die Form der Verjüngung. Dies ist in 9(a) bis (c) dargestellt, welche die Verjüngungsform für p = 0, p = 0,5 bzw. p = 1 zeigen.
In der vorliegenden Ausführungsform hat die Länge L der Verjüngung in der Praxis einen vorbestimmten festen Wert, der notwendig ist, um eine gewünschte Phasenbeziehung zwischen den Fundamentalen und Moden zweiter Ordnung an dem Verjüngungsausgang 42, wie nachfolgend beschrieben, zu erreichen, und daher ist in der Praxis die einzige verbleibende Variable p. In unserer bevorzugten Konstruktion wählten wir einen Formwert von p = 0,8, der die in 10 gezeigte Verjüngungsform ergibt. Unsere BPM-Simulationen zeigen, daß diese Verjüngungsform eine Leistungsumwandlung von der Fundamentalen in die Mode zweiter Ordnung in den Bereich von 5–20%, typischerweise von ungefähr 7%, erreichen sollte.
Wie oben gemäß der 3(a), (b)-Konstruktion erklärt, ist es, um die chromatische Dispersion und DGD zu minimieren, wünschenswert, die Gesamtlänge L der Durchlaßbandabflachstruktur so zu konstruieren, daß versucht und sichergestellt wird, daß die Phasendifferenz Δφ zwischen der Fundamentalen und den Moden zweiter Ordnung an dem Ende der Durchlaßbandabflacheinrichtung, wo diese in die Eingangsfläche 35 des ersten Scheibenkopplers 3 eintritt, Δφ = Nπ beträgt, wobei N eine ganze Zahl ist. Die erforderliche Länge L, um diese Phasenbedingung zu erreichen (oder zumindest im wesentlichen zu erreichen) wird berechnet, wobei BPM-Simulationen der Durchlaßbandabflachstruktur verwendet werden. In unserer bevorzugten Konstruktion beträgt der Wert von w_out 16 μm, w_in 6 μm und die Länge der Verjüngung beträgt L = 347 μm. Es wird in der Praxis, solange die tatsächliche Phasendifferenz ungefähr Nπ beträgt, wobei N eine ganze Zahl ist, der Vorteil der Erfindung zumindest zu einem großen Teil erreicht.
Wie in der Ausführungsform aus 4 zeigen unsere Simulationen, daß während das Durchlaßbandabflachmittel 40 aus 10 die gewünschte im allgemeinen flache Durchlaßbandantwort erzeugt, es eine leichte "Riffelung" in der Spitze der abgeflachten Antwort gibt. Wieder wird dieser Riffelungseffekt durch Einfügen einer adiabatischen linearen Verjüngung 38 an dem Ende jedes Ausgangswellenleiters 10, dort wo er mit der Ausgangsfläche des zweiten Scheibenkopplers 4, wie in 5(b) und in 6 dargestellt, verbunden ist, wobei sich die Verjüngung hin zu dem zweiten Scheibenkoppler 4 aufweitet, im wesentlichen entfernt.
Wesentliches Merkmal der gestörten kosinusverjüngten Wellenleiterform ist es, daß am Anfang der Verjüngung, dort wo die Verjüngung in das Ausgangsende des Einmodeneingangswellenleiters übergeht, der Verjüngungswinkel durch die allgemeine Kosinuskurvenform der Verjüngung am Anfang gering gehalten wird. Dies hält Strahlungsverluste minimal. (Zur Vermeidung von Zweifeln ist der Verjüngungswinkel als der Winkel der verjüngten Seiten des Wellenleiters relativ zu der Ausbreitungsrichtung in dem Wellenleiter definiert. In den dargestellten Ausführungsformen, in denen die Wellenleiter eine im wesentlichen symmetrische Struktur aufweisen, verläuft die Ausbreitungsrichtung längs der Achse der Wellenleiter.) Der Verjüngungswinkel erhöht sich schrittweise hin zu dem Scheibenkoppler bis hinter die durch den Faktor p eingefügte Störung.
11 ist eine Auftragung des gemessenen Durchlaßbandes (PBF2_A) einer hergestellten Prototyp-AWG-Vorrichtung mit dem Durchlaßbandabflachmittel 40 aus 10 auf den Eingangswellenleitern und die die Ausgangswellenleiterverjüngung 38 aufweist und sie zeigt auch das im allgemeinen Gauß'sche Durchlaßband (Graph G_A), welches für ein gleiches AWG erhalten wurde, das diese Durchlaßbandabflacheinrichtung nicht verwendet, sondern das nur mit adiabatischen Verjüngungen an den Enden der Eingangs- und Ausgangswellenleiter, die mit den Scheibenkopplern 3, 4 verbunden sind, hergestellt wurde.
Es ist offensichtlich, daß in den Beispielen und Ausführungsformen aus 3(b), 5(b), 6, 8, 9 und 10 das Durchlaßbandabflachmittel durch die glatt verjüngte Form des Anfangs der exponentiell verjüngten oder kosinusgestörten verjüngten Wellenleiterform kontinuierlich in das Ende 23 des Einmodeneingangswellenleiters 22 übergeht. Auf diese Weise werden Diskontinuitäten zwischen dem Eingangswellenleiter und der Durchlaßbandabflacheinrichtung, welche Strahlungsverluste bewirken würden (und daher zu erhöhten Einfügeverlust in dem AWG führen) im wesentlichen vermieden.
Um Zweifel zu vermeiden, es ist nicht wesentlich, daß der Eingangswellenleiter ein Einmodenwellenleiter ist, der die gleiche Breite entlang seiner gesamten Länge aufweist, bis zu der Stelle, an der er mit der Durchlaßbandabflacheinrichtung verbunden ist. Zum Beispiel kann der Eingangswellenleiter ein Einmodenwellenleiter sein, der an seinem Ende 23, das mit dem Durchlaßbandabflachmittel verbunden ist, adiabatisch verjüngt ist (z.B. eine linear adiabatische Verjüngung aufweist), so daß er sich hin zu dem Durchlaßbandabflachmittel aufweitet. Solch ein Eingangswellenleiter wird immer noch als ein im wesentlichen einmodiger Wellenleiter betrachtet. In solchen Ausführungsformen ist das adiabatisch verjüngte Ende des Eingangswellenleiters noch so angeordnet, daß es im wesentlichen kontinuierlich in den nicht-adiabatisch verjüngten Wellenleiter übergeht, der die Durchlaßbandabflacheinrichtung bildet.
Es ist offensichtlich, daß in allen den oben beschriebenen Ausführungsformen, wenn auf Eingangswellenleiter und Ausgangswellenleiter Bezug genommen wird, diese Ausdrücke im Zusammenhang verwendet werden, wenn der AWG als ein Demultiplexer verwendet wird. Jedoch ist es offensichtlich, daß der gleiche AWG genauso gut als ein Multiplexer verwendet werden könnte, in welchem Fall die Ausdrücke Eingang und Ausgang vertauscht werden sollten, da optische Signale dann in der entgegengesetzten Richtung durch den AWG laufen. Für die Vermeidung von Zweifeln ist es daher offensichtlich, daß die Wortwahl "Eingang" und "Ausgang" nicht als beschränkend beabsichtigt ist, wobei die beigefügten Ansprüche einen AWG abdecken sollen, der als ein Demultiplexer oder als ein Multiplexer verwendet wird.
Es ist offensichtlich, daß andere Modifikationen und Änderungen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel ist es ausdrücklich beabsichtigt, daß alle Kombinationen derjenigen Elemente und/oder Verfahrensschritte, die im wesentlichen die gleiche Funktion auf im wesentlichen die gleiche Weise ausführen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen. Zum Beispiel könnte eine Durchlaßbandabflacheinrichtung gemäß 4 oder 10 statt dessen zwischen jedem Ausgangswellenleiter 10 und dem zweiten Scheibenkoppler 4 angeordnet sein statt zwischen dem Eingangswellenleiter und dem Eingangsscheibenkoppler 3, um die gewünschte Durchlaßbandabflachung zu erreichen. Das breiteste Ende der Durchlaßbandabflacheinrichtung wäre mit der Ausgangsfläche des Ausgangsscheibenkopplers 4 verbunden und das dünnste Ende würde gleichmäßig in den im wesentlichen einmodigen Ausgangswellenleiter 10 übergehen. Adiabatische Verjüngungen könnten dann, falls erwünscht, an den Enden der Eingangswellenleiter vorgesehen sein, die mit dem ersten Scheibenkoppler verbunden sind, so daß die Eingangswellenleiter sich hin zu dem ersten Scheibenkoppler aufweiten. In alternativen Ausführungsformen könnten keine Eingangswellenleiter vorgesehen sein. Statt dessen kann der erste Scheibenkoppler an der Kante des Substrats 10 angeordnet sein, wodurch eine optische Eingangsfaser 30 direkt mit der Eingangsfläche 21 des Scheibenkupplers verbunden sein kann, wie in 12 gezeigt. Die Faltung des Feldes mit zweifacher Spitze, das durch die Durchlaßbandabflacheinrichtung 28 auf der Ausgangsseite der Vorrichtung erzeugt wird, mit der Fundamentalmode der optischen Ausgangsfasern 32, die mit der Ausgangskante 12 des Substrats 1 verbunden wären, um die Ausgangskanalsignale von den Ausgangswellenleitern 10 aufzunehmen, erzeugt das benötigte abgeflachte Durchlaßband.
Auch können in einer weiteren Möglichkeit eine identische Durchlaßbandabflacheinrichtung 30, 40 zwischen sowohl dem Eingangsscheibenkoppler und jedem Eingangswellenleiter als auch zwischen dem Ausgangsscheibenkoppler und jedem Ausgangswellenleiter 10 vorgesehen sein. (Diese müssen nicht notwendigerweise die identische Größe sowohl auf der Eingangs- als auch Ausgangsseite aufweisen. Tatsächlich erlaubt die Herstellung unterschiedlicher Größen einen höheren Grad an Konstruktionsfreiheit).
Wenn die nicht-adiabatischen Verjüngungen zur Durchlaßbandabflachung auf der Ausgangsseite des Arrays bereitgestellt werden, muß die Breite jedes nicht-adiabatisch verjüngten Wellenleiters, dort wo dieser mit dem zweiten Scheibenkoppler verbunden ist, nicht von einem Ausgangswellenleiter zu dem nächsten identisch sein. Zum Beispiel kann die Breite tatsächlich von dem kleinsten Frequenzkanal zu dem größten Frequenzkanal 40 linear zunehmen, um die Gleichförmigkeit des Nachbarkanal-Übersprechens, der Durchlaßbandform oder eines weiteren Leistungsparameters des AWG zu verbessern, so wie es im Detail in unserer anhängigen UK-Patentanmeldung Nr. 0106014.4 beschrieben ist (in der wir die Breiten der Ausgangswellenleiter an dem Ausgangsscheibenkoppler "chirpen").

Claims

In einem Array angeordnete Wellenleitergitter-(AWG-)Vorrichtung mit: mindestens einem im wesentlichen einmodigen Eingangswellenleiter (21, 22), der optisch mit einem ersten Freiraumkoppler verbunden ist, einer Mehrzahl von Array-Wellenleitern (8), die optisch zwischen dem ersten Freiraumkoppler (3) und einem zweiten Freiraumkoppler (4) verbunden sind, wobei die Mehrzahl von Array-Wellenleitern (8) zwischen einander vorbestimmte optische Weglängenunterschiede aufweisen, einer Mehrzahl von im wesentlichen einmodigen Ausgangswellenleitern (10), die optisch mit dem zweiten Plattenkoppler verbunden sind, Mitteln (30) zum Abflachen des Durchlaßbandes, die zwischen mindestens einem der im wesentlichen einmodigen Eingangs- und Ausgangswellenleitern und einem benachbarten der ersten und zweiten Freiraumkoppler angeordnet sind, wobei die Mittel (30) zum Abflachen des Durchlaßbandes einen nicht-adiabatisch verjüngten Wellenleiter aufweisen, der sich in der Breite zu dem entsprechenden Freiraumkoppler hin aufweitet, mindestens einem Anfangsteil des nicht-adiabatisch verjüngten Wellenleiters, wobei dieser Anfangsteil mit dem einen im wesentlichen einmodigen Eingangs- und Ausgangswellenleiter verbunden ist, wobei er einen Kegelwinkel aufweist, der sich zu dem entsprechenden Freiraumkoppler hin vergrößert und wobei der nicht-adiabatisch verjüngte Wellenleiter im wesentlichen kontinuierlich in den einen der im wesentlichen einmodigen Eingangs- und Ausgangswellenleiter übergeht, wobei der verjüngte Wellenleiter eine gekrümmte Form aufweist, die durch die folgenden Gleichungen definiert ist:
wobei L die Länge des verjüngten Wellenleiters ist, w(t) die Breite längs der Ausbreitungsrichtung ist, z(t) die Länge längs der Ausbreitungsrichtung ist, w_in und w_out die Breiten der Eingangs- bzw. Ausgangsenden des verjüngten Wellenleiters sind, und p ein Formfaktor ist, der einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist.
AWG-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-adiabatisch verjüngte Wellenleiter stufenweise verjüngt ist, so daß stufenweise die Mode zweiter Ordnung angeregt wird.
AWG gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß p einen Wert in dem Bereich von 0 ≤ p ≤ 1 aufweist.
AWG-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des verjüngten Wellenleiters zwischen dem entsprechenden Freiraumkoppler und einem ersten Ende mindestens eines der Eingangs- und Ausgangswellenleiter, der mit dem verjüngten Wellenleiter verbunden ist, so gewählt ist, daß die Phasendifferenz Δφ zwischen der fundamentalen und der Mode zweiter Ordnung in dem entsprechenden Freiraumkoppler ungefähr gleich N × π ist, wobei N eine ganze Zahl ist.
AWG-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (30) zum Abflachen des Durchlaßbandes zwischen dem ersten Freiraumkoppler und dem mindestens einen Eingangswellenleiter angeordnet ist.
AWG nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Eingangswellenleitern vorgesehen ist und ein im wesentlichen identisches Mittel (30) zum Abflachen des Durchiaßbandes für jeden Eingangswellenleiter vorgesehen ist.
AWG-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine adiabatische Verjüngung an dem Ende jedes Ausgangswellenleiters, das optisch mit dem zweiten Freiraumkoppler verbunden ist, vorgesehen ist, so daß sich der Ausgangswellenleiter hin zu dem zweiten Freiraumkoppler aufweitet.
AWG-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (30) zum Abflachen des Durchlaßbandes auch zwischen dem zweiten Freiraumkoppler (4) und mindestens einem Ausgangswellenleiter (10) angeordnet ist.
AWG-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen identisches Mittel (30) zum Abflachen des Durchlaßbandes zwischen dem zweiten Freiraumkoppler (30) und jedem der Ausgangswellenleiter (10) angeordnet ist.
AWG-Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine adiabatische Verjüngung an dem Ende jedes Eingangswellenleiters, das optisch mit dem ersten Freiraumkoppler (3) verbunden ist, vorgesehen ist, so daß sich der Eingangswellenleiter zu dem ersten Freiraumkoppler (3) hin aufweitet.