NL9500004A

NL9500004A - Geintegreerd optische golflengte-demultiplexer.

Info

Publication number: NL9500004A
Application number: NL9500004A
Authority: NL
Inventors: Johannes Jacobus Gerardus Tol
Original assignee: Nederland Ptt
Priority date: 1995-01-02
Filing date: 1995-01-02
Publication date: 1996-08-01
Also published as: ATE230119T1; ES2188635T3; JP2775243B2; EP0721120B1; EP0721120A1; JPH08234030A; DE69529207T2; DE69529207D1; US5680236A

Description

KONINKLIJKE PTT NEDERLAND N.V.

GRONINGEN

Titel: Geïntegreerd optische golflengte-demultiplexer A. Achtergrond van de uitvinding 1. Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van de geïntegreerde optische inrichtingen. Meer in het bijzonder betreft zij een golflengte-demultiplexer voor signalen met golflengten in het optische gebied gebaseerd op een samenstel van een aantal gekromde optische golfgeleiders, welk samenstel bekend is onder de naam "optical phased array".

2. Stand van de techniek

Er zijn twee soorten optische golflengte-demultiplexers. Een eerste soort wordt wel gebruikt om signalen uit verschillende optische vensters te scheiden. Zo is uit referentie [1] (voor meer details m.b.t. de referenties zie hierna onder C.) een demultiplexer bekend welke voornamelijk wordt toegepast om optische signalen uit de twee infrarood vensters, t.w. bij 1300 nm en bij 1550 nm, te scheiden. De andere soort van optische golflengte-demultiplexers wordt gevormd door de zogenoemde 'high density' demultiplexers, welke worden toegepast om binnen een en hetzelfde venster signalen van verschillende golflengten (typisch zijn golflengte-verschillen tot op 2 nm) te scheiden, waardoor de transmissie-capaciteit kan worden verhoogt. Van deze tweede soort is een op een optische fase-rij (Engels: "phased array") gebaseerde demultiplexer bekend, zoals bijvoorbeeld uit referenties [2] en [3]. Een optische fase-rij omvat een aantal in een rij geordende gebogen kanaalvormige golfgeleiders van verschillende lengten, welke optische signalen geleiden van een aan een intreedvlak intredende lichtbundel naar een uittreedvlak. (N.B. Onder een monomodale golfgeleider wordt verstaan een golfgeleider waarin een of elk van beide polarisaties (TE of TM) slechts in hun fundamentele propagatie-modus kunnen propageren.) Daarbij reproduceren de aan het uittreedvlak uittredende signalen het veldprofiel van de intredende lichtbundel. Dit betekent dat als een divergerende lichtbundel intreedt aan het intreedvlak van de fase-rij, aan het uittreedvlak een naar een brandpunt convergerende bundel uittreedt. Deze eigenschap van de fase-rij wordt in de context van deze aanvraag aangeduid met de reproductie-eigenschap. Zij berust op het feit, dat er in de golfgeleiders van de fase-rij slechts fundamentele modi propageren. Door de verschillende lengten van de monomodale golfgeleiders in de rij is echter de fase van de bijdrage uit elke geleider iets anders, waardoor een kanteling van het fasefront optreedt. Dit bewerkstelligt een verschuiving van het brandpunt. De mate van een dergelijke verschuiving is evenwel afhankelijk van de golflengte van het licht.

Is het licht van de divergerende lichtbundel samengesteld uit verschillende golflengten dan focusseert de convergerende lichtbundel in een overeenkomstig aantal verschillende brandpunten. Door nu in een of meer met een bepaalde golflengte corresponderende brandpunten een kanaalvormige golfgeleider te laten beginnen, kunnen een of meer lichtsignalen met die golflengten uit de rest van de convergerende lichtbundel worden afgesplitst. Op dit principe berusten de uit referenties [2] en [3] bekende demultiplexers. Echter is de genoemde verschuiving van de brandpunten in de convergerende bundel niet alleen van de golflengte van het licht afhankelijk, maar eveneens van de polarisatie. Zo zal TE-gepolariseerd licht van een bepaalde golflengte terecht komen op de ingang van een andere golfgeleider dan TM-gepolariseerd licht van dezelfde golflengte. De daarbij optredende onderlinge verschuiving van de brandpunten komt overeen met die bij een golflengte-verschil van ca 5 nm, zodat deze bekende demultiplexers in hoofdzaak alleen correct werken voor zuiver gepolariseerd (TE of TM) licht. Alleen onder bepaalde condities, zoals bijvoorbeeld onderzocht in referentie [2], waarbij een door de rij bepaalde periodiciteit in de fase-overdracht van de multiplexer wordt toegepast, kan een demultiplexer voor een bepaalde golflengte polarisatie-onafhankelijk werken. Dergelijke aanvullende eisen aan het ontwerp van een demultiplexer compliceren de inrichting, terwijl maar een beperkte polarisatie-onafhankelijkheid wordt verkregen.

B. Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt een op een fase-rij van optische golfgeleiders gebaseerde golflengte-demultiplexer te verschaffen welke polarisatie-onafhankelijk is. Een geïntegreerde optische golflengte demultiplexer volgens de aanhef van conclusie 1, heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk van conclusie 1. Zij berust op het inzicht dat de reproductie-eigenschap van de fase-rij tevens inhoudt, dat als de divergerende bundel wordt gevormd door een lichtsignaal, dat afkomstig is uit een kanaalvormige golfgeleider aan een ingangszijde, waarin het lichtsignaal in een bepaalde geleide modus propageert, aan een uitgangszijde deze geleide modus eveneens wordt gereproduceerd en in een in het brandvlak beginnende en bij die geleide modus passende kanaalvormige geleider kan verder propageren. Dit geldt niet alleen voor een fundamentele modus (i.e. met orde-getal 0), maar ook voor hogere orde modi (i.e. met orde-getal 1 en hoger). Aangezien voor een gegeven fase-rij de plaats van een specifiek brandpunt slechts wordt bepaald door de golflengte en de polarisatie van een lichtsignaal, hebben inkomende lichtsignalen, welke slechts verschillen in orde-getal, aan de uitgangszijde hetzelfde brandpunt. Een in een brandpunt beginnende multimodale golfgeleider kan de in dat brandpunt gefocusseerde signalen opnemen en verder geleiden, bijvoorbeeld naar een foto-detector. De uitvinding maakt hiervan gebruik door aan de ingangszijde een, althans binnen het toegepaste golflengte-venster, golflengte-onafhankelijke modus-omzetting toe te passen op het uit signaalcomponenten van verschillende golflengten samengestelde signaal van willekeurige polarisatie, alvorens het samengestelde signaal te laten divergeren. De modus-omzetting is zodanig dat een geconverteerd signaal wordt gevormd, dat slechts geleide modi bevat van een en dezelfde polarisatie, maar met verschillende orde-getallen.

Bij voorkeur heeft de multiplexer volgens de uitvinding het kenmerk van conclusie 2.

Door toepassing van uit referentie [4] of referentie [5) bekende modus-omzetters kan de demultiplexer volgens de uitvinding worden vervaardigd met standaard fabricage-methoden voor golfgeleiders. Bovendien is de demultiplexer realiseerbaar met elk gangbaar type golfgeleider en op basis van elk in de geïntegreerde optica gebruikelijk materiaal. Voor het bereiken van de polarisatie-onafhankelijkheid is geen combinatie met 'bulk'-elementen nodig.

C. Referenties [1] EP-A-0536819; [2] A.R. Vellekoop and M.K. Smit, "Four-channel integrated-optic wavelength demultiplexer with weak polarization dependence", J.Lightwave Technol., Vol. 9, No. 3, pp. 310-314, 1991;

[3] M.R. Amersfoort et al., "Low-loss phased-array based 4-channel wavelenght demultiplexer integrated with photodetectors", IEEE

Photon. Techn. Letters, Vol. 6, No. 1, pp. 62-64, 1994; [4] EP-A-0513919; [5] Nederlands octrooiaanvrage (van aanvrager) nr. 9301656, ingediend 24 september 1993.

Alle referenties worden beschouwd als geïncorporeerd in de onderhavige aanvrage.

D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal nader worden toegelicht middels een beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld, waarbij wordt verwezen naar een tekening die de volgende figuren omvat: FIG. 1 toont schematisch in een bovenaanzicht een demultiplexer gebaseerd op een optische fase-rij van kanaalvormige golfgeleiders volgens de stand van de techniek; FIG. 2 toont schematisch in een bovenaanzicht een optische golfgeleidende ingangssectie voor een demultiplexer volgens de uitvinding; FIG. 3 toont schematisch in een bovenaanzicht een optische uitgangssectie voor de demultiplexer volgens de uitvinding.

E. Beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld

Uit referentie [3] is een geïntegreerde optische golflengte-demultiplexer voor signalen van vier verschillende golflengten (λρ λ2, λ3, λ4) bekend, gebaseerd op een fase-rij van kanaalvormige golfgeleiders. FIG. 1 toont hiervan schematisch een bovenaanzicht. Een dergelijke demultiplexer bestaat achtereenvolgens uit een inkomende kanaalvormige golfgeleider 1, een divergentie-gebied 2, een fase-rij 3 van een n-tal gekromde kanaalvormige golfgeleiders 3( 1),--,3(n), een convergentie-gebied 4, en een viertal uitgaande kanaalvormige golfgeleiders 5(1) t/m 5(4). Op elk van de uitgaande golfgeleiders 5(i) (voor 1=1,—,4) is een fotodetector 6(i) aangesloten. De fase-rij 3 is voorzien van een intreedvlak 7 en van een uittreedvlak 8. Alle inkomende en uitgaande kanaalvormige golfgeleiders zijn monomodaal, d.w.z. geleiden slechts fundamentele modi van elk van beide orthogonale polarisaties TE en TM voor optische signalen van de genoemde golflengten. Ook de gekromde kanaalvormige golfgeleiders zijn zodanig dat ze slechts fundamentele modi geleiden. Het divergentie-gebied en het convergentie-gebied worden gevormd door planaire golfgeleiders. Een vla de kanaalvormige gol£geleider 1 inkomend samengesteld lichtsignaal wordt in het divergentie- gebied 2 omgezet in een divergerende bundel 9. Althans een groot deel van de lichtsignalen van de divergerende bundel 9 treedt via het intreedvlak 7 de fase-rij 3 binnen, propageert daarin verder in de richting van het uittreedvlak 8, en treedt aan het uittreedvlak 8 het convergentie-gebied 4 binnen. De werking van de fase-rij 3 is zodanig, dat een veldprofiel dat de divergerende bundel 9 bezit in het intreedvlak 7, wordt gereproduceerd aan het uittreedvlak 8, waardoor de uittredende lichtsignalen een convergerende bundel vormen. Deze eigenschap wordt reproductie-eigenschap genoemd. Door in de verschillende (geleiders van de fase-rij aanwezige optische weglengte-verschillen vertonen de uittredende lichtsignalen onderlinge faseverschillen, tengevolge waarvan met de signalen corresponderende fasefronten ten opzichte van elkaar een kanteling ondergaan. De mate van deze kanteling is echter golflengte-afhankelijk, zodat de convergerende bundel voor iedere golflengte focusseert in een ander brandpunt. Deze brandpunten vormen een brandvlak, in FIG. 1 aangeduid met 10. Door iedere van de uitgaande golfgeleiders 5(1),—,5(4) in een ander brandpunt van het brandvlak 10 te laten aansluiten op het convergentie-gebied 4, vangt iedere 5(i) van deze uitgaande golfgeleiders lichtsignalen van een andere golflengte in en geleidt deze lichtsignalen in de richting van de op die uitgaande golfgeleider 5(i) aangesloten fotodetector 6(i) (met i = 1,2,3 of 4). Deze bekende demultiplexer is ontworpen voor een vier-kanaals ontvanger met een golflengte separatie van 2 nm in het 1500 nm venster. Aangezien de mate van de kanteling van de fasefronten ook polarisatie-afhankelijk is, heeft deze multiplexer eveneens een polarisatie-afhankelijk gedrag. Uitgedrukt in termen van golflengte-verschillen komt deze afhankelijkheid overeen met een golflengte-verschil van ca 5 nm tussen TM- en TE-gepolariseerd licht. Dit betekent, of dat het TE-gepolariseerde licht van een bepaalde golflengte door een andere uitgaande golfgeleider wordt ingevangen dan het TM-gepolariseerde licht, of dat het licht van een van beide polarisaties niet wordt ingevangen. In het eerste geval kan dit betekenen, dat de golflengte-separatie wordt verstoord; in het tweede geval kan dit bij afwezigheid van een der polarisaties betekenen, dat licht van een bepaalde golflengte niet wordt gedetecteerd. Deze polarisatie-afhankelijkheid wordt in de demultiplexer volgens de uitvinding opgeheven. Daarbij wordt een passieve modus-omzetter toegepast bij voorkeur van een soort zoals deze bekend is uit referenties [4] en [5]. De toegepaste modusomzetter is een modusorozetter welke een nulde-orde geleide modus (aangeduid met TE^, of TM00) omzet in een eerste-orde geleide modus (TM01 of TE01) van een lichtsignaal van zekere golflengte λ en een andere polarisatie. Deze specifieke modusomzetter wordt hierna aangeduid met ΤΧ^,+ΤΥ^ίλ), waarin TX φ TY, en TX en TY elk een van de beide polarisaties TE en TM representeert. Deze modusomzetter wordt hierna ook wel een bimodale polarisatie-omzetter genoemd.

Passieve modusomzetters van deze bekende soort zijn selectief voor een bepaald paar van geleide modi, echter bij eenzelfde golflengte λ van het licht. De omzettende werking berust op een positieve interferentie van omgezette fracties in een golfgeleider met een periodieke structuur. Bij een gegeven omzettingsfractie per periode hangt niet alleen de mate van omzetting van de ene geleide modus in de andere van het paar van geleide modi, maar ook de golflengte-selectiviteit nauw samen met het aantal perioden in de periodieke structuur van de golfgeleider. Dit betekent, dat de golflengte-selectiviteit zich laat uitdrukken in een golflengte-band, welke bij een toenemend aantal perioden steeds nauwer wordt. Juist bij een hoge omzettingsfractie blijkt deze golflengte-band echter voldoende breed om alle golflengten binnen een voor een 'high-density' golflengte-demultiplexer gebruikelijk golflengte-gebied om te zetten. Zo zijn bimodale polarisatie-omzetters mogelijk welke bij 10 perioden een omzettingsfractie boven 97% realiseren voor alle golflengten binnen een golflengte-gebied van 25 nm, terwijl een voor de HD-demultiplexer gebruikelijk golflengte-gebied maximaal 16 nm breed is. In de aanduiding ΤΧ00-»ΤΥ01(λ) van de bimodale polarisatie-omzetter is λ derhalve een centrale golflengte van het golflengte-gebied waarbinnen geleide modi kunnen worden omgezet.

FIG. 2 toont schematisch een ingangssectie van een demultiplexer volgens de uitvinding in een bovenaanzicht. Achtereenvolgens omvat deze ingangssectie tussen de inkomende kanaalvormige, monomodale golfgeleider 1 voor het inkomende lichtsignaal S(Xj, λ2, λ3,λ4) en het intreedvlak 7 van de fase-rij 3: een adiabatisch golfgeleidend verloopstuk 21, dat overvoert van een monomodale naar een bimodale kanaalvormige golfgeleider; een op een bimodaal kanaalvormige golfgeleider gebaseerde bimodale polarisatie-omzetter 22; en een planair golfgeleidend verbindingsstuk 23 tussen de bimodale golfgeleider van de polarisatie-omzetter 22 naar het intreedvlak 7 van de fase-rij 3. In de figuur zijn overgangsvlakken I, II, III en IV aangeduid, respectievelijk tussen de inkomende golfgeleider 1 en het verloopstuk 21, tussen het verloopstuk 21 en de bimodale omzetter 22, tussen de bimodale omzetter 22 en het planaire verbindingsstuk 23, en tussen het planaire verbindingsstuk 23 en de fase-rij 3. Het overgangsvlak IV valt hierbij samen met het intreedvlak 7 van de fase-rij 3. Het planaire verbindingsstuk 23 fungeert als divergentie-gebied voor aan het overgangsvlak III het planaire verbindingsstuk 23 binnentredende lichtsignalen.

FIG. 3 toont schematisch een uitgangssectie van de demultiplexer volgens de uitvinding in een bovenaanzicht. Deze uitgangssectie omvat tussen het uittreedvlak 8 van de fase-rij 3 en fotodetectoren {31(i), met i-1,—,4) en op elkaar aansluitend: een planaire golfgeleidend verbindingsstuk 32, en een viertal bimodale kanaalvormige golfgeleiders {3 3(i), i-1, — ,4}. In de figuur zijn overgangsvlakken V en VI aangeduid respectievelijk tussen de fase-rij 3 en het planaire verbindingsstuk 32, en tussen het planaire verbindingsstuk 32 en het viertal bimodale golfgeleiders {33(i)J. Het overgangsvlak V valt samen met het uittreedvlak 8. Het planaire verbindingsstuk 32 dat aansluit op het uittreedvlak 8 van de fase-rij 3 fungeert als een convergentiegebied met een brandvlak 34 dat samenvalt met het overgangsvlak VI. Elke bimodale golfgeleider 33 (i) begint in een brandpunt Fj_ in het brandvlak 34 en voert naar een op de geleider 33(i) aangesloten fotodetector 31(i).

Een demultiplexer gebaseerd op een fase-rij van optische kanaalvormige golfgeleiders voorzien van een ingangssectie als weergegeven in FIG. 2 en een uitgangssectie als weergegeven in FIG. 3 werkt als volgt. Een ingangssignaal S(Xj, λ2, *3,λ4) met een onbekende polarisatie propageert in de inkomende golfgeleider 1 deels volgens de geleide modus TE00 en deels volgens de geleide modus TM00, en bereikt in die geleide modi via het verloopstuk 21 de bimodale polarisatie-omzetter 22. Is de bimodale polarisatie-omzetter 22 een TM00«TE01-omzetter met een bandbreedte welke het viertal golflengten {Ij, λ2, λ3,λ4} omvat, dan wordt door de polarisatie-omzetter het inkomende signaal S omgezet in een signaal S' dat voor elke golflengte binnen de bandbreedte van de omzetter (althans in hoofdzaak) uitsluitend TE-modi bevat van zowel de nulde als de eerste orde. Het omgezette signaal S' treedt aan het overgangsvlak III het als divergentie-gebied fungerende verbindingsstuk 23 binnen en vormt daarin een divergerende lichtbundel D. Signalen van de divergerende bundel D treden aan het intreedvlak 7 de fase-rij 3 binnen, propageren verder door de fase-rij 3 en verlaten deze vervolgens aan het uittreedvlak 8. De via het uittreedvlak 8 uittredende signalen vormen in het als convergentie-gebied fungerende planaire verbindingsstuk 32 per golflengte convergerende bundels C(X1), C(X2), C(X3) en C(X4) welke in afzonderlijke brandpunten Fj, F2, F3 en F4 in het brandvlak 34 convergeren. Elke uitgaande bimodale golfgeleider 33(i) sluit zo op het planaire verbindingsstuk 32 aan dat deze in brandpunt Ft gefocusseerde lichtsignalen kan opnemen en verder geleiden in de richting van de op de bimodale golfgeleider 33(i) aangesloten fotodetector 31(i) voor elke (i=l,—,4).

Tengevolge van de reproductie-eigenschap van de fase-rij en op grond van het feit dat de kanteling van het fase-golffront van de in het convergentie-gebied binnentredende signalen slechts afhankelijk is van de golflengte en de polarisatie, en niet van de orde van de geleide modi in het omgezette signaal S', bevat iedere convergerende bundel C(Xt) signalen uitsluitend, althans voornamelijk afkomstig van de geleide modi TE00 en TE01 van de golflengte Xj^ in het omgezette signaal S'. In het brandvlak 34 per bimodale golfgeleider 33(i) ingevangen signalen SiX^ propageren als TE00 en TE01 modi. Een fotodetector maakt geen onderscheid in orde grootte van de geleide modi van gedetecteerde lichtsignalen. Derhalve detecteert elke fotodetector 31 (i) uitsluitend, althans in hoofdzaak lichtsignalen van de golflengte Xj^ ongeacht de polarisatie-toestand van de lichtsignalen met deze golflengte in het inkomende signaal S(Xp X2, X3,X4).

Het uitvoeringsvoorbeeld is beschreven voor een demultiplexer voor een viertal golflengten. Het principe waarop de uitvinding is gebaseerd is toepasbaar voor grotere aantallen van golflengten. Een aantal van 10 verschillende golflengten is naar verwachting practisch realiseerbaar.

De toevoeging van een bimodale polarisatie-omzetter in de ingangssectie van de op een fase-rij gebaseerde demultiplexer zal in een dimensie ca 1 mm extra chip-ruimte kosten, zodat de hele demultiplexer (voor vier golflengten) in plaats van binnen ca 3x2,3 •y y mm , binnen ca 3x3,3 mm oppervlakte kan worden gerealiseerd.

Voor een zuiverder werking van de demultiplexer kan het restant (bijv. <3%) van het niet-omgezette deel van de ongewenste polarisatie in het ingangssignaal verderop in de demultiplexer nog worden uitgefilterd met behulp van polarisatie-fliters. Zo'n filter kan in de uitgangssectie in elk van de uitgaande kanaalvormige golfgeleiders {33(i)J worden opgenomen. Bijvoorkeur echter wordt in de ingangssectie tussen de bimodale polarisatie-omzetter 22 en het planaire verbindingsstuk 23 een polarisatie-filter 24 (gestippelde rechthoek in FIG. 2) opgenomen. Als de bimodale polarisatie-omzetter een TM00-»TE01-omzetter is, dan moet het polarisatie-filter de TM-filter zijn. Een TM-filter is eenvoudig te realiseren door tussen de polarisatie-omzetter 22 en het planaire verbindingsstuk 23 een bimodale kanaalvormige golfgeleider 25 op te nemen en deze over een geschikte lengte te overdekken met een metaallaag.

Claims

1. Geïntegreerde optische gol£lengte-demultiplexer voor het separeren van een aantal optische signaalcomponenten van een inkomend optisch signaal met onderling verschillende golflengten in afzonderlijke uitgaande optische signalen, welke demultiplexer omvat: een inkomende kanaalvormige golfgeleider waarin het inkomende optische signaal propageert in eerste geleide modi met onderling verschillende orthogonale polarisaties (TE en TM) en met onderling gelijke orde in de richting van een divergentie-gebied waarin het inkomende optische signaal binnentreedt en overgaat in een divergerende signaalbundel, een fase-rij van gekromde optische kanaalvormige golfgeleiders voorzien van een intreedvlak en een uittreedvlak, voor het ontvangen en verder geleiden van optische signalen uit de divergerende signaalbundel in de richting van het uittreedvlak, een convergentie-gebied waarin aan het uittreedvlak uittredende optische signalen overgaan in een naar een aantal golflengte-afhankelijke brandpunten convergerende signaalbundels, een aantal uitgaande, optisch ontkoppelde, kanaalvormige golfgeleiders voor het verder geleiden van in genoemde brandpunten uit de convergerende signaalbundels ontvangen optische signalen, met het kenmerk, dat de demultiplexer voorts conversie-middelen omvat voor het converteren van de eerste geleide modi van een der orthogonale polarisaties (TE of TM) in geleide modi van de andere der orthogonale polarisaties (TM of TE) van een orde verschillend van de eerste geleide modi, welke conversie-middelen zijn opgenomen tussen de inkomende golfgeleider en het divergentie-gebied, en dat de uitgaande kanaalvormige golfgeleiders geschikt zijn voor de eerste en tweede geleide modi van verschillende orde.

2. Demultiplexer volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de inkomende kanaalvormige golfgeleider monomodaal is, dat de conversie-middelen insluiten: een op de inkomende kanaalvormige golfgeleider aangesloten verloopstuk voor een adiabatische overgang van een monomodale inkomende naar een bimodale golfgeleider, en een op het verloopstuk aangesloten voor het genoemde aantal golflengten niet-selectieve modusomzetter voor het omzetten van nul-de orde geleide modi van een eerste van twee polarisaties (TM of TE) naar eerste orde geleide modi van de andere der twee polarisaties (TE of TM), en dat de uitgaande kanaalvormige golfgeleiders bimodaal zijn.

3. Demultiplexer volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de demultiplexer tussen de modusomzetter en het divergentie-gebied een polarisatie-filter omvat voor het wegfilteren van geleide modi van genoemde eerste van de twee polarisaties.