專利名稱：包含空芯波導(dǎo)的整體光發(fā)射與光接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光發(fā)射與光接收裝置，具體涉及供電信系統(tǒng)及其類似系統(tǒng)使用的這類裝置。
供基于電信網(wǎng)絡(luò)的光纖使用的光發(fā)射與光接收系統(tǒng)是公知的。典型的發(fā)射系統(tǒng)包含若干光學(xué)部件(如激光器、光調(diào)制器、波長濾波器等)，所述的若干光學(xué)部件配置成可產(chǎn)生光強調(diào)制激光束用于傳送信息。經(jīng)調(diào)制的激光束耦合進一段光纖并被傳送到遠程的接收系統(tǒng)，所述的接收系統(tǒng)一般包含若干光學(xué)部件，所述的若干光學(xué)部件配置成可提取由經(jīng)調(diào)制的激光攜帶的信息。
以前曾經(jīng)利用被剛性地保持在適當位置的光學(xué)部件使光束在這些光學(xué)部件之間的自由空間內(nèi)耦合，實現(xiàn)了發(fā)射和接收電路。然而，維持這樣的部件所必需的對準可能是困難的，尤其是當裝置遭遇機械振動時。利用短光纖將必需的光學(xué)部件通過光耦合起來也是公知的并且在本領(lǐng)域中更普遍。盡管這種實現(xiàn)手段提供了具有強度增大的電路，但是要使這樣的裝置緊湊是困難的。此外，與各種光纖接口相關(guān)聯(lián)的光損耗可大大降低裝置的性能并且主動將自由空間或光纖耦合部件對準的復(fù)雜度/成本也是很高的。
本發(fā)明的目的是減輕已知發(fā)射和接收系統(tǒng)的至少某些缺點。
按照本發(fā)明的第一方面，發(fā)射裝置包含一個或多個激光器；通過所述的一個或多個激光器中的每一個對輻射輸出進行光強調(diào)制的調(diào)制部件；以及輸出由調(diào)制部件產(chǎn)生的調(diào)制輻射的輸出部件，其特征在于，所述的裝置包含在襯底上形成的空芯光波導(dǎo)，在使用中，所述空芯光波導(dǎo)將輻射從一個或多個激光器引導(dǎo)至調(diào)制部件并從調(diào)制部件引導(dǎo)至輸出部件。
發(fā)射裝置因此被設(shè)置成可用來產(chǎn)生調(diào)制光信號以進一步傳輸，例如，沿著光纖或穿過自由空間的傳輸。與現(xiàn)有技術(shù)的自由空間或光纖耦合系統(tǒng)相比，在襯底上形成的空芯波導(dǎo)內(nèi)的光束引導(dǎo)提供了更緊湊和堅固的光學(xué)裝置。與實芯波導(dǎo)相比，空芯波導(dǎo)還使更高的光功率能夠被傳輸。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的光纖耦合系統(tǒng)相比，光纖端面反射量被減少，從而減少了與裝置相關(guān)聯(lián)的光損耗。
應(yīng)當注意空芯光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成時，其空芯中可能充滿了空氣。然而，這無論如何也不應(yīng)被看成是對本發(fā)明范圍的限制?？招究砂魏瘟黧w(如液體或如氮等的惰性氣體)或者是真空的。術(shù)語“空芯”僅僅意味著芯部缺少任何固體材料。此外，術(shù)語“光”和“光的”在這里被用來指任何波長范圍從深紫外到遠紅外變化的電磁輻射。
其優(yōu)點在于，一個或多個激光器和調(diào)制部件中至少一個是可便利地位于在襯底上形成的對準槽內(nèi)的獨立部件。換句話說，激光器和/或調(diào)制部件的光調(diào)制器是最好位于在襯底上形成的對準槽內(nèi)的混合光學(xué)部件。將對準槽制成適當?shù)男螤钜源私蛹{部件并且因此如必要可以比各種空芯光波導(dǎo)更深/更淺和/或更寬/更窄。彈簧夾或微型夾可用來確保部件位于適當?shù)奈恢谩?br> 此外，還可以足夠的精度制作對準槽以使其容納的光學(xué)部件對準。把光學(xué)部件放進這樣的對準槽將因此自動地校準光學(xué)部件并且不需要部件對準或調(diào)節(jié)步驟。換句話說，本發(fā)明可提供光學(xué)部件的被動對準而不是需要其中部件位置被調(diào)節(jié)(如通過手)直至獲得想要的對準這樣的主動對準。在電子電路制造中使用的傳統(tǒng)的摘嵌(pick and place)技術(shù)及其類似的技術(shù)可用來將光學(xué)部件放進相關(guān)聯(lián)的對準槽。另外，摘嵌技術(shù)可提供必要的對準。例如，在被放置并且接著被固定(如粘合)時部件可被精確對準以此保持準直。表面張力對準技術(shù)(如回流焊接)還可用來對準如激光器等部件。
對準槽和(尤其是)光學(xué)部件的制造可帶有一定尺寸的公差。隨著光學(xué)部件相對于空芯波導(dǎo)的對準角度誤差的增加，光學(xué)部件和相關(guān)聯(lián)的空芯光波導(dǎo)之間的耦合效率將降低。然而，空芯波導(dǎo)截面尺寸的減少將增加可接受的角度對準公差，雖然是以由減少的芯部尺寸和增加的(更緊的)橫向?qū)使钜鸬墓獠▽?dǎo)中輕微增加的損耗為代價。因此，獲得的對某種光學(xué)部件的對準公差的了解(例如，由對光學(xué)部件制造公差的了解而獲得)將使空芯波導(dǎo)的尺寸可被選擇以確保高耦合效率。還可使用這種類型的對準槽容納下述的各種光學(xué)部件(如光隔離器、透鏡、光束組合部件、檢測器、波長濾波器等)。
其便利在于，一個或多個激光器和一個或多個光調(diào)制器中的至少一個是在襯底上形成的整體部件。因此，如果襯底使用適當?shù)牟牧?，則一個或多個激光器和一個或多個光調(diào)制器中任何一方可整體地在襯底內(nèi)/中形成。正如下面關(guān)于蓋部/底部配置所描述的，襯底可包含由在其中可形成整體部件的材料(如GaAs)組成的區(qū)域。也可采用將混合和整體部件組合的方式。
其優(yōu)點在于，輸出部件配置成可將調(diào)制輻射耦合進至少一條輸出光纖。輸出部件最好包含至少一個光纖接合部件，以將光纖光學(xué)且機械地接合到所述裝置。每個光纖接合部件可包含對準槽或V形槽，它們在襯底上形成并配置成可將實芯光纖固定在適當位置上，從而使光輸入/輸出端與所述裝置接通。也可設(shè)置階梯式光纖對準槽用來保持緩沖層和包層。也可設(shè)置彈簧夾或微型夾以確保光纖位于適當?shù)奈恢谩?br> 通過例如在對準槽內(nèi)夾住光纖包層來實現(xiàn)空芯光纖的芯部和所述裝置的空芯波導(dǎo)的對準同樣是有利，因為空氣芯到空氣芯的連接不會有任何不必要的反射。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到空芯光纖的使用可能只對多模波導(dǎo)應(yīng)用是可行的。
為了在光纖的芯部和光路的空芯波導(dǎo)之間提供有效的耦合，空芯波導(dǎo)的截面應(yīng)當適合于光纖芯部的截面。在實芯光纖的場合，泄漏進包層意味著光纖傳送的模寬實際上大于芯部的直徑；例如，通常單模玻璃光纖的10μm實芯具有約14μm直徑的總場寬。
如果光纖的模寬不同于空芯波導(dǎo)，則至少一個光纖接合部件配置成可接納帶透鏡的輸出光纖是有利的。帶透鏡的光纖使光場適當?shù)財U大或縮小，以使光束耦合到芯部尺寸不同于空芯波導(dǎo)的光纖。
至少一個光纖接合部件包含模匹配部件也是有利的。該模匹配部件可包含位于襯底上的、用來根據(jù)需要從光纖端面縮小/擴大光場的分立透鏡(如球形或GRIN棒狀等)。透鏡可帶有減反射涂層。作為備選或另增的方式，該模匹配部件可包含楔形空芯波導(dǎo)部分，從而當其穿過裝置時可擴大或縮小光場。
其便利在于，所述裝置包含一個激光器。單波長調(diào)制的激光輸出接著被耦合進比如單條光纖。所述裝置因此設(shè)置了獨立的單波長發(fā)射模塊。本領(lǐng)域技術(shù)人員會了解這樣的模塊可與其它單波長發(fā)射模塊(可能也是本發(fā)明的)設(shè)在一處，其輸出通過光纖輸送至光束組合器。
其優(yōu)點在于，可設(shè)有多個激光器。一般地，每個激光器將帶有一個相關(guān)聯(lián)的光調(diào)制器，以使獨立的數(shù)據(jù)被各激光器產(chǎn)生的光束傳輸。其便利在于，所述多個激光器中的每一個可具有不同的輸出波長，以使所述裝置可用來生成兩個或多個用于沿單條光纖傳輸?shù)牟ㄩL通道。
還可設(shè)置光束組合部件，這是有利的。該光束組合部件配置成可將多束調(diào)制光束組合成組合光束，其中所述的組合光束耦合進單條輸出光纖。如此，若干個波長通道可沿著單個傳輸光纖傳輸。
其便利在于，所述多束調(diào)制光束中的每一束耦合進多條輸出光纖中的一條。還可設(shè)置獨立的(如與光纖連接的)光束組合部件，以組合由所述裝置的各條獨立輸出光纖傳送的多個單波長通道。
其優(yōu)點在于，所述一個或多個激光器中的一個是半導(dǎo)體激光器并且所述半導(dǎo)體激光器最好是波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器。至少一個波長可調(diào)激光器的使用為所述裝置設(shè)置的波長通道提供了靈活性。對于電信應(yīng)用來說，激光器的波長輸出通常在1.4μm至1.6μm的電信波長范圍內(nèi)。
其優(yōu)點在于，設(shè)有一個或多個檢測器用來監(jiān)測所述的一個或多個激光器的輻射輸出強度。可設(shè)有光抽頭來從空芯光波導(dǎo)中抽取光束并送往檢測器。所述光抽頭可以是分光器或者是在GB2003/000331和GB2003/000370中所描述類型的空心多模干涉(MMI)器，這是有利的。
其便利在于，所述裝置還包含至少一個光隔離器。所述光隔離器的設(shè)置確保了所述裝置內(nèi)的反射不會回授到激光器，在該處反射可被進一步放大。也可使用激光器和光隔離器的組合件。
由某些類型的激光器(尤其是半導(dǎo)體激光器)提供的輸出具有由激光器結(jié)構(gòu)指定的某種波束形狀。因此，設(shè)置一個或多個波束整形部件是有利的。波束整形部件將使波束形狀與可耦合進相關(guān)聯(lián)的空芯光波導(dǎo)的最優(yōu)波束形狀相配。這還可減少所述裝置的光損耗。
其優(yōu)點在于，所述激光波束整形部件中的至少一個包含一個或多個透鏡。例如，可使用柱面透鏡或球形透鏡。波束整形部件中的至少一個可同時或選擇地包含楔形空芯光波導(dǎo)。楔形可以是一維或是兩維的。例如，在矩形截面波導(dǎo)的場合，波導(dǎo)寬度可以逐漸變細而波導(dǎo)深度不變。
還可在所述裝置的各種部件之間設(shè)置若干波束整形部件。例如，半導(dǎo)體激光器可產(chǎn)生3μm×10μm的激光束，該激光束被整形成半徑為4μm的光束以最佳地通過光調(diào)制器。在通過光調(diào)制器后，光束可被再次整形以優(yōu)化進入光纖的耦合效率。
其便利在于，所述的調(diào)制部件包含一個或多個光電調(diào)制器。例如，砷化鎵(GaAs)光電調(diào)制器。可使用若干可選用的調(diào)制器(如鈮酸鋰體調(diào)制器或電吸附調(diào)制器(EMA))。一般地，數(shù)字控制信號被施加于調(diào)制器以使數(shù)字光強調(diào)制(即0或1)被施加于關(guān)聯(lián)激光器的輸出。
按照本發(fā)明的第二方面，發(fā)射裝置包含至少一個能夠產(chǎn)生光強調(diào)制輻射的激光器和用來將激光器產(chǎn)生的輻射耦合進至少一條輸出光纖的輸出部件，其特征在于，所述裝置包含在襯底上形成的空芯光波導(dǎo)，在使用中，所述的空芯光波導(dǎo)將輻射從至少一個激光器引導(dǎo)到至少一條光纖。
發(fā)射裝置設(shè)置成用經(jīng)調(diào)制的激光器產(chǎn)生沿光纖傳輸?shù)慕?jīng)調(diào)制的光信號。與現(xiàn)有技術(shù)的自由空間或光纖耦合系統(tǒng)相比，在襯底上形成的空芯波導(dǎo)內(nèi)的光束引導(dǎo)提供了更緊湊和堅固的光學(xué)裝置。與實芯波導(dǎo)相比，空芯波導(dǎo)還使更高的光功率被傳輸。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的光纖耦合系統(tǒng)相比，光纖端面反射量被減少，從而減少了與所述裝置相關(guān)聯(lián)的光損耗。
輸出部件可包括至少一個光纖接合部件。至少一個光纖接合部件可配置成用來接納帶透鏡的輸出光纖(這是有利的)，并且/或者可包含上述模匹配部件。
按照本發(fā)明的第三方面，接收裝置包含一個或多個檢測器和一個或多個光纖接合部件，一個或多個光纖接合部件配置成可接納一條或多條光纖，其特征在于，通過在襯底上形成的至少一個空芯光波導(dǎo)，輻射從一條或多條光纖被引導(dǎo)至一個或多個檢測器。
接收裝置被設(shè)置成可檢測從光纖接收的光調(diào)制信號并將這樣的信號轉(zhuǎn)換成電模擬信號。與現(xiàn)有技術(shù)的自由空間或光纖耦合系統(tǒng)相比，在襯底上形成的空芯波導(dǎo)內(nèi)的光束引導(dǎo)提供了更緊湊和堅固的光學(xué)裝置。與實芯波導(dǎo)相比，空芯波導(dǎo)還使更高的光功率被接收。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的光纖耦合系統(tǒng)相比，光纖端面反射量減少，從而減少了與所述裝置相關(guān)聯(lián)的光損耗。
光纖接合部件可包括上述的用于發(fā)射裝置的任何光纖接合部件。
其優(yōu)點在于，所述裝置包含能使多重光信號(如不同波長通道)被檢測的多個檢測器。所述裝置可包含配置成可接納多條光纖的多個光纖接合部件；所述多條光纖中的每一條可接著被引導(dǎo)至多個檢測器中的一個。
或者，可便利地設(shè)置一個光纖接合部件，所述的光纖接合部件配置成可接納輸送包含有多個不同波長通道的輻射的一條光纖。所述裝置還可有利地包含波長解復(fù)用部件，所述的波長解復(fù)用部件配置成可分離所述的不同波長通道并將每個波長通道引導(dǎo)至多個檢測器中的一個。換句話說，所述裝置執(zhí)行檢測和解復(fù)用功能。
其優(yōu)點在于，設(shè)有至少一個可變光衰減器并且配置成使得從所述至少一條光纖接收到的輻射的衰減可控。
其便利在于，還設(shè)有至少一個波長選擇濾波器以確保只有所需波長的輻射被引導(dǎo)至檢測器。
其優(yōu)點在于，至少一個光纖接合部件包含模匹配部件；例如，與發(fā)射裝置有關(guān)的上述類型的模匹配部件。至少一個光纖接合部件可便利地配置成可接納帶透鏡的光纖。
按照本發(fā)明的第四方面，所設(shè)置的發(fā)射/接收裝置包含本發(fā)明第一或第二方面的發(fā)射裝置和本發(fā)明第三方面的接收裝置。其優(yōu)點在于，所述的發(fā)射裝置和接收裝置在一共同的襯底上形成，從而形成了集成的發(fā)射/接收裝置。該集成的發(fā)射/接收裝置還可包含解復(fù)用器和/或復(fù)用器。還可設(shè)有旁路空芯波導(dǎo)。
其優(yōu)點在于，所述裝置在包含半導(dǎo)體材料的襯底上形成。采用微制造技術(shù)可便利地蝕刻半導(dǎo)體襯底(如硅)以提供高精度的空芯波導(dǎo)。襯底可有利地包含多層晶片；例如SiGe、絕緣體基硅(SOI)、硅玻璃或硅基砷化鎵。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到微制造技術(shù)通常包括確定圖案的光刻步驟，隨后是將圖案遷移至襯底材料上/內(nèi)的一層或多層的蝕刻步驟。光刻步驟可包括光蝕刻、X射線或電子束光刻。蝕刻步驟可利用離子束加工、化學(xué)蝕刻或等離子干法蝕刻。其優(yōu)點在于，可通過深度反應(yīng)離子蝕刻(還稱為干法深蝕刻或硅深蝕刻)構(gòu)成光路。這種類型的微制造技術(shù)還可與各種層淀積技術(shù)(如濺射、CVD和電鍍)相配合。
盡管可有利地使用包含半導(dǎo)體材料的襯底，所述裝置還可在各種可選用的襯底上形成。例如，可使用石英、硅石或玻璃襯底。其便利在于，本發(fā)明使用的襯底容易使半導(dǎo)體處理技術(shù)得以應(yīng)用。應(yīng)當注意的是盡管半導(dǎo)體處理技術(shù)按其定義被開發(fā)而用于半導(dǎo)體襯底，但是這些技術(shù)也可有利地用于不需要襯底之半導(dǎo)體特性的某些非半導(dǎo)體襯底。
其優(yōu)點在于，所述裝置的空芯光波導(dǎo)具有基本為矩形(這里包括正方形)的截面。正方形或幾乎正方形截面的空芯波導(dǎo)提供了其中的損耗基本上與偏振無關(guān)的波導(dǎo)，在光束的偏振狀態(tài)未知或變化時被優(yōu)選。深度大于寬度的波導(dǎo)尺寸設(shè)定會增加偏振相關(guān)損耗，但是當波導(dǎo)中傳播的光束的偏振狀態(tài)已知時，這可能是有利的。盡管矩形截面波導(dǎo)是適宜的，但是還有許多可選的波導(dǎo)形狀是可供利用的。例如，可設(shè)置圓形的、橢圓形的、菱形的或V型的波導(dǎo)。
其優(yōu)點在于，空芯光波導(dǎo)尺寸設(shè)定成優(yōu)先引導(dǎo)以基模傳播的輻射(即，高次模被波導(dǎo)高度衰減)。另外，空芯光波導(dǎo)還可配置成支持多模傳播，而所述的裝置可配置成使光以只激勵其中基模的方式耦合進波導(dǎo)。對于1.4μm至1.6μm的電信波長范圍內(nèi)的光來說，多?？招竟獠▽?dǎo)的截面尺寸優(yōu)選大于50μm，更優(yōu)選大于100μm，最優(yōu)選大于150μm。
其便利在于，空芯波導(dǎo)的內(nèi)表面帶有反射涂層。反射涂層的材料可以是金屬層(如金、銀或銅)。金屬將在由金屬的物理性質(zhì)所規(guī)定的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出適當?shù)牡驼凵渎?；比如由倫敦E.D.PalikAcademic Press1998年出版的“光學(xué)常數(shù)手冊”(“the handbook ofoptical constants”by E.D.Palik，Academic Press，London，1998)這樣的標準教科書提供了有關(guān)各種材料的波長相關(guān)折射率的精確數(shù)據(jù)。更具體地說，在約500nm至2.2μm的波長范圍內(nèi)，金具有小于空氣的折射率；這包含了1400nm至1600nm的重要電信波段范圍內(nèi)的波長。在560nm至2200nm的波長范圍內(nèi)，銅具有小于1的折射率；而在320nm至2480nm的波長范圍內(nèi)，銀具有相似的折射率。
可利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種技術(shù)進行金屬層的淀積。這些技術(shù)包括濺射、蒸發(fā)、化學(xué)汽相淀積(CVD)以及電鍍或非電鍍覆。CVD和鍍覆技術(shù)使金屬層在無明顯與方向相關(guān)的厚度變化的情形下被淀積。將試樣和/或源旋轉(zhuǎn)的濺射還可提供更平坦的涂層。當允許采用批(即多襯底并行)處理時，鍍覆技術(shù)尤其有利。尤其是，選用非電鍍覆以達到良好的一致性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到可在金屬層淀積之前先淀積黏附層和/或擴散阻擋層。例如，在淀積金之前先提供鉻或鈦金屬層作為黏附層。還可在淀積金之前先在黏附層上淀積擴散阻擋層(如鉑)。或者，也可使用黏附與擴散組合層(如氮化鈦、鈦鎢合金或絕緣層)。
反射涂層還可由包含任何一層或多層的金屬、電介質(zhì)或半導(dǎo)體的疊層(例如電介質(zhì)疊層或金屬-電介質(zhì)疊層)提供。任何多重疊層的反射特性也可在某種程度上依賴于在其上淀積的基層材料的特性。因此，襯底材料也可形成底層，成為任何這種多重疊層中的一部分。
在電介質(zhì)疊層的場合，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到電介質(zhì)層的光學(xué)厚度提供了將確定涂層反射特性的干涉作用。可通過CVD或濺射或反應(yīng)性濺射來淀積電介質(zhì)材料。或者，也可通過與已淀積的金屬層的化學(xué)反應(yīng)來形成電介質(zhì)層。例如，銀金屬層可經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)而生成鹵化銀表面薄層。
如果設(shè)置反射涂層，則可用來形成襯底的材料種類就大大增加。例如，可通過包括熱模壓印浮雕圖案或熱壓鑄的技術(shù)來制作塑料波導(dǎo)裝置。這些技術(shù)包括形成原版(master)。原版可利用深度干法蝕刻在半導(dǎo)體材料(如硅)中形成。另外，原版也可用LIGA或UV LIGA技術(shù)由淀積層構(gòu)成。一旦原版形成，空芯波導(dǎo)就可通過壓印(即壓制)或熱印在塑料襯底內(nèi)形成。原版還可制成適合于構(gòu)成副原版，所述的副原版可用來在塑料襯底內(nèi)形成空芯波導(dǎo)。于是，空芯塑料波導(dǎo)可制成并被涂敷反射涂層。帶有反射涂層的塑料空芯波導(dǎo)還可由塑料或聚合物構(gòu)成。例如，可利用在“自旋涂敷”聚合物涂層(例如Microchem.公司可提供的SU8)上進行光刻來形成空芯波導(dǎo)。
其便利在于，襯底包含底部和蓋部。換句話說，兩片材料可結(jié)合而形成所述裝置的空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。制成底部的材料可以不同于蓋部。這將使比如空芯波導(dǎo)和某些光學(xué)部件在底部(如由硅制成的)形成，而某些電子的和/或光電部件(光電二極管或激光器等)在GaAs蓋部形成?；蛘撸泄鈱W(xué)部件和通道可在底部形成，而由基本平坦的材料片形成蓋部；在裝配期間，這種布置將不需要任何蓋部/底部對準步驟。這種布置為生產(chǎn)必要的空芯波導(dǎo)提供了便利的方法，在PCT專利申請GB2003/000331中對此作了詳細描述。
現(xiàn)在，僅通過舉例的方式并參考下列附圖對本發(fā)明進行描述，其中

圖1表示本發(fā)明的空芯波導(dǎo)發(fā)射模塊，圖2表示本發(fā)明的空芯波導(dǎo)接收模塊，圖3表示在多波長光通信系統(tǒng)中使用的若干發(fā)射模塊和接收模塊，以及圖4說明如何將這樣的裝置用作多波長光通信網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點。
參看圖1，可看到本發(fā)明的發(fā)射模塊2包含多個光學(xué)部件；即半導(dǎo)體激光源4、第一檢測器6、光隔離器8、GaAs光電調(diào)制器10、分光器12、第二檢測器14和球形透鏡16。光學(xué)部件被固定在于硅襯底18的底部形成的對準槽內(nèi)?？招竟獠▽?dǎo)20也在襯底18的底部形成，并配置成通過光來鏈接各種光學(xué)部件。
在使用中，激光源4生成的光束經(jīng)由空芯光波導(dǎo)耦合進第一檢測器6，并且還耦合進光隔離器8。穿過光隔離器8和兩個球形透鏡16之后，光束被GaAs光電調(diào)制器10調(diào)制。少量經(jīng)調(diào)制的光經(jīng)由分光器12被發(fā)送至第二檢測器14，而剩余的經(jīng)調(diào)制的光被耦合進帶透鏡的光纖22。第一檢測器6使原始的激光輸出功率可被監(jiān)測，而第二檢測器14設(shè)置成可監(jiān)測經(jīng)調(diào)制的激光束的強度。
圖2示出的是本發(fā)明的接收模塊30。接收模塊30包含若干光學(xué)部件，即檢測器32和濾波器34。所述光學(xué)部件被固定在于硅襯底38的底部形成的對準槽內(nèi)，并且空芯光波導(dǎo)40通過光來鏈接各種光學(xué)部件。
在使用中，來自帶透鏡的輸入光纖42的經(jīng)調(diào)制的光被耦合進空芯光波導(dǎo)40并被引導(dǎo)至檢測器32，在該處光束攜帶的經(jīng)調(diào)制的信號被轉(zhuǎn)換成電信號。
發(fā)射和接收模塊的空芯光波導(dǎo)用襯底形成，所述的襯底具有底部和蓋部；例如，圖2中接收器的剖面圖所示的底部38a和蓋部38b。一般地，在底部設(shè)有對準槽以此接納光路的各種獨立光學(xué)部件?？梢宰銐虻木仍O(shè)置對準槽以在將光學(xué)部件放進各自對應(yīng)的槽中時光學(xué)部件能夠自校準。這種被動對準確保了在部件連接之前無需主動對準步驟即可使光學(xué)部件相對于襯底的空芯波導(dǎo)被對準。本領(lǐng)域技術(shù)人員會了解某些光學(xué)結(jié)構(gòu)可與襯底整體地形式。
為了完全確定空芯波導(dǎo)，蓋部可僅包含被連接(如使用環(huán)氧樹脂層粘合的)到底部的基本平坦的材料片。另外，光學(xué)部件或結(jié)構(gòu)(如與底部光學(xué)部件對應(yīng)的空腔)可在蓋部形成或附著在蓋部上。蓋部也可由不同于底部的材料制成。例如，底部可由硅制成，而蓋部由GaAs制成。這將使對準槽在硅底部形成，而控制電子部件和/或光電部件(如光電二極管、激光器等)在GaAs蓋部形成。
使用多段空芯光波導(dǎo)耦合各種光學(xué)部件，減少了與光纖耦和系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的光損耗并且去掉了與自由空間系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的色散效應(yīng)。此外，在共同的襯底上形成空芯光波導(dǎo)和對準槽使得光學(xué)部件與空芯光波導(dǎo)可精確對準，從而使光學(xué)效率達到最大。
參看圖3，示出的是如何利用圖1所示類型的多個發(fā)射模塊2a-2d和圖2所示類型的多個接收模塊30a-30d來實現(xiàn)多波長光通信網(wǎng)絡(luò)。該通信網(wǎng)絡(luò)包含發(fā)射部分50和接收部分52。
發(fā)射部分50包含配置成可產(chǎn)生波長為λ1的輻射的第一發(fā)射模塊2a、配置成可產(chǎn)生波長為λ2的輻射的第二發(fā)射模塊2b、配置成可產(chǎn)生波長為λ3的輻射的第三發(fā)射模塊2c以及配置成可產(chǎn)生波長為λ4的輻射的第四發(fā)射模塊2d。對每束光的強度進行調(diào)制以此可傳送信息。
四束光強調(diào)制光束(λ1至λ4)從它們各自對應(yīng)的發(fā)射模塊經(jīng)過短光纖段54a-54d傳送至復(fù)用器56。該復(fù)用器56配置成可將光束組合并將其耦合進單條傳輸光纖58。該傳輸光纖58可長達若干公里，并且如果需要可沿該光纖長度的多個點處設(shè)置一個或多個放大節(jié)點(如摻鉺放大器)(圖中未示出)。在代理人的索引號為QIP/P7294的同時待審的GB專利申請中對一種適當?shù)目招綞DFA作了描述。
接收部分52包含解一個復(fù)用器60，該解復(fù)用器60接收來自傳輸光纖58的組合(λ1至λ4)光束并分離出四個波長分量。短光纖段62a-62d用來將波長為λ1的輻射耦合進第一接收模塊30a、將波長為λ2的輻射耦合進第二接收模塊30b、將波長為λ3的輻射耦合進第三接收模塊30c并將波長為λ4的輻射耦合進第四接收模塊30d。每個接收模塊將經(jīng)光強調(diào)制的信號轉(zhuǎn)換成電信號。
發(fā)射部分和接收部分各用硅襯底制成；一般地，所述襯底包含底部(在底部形成光學(xué)部件和波導(dǎo)通道的對準槽)和蓋部。與現(xiàn)有技術(shù)的、包含若干獨立封裝并通過多段光纖鏈接的部件(如激光器、光隔離器、調(diào)制器等)的系統(tǒng)相比，這種配置使每一部分都明顯減小。與現(xiàn)有技術(shù)的光纖耦合系統(tǒng)相比，本發(fā)明的發(fā)射器和接收器的制作比較簡單，并且利用自動“摘嵌”制造技術(shù)就可實現(xiàn)。
盡管圖3表示的是同獨立的發(fā)射/接收模塊一起使用的獨立的光纖耦合的復(fù)用/解復(fù)用部件，但是也可在形成相關(guān)聯(lián)的發(fā)射或接收模塊的相同襯底上形成/設(shè)置這樣的部件。在待批的GB專利申請0306634.7中對可利用空芯光波導(dǎo)實現(xiàn)的復(fù)用器和解復(fù)用器作了詳細描述。在這樣的配置中，可用在襯底上形成的空芯光波導(dǎo)代替光纖54和62。這種配置還減少了所述系統(tǒng)的光損耗。
盡管上面描述的是四波長系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員當會了解根據(jù)需要可使用更少或更多數(shù)量的波長通道。此外，盡管圖3所示系統(tǒng)被配置成單向傳輸數(shù)據(jù)，但是實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)發(fā)送/接收系統(tǒng)也是可能的。例如，組合的發(fā)射/接收部分可包含圖1所示類型的一個或多個發(fā)射模塊以及圖2所示類型的一個或多個接收模塊。
參看圖4，示出的組合的發(fā)射/接收裝置70設(shè)在沿著配置成可傳送比如10個不同波長(λ1至λ10)的信號波束的多波長光纖傳輸線72的一點處。一個分接解復(fù)用器(drop demultiplexer)74配置成可將10個信號波束中的多達3個引導(dǎo)至發(fā)射/接收裝置70，并且插接復(fù)用器(add multiplexer)76配置成可將3個波束加起來并引導(dǎo)至光纖傳輸線。
所述發(fā)射/接收裝置包含接收級78和發(fā)射級80。接收級78包含圖2所描述類型的3個接收模塊30a-30c，發(fā)射級80包含圖1所描述類型的3個發(fā)射模塊2a-2c。接收級和發(fā)射級在共同的襯底82上形成，從而與可能使用多個光纖耦合部件相比可提供更緊湊的配置。
在使用中，所述分接解復(fù)用器從光纖傳輸線72分離出多達3個波長通道(比如λ1、λ3和λ4)并經(jīng)由光纖73a-73c將每個波長引導(dǎo)至相關(guān)聯(lián)的接收模塊30a-30c。在此例中，波長λ1被引導(dǎo)至第一接收模塊30a、波長λ3被引導(dǎo)至第二接收模塊30b、波長λ4被引導(dǎo)至第三接收模塊30c。
每個接收模塊30a-30c提取經(jīng)調(diào)制光束中攜帶的信息并輸出攜帶該信息的電信號(E1、E3和E4)。一般地，這樣的信息將包含數(shù)字編碼數(shù)據(jù)。發(fā)射模塊2a-2c各配置成可接收數(shù)字編碼電信號(E1′、E3′和E4′)形式的數(shù)據(jù)，并將電信號轉(zhuǎn)換成經(jīng)光強調(diào)制的光束λ1′、λ3′和λ4′。這些光束接著經(jīng)由光纖78a-78c通過插接復(fù)用器76而光耦合進傳輸光纖傳輸線72。
這樣，能夠從光纖傳輸線72中分離出作為波長λ1、λ3和λ4傳送的數(shù)據(jù)并插入攜帶不同數(shù)據(jù)的光束λ1′、λ3′和λ4′。光束λ2和λ5-10全部繞過發(fā)射/接收裝置70。
新生成的光束λ1′、λ3′和λ4′必須是和被抽取的光束λ1、λ3和λ4的波長相同，或者配置成不是已用來將數(shù)據(jù)傳過光纖的波長。換句話說，任何回授進光纖傳輸線的光束必須和已經(jīng)傳過(且未被抽取的)光纖的任何光束的波長不同。因此，如果在發(fā)射模塊中激光的波長是固定的，則只能使用該模塊使光束加到傳輸光纖，其條件是相應(yīng)波長的光束已從光纖中抽出或未在第一位置穿過光纖。如果需要的話，可用可調(diào)激光來構(gòu)成發(fā)射級80的發(fā)射模塊中的一個或多個，以使發(fā)射模塊能輸出若干不同波長中的任何一個。這增加了裝置的靈活性。
還應(yīng)注意分接解復(fù)用器74、插接復(fù)用器76和發(fā)射/接收裝置70全都可以在共同的襯底上形成。例如，可使用光學(xué)插/分復(fù)用器(OADM)或者可重配置的光學(xué)插/分復(fù)用器(ROADM)。在這樣的配置中，空芯光波導(dǎo)可在襯底上形成，以代替光纖73和78并將旁路光束從分接解復(fù)用器傳送到插接復(fù)用器。這進一步減少了光損耗并增加了布置的緊湊性。
所述裝置也可將尺寸設(shè)定得可利用與多模波導(dǎo)同時存在的所謂“再次成像”現(xiàn)象。光學(xué)部件之間的長度可選擇成為空芯光波導(dǎo)的再次成像長度(或其倍數(shù))，以使得(對于已知截面尺寸的多模波導(dǎo)而言)輸入光束輪廓的圖像在部件附近重現(xiàn)。
其它文獻中有對再次成像效應(yīng)的詳細描述，例如，PCT專利申請GB2003/000331。簡而言之，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過將波導(dǎo)的長度設(shè)計得與其寬度和深度具有適當?shù)年P(guān)系，多模波導(dǎo)(具體地說是具有矩形截面的波導(dǎo))就可設(shè)計成造成給定波長的對稱、反對稱或非對稱光場的再次成像。換句話說，輸入光束的高斯輸入輪廓在沿已知波導(dǎo)傳播一定距離之后被再次成像(即重現(xiàn))。這種效果還產(chǎn)生了光束復(fù)制(beam replication)，即在比再次成像的長度短的距離上形成光束的多重圖像。這些效應(yīng)在US5410625中有過描述，它提供了多模干涉(MMI)光分離器的基礎(chǔ)。
作為一例，考慮正方形截面波導(dǎo)中的對稱場。正方形截面波導(dǎo)中的對稱場的再次成像長度由“波導(dǎo)寬度的平方除以傳播輻射的波長”給出。對稱場的再次成像在再次成像長度和再次成像長度的若干倍處發(fā)生。因此對于50.0μm寬的空芯波導(dǎo)和1.55μm的輻射，再次成像長度為1.613mm。對稱場在這個長度上并且在這個長度的整數(shù)倍處(即3.23mm、4.84mm等)再次成像。例如，來自單模光纖的TEM00高斯輸入光束在1.613mm的距離處再次成像。
或者，對于非對稱場的情形，再次成像發(fā)生在8倍于對稱場再次成像所需的長度處(即對于50μm寬的空芯波導(dǎo)為12.09mm)。非對稱視場的鏡像在該長度的一半處(即6.05mm)形成。更具體地說，將輸入偏離多模區(qū)中心線可提供這樣的非對稱輸入，該輸入沿波導(dǎo)在中心線兩側(cè)以相等的偏移量在預(yù)定距離處再次成像。
在波導(dǎo)的深度和寬度基本上不同的矩形波導(dǎo)的場合，與兩個波導(dǎo)截面尺寸(如深度和寬度)相關(guān)聯(lián)的再次成像長度本身是不同的。然而，通過將矩形空芯波導(dǎo)尺寸之間的關(guān)系配置成使得對于特定寬度和深度在同一長度處產(chǎn)生再次成像，任何視場可被再次成像。因此，通過將與寬度w1和w2的軸線相關(guān)聯(lián)的再次成像長度配置成相同，對稱場可在空芯矩形波導(dǎo)內(nèi)被再次成像。也可使用楔形光波導(dǎo)來讓光束擴大和縮小。
再次成像的實現(xiàn)具有下列優(yōu)點為了在空芯波導(dǎo)和相關(guān)聯(lián)的光纖之間耦合光束，不需要對準部件(如透鏡)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射裝置，包含一個或多個激光器、通過所述一個或多個激光器中的每一個對輻射輸出進行光強調(diào)制的調(diào)制部件以及用于輸出由所述調(diào)制部件產(chǎn)生的經(jīng)調(diào)制輻射的輸出部件，其特征在于，所述裝置包含在襯底上形成的空芯光波導(dǎo)，在使用中，所述空芯光波導(dǎo)將輻射從所述一個或多個激光器引導(dǎo)至所述調(diào)制部件，并從所述調(diào)制部件引導(dǎo)至所述輸出部件。
2.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述一個或多個激光器和所述調(diào)制部件中至少一方為獨立部件。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述獨立部件位于在所述襯底上形成的對準槽內(nèi)。
4.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述一個或多個激光器和所述調(diào)制部件中至少一方是在所述襯底內(nèi)形成的整體部件。
5.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述輸出部件配置成可使所述經(jīng)調(diào)制輻射耦合進至少一條輸出光纖。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述輸出部件包含至少一個光纖接合部件。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件配置成可接納帶透鏡的輸出光纖。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件包含模匹配部件。
9.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，所述裝置包含一個激光器。
10.如前面權(quán)利要求1至8中任一項所述的裝置，所述裝置包含多個激光器。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述多個激光器中的每一個具有不同的輸出波長。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，另外設(shè)有光束組合部件，以使多束經(jīng)調(diào)制光束組合成組合光束，其中所述輸出部件配置成可使所述組合光束耦合進單條輸出光纖。
13.如前面權(quán)利要求10至11中任一項所述的裝置，其中，所述輸出部件配置成可使所述多束調(diào)制光束中的每一束耦合進多條輸出光纖中的一條。
14.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述一個或多個激光器中的一個為半導(dǎo)體激光器。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述半導(dǎo)體激光器是波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器。
16.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，設(shè)有一個或多個檢測器來監(jiān)測所述一個或多個激光器的輻射輸出強度。
17.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，所述裝置還包含至少一個光隔離器。
18.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中設(shè)有一個或多個波束整形部件。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述波束整形裝置中的至少一個包含一個或多個透鏡。
20.如前面權(quán)利要求18至19中的任一項所述的裝置，其中，所述波束整形裝置中的至少一個包含楔形空芯光波導(dǎo)。
21.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述調(diào)制部件包含一個或多個光電調(diào)制器。
22.一種發(fā)射裝置，包含能夠產(chǎn)生經(jīng)光強調(diào)制的輻射的至少一個激光器和用以使所述激光器產(chǎn)生的輻射耦合進至少一個輸出光纖的輸出部件，其特征在于，所述裝置包含在襯底上形成的空芯光波導(dǎo)，在使用中，所述空芯光波導(dǎo)將輻射從所述至少一個激光器引導(dǎo)至所述至少一條光纖。
23.一種接收裝置，包含一個或多個檢測器和一個或多個光纖接合部件，所述一個或多個光纖接合部件配置成可接納一條或多條光纖，其特征在于，通過在襯底上形成的至少一個空芯光波導(dǎo)，輻射從所述一條或多條光纖引導(dǎo)至所述一個或多個檢測器。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，所述裝置包含多個檢測器。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中，設(shè)有多個光纖接合部件用來接納多條光纖。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，在使用中，來自所述多條光纖中的每一條的輻射被引導(dǎo)至所述多個檢測器中的一個。
27.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中，設(shè)有一個光纖接合部件，所述光纖接合部件配置成可接納一條傳送包含多個不同波長通道的輻射的光纖。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，還包含波長解復(fù)用部件，所述波長解復(fù)用部件配置成可分離所述的不同波長通道并將各波長通道引導(dǎo)至所述多個檢測器中的一個。
29.如前面權(quán)利要求23至28中任一項所述的裝置，還包含至少一個可變光衰減器，它配置成可提供對從所述至少一條光纖接收的輻射的可控衰減。
30.如前面權(quán)利要求23至29中任一項所述的裝置，還包含至少一個波長選擇濾波器。
31.如前面權(quán)利要求23至30中任一項所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件包含一個模匹配部件。
32.如前面權(quán)利要求23至31中任一項所述的裝置，其中，至少一個光纖接合部件配置成可接納一個帶透鏡的光纖。
33.一種發(fā)射/接收裝置，包含如權(quán)利要求1至22中任一項所述的發(fā)射裝置和如權(quán)利要求23至32中任一項所述的接收裝置。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述發(fā)射裝置和所述接收裝置在共同的襯底上形成。
35.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述襯底包含半導(dǎo)體材料。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中，所述襯底包括絕緣體基硅(SOI)晶片。
37.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，所述裝置通過微制造技術(shù)制成。
38.如權(quán)利要求37所述的裝置，其中，所述微制造技術(shù)包含深度反應(yīng)性離子蝕刻。
39.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述空芯光波導(dǎo)基本上為矩形截面。
40.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述空芯光波導(dǎo)的尺寸設(shè)定成優(yōu)先引導(dǎo)以基模傳播的輻射。
41.如前面權(quán)利要求1至39中任一項所述的裝置，其中，所述空芯光波導(dǎo)的尺寸設(shè)定為優(yōu)先引導(dǎo)以多模傳播的輻射。
42.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述空芯光波導(dǎo)的內(nèi)表面有反射涂層。
43.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述襯底包含底部和蓋部。
44.一種基本上如本說明書中參照圖1和圖3描述的發(fā)射模塊。
45.一種基本上如本說明書中參照圖2和圖3描述的接收模塊。
46.一種基本上如本說明書中參照圖4描述的發(fā)射/接收模塊。
全文摘要
所描述的發(fā)射裝置(2)包含一個或多個激光器(4)、通過所述一個或多個激光器(4)的每一個對輻射輸出進行光強調(diào)制的調(diào)制部件(10)以及用于輸出由調(diào)制部件產(chǎn)生的經(jīng)調(diào)制輻射并使之進入比如光纖(22)的輸出部件。所述裝置包含在襯底(8)上形成的空芯光波導(dǎo)(20)，在使用中，空芯光波導(dǎo)(20)將輻射從一個或多個激光器(4)引導(dǎo)至調(diào)制部件(10)并從調(diào)制部件(10)引導(dǎo)至輸出部件。所描述的關(guān)聯(lián)接收裝置(30)包含一個或多個檢測器(32)和一個或多個光纖接合部件，所述一個或多個光纖接合部件配置成可接納一條或多條光纖(42)。所述接收器的特征在于，通過在襯底上形成的至少一個空芯光波導(dǎo)(40)，輻射從所述一條或多條光纖(42)被引導(dǎo)至所述一個或多個檢測器(32)。還示出了組合的接收/發(fā)射裝置(70)。
文檔編號G02B6/12GK1860392SQ200480027987
公開日2006年11月8日 申請日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者M·E·麥尼, R·M·詹金斯, J·麥奎蘭 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司