[发明专利]具有可变传播常数的波长多路复用器/多路分用器

说明书

                              技术领域

本发明涉及包括多路复用器和多路分用器的光通讯系统。多路复用器和多路分用器根据光信号波长确定其路由。

背景

在各根光纤中传输的不同波长的光信号可以用一个波长多路复用器将其送至单根光纤中，然后用一个波长分用器将其重新送至各根光纤中。通常，多路复用和多路分用操作中使用的器件必须是可逆的，因此，同一器件在一个传输方向上起多路复用器的功能而在相反的传输方向上则起多路分用器的功能。

在多路复用和多路分用器件中，执行两个主要功能，即色散和会聚。色散功能是从空间上把不同波长的信号(被称为信道)区分开来，而会聚功能是根据信号的色散在输入与输出波导之间传送信号。

通常，同一光学元件可执行两种功能。例如，有些多路复用和分用器件采用反射衍射光栅既对信号进行色散又对信号进行会聚。衍射是色散的机理，而光栅曲率提供会聚。其它被称作“相量器”的这种器件使输入和输出波导与多个长度渐变的中央波导互连。波导长度的渐变产生随波长变化的相位波前倾斜。有角度排列的中央波导提供会聚。

另一方面，可以采用分立的透镜或反射镜来提供会聚功能。缓解这一辅助要求，可以简化色散元件。例如，可以采用平面衍射光栅替代曲面衍射光栅，或者可以采用平行的中央波导替代有角度排列的中央波导。

由于设计准则变得更严格，例如需要损耗最小的更密集的信道、更低的成本和更小的尺寸，当前的多路复用器和多路分用器的设计变得越来越困难、制造代价越来越高。高精确度的衍射光栅价格尤其昂贵，相量器所需的刻蚀工作量尤其费时间。

通常，为了避免在波导传播特性中会产生不希望有的变化的材料组分偏差和其它尺寸偏差，必须要十分仔细。例如，Dragone的第5450511号美国专利表明，传播常数的变化会引起多路复用和多路分用器件所传输的光信号的相位误差，导致信道之间的串话增大，降低器件的效率。

发明概要

与必须避免传播常数变化的主张不同，本发明利用传播常数的逐渐变化提供波长多路复用器和多路分用器中的色散功能。这种实现波长色散的新机理可以被用于减小物理尺寸和简化这些器件的制备。

本发明的一个实施例包括通过色散和会聚元件使输入和输出光路径相互连的有用特征。作为一个多路分用器，输入光路径传输由波长区分的多个信道，输出光路径分别传输各信道。色散元件是一个中央光路径，它从输入光路径接收多个信道作为多个平行波前，并把多个平行波前转变成多个相对倾斜的波前。会聚元件沿不同的输出光路径引导这些相对倾斜的波前。然而，本发明不是用衍射或可变长度的波导使波前相对倾斜，而是对于以横穿波前通过中央波导传播方向的方向通过中央波导的给定波长，本发明的中央路径显示不同的传播常数。

可以用各种方法改变传播常数。这些方法包括改变中央波导的芯尺寸，以及改变芯和包层的折射率值。芯的折射率分布也表示在非阶跃折射率分布的传播常数中。例如，对芯尺寸或峰值折射率的给定变化，可以把折射率分布选择为增大传播常数的变化率。

中央路径可以或是由多个分立波导(或光纤)或是由一个公共波导组成。二者都包括由包层环绕的芯部分。分立波导的芯部分可以改变其宽度、厚度和截面形状，公共波导的芯部分可以改变其厚度。还可以改变外包层的厚度。可以利用掺杂或其它材料变化改变各个波导之间或公共波导上的芯和包层的折射率值。

较佳地，反射光学元件位于中央路径的一端，提供一个更紧凑的设计。通过中央路径的后向反射，在中央路径的同一空间中使不同波长的相对倾斜的波前进一步相对倾斜。输入和输出路径是相互相邻的。会聚元件较佳地执行准直功能，沿平行光路径引导波前的不同部分。使波前沿平行光路径后向反射的反射光学元件是平面，中央路径的各个波导是相互平行的。然而，由于在传播方向上光保持准直，平行路径也能够通过公共波导延伸，没有任何横向分散。

光路径和色散与会聚元件较佳地是作为平面光学系统中的集成光电路而形成的。元件相对简单的设计允许采用诸如“复画”的制备技术，这里，通过拉伸平面基板控制厚度，能够获得更精确的容限。然而，本发明也能够以散装光学元件或平面与散装光学元件组合实现。

附图

图1是平面形式的新型多路分用光学元件的平面图，具有多个色散不同波长信号的平行波导。

图2是表明相位波前向两个不同波长倾斜的图，波长通过光学元件中央通路测得。

图3是表明叠加在波导截面上的折射率分布的图。