專利名稱：基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種奇偶數(shù)信號分離器，特別是一種主要可用在波分復用技術中將奇偶數(shù)信號信道分離(interleaver)以及還可用于一切需要平坦化光譜透射率函數(shù)的濾波器。
背景技術：
-隨著密集波分復用技術的迅速發(fā)展，信號頻率間隔愈來愈小，需要采用更窄頻 率間隔的波分復用器件來擴容，這也就對復用/解復用器提出了更高的光譜分辨要求。 而原有的技術很成熟的復用/解復用器，如介質薄膜濾波器對50GHz及更小頻率間隔 的信道信號很難繼續(xù)使用。奇偶數(shù)波分復用信號分離器(以下簡稱奇偶分離器)能將 一組波分復用信號分離成為信號間隔倍增的一組奇數(shù)系列和偶數(shù)系列兩個信道，這樣 就降低了波分復用解復用器對波長間隔要求的負擔，提高了系統(tǒng)傳輸容量，因此奇偶 分離器是一種重要的光通信核心器件。為了有效分離奇偶數(shù)信號，實現(xiàn)低通道間串擾， 奇偶分離器必須具備平坦而高對比度的通帶和阻帶的光譜透過特性。此外，隨著系統(tǒng) 傳輸速率的不斷提高，奇偶分離器還必須具有低的色散特性。在先技術[l](參見光通信技術，馮德軍等，2000， (1)， 29-32)描述的是一種全 光纖馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉儀型結構的波分復用系統(tǒng)器件。該在先技術同 樣可以用作奇偶數(shù)信號分離器，此時要求第一個光纖耦合器的分束比為1:1，通過控 制兩干涉臂的長度差及第二個光纖耦合器的分束比可使輸出兩端口分別得到奇數(shù)波 長組信號光和偶數(shù)波長組信號光。但該在先技術對兩臂光程差和第二個耦合器分束比 的要求較高，而現(xiàn)有的耦合器拉制工藝對第二個耦合器分束比較難控制。此外，該在 先技術對溫度、偏振等較為敏感，該類器件同時還應解決此類問題帶來的影響。在先技術[2](參見Qot. 6b腳".，C. W. Lee， R. Wang, R. Yehetal, ， 2006， 260， 311-317)描述的是一種環(huán)形腔結構的雙折射奇偶數(shù)信號分離器。其采用的環(huán)形 腔結構由一個棱鏡和兩個反射鏡構成，S和P偏振態(tài)的兩光束在該環(huán)形腔界面反射率 不同，從而產生不同的位相平移用于得到平坦化的光譜透射率。該結構的最大特點是 其環(huán)形腔結構中避兔了使用傳統(tǒng)環(huán)形腔結構中的高精確度要求的鍍膜工藝。但該結構 的奇偶數(shù)信號分離器具有高的色散特性，不利于在高速率的傳輸系統(tǒng)中使用。在先技術[3](參見Opt. Lett., K. 0kamoto and H. Yamada， 20(1), 1995, 43-45) 中所描述的是一種利用陣列波導光柵(英文簡稱AWG)來產生平坦化的光譜響應函數(shù)。 它的設計原理基于離散傅立葉變換，通過模擬光束傳播，實現(xiàn)了 100GHz信道間隔的 大于57.2Ghz的平坦光譜區(qū)域?？蓪崿F(xiàn)波分復用技術中的復用/解復用功能，插分復 用功能和波長路由等功能。但該在先技術存在插入損耗較大，偏振相關損耗高，溫度 穩(wěn)定性不好等缺點，實際應用中必須采用其它方法和設備消除偏振和溫度等的影響， 從而限制了它的應用。在先技術[4](參見6b歷M/. ， X. Ye， M. Zhang and P. Ye, 2006, 257, 255-260)描述的是一種環(huán)形腔結構的級聯(lián)M-Z干涉儀型的奇偶數(shù)信號分離器。其采 用的環(huán)形腔結構由光束分束器和反射鏡構成，兩個具有不分束器分束比的環(huán)形腔分別 置于M-Z干涉儀的兩臂中用于光束的位相調制從而產生高平坦特性及隔離度的光譜 透射率函數(shù)。再在兩個輸出端采用額外的環(huán)形腔用于色散補償以改善整個器件的色散 特性。該結構的奇偶數(shù)信號分離器雖然色散特性得以改善，但其每個環(huán)形腔中均含有 光束分束器，這就不可避免的仍要使用高精確度要求的薄膜工藝，因而不利用實際應 用。實用新型內容本實用新型的目的在于克服上述在先技術的困難，提供一種基于級聯(lián)環(huán)形腔對 結構的奇偶數(shù)信號分離器，該分離器具有結構簡單、工藝可靠、成本低、性能好、可 靠性高的特點。為達到上述目的，本實用新型的構思是采用2個環(huán)形腔對結構級聯(lián)，每個環(huán)形 腔對的兩個棱鏡界面鍍有半透半反薄膜，分別對光束分束和合束，環(huán)形腔起到對光束 進行位相調制的作用，控制第一級環(huán)形腔對中兩棱鏡的折射率可得到大的平頂通帶 (或阻帶)寬度及高的信道隔離度，從而形成奇偶數(shù)信號可靠的分離；采用第二級環(huán) 形腔對用于色散補償以提高色散特性。根據(jù)上述的實用新型構思，本實用新型的具體技術解決方案如下 一種基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器，包括一個輸入光纖、 一個第 一輸出光纖和一個第二輸出光纖；其特征在于沿所述的輸入光纖輸出光束前進的方 向依次設有一個準直透鏡、 一個偏振分束器、 一個輸入半波片和一個級聯(lián)環(huán)形腔對； 沿級聯(lián)環(huán)形腔對輸出水平光束前進方向依次設有一個第一輸出半波片、一個第一偏振 合束器、 一個第一聚焦透鏡及位于該第一聚焦透鏡焦點的所述的第一輸出光纖；沿級
聯(lián)環(huán)形腔對輸出垂直光束前進方向依次設有一個第二輸出半波片、 一個第二偏振合束 器、 一個第二聚焦透鏡及位于該第二聚焦透鏡焦點的所述的第二輸出光纖。級聯(lián)環(huán)形腔對是由兩個相同結構的環(huán)形腔對級聯(lián)而構成，其中每個環(huán)形腔對中的 兩個環(huán)形腔結構相同，每個環(huán)形腔均由一棱鏡和兩個反射鏡組成，兩個反射鏡與棱鏡 對稱放置，即棱鏡與兩反射鏡所成的角度相等。每個環(huán)形腔對中的兩棱鏡結構相同、 大小相等，棱鏡的平面結構均為一五邊形，是將底角等于45°的等腰梯形的在一底角切 掉了一個斜邊為該梯形下底一部分的等腰直角三角形的五邊形；此外，每個環(huán)形腔對 中的兩棱鏡交面鍍有半透半反薄膜。每個環(huán)形腔對中的棱鏡采用各向同性材料或者有不同折射率的玻璃。偏振分束器 和第一、第二偏振合束器采用雙折射晶體。 本實用新型的技術效果-本實用新型采用分立的光學元件組裝技術，避免了使用先在技術[l]中的光纖耦 合技術及先在技術[3]中的陣列波導光柵技術，減小了偏振、溫度等問題的影響；所 采用的環(huán)形腔結構中避免了使用高精確度要求的鍍膜工藝，優(yōu)于在先技術[4];該結 構還采用第二級額外的環(huán)形腔用于色散補償，因而色散特性優(yōu)于在先技術[2]。綜上， 本實用新型的奇偶數(shù)信號分離器具有設備簡單、工藝可靠、生產成本低和性能優(yōu)異、 可靠性高等優(yōu)點。本實用新型主要用在波分復用通信系統(tǒng)中用于波分復用信號的奇偶 信號兩信道分離和一切需要平坦化光譜透射率函數(shù)的濾波器。


圖1為本實用新型奇偶數(shù)信號分離器的結構示意圖。 圖2為光在圖1的級聯(lián)環(huán)形腔對5中傳播的光路圖。圖3為級聯(lián)環(huán)形腔對5中的環(huán)形腔的結構示意圖，其中J為光在環(huán)形腔中的光 程長。圖4為本實用新型25GHz奇偶數(shù)信號分離器的信道隔離度曲線圖。 圖5為本實用新型25GHz奇偶數(shù)信號分離器的0. 5dB處的通帶寬度曲線圖。 圖6為本實用新型25GHz奇偶數(shù)信號分離器的30dB處的阻帶寬度曲線圖。 圖7為本實用新型25GHz奇偶數(shù)信號分離器的色散補償器及進行色散補償前和 補償后的色散特性曲線圖。
具體實施方式
本實用新型的一個優(yōu)選實施例結合附圖詳述如下-參見圖l，本基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器包括輸入光纖l，發(fā)射 光束前進的方向上依次置有準直透鏡2，偏振分束器3，隨后為輸入半波片4，級聯(lián) 環(huán)形腔對5置于輸入半波片4之后，接著沿該光路水平方向依次設有第一輸出半波片 6和第一偏振和束器7，沿該光路的垂直方向依次設有第二輸出半波片10和第二偏振 和束器11，從第一偏振和束器7端面輸出的光束連有第一聚焦透鏡8和置于第一聚 焦透鏡8焦點上的第一輸出光纖9，從第二偏振和束器11端面輸出的光束連有第二 聚焦透鏡12和置于第二聚焦透鏡12焦點上的第二輸出光纖13。級聯(lián)環(huán)形腔對5依次由兩個相同結構的環(huán)形腔對14、 15級聯(lián)而成，如圖2所示， 其中每個環(huán)形腔對14、 15中的兩個環(huán)形腔結構相同，每個環(huán)形腔均由一棱鏡16和兩 個反射鏡L7、 18組成，兩個反射鏡17、 18與棱鏡16對稱放置，即棱鏡16與兩反射 鏡17、 18所成的角度相等。每個環(huán)形腔對14、 15中的兩棱鏡16結構相同、大小相 等，棱鏡16的平面結構均為一五邊形，是將底角等于45。的等腰梯形在一底角切掉了 一個斜邊為該梯形下底一部分的等腰直角三角形(圖3中的陰影部分)的五邊形；此 外，每個環(huán)形腔對14、 15中的兩棱鏡16交面鍍有半透半反薄膜。由于每個環(huán)形腔中 兩反射鏡17、 18相對于棱鏡16對稱放置，則水平入射環(huán)形腔的光束將垂直出射環(huán)形 腔。光在環(huán)形腔中的光路如圖3所示。準直透鏡2用于對輸入光纖1發(fā)射的無規(guī)偏振波分復用信號光束進行準直和擴 束，準直透鏡2輸出平行細光束x，其入射到偏振分束器3后在水平方向上被分解為 等強度的左右分離的二束偏振正交的平行光束，輸入半波片4只對于左邊的垂直偏振 的異常光束起作用，并旋轉偏振方向90。，因而輸入半波片4后為二束同為水平方向 偏振的平行光束，隨后再進入級聯(lián)環(huán)形腔對5。從級聯(lián)環(huán)形腔對5的右端面輸出在水平平面內偏振態(tài)互相平行的兩平行光束， 從級聯(lián)介質對5的下端面輸出在豎直平面內偏振態(tài)互相平行的兩平行光束，第一輸出 半波片6對于在水平平面內互相平行的左側光束產生附加90。的偏振方向旋轉，第二 輸出半波片10對在豎直平面內互相平行的左側光束產生附加90。的偏振方向旋轉， 因此通過第一輸出半波片6后，同一水平平面內的兩束光偏振方向互相垂直，通過第 二輸出半波片10后，同一豎直平面內的兩束光偏振方向也互相垂直，第一偏振合束 器7在水平方向上合并光束,它使兩束偏振方向正交的水平平面內平行的兩光束合并 為輸出光束y，第二偏振合束器11在豎直方向上合并光束，它使兩束偏振方向正交 的豎直平面內平行的兩光束合并為輸出光束z。第一聚焦透鏡8對于y路輸出光束進
行聚焦并耦合入第一輸出光纖9之中，第二聚焦透鏡12對于z路輸出光束進行聚焦 并耦合入第二輸出光纖13之中。系統(tǒng)中，偏振分束器3和輸入半波片4用于分解無規(guī)偏振的輸入光束，第一輸 出半波片6和第一偏振合束器7用于把濾波后的水平方向上的偏振光束再合成無規(guī)偏 振的輸出光束，第二輸出半波片10和第二偏振合束器11用于把濾波后的豎直方向上 的偏振光束再合成無規(guī)偏振的輸出光束，主要目的是實現(xiàn)與輸入光束偏振無關的工作 特性。輸入半波片4與第一輸出半波片6 (或第二輸出半波片10)之間的級聯(lián)環(huán)形腔 對5是整個系統(tǒng)的核心，如附圖2，光束水平入射第一級環(huán)形腔對14的交面上，-一 半能量的光被反射，另一半能量的光被透射，之后這兩束光分別在兩棱鏡16內傳輸 產生延遲，接著分別入射左側環(huán)形腔(記為環(huán)形腔l)和右側環(huán)形腔(記為環(huán)形腔2) 進行位相調制，隨后垂直入射環(huán)形腔對15，并在其交面上發(fā)生干涉，第二級環(huán)形腔 對15中的左側環(huán)形腔(記為環(huán)形腔3)和右側環(huán)形腔(記為環(huán)形腔4)分別對從環(huán)形 腔對15交面出射的兩光束進行色散補償，隨后一路光直接從級聯(lián)環(huán)形腔對5的下端 面輸出，形成偶路輸出光束，另一路光從級聯(lián)介質對5的右端面輸出，形成奇路輸出 光束。通過合適選擇各棱鏡的折射率，可以得到具有大平坦通帶(和阻帶)寬度、高 的隔離度及低色散特性的光譜透射率。 一.平坦化光譜透射率的產生當具有s偏振態(tài)的入射光水平入射環(huán)形腔對5時，環(huán)形腔的棱鏡一空氣界面的反 射率可表達為<formula>formula see original document page 7</formula>這里，/7為棱鏡的折射率，6>為折射角。任一輸出端口處的規(guī)一化透射率可表達為<formula>formula see original document page 7</formula>這里，A為光波長，丄為光從入射第1級環(huán)形腔對交面到入射第2級環(huán)形腔對交面過 程中在棱鏡中所經過的距離，A, / 2分別為環(huán)形腔對14中的兩個棱鏡16的折射率，&分別為光在兩個環(huán)形腔l、 2中的反射光的位相平移，表示為
1<formula>formula see original document page 8</formula>(3)這里，《，厄分別為兩個環(huán)形腔1、 2的棱鏡-空氣界面的反射率，i,,厶分別為光 在兩個環(huán)形腔l、 2中的光程長。為了得到所需的平坦化光譜透射率，光在環(huán)形腔中 的光程長與光從入射第1級環(huán)形腔對交面到入射第2級環(huán)形腔對交面過程中在棱鏡中 所經過的距離之間滿足一定的關系，可表示為<formula>formula see original document page 8</formula>。奇偶數(shù)信號分離器的光譜周期為(4)這里c為光速。二.色散特性及補償奇偶數(shù)信號分離器的群時延為<formula>formula see original document page 8</formula>(6)這里，《 = 2(/義，其為光學角頻率。按照色散定義D(義)^r/aa，該奇偶數(shù)信號分離器的色散可表示為<formula>formula see original document page 8</formula>這里<formula>formula see original document page 8</formula>分別為環(huán)形腔1和2的棱鏡-空氣界面的振幅反射系三.奇偶信號的分離本器件的核心元件為由兩個環(huán)形腔對級聯(lián)構成的級聯(lián)環(huán)形腔對5，第-縱w，肛: 對14的交面薄膜作分束之用，兩個環(huán)形腔分別對分束之后的兩束光進行位相調制， 這兩束光隨后在第二級環(huán)形腔對15的交面薄膜處發(fā)生干涉。光在兩個環(huán)形腔中發(fā)生
的位相平移取決于其中的兩個棱鏡16的折射率，因此通過合適選擇兩個棱鏡16的折 射率可產生具有平坦通帶和平坦阻帶的平坦化光譜透射率，同時保持最大透射率為 1，最小透射率為0，從而使處于通帶的奇信號與處于阻帶的偶信號得到分離。 四.其它上述所說的輸入半波片4和第一、第二輸出半波片6、 10中，半波片的快軸(或 慢軸)與輸入光的偏振方向的夾角為45°，上述所說的偏振分束器3和第一、二偏振 合束器7、 ll采用雙折射晶體片，上述所說的級聯(lián)環(huán)形腔對5中的各棱鏡采用各向同 性材料如玻璃。圖1是本實用新型實施例的光學系統(tǒng)結構示意圖。本實施例主要用于25GHz波分復用信號的奇偶分離。整體結構見附圖1。環(huán)形腔 的最優(yōu)化棱鏡-空氣界面的反射率分別為/ , =0.5560， / 2 =0.0710。按照公式(l)及折射定律，可計算棱鏡16的反射率分別為"，=1.399， "2 =1.224 。由公式(5)可計算光從入射第1級環(huán)形腔對交面到入射第2級環(huán)形腔對交面過程中在棱鏡中所經過的 距離為丄-0.343 m。由公式(4)可計算光在兩個環(huán)形腔中的光程長分別為 /, =/2 =0.012m。圖4為該實施例的信道隔離度?？梢钥闯龈綦x度大于32dB。圖5為0. 5dB處的通帶寬度。從圖5可知0. 5dB處的通帶寬度為24 GHz，它是該頻率間隔的 96%。圖6為30dB處的阻帶寬度。從圖6可知30dB處的阻帶寬度為21.2 GHz，它是 該頻率間隔的84.8%。用于補償色散的兩個環(huán)形腔中的棱鏡折射率為1.413，光在該環(huán)形腔中的光程長為 11991. 7 pm。圖7為該補償器及補償長和補償后的奇偶數(shù)信號分離器的色散特性。從 圖7可知，補償前，在中心頻率193,400 ± 2 GHz的通帶范圍內色散為土 90 ps/nm， 補償后在相同的通帶范圍內色散為土 50 ps/nm。當通帶范圍為中心頻率193,400 ± 1 GHz時，色散可為土 10 ps/nm。
權利要求1.一種基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器，包括一個輸入光纖(1)、一個第一輸出光纖(9)和一個第二輸出光纖(13)，其特征在于1)沿所述的輸入光纖(1)輸出光束前進的方向依次設有一個準直透鏡(2)、一個偏振分束器(3)、一個輸入半波片(4)和一個級聯(lián)環(huán)形腔對(5)；沿級聯(lián)環(huán)形腔對(5)輸出水平光束前進方向依次設有一個第一輸出半波片(6)、一個第一偏振合束器(7)、一個第一聚焦透鏡(8)及位于該第一聚焦透鏡(8)焦點的所述的第一輸出光纖(9)；2)沿級聯(lián)環(huán)形腔對(5)輸出垂直光束前進方向依次設有一個第二輸出半波片(10)、一個第二偏振合束器(11)、一個第二聚焦透鏡(12)及位于該第二聚焦透鏡(12)焦點的所述的第二輸出光纖(13)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器，其特征在于 所述的級聯(lián)環(huán)形腔對(5)是由兩個相同結構的環(huán)形腔對(14、 15)級聯(lián)而構成， 其中每個環(huán)形腔對(14、 15)中的兩個環(huán)形腔結構相同，每個環(huán)形腔均由一棱鏡(16)和兩個反射鏡(17、 18)組成，且兩個反射鏡(17、 18)與棱鏡(16)對 稱放置，即棱鏡(16)與兩反射鏡(17、 18)所成的角度相等。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器，其特征在于 所述每個環(huán)形腔對(14、 15)中的兩個棱鏡(16)大小相等、結構相同，棱鏡(16) 的平面結構均為一五邊形，是將底角等于45°的等腰梯形在一底角切掉了一個斜邊 為該梯形下底一部分的等腰直角三角形的五邊形；此外，每個環(huán)形腔對(14、 15) 中的兩棱鏡(16)交面鍍有半透半反薄膜。
4. 根據(jù)權利要求2所述的基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器，其特征在于 所述環(huán)形腔對(14、 15)中的兩個棱鏡(16)采用各向同性材料或者有不同折射 率的玻璃；第一級環(huán)形腔對(14)中的兩個棱鏡(16)材料不同，而第二級環(huán)形 腔對(15)中的兩個棱鏡材料(16)相同。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于級聯(lián)環(huán)形腔對結構的奇偶數(shù)信號分離器，其特征在于 所述的偏振分束器(3)和第一、第二偏振合束器(7， 11)采用雙折射晶體。專利摘要本實用新型涉及一種基于環(huán)形腔對結構的級聯(lián)式奇偶數(shù)信號分離器。它包括一個輸入光纖、一個第一輸出光纖和一個第二輸出光纖，沿輸入光纖輸出光束前進的方向依次設有一個準置透鏡、一個偏振分束器、一個輸入半波片和一個級聯(lián)環(huán)形腔對；沿級聯(lián)環(huán)形腔對輸出水平光束前進方向依次設有一個第一輸出半波片、一個第一偏振合束器、一個第一聚焦透鏡及所述的一個第一輸出光纖；沿級聯(lián)環(huán)形腔對輸出垂直光束前進方向依次設有一個第二輸出半波片、一個第二偏振合束器、一個第二聚焦透鏡及所述的一個第二輸出光纖。本實用新型主要用在波分復用通信系統(tǒng)中用于將波分復用信號的奇偶數(shù)信號兩信道分離和一切需要平坦化光譜透射率函數(shù)的濾波器。本實用新型具有設備簡單、工藝可靠、成本低、性能好等特點。
文檔編號H04B10/12GK201017054SQ20072006841
公開日2008年2月6日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權日2007年3月29日
發(fā)明者娟 張 申請人:上海大學