带有谐波元件的滤光器的制作方法

专利名称：带有谐波元件的滤光器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光通信领域，尤其涉及利用光学干涉现象用于有差别地衰减所选择的光波长以提供如增益平坦化的滤光和色散补偿，以及用于其它波长管理目的的装置和方法。
背景技术：
干涉滤光器依靠相长干涉和相消干涉，提供并成形滤光器响应。重叠相同射束的不同相位移动部分以产生干涉。射束分割一般重叠只在时间上分离的部分(也就是相位延迟)。然而，还可以将射束空间分割成遭受不同相位延迟的横断部分，它们必须被重新组合，以产生所需的重叠。
具有时间分离射束部分的干涉滤光器的实例包括介质滤光器、法布里-珀罗标准具、布拉格光栅、长周期光栅、和微光学装置。这些滤光器中的大部分，尤其是法布里-珀罗标准具和长周期光栅具有有限的响应分布，并必须被串联以产生更复杂的响应分布。例如，传统的曲线拟合技术可以组合简单的响应分布，如高斯分布，以逼近期望的响应分布，然而，多个滤光器部件很难装配并会遭受制造和装配误差。
共同转让的Bhagavatula发明的美国专利号5,841,583题为“Muliti-pathInterference Filter”的申请中揭示了带有空间分离射束部分的干涉滤光器的实例。多路滤光器可以支持复杂的响应分布，但是将滤光器性能和期望的响应分布拟合就相当困难。

发明内容
本发明针对光学干涉滤光器和滤光的方法。它提出了光学干涉滤光器的简化设计，用于逼近宽范围的光谱响应。滤光器包括一系列谐波相关元件，可以组合这些元件以产生更复杂的周期光谱响应。谐波相关元件对应于由相位角和光功率区分的射束分割。
很多期望光谱响应函数可以由一系列谐波函数(如傅里叶级数)逼近，这种表示可以直接关联到干涉滤光器的物理设计。根据本发明的实施例，滤光器将光束分割成横穿不同光程，且之后相互干涉的射束部分。射束的光能根据一系列谐波函数的相对大小分配在射束部分之间，不同的光程等于谐波函数的周期。
在本发明的较佳方面，滤光器具有包括一系列单独波导的阵列格式，但是时间或空间分割射束的其它格式也可直接与这种谐波级数相关。例如，期望响应函数的傅里叶级数分析可直接转换成达到傅里叶级数逼近所需的滤光器阵列的物理特征。傅里叶级数的系数直接转换成波导间光功率的分割，这可以通过调节射束场中波导的位置或相对大小实现。表示基频整数倍数的傅里叶级数相位角项直接转换成波导光程的相对差，这可以通过调节实际长度或波导的传播常数而实现。
在另一实施例中，干涉滤光系统通过射束分割和分配以及之后的可选干涉提供期望的光谱响应。
又一实施例描述了用于改变多波长光束光谱特征的相控阵干涉滤光器，它包括具有多个不同光程光波导的波导阵列、将波导阵列连接到输入和输出波导的至少一个光耦合器，其中确定阵列中波导的大小和彼此间的相对位置，以传送射束中总光功率的不等部分，此外阵列中波导的光程彼此间相差给定光程差的倍数。
本发明的另一实施例描述了设计干涉滤光器以逼近期望光谱响应的方法。该实施例的一方面包括用一系列谐波函数表示期望的光谱响应，将谐波函数的大小转换成通过滤光器的光路间的功率分配，并将谐波函数的周期转换成光路之间的光程差。


图1是将傅里叶级数逼近和期望光谱响应比较的曲线图；图2是表示傅里叶级数逼近中谐波含量的曲线图；图3是根据本发明实施例的平面阵列滤光器的示意图，它具有可以直接与逼近期望光谱响应的傅里叶级数中各项相关的物理特征；以及图4是根据本发明另一实施例的同轴滤光器的示意图，它类似地与傅里叶级数逼近相关。
较佳实施例的详细描述图1显示了期望光谱响应曲线10。傅里叶级数的曲线12逼近该曲线，傅里叶级数为以下形式F(λ)=α0+Σk=1∞αkexp[jkωλ]]]>其中“F(λ)”是波长“λ”区域上射束功率衰减的函数，“a0和ak”是傅里叶展开系数，“j”是虚数“ ”，“k”是区别级数项的整数，“ω”等于表达式2π/T，“T”是函数的总周期。曲线12覆盖一个完整周期。
图2显示了一系列曲线14a-14f，它们表示图1中傅里叶级数逼近12的谐波含量。每个级数项提供一个被画成独立曲线14a-14f的谐波函数，组合这些曲线以产生级数逼近12。本领域熟练的技术人员知道这种傅里叶级数的曲线拟合可能性，并能够容易地用它们去拟合许多适当的其它光谱响应曲线(例如满足狄利克雷条件的曲线)。
我已经发现这种光谱响应曲线的傅里叶级数表示法和干涉滤光器的物理属性之间的明显对应。参考图3，其中新颖的平面滤光器阵列20能够容易地示范该对应。滤光器阵列20相对于部件26和28之间的垂直线(未图示)对称，并包括输入波导22、输出波导24、和两个端对端光耦合器26和28，这两个光耦合器将输入和输出波导22和24连接到阵列波导30的相对端。阵列波导30的相位调节区域32和36补偿耦合器26和28引起的阵列波导30之间任何无意的相位移动，阵列波导30的相位移动区域34根据光程差的预定倍数提供波导30之间有意的相位移动。这种滤光器20的制造类似于用于多路复用和多路分解的传统相控阵。
滤光器阵列20的输出场“Fout”可以用四个矩阵“M1、M2、M3、M4”的乘积表示。矩阵“M1”表示输入场，矩阵“M2”表示耦合器26和第一相位调节区域32的输出场，矩阵“M3”表示相位移动区域34和第二相位调节区域36的输出场，矩阵“M4”表示耦合器28的输出场。这些矩阵的表示如下M1=10000]]>M2=0jα0jα1jα2jαnjα0jαn0]]>M3=0exp[jΦ0]000exp[jΦ1]exp[jΦ2]exp[jΦn]]]>其中“Φm”等于表达式“0+mjβΔz”；并且M4＝M2Fout＝M1×M2×M3×M4该矩阵乘法中只有第一元素是非零的。展开表达式为Fout＝-α0exp[j0]-α1exp[j0+jββΔz]-α2exp[j0+2jβΔz]...-αnexp[j0+njβΔz]将“0”项设置为零，它对应于越过阵列30中所有波导的任意相位移动，表达式“Fout”可以改写为Fout=α0+Σm=1nαmexp[mjβΔz]]]>“Fout”的简化表达式明显符合傅里叶级数表达式的形式，如以上的光谱响应函数“F(λ)”。替换系数“a0和ak”的傅里叶展开系数“α0和αm”对应于阵列波导30中每一个传送的光功率的归一化量，阵列波导30被标号从“m＝0”到“m＝n”。将矩阵的大小设置为等于整数“n”，它也对应于阵列波导30的总数。替换整数“k”的整数“m”区别级数项以及阵列波导30。虽然图3中表示了有限个数“n”的阵列波导30，但是最好在纵向轴39的相对侧上提供阵列波导30的对称分配，或多或少的波导“n”都可用于逼近适当的期望滤光器函数。
表达式“βΔz”替换表达式“ωλ”。“β”对应于阵列波导30的传播常数，“Δz”对应于阵列30中邻近波导之间实际长度的增量差。合起来的表达式“βΔz”表示波导之间光路距离的变化。
假设射束场具有可变的强度分布，通过调节对应于传输射束场百分比的每个波导开口尺寸“Sm”，或通过调节射束场中每个波导的位置，可以控制展开系数“α0-αn”给出的每个波导的归一化功率。最好通过调节阵列波导之间的实际长度差“Δz”，完成光路距离的变化“βΔz”。然而，传播常数“β”也可以变化，以产生类似的结果，如通过增加波导波导宽度“Wm”或它们的折射率。
除了如图3所示在平面阵列中配置新颖滤光器的谐波元件之外，如图4所示，形成的类似性能的滤光器可以带有配置在同轴滤光器阵列40中的相应谐波元件。锥形的输入和输出耦合器42和44将同轴波导环46阵列连接到单模光纤48和50的末端。波导环46的个数、每个环“α0-αn”中的归一化功率，和环之间的光程变化“βΔz”都用傅里叶级数“Fout”表示，级数中各项等于逼近同轴滤光器阵列40中期望光谱响应的傅里叶级数“F(λ)”。
很多其它的干涉滤光器设计都可从本发明中受益，不论滤光信号是沿光路空间分离的还是时间分离的，其中通过增加的光程差区别各光路。然而，滤光器必须允许对不同光路间功率分配的控制，以满足傅里叶展开系数。Bhagavatula发明的美国专利号5,841,583中揭示了这种滤光器的好几个实例，其内容通过引用结合于此。所包括的实例中平行束的不同部分被光程调节器中断(例如轴向偏移反射器或具有不同折射率的分隔器)。调节器的相对尺寸和定位可以被调节，以控制不同射束部分间的功率分配。另一实例包括局部反射表面的层叠。层的宽度和折射率差可以被调节，以控制各层间的光程变化和每层反射功率的相对量。
这些滤光器的相位延迟特征还使它们可用于执行色散补偿。可以为了色散补偿而确定期望光谱响应(也就是传递函数)。1992年3月1日在OpticsLetters中Vol.17，No.5发表的，Takeshi Ozeki题为“Optical equalizers”的论文中给出了一个实例，通过引用结合于此。傅里叶级数逼近可以由建议的传递函数组成，并且如上所述和滤光器的物理特征关联。
虽然为了说明详细描述了本发明，但是应该理解这种细节只是为了该目的，本领域熟练的技术人员不脱离以下权利要求书所界定本发明的精神和范围可以进行各种变化。
权利要求
1.用于相对衰减光束中被选光谱部分的傅里叶级数滤光器，其特征在于，它包括光学输入端和输出端，它们通过多个光路连接，这些光路根据表示期望光谱响应的傅里叶级数配置；所述光路被配置成用于根据傅里叶级数的系数传送射束功率的不同部分；和所述光路根据傅里叶级数的谐波相关分量具有不同光程，以产生逼近期望光谱响应的光谱响应。
2.如权利要求1所述的滤光器，其特征在于，期望光谱响应可以被表示为以下形式的傅里叶级数Fout=α0+Σm=1nαmexp[mjβΔz]]]>其中“Fout”是滤光器的光谱响应，“α0和αm”是对应于每个标号为“m”的光路功率相对量的傅里叶系数，j是虚数，“βΔz”是光路间光程的增量差。
3.如权利要求2所述的滤光器，其特征在于，“β”是传播常数，“Δz”是光路中实际长度的增量差。
4.如权利要求1所述的滤光器，其特征在于，所述光路彼此横向分离。
5.一种干涉滤光系统，其特征在于，它将光束分割成横穿不同光程并彼此干涉以逼近期望光谱响应的射束部分，其中(a)根据一系列谐波函数的相对大小分配射束部分之间的射束光能，这些谐波函数可以组合以逼近期望光谱响应，(b)不同的光程等于谐波函数的周期。
6.一种用于改变多波长光束光谱特征的相控阵干涉滤光器，其特征在于，它包括波导阵列，包括多个具有不同光程的光波导；至少一个光耦合器，用于将波导阵列连接到输入和输出波导；确定阵列中波导的大小和彼此间的相对位置，以传送射束中总光功率的不等部分；和阵列中波导的光程彼此间相差给定光程差的倍数。
7.如权利要求6所述的滤光器，其特征在于，波导阵列在平面波导中形成。
8.如权利要求6所述的滤光器，其特征在于，波导阵列在同轴光纤中形成。
9.如权利要求6所述的滤光器，其特征在于，波导传送对应于傅里叶级数之系数的光功率部分，另外逼近滤光器的期望光谱响应。
10.如权利要求9所述的滤光器，其特征在于，给定的光程差对应于傅里叶级数的谐波发量。
全文摘要
将干涉滤光器设计成带有谐波元件,该谐波元件可以与期望滤光器响应的傅里叶级数逼近关联。可以将谐波元件做成以各种形式配置的阵列中的独立波导,所述形式包括平面或同心的几何图形。傅里叶级数的展开系数对应于波导间的归一化功率分配,级数的谐波分量对应于波导间光程的增量差。
文档编号G02B6/34GK1365452SQ00810898
公开日2002年8月21日 申请日期2000年6月2日 优先权日1999年7月28日
发明者D·A·诺兰 申请人:康宁股份有限公司