专利名称：光纤中的色散补偿的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光纤通信的技术领域，更具体而言，涉及对随着光传播通过通信系统的光纤而累积的色散进行补偿的技术。
背景技术：
对光纤通信系统中低成本带宽的不断增加的需求，提供了对于增加比特率/传输距离以及一根光纤所承载的波分复用(WDM)信道的数量这两者的动机。高比特率、远程光通信系统中的主要限制因素是在光通过光纤传播时出现的色散。色散使得一个特定波长下的光波行进通过光纤的速度不同于不同波长的光波的传播速度。作为色散的结果，包含多个波长分量的光脉冲在行进通过足够长的光纤之后明显畸变。光脉冲的畸变使光信号所携带的信息劣化或丢失。
光纤的色散可以用两个参数表征1.群速度色散(GVD)，其是群速度相对于波长的变化率；和2.色散斜率，其是色散相对于波长的变化率。
对于典型的承载宽范围波长的光的光纤通信系统，例如WDM系统或具有直接调制激光器或Fabry-Perot激光器的系统，必须对通过光纤传播的整个波长范围上的GVD和色散斜率两者进行补偿。
这些年来，其中的每个都表现出不同色散特性的几种不同类型的光纤已被用于装配光通信系统。这些不同类型的光纤所表现出的色散特性依赖于光纤的长度、光纤的类型、以及光纤是如何制造的、光纤的布线和其他环境条件。因此，为了补偿这些各种不同类型的光纤所表现出的色散，理想的是有一种单一类型的色散补偿器件，其提供可变的GVD和色散斜率，以由此简化器件控制和光通信网络的管理。
已经提出了若干解决方案来减轻光纤通信系统中的色散。图1A中示意性地示出的一种用于补偿色散的技术插入长度较短的特殊的色散补偿光纤(DCF)31与传统的透射光纤30串联。DCF 31具有特殊的横截面折射率分布(cross section index profile)并表现出与光纤30相反的色散。这样连接后，传播通过光纤30的光经过色散，然后传播通过DCF 31，而DCF31抵消了由于传播通过光纤30而产生的色散。然而为了获得与光纤30相反的色散，DCF 31具有比光纤30小得多的模场直径，因此DCF 31更易受非线性效应的影响。此外，难以利用DCF 31在其最低空间模态下工作，以完全抵消两种特定类型的光纤，即色散移位光纤(DSF)和非零色散移位光纤(NZDF)所表现出的GVD和色散斜率两者。
图1B中示意性地示出的一种可选的在线色散补偿技术，将接收传播通过了第一光纤30的长度的光的第一模态转换器33插入到第一光纤30和高模态DCF 34之间。在穿过高模态DCF 34之后，光随后穿过第二模态转换器35并进入光纤30的第二长度。类似于图1A的DCF 31，高模态DCF34表现出与光纤30相反的色散，同时支持比DCF 31所支持的单个更高阶的空间模态。高模态DCF 34对该较高阶空间模态的模场直径可以与两根光纤30的场直径相当。于是，模态转换器33将从第一光纤30发出的光转换成高模态DCF 34所支持的较高阶的空间模态，而模态转换器35逆转变该转换，而使光从由高模态DCF 34发出的较高阶空间模态恢复成较低阶的空间模态，以耦合回到第二光纤30中。图1B所图示的装置的一个问题是其难以完全将光从一个空间模态转换到另一个。另一个问题是其还难以使光保持以单一的较高阶空间模态行进。为此，由图1B所图示的装置进行了色散补偿的信号的完整性易于发生模态色散，这是由于使得在多个不同空间模态下传播的光的群速度不同而导致的。
由于将DCF模态匹配到本领域中的各种不同类型的光纤30时的困难，所以将DCF所表现出的色散调节到特定光纤30所需要的那样是不现实的。此外，DCF还表现出高插入损耗。这种光信号强度的损耗必须由光学放大器来弥补。于是，使用DCF来进行色散补偿就大大增加了光通信系统的总成本。
图2中示意性地示出的不同技术使用线性调频脉冲光纤布拉格光栅(chirped fiber Bragg grating)42来提供色散补偿。从光纤30发出的光脉冲的不同波长分量通过循环器41进入线性调频脉冲光栅42，以从线性调频脉冲光栅42的不同部分向着循环器41反射回来。因此精心设计的线性调频脉冲光栅42可以补偿光纤30中积累的色散。可以通过改变光栅光纤的应力和/或温度来调节线性调频脉冲光栅42所提供的色散量。不幸的是，布拉格光栅仅仅反射WDM光谱中的一个窄的带。可以级联多个线性调频脉冲光栅42来延长谱宽。然而，级联的多个线性调频脉冲光栅42会导致昂贵的色散补偿器件。
图3A中示意性地示出的另一种技术采用体衍射光栅(bulk diffractiongrating)50来进行色散补偿。具体而言，从传输光纤30出来的光首先被形成为准直束51。随后使用体衍射光栅50来从准直束51产生成角度散射(衍射角相对于波长的变化率)。回光器件52将衍射光反射回到衍射光栅50之上，该回光器件52通常由透镜53和紧跟其的镜子54构成，其中镜子54布置在透镜53的焦平面处。衍射光反射回到衍射光栅50上就将成角度散射转换成色散了。沿着准直束51的路径插入的循环器可以被用来从输入的准直束51中，分出离开衍射光栅50的经过色散补偿的光。在图3A所示的装置中，可以通过改变衍射光栅50与透镜53之间的距离和/或折束镜54的曲率来调节色散量。然而，体衍射光栅50仅仅产生很小的成角度散射。因此，使用图3A中所示的装置来补偿光通信系统中出现的大的色散，就需要大得不切实际的装置。
一种相似的色散补偿技术用虚拟成像相控阵列(VIPA)来代替衍射光栅50，所述VIPA例如是对Masataka Shirasaki和Simon Cao递交的申请而于2002年5月21日授权的题为“Optical Apparatus Which Uses a VirtuallyImaged Phased Array to Produce Chromatic Dispersion”的美国专利No.6,390,633(.`633专利)中所讨论的。如复制`633专利中图7的图3B所示，VIPA包括例如柱面透镜57的行聚焦元件以及进行了特殊涂层的平行板58。准直束51以小的入射角通过行聚焦柱面透镜57进入VIPA，并以大角度散射从VIPA出来。与图3A所示的回光器件52相结合，VIPA可以产生足够的色散来补偿光纤传输系统中出现的散射。不幸的是，VIPA将准直束51的能量分配到多个衍射级中。因为每个衍射级表现出不同的散射特性，所以这些级中只有一个可以被用于色散补偿。因此，VIPA表现出高光学损耗，并且使用VIPA来实现色散斜率补偿不仅麻烦而且昂贵。VIPA还引入高的散射波纹，即残余散射相对于波长的快速变化，这使得VIPA不适合于在线色散补偿。
另一种可以用于色散补偿的技术是全通滤波器。全通滤波器是这样的器件，其对输入的光信号表现出平坦的幅值响应和周期性的相位响应。由于在色散领域中的技术人员公知相位延迟的二阶导数，因此可以将全通滤波器用于色散补偿。全通滤波器在色散补偿中的典型实现是Gires-Tournois干涉仪和循环镜。C.Madsen和G.Lenz在IEEE Photonic TechnologyLetters，Vol.10，No.7，p.944(1998)发表的题为“Optical All-Pass Filtersfor Phase Response Design with Applications for Dispersion Compensation”的文章，公开了如何可以将全通滤波器用于补偿色散。将全通滤波器用于色散补偿的问题包括其引入了高散射波纹，或者不能对实际的应用产生足够的散射补偿。因此，全通滤波器也不适合于在线色散补偿。
因为色散补偿在高性能光纤通信系统中如此重要，所以一种具有低散射波纹、相对较低的插入损耗、并且可以补偿已经在光纤传输系统中采用的各种不同类型的光纤所表现出的各种不同类型的色散的、简单的可调节色散补偿器，将非常有利于增加比特率/传输距离以及一根光纤所承载的WDM信道的数量这两者。
发明内容
本发明提供了一种产生可调节量的色散并可用于光纤系统的色散补偿的方法和装置。
本发明的一个目的是提供表现出低散射波纹的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供表现出相对较低的插入损耗的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供实用的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供可以补偿在光纤传输系统中已经采用或可能在将来采用的各种不同类型的光纤所表现出的各种不同类型的色散的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供增大比特率/传输距离的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供增大一根光纤可以承载的WDM信道的数量的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供同时补偿GVD和色散斜率两者的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供同时在通过光纤传播的整个波长范围上对GVD和色散斜率两者进行补偿的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供更不易受非线性效应影响的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供不要求在不同的空间模态之间转换光的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供更不易模态散射的色散补偿。
本发明的另一个目的是提供占用相对较小空间的色散补偿装置。
本发明的另一个目的是为光通信系统提供节约成本的色散补偿。
简而言之，本发明是适用于提高光通信系统的性能的光学色散补偿器及其操作方法。在一个优选实施例中，所述色散补偿器包括准直装置，所述准直装置用于接收如可以从光通信系统中所包括的光纤的一端发出的、在空间上发散的光束，所述光束包含多个频率。所述准直装置将所述在空间上发散的光束转换成从所述准直装置发出的大体准直的光束。
所述色散补偿器还包括设置了入口窗的光学相控器，所述入口窗用于接收来自所述准直装置的所述大体准直的光束。所述光学相控器将所述接收到的光束成角度地散射为频带模式并从所述光学相控器发射出去。这样，所述光学相控器接收到的光束分离到多个频带中，以使得在具体频带内具有特定频率的光从所述相同频带内的其他频率下的光成角度地偏移。
最后，所述色散补偿器包括回光装置，所述回光装置接收从所述光学相控器发出的具有所述频带模式的所述成角度散射的光。所述回光装置将所述光通过所述光学相控器反射回去，以在其所述入口窗附近离开所述光学相控器。
从以下对各个附图中图示的优选实施例的详细说明，本领域普通技术人员将理解或清楚这些和其他特征、目的和优点。
图1A的示意图示出了一种用于色散补偿的现有技术，该现有技术使用特殊的色散补偿光纤来减小光通信系统中的色散；图1B的示意图示出了一种用于色散补偿的现有技术，该现有技术使用模态转换器和高模态色散补偿光纤来减小光通信系统中的色散；图2的示意图示出了一种用于色散补偿的现有技术，该现有技术使用光纤布拉格光栅来减小光通信系统中的色散；图3A的示意图示出了一种用于色散补偿的现有技术，该现有技术使用体衍射光栅和回光器件来减小光通信系统中的色散；图3B的示意图示出了一种用于色散补偿的现有技术，该现有技术使用VIPA以产生所要求的大角度散射来减小光通信系统中的色散；图4的示意图示出了根据本发明的色散补偿装置的一个实施例，该装置包括光耦合装置、光学相控器和光反射装置；图5A的示意图示出了本发明一个实施例中图4所图示的基于棱镜的光耦合装置的平面图；图5B的示意图示出了本发明另一个实施例中图4所图示的基于体衍射光栅的光耦合装置的平面图；图6A的示意图示出了现有技术的VIPA对于具有单一波长的光束所产生的衍射图案；图6B的示意图示出了根据本发明的光学相控器对于具有单一波长的光束所产生的衍射图案；图7A、7B、7C、7D、7E和7F的示意图示出了全根据本发明的光学相控器的示例性实施例的各种不同配置；图8A的示意示了本发明的一个实施例，其中回光装置采用凹面镜作为光聚焦装置；图8B的示意示了对于本发明的一个实施例，光聚焦元件和回光镜相对于光学相控器的位置；
图9A的平面示意示了根据本发明一个实施例将经过色散补偿的光耦合回到通信系统中的一种方法；图9B的平面示意示了根据本发明将经过色散补偿的光耦合回到通信系统中的另一种方法；图10的示意示了通过本发明实施例，对于包含多个WDM信道的输入光束在图4、8A和9A的回光镜处出现的强度分布；图11的示意示了根据本发明的图4的回光镜的各种不同形状，这些回光镜分别完全补偿了不同类型的商业化光纤所表现出的色散；和图12的眼图示出了包含4000公里的由根据本发明的色散补偿器补偿的光纤的10Gbps光纤传输系统的仿真结果，这些色散补偿器沿着光纤的长度以80公里的间隔布置。
具体实施例方式
图4示出了根据本发明的光学色散补偿器的一个实施例，用全局标号60指示。在一个实施例中，色散补偿器60包括三个基本元件准直装置61、光学相控器62和回光装置66。将在下面更详细解释的光学相控器62包括入口窗63和两个平行表面64、65。同样将在下面更详细解释的回光装置66包括光聚焦元件67和位于光聚焦元件67的焦平面附近的曲面镜68。
如图5A所示，准直装置61的一个优选实施例包括准直器71，准直器71接收从光纤30一端发出的空间发散的光束。本领域技术人员清楚，从光纤30端部发出的光由于光穿过光纤30，而可以在两个相互正交的平面中偏振。准直器71将从光纤30一端发出的空间发散的光束转换成准直束72，该准直束72在从准直器71发射到自由空间中时保持这两个相互正交的偏振。准直束72射到双折射片73上，双折射片73将入射的准直束72分成具有垂直偏振74、75的两个在空间上可区分的分量。具有偏振74的光随后穿过第一半波片76，其将所述光旋转以使得两个束的偏振在相同平面内。现在都具有位于相同平面内的偏振的两束光射到棱镜77上，棱镜77稍微成角度地散射这两个束。都被稍微成角度散射的两个束射到第二半波片78上，其将这两个束的偏振旋转九十度(90°)。
图5B中图示的准直装置61的另一可选实施例用体衍射光栅77a代替棱镜77，以获得相似量的成角度散射。该准直装置61的可选实施例包括体衍射光栅77a，省去了第二半波片78。
无论准直装置61使用棱镜77或者体衍射光栅77a，如下面更详细讨论的，准直装置61都发出大体上准直的光束。还应该注意到对于在色散斜率的控制并不关键的光学传输系统中的色散补偿，例如在涉及有限的波长范围或相对较短的光纤30的系统中，可以去掉棱镜77或体衍射光栅77a而对色散补偿器60的性能几乎没有影响。而且，本领域技术人员将理解，在图5A和5B中分别示出的光学布置可以被大大简化，如果从光纤30出来的光具有良好限定的偏振的话，例如直接来自激光器或保持单一的平面偏振的任何其他类型的器件的光。
从准直装置61发出的光通过入口窗63进入光学相控器62，以沿着光学相控器62的长度在平行表面64、65之间来回反射。分别在图5A和5B中示出的准直装置61的任一实施例的光学布置，对射到与入射面垂直的入口窗63上的光束建立偏振。由于射到入口窗63上的光的偏振，以接近于临界角的入射角射到在光学相控器62内部的表面65上的光束大部分将从表面65反射，即使表面65没有任何光学涂层。
为了用于现有的光通信系统，光学相控器62优选地是固体硅片，但是其也可以由任何其他满足以下的材料制成1.对于传播通过光学相控器62的光透明；并且2.折射率大于周围的介质。
光学相控器62的两个平行表面中之一，表面64优选地涂有高反射膜，例如在射到其上的光的波长上具有大于98％的反射率的膜。因此，表面64在这里被称为“反射表面”。优选地将另一个表面65抛光，但是其也可以涂有部分反射性的膜，例如涂有在射到其上的光的波长处具有接近于80％的反射率的膜。表面65在这里被称为“折射表面(defractivesurface)”。
固体光学相控器62构成入口窗63的一个角是倾斜的。倾斜的入口窗63涂有抗反射膜以有助于光束通过其进入光学相控器62。在这些光束通过入口窗63以接近于法向入射进入光学相控器62后，它们在每一次连续地射到光学相控器62的折射表面65上时都分成两部分。如上所解释的，每束光的大部分在射到表面65上时都会在光学相控器62内部反射。每束光中不从表面65反射的部分由于折射而通过表面65从光学相控器62出去。光学相控器62的配置优选地使每束光定向成以稍小于临界角的入射角即θ射到表面65上。因此，光学相控器62的这种配置意味着表面65处光的折射以从折射表面65的法向大于45°的角度即，接近于掠射地出现。每束光中在表面65被反射的部分继续在光学相控器62的两个平行表面64、65之间来回反射，其中光束每次射到表面65上时光束的一部分都折射出光学相控器62。每次光束遇到折射表面65，光束的一小部分就通过折射离开光学相控器62。如果相邻反射之间的光程延迟即Δp等于进入光学相控器62的光的波长即λ的整数倍，那么在所有从表面65出来的光束之间发生相长干涉。
Δp＝2hn cosθ＝mλ (1)或4h2(n2-sin2)＝m2λ2(2)其中n是形成光学相控器62的材料的折射率，θ是在光学相控器62内部反射的光在表面65上的入射角，是通过表面65从光学相控器62出来的光的折射角，h是光学相控器62的厚度，m是干涉级数。
可以从式(2)得到光学相控器62的成角度散射能力，这在下面的关系(3)中给出。
如果接近于临界角，则光学相控器62对通过表面65出去的光产生大角度散射。如果接近光学相控器62的表面65的法向，则也可以实现大角度散射。从表面65发出的光的稍后的定向对应于从VIPA的平行片58发出的光的定向。
虽然光学相控器62和VIPA两者具有相似的成角度散射能力，但是它们的衍射图案明显不同。如图6A中示意性地图示的，VIPA的平行片58内的光束腰宽必须非常小，以同时减小角度和光能量的损耗。因此，对于光的给定波长λ，VIPA的平行片58内的窄光束腰宽产生了大角度发散的折射束。换言之，由VIPA衍射的光的能量分布在多级中。由于不同级的光束的不同衍射性质，如前面对VIPA所述的那样，只有一个衍射级可以被用于色散补偿。因此，VIPA是一种固有高损耗的器件。或者，在光学相控器62内的束宽与光学相控器62的厚度h相似。这种在光学相控器62内的宽的束宽使得在表面65处折射的光的光能量，对特定波长下的任何光束都主要集中在单个级中，如图6B中示意所示。
对于包含多个WDM信道的光通信系统中的色散补偿，优选的是根据下式(4)设计光学相控器62内的光束入射角θ。
cosθ=c2hΔfn---(4)]]>其中c是光速，Δf是相邻WDM信道之间的频率间隔。
注意，光学相控器62的折射率n是依赖于波长的。因此入射角θ随波长变化。具体而言，对于每个WDM信道的光λi，存在特定的入射角θi。通过准直装置61的棱镜77或体衍射光栅77a所产生的成角度散射，允许光束在光学相控器62内的成角度散播。如果正如当前实施例所优选的，入射角θ接近于总的内部反射角，那么光学相控器62不仅产生如关系(3)所示在特定波长下的大角度散射，而且光学相控器62还放大准直装置61的成角度散射。成角度散射的放大提供了减小散射波纹的手段。
为了减小从准直装置61进入光学相控器62的光的损耗，也为了在从光学相控器62的表面65出去的光束的衍射图案中对特定波长下的任何光束优选地都只产生一级或者可能几级，准直装置61所产生的成角度散射，即由准直装置61发出的光束的准直优选地具有根据下面的关系(5)的在垂直于平行表面64、65的片平面中的光束腰宽w0。
w0≈hsinθ (5)其中h是光学相控器62的厚度，θ是在光学相控器62内部反射的光在表面65上的入射角。
根据以上的关系(5)对从准直装置61发出的光束进行准直，确保了对于以频带模式(banded pattern)从光学相控器发出的成角度散射光中的特定波长下的任何光束，射到入口窗63上的大体准直的光束中多于50％的能量衍射到少于三个衍射级中。
在图7A至7F中图示了光学相控器62的若干可选实施例。在光学相控器62的这些各种可选实施例中，可以通过图4所示的倾斜表面，或者通过图7D至7F中所示的从平行表面64、65中之一突起的棱镜82来形成入口窗63。进入棱镜82的入口窗63中的光在第一次射到平行表面64、65中之一上之前在棱镜82内部反射。如这些各种可选实施例所图示的，反射表面64可以涂有高反射膜或者是部分透明的。如果表面64是部分透明的，那么光学相控器62就表现出更大的光学损耗。然而，对于光学相控器62的这种配置，从表面64漏出的光可以被用于性能监控。应该注意到如果通过特殊的光学涂层使得平行表面64、65的反射率与偏振无关，那么由准直装置61产生的对于射到光学相控器62的入口窗63上的光的偏振控制就是不必要的。
如前所述，回光装置66的优选实施例包括光聚焦元件67和位于光聚焦元件67的焦平面附近的曲面镜68。光聚焦元件67可以是图4中所示的透镜。或者如图8A所示，在回光装置66的折叠式配置中也可以将凹面镜用作光聚焦元件67。优选地将光聚焦元件67沿着从光学相控器62的表面65发出的衍射束的方向，布置在距离表面65大致光聚焦元件67的一个焦距即f处，如图8B所示。
在回光装置66的优选实施例中，从光学相控器62的表面65发出的光束由光聚焦元件67收集，以投射到位于光聚焦元件67的焦平面附近的曲面镜68上。被曲面镜68反射回来的光束逆着其通过回光装置66、光学相控器62的轨迹而通过入口窗63从其出来，并前进通过准直装置61的准直器71。优选地，如图9A的平面图中所示，通过稍稍倾斜与色散补偿器60的对称平面垂直的光聚焦元件67，可以使穿过准直器71返回的光与穿过其进入的光在空间上分开。或者，如图9B所示，还可以通过循环器86来将共线地穿过准直器71返回的光与进入准直器71的光分开。虽然图9B将循环器86图示为位于光纤30和准直装置61之间，但是也可以将循环器86插入到准直装置61和光学相控器62之间。
由色散补偿器60产生的色散β遵循下面给出的关系(6)。
其中R是曲面镜68的曲率半径。
注意R被定义为对凸透镜为正，而对凹透镜为负。对于固定的衍射角和固定的焦距f，关系(6)表示色散补偿器60所产生的色散直接与曲面镜68的曲率成比例。具体而言，通过调整曲面镜68的曲率，总是可以对行进穿过特定光传输系统的指定波长的光，完全抵消该光传输系统的色散。
另外，由准直装置61的棱镜77或者体衍射光栅77a所引入的小角度散射产生一种频带模式，其成角度散射从光学相控器62的表面65发出的不同波长的光束。也就是说，光学相控器62以稍微不同的角度来衍射具有不同波长的光的WDM信道。另外，将在频带模式内每个具体频带内的具有特定频率的光从相同频带内的其他频率下的光进行成角度地偏移。而且，由光学相控器62产生的成角度散射光的频带模式所表现出的在特定频带内相对于中心频率的角度变化率，不同于其他频带的相对于中心频率的角度变化率。因此，如图10中所示意性地示出的，光聚焦元件67将此对于每个WDM信道的光的频带模式，投射到位于光聚焦元件67的焦平面处的曲面镜68上的不同位置。
光聚焦元件67将频带模式投射到曲面镜68上的不同位置可以被有利地利用，如果曲面镜68具有在光聚焦元件67的整个焦平面上变化的曲率的话。采用具有恰当变化曲率的曲面镜68，允许色散补偿器60并行地对所有传播通过光纤30的WDM信道进行色散补偿。图11显示了用于色散补偿器60的示例性实施例的曲面镜68的优选形状，该色散补偿器60对于各种不同类型的商业化的光纤30完全补偿GVD和色散斜率。
工业应用性在色散补偿器60的一个示例性实施例中，光学相控器62由大致1mm厚的硅片制成。根据图7A-7F中所示的光学相控器62的各种实施例，入口窗63形成在该片的外表面上。反射表面64具有金涂层，并且将折射表面65抛光。光学相控器62内的光束入射角θ近似为16°，并且光聚焦元件67的焦距近似为100mm。
本发明的色散补偿器60相对于现有的色散补偿器件提供了几个优点和不同之处。
第一，色散补偿器60可以允许独立控制GVD和色散斜率两者。具体而言，对于指定长度的任何光纤30，其GVD可以由折叠式曲面镜68的合适曲率补偿，而其色散斜率可以由同一折叠式曲面镜68的合适曲率变化补偿。
第二，对于特定波长下的任何光束，光学相控器62内几乎准直的光束将衍射光的能量集中到少数几个衍射级中，获得宽的带通宽度和最小的通过量损耗。例如，对于具有间隔开100GHz的紧相邻信道的WDM系统，本发明的色散补偿器60表现出大于40GHz的0.5dB带宽。
第三，根据关系(6)，色散补偿器60所产生GVD和色散斜率随折叠式曲面镜68的曲率线性变化。因此，为光学系统提供完全GVD和色散斜率补偿的曲面镜68的形状由光纤30的类型唯一地确定，并随光纤30的长度线性变化。因此，在图11中，与不同曲面镜68的各种曲率的图形表示相关联的纵轴被相对于各种不同光纤30的长度而正规化。
第四，例如根据以下的关系(7)来设置折叠式曲面镜68的半径，可以将色散补偿器60设计为具有最小的色散斜率。
Rcos2≈cons tant(7)装备有根据关系(7)的曲面镜68的色散补偿器60可以对补偿这样的光通信系统中的色散有用，所述光通信系统中1.光的波长不稳定，例如来自非冷却激光器的；或者2.光的频谱宽，例如来自直接调制激光器的。
最后，色散补偿器60几乎没有将散射波纹引入传播通过光通信系统的光。因此，色散补偿器60可以用于终端的色散补偿，以及用于远程光纤系统的在线色散补偿。对于远程光纤系统的在线色散补偿，沿着光纤30在间隔开的位置处与光纤30串联安装许多色散补偿器60。例如，图12显示的眼图是从对包含由根据本发明的色散补偿器60补偿的4000公里的光纤的10Gbps光纤传输系统进行仿真得到的结果，这些色散补偿器60沿着光纤30以80公里的间隔布置。本领域技术人员很清楚，图12的眼图几乎没有表现出由于色散导致的劣化。
虽然已按照目前优选实施例描述了本发明，但是应该理解到这种公开仅仅是解释性的，而不应解释为限制性的。例如，上述色散补偿器60的实施例优选地包括棱镜77或体衍射光栅77a，以提供对从准直装置61发出并射到入口窗63上的光的成角度散射。但是，并不意味着包括在以下权利要求中的色散补偿器60必须包括这样一种成角度散射元件。如前所述，在其中色散斜率补偿并不关键的色散补偿器60的应用中，可以采用产生几乎准直的光束同时在光纤30和光学相控器62之间进行有效光耦合的任何其他类型的模态耦合器来作为准直装置61。这样一种耦合器可以就是标准的光学准直器。
如上所述，光学相控器62的入口窗63优选地涂有抗反射膜。然而，并不意味着包括在以下权利要求中的色散补偿器60必须包括这样一种涂层。仅有的要求是光学相控器62的入口窗63只是必须在射到其上的光的波长上部分透明。
在本发明的以上实施例中，双折射片73和半波片76、78在适当地使射到棱镜77和光学相控器62上的光束偏振之前，使接收自光纤30的光束线性偏振以由此变成是成角度散射的。然而，并不意味着包括在以下权利要求中的色散补偿器60被限制为使用这些具体的偏振部件。相反，色散补偿器60只要求适当偏振的光束射到光学相控器62的入口窗63上。
另外，如上所述，光学相控器62的平行表面64、65可以涂有膜，以使得相应的反射率对光束偏振不敏感。如果这样的涂层被涂覆到平行表面64、65，那么就不必控制射到入口窗63上的光束的偏振，并且可以从准直装置61中去掉偏振控制部件，例如双折射片73和半波片76、78。类似地，为了增加光学效率，可以有利地将抗反射涂层涂覆到光聚焦元件67上，以减小光穿过透镜的损耗。对于光学效率，如果曲面镜68具有高反射涂层也是有利的。
如上所述，光学相控器62的表面65和光聚焦元件67之间的优选间隔等于光聚焦元件67的焦距f。然而，包括在以下权利要求中的色散补偿器60并不限于此具体几何尺寸。相反，聚焦元件67和相控器62的表面65之间的距离可以被设为任何值。如下更详细描述的，该距离实际上甚至可以是可调节的。
一般而言，本发明的装置所产生的色散通过以下关系(8)与其几何尺寸相关。
β∝(f-u+f2R)---(8)]]>其中u是沿着光聚焦元件67的光轴从光学相控器62的表面65到光聚焦元件67的距离，f是光聚焦元件67的焦距，R是折叠式曲面镜68的曲率半径。
根据本发明的可调谐色散补偿器60可以通过调节u或R或者u和R两者来实现。对于u的调节，色散补偿器60的优选实施例将回光装置66布置在平移台上，如图4中箭头69所示。或者，可以将曲面镜68制成具有可调节的曲率。
有许多不同的方法可以被采用来使得曲面镜68的曲率可调节。一种方法是沿图4中箭头70所示的方向向曲面镜68施加弹性弯曲力。这种弯曲力可以例如通过推动螺钉来机械地产生。或者，还可以通过例如微机电系统静电或电磁地产生该力。如果该镜子是由双金属材料形成的，那么还可以用热来调节曲面镜68的曲率。通过形成具有变化刚度的曲面镜68，或者通过在曲面镜68的多个位置上施加弯曲力，或者通过这两种技术的组合，都可以实现最优化的镜子形状。将位于光聚焦元件67的焦平面附近具有不均匀曲率的曲面镜68与其光轴垂直地平移，即沿着光聚焦元件67的焦平面平移，也调节曲面镜68的曲率。还可以通过用另一个具有不同形状的曲面镜来代替具有特定形状的曲面镜68来调节曲面镜68的曲率。
因而，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在阅读前面的公开之后将毫无疑问地想到本发明的各种改变、修改和/或替代应用。因此，以下权利要求应被解释为包括落在本发明的实质精神和范围内的所有改变、修改或替代应用。
权利要求
1.一种适用于提高光通信系统的性能的光学色散补偿器，包括准直装置，用于接收如可以从光通信系统中所包括的光纤的一端发出的在空间上发散的光束，所述光束包含多个频率，所述准直装置还将所述接收到的在空间上发散的光束转换成从所述准直装置发出的大体准直的光束；光学相控器，所述光学相控器设置入口窗以接收来自所述准直装置的所述大体准直的光束，并将所述接收到的光束成角度地散射为频带模式并从所述光学相控器发射出去，由此使所述接收到的光束分到多个频带中，以使得在具体频带内具有特定频率的光从所述相同频带内的其他频率下的光成角度地偏移；和回光装置，所述回光装置接收从所述光学相控器发射出的具有所述频带模式的所述成角度散射的光，并将所述光穿过所述光学相控器反射回去，以在其所述入口窗附近离开所述光学相控器。
2.如权利要求1所述的补偿器，其中从所述准直装置发出的所述大体准直的光束具有这样的发散度，所述发散度确保对于以所述频带模式从所述光学相控器发出的所述成角度散射光中的特定波长下的任何光束，射到所述入口窗上的所述大体准直的光束中多于50％的能量衍射到少于三个衍射级中。
3.如权利要求1所述的补偿器，其中光接近于法向入射地通过所述入口窗进入所述光学相控器。
4.如权利要求1所述的补偿器，其中所述光学相控器的所述入口窗对射到其上的光至少是部分透明的。
5.如权利要求1所述的补偿器，其中所述回光装置包括光聚焦装置和位于所述光聚焦装置的焦平面附近的镜子，所述光聚焦装置收集从所述光学相控器发出的具有所述频带模式的所述成角度散射光以投射到所述镜子上，所述镜子将射到其上的光向着所述光聚焦装置反射回去。
6.如权利要求5所述的补偿器，其中所述光聚焦装置将所述光学相控器产生的成角度散射光的所述频带模式中的每个频带投射到所述镜子上的不同位置。
7.如权利要求5所述的补偿器，其中所述光聚焦装置和所述光学相控器之间的距离是可调节的。
8.如权利要求5所述的补偿器，其中所述镜子是曲面的。
9.如权利要求8所述的补偿器，其中所述镜子的曲率是可调节的。
10.如权利要求9所述的补偿器，其中通过弯曲所述镜子来调节所述镜子的曲率。
11.如权利要求10所述的补偿器，其中用于弯曲所述镜子的力选自由机械的、电的、磁的和热的构成的组。
12.如权利要求9所述的补偿器，其中所述镜子具有多个曲率，并且通过平移所述镜子来调节所述镜子的曲率。
13.如权利要求9所述的补偿器，其中所述镜子是可更换的，并且通过用具有不同曲率的另一个镜子代替所述镜子来调节所述镜子的曲率。
14.如权利要求1所述的补偿器，其中所述光学相控器由具有两个平行表面的片状材料制成，光在通过所述入口窗进入所述光学相控器之后在所述两个平行表面之间反射，并且所述入口窗形成在所述片的外表面上。
15.如权利要求14所述的补偿器，其中所述入口窗由所述片的倾斜边缘形成。
16.如权利要求14所述的补偿器，其中所述入口窗由从所述光学相控器的所述两个平行表面之一突出的棱镜形成，并且通过所述入口窗进入所述光学相控器的光在射到所述两个平行表面之一上之前在所述棱镜内经历内部反射。
17.如权利要求14所述的补偿器，其中所述光学相控器的所述两个平行表面之一是部分透明的，以允许一部分射到其上的光离开所述光学相控器。
18.如权利要求17所述的补偿器，其中通过所述部分透明表面从所述光学相控器发出的光以这样的角度折射，即从法向到其超过45°。
19.如权利要求1所述的补偿器，其中所述光学相控器由其折射率比围绕所述光学相控器的介质的折射率大的材料制成。
20.一种适用于提高光通信系统的性能的色散补偿方法，包括以下步骤将如可以从光通信系统中所包括的光纤的一端发出的、包含多个频率的在空间上发散的光束，准直成大体准直的光束；在光学相控器中将所述大体准直的光束成角度地散射为频带模式并从所述光学相控器发射出去，由此使所述大体准直的光束分离到多个频带中，以使得在具体频带内具有特定频率的光从所述相同频带内的其他频率下的光成角度地偏移；以及将所述成角度散射的光穿过所述光学相控器反射回去，以在其入口窗附近离开所述光学相控器。
21.如权利要求20所述的方法，其中从所述准直装置发出的所述大体准直的光束具有这样的发散度，所述发散度确保对于以所述频带模式从所述光学相控器发出的所述成角度散射光中的特定波长下的任何光束，射到所述入口窗上的所述大体准直的光束中多于50％的能量衍射到少于三个衍射级中。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述回光装置包括光聚焦装置和位于所述光聚焦装置的焦平面附近的镜子，所述方法还包括以下步骤所述光聚焦装置收集从所述光学相控器发出的具有所述频带模式的所述成角度散射光以投射到所述镜子上；以及所述镜子将射到其上的光向着所述光聚焦装置反射回去。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述光聚焦装置将所述光学相控器产生的成角度散射光的所述频带模式中的每个频带投射到所述镜子上的不同位置。
24.如权利要求22所述的方法，还包括调节所述光聚焦装置和所述光学相控器隔开的距离的步骤。
25.如权利要求22所述的方法，还包括调节所述镜子的曲率的步骤。
26.如权利要求25所述的方法，其中通过弯曲所述镜子来调节所述镜子的曲率。
27.如权利要求26所述的方法，其中用于弯曲所述镜子的力选自由机械的、电的、磁的和热的构成的组。
28.如权利要求25所述的方法，其中所述镜子具有多个曲率，并且通过平移所述镜子来调节所述镜子的曲率。
29.如权利要求25所述的方法，其中所述镜子是可更换的，并且通过用具有不同曲率的另一个镜子代替所述镜子来调节所述镜子的曲率。
30.如权利要求20所述的方法，其中通过所述部分透明表面从所述光学相控器发出的光以这样的角度折射，即从法向到其超过45°。
全文摘要
公开了一种提高光通信系统的性能的光学色散补偿器(60)。该色散补偿器(60)包括接收来自光纤(30)一端的、在空间上发散的光束的准直装置(61)。准直装置(61)将在空间上发散的光束转换成从其发出的大体准直的光束。光学相控器(62)通过入口窗(63)接收来自准直装置(61)的所述大体准直的光束，并将从光学相控器(61)发射出的光束成角度散射成频带模式。回光装置(66)接收所述成角度散射的光，并将其穿过光学相控器(62)反射回去，以在光学相控器的入口窗(63)附近离开光学相控器。
文档编号H04B10/18GK1668954SQ03817004
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月15日 优先权日2002年7月16日
发明者陈永勤, 朱绯 申请人:高微光学器件有限公司