专利名称：一种新颖的interleaver温度补偿方法
技术领域：
本发明涉及光纤通讯中的interleaver器件(interleaver是一种DWDM系统的分波合波器件。其区别于其他分波合波器件在于FSR(自由光普区)非常小。一般来说，100GHz，50GHz的FSR的分波合波器件称为interleaver)，特别涉及光纤通讯中的interleaver器件的温度补偿技术。
近几年，随着光纤放大器(EDFA)的出现及迅速商用化，密集波分复用(DWDM)系统的各种器件取得了突破性的进展。自从1996年DWDM系统应用以来，网络的信息容量及传输速度有了很大的改善，各种DWDM技术也正在不断地发展和完善中。interleaver就是其中一种具有优异性能的DWDM分波器件。但由于其FSR(自由光普区)非常窄，达到100GHZ、50GHZ甚至更小，同时，为了减小光源中心波长因温度变化或老化而产生漂移的影响，从而对interleaver器件提出了严格的要求如方波波长响应、波峰顶部平坦、良好的对比度和隔离度、色散补偿，以及为了让interleaver器件能在各种温度条件下都能保持原有的工作性能而对温度进行补偿等等。
目前常规的晶体型interleaver温度补偿技术是采用具有互补温度性能的两种晶体匹配在一起，从而使光程差随温度的变化而保持恒定。如采用YVO4与KTP两种晶体作相互温度补偿。其结构如
图1所示101为YVO4晶体，102为KTP晶体，在不受温度影响的情况下，偏振光103垂直入射到YVO4晶体101和KTP晶体102中，光通过YVO4晶体101、KTP晶体102后，出射光104为具有两种不同偏振态的光束。在温度变化的影响下，由于所选的两块晶体YVO4和KTP具有折射率随温度变化相反的特性，光在YVO4晶体101中的光程差改变量可从KTP晶体102中的光程差改变量中获得补偿，从而使光程差不随温度的改变而发生变化。此种方法虽好，但在实际情况中，YVO4晶体与KTP晶体并不能很好地匹配，事实上，图1所示的晶体型interleaver温度补偿非常困难。也就是说，很难在实际应用中，某一块晶体完全补偿另一块晶体因温度变化而引起的光程差。图1中a代表光轴方向。
本发明的目的在于设计一种新的interleaver温度补偿方法，通过该方法达到匹配材料选取范围广，补偿精度高，实施方便的温度补偿目的。
本发明的具体方法是采用两块或三块形状为梯形的双折射晶体构成晶体波片，其中两个相邻的楔面相互平行，且夹角为θ，两个端面互相平行，且垂直于轴线0-0，其中一块或二块双折射晶体的衬底材料即衬底X是由金属件或有机玻璃构成，另一块双折射晶体的衬底材料即衬底Y是超低膨胀材料构成，衬底Y的材料热膨胀系数相对衬底X来说小2-4个数量级，两相邻楔面间应留有一小间隔。衬底X和衬底Y以及θ角及晶体的选取应满足如下公式其中两块双折射晶体ddif(θ，ΔT)＝(ndiff×d+lno(θ)-deviation(θ)/(ndiff)+(ndiff×d+lno(θ)-deviation(θ))×c ×ΔT/(ndiff)ldelay(ΔT)＝(n0e+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT))×ddif(θ，ΔT)+deviation(θ)-(s×cos(θ)×tan(β)-S×tan(α)×cos(θ))×(n0o+no(ΔT)×sin(θ)-ndiff×dS(θ)＝ldelay(ΔT)/(tan(θ)×c×(noe+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT)×ΔT)W1＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+S/(C×ΔT)W2＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+L2×C1×(ΔT/(2))+S/C×ΔT其中三块双折射晶体ddif(θ，ΔT)＝(ndiff×d+lno(θ)-2deviation(θ)/(ndiff)+(ndiff×d+2lno(θ)-2deviation(θ))×c×ΔT/(ndiff)ldelay(ΔT)＝(n0e+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT))×ddif(θ，ΔT)+2deviation(θ)-2(s×cos(θ)×tan(β)-S×tan(α)×cos(θ))×(n0o+no(ΔT)×sin(θ)-ndiff×dS(θ)＝ldelay(ΔT)/(2tan(θ)×c×(noe+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT)×ΔT)W1＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+S/(C×ΔT)W2＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+L2×C1×(ΔT/(2))+S/C×ΔT三块双折射晶体中的中间一块双折射晶体为等腰梯形，两邻的楔角面间的最大间距应小于3mm。
采用如上方法制作的温度补偿装置匹配材料选取范围广，补偿精度高，相对已有技术实施方便，是一种新颖的补偿技术。
它的特点是材料选取方便，设计简单，易于控制，容易装配，较常规的温度补偿方法更易于精确补偿和实现材料的匹配问题。本发明有可能成为今后晶体型interleaver温度补偿的方案之一。
下面结合实施例具体说明图1为已有技术示意图。
图2为本发明二块双折射晶体的结构示意图。
图3为本发明三块双折射晶体的结构示意图。
图4为光程差改变量随温度变化的曲线图。
图5为衬底厚度随楔角角度变化的曲线图。
如图2所示，201、202为双折射晶体，两者形状为梯形，两个相邻楔面和两个端面B面和C面分别互相平行，两相邻楔面最大间隔不大于1mm。L1、L2分别为双折射晶体201、双折射晶体202的上边长度。对于FSR＝100GHZ的YVO4晶体来说，晶体长度为7.351mm，为了避免光胶现象的出现和控制O光与E光的偏离量以及所引入的附加光程差，我们选取空气隙长度为1～3μm。衬底X203为金属件或有机玻璃，衬底Y204为低热膨胀材料，如Corning公司出产的ULE、Zerodur材料，其热膨胀系数分别为±0.03×10-6/K和0.5×10-6/K，比衬底X203低2～4个数量级，从而可忽略衬底Y204因温度影响而引入的横向位移量；亦可通过衬底X203材料的匹配选取或适当调整衬底X203的厚度和宽度来补偿因衬底Y204随温度变化而引入的横向、纵向位移量。衬底X203的左上顶点、右下顶点，和衬底Y204的右上、右下顶点周硬胶胶合，即图中黑圆点所示。衬底X203的左下、右上顶点用软胶胶合，即图中圆圈所示。由于两个双折射晶体之间有一间隔长度为1～3μm的空气，从而导致O光和E光的偏离，并引入附加光程差，在空气隙长度取2μm的情况下，O光和E光的偏离为0.11μm，引入的附加光程差为4.8254×10-5mm，这种量级的偏移是可忽略的。而且通过适当选取楔角的角度，同时略微对晶体长度L1+L2进行调整，所引入的附加光程差是完全可以被补偿的。调整后的L1+L2的长度为7.3520mm。因为O光和E光的偏移量非常小，在多级级连的情况下仍然可忽略其影响。
本发明的温度补偿方法是采用金属件或有机玻璃自身尺寸随温度的变化的特性来补偿双折射晶体因温度变化而引起的光程差变化。由于两块相同晶体的引入，双折射晶体的横轴方向因温度变化而引入的自身尺寸的变化可相互抵消；而纵轴上的尺寸变化和折射率随温度变化而导致的光程差变化以及空气隙所引入的附加光程差完全由衬底X203横向上的膨胀或收缩改变双折射晶体201的通光长度来补偿；同时由于衬底X203纵向上的膨胀或收缩，可以使两楔角之间的间隔长度始终不随温度变化而发生改变。当温度升高时，衬底X203受热膨胀，横向上使双折射晶体201上升，从而改变光在双折射晶体201里的通光长度，同时由于衬底X203纵向上的膨胀，使得双折射晶体201朝左移动，从而使双折射晶体201与双折射晶体202之间的间隔维持不变。当温度下降时，衬底X203受冷收缩，横向上使双折射晶体201下降，从而改变光在双折射晶体201里的通光长度，同时由于衬底X203纵向上的收缩，使得双折射晶体201朝右移动，从而使双折射晶体201与双折射晶体202之间的间隔维持不变。
为了消除O光和E光的偏离，本发明还可以采用以下结构，如图3所示，为三块双折射晶体，即301、302、303为双折射晶体，其中302为等腰梯形，衬底Y304为低热膨胀材料，如Corning公司出产的ULE、Zerodur材料，其热膨胀系数分别为±0.03×10-6/K和0.5×10-6/K0衬底X 305、306为金属件或有机玻璃，衬底Y304的热膨胀系数相对于衬底X所使用的材料低2～4个数量级，从而可忽略衬底Y304因温度的影响而引入的横向、纵向位移量；亦可通过衬底X305、306材料的选取或厚度和宽度的适当调整来补偿衬底Y304因温度变化而引入的横向、纵向位移量。三块晶体的横向位移量可互相低消。而纵轴上的尺寸变化和折射率随温度变化而导致的光程差变化以及空气隙所引入的附加光程差完全由衬底X 305、306横向上的膨胀或收缩改变双折射晶体302，双折射晶体303的通光长度来补偿；而衬底X305、306纵向上的膨胀或收缩，使得双折射晶体301与双折射晶体302，双折射晶体301与双折射晶体303之间的间隔始终维持不变。对于FSR＝100GHZ的YVO4晶体来说，晶体长度为7.351mm。为了补偿空气隙所引入的附加光程差，晶体长度L1+L2+L3调整为7.3521mm，衬底X 305的左上、右下顶点和衬底X306的右上、左下顶点用硬胶胶合，衬底X305的右上、左下顶点和衬底X306的左上、右下顶点用软胶胶合。此种结构可消除O光和E光的偏离现象，使出射光308仍为一束光。三块晶体的楔面互相平行，各楔面之间有一小间隔，两端面互相平行。由于光程差在-40℃到85℃范围内的变化是接近于线性的，所以本发明的温度补偿方法是非常具有实用性的。光程差的改变量和温度的关系由下式给出其中两块双折射晶体ddif(θ，ΔT)＝(ndiff×d+lno(θ)-deviation(θ)/(ndiff)+(ndiff×d+lno(θ)-deviation(θ))×c×ΔT/(ndiff)ldelay(ΔT)＝(n0e+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT))×ddif(θ，ΔT)+deviation(θ)-(s×cos(θ)×tan(β)-S×tan(α)×cos(θ))×
(n0o+no(ΔT)×sin(θ)-ndiff×d其中三块双折射晶体ddif(θ，ΔT)＝(ndiff×d+lno(θ)-2deviation(θ)/(ndiff)+(ndiff×d+21no(θ)-2 deviation(θ))×c×ΔT/(ndiff)ldelay(ΔT)＝(n0e+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT))×ddif(θ，ΔT)+2deviation(θ)-2(s×cos(θ)×tan(β)-S×tan(α)×cos(θ))×(n0o+no(ΔT)×sin(θ)-ndiff×dddif(θ，ΔT)为O光和E光传输的相同长度光程差随温度变化的改变量。n0e，n0o为20℃时，E光和O光的折射率；d为双折射晶体FSR＝100GHZ所对应的晶体长度；C为双折射晶体的热膨胀系数；ndiff为标准状态下的O光和E光的折射率差；lno(θ)为O光比E光多传输的距离的光程差；deviation(θ)为O光和E光在单个空气隙中产生的光程差；ne(ΔT)，no(ΔT)为E光和O光折射率随温度的改变量；ΔT为温度改变量；θ为楔角角度；α、β为O光、E光折射角；s为空气隙长度。其光程差改变量随温度变化的曲线如图4所示。
本发明的温度补偿方法的关键在于补偿量是由衬底X的热膨胀系数、衬底X的厚度和双折射晶体的楔角大小共同决定的。双折射晶体横向长度随温度变化的改变量可相互抵消。两者的楔面互相平行且间隔为1～3μm。若取折射晶体的楔角角度为10°，衬底X的热膨胀系数为39.5×10-6/K，则衬底X203的厚度为23.846mm，衬底X305、306的厚度为11.923mm。若采取膨胀系数为120×10-6/K的有机玻璃作为衬底，则衬底材料的厚度分别减小到7.849mm和3.924mm。厚度与楔角角度和材料的热膨胀系数关系以及宽度与热膨胀系数和空气隙长度的关系由以下公式给出其中二块双折射晶体S(θ)＝ldelay(ΔT)/(tan(θ)×c×(noe+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT)×ΔT)W1＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+S/(C×ΔT)W2＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+L2×C1×(ΔT/(2))+S/C×ΔT其中三块双折射晶体S(θ)＝ldelay(ΔT)/(2tan(θ)×c×(noe+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT)×ΔT)W1＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+S/(C×ΔT)W2＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+L2×C1×(ΔT/(2))+S/C×ΔT其中θ为楔角，ldelay(ΔT)为光程差改变量，S(θ)为材料厚度，C为衬底X的热膨胀系数，C1为双折射晶体的热膨胀系数，ΔT为温度改变量，W1为衬底X203的宽度，W2为衬底X305、306的宽度，S为空气隙长度。衬底厚度随楔角角度变化的曲线如图5所示。
权利要求
1.一种新颖的interleaver温度补偿方法，其特征在于采用二块或三块形状为梯形的晶体构成晶体波片，该晶体波片中两个相邻的楔面相互平行，且夹角为θ，两个端面B面和C面相互平行，并且垂直于轴线0-0，其中一块或二块双折射晶体的衬底材料即衬底X是由金属件或有机玻璃构成，另外一块的双折射晶体的衬底材料即衬底Y是由超低膨胀材料构成，衬底Y的热膨胀系数相对衬底X来说小2-4个数量级，两相邻楔面间应留有小间隔。
2.根据权利要求1所述的一种新颖的interleaver温度补偿方法，其特征在于衬底材料与楔角θ及双折射晶体的选取应满足其中两块双折射晶体ddif(θ，ΔT)＝(ndiff×d+lno(θ)-deviation(θ)/(ndiff)+(ndiff×d+lno(θ)-deviation(θ))×c×ΔT/(ndiff)ldelay(ΔT)＝(n0e+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT))×ddif(θ，ΔT)+deviation(θ)-(s×cos(θ)×tan(β)-S×tan(α)×cos(θ))×(n0o+no(ΔT)×sin(θ)-ndiff×dS(θ)＝ldelay(ΔT)/(tan(θ)×c×(noe+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT)×ΔT)W1＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+S/(C×ΔT)W2＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+L2×C1×(ΔT/(2))+s/C×ΔT其中三块双折射晶体ddif(θΔT)＝(ndiff×d+lno(θ)-2deviation(θ)/(ndiff)+(ndiff×d+2lno(θ)-2deviation(θ))×c×ΔT/(ndiff)ldelay(ΔT)＝(n0e+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT))×ddif(θ，ΔT)+2deviation(θ)-2(s×cos(θ)×tan(β)-S×tan(α)×cos(θ))×(n0o+no(ΔT)×sin(θ)-ndiff×dS(θ)＝ldelay(ΔT)/(2tan(θ)×c×(noe+ne(ΔT)-n0o-no(ΔT)×ΔT)W1＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+S/(C×ΔT)W2＝(L1+L2)×C1×(ΔT/(2))+L2×C1×(ΔT/(2))+S/C×ΔT
3.根据权利要求1所述的一种新颖的interleaver温度补偿方法，其特征在于其中两块双折射晶体的两相邻的楔面间隔应小于1mm，三块双折射晶体的两相邻的楔面间隔应小于3mm，三块双折射晶体的中间一块为等腰梯形。
全文摘要
一种新颖的interleaver温度补偿方法，是采用二块或三块形状为梯形的晶体构成晶体波片，该晶体波片中两个相邻的楔面相互平行，且夹角为θ，两个端面B面和C面相互平行，并且垂直于轴线0－0，其中一块或二块双折射晶体的衬底材料即衬底X是由金属件或有机玻璃构成，另外一块的双折射晶体的衬底材料即衬底Y是由超低膨胀材料构成，衬底Y的热膨胀系数相对衬底X来说小2－4个数量级，两相邻楔面间应留有小间隔，它的特点是材料选取方便，设计简单，易于控制，容易装配，较常规的温度补偿方法更易于精确补偿和实现材料的匹配问题。本发明有可能成为今后晶体型interleaver温度补偿的方案之一。
文档编号G02B7/00GK1394026SQ01113750
公开日2003年1月29日 申请日期2001年7月2日 优先权日2001年7月2日
发明者吴砺, 凌吉武, 梁锋, 曾和平 申请人:福建华科光电有限公司