级联式奇偶数信号分离器的制作方法

专利名称：级联式奇偶数信号分离器的制作方法
技术领域：
本发明是一种级联的奇偶数信号分离器，主要可在波分复用技术中将奇偶数信号信道分离(interleaver)，此外还可用于一切需要平坦化光谱透射率函数的滤波器。
在先技术[1](参见光通信技术，冯德军等，2000，(1)，29-32)描述的是一种全光纤马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪型结构的波分复用系统器件。该在先技术同样可以用作奇偶数信号分离器，此时要求两个光纤耦合器的分束比均为1∶1，通过控制两干涉臂的长度差可使输出两端口分别得到奇数波长组信号光和偶数波长组信号光。但该在先技术对两臂光程差和第二个耦合器分束比的要求较高，而现有的耦合器拉制工艺对第二个耦合器分束比较难控制，如能有效解决耦合器拉制工艺问题，将是不错的奇偶信号信道分离滤波器的技术方案。
在先技术[2](参见Opt.Lett，K.Okamoto and H.Yamada，20(1)，1995，43-45)中所描述的是一种利用阵列波导光栅(英文简称AWG)来产生平坦化的光谱响应函数。它的设计原理基于离散傅立叶变换，通过模拟光束传播，实现了100GHz信道间隔的大于57.2Ghz的平坦光谱区域。可实现波分复用技术中的复用/解复用功能，插分复用功能和波长路由等功能。但该在先技术存在插入损耗较大，偏振相关损耗高，温度稳定性不好等缺点，实际应用中必须采用其它方法和设备消除偏振和温度等的影响，从而限制了它的应用。
在先技术[3](参见Eltctron.Lett.，W.J.Carlsen and C.F.Buhrer，23(3)，1987，106-107)描述的是一种产生平坦化光谱透射率函数的级联双折射偏振干涉技术。其采用的光学系统结构为一块起偏器和检偏器中间放置有厚度比为1∶2∶2的三块同样材料的双折射晶体波片。通过逆推计算方法计算出了所需的各块晶体相对于起偏器的偏角值(此时起偏器与检偏器平行)。但它在通带和阻带的抖动不大于1％时，只得到了一组晶体偏角值，而且在通带和阻带抖动不大于0.1％时，通带或阻带的宽度与周期的比值不到3％。故要得到抖动较小的光谱透射率函数时，该结构则需要大尺寸，高光学质量，高双折射的晶体，而这类晶体品种很少。此外所用的是高阶波片，制做困难。
本发明的构思是采用K(K≥1)块介质对级联构成的滤波器，各块介质对交面镀有薄膜，控制光在介质对中的光程差和介质对交面薄膜的反射率或透射率可使光谱透射率函数接近理想的周期矩形光谱透射率的傅立叶级数，形成奇偶数信号可靠的分离。
本发明的具体技术解决方案如下自输入光纤1沿光束前进的方向依次设有准直透镜2、偏振分束器3、偏振旋转片4、K(K≥1)块级联介质对5，其后水平地接设有第一输出偏振旋转片6、第一偏振合束器7、第一聚焦透镜8及位于该第一聚焦透镜8焦点的第一输出光纤9；由K块级联介质对5之后垂直地接设有第二输出偏振旋转片10、第二偏振合束器11、第二聚焦透镜12及位于该第二聚焦透镜12焦点的第二输出光纤13。
K块级联介质对5是依次由介质对501、介质对502…、介质对50K级联而成，每块介质对均由形状相同而折射率不同的A、B两部分介质组成，而且前K-1级介质对中的A或B的平面结构均为一五边形，是将底角等于45°的等腰梯形的一底角切掉了一个斜边为该梯形下底一部分的等腰直角三角形的五边形；第K块介质对中，A或B的平面结构均为底角等于45°的等腰梯形；前K-1级的每块介质对的A和B的上半交面镀有薄膜，而第K级介质对的A和B的交面全镀有薄膜。
介质对也可以采用各向同性材料，如具有不同折射率的玻璃。输入偏振旋转片4和第一、第二输出偏振旋转片6，10可采用旋光片或半波片。偏振分束器3和第一、第二偏振合束器7，11可采用双折射晶体或偏光棱镜组合。
级联介质对(5)的对数K＝3时，三块级联介质对在尺寸上满足如下关系光从第一块介质对交面入射到入射第二块介质对交面后的光程差与光从第二块介质对交面入射到入射第三块介质对交面后的光程差与光在第三块介质对内的光程差之比为1∶2∶2；除第三块介质对上半交面镀硅和二氧化硅多层膜外，第一块、第二块介质对上半交面和第三块介质对下半交面镀硅单层膜，各膜层反射率在1％-84％范围内。
本发明的技术效果在先技术[1]采用的是全光纤，在先技术[2]采用的是平面集成光学。本发明采用的是分立的光学元件组装技术，使用级联介质对中的介质和偏振旋转片等，利用传统光学加工和镀膜工艺技术，避免了插入损耗、偏振和温度等问题的影响，具有设备简单、工艺成熟、成本低和性能可靠等优点。
在先技术[3]采用的是晶体的双折射，本发明主要采用的是每块介质对中的两块介质的折射率差，因此不仅能生成范围很大的折射率差值，而且能达到比晶体双折射大很多的折射率差。光学玻璃的折射率为1.45-1.8，因此通过选择不同的光学玻璃可使两块介质的折射率差远大于石英晶体双折射0.0084，铌酸锂晶体双折射0.073，方解石晶体双折射0.156，因此本发明的级联介质对结构简单，优质介质易得，介质材料的选择余地大而价格低，易于实现各种大小光谱频率间隔的波分信号的奇偶分离，特别适用于高度密集波分复用信号并实现晶体干涉法以及其它方法达不到的很小的光谱频率间隔。
本发明能够得到当透过通带和阻带更平坦时，各块介质对交面薄膜的透射率或反射率的多种组合值，较在先技术3优越。
图2为

图1的级联介质对5中的各块介质对的结构图(a)为除第K块(即最后一块)以外的各块介质对的结构图，其中aj、bj、cj、dj为介质的各边长，j＝1，2…K-1；(b)为第K块(即最后一块)介质对的结构图，其中u、v、w、s为介质的各边长。
图3为光在图1中的级联介质对5中传播的光路图。
图4为具体实施方式
中产生的平坦化光谱透射率函数的波形。
K块级联介质对5依次由介质对501，502…50K级联而成，每块介质对均由A和B两部分介质组成。对K≥1级介质对而言每级介质对中的A、B两部分介质形状相同，而材料的折射率不同；各级介质对中的A介质材料可相同也可不相同，各级介质对中的B介质材料也可相同或不同；此外，前K-1级介质对中的每级介质对在外形上相似。当采用3级介质对级联时，这3级介质对在结构尺寸上满足如下关系；光从第一块介质对交面入射到入射第二块介质对交面后的光程差与光从第二块介质对交面入射到入射第三块介质对交面后的光程差与光在第三块介质对内的光程差之比为1∶2∶2。前K-1级介质对中，A(或B)的平面结构为一个五边形，是将底角等于45°的等腰梯形在一底角处切掉了一个斜边为梯形下底一部分的等腰直角三角形所形成的；第K级介质对中，A(或B)的平面结构为底角等于45°的等腰梯形。单块介质对的结构可如图2所示(a)为除第K块(即最后一块)以外的各块介质对的结构图，其中介质对中的各边长度已标出，j＝1，2…K-1；(b)为第K块(即最后一块)介质对的结构图。其中除最后一块介质对外，每块介质对的A和B的上半交面镀有薄膜，而最后一块介质对的上半交面和下半交面均镀有薄膜，且这两薄膜不同，T为薄膜的振幅透射率，R为薄膜的振幅反射率。图3为光在级联介质对5中的光路图。
准直透镜2用于对输入光纤1发射的无规偏振波分复用信号光束进行准直和扩束，准直透镜2输出平行细光束x，其入射到偏振分束器3后在水平方向上被分解为等强度的左右分离的二束偏振正交的平行光束，第一偏振旋转片4只对于左边的垂直偏振的异常光束起作用，并旋转偏振方向90°，因而第一偏振旋转片4后为二束同为水平方向偏振的平行光束，随后再进入级联介质对5。
从级联介质对5的右端面输出在水平平面内偏振态互相平行的两平行光束，从级联介质对5的下端面输出在竖直平面内偏振态互相平行的两平行光束，第一输出偏振旋转片6对于在水平平面内互相平行的左侧光束产生附加90°的偏振方向旋转，第二输出偏振旋转片10对在竖直平面内互相平行的左侧光束产生附加90°的偏振方向旋转，因此通过第一输出偏振旋转片6后，同一水平平面内的两束光偏振方向互相垂直，通过第二输出偏振旋转片10后，同一竖直平面内的两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，它使两束偏振方向正交的水平平面内平行的两光束合并为输出光束y，第二偏振合束器11在竖直方向上合并光束，它使两束偏振方向正交的竖直平面内平行的两光束合并为输出光束z。第一聚焦透镜8对于y路输出光束进行聚焦并耦合入第一输出光纤9之中，第二聚焦透镜12对于z路输出光束进行聚焦并耦合入第二输出光纤13之中。
系统中，偏振分束器3和第一偏振旋转片4用于分解无规偏振的输入光束，第一输出偏振旋转片6和第一偏振合束器7用于把滤波后的水平方向上的偏振光束再合成无规偏振的输出光束，第二输出偏振旋转片10和第二偏振合束器11用于把滤波后的竖直方向上的偏振光束再合成无规偏振的输出光束，主要目的是实现与输入光束偏振无关的工作特性。因此，所有的介质对有一定的宽度，允许能够对于偏振分束器3分解的二个光束同时进行相同的处理。
第一偏振旋转片4与第一输出偏振旋转片6(或第二输出偏振旋转片10)之间的级联介质对5是整个系统的核心，如图3，光束垂直入射介质对501的交面上的e点，一部分光被反射，另一部分光被透射，之后这两束光分别在介质A和B内发生全反射，随后垂直入射介质对502，并在其交面上的f点发生第二次反射和透射，在f点发生第二次反射和透射前，这两束光已产生了一定的位相延迟，以此方式经过多块介质对后，会在最后一块介质对503的交面出射点h处发生多个位相互不相同光的干涉，随后一路光直接从级联介质对5的B介质输出，形成输出光束N1，另一路光从级联介质对5的A介质输出，形成输出光束N2。一块介质对的偏振干涉滤波器产生余弦形的光谱透过率函数，因此，多块介质对的级联产生的光谱透过率函数不仅包含它们各自的基频项，而且有它们的和差组合项，光谱透过率函数是一个由不同光谱频率项组成的级数。通过调整和控制光在各级介质对中的光程差和介质对交面薄膜的透射率或反射率可使这个级数接近于周期性矩形函数的付立叶级数，从而产生平坦的透过通带和透过阻带，同时保持最大透过率和最小透过率分别为1和0。一.关于介质对假设各介质对中介质A的折射率为ni，A，介质B的折射率为ni，B(其中i＝1，2…K)，除最后一块介质对外的其它介质对交面的薄膜振幅透射率为Tj，振幅反射率为Rj(其中j＝1，2…K-1)，光在最后一块介质对交面入射时薄膜的振幅透射率为TK，振幅反射率为RK，光在最后一块介质对交面出射时薄膜的振幅透射率为Tp，振幅反射率为Rp。令除最后一块介质对外光从每块介质对交面入射到出射该介质对进入下一个介质对时所走的路程为Lj，光从每块介质对出射到进入下一块介质对交面时所走的路程为lj。光从入射最后一块介质对交面到出射最后一块介质对交面时所走的路程为LK。并且可让光以45°角入射各介质对的交面和以45°角在各介质内发生全反射。光在介质A和B中发生全反射而产生的位相变化δi，A(B)有如下关系S偏振tgδi,A(B)2=-sin2θ-n2cosθ----(1-1)]]>P偏振tgδi,A(B)2=sin2θ-n2n2cosθ---(1-2)]]>(其中θ为入射角，n=n0ni,A(B),]]>n0为空气的折射率，ni，A(B)为所在介质的折射率，i＝1，2…K)光从入射一个介质对交面到进入下一个介质对交面所产生的位相变化为tj=(δT,j-δR,j)+(δj,B-δj,A)+2πλ·(nj,B-nj,A)·L1+2πλ·(nj+1,B-nj+1,A)·lj---(2-1)]]>(其中，δR，J和δT，J为光经过各介质对交面薄膜后反射光和透射光所产生的位相变化，δj，A和δJ，B为光在各介质对的介质A和B中全反射所产生的位相变化，j＝1，2…K-1)当n1，A＝n2，A＝…＝nJ，A＝n1，和n1，B＝n2，B＝…＝J，B＝n2时tj=(δT,j-δR,j)+(δj,B-δj,A)+2πλ·(n2-n1)·(Lj+lj)---(2-2)]]>而光从入射最后一块(即第K块)介质对交面到出射该介质对交面所产生的位相变化为tk=(δT,K--δR,K)+(δK,B-δK,A)+(δT,p-δR,p)+2πλ·(nK,B-nK,A)·LK---(3-1)]]>(其中δR，K和δT，K为光经过最后一块介质对交面的入射处薄膜后反射光和透射光所产生的位相变化，δR，p和δT，p为光经过最后一块介质对交面的出射处薄膜后反射光和透射光所产生的位相变化)当nK，A＝n1，和nK，B＝n2时tk=(δT,K-δR,K)+(δK,B-δK,A)+(δT,p-δR,p)+2πλ·(n2-n1)·LK---(3-2)]]>每个介质对的相位延迟可以表达为偏振干涉的光谱周期Δfi或时延γiΔfi=1γi=Ctiλ2π---(4)]]>其中C为光速，λ为波长。二.光谱透射率函数的表达式根据琼斯矩阵理论，每一个光学元件都可用一个2×2的矩阵来表示，整个系统可用所有光学元件的矩阵相乘来表示，通过系统后出射光的偏振态为入射光的矢量表示与整个系统的矩阵表示相乘。该系统的光谱透射率函数可表示为t(f)＝t0+t1cos(2πγ′1f)+t2cos(2πγ′2f)+t3cos(2πγ′3f)+…+tncos(2πγ′nf)+…(5)其中，tn是与各级介质对交面薄膜的振幅透射率(或振幅反射率)有关的系数，γn为γ1，γ2，γ3，…，γK的单独或者其任意组合的差项，和项或者和差项。三.奇偶信号的分离本器件的核心元件滤波器为由k个介质对级联所构成的级联介质对5，如前所述，一束光入射级联介质对5时，由于各介质对交面镀有薄膜，在第一个介质对交面薄膜处光被分成两束，一束为透射光，另一束为反射光，这两束光分别在介质A和B内发生全反射后垂直入射下一介质对，并在其交面薄膜处又分别发生透射和反射，在此处发生透射和反射前，这两束光已经产生了一定的位相延迟(如式(2-1)(2-2)所示)，按此方式，则经过多个介质对后会在最后一个介质对交面薄膜的出射点处发生多个位相互不相同光的干涉(其中光经过最后一个介质对所产生的位相变化如式(3-1)(3-2)所示)，光通过多个级联介质对所产生的光谱透射率函数如式(5)所示(它与各介质对交面薄膜的振幅透射率(或反射率)和光在各介质对中所产生的位相变化有关)，为使奇偶信号得到分离，我们通过控制各介质对交面薄膜的振幅透射率(或反射率)和光在各介质对中所产生的位相变化，使该光谱透射率函数的表达式接近周期矩形函数的表达式，即产生具有平坦通带和平坦阻带的平坦化光谱透射率，同时保持最大透射率为1，最小透射率为0，从而使处于通带的奇信号与处于阻带的偶信号得到分离，分别从两个端口输出。四.其它上述所说的输入偏振旋转片4和第一、二输出偏振旋转片6、10可以采用旋光片或者半波片。其中旋光片由双面抛光的旋光晶体构成，旋光晶体的旋光率为α(度/毫米)，当相对于入射旋转片的入射光的偏振方向旋转偏振角度θ时，旋光片的通光长度d(mm)为d=θα---(6)]]>当使用半波片，所需的偏振旋转角度为θ时，半波片的快轴(或慢轴)与输入光的偏振方向的夹角β为β=θ2---(7)]]>上述所说的偏振分束器3和第一、二偏振合束器7、11可以采用双折射晶体块或者偏光棱镜组合，上述所说的K块级联介质对5中的各块介质对501，502…50K的介质A和B可以采用各向同性材料如玻璃。K块级联介质对5中的介质对501，502…50K旋转时其产生的位相延迟会发生变化，这可以用于光谱带宽的微调谐。
三块介质对级联构成级联介质对5时，各介质对交面薄膜可采用的反射率参见下表

(其中r1、r2分别为第一和第二块介质对交面薄膜的反射率，r3为第三块介质对上半交面薄膜的反射率，rp为第三块介质对下半交面薄膜的反射率)图1是本发明K＝3的实施例的光学系统结构示意图。本实施例主要用于50GHz波分复用信号的奇偶分离，分离后的波分复用信号频率间隔为100GHz。频率范围为193.35-193.55THz，对应的波长在1548.91-1550.52nm波段。整体结构见附图1，采用三级介质对级联(即K＝3)，每级介质对中的介质A选材相同，每级介质对中的介质B选材也相同，且均选用光学玻璃，一个牌号为BK7，另一个牌号为SF11，即介质A和B的折射率分别为n1,A＝n2,A＝n3,A＝n1＝1.50065，n1,B＝n2,B＝n3,B＝n2＝1.74474。偏振分束器和偏振合束器都采用单块自然切割的光束入射面与出射面相平行的方解石晶体块，偏振旋转片都是石英半波片，半波片的快轴(或慢轴)与输入光的偏振方向的夹角β为45°，并假定无规偏振的信号光A经偏振分束器3和第一偏振旋转片4后入射到级联介质对5的信号光是S偏振的。光以45°角入射各介质对的交面和以45°角在各介质内发生全反射。
以表中的r1＝50％，r2＝16.54％，r3＝75％，rp＝2.45％为例进行实施。采用镀膜工艺除第三块介质对上半交面镀硅和二氧化硅外，其它三处的交面镀膜处只需镀硅即可。当L1+l1＝12.281mm，L2+l2＝24.563mm，L3＝24.565mm时即可产生平坦化的光谱透射率函数，用于奇偶信号分离。进一步计算可得，a1＝6.1405mm，b1＝4.34264mm，c1＝d1＝3.07025mm，e1＝8.68529mm；a2＝12.2815mm，b2＝8.68564mm，c2＝d2＝6.14075mm，e2＝17.37129mm；u＝w＝12.2825mm，v＝8.68635mm，s＝26.05905mm。
附图4为该实施例的平坦化光谱透射率曲线。
权利要求
1.一种级联式奇偶数信号分离器，包括输入光纤(1)、第一输出光纤(9)和第二输出光纤(3)，其特征在于(1).自输入光纤(1)沿光束前进的方向依次设有准直透镜(2)、偏振分束器(3)、偏振旋转片(4)、K(K≥1)块级联介质对(5)，其后水平地接设有第一输出偏振旋转片(6)、第一偏振合束器(7)、第一聚焦透镜(8)及位于该第一聚焦透镜(8)焦点的第一输出光纤(9)；(2).由K块级联介质对(5)之后垂直地接设有第二输出偏振旋转片(10)、第二偏振合束器(11)、第二聚焦透镜(12)及位于该第二聚焦透镜(12)焦点的第二输出光纤(13)。
2.根据权利要求1所述的奇偶数信号分离器，其特征在于所述的K块级联介质对(5)是依次由介质对(501)、介质对(502)…、介质对(50K)级联而成，每块介质对均由形状相同而折射率不同的A、B两部分介质组成，而且前K-1级介质对中，A或B的平面结构均为一五边形，是将底角等于45°的等腰梯形的在一底角处切掉了一个斜边为该梯形下底一部分的等腰直角三角形后所形成的五边形；第K级介质对中，A或B的平面结构均为底角等于45°的等腰梯形；前K-1级的每块介质对的A和B的上半交面镀有薄膜，而第K级介质对的A和B的交面全镀有薄膜。
3.根据权利要求2所述的奇偶数信号分离器，其特征在于所述介质对可以采用各向同性材料，如具有不同折射率的玻璃。
4.根据权利要求1所述的奇偶数信号分离器，其特征在于所述的输入偏振旋转片(4)和第一、第二输出偏振旋转片(6，10)可采用旋光片或半波片。
5.根据权利要求1所述的奇偶数信号分离器，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)可采用双折射晶体或偏光棱镜组合。
6.根据权利要求2所述的奇偶数信号分离器，其特征在于所述的级联介质对(5)数K＝3。
全文摘要
一种级联式奇偶数信号分离器，包括输入光纤、第一输出光纤和第二输出光纤，其特征在于自输入光纤沿光束前进的方向依次设有准直透镜、偏振分束器、偏振旋转片、K(K≥1)块级联介质对，其后水平地接设有第一输出偏振旋转片、第一偏振合束器、第一聚焦透镜及位于该第一聚焦透镜焦点的第一输出光纤；由K块级联介质对之后垂直地接设有第二输出偏振旋转片、第二偏振合束器、第二聚焦透镜及位于该第二聚焦透镜焦点的第二输出光纤。本发明的分离器容易实现各种大小光谱频率间隔的波分信号的奇偶分离，能够达到很小的光谱频率间隔，光学元件加工和装校工艺简单、成本低和可靠性高。
文档编号G02B5/20GK1422030SQ02159099
公开日2003年6月4日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者刘立人, 张娟, 周煜, 祖继锋, 栾竹, 刘德安, 周常河 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所