专利名称：基于tff的三端口消偏振可调谐光滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能消除偏振相关损耗以及偏振光分离现象的三端口可调谐光滤波器。具体地说，涉及到一种基于薄膜干涉滤波(TFF)技术的三端口可调谐光滤波器。该三端口可调谐光滤波器可被广泛应用于密集波分复用系统中的关键器件之一的可重构的光路上下复用/解复用器ROADM；还可应用在光性能监测仪OPM中从而简化光电转换以及监测设备；还能同宽带光源结合构成可调谐光源；另外它还可以应用在传感网络等诸多方面。
背景技术：
目前可用于可调谐光滤波器的技术较多，主要有F-P腔型、声光可调滤波器型和光纤布拉格光棚型等。其中，声光可调滤波器利用的是声光效应，其调谐速度快，但是制造成本高，而且其相邻通道隔离度较差，不适合于DWDM系统；光纤光栅型可调谐光滤波器利用的是光纤布拉格衍射特性，采用控制温度变化来调节应力的方法，其带宽和相邻通道隔离度都较好，可用于DWDM系统，但是其调谐范围小，容易受外界环境的影响，长期稳定性也不够好，事实上一直都没有实现实际工程应用；单腔的F-P腔型可调滤波器利用的是多光束干涉效应，现在国际上这种类型的两端口可调谐滤波器的供应商较多；国内有关单位(上海微系统所和光迅科技公司)在前期“863”项目的支持下，2005年已经成功开发出了样品，可望在近期实现批量生产和销售。但是由于这种器件的透射曲线是一个尖峰，带宽窄，对PayLoad信号(特别是10G以上信号)有伤害，而且其相邻通道隔离度较差，因此一般可用于信道监控等，但不能用于DWDM信号上下路提取，也无法构成ROADM器件。在DWDM系统实际应用中，三端口可调滤波器的作用极为重要。三端口可调滤波器能在选择性滤出某一波长光信号的同时，不影响其他非滤波波长信号的继续向前传输，其他信号能经由器件的另一个端口输出。
目前广泛用于DWDM系统中的固定波长多腔干涉薄膜三端口滤光片的技术已经相当成熟，有通带宽，隔离度高和稳定性好的特点。这种滤波器最初是由美国Bell实验室在上世纪70~80年代关于自聚焦透镜棒及其应用方法的发明(US4111524，US4474424)的基础上开发成功的。它的结构包括一个固定波长的薄膜滤波器，一对对称于薄膜滤波器放置的光纤准直器，其中连接到多路光信号输入端的是双芯光纤准直器，而另一端则是一个单芯光纤准直器。如图1所示。
其工作原理是多路波长的光信号经由光纤耦合到一个双芯光纤准直器，信号光经过光纤准直器出来后为一束扩散后的准直平行光，照射到固定波长(如λ1)的薄膜滤光片上，薄膜滤光片透射λ1波长的光信号经过另一端的单芯光准直器后输出，并将剩余波长的光信号以及其微小的角度偏差反射回原双芯光纤准直器，再由其耦合到另一根光纤输出。该方案的滤光单元的滤光波长是固定的，不具有可调性。
在利用这种多腔干涉薄膜DWDM滤光片的特性来实现三端口可调谐光滤波器方面，国外已经发展了两种技术，一个是日本SANTEC公司，该技术使用的是非均匀的多腔薄膜滤光片，整个滤光片在不同位置上镀制的薄膜厚度不同，因此其入射光在该滤光片上的不同入射位置，有着不同的滤波特性，再用一个步进电机推拉移动该薄膜滤光片，以改变入射光在滤光片上的入射位置。如图2所示，该方案通过步进电机对滤光片的调谐，来达到可调谐滤波的效果。该方案的一大难点在于其非均匀薄膜滤光片的制备，目前只有日本SANTEC公司一家能制备这样高精度的非均匀薄膜滤光片，价格很高。另外由于该方案要求在薄膜滤光片上下位置移动时，上下左右不能有任何转动(平行度＜0.05度)，对机械加工的精度要求非常高，为保证长期稳定性，对封装和材料的要求也非常高。SANTEC公司的市场人员承认，他们的这种可调谐光滤波器实际上只适合作为仪表使用，在电信设备中使用，成本可能太高。事实上在SANTEC公司的产品目录上(http://www.santec.com/products/instruments.htm#OTF-930)，这种可调谐光滤波器的确归为仪表类。
另一个是美国AFOP公司2005年获得授权的编号为US6943938的专利，该方案利用一个薄膜滤光片和一个全反射镜垂直放置构成一个滤波器件。如图3所示，通过转动该滤波器件来实现可调谐滤波，从面构成了一个三端口的可调谐滤波器。该方案的问题在于其反射光束在滤被器件偏转的调谐过程中，会不断有一定的上下位置漂移，因此反射光路的光纤准直器必须跟着上下移动。这样就给反射光信号的接收增添很大的难度，对相应的机械件的加工精度要求也就非常高。
另外值得一提的是国内山东招金光电子科技有限公司在2003年也曾经申请了一项专利(公开号CN1632633A)。但该专利只是一个两端口的可调滤波器设计。如图4所示，它也是通过转动滤光片来实现可调谐滤波。但是在设计中，使用了双折射晶体将入射光分解成正交的并在空间上分开的两路平行子光束，再通过半波片和法拉第旋转器的使用将两路子光束调整为同一偏振态，这样可以实现更大范围的可调谐滤波并有效的减小了器件的偏振相关损耗。滤光片滤波后，经过反射镜的反射透射信号按原路径返回滤光片，再次透射后双折射晶体可以将返回的两路子光束合并为一个沿与入射光不同路径传播的单光束，并经透镜聚焦至双芯光纤的另一根光纤输出。该方案的光路结构比较复杂，大量使用的透镜、半波片、契型棱镜、法拉第旋转器等器件使得光路的实际实现相当复杂，并增加了器件的损耗。它的关键缺点在于它只是一个两端口的可调谐滤波器，滤波后，其他非滤波波长光信号都被散射掉了，所以它并不适合在DWDM系统中光路上下复用/解复用器的实际应用。
实际上到目前为止，全世界光电子器件市场上还没有一种价格较低并且可以实际应用于DWDM系统的信号光路上下(复用/解复用)的三端口可调谐光滤波器。
光迅公司在上述这些专利的基础上，最近曾申请过一个基于薄膜干涉滤波技术的三端口可调滤波器的专利，专利申请号200610019489，该专利的实施方案如图5所示。该方案使用的是改进膜系的一对平行放置的均匀薄膜滤光片来实现可调谐光滤波器。其工作原理是当外部多路复用的光信号经由光环形器和单芯光纤准直器(或双芯光纤准直器)后到达保持平行放置的两块均匀厚度的薄膜干涉滤光片，这样两个薄膜滤光片在相同入射角度的光信号入射点有着相同的滤波特性，能透射相同波长的光信号。剩余波长的光信号经过再次反射后就能到达垂直于反射光路放置的全反射镜。光信号经过全反射镜反射后，按同样的光路被两个薄膜滤光片依次反射回到输入端的单芯光纤准直器和光环形器，后经由另一根光纤输出，这样就完成了一路波长光信号的滤波。需要滤出另一路波长的光信号时，改变两个平行放置的均匀薄膜滤光片的倾斜角度，即改变薄膜滤光片的入射光角度，这样就可以滤出另一路光信号。通过同步转动两个平行的薄膜滤光片，不断改变入射光的角度就可以实现可调谐光滤波器的功能。
该专利的另一个实施方案如图6所示，不同之处在于输入端用双芯光纤准直器代替输入端光环形器和单芯光纤准直器的组合。
该专利由步进电机来调节两个平行薄膜滤光片的倾斜角度，从而决定每一路波长光信号的滤波过程。优点在于结构简单；使用灵活；光路可靠；通过设计并改进优化后的膜系能具有较大的调谐范围，其偏振相关损耗较低；双级薄膜滤光片滤波提高了信道隔离度等等。
但是该方案还存在一个问题，虽然设计并优化膜系后的滤光片在较大角度入射时两个偏振光的中心波长对得较准，从而使得偏振相关损耗较低。但是随着调谐角度的加大，由于两个偏振光带宽的变化，透射光会不可避免的出现偏振光分离现象，如图8(2)所示。这种偏振光分离到一定程度会影响器件的滤波性能，限制了调谐范围的进一步扩大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于薄膜干涉滤波技术TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，它的滤光单元不仅可以实现滤光波长可调，而且能够消除偏振相关损耗以及偏振光分离现象，调谐范围能更大，性能更好。同时由于监测Tap/PD及反馈控制电路的引入，对机械部件加工精度的要求降低。
本发明的技术方案是基于TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，它有一组或多组可调谐滤光单元，其一组可调谐滤光单元，包括连接到多路光信号输入端的光环形器，一个薄膜滤光片，一对置于薄膜滤光片前后且在同一光路上的偏振分束器A和B，其特征在于偏振分束器A将输入信号光分离成P光和S光平行输出，P光路中放置半波片C将P光旋转为p-S光，两路平行的S光到达薄膜滤光片，薄膜滤光片的法线倾斜于平行的两路S光路放置，半波片D将S光旋转为s-P光，偏振分束器B将调整后的P光和S光合成一般光信号后输出；反射镜E与薄膜滤光片平行放置，反射镜E后放置反射镜F，反射镜F垂直于两条平行光路。
如上所述的基于TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，其特征在于在薄膜滤光片两侧没有半波片的两条光路上，分别放置一块与半波片厚度相似的玻璃片。
如上所述的基于TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，其特征在于偏振分束器B后的光路中放置的Tap/PD分光探测器，与数字信号处理器DSP芯片和步进电机的驱动器依次电连接，薄膜滤光片和反射镜E固定安装在步进电机驱动的转动件上。
本发明的工作原理当外部多路复用的光信号(如40路)经由光环形器到达偏振分束器A，偏振分束器A将输入光信号的偏振态分离成P光和S光后平行输出，半波片C处于P光的光路上并将P光旋转为S光。调整后的两路S光信号到达倾斜于两路平行S光信号放置的均匀厚度薄膜干涉滤光片后，薄膜滤光片滤出λi波长的两路S光信号，半波片D将一路S光信号旋转为P光后经由另一个对称放置的偏振分束器B合光后输出。
同时该薄膜滤光片反射剩余波长的两路平行S光信号到另一个平行于薄膜滤光片放置的反射镜E，并始终保持二者平行。这样剩余波长的S光信号经过再次反射后就能到达垂直于反射光路放置的全反射镜F。两路S光信号经过全反射镜E和F的依次反射后按同样的光路被薄膜滤光片反射，其中一路S光被半波片C旋转为P光，两路平行反射回的P光和S光被偏振分束器A合光后回到光环形器并经由另一根光纤输出，这样就完成了一路波长光信号的分离。需要滤出另一路波长的光信号时，改变两个平行放置的薄膜滤光片和反射镜E的倾斜角度，即改变滤光片的入射光角度，就可以滤出另一路光信号。通过同步转动两个平行放置的薄膜滤光片和反射镜E，不断改变入射光的角度就可以实现可调谐滤波的过程。
由于偏振分束器A和B、半波片C和D的使用，使得薄膜滤光片调谐透射的是多路光信号中的S偏振光，这样仅对一个偏振态的调谐不会产生偏振相关损耗以及偏振分离现象。而在输入和输出端，由于半波片又将一路S光旋转回P光，所以对各个端口的光信号都无影响。值得一提的是半波片的引入在反射光路中会带来一定的PMD(偏振色散)，但因为半波片的厚度很薄，小于0.2mm，因此它所引起的PMD对通信信号的影响可以忽略不计。为了消除半波片所带来的PMD，也可以在没有半波片的两条光路上放置两块与半波片厚度相似的玻璃片来补偿PMD的影响。
本发明具有以下优点①结构简单，易于实现。由步进电机来调谐每一路波长光信号的滤波过程，使用灵活。可根据实际需要选择光信道数，实现DWDM系统中对整个C波段约40路光信号的调谐范围。器件采用的是均匀的薄膜滤波器，成本低。目前多腔DWDM薄膜滤光片的技术成熟，性能稳定，插入损耗低，因此整个器件的损耗也较低。
②光路传输简单，由于使用了全反射镜使得滤波后的光信号能按照原路径返回到输入端，这样就使得两个偏振分束器能够固定放置，不需要有移动和追踪光信号的过程，使得光路的稳定性较高，降低了光路调试的难度，也使得工艺上更加容易实现。
③使用了和薄膜滤光片保持平行的全反射镜代替了另一个平行的薄膜滤光片，降低了成本。由于反射光路仍能保证每次滤波时入射光和反射光两次经过同一个薄膜滤光片，所以两次滤波后对单波长的光信号滤除更为彻底，使得信道隔离度大大提高。
④对于多腔DWDM薄膜滤光片的膜系进行了改进设计及优化，使之在入射光倾斜角度入射时，能有稳定且符合DWDM滤光片所有要求的透射曲线，其偏振相关损耗PDL和插入损耗较低，适合较大范围的动态调谐。
⑤由于使用了偏振分束器和半波片，使得薄膜滤光片只需对混合光信号的S偏振光进行调谐，这样就彻底消除了偏振相关损耗以及改进膜系尚存的微小偏振光分离现象，使得调谐范围大大增加并提高了器件的调谐性能。
⑥为了进一步提高调谐精度，器件采用了1％～10％的Tap/PD分光探测器的反馈机制，通过该分光探测器对步进电机的反馈来精确控制步进电机的步进位移量，从而获得更高的调谐精度。
总之，本发明性能价格比高，使用灵活，可能有着广阔的应用前景。
图1—Bell Lab的三端口固定波长滤波器。其中9—双芯准直器；10—薄膜滤光片；11—单芯准直器。
图2—日本SANTAC公司基于TFF技术的三端口可调谐滤波器的结构设计图。其中12—双芯准直器；13—契型非均匀薄膜滤光片；14—单芯准直器；15—步进电机。
图3—美国AFOP公司基于TFF技术的三端口可调谐滤波器的结构设计图。其中16、17、18—单芯准直器；19—薄膜滤光片；20—全反射镜；21—旋转轴。
图4—招金光电子科技有限公司基于TFF技术的两端口低偏振相关损耗的可调滤波器结构侧视图。其中22—双芯光纤；23—透镜；24、28—双折射晶体；25、30—半波片；26、29—法拉第旋转器；27—契角棱镜；31—薄膜滤光片；32—全反射镜。
图5—光迅公司基于TFF技术的三端口可调谐滤波器的设计方案1。(已申请专利)其中33—光环形器；34、37—单芯准直器；35、36—薄膜滤光片；38—全反射镜。
图6—光迅公司基于TFF技术的三端口可调谐滤波器的设计方案2。(已申请专利)其中39-双芯准直器；40、41—薄膜滤光片；42—单芯准直器。
图7—本发明三端口可调滤光单元实施例1的结构示意图。其中1—光环形器；2—偏振分束器A；3—半波片C；4—薄膜滤光片；5—半波片D； 6—偏振分束器B；7—反射镜E；8—反射镜F。
图8(1)—改进膜系在入射角度4.3度时透射率曲线。透射曲线为S光、P光与平均光(重合)。
图8(2)—改进膜系在入射角度15度时透射率曲线。透射曲线由里向外依次为S光、平均光和P光。
图8(3)—改进膜系消偏振后在入射角度4.8度时透射率曲线。透射曲线为S光。
图8(4)—改进膜系消偏振后在入射角度15度时透射率曲线。透射曲线为S光。
图8(5)—改进膜系消偏振后在入射角度20度时透射率曲线。透射曲线为S光。
图9—本发明三端口可调滤光单元实施例2(包括Tap/PD反馈控制机制)。其中1—光环形器；2—偏振分束器A；3—半波片C；4—薄膜滤光片；5—半波片D；6—偏振分束器B；7—反射镜E；8—反射镜F；43—Tap/PD分光探测器；44—DSP控制芯片；45—步进电机驱动器；46—步进电机控制部分。
图10—使用Tap/PD反馈机制与单纯电机控制的指标比较表。
具体实施例方式
实施例1本发明的基于TFF技术的三端口可调谐滤波器有一组或多组可调谐滤光单元，其一组可调谐滤光单元实施例的结构如图7所示，利用一个均匀厚度的多腔DWDM薄膜滤光片4，一对置于薄膜滤光片前后且在同一光路上的偏振分束器2、6，一对置于薄膜滤光片前后且在不同光路上的半波片3、5，两个全反射镜7、8，其中一个全反射镜7始终保持与薄膜干涉滤光片4位置平行，另一个全反射镜8保持垂直于光路，以及一个光环形器1构成一组滤光单元。
1、本发明的工作原理是当外部多路复用的光信号(如40路)经由光环形器1到达偏振分束器2后，偏振分束器2将输入光信号的偏振态分离成P光和S光后平行输出，半波片3将P光旋转为p-S光(p-S光即由半波片将P光旋转成的S光)。调谐后的两路S光信号到达倾斜于两路平行S光信号放置的均匀厚度薄膜干涉滤光片4后，薄膜滤光片4滤出λi波长的两路S光信号，另一半波片5将一路S光信号旋转为s-P光后经由另一个对称放置的偏振分束器6合光后输出(s-P光即由半波片将S光旋转成的P光)。
同时该薄膜滤光片反射剩余波长的两路平行S光信号到另一个平行于薄膜滤光片4放置的反射镜7，并始终保持二者平行。这样剩余波长的S光信号经过再次反射后就能到达一个垂直于反射光路放置的全反射镜8。两路S光信号经过两个全反射镜的依次反射后按同样的光路被薄膜滤光片4反射，其中一路S光经由半波片后旋转为P光，两路平行反射回的P光和S光被输入端的偏振分束器7合光后回到输入端光环形器1并经由另一根光纤输出，这样就完成了一路波长光信号的滤波过程。需要滤出另一路波长的光信号时，改变两个平行放置的薄膜滤光片和反射镜的倾斜角度，即改变薄膜滤光片的入射光角度，这样就可以滤出另一路光信号。通过转动两个平行放置的薄膜滤光片和反射镜，不断改变入射光的角度就可以实现一个三端口可调谐滤波器的调谐滤波过程。
每一组滤光单元根据设计需要可以实现约40个信道左右的上下路选择，可以实现在100G DWDM系统中整个C波段(1528nm～1561nm)的40路单波长光信号的可调谐滤波过程。
2、滤光片设计和性能在我们上次有关专利申请(申请号200610019489)的设计中，使用的多腔DWDM滤光片，是按照能满足具有一定的动态倾斜入射角度调谐范围的要求设计的。通过设计可以使用两组滤光单元完成对整个C波段范围的可调谐滤波。每组滤光片的可调谐波长范围应为16或17nm，每组可以满足20个信道(100GHz信道间隔)的调谐。每一组的动态可调谐角度范围为从4.8度～14.9度。在可调谐范围内，其透射曲线的通带带宽大于0.4nm，截止带宽小于1.2nm，偏振相关损耗最大值小于0.03dB。可以满足100GHz DWDM系统的需要。
经过本发明的消偏振设计后，可调范围能大大增加，可以达到33nm的调谐范围，采用单滤光片就能满足整个C波段约40个信道(100GHz信道间隔)的调谐。其可调谐波长范围是1561nm～1528nm。在起始入射角度为4.8度时，对应中心波长为1561nm；当入射角度调谐到20度时，其中心波长移到1528nm。仿真结果如图8(5)所示。
3、器件的消偏设计对于改进设计后的膜系，虽然调谐角度较大性能较稳定且偏振相关损耗很低，但是由于P光和S光在倾斜入射时有着P光的透射率带宽增大和S光透射率带宽减小的特点。所以在角度较大时，透射率曲线仍存在着一定的偏振光分离现象，即两个偏振光的透射率带宽不一致，这对进一步加大调谐范围不利。考虑到同原始带宽相比S光的带宽变化较小而P光的带宽变化很大，故仅对S光进行角度调谐可以获得更大和更稳定的调谐范围。所以器件采用了偏振分束器将混合光信号中的S光和P光分离，再用半波片将P光旋转为S光，薄膜滤光片仅对S光信号滤波调谐，可以大大增加调谐范围和稳定性。在各输出端口再利用半波片和偏振分束器实现P光和S光的合光，实现了器件内部消除偏振相关损耗以及偏振光分离的现象。
4、器件调谐精度的提高由于本器件是使用步进电机对薄膜滤波器进行角度调谐，因而步进电机步进精度及重复性对于器件的控制精度十分重要。由于系统设备的对ITU-T规定的信道波长准确度的要求，如果采用步进电机直接控制方法，步进电机每一步可以实现的波长控制精度至少要达到0.03nm，这对步进电机本身以及机械旋转部分的机械加工精度及重复性提出了很高的要求，也大大增加了器件的成本。另外高精度步进电机的行程一般都较短。在本发明的实施例2中(参见图9)，为了提高步进电机的调谐精度，本系统提出了采用Tap/PD反馈机制。如图9所示，实线箭头是光路部分，虚线箭头是电路部分。原理是在透射光后使用Tap/PD分光探测器43，分出1％～10％的光信号，通过DSP控制芯片44对滤波光进行自动寻峰，来对步进电机45进行反馈，可以使步进电机45能自动调整进退步数，进一步控制好步进位移量，因此大大提高调谐精度和系统的稳定性，并降低对步进电机本身精度的要求以及成本。
如图10的表所示，如果仅仅单纯使用高精度步进电机，其控制精度需要达到0.03nm，而且调谐范围较短，这样对整个C波段的调谐需要两组这样的滤光单元和高精度步进电机，成本会大大增加。而使用了Tap/PD反馈机制后，精度要求可以降低到约0.2nm就够了，当步进调谐的中心波长偏离了规定的标准中心波长后，由于反馈机制能够由控制核心单元调节步进电机的进退步数，使之达到要求。这样仅一组滤光单元和一般的步进电机就能够达到调节整个C波段全部信道的要求。
权利要求
1.基于TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，它有一组或多组可调谐滤光单元，其一组可调谐滤光单元，包括连接到多路光信号输入端的光环形器，一个薄膜滤光片，一对置于薄膜滤光片前后且在同一光路上的偏振分束器A和B，其特征在于偏振分束器A将输入信号光分离成P光和S光平行输出，P光路中放置半波片C将P光旋转为p-S光，两路平行的S光到达薄膜滤光片，薄膜滤光片的法线倾斜于平行的两路S光路放置，半波片D将S光旋转为s-P光，偏振分束器B将调整后的P光和S光合成一般光信号后输出；反射镜E与薄膜滤光片平行放置，反射镜E后放置反射镜F，反射镜F垂直于两条平行光路。
2.如权利要求1所述的基于TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，其特征在于在薄膜滤光片两侧没有半波片的两条光路上，分别放置一块与半波片厚度相似的玻璃片。
3.如权利要求1或2所述的基于TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，其特征在于偏振分束器B后的光路中放置的Tap/PD分光探测器，与数字信号处理器DSP芯片和步进电机的驱动器依次电连接，薄膜滤光片和反射镜E固定安装在步进电机驱动的转动件上。
全文摘要
基于TFF的三端口消偏振可调谐光滤波器，它有一组或多组可调谐滤光单元，其一组可调谐滤光单元，包括连接到多路光信号输入端的光环形器，一个薄膜滤光片，一对置于薄膜滤光片前后且在同一光路上的偏振分束器A和B，其特征在于偏振分束器A将输入信号光分离成P光和S光平行输出，P光路中放置半波片C将P光旋转为p－S光，两路平行的S光到达薄膜滤光片，薄膜滤光片的法线倾斜于平行的两路S光路放置，半波片D将S光旋转为s－P光，偏振分束器B将调整后的P光和S光合成一般光信号后输出；反射镜E与薄膜滤光片平行放置，反射镜E后放置反射镜F，反射镜F垂直于两条平行光路。本发明结构简单，易于实现，能够消除偏振相关损耗以及偏振光分离现象。
文档编号G02B6/27GK1996074SQ20061012549
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者刘 文, 俞侃, 常进, 刘水华, 关卫林, 黄德修 申请人:武汉光迅科技股份有限公司, 武汉光电国家实验室(筹)