专利名称：隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种隔离度和中心波长高速可调的光 梳状滤波器。
背景技术：
随着光纤通讯技术的飞速发展和多媒体通信技术的日益成熟，人们对数据
带宽的需求越来越大。密集波分复用DWDM技术的发展大大缓解了日益增长的 通信流量压力。光梳状滤波器是一种优异的DWDM器件，除了用于波分复用/ 解复用外，还可用于系统容量的升级，为光纤通讯的发展提供更为便利的条件。 另外，光梳状滤波器作为一种高效的波长选择滤波器还可以应用于多波长激光 器、光电测量系统与全光信息处理等方面。
光梳状滤波器作为一种DWDM系统的核心器件，人们对其性能提出了更高 的要求。目前，在光纤通讯领域中使用的梳状滤波器有多种方法萨尼亚克 (Sagnac)环、阵列波导光栅(AWG)和全光纤马赫-曾德(M-Z)干涉仪等。这些梳 状滤波器技术在插入损耗和隔离度等基本性能方面都能较好地满足设计要求。 然而梳状滤波器通道隔离度和中心波长的不可调，在很大程度上限制了它在动 态DWDM系统中的应用。近年来，不断有人提出可调梳状滤波器的实现方案。 而由于采用机械或液晶电光效应的调节方法，使得滤波器的响应速度维持在毫 秒级，难以达到现代高速通信网络的要求。基于传统电光晶体铌酸锂晶体LiN03 的可调滤波器有着很好的响应速度，然上千伏的驱动电压使得具体操作变得异 常困难。高速可调梳状滤波器在动态光通信网络中的应用一直是人们关注的热 点。梳状滤波器中心波长高速可调使得动态DWDM系统中信道的切换和信号的 快速调节修饰等方面的动作简单、有效。但是一直以来，我们都忽视了梳状滤 波器通道隔离度的高速可调对光网络系统所带来的影响。调节通道隔离度可以 对信号实施精确的幅度控制，结合中心波长的动态可调，在光通信系统中的应 用将更加广泛而高效。因此，与传统的光梳状滤波器相比，具有隔离度和中心 波长高速可调的梳状滤波器可以大大拓展其发展空间和应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服传统技术的不足，提供一种隔离度和中心波长高速可 调的光梳状滤波器。
隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器是在同一水平光路方向上依次放置单光纤准直器、第一偏振位移晶体、第一半波片组、第一电光延迟片、四 分之一波片、双折射延迟晶体、第二半波片组、第二电光延迟片、第三半波片 组、第二偏振位移晶体、第四半波片组、屋脊棱镜、第三偏振位移晶体和双光 纤准直器；由第二偏振位移晶体分离的平行光束经第四半波片组、屋脊棱镜和 第三偏振位移晶体准直耦合到双光纤准直器；通过控制第一电光延迟片来实现 光梳状滤波器通道隔离度的高速调节；通过控制第二电光延迟片来实现光梳状 滤波器中心波长的高速调节。
所述的第一电光延迟片和第二电光延迟片的材料是透明铁电陶瓷电光材 料。透明铁电陶瓷是锆钛酸铅镧陶瓷或铌镁酸铅陶瓷。第一电光延迟片和第二 电光延迟片是长方体形状，其两侧面上镀有金属电极，并在晶片的两个通光端 面上镀有光学增透膜。
所述的双折射延迟晶体是钒酸钇或金红石晶体。双折射延迟晶体是长方体 形状，其光轴在通光端面的平面内，光轴方向与水平方向成45度角。所述的屋 脊棱镜脊面角度与双光纤准直器形成模场匹配的光耦合。
本发明通过改变加在电光延迟片上的电压来调节电光延迟片的折射率变 化，进而控制通过电光延迟片的两相互垂直的偏振光的相位差大小，从而实现 光梳状滤波器中的通道隔离度和中心波长的快速动态调节。中心波长的调节范 围可以达到整个通道宽度，而且通道隔离度可以在最大隔离度和0dB范围内任 意精确调节，使得滤波器的灵活性和适应性大大提高。
采用透明铁电陶瓷(锆钛酸铅镧陶瓷PLZT或铌镁酸铅陶瓷PMN-PT)作为 电光延迟片材料，比传统的LiNb03晶体具有更高的透光性和电光系数，特别是 铌镁酸铅晶体PMN-PT，它的电光系大约是LiNb03的100倍，从而使得外加的 操作电压大大降低。而且铌镁酸铅晶体PMN-PT没有很明显的迟滞效应，使得 可调光梳状滤波器的可靠性和精确度增加。
另外，基于透明电光陶瓷的可调光梳状滤波器的响应速度可达到亚微秒级 (甚至达到几十纳秒)，可快速响应系统的调节，远远优于其它传统的梳状滤波 器设计方案。
图1为隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器的结构示意图； 图2为本发明中四个半波片组包含的各波片及位置示意图； 图3为本发明中电光延迟片及双折射延迟晶体的结构示意图； 图4为本发明随外加电压通道隔离度发生变化的传输谱线；图5为本发明随外加电压中心波长发生偏移的传输谱线；
图中单光纤准直器l、第一偏振位移晶体2、第一半波片组3、第一电光
延迟片4、四分之一波片5、双折射延迟晶体6、第二半波片组7、第二电光延
迟片8、第三半波片组9、第二偏振位移晶体10、第四半波片组11、屋脊棱镜
12、第三偏振位移晶体13、双光纤准直器14。
具体实施例方式
以下结合附图进一步说明本发明
如图1所示，隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器是在同一水平光
路方向上依次放置单光纤准直器1、第一偏振位移晶体2、第一半波片组3、第 一电光延迟片4、四分之一波片5、双折射延迟晶体6、第二半波片组7、第二 电光延迟片8、第三半波片组9、第二偏振位移晶体10、第四半波片组11、屋 脊棱镜12、第三偏振位移晶体13和双光纤准直器14;由第二偏振位移晶体分 离的平行光束经第四半波片组11、屋脊棱镜12和第三偏振位移晶体13准直耦 合到双光纤准直器14;通过控制第一电光延迟片4来实现光梳状滤波器通道隔 离度的高速调节；通过控制第二电光延迟片8来实现光梳状滤波器中心波长的 高速调节。
所述第一偏振位移晶体2、第二偏振位移晶体10和第三偏振位移晶体13是 由钒酸钇(YV04)等具有高双折射特性的材料制成，并在其通光面上镀有光学 增透膜，增强透光性。 一束光正入射到该双折射晶体，分为两束偏振方向相互 垂直的O光和E光，O光沿原方向前进，而E光发生的偏折与晶体光轴方向相关。
所述的第一半波片组3、第二半波片组7和第三半波片组9所包含的都是光 轴与水平方向成22.5度的半波片，第四半波片组11所包含的都是光轴与水平方 向成45度的半波片，分别使得通过半波片的水平方向线偏振光的偏振方向分别 旋转45度和90度。
在图1中顺着信号光的传播方向从右往左看，第一半波片组3、第二半波片 组7、第三半波片组9和第四半波片组11的半波片的位置分布及光轴方向，如 图2所示。其中第一半波组3包含两个光轴对称的与水平方向成22.5度的半波 片，粘在第一偏振位移晶体2右通光端面。第二半波片组7和第三半波片组9 都只包含一个光轴与水平方向成22.5度的半波片，分别粘在双折射延迟晶体6 右通光端面上和第二偏振位移晶体10的左通光面上。而第四半波片组11包含 两个光轴与水平方向成45度的半波片1101和1102，分别粘在第三偏振位移晶体8右通光端面的左上角和右下角。
所述的四分之一波片5是光轴与水平方向相平行且产生水平和垂直偏振光
相差lv的波片。同时为了使结构更加紧凑，可以把厚度很薄的波片粘在双折射 2
晶体的通光端面上。
所述的双折射延迟晶体6是钒酸钇(YV04)或金红石(Ti02)等具有高双 折射特性的材料。如图3所示，双折射延迟晶体是长方体状的，其光信号通过 晶体的距离也即晶体的长度为d，且光轴在通光端面的平面内，光轴方向与水平 方向成45度角，并在两个通光端面上镀有光学增透膜。由于双折射效应，双折
射延迟晶体6产生的两相互垂直的偏振光的相位差为《=,AwJ，其中An
为材料的双折射率差，X为光波长。
所述的屋脊棱镜12脊面角度与双光纤准直器14形成模场匹配的光耦合， 能将两平行的光束折变成具有适当的夹角出射并耦合到匹配的双光纤准直器 14。
所述的第一电光延迟片4和第二电光延迟片8是具有高速响应特性和很高 电光系数的透明铁电陶瓷电光材料。透明铁电陶瓷是锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT) 或铌镁酸铅陶瓷(PMN-PT)。如图3所示，电光延迟片是长方体状，其两侧面上 镀有金属电极，两个金属电极之间的距离为h，延迟片的厚度也即通光距离为t， 并在延迟片的两个通光端面上镀有光学增透膜。电光延迟片的两电极上施加不 同的电压，在外电场的作用下由于二次电光效应(Kerr效应)电光延迟片的折 射率发生变化，通过的两个相互垂直的偏振光将产生一个依赖与外加电压V的
相位差r = ^^，其中R为电光材料的电光系数，n为不加电压时透明铁 义/;
电陶瓷的折射率。本发明通过改变加在第一电光延迟片4上的电压V,来调节电 光延迟片4的折射率变化，进而控制通过电光相位延迟片4的两相互垂直的两偏振光的相位差n，从而实现梳状滤波器通道隔离度的快速可调。同样调节第 二电光延迟片8上的驱动电压V2产生的相位差r2，实现对梳状滤波器中心波长 的控制
图1中描述了信号光从单光纤准直器1出射到准直耦合进双光纤准直器12
的整个传播路径。其工作原理如下，双折射延迟晶体6产生的固定相差为S，而
由第一电光延迟片4和第二电光延时片8产生的相差分别为r,和r"利用Jones 矩阵可以对整个信号光传播过程进行计算，并求得梳状滤波器的增益谱线为
r=4+0Slvsin(《W+r2)
其中G和r2分别用来调节控制通道隔离度的变化和中心波长的移动。
输出谱线信道的频率间隔可表示为么/=与.+=^。其中C为光速，So
义 》oAw d
为双折射时延晶体产生的相差。而且滤波器中心频率的移动大小随外加电压变 化的关系表达式为-
并在一般应用中可简单地认为《ocr2。同样可以从增益谱线表达式中得到隔 离度随外加电压的关系个表述为
/so=bg^^p=iog-^r^i^ > o)
i-cosr, , 她J及p;
1 1 - cos-
A/22
当v产o时，梳状滤波器的通道隔离度达到最大值。
透明铁电陶瓷材料的电光效应具有亚微秒的响应速度。通过快速调节透明 铁电陶瓷材料的施加电压，能够实现电光可调梳状滤波器亚微秒级的高速动态 调节。
参见图1，信号光从输入光纤由光纤准直器1进入，经第一偏振位移晶体2，
分成两束偏振方向互相垂直的线偏光，即水平偏振光和垂直偏振光。其中垂直
偏振光经第一半波片组3之后偏振态发生变化，出射的两信号光都成为水平方 向成45度的线偏振光，这就在很大程度上消除了偏振模色散(PMD)和偏振相 关损耗(PDL)对器件的影响。
经过第一电光延迟片4，水平和垂直偏振光将产生相差n，并考虑随后的四分之一波片5引入的相差、，由此产生的总相差丄"ri控制对隔离度的调节。
2 2 当信号光通过双折射延迟晶体4时，将产生So的固定相位差。由前面的分析可
知道，S。决定了输出谱线的周期大小即信道频率间隔A/ 。
信号光经第二半波片组7,通光面的上下两路线偏光的偏振面共同旋转45
度，通过电光延迟片8，两相互垂直的偏振光产生相差r2， r2值对谱线的相位
变化发挥巨大的影响，并最终导致中心波长(频率)的移动变化。第三半波片
组9使得线偏振光再次反方向旋转45度。此时入射到第二偏振位移晶体10的 上下两束光，经偏振分束且水平偏振光和垂直偏振光分别进行干涉。从第二偏 振位移晶体8出射时变成偏振态上下相等左右互相正交的四束线偏光，并且此 时水平方向上的四个信号光的光强谱线上下相同左右互补。
经过第四半波片组11，信号光的偏振态得到调整，使得入射到第三偏振位 移晶体13通光端面的上部为水平偏振光，下部为垂直偏振光。最后经第三偏振 位移晶体13的合束，耦合进入双光纤准直器14。屋脊棱镜12对光路的偏振态 变化不产生任何影响，它的加入使得两平行光束折变成具有适当的夹角出射并 耦合到与之相匹配的双光纤准直器14。
如图4所示，在电光相位延迟片4上未施加电压Vi的时候，光梳状滤波器 谱线的通道隔离度发生变化。图5所示为施加电压V2时，光梳状滤波器的传输 谱线随外加电压V2的变化而中心发生移动。
权利要求
1.一种隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器，其特征在于在同一水平光路方向上依次放置单光纤准直器(1)、第一偏振位移晶体(2)、第一半波片组(3)、第一电光延迟片(4)、四分之一波片(5)、双折射延迟晶体(6)、第二半波片组(7)、第二电光延迟片(8)、第三半波片组(9)、第二偏振位移晶体(10)、第四半波片组(11)、屋脊棱镜(12)、第三偏振位移晶体(13)和双光纤准直器(14)；由第二偏振位移晶体(10)分离的平行光束经第四半波片组(11)、屋脊棱镜(12)和第三偏振位移晶体(13)准直耦合到双光纤准直器(14)；通过控制第一电光延迟片(4)来实现光梳状滤波器通道隔离度的高速调节；通过控制第二电光延迟片(8)来实现光梳状滤波器中心波长的高速调节。
2. 根据权利要求1所述的一种隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器， 其特征在于所述的第一电光延迟片(4)和第二电光延迟片(8)的材料是透 明铁电陶瓷电光材料。
3. 根据权利要求2所述的一种隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器， 其特征在于所述的透明铁电陶瓷是锆钛酸铅镧陶瓷或铌镁酸铅陶瓷。
4. 根据权利要求l所述的隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器，其 特征在于所述的第一电光延迟片(4)和第二电光延迟片(8)是长方体形状， 其两侧面上镀有金属电极，并在晶片的两个通光端面上镀有光学增透膜。
5. 根据权利要求1所述的一种隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器， 其特征在于所述的双折射延迟晶体(6)是钒酸钇或金红石晶体。
6. 根据权利要求1所述的一种隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器， 其特征在于所述的双折射延迟晶体(6)是长方体形状，其光轴在通光端面的 平面内，光轴方向与水平方向成45度角。
7. 根据权利要求1所述的一种隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器， 其特征在于所述的屋脊棱镜(12)脊面角度与双光纤准直器(14)形成模场 匹配的光耦合。
全文摘要
本发明公开了一种隔离度和中心波长高速可调的光梳状滤波器。在同一水平光路方向上依次放置单光纤准直器、第一偏振位移晶体、第一半波片组、第一电光延迟片、四分之一波片、双折射延迟晶体、第二半波片组、第二电光延迟片、第三半波片组、第二偏振位移晶体、第四半波片组、屋脊棱镜、第三偏振位移晶体和双光纤准直器；由第二偏振位移晶体分离的平行光束经第四半波片组、屋脊棱镜和第三偏振位移晶体准直耦合到双光纤准直器；通过控制第一电光延迟片来实现光梳状滤波器通道隔离度的高速调节；通过控制第二电光延迟片来实现光梳状滤波器中心波长的高速调节。本发明实现了梳状滤波器隔离度和中心波长的高速可调，结构紧凑、成本低、性能稳定等特点。
文档编号G02F1/035GK101581836SQ20091010007
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月22日 优先权日2009年6月22日
发明者军 冀, 灏 池, 翌 王, 飞 章, 章献民, 邹英寅, 郑史烈, 金晓峰 申请人:浙江大学