超陡的台阶相位干涉仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超陡的台阶相位干涉仪，特别提供了一种用作光通信中的光交错器/解交错器的台阶相位干涉仪。高数据速率要求宽的带宽以通过高速调制的光谱，并进一步要求宽的阻带以抑制相邻信道的信号。本干涉仪在通带到相邻阻带的过渡处提供了陡的斜率，从而扩大了通带和阻带两者的宽度。
【专利说明】超陡的台阶相位干涉仪
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年11月27日提交的发明名称为“超陡的台阶相位干涉仪”的美国临时专利申请N0.61/730，467的优先权，其以引用方式合并于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及作为用于光通信的光交错器的台阶相位干涉仪的设计和使用，并且更具体地涉及对提高这种干涉仪的带宽和阻带的改进，其中带宽容许高速调制的光谱通过并且阻带抑制相邻信道的信号。
【背景技术】
[0004]在密集波分复用(DWDM)光通信中，不同频率(波长)的激光耦合进入同一光纤之中。信息容量与该光纤中的信道数量成正比。由于总的可用波长范围是受限的(大约几十纳米)，信道间隔越小，能够容纳于同一光纤的信道就越多，因此能够获得更大的通信能力。
[0005]最小可能的信道间隔受限于复用器(MUX)和解复用器(deMUX)的能力。当前，标准信道间隔是IOOGHz/(0.8nm)。当信道间隔小于IOOGHz时，造价急剧提高。对于交错信道期望有一种成本有效的方法，从而使得能够在光通信系统中使用具有更小信道间隔的较高带宽滤波器。例如，对于采用一级交错，可以使用具有50GHz信道间隔的IOOGHz滤波器。而且，如果要实现两级交错，IOOGHz滤波器可用在25GHz信道间隔的通信系统中。
[0006]迈克尔逊干涉仪示出了交错的基本要求。然而，由于对光源的中心频率和谱线宽度过于敏感，因此实际上并不将这种干涉仪应用于真正的交错设备。如果频率稍微偏离整数，则部分光功率就从底臂朝向左臂泄漏，从而引起信道之间的串扰。换句话说，为了使得这种设备工作，激光谱线宽度在整个运行状态中应该为零并且其中心频率必须精确锁定。在实际工作中这种频率锁定非常难以实现。
[0007]美国专利N0.US6, 587，204提供了一种使用光学干涉仪的交错设备，其中一个光束具有线性相移并且另一个光束具有非线性相移，从而使得在底臂处的这两个干涉光束之间的相位差的频率依赖关系具有带台阶π的台阶状函数(step-like function)。在这种情况下，作为能量守恒的结果，在左臂处的两个干涉光束之间的相位差的频率依赖关系也具有同样的台阶状函数，但是该台阶状函数被偏移了 H。尽管接近O-相位差和31-相位差的斜率几乎为零(水平)，但是在从O-相位差向π-相位差过渡处的斜率并不是非常陡。本发明提高了在该过渡处的斜率，从而扩大了通带和阻带这两者的宽度。
【发明内容】
[0008]根据此处教导的台阶相位干涉仪具有包括线性相位偏移间隔物和第一谐振腔的干涉仪第一臂，其中第一谐振腔由第一部分反射的表面和第一镜组成。干涉仪第二臂具有第二谐振腔，第二谐振腔具有第二部分反射的表面和第二镜，其中第一谐振腔的光程长度和第二谐振腔的光程长度大致相等。分束器具有配置为将输入光束劈分为第一光束和第二光束的劈分位置，其中该分束器被配置为引导第一光束进入第一臂，其中第一光束将首先传播通过线性相位偏移间隔物、然后被第一谐振腔反射以产生第一反射光束，第一反射光束随后返回到该分束器，其中该分束器被配置为引导第二光束进入第二臂，其中第二光束被第二谐振腔反射以产生第二反射光束，第二反射光束随后返回到该分束器并与第一光束
I=I TT ο
[0009]从该劈分位置到第一部分反射的表面和第二部分反射的表面的光程差大约是第一谐振腔的光程长度的一半，其中第一反射光束和第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。该相位差的台阶大约为Π。
[0010]一种使用上述台阶相位干涉仪的方法，包括提供输入光束；以及在劈分位置处劈分输入光束以产生第一光束和第二光束，其中分束器引导第一光束进入第一臂，其中第一光束首先传播通过线性相位偏移间隔物，然后被第一谐振腔反射以产生第一反射光束，第一反射光束返回到该分束器，其中分束器引导第二光束进入第二臂，其中第二光束被第二谐振腔反射以产生第二反射光束，第二反射光束随后返回到该分束器并且与第一反射光束合并，其中从该劈分位置到第一部分反射的表面和第二部分反射的表面的光程差大约为第一谐振腔的光程长度的一半，并且其中第一反射光束和第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。该相位差的台阶大约为Π。
[0011]在另一实施例中，光学台阶相位干涉仪包括分束器，以将入射光束分成第一光束和第二光束:线性相位偏移间隔物,可操作地定位于第一光束的路径上；第一非线性相位发生器(NLPG)，可操作地定位为在第一光束通过该线性相位偏移间隔物之后，反射第一光束以产生第一反射光束；以及第二非线性相位发生器(NLPG)，可操作地定位为反射第二光束以产生第二反射光束，其中第一反射光束和第二反射光束相互干涉，其中第一反射光束和第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。该相位差的台阶大约为Π。
[0012]提供了一种交错(interleaving)光频率的方法。该方法包括使用分束器将入射光束分成第一光束和第二光束；使第一光束通过线性相位偏移间隔物；在第一光束通过该线性相位偏移间隔物之后，使用第一非线性相位发生器(NLPG)反射第一光束以产生第一反射光束；以及使用第二非线性相位发生器(NLPG)反射第二光束以产生第二反射光束，其中第一反射光束和第二反射光束相互干涉，其中第一反射光束和第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]被合并到说明书中并形成为说明书一部分的这些附图描述了本发明的实施例，并且与本说明书一起用来说明本发明的原理。
[0014]图1是台阶相位干涉仪的示意图。
[0015]图2示出了用作解复用器的干涉仪的光路。
[0016]图3A示出了图2中的干涉仪的50/100G交错器的T-信道相位差与频率的函数关
系O
[0017]图3B示出了图2中的干涉仪的T-信道的相应功率谱。
[0018]图4描述了本发明的超陡的台阶相位干涉仪的实施例。[0019]图5A示出了在图4中的干涉仪的一个输出处的两个干涉光束的相位差。
[0020]图5B示出了图4中的干涉仪的T-信道的相应功率谱。
【具体实施方式】
[0021]美国专利N0.6，587，204描述了台阶相位干涉仪的实施例，其通过引用方式合并于此。当前情况下的图1是示例性台阶相位干涉仪的示意图。该干涉仪由分束立方体10组成，分束立方体10具有抗反射涂敷的(antireflection-coated)输入面11和劈分界面
12。右表面14使用光学接触键合与透射光学元件18的第一表面16光学接触。光学接触键合是一种完全通过分子间力保持粘结的无胶工艺，通过其将两个接近的共形表面结合在一起。光学元件18的第二表面20被配置为使得其在所关注的波长处被部分地反射。第二表面20有时在此处被称为PR-1。间隔物22和24使元件26偏离第一光学元件18。元件26的表面28被配置为在所关注的波长处反射。表面28有时在此处被称为镜-1。在这种设计中，表面20和表面28形成第一谐振腔，在此处被称为C-1，具有腔长度L。立方体10的上表面30与透射光学兀件34的第一表面32光学接触。光学兀件34的第二表面36用抗反射涂层涂敷。间隔物38和40使元件42偏离光学元件34。元件42的表面44被配置为在所关注的波长处反射。表面44有时在此处被称为镜-2。从劈分界面12到表面44与从劈分界面12到部分反射的表面20的光程差是L/2。对于50G/100G交错器，C-1的自由光谱范围(FSR)是50GHz。
[0022]图2示出了用作解复用器的图1的干涉仪的光路。该设备是两光束干涉干涉仪。每个R-信道和T-信道的输出都是两个光束叠加或抵消地干涉的结果，叠加或抵消取决于波长。为了制造交错器，两个干涉光束之间的相位差Δφ在通带中心处必须为0(即，O度同相)，并且在阻带中心处必须为π (180度异相)。例如，在50G/100G交错器中，Δφ是归一化频率的函数，具有台阶函数响应，其台阶大小为η，周期为100GHz。
[0023]在图2中，入射光束50从立方体10的左侧经过表面11进入干涉仪。分束器12将该光束分成两部分(52和54)。光束部分52通过分束器12传送，然后碰到表面20 (PR-1)和表面28 (镜-1)。光束部分54从分束器12反射，然后碰到表面44 (镜-2)。光束部分52和光束部分54这两者被反射回来再次碰到分束器12。在第二次碰到分束器之后，光束部分52和光束部分54的叠加或抵消地干涉，叠加或抵消取决于波长。因此，左手侧(在R-信道中)上的功率谱不同于在干涉仪底部(在T-信道中)处获得的功率谱。
[0024]图3A示出了在两个输出之一处的图2中的两个干涉光束的相位差。在这个示例中，PR-1 (表面20)被涂敷为具有14%的反射率。由于能量守恒，在另一输出处的相位差与图3A中所示的相同，但是被偏移了 π。图3B是相应的功率谱，其示出了具有IOOGHz的整数倍附近的频率的光束几乎无损失地传输，并且在50G+NX 100G附近的频率的光束被阻塞(其中N为整数)。
[0025]再次参考图3A，可以观察到O-相位差和π-相位差附近的斜率几乎为零(水平)。但是从O-相位差到π-相位差过渡处的斜率不是非常陡。本发明提高在该过渡处的斜率，从而扩大了通带和阻带这两者的宽度。
[0026]图4示出了本发明的示例性实施例。该示例性实施例包括分束立方体60,分束立方体60具有可包括AR涂层的面62、上面64、右面66、可包括AR涂层的底面68、和分束界面70。光学透射元件74的表面72与立方体60的右面66光学接触(即，光学接触键合)。元件74的表面76是AR涂敷的。间隔物78和80使元件82偏离元件74。这些间隔物由诸如微晶玻璃(Zerodur)的非热材料(athermal material)制成,其热膨胀系数(CTE)小于0.3ppm。如下所述，间隔物78和80用作本发明的干涉仪的线性相位偏移间隔物元件。元件82是光学透明材料并且其表面84是AR涂敷的。然而，元件82的表面86是部分反射的。表面86有时在此处被称为PR-1i。注意到在一些实施例中，元件74和82是楔形的，它们在一起使得表面72和86平行以及使得表面76和84同样平行。楔形的目的是消除或者减少虚反射。通过将表面76制造为相对于表面72成角度以及通过将表面84制造为相对于表面86成角度而形成楔形。表面76和84之间为气隙。间隔物88和90使兀件92偏离元件82。这些间隔物同样由非热材料制成。元件92的表面94配置为镜并且有时在此处被称为镜-P。在这个实施例中，表面86和94之间为气隙。
[0027]通过光学接触键合，元件98的表面96与分束立方体60的上面64光学接触。元件98的表面100被配置为在所关注的波长处被部分地反射。表面100有时在此处被称为PR-2,。注意到在这个实施例中，元件74和82的合并的厚度大致等于元件98的厚度。因此，这个干涉仪的上臂和右臂的长度差由间隔物78和80的长度来决定。间隔物78和80 —起用作该干涉仪的线性相位偏移间隔物元件。间隔物102和104使元件106偏离元件98。这些间隔物由非热材料形成。元件106包括配置为镜的表面108。表面108有时在此处被称为镜-2'。在这个实施例中，表面100和108之间为气隙。美国专利N0.6，587，204以引用方式合并于此。注意到美国专利N0.6，587，204的共有元件是本发明的实施例的方面并且可用于本发明的实施例中。非线性相位发生器在该合并的专利中得以描述。
[0028]在这个结构中，表面PR-1'和镜-1'形成具有腔长度L的腔C-1'。类似地，表面PR-2'和镜-2'同样形成具有腔长度L的腔C-2'。两个腔的相对腔长度大致相等(在输入光波长的一部分内)。从该分束器到表面PR-P与从该分束器到PR-2,的光程差为L/2。对于50G/100G交错器，C-1'和C-2'的FSR(自由光谱范围)是50GHz。
[0029]图5示出了一个输出处的Δφ和功率谱。在这个示例中，PR-1'和PR-2,的反射率分别为42%和3.5%。与图3Α相比，图5Α在O-相位差和π -相位差附近具有更宽的平坦区域(水平)，并且在过渡区域具有更加陡的斜率。换句话说，在图5Α中的Δφ相对于图3Α中的更加接近于理想的台阶函数。与图3Β相比较，这产生了如图5Β所示的更宽的通带和阻带。因此，图4中所示的干涉仪结构极大地提高了通带和阻带的宽度，这对于高数据速率的光通信系统非常重要。此处描述的干涉仪能够用作复用器和解复用器。
[0030]已经呈现了本发明的上述说明书用以图解和描述的目的，并且该说明书并不试图详尽或者限制本发明公开的确切形式。根据以上教导，可以做出很多修改和变化。所公开的实施例只是意在说明本发明的原理和其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够最好地在不同的实施例中使用本发明并且做出适用于经过仔细考虑的特定应用的不同修改。本发明的保护范围由所附权利要求限定。
【权利要求】
1.一种台阶相位干涉仪，包括: 干涉仪第一臂，其包括线性相位偏移间隔物和第一谐振腔，其中所述第一谐振腔由第一部分反射的表面和第一镜形成； 干涉仪第二臂，其包括第二谐振腔，第二谐振腔具有第二部分反射的表面和第二镜，其中所述第一谐振腔的光程长度和所述第二谐振腔的光程长度大致相等；以及 分束器，其具有配置为将输入光束劈分为第一光束和第二光束的劈分位置，其中所述分束器被配置为引导所述第一光束进入所述第一臂，其中所述第一光束将首先传播通过所述线性相位偏移间隔物，然后被所述第一谐振腔反射以产生第一反射光束，第一反射光束随后返回到所述分束器，其中所述分束器被配置为引导所述第二光束进入所述第二臂，其中所述第二光束被所述第二谐振腔反射以产生第二反射光束，第二反射光束随后返回到所述分束器并与所述第一光束合并， 其中从所述劈分位置到所述第一部分反射的表面和所述第二部分反射的表面的光程差大约是所述第一谐振腔的光程长度的一半，并且其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。
2.根据权利要求1所述的台阶相位干涉仪,其中相位差的台阶大约为Π。
3.根据权利要求1所述的台阶相位干涉仪，其中所述线性相位偏移间隔物具有足以产生所述光程差的物理长度。
4.根据权利要求1所述的台阶相位干涉仪，其中所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的自由光谱范围FSR每个都大约为50GHz并且其中所述光程差的FSR大约为100GHz。
5.根据权利要求1所述的台阶相位干涉仪，其中所述第一谐振腔的光程长度和所述第二谐振腔的光程长度在彼此波长的一部分之内，其中所述波长是输入光束的波长。
6.根据权利要求1所述的台阶相位干涉仪，其中所述分束器包括非偏振分束器。
7.根据权利要求6所述的台阶相位干涉仪，其中所述非偏振分束器包括对称的内部分束涂层。
8.根据权利要求1所述的台阶相位干涉仪，其中所述线性相位偏移间隔物包括AR涂敷表面，利用第一非热间隔物将该AR涂敷表面与第二 AR涂敷表面偏离，其中所述第一部分反射的表面利用第二非热间隔物与所述第一镜偏离、并且其中所述第二部分反射的表面利用第三非热间隔物与所述第二镜偏离。
9.一种使用权利要求1的台阶相位干涉仪的方法，包括: 提供输入光束；以及 在所述劈分位置处劈分所述输入光束以产生第一光束和第二光束，其中所述分束器引导所述第一光束进入所述第一臂，其中所述第一光束首先传播通过所述线性相位偏移间隔物，然后被所述第一谐振腔反射以产生返回到所述分束器的第一反射光束，其中所述分束器引导所述第二光束进入所述第二臂，其中所述第二光束被所述第二谐振腔反射以产生第二反射光束，第二反射光束随后返回到所述分束器并且与所述第一反射光束合并， 其中从所述劈分位置到所述第一部分反射的表面和所述第二部分反射的表面的光程差大约是所述第一谐振腔的光程长度的一半，并且其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述相位差的台阶大约为Π。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述线性相位偏移间隔物具有足以产生所述光程差的物理长度。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的自由光谱范围FSR每个都大约为50GHz并且其中所述光程差的FSR大约为100GHz。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一谐振腔的长度和所述第二谐振腔的长度在彼此波长的一部分之内，其中所述波长是输入光束的波长。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述分束器包括非偏振分束器。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述非偏振分束器包括对称的内部分束涂层。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述线性相位偏移间隔物包括AR涂敷表面，利用第一非热间隔物将该AR涂敷表面与第二 AR涂敷表面偏移，其中所述第一部分反射的表面利用第二非热间隔物与所述第一镜偏离，并且其中所述第二部分反射的表面利用第三非热间隔物与所述第二镜偏移。
17.一种光学台阶相位干涉仪，包括: 分束器，将入射光束分成第一光束和第二光束； 线性相位偏移间隔物，其可操作地定位于所述第一光束的路径中； 第一非线性相位发生器NLPG，其可操作地定位为在所述第一光束通过所述线性相位偏移间隔物之后，反射所述第一光束以产生第一反射光束； 第二非线性相位发生器NLPG，其可操作地定位为反射所述第二光束以产生第二反射光束， 其中所述第一反射光束和所述第二反射光束相互干涉，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。
18.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，其中所述相位差的台阶大约为Π。
19.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，其中所述第一NLPG的FSR与具有波长的一部分的所述第二 NLPG的FSR大致相等。
20.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，其中从所述分束器到所述第一NLPG与从所述分束器到所述第二 NLPG的光程长度差大约为所述第一 NLPG的腔长度的一半。
21.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，其中所述第一NLPG和所述第二NLPG的至少一个包括多个部分地反射的表面和包括几乎100%反射率的一反射表面。
22.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束在所述分束器处合并成两个干涉光束，其中所述两个干涉光束的第一干涉光束加载了信号的第一子集、并且所述两个干涉光束的第二干涉光束加载了信号的第二子集，其中所述信号的第一子集针对第一端口、并且所述信号的第二子集针对第二端口。
23.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，其中所述第一NLPG包括间隔开的第一反射表面和第二反射表面，其中所述第二 NLPG包括间隔开的第三反射表面和第四反射表面。
24.根据权利要求23所述的光学台阶相位干涉仪，其中所述第二反射表面包括几乎100%的反射率并且其中所述第四反射表面包括几乎100%的反射率。
25.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，其中所述第一NLPG包括具有光程长度的腔，其中所述分束器到所述第一 NLPG与从所述分束器到所述第二 NLPG之间的光程长度差OPLD大约为所述腔的光程长度的一半。
26.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，进一步包括第二分束器，其定位为合并所述第一反射光束和所述第二反射光束以使它们相互干涉，其中所述光学台阶相位干涉仪被配置为光学交错Mach-Zehnder型台阶相位干涉仪。
27.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，进一步包括输入光纤，以提供所述入射光束。
28.根据权利要求22所述的光学台阶相位干涉仪,进一步包括第一输出光纤和第二输出光纤，其中所述第一输出光纤位于所述第一端口以收集所述第一子集、并且其中所述第二光纤位于所述第二端口以收集所述第二子集。
29.根据权利要求17所述的光学台阶相位干涉仪，进一步包括至少一个光纤，其定位为收集包括所述第一反射光束与第二反射光束的干涉的光束。
30.根据权利要求22所述的光学台阶相位干涉仪，进一步包括环行器，以重新引导进入第一端口的光信号的所述第一子集。
31.一种交错光频率的方法，包括: 利用分束器将入射光束分成第一光束和第二光束； 使所述第一光束通过线性相位偏移间隔物； 在所述第一光束通过所述线性相位偏移间隔物之后，利用第一非线性相位发生器NLPG反射所述第一光束以产生第一反射光束； 利用第二非线性相位发生器NLPG反射所述第二光束以产生第二反射光束， 其中所述第一反射光束和所述第二反射光束相互干涉，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之间的相位差的频率依赖关系具有台阶状函数。
【文档编号】G02B27/10GK103955062SQ201310757031
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】谢永杰 申请人:捷迅光电有限公司