专利名称：带有色散补偿的光信号波长交错复用器和解复用器装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及密集波分复用(DWDM)光通信系统。尤其涉及接口装置，如用于工作在不同信道间隔的DWDM系统的各个部分之间的接口的波长交错复用器和波长交错解复用器，这些信道间隔相差两的整数倍例如在每信道间隔使用50GHz的部分和每信道间隔使用100GHz的部分。
背景技术：
随着DWDM光通信技术的发展，多年来信道间隔已经从每信道200GHz减少到100GHz直到50GHz。当通信系统从所述的每信道100GHz升级到50GHz时，保留系统中的一些老设备，举例来说，被设计成在每信道100GHz下工作的老设备可能是有利的。通过使用波长交错复用器和波长交错解复用器而在两代设备间达到连系，这些老设备得以保留在升级后的系统中。
波长交错复用器将包含偶数信道的光信号和包含奇数信道的光信号组合在一起。例如，50GHz的波长交错复用器将包含一组有100GHz信道间隔的偶数信道的光信号和包含一组有100GHz信道间隔的奇数信道的光信号组合在一起，并产生包含两组信道的有50GHz信道间隔的输出光信号。
波长交错解复用器逆转波长交错复用器的过程。例如，50GHz的波长交错解复用器接收包含由一组偶数信道和一组奇数信道两者组合并有50GHz信道间隔的信号，并将偶数信道组从奇数信道组分离，产生一个包含有100GHz信道间隔的偶数信道组的输出信号和一个单独的包含有100GHz信道间隔的奇数信道组的输出信号。
波长交错复用器的基本原理是两条光束间的干涉重叠。当不同整数倍的波长通过该装置时，干涉造成周期性的重复的输出，并且通过控制干涉图样设定波长交错复用器预期的信道间隔。今天，制造商们用熔融光纤Mach-Zehnder干涉仪、液晶、双折射晶体、Gires-Tournois干涉仪(GTI)以及其他装置来制造波长交错复用器。
在它们之中，基于GTI的波长交错复用器相比于其他波长交错复用器有着许多优势。例如，基于GTI的波长交错复用器有非常低的插入损耗，在很宽的波长范围内有均衡响应(平顶光谱)，并且有最小的偏振依赖效应。
对于10Gbit/s和下一代的40Gbit/s的系统必须要考虑色散。高比特率系统中的色散要求是极其严格的。尽管现在有许多技术被用于波长交错复用器产品，色散性能可能是决定哪项技术能够成功的决定性因素。要想成功，波长交错复用器必须不仅在中心ITU波长处，而且在装置的整个可用的传输频带上都拥有较低的色散值(也就是，色散不能减少可用的传输频带)。不幸的是，基于GTI的波长交错复用器有着非常巨大的色散，对于50GHz的波长交错复用器要大到70-200ps/nm，对于25GHz的波长交错复用器要大到250～800ps/nm。
授予Cao的美国专利号No.6,169,604的专利披露了一种偏振分离干涉仪以及基于该干涉仪的波长交错复用器。该干涉仪是一种Gires-Tournois干涉仪，带有另外的在反射镜之间的λ/4波片和外部的λ/8波片(在该参考专利中的图8和图9)。该波长交错复用器包括一个偏振光束分离器和两个这种干涉仪。这种波长交错复用器可以作为波长交错复用器和波长交错解复用器而工作，或者说，这种波长交错复用器执行波长交错复用器的两种功能，可以称其为波长交错复用器/波长交错解复用器。在两种工作模式下，干涉仪改变偶数信道的偏振态，而保持奇数信道的偏振态不变(在该参考专利中的图10、11和图12)。
从这种波长交错复用器输出信号的相位是θ=-tan-1{[(1+R)/(1+R)]tan(2πL/λ)-π/4}-tan-1{[(1+R)/(1-R)tan(2πL/λ)+π/4]}---(1)]]>上述类型的50GHz波长交错复用器/波长交错解复用器在反射率R=18.5％，长度L=1.5mm条件下计算出的群时延显示在图1中，色散显示在图2中。从图2中可以得到，带宽±0.11nm(±14GHz)中的色散为±60ps/nm。
授予Chen等人的美国专利号No.6,169,626的专利披露了一种应用Gires-Tournois-Michelson干涉仪(GTMI)的波长交错复用器/波长交错解复用器。由本发明人计算出50GHz的GTMI在±50GHz的带宽中色散为±50ps/nm。
上述参考文献无一披露补偿与GTI干涉仪关联的相当大色散的任何方法。
有着如此之高的色散的波长交错复用器在高比特率系统中无法应用。因此，需要一种将基于GTI的波长交错复用器的色散减小到使基于GTI的波长交错复用器成为可用装置的范围的补偿机构。本发明即针对这一需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种大大减小了色散等级的光信号波长交错复用器和光信号波长交错解复用器。
本发明的进一步目的是提供一种适用于50GHz的DWDM系统的光信号波长交错复用器和光信号波长交错解复用器。
本发明的进一步目的是提供一种无需使用光环行器的光信号波长交错复用器和光信号波长交错解复用器。
通过在基于GTI的波长交错复用器中提供色散补偿及在基于GTI的波长交错解复用器中提供色散补偿而确保获得本发明的目的和优点。在波长交错复用器和波长交错解复用器中都是通过补偿干涉仪而提供色散补偿，该补偿干涉仪是GTI干涉仪。
本发明的色散补偿波长交错复用器在其结构中包括一个信号处理干涉仪及一个色散补偿干涉仪。在波长交错复用器中，信号处理干涉仪执行将包含一组偶数信道的输入信号和包含一组奇数信道的输入信号组合在一起的功能。光信号通过色散补偿波长交错复用器的路径如下其中一个包含一组偶数信道，一个包含一组奇数信道的两个输入信号被输入到信号处理干涉仪。信号处理干涉仪将输入信号组合并输出一个包含两组信道的信号。从信号处理干涉仪输出的输出信号被发送到色散补偿干涉仪，在那里由信号处理干涉仪引入的色散被补偿。色散补偿干涉仪的输出就作为波长交错复用器的输出。实质上，输出信号中的所有光线都通过了信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪。
本发明的色散补偿波长交错解复用器在其结构中包括一个信号处理干涉仪及一个色散补偿干涉仪。在波长交错解复用器中，信号处理干涉仪执行接收包含一组偶数信道和一组奇数信道的输入信号，及输出两个分离的输出信号的功能，一个输出信号包含奇数信道组，另一个输出信号包含偶数信道组。光信号通过色散补偿波长交错解复用器的路径如下包含一组偶数信道和一组奇数信道的输入信号通过色散补偿干涉仪，在那里进行色散补偿，而后转去信号处理干涉仪，该干涉仪输出其中一个包含偶数信道组和一个包含奇数信道组的分离的信号。输出信号中的所有光线都通过了信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪。
在本发明的一个实施例中，在波长交错复用器和波长交错解复用器中的信号处理干涉仪都是基于GTI的非线性干涉仪(NLI)。这是带有内部的λ/4波片和外部的λ/8波片的GTI干涉仪，被用作偏振分束干涉仪而工作。NLI在保持线偏振的奇数信道的偏振态不变的情况下，改变线偏振的偶数信道的偏振态，从垂直变到水平或从水平变到垂直。NLI信号处理干涉仪从偏振光束分离器接收信号，并将输出信号送回偏振光束分离器。
在这个实施例中，波长交错复用器和波长交错解复用器间存在一个结构上的区别。
结构上的区别在于在波长交错解复用器中一个由一个石榴石和22.5°截取的半波片组成的光学元件被放置在信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪间的光路上。水平偏振的输入信号通过半波片而后通过石榴石不改变其水平偏振态而朝向信号处理干涉仪，然而从信号处理器沿同一路径返回的水平偏振的奇数信道的输出信号的偏振态变为垂直偏振。这样使奇数信道的输出信号通过偏振光束分离器被反射到波长交错解复用器输出端。
另一方面，在波长交错复用器中交换半波片和石榴石各自的位置，因此当靠近信号处理干涉仪时垂直偏振的奇数信道的输入信号变成水平偏振的输入信号，而从信号处理干涉仪沿同一路径返回的水平偏振的信号保持其偏振态不变。
上述交换22.5°半波片和石榴石的位置得到的效果也可以通过颠倒石榴石的取向得到。
波长交错复用器与波长交错解复用器间结构上的差别也适用于本发明的下述实施例。
在本发明的这一实施例中，波长交错复用器和波长交错解复用器中的信号处理干涉仪都是GTI和Michelson干涉仪的结合(GTMI)，其中GTI取代了Michelson干涉仪中的一面镜子。色散补偿干涉仪为与前述一样的GTI干涉仪。
本发明的波长交错复用器具有分离的输入/输出端口，因此无需光循环器。
图1是显示50GHz波长交错复用器的群时延的曲线图；图2是显示50GHz波长交错复用器的色散的曲线图；图3是显示根据本发明的第一实施例中的波长交错解复用器的示意图；图4显示了用于图3和图10中的波长交错解复用器的色散补偿器；图5是显示图4中的色散补偿器的群时延的曲线图；图6在剖面中显示了用于本发明的第一实施例的波长交错复用器和波长交错解复用器的非线性干涉仪(NLI)；图7显示了偏振方向与22.5°截取的半波片的c轴的关系；图8显示了经计算的图3所示的第一实施例的50GHz色散补偿波长交错解复用器的群时延的曲线图；图9显示了经计算的图3所示的第一实施例的50GHz色散补偿波长交错解复用器的色散特性的曲线图；图10显示了根据本发明的波长交错复用器的示意图；图11显示了波长交错解复用器的一部分，显示出石榴石和四分之一波片的排列；图12显示了波长交错解复用器的一部分，显示出石榴石32的取向；图13示意性地显示了根据本发明第二实施例的波长交错解复用器。
具体实施例方式
图3显示了根据本发明的波长交错解复用器10的示意图。波长交错解复用器10从输入端口12接收输入信号。输入信号包含一组偶数信道和一组奇数信道，具有固定的信道间隔，例如波长交错复用的偶数和奇数信道间的间隔是50GHz。这样在这个例子中，偶数信道间的间隔是100GHz，奇数信道间的间隔也是100GHz。一个平行光管14将输入信号传递到转换器16。
转换器16包括一个离散晶体18和一个半波片20。输入信号通过离散晶体18，从离散晶体18射出两条分离的光束，一条垂直偏振的光束和一条水平偏振的光束。水平偏振的光束通过半波片20，并从半波片20射出垂直偏振的光束。这样由转换器16将输入转换成一个垂直偏振的输入信号，该信号由两条各自垂直偏振的平行光束组成。转换器16将垂直偏振的输入信号输出到偏振光束分离器22。
转换器16可以依相反的方向工作，从输出信号中去除偏振态。上述转换器加入或去除垂直偏振态。加入或去除水平偏振态的转换器是相类似的，但有截断另一束光束的半波片。本申请中所用的术语转换器意味着包括任何执行上述功能的装置。
偏振光束分离器22将垂直偏振的输入信号反射到一个四分之一波片24。偏振的输入信号通过四分之一波片24，输入信号的偏振态被四分之一波片24转换成圆偏振态。圆偏振输入信号而后通向色散补偿干涉仪26。
色散补偿干涉仪26是如图2所示的Gires-Tournois干涉仪(GTI)。色散补偿干涉仪26将色散补偿后的圆偏振的输入信号输出到四分之一波片24。通过四分之一波片24的信号被四分之一波片24转换成水平偏振的信号，并从四分之一波片24射出色散补偿后的水平偏振输入信号。
水平偏振的输入信号被传输通过偏振光束分离器22，而后通过另一偏振光束分离器28，而后通过22.5°截取的半波片使偏振态正向旋转45度，然后通过石榴石32使偏振态反向旋转45度。从石榴石32射出的输入信号保持了水平偏振的输入信号。
接着水平偏振的输入信号进入波长交错复用器10的干涉仪部分34。干涉仪部分34包含一个偏振光束分离器36和一个信号处理干涉仪，该信号处理干涉仪在本发明的实施例中为非线性干涉仪(NLI)38。非线性干涉仪38在本发明的实施例中为如图4所示的一个经修改的GTI干涉仪。将水平偏振的输入信号通过偏振光束分离器36传送到非线性干涉仪38。非线性干涉仪38输出一个信号给偏振光束分离器36，该偏振光束分离器36传送一个含有奇数信道组的水平偏振的信号(水平偏振的奇数信道信号)，并反射一个含有偶数信道组的垂直偏振的信号(垂直偏振的偶数信道信号)。
水平偏振的奇数信道信号从偏振光束分离器36通到干涉仪部分34外，并通过石榴石32使偏振旋转45度，通过22.5°截取的半波片30使偏振旋转另一个45度，并输出一个垂直偏振的奇数信道信号到偏振光束分离器28，该垂直偏振的奇数信道信号从偏振光束分离器28反射到转换器40。
转换器40接收到垂直偏振的奇数信道信号，除去偏振并输出该奇数信道信号。转换器40包含一个半波片42以及一个离散晶体44。一部分垂直偏振的奇数信道信号直接进入离散晶体44，一部分在进入离散晶体44前先通过半波片42，后一部分成为水平偏振。垂直偏振部分和水平偏振部分在离散晶体44中重新合并在一起并作为奇数信道输出信号从转换器40输出，奇数信道输出信号接着通过平行光管46传送到输出口48。
往回参考通过偏振光束分离器36被反射的垂直偏振偶数信道信号，该信号通到转换器50。转换器50包含一个半波片52以及一个离散晶体54，并如同转换器40对奇数信道信号所做的一样从偏振的偶数信道信号中除去偏振，除去偏振的偶数信道信号通过平行光管56从转换器50传送到输出口58。
图4显示了本发明中适用作色散补偿器的一个色散补偿干涉仪60的剖面示意图。该色散补偿器60是一个Gires-Tournois干涉仪，具有一个与高反射镜64间隔并平行的第一部分反射镜62，两镜之间有一个空腔66。该部分反射镜62提供了一个单个的输入/输出口68以允许光线进入和离开空腔66。选用的隔离物70由超低膨胀材料构成。Gires-Tournois干涉仪的振幅响应是平坦的(也就是说，独立于波长)，相响应是φ(λ)=-2tan-1{[(1+R)/(1-R)]tan(2πd/λ)}----(2)]]>群时延是τ(λ)＝0.01λ2/6π[dφ(λ)/dλ](ps)(3)以及色散是D(λ)＝10-3dτ(λ)/dλ(ps/nm) (4)在上述方程中λ是波长，R是部分反射镜的功率反射率，以及d是空腔66从部分反射镜62到高反射镜64的长度。高反射镜的反射率最好约为100％。
图5显示了经计算的对Gires-Tournois干涉仪色散补偿器的群时延的曲线图，该补偿器具有空腔长d＝3mm以及部分反射镜的反射率R＝0.28％。
图6在剖面中显示了适用作图1中非线性干涉仪36的一个非线性干涉仪。该非线性干涉仪100是一中经修改的GTI干涉仪，具有一个第一部分反射镜62，与高反射镜64间隔并平行，两镜之间有一个空腔66。部分反射镜62提供了一个单个的输入/输出口68以允许光线进入和离开空腔66。该部分反射镜最好具有近似18.5％的反射率。高反射镜最好具有近似100％的反射率。
一个四分之一波片70设置在空腔66中，并在空腔66中信号的o光束和e光束之间引入一个180°的全程相位改变。外部的λ/8波片72在o光束和e光束之间引入一个π/2的全程相位改变。
图7显示了偏振方向与在本发明的第一和第二实施例中应用的22.5°截取的半波片的c轴之间的关系。
图8显示了根据图3所示的本发明的第一实施例的一个50GHz色散补偿波长交错复用器和波长交错解复用器的群时延的曲线图。
图9显示了根据图3所示的第一实施例的一个50GHz色散补偿波长交错复用器和波长交错解复用器的色散曲线图。
图5、8和9是计算的结果，其中参数为GTI空腔长＝3mm，且R＝0.28％。图9中在±0.8nm(±10GHz)带宽时色散只有±4.7ps/nm。为了补偿色散，补偿器的群时延峰值必须与波长交错复用器的群时延最低值校准。
图10显示了一个根据本发明的波长交错复用器。除了石榴石32和22.5°截取的半波片30改变了位置外，图10中所有元器件的位置与图3中的相同。既然这样，奇数信道输入信号在到NLI的路上由垂直偏振变为水平偏振，而从NLI到色散补偿干涉仪的水平偏振的输出信号不改变。
图11显示了一个波长交错解复用器的相关部分，除了石榴石32外，该波长交错解复用器与图3中所示的一样，图11中的石榴石32以琢面指示的取向有一个特定的方向，以“A”面面向偏振干涉仪36。
图12显示了一个除了以琢面33指示的石榴石32以“A”面面向四分之一波片30以外与图11中的波长交错解复用器具有相同元器件的波长交错复用器。
图13显示了根据本发明的一个第二色散补偿波长交错解复用器的示意图。在图3中使用的数字标号再一次在图13中用来标识相同的元器件。图13中点划线AA以下所示的所有部件都有在图3中相同编号的相应部件。因此，对波长交错解复用器110的描述可以方便地从水平偏振的输入信号离开石榴石32并进入干涉仪部分112的这一点开始。干涉仪部分112包括一个来与石榴石32光耦合，与反射镜116光耦合以及与干涉仪118光耦合的50/50光束分离器114。光束分离器114将水平偏振的输入信号分离成通过镜116反射回光束分离器114的一部分，以及通过干涉仪118反射回光束分离器114的一部分。
Gires-Tournois干涉仪118与光束分离器114和镜116的组合是Gires-Tournois-Michelson干涉仪(GTMI)。Gires-Tournois干涉仪118如图4剖面图所示。
从镜116和Gires-Tournois干涉仪118反射的信号回到光束分离器114，并在光束分离器114中发生干涉，这样光束分离器114输出一个含有奇数信道组的水平偏振的信号(水平偏振的奇数信道信号)到石榴石32，并输出一个含有偶数信道组的水平偏振的信号(水平偏振的偶数信道信号)到转换器120。
水平偏振的奇数信道信号通过石榴石32使偏振旋转45度。接着该信号通过22.5°截取的半波片30使偏振旋转另一个45度，这样该信号成为垂直偏振的奇数信道信号。参照图3该信号在偏振光束分离器28中被反射并在转换器40中被去偏振，该转换器40通过平行光管46将奇数信道输出信号发送到输出口48。
水平偏振的偶数信道信号从光束分离器114传到转换器120。该转换器120包括一个半波片122和一个离散晶体124。水平偏振的偶数信道信号的一部分直接进入离散晶体124，而一部分在进入离散晶体124前先通过半波片122，在那里使其成为垂直偏振。该信号的两个部分在离散晶体124中重新组合在一起形成一个去偏振信号即偶数信道输出信号，该偶数信道输出信号通过平行光管126传到输入/输出口128。50GHz的色散补偿的基于GTMI的波长交错复用器的色散经计算为±10ps/nm，与其相比经计算没有色散补偿的GTMI波长交错复用器为±50ps/nm。
上述本发明的实施例被认为是对本发明的说明而不是对本发明的限制。因此本发明的范围应该由下面的权利要求和它们的合法等同物决定。
权利要求
1.一种执行波长交错复用器/波长交错解复用器两个功能之一的经色散补偿的装置包括一个信号处理干涉仪；以及一个用于补偿信号处理干涉仪的色散，与信号处理干涉仪光耦合的色散补偿干涉仪。
2.如权利要求1所述的装置，其进一步特征在于，实质上所有输出信号中的光都通过信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪。
3.如权利要求1所述的装置，其进一步特征在于，色散补偿干涉仪是一种GTI干涉仪。
4.如权利要求3所述的装置，其进一步特征在于，信号处理干涉仪是基于GTI的干涉仪。
5.如权利要求4所述的装置，其进一步特征在于，基于GTI的干涉仪是一种非线性干涉仪(NLI)。
6.如权利要求5所述的装置，其进一步特征在于，NLI干涉仪是一种GTI干涉仪，该干涉仪包含一个位于平行反射镜之间的空腔、一个反射镜为近于100％的反射，另一反射镜为部分反射，还带有一个在空腔中的λ/4波片和一个在空腔外的外部的λ/8波片。
7.如权利要求6所述的装置，其进一步特征在于，该装置进一步包括一个位于信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪之间的光路上的单向光学元件，该单向光学元件的取向使该装置成为波长交错复用器。
8.如权利要求7所述的装置，其进一步特征在于，单向的元件是位于信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪之间的光路上的半波片和石榴石的组合体，并且其取向是该半波片朝向信号处理干涉仪。
9.如权利要求6所述的装置，其进一步特征在于，单向的光学元件的取向使该装置成为波长交错解复用器。
10.如权利要求9所述的装置，其进一步特征在于，单向的光学元件是位于色散补偿干涉仪和信号处理干涉仪之间的光路上的半波片和石榴石的组合体，并且其取向是该石榴石朝向信号处理干涉仪。
11.如权利要求4所述的装置，其进一步特征在于，基于GTI的干涉仪是一种GTMI干涉仪。
12.如权利要求11所述的装置，其进一步特征在于，GTMI包括一个Michelson干涉仪，该干涉仪包含一个50/50分束器、一个第一反射镜片以及一个替代一个反射镜片的GTI。
13.如权利要求11所述的装置，其进一步特征在于，单向光学元件的取向使该装置成为波长交错复用器。
14.如权利要求12所述的装置，其进一步特征在于，单向的光学元件是位于信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪之间的光路上的一个半波片和一个石榴石的组合体，并且其取向是该半波片朝向信号处理干涉仪。
15.如权利要求11所述的装置，其进一步特征在于，单向光学元件的取向使该装置成为波长交错解复用器。
16.如权利要求15所述的装置，其进一步特征在于，单向的光学元件是位于信号处理干涉仪和色散补偿干涉仪之间的光路上的半波片和石榴石的组合体，并且其取向是该石榴石朝向信号处理干涉仪。
17.一种对包含一组偶数信道和一组奇数信道的光信号波长交错解复用的方法，其特征在于，该方法包括在波长交错解复用器的输入端口输入光信号；线偏振该光信号；将该经偏振的光信号通过色散补偿GTI干涉仪；将偏振的输入信号应用于信号处理干涉仪，以得到一个奇数信道偏振的信号和一个偶数信道偏振的信号；对奇数信道的信号去偏振；以及对偶数信道的信号去偏振。
全文摘要
一种色散补偿的光信号波长交错复用器具有用于波长交错复用和波长交错解复用奇数和偶数信道组的基于GTI的干涉仪，并具有一个额外的用于补偿由第一干涉仪引起的色散的GTI干涉仪(26)。
文档编号G01J9/02GK1464968SQ02802358
公开日2003年12月31日 申请日期2002年5月14日 优先权日2001年6月4日
发明者顾世杰 申请人:光联通讯技术有限公司