专利名称：一种光时分复用器及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光时分复用器及制作方法，属于信息技术领域。
背景技术：
通信容量的大幅度增长是信息化社会发展的必然趋势，而光时分复用技术(OTDM)和密集波分复用技术(DWDM)是提高光纤通信容量的两个重要有效途径。OTDM技术和DWDM技术是实现未来高速、大容量光纤通信系统的两种不同技术路线，单独利用任一种技术都可以构筑大容量的光纤通信系统。OTDM技术与DWDM技术结合起来，就可以充分利用这两种技术的优点而掘弃它们的缺点，共同构筑高速、大容量光纤通信系统的未来。
一些发达国家在积极推进DWDM光通信系统实用化的同时，也正在积极推动OTDM光通信系统的发展。2007年6月19日——英国网络运营商JANET宣布已经实现同时针对传输层和IP层的单信道40Gbps传输，JANET表示相比于增加10Gbps信道的方式，采用40Gbps传输速率更具成本优势，也更加简便，JANET表示，在传输层面他们与Ciena和Verizon Business合作，而在IP层面则与阿尔卡特朗讯和Juniper合作。对超高速OTDM技术，日本显示了积极的态度。日本邮政省委托NTT公司利用环形光纤锁模激光器实现了640Gbit/s的OTDM传输实验，在2007年，美国的朗讯公司和加拿大的北方电信公司己经分别展示6.4Tbit/s(2×40Gb/s×80ch)DWDM/OTDM混合光通信系统，并声称即将推出代表当前最高水平的商用DWDM/OTDM通信系统。近几年我国已经有40Gbit/s的网络需求，未来将会有160Gbit/s的需求，鉴于OTDM技术是发展超大容量传输网的有效途径，OTDM通信系统以高速光信号处理技术为基础，和未来的全光网络完全兼容，大有发展前途。
光时分复用器是OTDM技术的核心器件，只有性能优良的光时分复用器才能保证复用后的信号质量。目前报道的光时分复用器均为马克-曾德干涉仪(M-Z)型结构(Mike J，O‘Mahony等人，IEEE Communications Magazine，December1995，82-88)，(魏道平等人，光通信研究，1999年第2期，43-47)。该M-Z干涉仪由分光器件和时延器件构成，分光器件又分为(1)平面波导型(Jepsen，K.S.等人，Conference on Optical Fiber Communication，Technical DigestSeries，1998，p 310-311)，其时延器的可调节性好，但插入损耗大且价格昂贵；(2)熔锥型光纤耦合器型(惠战强等人，科学技术与工程，第8卷第17期2008年9月，4999-5001)，上述时分复用器分光/合光是靠拉细光纤产生的光耦合完成。当光源的时间/空间性条件满足时，造成强烈的干涉效应，各路光脉冲的幅度并不是处于稳定的状态，而是时刻无规则地起伏，尤其当晃动光时分复用器输入端光纤时，脉冲波动更加显著。熔锥光纤耦合器的分光比是偏振相位差敏感器件，在输入功率不变的条件下，某输出支路的功率会随着输入偏振态的改变而改变。每一支熔锥光纤耦合器的特性参数都有些许不同，一致性差。偏振依赖损耗偏大，且存在较大的一阶偏振模色散(PMD)。分光比的波长依赖性大。长时间使用，多级熔锥光纤耦合器叠加积累的温度和应变不稳定性影响变大，使得制作好的上述复用器放置一段时间后，性能改变显著，分光比和各路信号幅度值与刚制作完成时的情形相差甚远，难以实用化。
相干性与光源大小有关，按照惠更斯-菲涅耳理论，干涉面上的光扰动是由此点和光源之间某个面上所发出的各个次级波叠加而成的。经过深入分析和反复试验，发现熔锥光纤耦合器拉锥实际上缩小了“光源”尺寸，从空间相干性考虑，相当于增加了相干性；而且，光纤耦合器的sin2(Cz)分光特性加剧了干涉敏感性，sin2(Cz)关系使波长平坦性也较差。
如果光时分复用器全部采用传统光学器件，结构复杂且与光纤耦合和调整困难(参看德国u2t公司光时分复用器产品说明)。
发明内容
为了克服现有技术结构的不足，针对上述结构光时分复用器存在的问题，本发明创新的采用了光纤与镀膜体光学器件相结合的新型怀特曼型干涉仪结构光时分复用器，解决了光时分复用器的稳定性问题，这种结构的光时分复用器国内外未见报道。本发明提供一种光时分复用器及制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种光时分复用器，由多级怀特曼干涉仪构成，每级怀特曼干涉仪由光纤尾纤，自聚焦透镜，分光膜构成；光纤尾纤与自聚焦透镜耦合构成光纤准直透镜，如图1所示；在光纤准直透镜端面上镀分光膜，如图2所示；用一对镀了分光膜的光纤准直透镜构成一个光纤分光器件，如图3所示；两个这种光纤分光器件构成怀特曼干涉仪的一级，如图4所示；每一级怀特曼干涉仪通过适当调整干涉臂长差，可将光信号速率提高一倍，n级怀特曼干涉仪可将光信号速率提高n倍，n＝1，2，3，4......，如图5所示； 1、带尾纤的自聚焦透镜镀分光膜， 光纤尾纤，自聚焦透镜，分光膜； 自聚焦透镜的长度为四分之一周期，可以将非平行光在到达分光膜平面时变为平行光，自聚焦透镜与光纤尾纤集成，如图6； 分光器件采用一致性非常好的分光膜，保证每一组分光器件的分光比1∶1，微小的差异通过反射端和透射端的互易连接方式纠正； 分光膜为普遍采用的干涉分光膜； 2、怀特曼干涉型光时分复用器； 怀特曼干涉型光时分复用器一级的构成如图7所示，输入信号进入由带尾纤的自聚焦透镜镀分光膜构成的分光器件一分为二，一路反射，一路透射，反射和透射信号沿着光纤构成的怀特曼干涉仪两臂前行，光纤两臂长度调整到满足信号倍频要求，当到达另一个反向连接的分光器件时，合成为一路信号； 3、马克曾德型(M-Z型)光时分复用器； 马克曾德型光时分复用器一级的构成如图8所示，输入信号进入由光纤熔融拉锥构成的分光器件一分为二，一路反射，一路透射，反射和透射信号沿着光纤构成的马克曾德干涉仪两臂前行，光纤两臂长度调整到满足信号倍频要求，当到达另一个反向连接的分光器件时，合成为一路信号； 4、全偏振M-Z干涉仪结构光时分复用器； 全偏振M-Z型光时分复用器一级的构成如图9所示，输入信号进入由保偏光纤熔融拉锥构成的保偏分光器件一分为二，一路反射，一路透射，反射和透射信号沿着光纤构成的全偏振M-Z干涉仪两臂前行，光纤两臂长度调整到满足信号倍频要求，当到达另一个反向连接的保偏分光器件时，合成为一路信号； 对比以上三种光时分复用器可以看出，怀特曼干涉型光时分复用器不需要对光纤熔融拉锥，到达分光位置时为平行光，自聚焦透镜通光口径为毫米量级以上，其光路分析可以采用光线追迹方式；而M-Z型和全偏振M-Z型光时分复用器对光纤熔融拉锥分光，通过拉锥部位造成的电磁场耦合效应实现分光，其光路分析必须采用电磁场的麦克斯韦方程分析。
一种光时分复用器制作方法，含有时延调整采用光纤切割熔接的步骤；步骤如下 时延调整采取控制光纤干涉仪干涉臂长度来实现；将光纤按照时延长度要求用带标尺的光纤切割刀切割后，用光纤熔接机熔接； 耦合臂光脉冲插在直通臂光脉冲的中间； 时延调整的步骤如下 光纤长度的变化ΔL与脉冲移动位置Δt之间的关系如下式所示， 其中ΔL代表光纤长度的变化，Δt代表脉冲移动位置的变化，c代表真空中光速，为3×108m/s，n代表光纤芯层的折射率； 计算脉冲在示波器上每移动1ps需要调整的反射端光纤长度； 精确调整时延； 通过准直透镜镀分光膜的方法，微小的差异可以通过光纤自身的微弯应力来调节，每一级的幅度依次调整，以保证以后各级幅度的一致； 当需要达到的时分复用速率较高，而示波器带宽不够时，采用分别增大两路中某一路的衰减，使之转化为在示波器上分别观测两路低速率等级的光脉冲的时延差，则达到等效观测高速率等级光脉冲的目的； 时延调整完成后，采用光纤熔接机熔接将光纤熔接接，并用热缩管加热封装。
实验结果表明本发明时延精度达到0.007ps，即好于1.5μm，完全满足160Gb/s以上单通道通信速率传输要求，并且时延的稳定性也在实验中得到了验证。
本发明的有益效果在传统时分复用器缺点改进的基础上，对比国外公司的时分复用器，本发明在损耗、波长平坦性、偏振敏感性、温度稳定性等方面均优于国外产品，并且制作成本低，具有很大的商业价值。
图1本发明光纤准直透镜结构示意图； 图2本发明光纤准直透镜上镀半透半反射膜结构示意图； 图3本发明光纤分光器件结构示意图； 图4本发明一级怀特曼干涉仪结构示意图； 图5本发明n级怀特曼干涉仪结构示意图； 图6分光器在光路中的作用示意图； 图7一级怀特曼干涉型光时分复用器； 图8M-Z干涉仪型光时分复用器； 图9全偏振M-Z干涉仪型光时分复用器； 图10带尾纤的自聚焦透镜镀分光膜模型示意图；其中a、b和c为光纤尾纤，Lends为自聚焦透镜，Q为分光膜。
图11传统的熔锥光纤耦合器示意图； 图12怀特曼干涉型光时分复用器一级复用示意图； 图13马克曾德型(M-Z型)光时分复用器干涉模型示意图； 图14全偏振M-Z干涉仪结构光时分复用器； 图15光纤端面烧制成透镜怀特曼干涉仪型光时分复用器； 图16160GHz光时分复用器结构图； 图17怀特曼干涉型光时分复用器1×4复用示意图； 图18示波器观测160GHz光时分复用器时延精度； 图19示波器观测160GHz光时分复用器时延精度； 图20示波器上的波形示意图； 图21示波器上的波形示意图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施例方式 实施例1如图4所示，1级怀特曼干涉型光时分复用器，复用前频率为2.5GHz时，复用后频率为5GHz，自聚焦透镜采用四分之一节距的具有准直光功能的棒透镜。自聚焦透镜的折射率分布为 n＝n0[1-1/2Ar2](1) 式中，n0为轴上玻璃的折射率，A为分布常数，r为半径。
在近轴子午近似下，光线方程简化为 其中，x表示光线到轴心的垂直距离，z表示以入射端为起点的水平位置。
对(2)式积分，并带入边界条件得 式中x0、θ0分别是入射光线高度和入射角，xc、θc是出射光线高度和出射角，L为光纤在z方向走的距离； 特殊地，当所采用的两透镜分布常数相同，且长度均为P/4，即L1＝L2＝p/4且A1＝A2＝A(其中P为节距)时，有 故由式(4)可得从第二个透镜中射出的光线位置及角度 即 此时若两自聚焦透镜的轴心折射率相同，则有 由此可见，第二个透镜中出射的光与第一个透镜中入射的光相对于光轴呈对称关系。将两透镜并排放置且透镜两端都接有光纤尾纤。由于镀有分光膜，所以该透镜其实是一个半透射半反射分光镜；通过调整镀膜工艺参数，可以做到1∶1的分光比，由光路的可逆性，两个长为四分之一节距的透镜组合可将两路光信号合为一路信号。链接两组分光镜为怀特曼干涉仪形式，构成准直分光型20GHz光时分复用器； 光时分复用器的制作难点在于精确控制时延差，使每路光脉冲插在前级脉冲正中间，5GHz重复频率要求脉冲相隔200ps。具体做法如下选取一路信号作为参考，另一路与之产生ΔTi的时延差； 其中m＝2，4，8，16；i＝1，2，3，4。相应的光纤长度差根据下式计算得到 其中C为光在真空中的传输速度，n为光纤芯区的折射率； 时延调整采取控制光纤干涉仪干涉臂长度来实现。将光纤按照时延长度要求用带标尺的光纤切割刀切割后，用光纤熔接机熔接。假设原始脉冲重复频率是f0＝2.5GHz，为了形成5GHz的重复频率，耦合臂光脉冲必须插在直通臂光脉冲的中间。时延调整时，光纤长度的变化ΔL与脉冲移动位置Δt之间的关系如(8)式所示，其中ΔL代表光纤长度的变化，Δt代表脉冲移动位置的变化，c代表真空中光速，为3×108m/s，n代表光纤芯层的折射率。使用的是普通的G652单模光纤，芯层折射率约为1.443；这样计算下来脉冲在示波器上每移动1ps需要调整反射端光纤长度约0.21mm。采用巧妙的光纤切割和熔接技术，精确调整时延。通过准直透镜镀分光膜的方法，保证了分光比的一致性，微小的差异可以通过光纤自身的微弯应力来调节，如图20、21所示。
图20示波器上的波形是复用前2.5GHz脉冲，相邻脉冲间隔为400ps，图21的波形是一级怀特曼干涉仪复用后5GHz脉冲波形，图中显示脉冲间隔变为200ps。
时延调整完成后，采用光纤熔接机熔接将光纤熔接接，并用热缩管加热封装。
本发明具有以下技术特征 1、带尾纤的自聚焦透镜镀分光膜如图10所示(必要的技术特征)， 其中a、b和c为光纤尾纤，Lends为自聚焦透镜，Q为分光膜。
自聚焦透镜将非平行光在到达分光膜平面时变为平行光，满足分光膜对光线角度的要求，避免了熔锥耦合器(或波导耦合器)需拉细光纤(或磨细波导)分光的干涉不稳定。
自聚焦透镜与光纤尾纤集成后，克服了传统体光学干涉仪很难与光纤耦合问题。
分光器件采用一致性非常好的分光膜，保证每一组分光器件的分光比1∶1，微小的差异通过反射端和透射端的互易连接方式纠正。
分光膜设计为偏振无关型，与熔锥光纤耦合器(或波导耦合器)的分波前方式不同，分光膜为分振幅型，而前者在分光时改变光波相位，后者不改变相位，这种时分复用器的稳定性好于前者。分光膜工艺可以实现宽带平坦的分光，在传输带宽内波长依赖性非常小。分光膜器件工艺成熟，温度稳定性好。传统的熔锥光纤耦合器示意图如图11所示。
2、怀特曼干涉型光时分复用器如图12所示(必要的技术特征)； 怀特曼干涉型光时分复用器由多级构成。每一级可将光信号速率提高n倍，n＝1，2，3，4......。
怀特曼型光时分复用器的干涉扰动主要来自波场的自相干，属于分振幅型干涉器件，与熔锥光纤耦合器型和波导型M-Z干涉仪型光时分复用器不同。
3、马克曾德型(M-Z型)光时分复用器干涉模型示意图如图13所示； 全偏振M-Z干涉仪结构光时分复用器如图14所示； 4、时延调整采用光纤切割熔合的方法(非必要的技术特征) 实验结果表明本发明时延精度达到0.007ps，即好于1.5μm，并且时延的稳定性也在实验中得到了验证。
实施例2以下几种结构都属于本专利要求范围 (1)光纤端面以各种加热方式，烧制成透镜形状，将光变为平行光；在一对这种器件间放置各种分光比的分光膜或分光片，构成的光纤透镜型怀特曼干涉仪时光分复用器，如图15所示。图15中H1......H4代表4套组件级联。2套，4套，......，2n套(n＝1，2，∞)都属于本专利要求范围。
(2)带尾纤的自聚焦透镜镀分光膜，构成的光纤自聚焦棒透镜型怀特曼光纤干涉仪时光分复用器，如图16所示。
上图16中为4级怀特曼光纤干涉仪时光分复用器。1级，2级，......，n级(n＝1，2，∞)都属于本专利要求范围。
图15和图16都是以“1×2”(或“2×1”)器件构成的怀特曼光纤干涉仪。对于由“1×n”(或“n×1”)构成的怀特曼光纤干涉仪，也属于本专利要求范围。例如图17所示的“1×4”光纤自聚焦棒透镜型怀特曼光纤干涉仪。
实施例3 自聚焦透镜采用四分之一节距的具有准直光功能的棒透镜。自聚焦透镜的折射率分布为 n＝n0[1-1/2Ar2](1) 式中，n0为轴上玻璃的折射率，A为分布常数，r为半径。
在近轴子午近似下，光线方程简化为 其中，x表示光线到轴心的垂直距离，z表示以入射端为起点的水平位置。
对(2)式积分，并带入边界条件得 式中x0、θ0分别是入射光线高度和入射角，xc、θc是出射光线高度和出射角，L为光纤在z方向走的距离。
特殊地，当所采用的两透镜分布常数相同，且长度均为P/4，即L1＝L2＝p/4且A1＝A2＝A(其中P为节距)时，有 故由式(4)可得从第二个透镜中射出的光线位置及角度 即 此时若两自聚焦透镜的轴心折射率相同，则有 由此可见，第二个透镜中射出的光与第一个透镜中入射的光相对于光轴呈对称关系。将两透镜并排放置且透镜两端都接有光纤尾纤。由于镀有分光膜，所以该透镜其实是一个半透半反镜。通过调整镀膜工艺参数，可以做到1∶1的分光比，由光路的可逆性，两个长为四分之一节距的透镜组合可将两路光信号合为一路信号。该组合透镜构成一个怀特曼干涉仪，其分光膜将光波场振幅一分为二。当入射光脉冲重复频率为10GHz时，4个怀特曼干涉仪串联就构成了准直分光型160GHz光时分复用器。
光时分复用器的制作难点在于精确控制时延差，使每路光脉冲插在前级脉冲正中间，160GHz重复频率要求脉冲相隔6.25ps。具体做法如下选取一路信号作为参考，另一路与之产生ΔTi的时延差。
其中m＝2，4，8，16；i＝1，2，3，4。相应的光纤长度差根据下式计算得到 其中C为光在真空中的传输速度，n为光纤芯区的折射率。
时延调整采取控制光纤干涉仪干涉臂长度来实现。将光纤按照时延长度要求用带标尺的光纤切割刀切割后，用光纤熔接机熔接。假设原始脉冲重复频率是f0＝10GHz，为了形成20GHz的重复频率，耦合臂光脉冲必须插在直通臂光脉冲的中间。时延调整时，光纤长度的变化ΔL与脉冲移动位置Δt之间的关系如(8)式所示，其中ΔL代表光纤长度的变化，Δt代表脉冲移动位置的变化，c代表真空中光速，为3×108m/s，n代表光纤芯层的折射率。使用的是普通的G652单模光纤，芯层折射率约为1.443；这样计算下来脉冲在示波器上每移动1ps需要调整反射端光纤长度约0.21mm。采用巧妙的光纤切割和熔接技术，精确调整时延。通过准直透镜镀分光膜的方法，保证了分光比的一致性，微小的差异可以通过光纤自身的微弯应力来调节，每一级的幅度依次调整，以保证以后各级幅度的一致。制作中，当示波器带宽不够时，无法观测复用后的脉冲，采用一个巧妙的方法，在第四级复用时，增大两路中某一路的衰减，使之转化为在示波器上分别观测两路80GHz的光脉冲，则可以达到等效观测160GHz光脉冲的目的，如图18、19所示。
示波器上面的波形是160GHz脉冲的第1，3，5，......，15路，下面的波形是160GHz脉冲的第2，4，6，......，16路，图中显示Δ＝6.243ps，所以，采用光纤切割熔接方式制作的时分复用器精度为0.007ps，即好于1.5μm，完全满足160Gb/s传输要求。
时延调整完成后，采用光纤熔接机熔接将光纤熔接，并用热缩管加热封装。
权利要求
1.一种光时分复用器，其特征是
由多级怀特曼干涉仪构成，每级怀特曼干涉仪由光纤尾纤，自聚焦透镜，分光膜构成；光纤尾纤与自聚焦透镜耦合构成光纤准直透镜；在光纤准直透镜端面上镀分光膜；用一对镀了分光膜的光纤准直透镜构成一个光纤分光器件；两个这种光纤分光器件构成怀特曼干涉仪的一级。
2.根据权利要求1所述的一种光时分复用器，其特征是多级为1级或2级或n级，n＝1，2，∞。
3.根据权利要求1或2所述的一种光时分复用器，其特征是带尾纤的自聚焦透镜镀分光膜，分光比1∶1，分光膜在大于100nm的波长范围宽带平坦分光。
4.根据权利要求1或2所述的一种光时分复用器，其特征是分光膜为分振幅型，分光时不改变相位。
5.根据权利要求1或2所述的一种光时分复用器，其特征是光纤端面以各种加热方式，烧制成透镜形状，将光变为平行光；在一对这种器件间放置1∶1分光比的分光膜或分光片，构成光纤透镜型分光器件；两个这种光纤分光器件构成怀特曼干涉仪的一级。
6.根据权利要求1或2所述的一种光时分复用器，其特征是输入信号进入由带尾纤的自聚焦透镜镀分光膜构成的光纤分光器件一分为二，一路反射，一路透射，反射和透射信号沿着光纤构成的怀特曼干涉仪两臂前行，光纤两臂长度调整到满足信号倍频要求，当到达另一个反向连接的分光器件时，合成为一路信号。
7.根据权利要求1或2所述的一种光时分复用器，其特征是输入信号进入由光纤熔融拉锥构成的光纤分光器件一分为二，一路反射，一路透射，反射和透射信号沿着光纤构成的马克曾德干涉仪两臂前行，光纤两臂长度调整到满足信号倍频要求，当到达另一个反向连接的分光器件时，合成为一路信号。
8.根据权利要求1或2所述的一种光时分复用器，其特征是输入信号进入由保偏光纤熔融拉锥构成的保偏光纤分光器件一分为二，一路反射，一路透射，反射和透射信号沿着光纤构成的全偏振M-Z干涉仪两臂前行，光纤两臂长度调整到满足信号倍频要求，当到达另一个反向连接的保偏分光器件时，合成为一路信号。
9.一种光时分复用器制作方法，其特征是
将光纤按照时延长度要求用带标尺的光纤切割刀切割后，用光纤熔接机熔接；分光比的一致性通过光纤自身的微弯应力调节，每一级的幅度依次调整，以保证以后各级幅度的一致；制作中，当示波器带宽不够时，无法观测复用后的脉冲，采用增大干涉仪两臂中某一路的衰减，使之转化为在示波器上分别观测两路复用前的光脉冲时延差。
10.根据权利要求9所述的一种光时分复用器制作方法，其特征是当需要达到的时分复用速率较高，而示波器带宽不够时，采用分别增大两路中某一路的衰减，使之转化为在示波器上分别观测两路低速率等级的光脉冲的时延差；时延调整完成后，采用光纤熔接机熔接将光纤熔接接，并用热缩管加热封装。
全文摘要
一种光时分复用器，由多级怀特曼干涉仪构成，每级怀特曼干涉仪由光纤尾纤，自聚焦透镜，分光膜构成；光纤尾纤与自聚焦透镜耦合构成光纤准直透镜；在光纤准直透镜端面上镀分光膜；用一对镀了分光膜的光纤准直透镜构成一个光纤分光器件；两个这种光纤分光器件构成怀特曼干涉仪的一级；每一级怀特曼干涉仪通过适当调整干涉臂长差，可将光信号速率提高一倍，n级怀特曼干涉仪可将光信号速率提高n倍，n＝1，2，3，4……；本发明的有益效果在传统时分复用器缺点改进的基础上，对比国外公司的时分复用器，本发明在损耗、波长平坦性、偏振敏感性、温度稳定性等方面均优于国外产品，并且制作成本低，具有很大的商业价值。
文档编号H04J14/08GK101562494SQ20091008334
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月4日 优先权日2009年5月4日
发明者李唐军, 王目光, 简水生, 钟康平 申请人:北京交通大学