CN100561262C - 基于电光效应的高速光分插复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电光效应的高速光分插复用器，属于一种光通信系统的节点中应用的光器件技术领域。一种基于电光效应的高速光分插复用器，包括：铌酸锂基底(511)，以钛扩散工艺制备的铌酸锂波导，输入端口(101)，上载端口(102)，输出端口(103)，下载端口(104)，偏振分束器(105)，偏振模式转换单元(106)，偏振合束器(107)。本发明相对于现有技术的优点：(1)可实现纳秒量级的调谐速度；(2)室温下以-150V～+150V电压可实现34nm的调谐范围；上、下路通带宽度(3dB带宽)可达0.8nm；一阶旁瓣小于-35dB，光纤到光纤的插入损耗小于5dB。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信系统的节点中应用的光器件，特别涉及一种高速光分插复用器。
背景技术
光分插复用器(OADM)是光波分复用(WDM)系统的核心器件之一，其功能是从传输光路中有选择地下载某些波长信道到本地，或者从本地发送某些波长信道到传输光路中，同时不影响其它波长信道的传输。光纤通信网引入OADM后，可以方便灵活地实现波长信道的上下路，实现光网络的开放性和透明性。
现行的OADM技术从上下路实现技术角度可分为开关型和调谐型。
开关型OADM是先将多波长信号解复用成多个单波长信号，然后再用光开关来对单波长信号上下路，可以采用微电机械(MEMS)、平面光波导(PLC)、液晶工艺等技术来实现各种规模的光开关(矩阵)。如中国专利文献CN1369976公开了“一种新型多功能的光分插复用器”，这种光分插复用器是一种基于复用器、解复用器和光开关的光分插复用器，其结构用到了4个光放大器，10个2×2光开关，以及2对基于干涉膜滤波器的复用器、解复用器。结构较为复杂，基于分立器件，不便于集成，且成本较高，调谐速度较慢。又如中国专利文献CN1523804公开了“基于微机电系统的光分插复用器”，提出一种基于微机电系统和透镜的光分插复用器，主要由光环行器，自聚焦透镜、衍射光栅，光耦合器及微机电系统控制的可调反射镜阵列组成。该发明引入微机电系统，增加了器件的集成度，但机械调谐手段仍然无法从本质上提高调谐速度，调谐速度仅为毫秒量级。开关型OADM的普遍缺点在于其相应速度低，在论文“黄照祥、张阳安、黄永清等，可重构光分插复用器(ROADM)的技术实现与性能评估，光通信技术2004(12)：4-9”中提出开关型光分插复用器响应时间约为10ms。
调谐型OADM采用可调谐滤波器从输入信号中选择出指定波长信号，并通过其它光器件来实现下路、上路等操作，滤波器可用光纤布拉格光栅(FBG)、F-P腔干涉仪、MEMS型FPI、声光可调谐滤波器(AOTF)等，它们通过改变光栅长度、热光效应、机械应力、声光效应等手段实现波长调谐。如中国专利文献CN1336741公开了“具有自适应光功率均衡的光分插复用器”，提出了一种具有自适应的功率均衡的光分插复用器，使其不但有波长上下路功能，还有实时自适应功率能力，同时具有高稳定性、低串扰、低损耗、模块化、智能化功率均衡，均衡精度高等特点。但由于其仍采用传统的声光、热光等手段对Bragg光栅的中心波长进行调谐，制约了其调谐速度。在中国专利文献CN1606190中公开了“由二氧化碲声光可调谐滤波器构成的动态可调谐光分插复用器”，提出了一种由一个偏振分束器、两个结构和性能相同的声光滤波器、偏振变换器以及光纤组成的光分插复用器模块。将二氧化碲声光可调谐滤波器的光束和声束以大角度入射(60°-75°)，互作用长度大于4.5cm，滤波器获得小于0.4nm的线宽。该发明通过采用光束和声束的大角度入射实现了良好的旁瓣抑制性能，但由于其采用的是声光调谐手段，调谐速度无法突破微秒量级。可见，调谐型OADM对波长透明，可扩展能力强，是目前商用化产品的主流，但由于调谐手段的限制，响应时间无法突破微秒量级，在超高速网中存在响应速度偏慢的问题。理论及实验都证明，只有电光效应能使调谐时间达到纳秒量级。
发明内容
本发明是为了使光分插复用器的调谐速度突破微秒量级，适应超高速网节点要求。同时为了降低串扰，弥补电光滤波器型OADM旁瓣抑制差的缺点。
本发明提出了一种在铌酸锂晶体Y、Z两个方向上以电光效应对钛扩散铌酸锂波导进行调谐的四端口高速光分插复用器。
本发明所述一种基于电光效应的高速光分插复用器，包括：
铌酸锂基底511，以钛扩散工艺制备的铌酸锂波导，输入端口101，上载端口102，输出端口103，下载端口104，偏振分束器105，偏振模式转换单元106，偏振合束器107；
在X切铌酸锂基底511上，将其Y方向为传输方向，以钛扩散工艺制作光波导及偏振分束器105、偏振合束器107；以溅射工艺在铌酸锂基底511上制作电极，构成偏振模式转换单元106；工作时光波以Y方向传播，由输入端口101或上载端口102进入该器件，依次经偏振分束器105，偏振模式转换单元106，偏振合束器107，最后由输出端口103或下载端口104输出。
上述偏振模式转换单元106由若干电极单元组成，所述电极单元包括：长度为Lc的叉指电极，Lc＝105μm，叉指电极的周期为Λ＝21μm；长度为Lp的相移电极，Lp＝1050μm，相移电极部分的电极之间的间距为G可以选择10μm；电极以溅射工艺制备在铌酸锂基底上。
采用铌酸锂晶体Y、Z方向上的电光效应对钛扩散铌酸锂波导进行调谐，在X切Y传铌酸锂基底上通过钛扩散工艺制作光波导并构成整个光路：偏振分束器、偏振模式转换单元、偏振合束器。本发明的偏振模式转换单元在铌酸锂晶体Y、Z方向上采用电光效应进行调谐。Z方向上电压改变TE和TM模的折射率差，使满足相位匹配条件的波长的光发生TE-TM模之间的完全转换，达到对调谐范围内任意一路波长选取的目的。Y方向通过调节各分立叉指电极的电压产生折射率周期性微扰。由于Y方向各电极电压可独立控制，通过计算可得出最佳电压分布规律，使被选择波长的光达到最大的转换效率，并实现对幅频曲线(转换效率曲线)旁瓣效应的抑制。本器件引入温度控制系统使器件工作在恒温(室温)条件下，并可根据调谐范围需要重置工作温度。
为使被选择波长的光达到最大的转换效率，并实现对幅频曲线旁瓣效应的抑制，本发明的器件偏振模式转换单元的各叉指电极电压可采用平方律分布、正弦分布、高斯分布、汉明函数分布等方式。其中以高斯分布效果较佳。
本发明相对于现有技术的优点：
(1)由于采用的是电光效应作为调谐手段，可实现纳秒量级的调谐速度；
(2)调谐范围宽，充分利用波分复用(WDM)技术的带宽资源。室温下以-150V～+150V电压可实现34nm的调谐范围；
(3)通带宽度窄，顺应密集波分复用(DWDM)技术发展趋势。上、下路通带宽度(3dB带宽)可达0.8nm；
(4)串扰低，损耗小，较其它类型的光分插复用器性能优越。一阶旁瓣小于-35dB，光纤到光纤的插入损耗小于5dB。
附图说明
图1本发明所设计的光分插复用器的结构示意图；其中，101为输入端口，102为上载端口，103为输出端口，104为下载端口，105为偏振分束器，106为偏振模式转换单元，107为偏振合束器，108为上臂波导，109为下臂波导；
图2偏振模式转换单元的一个电极单元，图中偏左部分为长为Lc的叉指电极，图中偏右部分为长为Lp的相移电极；其中部件201处电压为零，202处电压为VT，203处电压为2VT，204表示第i个叉指电极，电压为Vi，205、206分别为钛扩散铌酸锂波导的上下臂。其中，叉指电极的周期为Λ，相移电极部分的电极201与202，202与203的间距为G。整个偏振模式转换单元电极由若干个如图2所示的电极单元组成。
图3室温下相移电极电压与上/下路波长关系曲线；
图4偏振转换效率对波长的曲线；
图5本发明所设计光分插复用器的三维效果图。其中501为输入端口，502为上载端口，503为输出端口，504为下载端口，505为偏振分束器，506为偏振合束器，507为接地电极，508为电压为VT的相移电极，509为电压为2VT的相移电极，510示意若干叉指电极，第i个叉指电极电压为Vi，511为铌酸锂基底。
具体实施方式
下面结合附图实例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，光通信用的单模光含有两种偏振态，即TE模和TM模。当波分复用系统(WDM)中使用的不同波长的单模光从输入端口101输入时，经偏振分束器105，发生偏振分离，即TE模与TM模的分离。TM模和TE模分别从上臂108和下臂109进入偏振模式转换单元106。其中波长不满足相位匹配条件的光波经偏振合束器107后，TE模和TM模光耦合，从输出端口103输出，从而完成了非下路波长的透明传输。
对于满足相位匹配条件的那个波长的光，在偏振模式转换单元106发生模式转换，上臂108中的TM模变为TE模，下臂109中的TE模变为TM模。则经偏振合束器107后，TE模和TM模光波耦合，从下载端口104输出，而相位匹配条件可由外加电压控制，这样就实现了对从输入端口101中输入的各波长光的选择性下载。
由于本发明所设计的可重构光分插复用器具有互易对称性，若要对某一波长进行上路，只需将该波长(不能与从端口101输入的光的任一波长相同)从上载端口102输入，经偏振分束器105后，TE模和TM模发生分离，TE模从上臂波导108进入偏振模式转换单元106，同时TM模从下臂波导109进入偏振模式转换单元106，通过调节外加电压可使其满足相位匹配条件，则在经偏振模式转换单元后，上臂108中的TE模转变为TM模，而下臂109中传输的TM模转变为TE模。经过偏振合束器后107后，从输出端口103输出，实现对该波长的上路功能。
对于偏振模式转换单元的设计，本发明提出在Y、Z两个方向上采用电光效应进行调谐的方案。具体方法如图2所示，接地电极及由其引出的各叉指电极201电压为0，其在相移电极部分(图中偏右侧)与电压为VT的电极202为下臂波导206提供Z向电压。电极203电压为2VT，其与电压为VT的电极202提供了上臂波导205的Z向电压，大小仍为VT。通过控制Z方向的电压，可改变光波导对TE、TM模的折射率nTE、nTM。在叉指电极部分(图中偏左)，电极204与由接地电极201引出的电极构成了施加在钛扩散铌酸锂波导205、206的Y方向电压，形成了其传播方向上的折射率周期性微扰。由模耦合理论(可参考“马春生，刘式墉，光波导模式理论[M]，吉林大学出版社，305-334”)得知，在光波传输方向引入周期变化的折射率微扰可实现TE模和TM模之间的相互转换，并且在相位匹配条件下可达到完全的偏振模式转换。由相位匹配条件可推出：λ＝Λ[(nTE-nTM)Lp+(NTM-NTE)lc]/(Lc+Lp)(其中Λ为由叉指电极所确定的波导折射率变化周期；Lc为叉指电极的长度，Lp为相移电极的长度，满足Lc+Lp＝MΛ，M为整数；NTM与NTE分别为VT＝0时波导中TM和TE模的等效折射率)。这样，靠叉指电极电压以电光效应提供折射率周期性微扰，而相移电极可控制波导中的TE模和TM模的折射率差nTE-nTM，从而通过相位匹配条件达到对上/下路波长的选取。叉指电极与相移电极交替出现，即若干个图2所示的单元组成了整个偏振模式转换单元，达到对选择波长的偏振模式转换的目的。图2中的各参数如下，叉指周期Λ＝21μm，Lc＝5Λ＝105μm，Lp＝1050μm，电极间距G可为10μm。图3给出了电极间距G＝10μm时相移电极电压与上/下路波长关系曲线。由图3可见，以-150V～+150V电压可获得34nm的调谐范围(室温下)。可根据图中给出的关系以某一电压对ITU-T规定的各信道进行上/下路操作。
由于Y方向采用的是分立叉指电极，其个数与每一路的叉指电压均灵活可调，通过计算可得出最佳电压分布规律，使被选择波长的光达到最大的转换效率，并实现对幅频曲线旁瓣的抑制。本发明设计的偏振模式转换单元含30个图2所示的电极单元。叉指电极电压可采用平方律分布、正弦分布、高斯分布、汉明函数分布等的分布方式。其中高斯型电压分布效果较好，其电压分布如下表所示：
| i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Vi | 0.72487 | 1.0159 | 1.3885 | 1.851 | 2.4066 | 3.0518 | 3.7744 | 4.5528 | 5.3561 | 6.1456 |
| i | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| Vi | 6.8773 | 7.5062 | 7.9903 | 8.2957 | 8.4 | 8.2957 | 7.9903 | 7.5062 | 6.8773 | 6.1456 |
| i | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 |
| Vi | 5.3561 | 4.5528 | 3.7744 | 3.0518 | 2.4066 | 1.851 | 1.3885 | 1.0159 | 0.72487 | 0.50446 |
最终可以得到如图4所示的转换效率曲线，其中横坐标为波长与选择波长(上/下路波长)的差。可见，按上表提供的电压分布，可以得到0.8nm左右的通带宽度(3dB带宽)，这可以满足密集波分复用(DWDM)的需求。而旁瓣抑制特性良好，可达-35dB以下。
本发明所设计光分插复用器的整体结构如图5所示，整个光路在铌酸锂基底511上制备钛扩散光波导。晶体引入温度控制系统，器件可工作在室温下，并可根据调谐范围需要重置工作温度。接地电极507、相移电极508、509提供Z方向电压。叉指电极510提供Y方向的电压(共30个)。偏振模式转换单元总长度约为3.5厘米。
本发明未提到的部分如钛扩散铌酸锂波导的制备、温度控制方式及偏振分束器与偏振合束器的尺寸参数等均采用现行技术实现。
Claims (2)
1、一种基于电光效应的高速光分插复用器，包括：铌酸锂基底(511)，以钛扩散工艺制备的铌酸锂波导，输入端口(101)，上载端口(102)，输出端口(103)，下载端口(104)，偏振分束器(105)，偏振模式转换单元(106)，偏振合束器(107)；
在X切铌酸锂基底(511)上，将其Y方向为传输方向，以钛扩散工艺制作光波导及偏振分束器(105)、偏振合束器(107)；以溅射工艺在铌酸锂基底(511)上制作电极，构成偏振模式转换单元(106)；工作时光波以Y方向传播，由输入端口(101)或上载端口(102)进入该器件，依次经偏振分束器(105)，偏振模式转换单元(106)，偏振合束器(107)，最后由输出端口(103)或下载端口(104)输出；其特征在于，所述偏振模式转换单元(106)由若干电极单元组成，所述电极单元包括：
长度为Lc的叉指电极，Lc＝105μm，叉指电极的周期为Λ＝21μm；
长度为Lp的相移电极，Lp＝1050μm，相移电极部分的电极之间的间距为G选择10μm；
电极以溅射工艺制备在铌酸锂基底上。
2、根据权利要求1所述一种基于电光效应的高速光分插复用器，其特征在于，所述偏振模式转换单元(106)由30个电极单元组成，其叉指电极电压沿Y方向，或Y方向的反方向分布如下表所示。
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