CN101533129B - 一种高速可调的光梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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、双折射延迟晶体、第二半波片组、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；通过控制电光延迟片的外加电压来实现光梳状滤波器中心波长的高速可调。本发明实现了梳状滤波器中心波长的高速动态可调，并具有结构紧凑、制作方便、性能稳定可靠等特点。

Description

一种高速可调的光梳状滤波器

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种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，它除了用于波分复用/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，光纤通讯领域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。高速可调梳状滤波器使得动态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更加简单、有效。而且，可调光器件的高速动态响应在未来的光通信网络中将起非常关键的作用，例如，利用包交换时分多址技术的计算机网络，要求响应速度能够达到亚微秒级。因此，与传统的光梳状滤波器相比，高速可调梳状滤波器可以大大拓展其应用空间。

发明内容

本发明的目的是克服传统技术的不足，提供一种中心波长亚微秒级高速可调的光梳状滤波器，同时提高其可靠性，简化构造和降低成本。

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、双折射延迟晶体、第二半波片组、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；通过控制电光延迟片的外加电压来实现光梳状滤波器中心波长的高速可调。

所述的双折射延迟晶体是钒酸钇或金红石。双折射延迟晶体是长方体状，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。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。电光延迟片是长方体状，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。

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心波长的快速动态调节。而且中心波长的调节范围可以达到整个通道宽度，使得滤波器的灵活性和适应性大大提高。

采用透明铁电陶瓷作为电光延迟片材料，比传统的LiNbO₃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LiNbO₃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，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。

附图说明

图1为高速可调光梳状滤波器的主视结构图；

图2为高速可调光梳状滤波器的俯视结构图；

图3为本发明中四个半波片组包含的各波片及位置示意图；

图4为本发明的传输谱线图；

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1、第一偏振位移晶体2、第一半波片组3、双折射延迟晶体4、第二半波片组5、电光延迟片6、第三半波片组7、第二偏振位移晶体8、第四半波片组9、屋脊棱镜10、第三偏振位移晶体11、双光纤准直器12。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明：

如图1和图2所示，一种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、双折射延迟晶体4、第二半波片组5、电光延迟片6、第三半波片组7、第二偏振位移晶体8、第四半波片组9、屋脊棱镜10、第三偏振位移晶体11和双光纤准直器12；由第二偏振位移晶体分离的平行光束经屋脊棱镜和第三偏振位移晶体准直耦合到双光纤准直器；通过控制电光延迟片的外加电压来实现光梳状滤波器中心波长的高速可调。

所述第一偏振位移晶体2、第二偏振位移晶体8和第三偏振位移晶体11是由钒酸钇(YVO₄)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和第四半波片组9所包含的都是光轴与水平方向成45度的半波片，第二半波片组5和第二半波片组7所包含的都是光轴与水平方向成22.5度的半波片，使得通过半波片的线偏振光的偏振方向分别旋转90度和45度。同时为了使结构更加紧凑，可以把厚度很薄的半波片粘在双折射晶体的通光端面上。

如图3所示，顺着光的传播方向如图1或图2从右往左看到的第一半波片组3、第二半波片组5、第三半波片组7和第四半波片组9的半波片的位置分布及光轴方向。其中第一半波组3只包含一个光轴与水平方向成45度的半波片，粘在第一偏振位移晶体2右通光端面的下半部分。第二半波片组5包含两个光轴与水平方向成22.5度的半波片501和502，并且两个半波片的光轴方向不相同，粘在双折射延迟晶体4右通光端面上。第三半波片组7只包含一个22.5度半波片，粘在第二偏振位移晶体8的左通光面上。而第四半波片组9包含两个光轴与水平方向成45度的半波片901和902，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。

所述的双折射延迟晶体4是钒酸钇(YVO₄)或金红石(TiO₂)等具有高双折射特性的材料。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4产生的两相互垂直的偏振光的相位差为： ${\mathrm{\δ}}_0=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δn}\·d,$ 其中Δn为材料的双折射率差，λ为光波长。

所述的屋脊棱镜10是具有楔角的棱镜，楔角的大小与双光纤准直器相匹配，能将两平行的光束折变成具有适当的夹角出射并耦合到双光纤准直器。

所述的电光延迟片6是具有高速响应特性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)。电光延迟片6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。电光相位延迟片6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)电光相位延迟片6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： $\mathrm{\Γ}=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{tn}}^3{\mathrm{RV}}^2}{\mathrm{\λ}{h}^2},$ 其中R为电光材料的电光系数，n为不加电压时透明铁电陶瓷的折射率。本发明通过改变加在电光相位延迟片6上的电压来调节电光相位延迟片6的折射率变化，进而控制通过电光相位延迟片6的两相互垂直的两偏振光的相位差，从而实现梳状滤波器中心波长的快速可调。

图1和图2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，由双折射延迟晶体4和电光延时片6产生的的相位延时的总和为：δ＝δ₀+Γ。认为输入单光纤准直器1总的光强为I₀，此时通过偏振光的延时和干涉出射两个光束的光强表达式为：

$\begin{array}{c}{I}_x^{\′}\text{=}{I}_0{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)=\frac{I_0}{2}(1-\cos ({\mathrm{\δ}}_0+\mathrm{\Γ}))\\ I_y^{\′}=I_0{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)=\frac{I_0}{2}(1+\cos ({\mathrm{\δ}}_0+\mathrm{\Γ}))\end{array}$ 即，输出的两谱线为互补的余弦函数。输出谱线信道的频率间隔可表示为： $\mathrm{\Δf}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{c}{{\mathrm{\δ}}_0}=\frac{c}{\mathrm{\Δn}\·d}.$ 其中c为光速，δ₀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： $\mathrm{cf}=\frac{\mathrm{\Γ}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\Δf}=\frac{c}{2\mathrm{\πd}\·\mathrm{\Δn}}\text{\Γ=}\frac{{\mathrm{tn}}^3\mathrm{RC}}{2\mathrm{\Δn}\·\mathrm{d\λ}{h}^2}{V}^2,$ 并在一般应用中可简单地认为：cf∝V²。

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。

当信号光通过双折射延迟晶体4时，将产生δ₀的相位差。由前面的分析可知道，δ₀决定了输出谱线的周期大小即信道频率间隔Δf。

信号光经第二半波片组5，通光面的上下两路线偏光的偏振面分别向相反的方向旋转45度，通过电光延迟片6，两相互垂直的偏振光产生相差Γ，Γ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7使得线偏振光再次旋转45度。此时入射到第二偏振位移晶体8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9，使得入射到第三偏振位移晶体11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11的合束，耦合进入双光纤准直器12。屋脊棱镜10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12。

如图4所示，在电光相位延迟片6上未施加电压的时候，光梳状滤波器的传输谱线图。图5所示为施加电压时，光梳状滤波器的一路谱线的中心波长发生移动变化。

Claims (3)

1.一种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)、双折射延迟晶体(4)、第二半波片组(5)、电光延迟片(6)、第三半波片组(7)、第二偏振位移晶体(8)、第四半波片组(9)、屋脊棱镜(10)、第三偏振位移晶体(11)和双光纤准直器(12)；由第二偏振位移晶体(8)分离的平行光束经屋脊棱镜(10)和第三偏振位移晶体(11)准直耦合到双光纤准直器(12)；通过控制电光延迟片(6)的外加电压来实现光梳状滤波器中心波长的高速可调，所述的电光延迟片(6)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，电光延迟片(6)是长方体状，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。

2.根据权利要求1所述的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(4)是钒酸钇或金红石。

3.根据权利要求1所述的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(4)是长方体状，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。

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