CN102483556A - 伪公共路径dpsk解调器 - Google Patents

Abstract

与反射被反射的和被透射的光束两者的镜(22)相组合地使用菱面体光束分裂器(14)而非传统的立方体光束分裂器以获得具有基本公共的路径的延迟线干涉计解调器(10)。这显著地降低了装置对于环境改变的敏感性并且还大大地简化了制造过程。在光束(ITT，IBT)的路径中使用偏振非敏感涂层(42)或者波片(32)、具有微型加热器(36)的热相位调谐器(34)和两个补偿器板(38，40)以平衡光程长度并且补偿偏振和环境效应。

Description

伪公共路径DPSK解调器

相关申请

该PCT申请基于在2009年7月18日提交的美国申请顺序号12/505483并且要求其优先权。

技术领域

本发明涉及在电信中的差分相移键控(differential phase-shiftkeying：DPSK)。更加具体地，本发明涉及在DPSK中用于将相移键控信号转换成强度键控信号的方法。

背景技术

相移键控(phase-shift keying：PSK)是通过改变或者调制参考信号(载波)的相位而传送数据的数字调制方案。任何数字调制方案均使用有限数目的、截然不同的信号来代表数字数据。在PSK的情形中，使用有限数目的相位。这些相位中的每一个均被赋予唯一的二进位模式。通常，每一个相位均编码相等数目的位。位的每一个模式均形成由特定相位代表的符号。为由调制器使用的符号集专门地设计的解调器确定接收信号的相位并且将该相位映射回它所代表的符号，因此恢复原始数据。这要求接收器能够将接收信号的相位与参考信号比较(这种系统被称作相干)。

替代地，代替使用位模式来设定波的相位，使用模式来设定在信号的相位中的改变。解调器然后确定在接收信号的相位中的改变而非相位自身。因为这个方案取决于在连续的相位之间的差异，所以它被称作差分相移键控(DPSK)。与普通PSK相比，能够显著地更加简单地实现DPSK，因为解调器无需具有参考信号的副本来确定准确的、接收信号的相位(即，它是一种非相干方案)。

在电信技术中，差分相移键控利用解码方法从而在接收端处将相移键控信号转换成强度键控信号。能够通过比较两个序列位(sequentialbit)的相位实现解码方法。原则上，解码方法具有以小的延迟将该输入信号光束分裂成两个通道，这在解码方法将该通道重组之前进行。在重组之后，来自两个通道的光束相长干涉和相消干涉。干涉强度被测量并且成为强度键控信号。为了实现这点，一个通道具有的光程(optical path)比另一个长与一个位的光子飞行时间等同的距离。例如，在每秒40Gbit的系统中，一个位等于25ps并且光在该时段中行进7.5mm。因此，在该实例中，在两个通道之间的光程差(optical pathdifference：OPD)将被设定为7.5mm。

已经为了解码的目的使用了在两个通道之间具有期望的OPD的马赫-曾德尔型干涉计(Mach-Zehnder type interferometer)。因为光学干涉的性质，OPD的改变能够大大地影响干涉强度。而且，在每一个臂中的光程比其差异长得多。因此，要求先进的温度控制来维持在每一个臂中的光程从而确保在OPD中的改变比一个波长的一小部分(fraction)，例如大约10nm，小得多。特别地对于具有长的光程的干涉计而言，其实现是困难的和高花费的。

共同未决的美国申请顺序号11/360959和11/485653描述了被用作DPSK解调器以确定在接收信号的相位中的改变的、新颖的迈克尔逊型干涉计(Michelson-type interferometer)的各种实施例。在解调器中，输入光束在光束分裂器(beam splitter)处被分裂成两个部分。两个光束行进不同的路径并且被其相应的反射器返回。因为光程长度(optical pathlength：OPL)是不同的，所以两个返回光束相对于彼此具有时间延迟。系统的OPD，即在两个OPL之间的差异，被设计成确保该延迟近似地等于任何两个连续的位的时间延迟并且等于时间间隔乘以光速。

基于Michelson型干涉计的解调器相对于现有技术提供显著的改进；然而，它们仍然要求在路径长度(path length)、偏振相移和热补偿方面在干涉计的两个臂之间的、基本上完善的平衡。本发明提供一种伪公共路径延迟线设计(pseudo common-path delay-line design)，该设计本质上简化了实现和维持所要求的、在干涉计的两个臂中的光程差的过程。

发明内容

本发明是基于与反射被反射的和被透射的光束两者的镜相组合地使用菱面体光束分裂器而非传统的立方体光束分裂器的思想。在使用菱面体光束分裂器时，只要菱面体结构的光束分裂表面和反射性表面是平行的并且出射表面是平坦的，来自光束分裂器的反射和透射光束便将保持相互平行地朝向反射器，而与光束分裂器与输入光束的对准无关。因此，可以使用单个反射器来反射两个光束。这两个光束如此接近地一起行进，以至它们几乎在公共路径中。这显著地降低了装置对于环境改变的敏感性并且还大大地简化了制造过程。

在它的最简单的形式中，本发明的解调器包括50/50菱面体光束分裂器，其中输入光束被分裂成被透射的光束和被反射的光束，该被反射的光束被朝向菱面体结构的顶表面引导并且被顶表面再次反射，由此产生两个平行光束。然后使用单个、公共反射器来朝向光束分裂器将该两个光束反射回去，在此处该两个光束重组并且干涉以产生两个分开的输出。由于这种配置，被透射的和被反射的光束沿着平行路径行进，由此沿在这里所谓的“伪公共路径”(“pseudo common path”)行进。

在本发明的另一实施例中，使用四个附加构件来完善该装置的性能。在被反射的光束的路径中使用波片以补偿由在光束分裂器上和在菱面体结构的顶部反射性表面上的涂层引入的偏振差分相位。还在被反射的光束的路径中添加了具有微型加热器的热相位调谐器以通过变化相位调谐器的温度而调谐伪公共路径的相位。在被透射的光束的路径中使用第一补偿器以消除由被反射的和被透射的光束在菱面体分裂器的玻璃结构中行进的路径的长度的差异引入的光谱热漂移。最终，在被透射的光束的路径中使用由与相位调谐器相同的材料和厚度制成的第二补偿器以补偿由环境原因引入的、相位调谐器的热漂移。

在本发明的优选实施例中，反射器被相对于第一菱面体结构以镜像配置定位的第二菱面体光束分裂器结构替换。被透射的和被反射的光束分别地被朝向第二菱面体结构的反射性顶表面和光束分裂表面引导，由此产生干涉光束，该干涉光束给出与由单个菱面体/反射器组合产生的输出相同的输出。两个DPSK解调器的功能可以被结合到本发明的结构中以实现差分四相相移键控(differential quadrature phase-shiftkeying：DQPSK)解调器的功能。

根据在随后的说明书中的、本发明的描述并且根据特别地在所附权利要求中指出的新颖的特征，各种其它优点将变得清楚。因此，为了实现上述目的，本发明由在下文中在附图中图示、在优选实施例的详细说明中充分描述并且特别地在权利要求中指出的特征组成。然而，这种附图和说明仅仅公开了可以用于实践本发明的各种方式中的一些方式。

附图简要说明

图1以其最简单的并且最基本的形式示意性地图示本发明。

图2示意性地图示图1的解调器，该解调器具有附加构件以补偿热和偏振效应并且提供热相位调谐(thermal phase tuning)。

图3示意性地图示图2的同一解调器，其中波片被在菱面体分裂器的上表面中的涂层替换。

图4图示本发明的装置的配置，其中使用直角棱镜以在干涉计的两个臂中实现相同数目的反射，由此平衡由在装置的两个臂中的反射产生的相位改变。

图5示出一个实施例，其中输入光束是倾斜的，由此消除对于如在图1中所图示的循环器的需要。

图6示出本发明的替代实施例，其中反射器被第二菱面体结构替换，该第二菱面体结构与第一个菱面体对准并且相对于第一个菱面体成镜像定位。

图7在示意性正视图中图示了使用本发明的结构以产生两个集成解调器以实现DQPSK解调器的功能。

图8是图7的DQPSK解调器结构的示意性顶视图。

图9在示意性正视图中图示基于图6的配置的DQPSK解调器。

图10是图5的解调器的替代配置的示意性表示

具体实施方式

为了本公开的目的，为了简洁起见自始至终地使用了术语“菱面体(rhomb)”，但是应该理解在图中图示的光束分裂器结构的精确几何定义是平行六面体(即，由六个平行四边形形成的三维外形，平行四边形是具有两组平行边的四边形)的几何定义。然而，如所述及地，本发明的光束分裂器结构的唯一的关键特征在于，它应该包括平行的光束分裂表面和镜面。因此，本发明不被限制为光束分裂器结构的任何具体形式，即使对于在本技术领域中使用的通常结构而言，已经为了方便起见自始至终地使用了术语菱面体来一般地描述适合于实施本发明DQPSK的所有的形式。

参考附图，其中自始至终地使用了类似的引用数字和符号来引用相同的构件，图1示意性地图示根据本发明的伪公共路径延迟线干涉计(delay-line interferometric：DLI)解调器10。该装置包括将输入光束I引导通过分裂器结构的前端面16而进入到菱面体光束分裂器结构14中的循环器12。输入光束I入射到50/50光束分裂表面18上并且被分裂成反射光束R和透射光束T。反射光束R被朝向光束分裂器结构14的反射性顶表面20引导，在此处它被再次反射。只要光束分裂表面18和顶部镜面20是平行的，则显然在从镜20反射时，反射光束R将平行于透射光束T，而与输入光束在光束分裂器上的入射角无关。两个光束然后被相对于该两个光束以零入射角定位的反射器22反射。在通过平坦后端面24返回光束分裂器时，光束R和T重组以相长干涉和相消干涉，由此产生两个输出光束O1和O2。O1回溯输入光束I的光学路径到循环器12，而O2在光束分裂器结构14的底部部分处被镜26反射。

如所述及地，只要上菱面体的两个反射性表面18、20(即，光束分裂表面和顶部镜面)是平行的并且出射后端面24的表面是平坦的，来自光束分裂器结构的反射和透射光束便是相互平行的，而与光束分裂器与输入光束的对准无关。因此，反射器22可以被有利地定位成反射两个光束。该两个光束R和T如此接近地一起地行进，以至它们是几乎在公共路径中的，由此获得了被用于本发明的术语“伪公共路径”。这种配置大大地简化了制造过程并且还显著地降低了装置对于环境改变的敏感性。

为了提供DLI解调器的功能性，仍然参考图1，在干涉计的透射臂和反射臂之间的延迟被设定为等于2nd₁，其中n是菱面体光束分裂器介质的折射率，d₁是菱面体结构的上部的对角线方向厚度(如在图中看到地)，并且nd₁是单向路径差异。这些设计参数在本技术领域中是公知的，并且因此未被进一步详细地描述。表面26相对于光束分裂表面18的角度和距离d₂是任意的并且与本发明的操作无关，只要输出O2在功能上是适当的。

在图1的配置中，在输入光束I在光束分裂器表面18处分裂之后，与沿下臂行进的透射光束T相比，沿上臂的光学路径行进的反射光束R(被镜20)多一次地反射，这引起通过装置的输出保持的偏振相关(polarization-dependent)相位误差。因此，对于精度应用而言，相应的相位校正是优选的和必要的。基于波片、涂层和等反射配置的三种不同的方案已经成功地得到测试。

图2图示相对于图1的装置包括四个附加构件的经校正的解调器30。(注意在图2-4中没有示出循环器12，但是在实践中每一个解调器均将包括循环器以进行操作。)在反射光束R或者透射光束T的路径中引入了波片32以补偿由镜20(通常地在全内反射时是反射性的)引入的、偏振相关相移。具有微型加热器36的热相位调谐器34也被置放在反射光束或者透射光束的光学路径中以调谐DLI的相位。微型加热器36被结合到调谐器中以在必要时变化该调谐器的温度从而对于DLI进行相位调谐。优选地由玻璃板构成的第一补偿器38被引入透射光束T的光学路径中以相对于透射光束T补偿在由反射光束R行进的上路径中的、附加玻璃厚度d₁上(和在波片上，如果存在波片的话)的热效应。最后，使用与相位调谐器相同的材料和厚度制成的第二补偿器40来补偿由环境引入的、在相位调谐器中的热漂移。如本领域技术人员将会易于理解地，参考图2的波片32和补偿器38，在透射臂和反射臂之间的延迟等于2nd₁+2(n_W-1)W-2(n_C-1)C，其中n_W和n_C是折射率并且W和C分别地是波片和补偿器的厚度，并且n是光束分裂器结构的材料的折射率。注意数量2(n_W-1)W和2(n_C-1)C分别地是当波片和补偿器位于图2的配置中时它们的延迟贡献。本领域技术人员将会理解，波片对于两个偏振具有不同的折射率；因此，n_W被定义为平均折射率。显然，两个补偿器38和40可以被组合以提供所要求的热漂移补偿和延迟。

图3图示的设计类似于图2中的设计，除了波片32被移除之外。利用被置放在镜20上的偏振非敏感涂层42实现了偏振相位补偿。(偏振非敏感涂层被定义为在反射时并不影响入射光束的偏振的涂层。即，该涂层有效地消除了由反射性表面产生的、偏振相关相移。)图3的解调器44的结构和功能在其它方面与图2的解调器相同。本领域技术人员还将会理解，为了补偿由于环境原因引起的热漂移，将在图3的配置中的补偿器38选择为具有厚度C，从而在透射臂和反射臂之间的延迟等于2nd₁-2(n_C-1)C，其中n_C和C分别是补偿器的折射率和厚度，并且n是光束分裂器结构的材料的折射率。为了补偿热漂移，补偿器的光学热系数G_C被如此选择，使得(G+α)d₁＝G_CC，其中G和α分别地是光束分裂器结构的材料的光学热系数和热膨胀系数。

图4图示用于补偿的又一种方案，其中直角棱镜48被添加到解调器50的下臂，从而在两个DLI臂中的光学路径具有相同数目的反射。因此，如果反射性质是相同的，则在上臂中从镜20和在棱镜48中从镜52反射时的相位改变相互抵消。例如，使用相同的玻璃和相同的涂层(或者甚至不用涂层)以在上臂中和在棱镜48中产生全内反射，由镜20引入的、偏振相关相移将被由棱镜48引入的相同的偏振相关相移抵消。

在图1-4的实施例中，输入光束I和两个返回光束中的一个共享相同的光学路径。因此，如在图1中所示，使用循环器12来提取返回光束。然而，如在图5中所示，通过将输入光束以一定角度引入菱面体结构中从而被反射的和被透射的光束以非零(即，非垂直)入射角打在反射器22上，可以消除循环器。在此情形中，输出光束O1的路径将不再与输入光束I的共线，由此消除对于循环器的需要。注意即使如所示出的那样当输入光束并不垂直于反射器22时，也如在图1-4的实施例中那样保持了反射和透射光束(R和T)的平行性。

图6示出基于图1的配置的解调器60，其中反射器22被相对于第一光束分裂器结构14以镜像配置定位的第二光束分裂器结构14’替换。如所图示地，被反射的和被透射的光束R和T分别地被朝向第二结构14’的反射性顶表面20’和光束分裂表面14’引导，由此产生干涉光束，该干涉光束给出与由图1的配置产生的输出相同的输出O1和O2。然而，这种配置并不要求使用循环器12，也不要求使用图5的非零入射角。因此，这种设计是当前优选的。

基于在这里详述的图1-5的配置中的任何一种，两个DPSK解调器的功能可以被结合到本发明的结构中以实现DQPSK解调器的功能。图7图示基于图2的配置的这种解调器70。输入光束I首先被小的50/50光束分裂器72分裂并且被反射的光束被再次反射从而两个相等的光束(参考它们分别的顶部和底部位置被标为IT和IB)得以产生并且被以小的位移偏移而通过菱面体光束分裂器14前进。每一个光束IT和IB均如上所述地在分开的光学路径中通过该装置。然而，为了使得输出光束O1B绕过附加光束分裂器72的结构，四个光束ITR、IBR、ITT和IBT被直角棱镜74反射和折叠，如在图8的顶视图中所示。该四个光束ITR、IBR、ITT和IBT因此被朝向光束分裂器结构14引导回去，在光束分裂器结构14处，被反射的光束ITR和IBR打在反射性表面20上并且被透射的光束ITT和IBT打在光束分裂器表面18上。由于在反射性表面20处发生的相长干涉和相消干涉，四个输出光束O1T、O1B、O2T、O2B得以产生。注意从棱镜74返回的光束可以被沿着任何方向折叠，只要从公共反射器返回的所有光束均通过光束分裂器14并且所有输出光束均绕过在前面的分裂器72。还注意直角反射器74的使用消除了对于循环器的需要，因为无任何输出光束与到该系统的输入光束共线。

可以基于图6的DPSK配置类似地获得DQPSK解调器。在图9中图示了优选的这种DQPSK解调器80。输入光束I被50/50光束分裂器72分裂，从而两个相等光束IT、IB被以小的位移偏移而打在菱面体光束分裂器结构14上。每一个光束IT和IB均如上所述在分开的光学路径中通过该装置前行并且四个光束ITR、IBR、ITT和IBT被朝向第二光束分裂器结构14’引导，其中被反射的光束ITR和IBR打在第二反射性表面20’上并且被透射的光束ITT和IBT打在第二光束分裂器表面18’上。由于在第二反射性表面20’处发生的相长干涉和相消干涉，四个输出光束O 1T、O 1B、O2T、O2B得以产生。

因此，已经公开了提供显著优于现有技术解调器的一种简单的装置和操作模式。通过使得来自光束分裂器的反射光束和透射光束这两者相互平行，能够使用同一反射器来将两个光束反射回光束分裂器。能够利用波片、在镜上的涂层或者利用等反射配置消除偏振相关相移。能够利用具有厚度和热光学系数的适当组合的合理设计的板实现热补偿。

虽然已经根据被认为是最实际和优选的实施例示出和描述了本发明，但是认识到在本发明的范围内能够由此作出改变。例如，能够通过相对于菱面体结构14稍微地倾斜反射器22(而非输入光束I)从而反射和透射光束以非零入射角(即，不垂直于反射器)打在反射器22上而实现在图5中图示的相同效果。如在图9中所示，这种配置还产生了不与输入光束I共线的返回光束O1，由此避免对于循环器的需要。因此，本发明不被限制为在这里所公开的细节，而是将与权利要求的全部范围一致，从而涵盖任何的和全部的等同设备和方法。

Claims (25)

1.一种延迟线干涉解调器，包括：

在光学结构中的光束分裂器表面，所述光学结构具有平行于所述光束分裂器表面的第一反射性表面；和

第二反射性表面，所述第二反射性表面用于将从所述光学结构接收的透射光束和反射光束分别地朝向所述光束分裂器表面和所述第一反射性表面反射回去。

2.根据权利要求1的解调器，进一步包括在所述透射光束的光学路径中的第一补偿器，所述第一补偿器用于补偿在由所述反射光束相对于所述透射光束行进的附加光学长度中的热漂移。

3.根据权利要求1的解调器，进一步包括用于补偿来自所述第一反射性表面的偏振相关相移的波片。

4.根据权利要求3的解调器，其中在所述透射和反射光束之间的延迟等于2nd₁+2(n_W-1)W，其中d₁是在所述光束分裂器表面和所述第一反射性表面之间的距离，n_W是所述波片的折射率，W是所述波片的厚度，并且n是所述光学结构的折射率。

5.根据权利要求1的解调器，进一步包括用于调谐所述延迟线干涉解调器的相位的热相位调谐器。

6.根据权利要求5的解调器，进一步包括用于补偿在所述相位调谐器中的热漂移的第二补偿器。

7.根据权利要求6的解调器，其中所述第二补偿器由与所述相位调谐器相同的材料制成并且具有与所述相位调谐器相同的厚度。

8.根据权利要求1的解调器，进一步包括在所述第一反射性表面上的偏振非敏感涂层，所述偏振非敏感涂层用于补偿来自所述第一反射性表面的偏振相关相移。

9.根据权利要求1的解调器，其中所述第二反射性表面定位为垂直于从所述光学结构接收的所述透射光束和所述反射光束。

10.根据权利要求1的解调器，其中所述第二反射性表面包括直角棱镜。

11.根据权利要求1的解调器，进一步包括在前光束分裂器，所述在前光束分裂器将输入光束划分成被引导到所述光学结构中的两个平行光束。

12.根据权利要求1的解调器，其中所述第二反射性表面被在附加光学结构中的附加光束分裂器表面替换，所述附加光学结构具有平行于所述附加光束分裂器表面的附加第一反射性表面；所述附加第一反射性表面和附加光束分裂器表面分别地与所述光学结构的所述第一反射性表面和所述光束分裂器表面光学对准。

13.根据权利要求12的解调器，进一步包括在前光束分裂器，所述在前光束分裂器将输入光束划分成被引导到所述光学结构中的两个平行光束。

14.一种用于以干涉计方式解调光信号的方法，所述方法包括以下步骤：

在光学结构中将包含所述光信号的输入光束分裂成被反射的光束和被透射的光束，所述光学结构具有光束分裂器表面和平行于所述光束分裂器表面的第一反射性表面；

在所述第一反射性表面中反射所述被反射的光束，由此产生二次被反射的光束；和

利用第二反射性表面将所述二次被反射的光束和所述被透射的光束分别地朝向所述第一反射性表面和所述光束分裂器表面反射回去。

15.根据权利要求14的方法，进一步包括在所述被透射的光束的光学路径中补偿在由所述二次被反射的光束相对于所述透射光束行进的附加光学长度中的热漂移的步骤。

16.根据权利要求14的方法，进一步包括使得所述二次被反射的光束通过波片以补偿来自所述第一反射性表面的偏振相关相移的步骤。

17.根据权利要求16的方法，其中在所述被透射的和被反射的光束之间的延迟等于2nd₁+2(n_W-1)W，其中d₁是在所述光束分裂器表面和所述第一反射性表面之间的距离，n_W是所述波片的折射率，W是所述波片的厚度，并且n是所述光学结构的折射率。

18.根据权利要求14的方法，进一步包括使得所述二次被反射的光束通过热相位调谐器以调谐所述二次被反射的光束的相位的步骤。

19.根据权利要求18的方法，进一步包括利用补偿器补偿在所述相位调谐器中的热漂移的步骤，所述补偿器利用与所述热相位调谐器相同的材料和厚度制成。

20.根据权利要求14的方法，其中偏振非敏感涂层被置放在所述第一反射性表面上，以补偿来自所述第一反射性表面的偏振相关相移。

21.根据权利要求14的方法，其中所述第二反射性表面定位为垂直于从所述光学结构接收的所述被透射的光束和所述二次被反射的光束。

22.根据权利要求14的方法，进一步包括使得所述输入光束通过在前光束分裂器的步骤，所述在前光束分裂器将所述输入光束划分成被引导到所述光学结构中的两个平行光束。

23.根据权利要求14的方法，其中在第二反射性表面中反射所述二次被反射的光束和所述被透射的光束的所述步骤是利用直角棱镜执行的，所述直角棱镜折叠所述二次被反射的光束和所述被透射的光束。

24.根据权利要求14的方法，其中所述第二反射性表面被在附加光学结构中的附加光束分裂器表面替换，所述附加光学结构具有平行于所述附加光束分裂器表面的附加第一反射性表面；并且所述附加第一反射性表面和附加光束分裂器表面分别地与所述光学结构的所述第一反射性表面和所述光束分裂器表面光学对准。

25.根据权利要求24的方法，进一步包括使得所述输入光束通过在前光束分裂器的步骤，所述在前光束分裂器将所述输入光束划分成被引导到所述光学结构中的两个平行光束。

Images