CN102590952B - 多信道动态光学色散补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多信道动态光学色散补偿器，包括双光纤准直器、屋脊棱镜、偏振转换组件、棱镜对、傅里叶透镜、透射式相位光栅、反射镜和硅基液晶芯片，透射式相位光栅和硅基液晶芯片分别位于傅里叶透镜的前后焦面上，构成一个2f系统，双光纤准直器的两个尾纤分别用作多信道动态光学色散补偿器的输入端和输出端。本发明可免去现有技术方案中采用的光学环形器，并具有损耗低、体积小和成本低的特点。

Description

多信道动态光学色散补偿器

技术领域

本发明涉及一种应用于光纤通信领域中的光器件，具体涉及一种多信道动态光学色散补偿器。

背景技术

为了满足人们对信息需求量的增长，光纤通信系统的传输速率日益提高，色散已成为制约通信速率进一步提升的主要因素，而随着可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-drop Multiplexer，简称ROADM)和光交叉互连设备(Optical Cross-connect，简称OXC)等动态光交换设备的大量应用，光纤通信正在由点到点传输系统向智能化动态全光网络发展，光纤链路变得复杂化且动态变化，需要对DWDM光信号各信道中的光学色散进行独立的和动态的补偿。

传统的色散补偿技术，例如色散补偿光纤、光纤布拉格光栅(Fiber BraggGrating，简称FBG)、Gires-Tournois干涉仪(Gires-Tournois Interferometer，简称GTI)，或者只能针对单个光波长进行色散补偿，或者对DWDM光信号中所有信道产生相同的色散补偿量，不能逐个信道产生不同的补偿量。

多信道动态色散补偿技术，一般采用自由空间光学结构，先以色散分光元件将DWDM光信号按照波长进行空间分离，再用空间光调制器对每个信道内的光束进行相位调制，产生需要的色散补偿量。色散分光元件可以采用反射式闪耀光栅、透射式相位光栅或者阵列波导光栅等，空间光调制器可采用硅基液晶芯片、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)微镜阵列等。

采用自由空间光学结构的多信道动态光学色散补偿器，一般先以一个光纤准直器将光纤中的DWDM光信号转换为准直光束，进入自由空间光学系统进行后续处理，处理之后的光信号，最终也是被这个光纤准直器接收，重新进入光纤中传输。在这种自由空间光学结构中，光信号的输入/输出端口是重合的，为了将二者分离，需要在光纤准直器的前端接一个光学环形器。在色散补偿器中接入光学环形器，既产生额外的插入损耗，又增加器件的体积和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多信道动态光学色散补偿器，其可免去现有技术方案中采用的光学环形器，并具有损耗低、体积小和成本低的特点。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种多信道动态光学色散补偿器，包括双光纤准直器、屋脊棱镜、偏振转换组件、棱镜对、傅里叶透镜、透射式相位光栅、反射镜和硅基液晶芯片，透射式相位光栅和硅基液晶芯片分别位于傅里叶透镜的前后焦面上，构成一个2f系统，双光纤准直器的两个尾纤分别用作多信道动态光学色散补偿器的输入端和输出端，双光纤准直器用于通过其输入端接收DWDM光信号，并相对于光轴以一定角度将DWDM光信号输出到屋脊棱镜，屋脊棱镜用于将DWDM光信号变为与光轴平行的光信号，并将光信号输出到偏振转换组件，偏振转换组件包括斜方体双折射晶体和两片1/2波片，用于消除光信号的偏振相关性，并将光信号输出到棱镜对，棱镜对用于对光信号进行扩束，并将扩束后的光信号输出到傅里叶透镜，傅里叶透镜用于将光信号投射到透射式相位光栅上，透射式相位光栅用于对光信号进行衍射，并将衍射后的光信号输出到反射镜上，反射镜用于对光信号进行反射，并将反射后的光信号输出到透射式相位光栅上，透射式相位光栅用于对光信号进行第二次衍射，并将衍射的光信号输出到傅里叶透镜上，傅里叶透镜还用于对光信号投射到硅基液晶芯片上，硅基液晶芯片用于对光信号进行多信道动态色散补偿，并将补偿后的光信号反射到傅里叶透镜上，傅里叶透镜还用于将光信号投射到透射式相位光栅上，透射式相位光栅还用于对光信号进行第三次衍射，并将衍射后的光信号投射到反射镜上，反射镜还用于将光信号反射到透射式相位光栅，透射式相位光栅还用于对光信号进行第四次衍射，并将衍射后的光信号投射到傅里叶透镜上，傅里叶透镜还用于将光信号投射到棱镜对上，棱镜对还用于对光信号进行压缩，并将压缩后的光信号输出到偏振转换组件上，偏振转换组件还用于对光信号恢复偏振相关性，并沿与光轴平行的方向将光信号输出到屋脊棱镜上，屋脊棱镜还用于相对于光轴以一定角度将光信号输出到双光纤准直器上。

偏振转换组件的正向传输光路与反向传输光路完全对称。

双光纤准直器包括准直透镜，准直透镜采用C-Lens透镜，其侧面为圆柱形，两端为平凸形。

双光纤准直器包括准直透镜，准直透镜采用自聚焦GRIN-Lens透镜，其为圆柱形，且具有渐变折射率。

硅基液晶芯片是以硅材料为基底的液晶阵列，在基底上设有公共电极和反光层，在硅基液晶芯片上设有可独立加载电压的透明电极。

角度为1度至5度。

本发明具有以下的优点和技术效果：

第一，损耗低：由于本发明以双光纤准直器的两根尾纤分别作为器件的输入/输出端口，省去传统器件中采用的光学环行器，且采用透射式相位光栅加反射镜的结构来代替传统的反射式光栅，综合起来大大降低了系统的插入损耗；

第二，多信道动态色散补偿：本发明采用硅基液晶芯片作为色散补偿单元，DWDM光信号被光栅色散展开并入射在硅基液晶芯片上，不同信道覆盖芯片上的不同区域，通过控制硅基液晶芯片上各个液晶单元的电压，就可以对反射光束产生动态且波长相关的相位延迟，由此对各个信道内的光学色散分别进行动态补偿；

第三，稳定性好：本发明采用斜方形双折射位移晶体，使光路对称，降低调试难度，增加系统高稳定性。

附图说明

图1为本发明多信道动态光学色散补偿器的俯视图。

图2为本发明多信道动态光学色散补偿器的侧视图。

图3(a)和图3(b)示出本发明的双光纤准直器与屋脊棱镜。

图4(a)和图4(b)分别示出本发明的双光纤准直器中的C-Lens和GRIN-Lens器件。

图5为现有技术中采用的偏振转换组件。

图6为本发明的偏振转换组件。

图7为本发明的另一种偏振转换组件。

图8为本发明的棱镜对。

图9为本发明的相位光栅和反射镜。

图10为本发明的硅基液晶芯片。

具体实施方式

如图1所示，本发明的多信道动态光学色散补偿器包括双光纤准直器3、屋脊棱镜4、偏振转换组件5、棱镜对6、傅里叶透镜7、透射式相位光栅8、反射镜9和硅基液晶芯片10。相位光栅8和硅基液晶芯片10分别位于傅里叶透镜7的前后焦面上，构成2f系统。2f系统是指物像分别处于透镜的前后两个焦面上的光学系统。

为便于进一步说明本发明器件的工作原理，此处对子午面和弧矢面先做定义，在图1中，纸面为子午面，垂直于纸面的竖直平面为弧矢面。因此，图2中的光路位于子午面内，而图3至图7中的光路位于弧矢面内。

可以看到，在子午面内观察时，如图1所示，正向传输光路和反向传输光路完全重合；而在弧矢面内观察时，如图2所示，正向传输光路和反向传输光路是分离的，关于轴线完全对称。

如图2所示，随机偏振的DWDM光信号从双光纤准直器3的尾纤1输入，得到的准直光束与准直器的轴线成一定角度，被屋脊棱镜4折射之后，其传输方向与轴线平行，经过偏振转换组件5之后，变成两束相互平行的线偏振光，经过棱镜对6扩束之后，圆形光斑被压缩为椭圆光斑，再被傅里叶透镜7变换之后，投射到相位光栅8与反射镜9构成的反射式衍射结构上，不同波长的光信号在子午面内角向展开，并被傅里叶透镜7投射在相位光栅8上，相位光栅8对光信号进行衍射，并将衍射后的光信号输出到反射镜9上，反射镜9将光信号反射到透射式相位光栅8上，透射式相位光栅8对光信号进行第二次衍射，并将衍射的光信号输出到傅里叶透镜7上，傅里叶透镜7将光信号投射到硅基液晶芯片10上，硅基液晶芯片10对光信号进行多信道动态色散补偿，并将补偿后的光信号反射到傅里叶透镜7上，傅里叶透镜7将光信号投射到透射式相位光栅8上，透射式相位光栅8对光信号进行第三次衍射，并将衍射后的光信号投射到反射镜9上，反射镜9将光信号反射到透射式相位光栅8上，透射式相位光栅对光信号进行第四次衍射，并将衍射后的光信号投射到傅里叶透镜7上，傅里叶透镜7将光信号投射到棱镜对6上，棱镜对6对光信号进行压缩，并将压缩后的光信号输出到偏振转换组件5上，偏振转换组件5对光信号恢复偏振相关性，将两束相互平行的线偏振光重新合成一束随机偏振光，并沿与光轴平行的方向将光信号输出到屋脊棱镜4上，屋脊棱镜4相对于光轴以一定角度将光信号输出到双光纤准直器3上，并从尾纤2输出。被色散展开并入射在硅基液晶芯片上的光束，不同信道覆盖芯片上的不同区域，通过控制硅基液晶芯片上各个液晶单元的电压，就可以对反射光束产生动态且波长相关的相位延迟，由此对各个信道内的光学色散分别进行动态补偿。本实施方式中，角度的范围为1度至5度。

现有的多信道动态光学色散补偿器，一般采用单光纤准直器作为输入/输出端口，并以光学环行器对输入/输出端口进行分离，所接入的光学环行器，既产生额外的插入损耗，又增加器件的体积和成本。本发明用一个双光纤准直器代替现有方案中的单光纤准直器和光学环行器，以双光纤准直器的两根尾纤分别作为色散补偿器的输入/输出端口。如果从两根尾纤均输入光信号，将得到两束成一定夹角的输出光，通过一个屋脊棱镜的折射作用，可以将两束光矫正至与轴线平行传输，如图3(a)所示。如果从一根尾纤输入光信号，而以另一根光纤接收输出的光信号，同样可以通过一个屋脊棱镜来矫正输入/输出光束的传输方向，如图3(b)所示。

双光纤准直器3中的准直透镜，可以采用C-Lens(光纤准直器中常用的一种侧面为圆柱形、两端为平凸形的透镜)，也可以采用GRIN-Lens(自聚焦透镜，一种渐变折射率的圆柱形透镜)，如图4所示，其中C-Lens的参数有材料折射率n、长度L、凸面曲率半径R和斜面倾角ψ_c，GRIN-Lens的参数有中心折射率n₀、自聚焦常数长度Z和斜面倾角ψ_g。采用这两种准直透镜的双光纤准直器，如图3所示，两束准直光束的夹角分别如式(1)和式(2)：

${\mathrm{\ψ}}_c=\frac{2(n-1)}{R}\·r---\left(1\right)$

${\mathrm{\ψ}}_g={2n}_0\sqrt{A}\sin \left(\sqrt{A}Z\right)\·r---\left(2\right)$

其中r为尾纤所采用的光纤半径。

根据式(1)和式(2)，合理设计屋脊棱镜4的角度，即可将双光纤准直器3输出的两束交叉光束，矫正为相互平行的光束，如图3所示。

硅基液晶芯片只能对线偏振光进行处理，而在光纤线路上传输的DWDM光信号，其偏振态是随机的，因此必须在系统中加入一个偏振转换组件，将随机偏振光转换为线偏振光。

如图5所示，现有技术中采用的偏振转换组件是由位移晶体11、半波片12和补偿片13构成，其中位移晶体11为长方体，光轴与o光的夹角为θ，一束自然偏振光通过之后被分成o光和e光两束，二者夹角δ被称为离散角；半波片12的快轴与位移晶体11的主截面(通光面法线与光轴决定的平面)成45°夹角，下侧的o光通过之后，偏振方向旋转90°，变成与上侧的e光偏振方向一致；补偿片13是一片与半波片12等光学厚度(厚度与折射率的乘积)的玻璃，用以补偿半波片12引起的光程差。因此，一束自然偏振光通过图5所示的偏振转换组件之后，被转换成两束空间分离且相互平行的相同偏振态的线偏振光。

在图5所示结构中，两束输出光相对于输入光束是不对称的，光路设计和调试相对困难。

如图6所示，本发明提出的一种偏振转换组件，是由位移晶体14、半波片15和补偿片16构成。图6与图5结构的区别在于，位移晶体14为斜方体，端面倾斜一个角度γ，仍保持光轴与o光的夹角与图5中相同，因此e光与o光之间的离散角δ也与图5相同。调整倾角γ，可使图3中的两束输出光相对于输入光束完全对称。

如图7所示，本发明提出的另一种偏振转换组件包括位移晶体17、半波片19和20、补偿片18和21，正向传输的自然偏振光被转换成两束相同偏振态的线偏振光，而反向传输的两束相同偏振态的线偏振光被合成一束自然偏振光，正向和反向传输光路完全对称。

偏振转换组件7中的位移晶体(包括图5中的11、图6中的14和图7的17)一般采用单轴双折射晶体加工而成，为了在给定的晶体长度之内将o光与e光分开最大距离，应设计晶体光轴与o光夹角θ_c满足式(3)，此时o光与e光之间的离散角α_max达到最大，如式(4)。

其中n_o和n_e分别为晶体中o光和e光的折射率。

为了提高光栅的分辨率，入射在光栅上的光束直径应尽量大。硅基液晶芯片上为每个信道分配的区域宽度，与投射在芯片上的光斑尺寸之比值，对多信道动态光学色散补偿器件的光谱特性有重要影响。因此在偏振转换组件5与傅里叶透镜7之间插入一个棱镜对6，对光束进行压缩，圆形光斑被压缩成椭圆光斑，椭圆的长轴和短轴分别位于弧矢面和子午面内；经傅里叶透镜7变换之后，投射在相位光栅8上的椭圆光斑，长轴和短轴分别位于子午面和弧矢面内；经傅里叶透镜7再次变换之后，投射在硅基液晶芯片10上的椭圆光斑，长轴和短轴分别位于弧矢面和子午面内。棱镜对如图8所示排列，压缩之后的光束与入射光束平行，均垂直于棱镜的直角通光面。

棱镜对6由两片棱镜24和25构成，二者排列如图8所示，对光束的压缩比如式(5)。

$\mathrm{\β}=\frac{{2\mathrm{\ω}}_1}{{2\mathrm{\ω}}_2}={\left[\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \left(\arcsin \left(n\sin \mathrm{\α}\right)\right)}\right]}^2---\left(5\right)$

其中n为棱镜材料的折射率，α为棱镜顶角，ω₁与ω₂分别为入射和出射光斑大小。

相对于反射式的闪耀光栅，透射式的相位光栅具有偏振相关性小、插入损耗低的优点，但是对光信号的分辨本领相对较小。本发明以透射式相位光栅8与反射镜9配合，构成一种反射式衍射结构，如图9所示，这种结构可以产生两次衍射，对光信号的分辨本领增至两倍，使器件的色散补偿量增至4倍。

本发明器件中的核心是硅基液晶芯片，是一种以硅材料为基底的液晶阵列，在硅基底上制作有公共电极和反光层，在每个液晶单元上制作了可独立加载电压的透明电极。入射在硅基液晶芯片上的光束，透过液晶阵列并在基底上发生反射，通过调节加载在每个液晶单元上的电压，就可以控制该单元对反射光的相位延迟量。硅基液晶芯片在多信道动态色散补偿技术中的应用如图10所示，DWDM光信号按波长展开，入射在硅基液晶芯片上，每个信道CH_i覆盖一定宽度范围内的液晶单元。DWDM光信号的每个信道并不是一个绝对的单波长信号，因此在每个DWDM信道内部存在许多波长成分λ_i1、λ_i2、λ_i3、...，这些波长成分也依次展开，覆盖对应信道范围内的液晶单元。因此，在每个信道范围内，可以产生一个波长相关的相位延迟函数，如凸抛物线型、凹抛物线型，抛物线的系数也可以取不同值。对抛物线型的相位延迟函数取导数，即可得到一个线性的色散曲线，对DWDM信道内的色散进行补偿，当抛物线系数取不同值时，所得到线性色散曲线的斜率也不相同，即可产生不同的色散补偿量。

如图10所示，DWDM光信号沿x轴展开，入射在硅基液晶芯片上，而硅基液晶芯片对反射光产生沿x轴分布的相位延迟Φ(x)，因此对光信号的延迟τ和色散D分别如式(10)和式(11)。

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{d\Φ}\left(x\right)}{\mathrm{d\λ}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\πc}}\frac{\mathrm{d\Φ}\left(x\right)}{\mathrm{d\λ}}---\left(10\right)$

在硅基液晶芯片上为每个DWDM信道分配一定宽度的区域，控制此区域内的液晶单元，产生抛物线型的相位延迟函数如式(12)，则根据式(10)和式(11)得到对应的色散D如式(13)。

$D=\frac{4\mathrm{\α}{\mathrm{\λ}}_0^2{f}^2}{\mathrm{\π}{\mathrm{cd}}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(13\right)$

其中α为抛物线系数，λ₀为该色散补偿器件工作的中心波长。

通过改变各信道中相位延迟函数Φ(x)的系数α，即可对各信道的色散补偿量进行独立且动态的调节。

相位光栅8和硅基液晶芯片10分别位于傅里叶透镜7的前后焦面上，构成一个2f光学系统，如果前后焦面上的高斯光束半径分别为ω_f和ω_r，则二者满足关系式(6)：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{\mathrm{\λf}}{{\mathrm{\π\ω}}_f}---\left(6\right)$

其中f为傅里叶透镜7的焦距。

由相位光栅8和反射镜9构成的衍射结构，经过两次衍射，所产生的角色散如式(7)，经傅里叶透镜变换之后，线色散分别如式(8)：

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dv}}=-\frac{2c}{v^{2}T\cos \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

$\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dv}}=-\frac{2\mathrm{fc}}{v^{2}T\cos \mathrm{\θ}}---\left(8\right)$

其中c为光速，υ＝c/λ为光波的频率，T为光栅的周期，θ为光栅对光束的衍射角。

根据式(6)，硅基液晶芯片10上为每个DWDM信道分配的区域宽度H如式(9)。

$H=\left|\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dv}}\right|\·v_{\mathrm{ch}}=-\frac{2\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{ch}}\mathrm{fc}}{v^{2}T\cos \mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

其中υ_ch为DWDM光信号的频率间隔，如200GHz、100GHz、50GHz，分别相当于波长间隔1.6nm、0.8nm、0.4nm。

Claims (6)

1.一种多信道动态光学色散补偿器，包括双光纤准直器、屋脊棱镜、偏振转换组件、棱镜对、傅里叶透镜、透射式相位光栅、反射镜和硅基液晶芯片，其特征在于，

所述透射式相位光栅和所述硅基液晶芯片分别位于所述傅里叶透镜的前后焦面上，构成一个2f系统；

所述双光纤准直器的两个尾纤分别用作所述多信道动态光学色散补偿器的输入端和输出端；

所述双光纤准直器用于通过其输入端接收DWDM光信号，并相对于光轴以一定角度将所述DWDM光信号输出到所述屋脊棱镜；

所述屋脊棱镜用于将所述DWDM光信号变为与光轴平行的光信号，并将所述光信号输出到所述偏振转换组件；

所述偏振转换组件包括斜方体双折射晶体和两片1/2波片以及两片补偿片，用于消除所述光信号的偏振相关性，并将所述光信号输出到所述棱镜对；

所述棱镜对用于对所述光信号进行扩束，并将扩束后的光信号输出到所述傅里叶透镜；

所述傅里叶透镜用于将所述光信号投射到所述透射式相位光栅上；

所述透射式相位光栅用于对所述光信号进行衍射，并将衍射后的光信号输出到所述反射镜上；

所述反射镜用于对所述光信号进行反射，并将反射后的光信号输出到所述透射式相位光栅上；

所述透射式相位光栅用于对所述光信号进行第二次衍射，并将衍射的光信号输出到所述傅里叶透镜上；

所述傅里叶透镜还用于对所述光信号投射到所述硅基液晶芯片上；

所述硅基液晶芯片用于对所述光信号进行多信道动态色散补偿，并将补偿后的光信号反射到所述傅里叶透镜上；

所述傅里叶透镜还用于将所述光信号投射到所述透射式相位光栅上；

所述透射式相位光栅还用于对所述光信号进行第三次衍射，并将衍射后的光信号投射到所述反射镜上；

所述反射镜还用于将所述光信号反射到所述透射式相位光栅；

所述透射式相位光栅还用于对所述光信号进行第四次衍射，并将衍射后的光信号投射到所述傅里叶透镜上；

所述傅里叶透镜还用于将所述光信号投射到所述棱镜对上；

所述棱镜对还用于对所述光信号进行压缩，并将压缩后的光信号输出到所述偏振转换组件上；

所述偏振转换组件还用于对所述光信号恢复偏振相关性，并沿与光轴平行的方向将所述光信号输出到所述屋脊棱镜上；

所述屋脊棱镜还用于相对于光轴以一定角度将所述光信号输出到所述双光纤准直器上。

2.根据权利要求1所述的多信道动态光学色散补偿器，其特征在于，所述偏振转换组件的正向传输光路与反向传输光路完全对称。

3.根据权利要求1所述的多信道动态光学色散补偿器，其特征在于，所述双光纤准直器包括准直透镜，所述准直透镜采用C-Lens透镜，其侧面为圆柱形，两端为平凸形。

4.根据权利要求1所述的多信道动态光学色散补偿器，其特征在于，所述双光纤准直器包括准直透镜，所述准直透镜采用自聚焦GRIN-Lens透镜，其为圆柱形，且具有渐变折射率。

5.根据权利要求1所述的多信道动态光学色散补偿器，其特征在于，

所述硅基液晶芯片是以硅材料为基底的液晶阵列；

在所述基底上设有公共电极和反光层；

在所述硅基液晶芯片的每个液晶单元上设有可独立加载电压的透明电极。

6.根据权利要求1所述的多信道动态光学色散补偿器，其特征在于，所述角度为1度至5度。

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