CN102759777A

CN102759777A - 单封装双光学功能装置

Info

Publication number: CN102759777A
Application number: CN2012101207490A
Authority: CN
Inventors: 谢永杰
Original assignee: Optoplex Corp
Current assignee: Optoplex Corp
Priority date: 2011-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2012-10-31
Also published as: US20120269482A1; US8929700B2

Abstract

一种四光纤准直器，其被耦合到单个梳状滤波器的光学器件以产生两个共封装梳状滤波器的功能。准直器的两根光纤被耦合到单个梳状滤波器的核心光学器件以产生两对输出光束。准直器的另两根光纤被耦合以接收反射输出光束。在光纤束中的光学光纤的几何形状受到控制，以产生不带任何偏移的梳状滤波器输出。在另一实施例中，四光纤准直器的两根光纤作为输入被耦合到法布里-珀罗标准具并且另两根光纤作为输出而从法布里-珀罗标准具耦合。光纤的几何形状和准直器的焦距受到控制，以产生带有以预定数量偏移的峰值的两个输出。

Description

单封装双光学功能装置

相关申请

该申请基于并且要求在2011年04月23日提交的美国临时申请No.61/478,501的优先权。

技术领域

本发明大体上涉及光学通信的领域，并且特别地涉及从被耦合到四光纤准直器的单个装置的核心构件提供诸如梳状滤波器或者标准具的两个光学器件的功能的设备。

背景技术

在光学通信中，一根光纤能够承载很多通信信道，其中每一个信道均具有它自身的载波频率。具有不同频率的光通过在本技术领域中被称为复用器(“mux”)的装置而被融合到光纤中，并且在以后通过被称为解复用器(“de-mux”)的装置而被分离到不同的端口中。复用器和解复用器装置通常利用诸如薄膜滤波器(TFF)、阵列波导光栅(AWG)、和光学梳状滤波器技术。

在密集波分复用(DWDM)光学通信中，激光(信道)的各种频率(1/λ)被用作载波信号，并且被耦合到用作波导的同一光学光纤中。数据信号在载波信号之上迭加，并且被在波导中输送。因为总可用波长范围受到限制(大约几十纳米)，所以随着信道间隔降低，更多的信道能够适配于同一光学光纤中，并且更高的通信容量得以实现。因此，以不断地减小的信道间隔来进行操作的能力是在本技术领域中的一个重要目的。

然而，信道间隔受到复用器和解复用器在没有信号重叠的情况下对信道进行组合和分离的能力的限制。当前地，用于信道间隔的标准是100GHz(0.8nm)，并且为了实现小于100GHz的信道间隔，制造成本急剧地增加。

当信道的总数小于大约20时，因为其宽的带宽、其良好的热稳定性和可以将信道添加到系统的便利性，基于薄膜滤波的技术是优选的。当信道的数目变得高很多(例如，大于大约40)时，在本技术领域中优选的是，使用在整个信道上提供更加均匀的损失并且呈现比薄膜技术更小的色散的光学器件。例如，基于阵列波导光栅(AWG)和衍射光栅的装置提供这些优点。然而，这种装置趋向于产生比薄膜技术更窄的带宽，这严重地限制了它们的应用。进而，已经通过光学梳状滤波器的使用实现了用于增加具有在整个信道上均匀的插入损耗和最小色散的复用和解复用装置的带宽的一种成本有效的方法。

利用梳状滤波器，使用较低分辨率滤波器复用/解复用带有小于滤波器的频率分辨率的信道间隔的信道是可能的。例如，为了解复用带有50GHz的信道间隔的八十个信道，梳状滤波器首先将光分离成到奇数流和偶数流中。奇数流包含奇数个信道，并且偶数流包含偶数个信道。由此，在每一个流中的信道间隔变成100GHz。因此，能够使用100GHz滤波器来分离在每一个流中的信道。否则，将必须使用比100-GHz滤波器更加昂贵的50GHz滤波器来解复用所有的80个信道的光信号。

传统的自由空间解复用梳状滤波器是3端口装置。如以Michelson干涉仪配置而在图1中概略示出地，光学解复用梳状滤波器10包括被与反射镜14和标准具结构16组合的50/50分束器12。单个入射光束I在公共(输入)端口18上入射，并且两个输出光束R、T从分别的输出端口20、22出射。入射光束I的一个部分首先被在分束器的点24处反射，并且然后被反射镜14反射，并且在点26处返回分束器，在此处其以50/50能量分裂而被再次反射和透射。返回点26的光束具有作为其光学频率的线性函数的相位。入射光束I的其它部分在分束器的点24处被透射，并且被相位光学器件16相移；然后它在点26处返回分束器，在此处，其自身也被以50/50能量分裂而反射和透射。返回点26的这个光束具有作为其光学频率的非线性函数的相位。在由反射镜14产生的线性相位和由相位光学器件16产生的非线性相位之间的相差确定在输出端口20(反射光束R)和22(透射光束T)中的每一个之处哪些光学频率(波长)处于通带中和那些光学频率(波长)处于抑止带中。标准具16通常包括调谐器并且优选地由Gires-Tournois标准具组成。

由于它们的紧凑性和可靠性，在DWDM中，诸如在固定波长滤波器、光学开关和梳状滤波器中广泛地使用了双光纤准直器。在双光纤准直器中，两根裸光纤在毛细管内侧被彼此相邻地放置。因此，对于标准的SMF-28光纤，在两根光纤之间的中心间距离为标称地125um。两根光纤共享一个准直透镜并且光纤的顶端靠近准直透镜的焦平面定位。结果，来自两根光纤的准直束以由中心到中心间距离和准直透镜的焦距确定的小角度展现。例如，在带有6.5-mm焦距的双光纤准直器中，在两个准直束之间的角度是大约1.1度。

多根光纤能够类似地共享准直透镜。相应地，由于它们的紧凑性，近年来，已经使用了主要地用于光学开关的各种多光纤准直器。在这种光学开关应用中，开关对于波带中的所有的波长工作，而不存在任何ITU对准要求，并且插入损耗(在大多数应用中最重要的参数)是低的，这使得多光纤准直器的使用是非常理想的。

如在本技术领域中充分理解地，标准具的自由光谱范围(FSR)由空腔长度；即，在标准具的两个反射性表面之间的距离确定。当入射光束不垂直于空腔(诸如由输入光纤的位置引起)时，有效空腔长度根据余弦定律减小。结果，FSR增加并且空腔的透射峰值移位。例如，为50GHz标准具使用带有6.5-mm焦距的双光纤准直器，有效空腔长度减小0.14um。(出于该说明的意图，um≡μm。)众所周知的是，当空腔长度被以等于一半波长的距离改变时，透射峰值将以一个FSR移位。因此，在有效空腔长度中的0.14um变化将引起透射峰值以8.9GHz移位。

进而，由于毛细管和光纤这两者直径的公差，如分别地在图2和3中理想化的和更加实际的配置中所示意地，中心到中心毛细管距离能够引起几um的误差，并且准直透镜的焦距能够具有百分之几的公差。因此，焦距误差和光纤距离误差能够引起在两个准直束之间的角度极大地偏离所期设计数值。因此，控制这些参数以获得所期输出是重要的。

在双光纤梳状滤波器应用中，如在美国专利No.6，587，204中描述地，输入准直器具有两根光纤。如在图4中所示意地，一根光纤FI用于输入，另一根光纤FB用于反射信道。传输信道仅仅需要一根光纤FT来接收透射光束。梳状滤波器的核心光学器件(分束器12、镜14、带有调谐器的标准具16)被放置在外罩(未示出)内，并且准直器30和32被对准以优化性能。梳状滤波器然后被以传统方式调谐，以将它的输出反射和透射峰值与预定栅格例如ITU对准。(关于适当的调谐设备的一个实例，见美国专利No.6，816，315。)ITU栅格的所有的偶数信道(波长)均指向透射端口，并且所有的奇数信道(波长)均指向反射端口，或者反过来。本发明旨在利用单个梳状滤波器的核心光学器件来提供两个双光纤梳状滤波器的功能。

发明内容

本发明是基于使用四光纤准直器的思想，所述四光纤准直器被耦合到单个梳状滤波器或者单个标准具结构的光学器件从而产生两个共封装装置的功能。如在这里所使用地，术语“相位光学器件”和“相位光学器件单元”旨在意指能够在光束中产生相移的装置。在用于梳状滤波器操作的优选实施例中，本发明的核心光学器件包括适于产生反射光束和透射光束的分束器表面、被光耦合到分束器表面以接收反射光束的镜表面、带有被光耦合到分束器表面以接收透射光束的调谐器的标准具，和从准直器的两根光纤朝向分束器表面引导一对输入光束并且在被耦合到准直器的另一对光纤中接收两个反射输出光束的四光纤准直器。应该理解，镜和标准具能够与光束-分裂器相反地被以等效的方式耦合，从而分别地接收透射和反射光束。在任一情形中，核心光学器件(梳状滤波器)均适于在每一对梳状滤波器输出的反射和透射光束之间根据设计而产生预定的波长差异。

在涉及梳状滤波器应用的、它的最简单的实施例中，在纤维束中的光学光纤的几何形状受到控制，以产生具有相同FSR并且在周期峰值之间无偏移的两个梳状滤波器输出(反射束)。主要地通过在正方形构形中利用光纤的中心来进行对准，从而产生其中峰值无偏移地与感兴趣的栅格对准的两个输出，从而实现了这点。

例如，在被用于波长锁定器应用的另一实施例中，四光纤准直器只是被耦合到非线性相位光学器件，诸如标准具。在菱形构形中利用中心相来对准光纤，从而作为输入光束从准直透镜朝向标准具传播的相应角度中的差异的结果，产生其中峰值以预定数量偏移的两个反射输出。因为光学器件的本质功能，在四光纤准直器的几何形状和在相应的输出中的偏移之间的关系能够在理论上计算，并且直接地通过本发明的在功能上共封装的装置而得以实现。

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，本发明包括在下文中在图中示意的、充分地在优选实施例的详细说明中描述的、并且特别地在权利要求中指出的特征。然而，这种附图和说明仅仅公开了其中可以实践本发明的各种方式中的某些方式。

附图说明

图1示意性地示出自由空间Michelson干涉仪配置的作为3端口装置的传统的解复用梳状滤波器。

图2是使得光纤的中心处于正方形的角部的、在毛细管中的四根光学光纤的理想布置的概略截面。

图3是在毛细管中的四根光学光纤的更加实际的布置的概略截面，其中光纤的中心处于菱形图形(非正方形)的角部。

图4示意性示出了在被耦合到双光纤准直器的GT标准具配置中图1的解复用梳状滤波器的实现。

图5示意根据本发明的、四光纤准直器与单个光学相位光学器件单元的核心光学器件的组合。

图6示意光纤顶端靠近准直透镜的焦平面放置的、如用于实现本发明的四光纤准直器。

图7是用于测量由本发明产生的一对输出光束的峰值以确定在两组峰值之间的波长差异的构件的概略表示。

图8是本发明的另一个实施例的概略表示，其中四光纤准直器被耦合到单个非线性相位光学器件装置。

图9示意使得中心到中心距离BD比中心到中心距离AC大得多，以在两组输出峰值之间产生预定波长差异的四光纤准直器布置。

具体实施方式

本发明基于四光纤准直器，其能够有利地用于使用单个装置的核心光学器件来提供两个双光纤梳状滤波器或者两个标准具的功能。如图2和3的概略截面所示意地，当四光纤准直器42被用于梳状滤波器操作时，在图5中概略示出地，与单个光学梳状滤波器单元相组合地使用两根光纤(例如A和B)来用作输入信道，并且另两根光纤(C和D)被用于反射信道。光纤A_in和B_in用于输入，光纤C_out和D_out用于反射输出信道，并且光纤C_t和D_t用于透射输出信道。(显然，对于相应地不同的输出光纤，该一对输入光纤能够是不同的，诸如使用光纤A和D。)为了描述本发明的意图，使用字母A-D来识别四光纤准直器的四根光纤，其中当与解释有关时使用下标来示意它们的功能。

参考其中外罩40包括图4的核心光学器件的实现，例如，通过光纤A_in的输入光束的波长被梳状滤波器12反射从而由光纤C_out接收。类似地，在光纤B_in处的输入光束被同一梳状滤波器12反射并且返回光纤D_out。因为四光纤输入，在透射输出端口处需要两个其它光纤C_t和D_t(和准直/聚焦光学器件32)。因此，三根光纤A_in、C_out和C_t功能用作双光纤梳状滤波器的三根光纤。其它三根光纤(B_in、D_out和D_t)提供并行的第二双光纤梳状滤波器的功能。因此，能够有利地在单个封装中获得两个梳状滤波器。

图6示意如用于实现本发明的四光纤准直器，其中光纤顶端被靠近准直透镜的焦平面放置。仅仅示出了来自光纤A的输入光束(实线)和返回光纤C的输出光束(虚线)的路径。当在光纤A和C的两个准直束之间的角度由于以上讨论的光纤束几何形状和透镜公差而不同于光纤B和D的角度时，用于一个梳状滤波器的输出峰值的波长将不同于另一梳状滤波器的输出峰值的波长。例如，对于6.5mm准直器，如果AC的光纤中心到中心距离比BD的光纤中心到中心距离大1um，则如由以下表格1示出地，输出峰值将以0.203GHz偏离。

表格1。对于在光纤中心到中心距离中的每一微米误差的波长移位。

*标称光纤间隙AC或者BD＝176.8um

因此，在本发明的共封装设计中使用四光纤准直器以形成两个相同的梳状滤波器要求在由输入-输出对AC形成的两个准直束之间的角度与由另一输入-输出对BD形成的角度相匹配。因为两对光纤共享同一透镜，所以在来自AC和BD的两组输出峰值之间的波长差异能够得以测量，并且作出适当的校正(或者四光纤准直器被视为不合规格)。使用可调谐激光器42、标准具44、和两个光电检测器46和48，如在图7中所示意地，用于两对反射输出光束(C、D)的峰值能够被同时地测量，由此推导在两个束的峰值之间的波长差异。如本领域技术人员易于理解地，这个差异对于梳状滤波器应用而言必须是尽可能小的(小于信道间隔的3％)以确保两组峰值同时地适度地与预定栅格对准。然而，应该理解的是，为具有不同的预定栅格的其它应用，诸如如在下面提出地为波长锁定器使用相同的四光纤准直器。

在被用于梳状滤波器功能的优选实施例中，四根光纤被布置成形成正方形，如在图2中所示。在由输入-输出对AC形成的两个准直束之间的角度与由另一输入-输出对BD形成的角度相匹配。在此情形中，在该两对的峰值之间无任何波长差异。然而，光纤能够被不同地布置(如在例如图9中所示意地)，从而有意地在两组输出峰值之间诱发特殊波长差异。在这种情形中，仅仅要求被适当地耦合到四光纤准直器的非线性相位光学器件(诸如法布里-珀罗(Fabry Perot)标准具)。例如，其将用于波长锁定器应用的目的。能够通过布置四根光纤，以使得中心到中心距离BD比中心到中心距离AC大得多(理论上，使得

)，从而实现这种有意的结果。如在图8中所示，准直器的输出被直接地耦合到可调谐标准具50。

另外，如上所述，焦距能够影响有效空腔厚度。因此，关键的是，在装置的设计中同样包括这个参数，从而根据需要，相对于由在光纤D中的光纤B产生的那些输出峰值，使得在由光纤C中的光纤产生的输出峰值之间并不产生任何波长差异或者预定差异。除了通过在诸如图2和9所示那些的简单构形中接触光纤而获得的那些特殊距离之外，并不易于将光纤中心到中心距离控制为特殊距离，但是还能够使用准直器的焦距来实现所期目标。在图9的配置中，例如，因为光纤直径具有非常高的准确度，其大约为125um，所以光纤中心到中心距离BD在几何上等于光纤中心到中心距离AC的

倍。因此，通过如下选择焦距，通过要求的偏移数量(有意的波长差异)，而相对于来自光纤B和D的那些输出峰值来偏移和移位来自光纤A和C的输出峰值：

光束角度1＝atan(AC/2/f)，并且

光束角度2＝atan(BD/2/f)，

其中f是准直光学器件30的焦距。

光束角度1是来自两根光纤A和C的两个准直束的角度的一半。在适当的对准之后，光束角度1等于相对于标准具的反射性表面的入射光束角度。类似地，光束角度2来自两根光纤B和D。如下，有效空腔长度(ECL)是入射光束角度的余弦函数：

ECL1＝空腔长度*cos(光束角度1)，并且

ECL2＝空腔长度*cos(光束角度2)。

在ECL1和ECL2之间的差异确定波长移位。以下表格2示出作为使用图9所示配置而布置的四光纤准直器的焦距的函数的波长移位。

表格2。作为使用图8所示格式而布置的四光纤准直器的焦距的函数的波长移位

因此，对于3-mm空腔，能够使用4.1-mm准直器来实现等于-10％FSR的波长移位。类似地，对于6-mm空腔，能够使用5.8-mm准直器来实现接近-10％FSR的波长移位。使用调谐器(如在例如美国专利No.6，816，315中教导地)，能够在预定栅格的正确的一侧上对准第一组输出峰值，其中，从栅格的偏移等于目标波长差异的一半。第二组将自动地位于栅格的另一侧上。因此，能够在一个封装中获得在两组峰值之间带有特殊偏移的两个装置。同样，如在图7中所示意地，能够使用可调谐激光器、标准具和两个光检测器来测量在两组输出峰值之间的目标波长差异。

在两个应用(梳状滤波器和波长锁定器)中，单组核心光学器件有利地被容纳在单个封装中。准直器对准过程类似于被用于双光纤准直器的过程。在四光纤准直器的第一对光束对准之后，第二对被自动地对准。这不仅减少了材料成本，而且还减少了劳动成本。进而，因为共享空间，所以它减少了核心光学器件的占地面积。

使用不同的光纤布置并且适当地选择准直器的焦距，能够在两组输出峰值之间获得特殊波长差异。结果，能够在单个封装中获得在两组峰值之间带有特殊偏移的两个装置。这两个装置类似地带有所伴随的上述优点地共享同一外罩、同一核心光学器件(包括同一调谐器)。

因此，已经公开了一项简单的方案以使用单个相位光学器件单元的核心光学器件在单个封装中实现两个双光纤梳状滤波器或者两个波长锁定器的功能。虽然已经利用被认为是是最实际的和优选的实施例示出并且描述了本发明，但是认识到能够在本发明的范围内作出改变。因此，本发明将不被限制于在这里所公开的细节，而是被赋予权利要求的完整范围从而涵盖任何和所有的等价的设备和方法。

Claims

1.一种双光学功能装置，包括：

相位光学器件单元；和

四光纤准直器，所述四光纤准直器从所述准直器的两根光纤朝向所述相位光学器件单元引导一对输入光束，并且在所述准直器的其它两根光纤中接收来自所述相位光学器件单元的两个反射输出光束。

2.根据权利要求1的装置，其中，所述相位光学器件单元包括梳状滤波器光学器件，所述梳状滤波器光学器件在所述两个反射输出光束和所述梳状滤波器光学器件的两个相应的透射输出光束之间产生预定波长差异。

3.根据权利要求2的装置，其中，所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间基本上不产生任何波长差异。

4.根据权利要求2的装置，其中，所述梳状滤波器光学器件包括：

分束器表面，所述分束器表面适于接收所述一对输入光束，并且分别地产生一对反射光束和一对透射光束；

镜表面，所述镜表面被光耦合到所述分束器表面以接收并且反射回所述反射和透射光束对中的一个；

标准具，所述标准具被耦合到所述分束器表面，以接收并且反射回所述反射和透射光束对中的另一个。

5.根据权利要求4的装置，其中所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间基本上不产生任何波长差异。

6.根据权利要求4的装置，其中所述标准具是Gires-Tournois标准具。

7.根据权利要求1的装置，其中，所述相位光学器件单元包括：

Gires-Tournois标准具，所述Gires-Tournois标准具被耦合到所述分束器表面，以接收并且反射回所述反射和透射光束对中的另一个；并且

其中，所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间基本上不产生任何波长差异。

8.根据权利要求1的装置，其中，所述相位光学器件单元包括标准具，并且所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间产生预定波长差异。

9.根据权利要求8的装置，其中所述标准具是法布里-珀罗标准具。

10.根据权利要求1的装置，其中，所述相位光学器件单元包括法布里-珀罗标准具，并且所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间产生预定波长差异。

11.一种从单个光学器件获得双重功能的方法，包括以下步骤：

从四光纤准直器的两根光纤朝向相位光学器件单元引导一对输入光束，和

在所述准直器的其它两根光纤中接收来自所述相位光学器件单元的两个反射输出光束。

12.根据权利要求11的方法，其中，所述相位光学器件单元包括梳状滤波器光学器件，所述梳状滤波器光学器件在所述两个反射输出光束和所述梳状滤波器光学器件的两个相应的透射输出光束之间产生预定波长差异。

13.根据权利要求12的装置，其中，所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间基本上不产生任何波长差异。

14.根据权利要求12的方法，其中，所述梳状滤波器光学器件包括：

分束器表面，所述分束器表面适于接收所述一对输入光束并且分别地产生一对反射光束和一对透射光束；

15.根据权利要求14的方法，其中，所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间基本上不产生任何波长差异。

16.根据权利要求14的方法，其中，所述标准具是Gires-Tournois标准具。

17.根据权利要求11的方法，其中，所述相位光学器件单元包括：

镜表面，所述镜表面被光耦合到所述分束器表面，以接收并且反射回所述反射和透射光束对中的一个；

18.根据权利要求11的方法，其中，所述相位光学器件单元包括标准具，并且所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间产生预定波长差异。

19.根据权利要求18的方法，其中，所述标准具是法布里-珀罗标准具。

20.根据权利要求11的方法，其中，所述相位光学器件单元包括法布里-珀罗标准具，并且所述四光纤准直器被配置成在所述两个反射输出光束之间产生预定波长差异。