CN103399415B - 一种提高消光比的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，公开了一种提高消光比的方法及装置。该方法包括：将光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅；线偏振光从衍射光栅反射出来，经过四分之一波片到达DLP芯片；返回光由DLP芯片反射出来，经过四分之一波片到达衍射光栅；返回光从衍射光栅反射出来，经过分束器射出。本发明基于DLP芯片的全数字化可编程调谐中心波长和带宽的特点，通过偏振分束器和四分之一波片相互配合，使光两次经过四分之一波片，改变返回光的偏振态，返回光到达偏振分束器并被反射输出，实现了滤波的功能。而由于光路中的光学器件的反射光以及杂散光不满足偏振相关性，被偏振分束器直接透射，不会随返回光一起反射输出，从而提高了消光比。

Description

一种提高消光比的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，主要适用于提高消光比的方法及装置。

背景技术

100Gb/s的光传输现在已经实现商用，且多采用DP-QPSK的调制格式。这种调制格式使100Gb/s的信号可以在单信道50GHz的ITU（International Telecommunications Union，国际电信联盟）栅格下传输。研究表明，大于100Gb/s的光传输必须选择高的光谱利用率格式，或者将信号的谱宽增加到支持400Gb/s或1Tb/s的传输。而具有更高频谱利用率的调制格式因OSNR（Optical Signal Noise Ratio，光信噪比）的恶化而限制了信号传输的距离，而且增加谱宽意味着信号不再与50GHz的ITU栅格相匹配。

尽管ITU已经指定其他DWDM（Dense Wave Length DivisionMultiplexing，密集型光波复用）栅格尺寸12.5GHz、25Ghz和100GHz，但当用于不同的谱宽时，这些尺寸的栅格提供不了有效的带宽支持。固定DWDM栅格的限制促进了可变栅格的研究和发展，任意尺寸的波长都可以通过波长选择开关被选择和传输，这样就可以采用新的高级的码率服务。

在过去的几年中，用LCOS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）装置实现可变栅格的方法已经实现商用。然而，支持可变栅格技术的ROADM（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，可重构的光分插复用器）的购买成本大大高于固定栅格技术所需的器件。此外，操作可变栅格和控制光路的难度也较高。

同LCOS技术相比，DLP（Digital Light Procession，数字光处理）技术具有诸多优点。首先，较低的成本。DLP技术的核心部件是DMD（DigitalMicro-mirror Device，数字微镜晶片）。它既是一种微电机系统，也是一种反射式光开关阵列。最早由德州仪器公司（TI）发明，现在被广泛的用于各种投影显示系统中。相比LCOS组件的昂贵，它要廉价的多；其次，DLP技术具有全数字化可编程且高分辨率的特点。DLP技术打破了传统的模拟显示的局限，具有全数字化的特性。近几年，DMD芯片的尺寸不断缩小，而微镜阵列做的越来越精细，目前标准分辨率已经可以达到1980×1080；通过编程控制微镜阵列的状态，可以实现高精度全数字化可编程的滤波。第三，可靠性高。DLP技术不存在随工作时间延长，组件工作性能恶化的缺点。这是因为DMD的反射效率不随时间增加而改变。此外，在德州仪器公司进行的测试试验结果表明，DMD微反射镜绕其折页轴翻转的有效次数可达109次以上，这意味着DMD可连续工作20年。

2009年，Woojin Shin等人在OC(Optics Communications)上发表文章指出，利用DLP技术可实现900-2000nm中心波长范围的调谐滤波，精度可以达到0.31nm。但是由于光路中各种光学器件的反射和杂散光影响，消光比很低，一般只能达到20dB。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高消光比的方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高消光比的方法，包括：

将光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅；

所述线偏振光从所述衍射光栅反射出来，经过四分之一波片到达DLP芯片，且所述线偏振光的振动方向与四分之一波片的快轴的夹角成45度；

返回光由所述DLP芯片反射出来，经过所述四分之一波片到达所述衍射光栅；

所述返回光从所述衍射光栅反射出来，经过所述分束器射出。

进一步地，所述将光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅，包括：将自然光经过第一准直透镜进行准直；将准直后的自然光经过所述分束器输出所述线偏振光，并入射到所述衍射光栅。

进一步地，所述将准直后的自然光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅，包括：将所述准直后的自然光以45度角经过所述分束器的介质膜输出所述线偏振光，并入射到所述衍射光栅。

进一步地，所述线偏振光从衍射光栅反射出来，经过四分之一波片到达DLP芯片，包括：所述线偏振光从所述衍射光栅反射出来，经过第二准直透镜进行准直；准直后的线偏振光经过所述四分之一波片到达所述DLP芯片。

进一步地，所述分束器为偏振分束器。

本发明还提供了一种提高消光比的装置，包括分束器、衍射光栅、四分之一波片及DLP芯片；所述分束器的输入端口接收来自光源发射的光；所述分束器的输出端口对向所述衍射光栅；所述四分之一波片在所述衍射光栅的反射光路上；所述DLP芯片在所述四分之一波片的透射光路上。

进一步地，还包括：第一准直透镜；所述第一准直透镜在所述光源和所述分束器之间，将由所述光源发出的散射光转换成平行光射入所述分束器。

进一步地，还包括：第二准直透镜；所述第二准直透镜在所述衍射光栅和所述四分之一波片之间，将由所述衍射光栅反射的光转换成平行光射入所述四分之一波片。

进一步地，还包括：吸收板；所述吸收板在所述DLP芯片的反射光路上。

进一步地，所述分束器为偏振分束器。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的提高消光比的方法及装置，基于DLP芯片的全数字化可编程调谐中心波长和带宽的特点，通过分束器和四分之一波片相互配合，使光两次经过四分之一波片，改变返回光的偏振态，返回光到达分束器并被反射输出，从而实现了滤波的功能。而由于光路中的各种光学器件的反射光以及杂散光不满足偏振相关性，被分束器直接透射，不会随返回光一起反射输出，此时滤出信号光和杂散光的比值，就会变大，从而提高了消光比。

附图说明

图1为DMD的工作原理图；

图2为本发明实施例提供的提高消光比的方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的提高消光比的装置的结构示意图；

图4为偏振分束器的工作原理图；

其中，1-宽谱光源，2-第一准直透镜,3-偏振分束器，4-衍射光栅，5-第二准直透镜,6-四分之一波片，7-DLP芯片，8-吸收板，9-数据线，10-电脑。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的提高消光比的方法及装置的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

本发明实施例提供的提高消光比的方法及装置的原理是基于DLP芯片的全数字化可编程调谐中心波长和带宽的特点，光在传输过程中两次经过四分之一波片，改变返回光的偏振态。返回光到达偏振分束器并在膜层被反射输出，从而实现了滤波的功能。而由于光路中的各种光学器件的反射光以及杂散光不满足偏振相关性，被偏振分束器直接透射，不会随返回光一起反射输出，此时滤出信号光和杂散光的比值，就会变大，从而提高了消光比。

其中，DLP芯片的核心部件是DMD。参见图1，DMD相当于大型光开关阵列，每一个微镜相当于一个像素点，有“ON”和“OFF”两个状态。“OFF”状态对应微镜-12°位置，此时反射的光被吸收板吸收，这个像素点就是黑暗部分；“ON”状态对应微镜+12°位置，此时反射的光沿原光路返回，这个像素点就是明亮有光输出的部分。在微镜阵列上，所有“ON”状态的微镜反射的光组成返回光，所有“OFF”状态的微镜反射的光被吸收板吸收。

参见图2，本发明实施例提供的提高消光比的方法，包括：

将光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅；具体地，将自然光经过第一准直透镜进行准直；将准直后的自然光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅。进一步，将准直后的自然光以45度角经过分束器的介质膜输出线偏振光，并入射到衍射光栅。

线偏振光从衍射光栅反射出来，经过四分之一波片到达DLP芯片，且线偏振光的振动方向与四分之一波片的快轴的夹角成45度；具体地，线偏振光从衍射光栅反射出来，经过第二准直透镜进行准直；准直后的线偏振光经过四分之一波片到达DLP芯片。

返回光由DLP芯片反射出来，经过四分之一波片到达衍射光栅；

返回光从衍射光栅反射出来，经过分束器射出。

其中，分束器为偏振分束器。

参见图3，本发明实施例提供的实现图2所示方法的装置，包括：分束器、衍射光栅4、四分之一波片6、第一准直透镜2、第二准直透镜5、DLP芯片7、数据线9及电脑10；分束器的输入端口接收来自光源发出的光；分束器的输出端口对向衍射光栅4；四分之一波片6在衍射光栅4的反射光路上；DLP芯片7在四分之一波片6的透射光路上。DLP芯片7通过数据线9与电脑10连接。具体地，第一准直透镜2在光源和分束器之间，将由光源发出的散射光转换成平行光射入分束器。第二准直透镜5在衍射光栅4和四分之一波片6之间，将由衍射光栅4反射的光转换成平行光射入四分之一波片6。

为了减少装置中杂散光的干扰，以提高返回光与其他杂散光的比值，从而提高消光比。将吸收板8设置在DLP芯片7的反射光路上，用来吸收DMD反射的不需要的光。

其中，光源为宽谱光源1，分束器为偏振分束器3。

通过本发明实施例提供的方法及装置提高消光比的具体步骤如下：

1）在labview平台上，实现核心器件——数字微镜晶片（DMD）的驱动和控制。以每一列为一单元进行编程控制，使每列微镜具有相同的翻转状态，达到选择一定区域像素点的目的。

2）宽谱光源1的出射光线的偏振度低于5%，可近似看做自然光。自然光可以看成是两个光矢量互相垂直、大小相等、相位无关联的线偏振光。

入射光经第一准直透镜2准直后，垂直于偏振分束器3（PBS）表面、以45°角入射到多层介质膜上，经膜层的反射与折射，将它们分成反射光S和透射光P，两光垂直于棱镜表面以分开90°方向出射，见图4。

入射光偏振态无改变的通过衍射光栅4和第二准直透镜5后，照射到四分之一波片6上。由于衍射光栅4、准直透镜、DMD表面均为玻璃材质，不改变光的偏振态，因此在光路中只有四分之一波片6和偏振分束器3对透射光P的偏振态造成影响。入射到四分之一波片6的线偏振光将变成圆偏振光或托圆偏振光，同时产生相位差

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}|n_o-n_e|d=\frac{\mathrm{\π}}{2}(2m+1)$

其中，n_o和n_e是o光和e光相应的折射率，d为波片厚度，m可以为任意非负整数，λ为对应光波长，也就是说四分之一波片6是波长敏感器件。而采用的零级四分之一波片6可以保证在一定波长范围内由波长变化引起的相位延迟近似不变化。

四分之一波片6的一部分的透射光被DLP芯片7反射回四分之一波片6形成返回光T。而另一部分的透射光则被DLP芯片7反射到吸收板8进行收集。具体地，电脑10编程控制DLP芯片7中DMD上的微镜翻转。DLP芯片7中DMD收到来自电脑10的输入信号后，不同位置的微镜有不同的翻转状态，相同状态微镜处的光反射到相同的角度，在四分之一波片6收集“ON”状态的返回光T实现滤波，实现不同波长和带宽的光的可调谐。

返回光T到达衍射光栅4，并被反射回偏振分束器3。

需要说明的是，在本实施例中，需要预先设置四分之一波片6的角度，使光矢量振动方向与四分之一波片6的快轴夹角θ=45°，即可实现入射光P与返回光T振动方向彼此正交。因此，将透射光P看做光矢量与x轴成θ角的单色平面波，对于其他C+L波段光同样具有参考价值。则透射光P的琼斯矢量可记为

$\stackrel{\→}{E_p}=\left[\begin{array}{c}\widetilde{E_x}\\ \widetilde{E_y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{a}_1\exp \left({\mathrm{i\α}}_1\right)\\ a_2\exp \left({\mathrm{i\α}}_2\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，为偏振分束器3的透射光P的矢量，为透射光P的矢量的x轴复分量，为透射光P的矢量的y轴复分量，a₁为x轴复分量的振幅，a₂为y轴复分量的振幅，α₁为x轴复分量的初相，α₂为y轴复分量的初相；

将式（1）归一化， $\widetilde{E_x}=a_1\cos \mathrm{\θ},$ $\widetilde{E_y=a_1\sin \mathrm{\θ}},$ ${\left|\widetilde{E_x}\right|}^2+{\left|\widetilde{E_y}\right|}^2=a_1^2.$ 则归一化后的琼斯矩阵为

$\stackrel{\→}{E_p}=\frac{1}{a_1}\left[\begin{array}{c}{a}_1\cos \mathrm{\θ}\\ a_1\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(2\right)$

快轴在x方向的四分之一波片6的琼斯矩阵为

$\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right]---\left(3\right)$

透射光P两次经过四分之一波片6，则返回光T返回到偏振分束器3上的偏振态为

$\stackrel{\→}{E_t}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

$\stackrel{\→}{E_t}=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(4\right)$

比较和可知，最终返回到偏振分束器3的光矢量是与透射光P的偏振方向成2θ角度的线偏振光。返回光T在经过偏振分束器3时将在膜层处反射，而不满足此偏振相关性的反射光和杂散光将直接透射偏振分束器3，也就是说，滤出信号光和杂散光的比值会变大，从而实现了提高消光比的效果。

3）利用铝制板做底，玻璃封盖，盖角处留有一个输入端和一个输出端，实现样机研制。

本发明实施例提供的提高消光比的方法及装置，基于DLP芯片7的全数字化可编程调谐中心波长和带宽的特点，通过偏振分束器3和四分之一波片6相互配合，使光两次经过四分之一波片6，改变返回光T的偏振态，返回光T到达偏振分束器3并在膜层被反射输出，从而实现了滤波的功能。而由于光路上的各种光学器件的反射光以及杂散光不满足偏振相关性，被偏振分束器3直接透射，不会随返回光T一起反射输出，此时滤出信号光和杂散光的比值，就会变大，从而提高了消光比。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种提高消光比的方法，其特征在于，包括：

将光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅；

所述线偏振光从所述衍射光栅反射出来，经过四分之一波片到达DLP芯片，且所述线偏振光的振动方向与四分之一波片的快轴的夹角成45度；

返回光由所述DLP芯片反射出来，经过所述四分之一波片到达所述衍射光栅；

所述返回光从所述衍射光栅反射出来，经过所述分束器射出；

其中，所述分束器为偏振分束器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅，包括：将自然光经过第一准直透镜进行准直；将准直后的自然光经过所述分束器输出所述线偏振光，并入射到所述衍射光栅。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将准直后的自然光经过分束器输出线偏振光，并入射到衍射光栅，包括：将所述准直后的自然光以45度角经过所述分束器的介质膜输出所述线偏振光，并入射到所述衍射光栅。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述线偏振光从衍射光栅反射出来，经过四分之一波片到达DLP芯片，包括：所述线偏振光从所述衍射光栅反射出来，经过第二准直透镜进行准直；准直后的线偏振光经过所述四分之一波片到达所述DLP芯片。

5.一种提高消光比的装置，其特征在于，包括分束器、衍射光栅、四分之一波片及DLP芯片；所述分束器的输入端口接收来自光源发射的光；所述分束器的输出端口对向所述衍射光栅；所述四分之一波片在所述衍射光栅的反射光路上；所述DLP芯片在所述四分之一波片的透射光路上；其中，所述分束器为偏振分束器。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：第一准直透镜；所述第一准直透镜在所述光源和所述分束器之间，将由所述光源发出的散射光转换成平行光射入所述分束器。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：第二准直透镜；所述第二准直透镜在所述衍射光栅和所述四分之一波片之间，将由所述衍射光栅反射的光转换成平行光射入所述四分之一波片。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：吸收板；所述吸收板在所述DLP芯片的反射光路上。