CN1145817C - 用于光通信中的动态光耦合器 - Google Patents

Abstract

一种用于光通信中的动态光耦合器，包括由置于准直透镜组前焦面上的输入光纤组发射的光束经过准直透镜组准直后，再通过置于准直透镜组后焦面上和会聚透镜前焦面上的由二个互补的正负位相板构成带移动器的位相板后，经会聚透镜会聚在置于会聚透镜后焦面上的输出光纤组上。位相板具有偶数型达曼光栅的特性。通过半周期的位移，就可以实现分束与并束的转换。因此具有动态的分束和合束的双重功能，使用方便，体积小，重量轻，作为开关比在先技术中的机械光开关速度快，在光通信的发展应用上有着重要的应用价值。

Description

用于光通信中的动态光耦合器

技术领域：

本发明涉及一种用于光通信中的动态光耦合器，特别是涉及一种基于微小衍射光学元件的适合于较大数目的动态光耦合和光分束。

背景技术：

随着科学技术的发展，人们对通信容量有不断增长的巨大市场需求。光纤通信以其高速、大容量、保密性好、低成本等优点，超越了传统的电缆通信，是二十一世纪通信技术发展的方向。光在光纤中能以光速高速传输信息，采用密集波分复用技术可以在一根光纤中传输多路信息，目前由电子学来处理高速、大容量的光信息已成了光通信技术发展的瓶颈，因此，如何实现一路到多路及多路到一路的动态光耦合技术，是目前光通信中最需要的基本功能之一，成为解决光通信技术发展瓶颈的关键问题。

光通信中的光交换技术是目前光纤通信技术中最需要的基本功能，目前光通信中的分束多数是光线拉锥结构，熔融结构，可方便的实现两个光纤的合束，其优点是设计结构简单，便于加工制造，缺点是熔融拉锥结构数目不宜很大，完全不适合于大数目的光纤的合束与分束。

衍射光学元件具有体积小、重量轻的优点，非常适合于在光通信开关中使用。在先技术[1](参见J.J.Pan and T.Zhu，″1×N fiber coupler employingdiffractive optical element″，Electronics Letters 35，No.4，324-325(1999))曾提出用衍射光学元件实现1×N光纤耦合结构，但他们并没提出动态光耦合的结构，而且它的结构只能实现分束功能，并不能实现并束功能，也不能实现分束与并束之间的转换。

发明内容：

本发明基于偶数型达曼光栅的内在结构，即半周期的π位相反转特性，提出一种具有开关型分束器与耦合器功能的动态光耦合器，即本发明的器件既可实现分束功能，又可实现多光束的合束功能。

如图1所示，本发明的动态光耦合器包括输入光纤组1，准直透镜组2，由两个互补的正位相板301和负位相板302构成的位相板3，会聚透镜4和输出光纤组5。其中输入光纤组1放置在准直透镜组2的前焦面上，位相板3置于准直透镜组2的后焦面上，也是会聚透镜4的前焦面上，输出光纤组5置于会聚透镜4的后焦面上。正位相板301或者负位相板302带有移动器6。

所说的构成位相板3的两个互补的正位相板301和负位相板302的位相是0和π，或者是0和π/2。

其中移动器6是推动两正负位相板301、302之间的相互移动，正负位相板301和302之间无移动时，相当于一个普通的二值位相达曼光栅，来自输入光纤组1的光束经过准直透镜组2准直再经过位相板3和会聚透镜4后，将被均匀相等地衍射到输出光纤组5中。当移动器6推动负位相板302(或301)移动半个周期后，正负位相板301与302的位相之和为零，因此，来自输入光纤组1的光将全部地被会聚透镜4收聚到放在会聚透镜4焦点处的输出光纤组5的一根光纤中，实现了合束的功能。

下面简单地介绍一下达曼光栅的特性，以及如何利用达曼光栅的特性实现本发明的功能。有关达曼光栅的设计细节可参阅在先技术[2](Changhe Zhou，and Liren Liu，″Numerical study of Dammann array illuminators″，Appl.Opt.34，5961-5969(1995))。

达曼光栅的考虑过程是：对于一个矩形单元的透过率分布为

$t_k\left(x\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{x-(x_{k+1}+x_k)/2}{x_{k+1}-x_k}\right)----\left(1\right)$

其中x为位相变换点的距离，x_k为第k个位相变换点的距离，x_k+1为第k+1个位相变换点的距离。那么其付立叶变换则为

其中α_k＝2nπ x_k，n为达曼光栅的衍射级次，α_k为第k个位相变换点在第n级衍射级次上对应的相位角。

总的谱点强度可表示为：

$I_n=\left(\frac{1}{2\mathrm{n\π}}\right)[{{\left(P_n\right)}_R}^2+{{\left(P_n\right)}_I}^2]----\left(3\right)$

其中I_n为达曼光栅第n级衍射级次上的光强度，

${\left(P_n\right)}_R=\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k(\sin {\mathrm{\α}}_{k+1}-\sin {\mathrm{\α}}_k)$

$=2\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{k+1}\sin {\mathrm{\α}}_k-\sin 2\mathrm{n\π}$

${\left(P_n\right)}_I=\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k(\cos {\mathrm{\α}}_{k+1}-\cos {\mathrm{\α}}_k)----\left(4\right)$

$=2\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{k+1}\cos {\mathrm{\α}}_k-\cos 2\mathrm{n\π}-1$

其中(P_n)_R为所有位相变换点在第n级衍射级次上实数部分强度的总和，(P_N)_I为所有位相变换点在第n级衍射级次上虚数部分强度的总和。式(3)可简化，对于零级谱点强度为：

$I_0={[1+2\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{x}_k]}^2----\left(5\right)$

其中I₀为零级谱点上的光强度。对非零级谱点强度为

$I_n={\left(\frac{1}{\mathrm{n\π}}\right)}^2\{{\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{\sin \mathrm{\α}}_k\right]}^2+{[1+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{\cos \mathrm{\α}}_k]}^2\}----\left(6\right)$

对于奇数阵列照明器，衍射效率定义为：

$\mathrm{\η}=I_0+2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i----\left(7\right)$

对于偶数阵列照明器，衍射效率定义为：

$\mathrm{\η}=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{2i-1}----\left(8\right)$

偶数型达曼光栅具有这样的特点，即前半周期的位相分布精确地等于后半周期的位相分布的π位相反转：

                (x_k+d/2)＝(x_k)+π                    (9)如图2所示。利用这一特性，本发明提供两种实现动态耦合与并束的构成。

对于第一种构成的两个正负位相板的位相为0和π，其中正位相板301的位相分布为：

如图3(a)所示，其中k＝1，2，…K。x_k＝0.5对应的是半个周期，x＝1.0对应的是一个周期。另一个负位相板302的位相分布为：

如图3(b)所示，其中k＝1，2，…K。通过这二个正负位相板301，302之间半周期的位移，实现分波与合波的开关转换。二个正负位相板301、302相当于两个位相光栅301，302，当它们的位移为零时，

总的位相之和正好是偶数型达曼光栅的分布，因此实现了分束器的功能。

当二个正负位相板301，302之间有半周期的位移后，其总的位相分布为：

总的位相差为零。所有经准直透镜组2准直的光束经过这样的位相板后，由于位相板的总位相差为零，将只有会聚透镜零级谱点(即焦点)上有光强分布，即所有来自输入光纤的光束被会聚到放在会聚透镜零级谱点上的输出光纤上，实现了合波器的功能。

对于第二种构成两个正负位相板301、302的位相是0和π/2时，如图4所示。相当于将传统的达曼光栅均匀地分割成两个(0，π/2)位相分布完全相同的光栅301，302，如图4所示，这两个正负位相板分布均为：

其中_DAM(x_k)为普通达曼光栅的位相分布。当这两个位相光栅301，302位移为零时，总的位相分布即为传统的达曼光栅，来自输入光纤的光经准直透镜组2准直后，就会被其均匀地分成多束光，以便耦合到输出光纤组5中，实现了分束的功能。当这两个位相光栅301，302精确地相互位移半个周期后，由于偶数型达曼光栅半周期的反转特性，这时两个位相光栅的位相之和为零，

$=0$

因此，来自输入光纤组1的光就无偏转地通过，并被会聚透镜收集到放在焦点处的输出光纤上。

以上两种结构是利用了偶数型达曼光栅的分布特性，即半周期的π位相反转特性，将传统的达曼光栅分成两个互补的位相光栅301，302，当这两个位相光栅301，302之间的位移为零时，都能实现传统的达曼光栅的功能，即分束的功能；当这两个位相光栅301，302精确地位移半个周期后，由于这两个位相光栅301，302的互补性，总的位相差为零，因此，光束可无偏折地通过，来自输入光纤组1的所有光束都被会聚到一个放置在会聚透镜4的焦点上的输出光纤中，即实现了合束功能。这两种构成的比较见表1。本发明的意义就在于实现了动态的光耦合技术，即可实现分束功能，也可实现合束功能，这是在先技术所不具备的。

用于密集波分复用技术中，一根光纤中可以传输多个波长的信道，波长的不同会导致以下两种误差。第一种误差是正负位相板301和302对应不同波长引起的位相误差。位相板上的物理调制深度是不变的，因此波长的不同对应位相是不同。可以把位相板精确地制造成是对于某个中心波长(例如中心波长信道1550nm)的精确的π位相调制。当光纤中传输信号的波长为1570nm时，这就对应了偏离π位相的误差，则此时各谱点的强度可由下式计算：

$I_0={[1+2{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{x}_k]}^2----\left(16\right)$

$I_n={\left(\frac{\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{\mathrm{n\π}}\right)}^2\{{\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{\sin \mathrm{\α}}_k\right]}^2+{[1+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{\cos \mathrm{\α}}_k]}^2\}----\left(17\right)$

式(16)中，θ为偏离π位相的角度。对于偶数型达曼光栅阵列照明器，则有：

$I_0={\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}----\left(18\right)$

$I_n={\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}p\left(n\right)----\left(19\right)$

波长的不同对应的线性位相变化量为：

$\mathrm{\θ}=\frac{1570-1550}{1550}\mathrm{\π}=\frac{2}{155}\mathrm{\π}----\left(20\right)$

将此值代入上式(18，19)，可得：I₀＝0.0004，I_n＝0.999p(n)，即中心谱点强度仅增加了不到千分之一，各级谱点强度的均匀地减小了千分之一。这一影响相对其它误差影响是很小的。由此可以看出，波长的不同对均匀性及衍射效率的影响是非常小的。

第二种误差为波长的不同将导致通过位相板衍射光衍射角的不同。例如：对于位相板3的周期d＝500μm，焦距f＝50mm，输入光纤组1输出光的波长λ＝1550nm，偶数级谱点的间距为155μm，当入射光波长变化为1570nm时，偶数级谱点间的间距为157μm，这相当于对于λ＝1570nm的衍射光束来讲，在输出平面上衍射中心仅移动了2μm。考虑到光纤芯径有90μm，中心光斑2μm的移动量是很小的，因此本发明动态光耦合器对于密集波分复用是可以采用的。

本发明最主要结构上与在先技术的不同是：在先技术中是一块位相板，而本发明是采用二块互补分布的正负位相板，并且正或负位相板带有移动器，实现这二个位相板之间的移动，以实现动态的分束与合束的功能。

由于本发明采用的偶数型达曼光栅的特点，半周期较小的位移就可以实现分束器和合束器的转换，较小的位移就可以实现光束的分束与合束的开关功能，所以体积小，重量轻，能耗省，比起在先技术中的机械光开关控制简单，速度快，由于位相板的制造工艺是和大规模集成电路技术相兼容的技术，因此，可大批量复制生产，成本会降低，有明显的优越性。特别是对未来发展的中大规模的光交换阵列(例如：8×16，16×32等)，目前的机械光交换技术较难实现时，本发明就有明显的优越性，有特别重要的使用价值。

与在先技术[1]相比，本发明有如下特点：本发明的动态光耦合器提供了分束和合束的双重功能，在先技术只能提供分束的功能，不能提供合束的功能。本发明的核心在于充分地利用了偶数型达曼光栅的半周期π位相反转特性，将偶数型达曼光栅分割成二个位相反转的光栅，通过半周期的位移，实现了分束与合束的转换。由于光交换技术(包括分束与合束)是未来光通信发展的关键核心技术之一，因此，本发明提出的开关型分束与合束的结构将有重要的应用价值。

需要指出的是，并不是可实现任意数目的达曼光栅均可分为两个互补的位相光栅，根据二值位相分布达曼光栅结构，只有偶数型的达曼光栅具有半周期π位相反转的特性，才能按照本发明的结构分成两个互补的位相光栅。奇数型的达曼光栅由于不具备半周期的π位相反转特性，因此不能被本发明的结构分成二个互补的位相光栅，这也就是说，本发明的结构只能实现偶数型的光纤输出阵列，这一问题是理论上的限制，而不是实用中的限制。对奇数型输出阵列的最简单的解决方法就是增加一路输出，使其成为偶数输出阵列，而将输出光纤阵列中信噪比最差的一路不用即可。

本发明完全可以排列成二维的形式，将一维达曼光栅十字交叉就可以排列成二维达曼光栅。采用二维编码形式就能实现将输入光纤中的光动态耦合输出到二维输出光纤阵列中，实现二维分束的功能；沿X轴(或Y轴)半周期的位移后，等效于总的位相差为零，因此，输入光纤组中的光束就全部地耦合到放在会聚透镜中央零级的一根光纤中，实现了二维合束的功能。

附图说明：

图1为本发明动态光耦合器的结构示意图。

图2为偶数型达曼光栅的位相分布图。为了图示半周期π位相反转的方便，将位相值分布标为(π/2，-π/2)，这完全等效于邻域位相差为(0，π)。

图3为本发明第一种位相板的构成，图3(a)，图3(b)分别为正负位相板301，302单个周期内位相分布的示意图。

图4为本发明第二种位相板的构成。

具体实施方式：

如图1所示的结构。

由1×4的输入光纤组1中发射的1550nm的光束经准直透镜组2准直后，照在位相板3上，经过位相板3衍射后，在会聚透镜4的后焦面上耦合到输出光纤组5中。光纤的纤芯直径为250nm，位相板3的参数：周期为d＝500μm，光栅面积为20mm×20mm，为1×16达曼光栅，由二元光学工艺技术制造，其中一个周期内的位相变换点的具体参数见表2。模板由电子束或其它制版技术做成。在玻璃基底上涂上光刻胶，经匀胶、曝光、显影后，就可将模板上的图案转移到光刻胶上。利用湿化学腐蚀工艺和高密度等离子刻蚀工艺，就可在玻璃基底上刻蚀出所需的π/2位相深度的达曼光栅301和302。移动器6无移动时，所有来自输入光纤组1中的光都被均匀地衍射到1×16输出光纤组5中，每路输出光纤都可同时接收到1×4输入光纤组任意一路的信号。这就是实现了分束的功能。当移动器6推动负位相板302移动半周期250μm后，所有来自输入光纤组1中的光都被收集到中央零级的输出光纤上，旁边其它输出光纤收集不到来自输入光纤组1的光，因此这就是完成了合束的功能。

表1  实现本发明的二种构成的比较。

	位相分布	模板数
			构成1	0，π	2
构成2	0，π/2	1

                        表2  1×16达曼光栅的一个周期(500μm)内的位相变换点的具体数值。

X0	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9
										0	70.415	87.845	110.735	133.5	178.255	197.68	219.67	226.175	250.0

X10	X11	X12	X13	X14	X15	X16	X17	X18
									320.415	337.845	360.735	383.5	428.255	447.68	469.67	476.175	500.00

Claims (2)

1.一种用于光通信中的动态光耦合器，包括准直透镜组(2)，置于准直透镜组(2)前焦面上的输入光纤组(1)，有会聚透镜(4)和置于会聚透镜(4)后焦面上的输出光纤组(5)，其特征在于在准直透镜组(2)的后焦面上，会聚透镜(4)的前焦面上置有由两个互补的正位相板(301)和负位相板(302)构成的位相板(3)，正位相板(301)或者负位相板(302)带有移动器(6)。

2.根据权利要求1所述的用于光通信中的动态光耦合器，其特征在于所说的构成位相板(3)的两个互补的正位相板(301)和负位相板(302)的位相是0和π，或者是0和π/2。

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