CN1300967C - 由二氧化碲声光可调谐滤波器构成的动态可调谐光分插复用器 - Google Patents

Abstract

该发明涉及一种由二氧化碲声光可调谐滤波器构成的动态可调谐光分插复用器。本光分插复用器由一个偏振分束器、两个结构和性能相同的声光滤波器、偏振变换器以及光纤组成。其中二氧化碲声光可调谐滤波器的光束是以大角度入射制成的，入射角度为60°～75°；互作用长度大于4.5cm。此时，滤波器可获得小于0.4nm的线宽；器件受晶体旋光性的影响较小，光的偏振状态可基本保持不变。同时具有较低的驱动功率和较高的衍射效率，理论计算值分别为180mw和98%。器件在200nm的调谐范围内仍保持上述光通信用主要性能。

Description

由二氧化碲声光可调谐滤波器构成的动态可调谐光分插复用器

技术领域

本发明涉及一种新型的二氧化碲声光可调谐滤波器，可用作光通信中的可调谐滤波器使用及光分插复用器中的核心器件。

背景技术

通信用声光可调谐滤波器是近十多年来发展起来的一种新型器件，具有衍射效率较高、驱动功率较小、调谐范围大、动态可重构和可并行处理的特点。声光可调谐滤波器由一定切向的铌酸锂薄片或二氧化碲晶体通过机械切割的方式加工而成。

以往可用作光分插复用器的声光可调谐滤波器，所采用的基本结构分为集成器件和二氧化碲体器件。对于集成型器件，它是在X切铌酸锂基底上由叉指换能器、光波导、声波导和两个偏振分束器构成。输入光被第一个偏振分束器分成两个相互垂直的偏振态——TE模和TM模，以使器件工作不受光网络中偏振变化的影响，即实现偏振无关滤波。叉指换能器将施加的交变电压，通过逆压电效应产生沿Y轴传播的声表面波。沿声波导传播的声波对光波导中的折射率进行周期性调制，在相位匹配的条件下，两个光波导中的不同偏振模式发生相互转换：TE模转换为TM模；TM模转换为TE模。换能器上的驱动电压频率不同，调制的周期性不同，相位匹配条件不同，实现模式转换的光波长不同。第二个偏振分束器(复合器)将与声频率对应的光波长下路，实现波长的动态选择。具体结构如附图9所示。二氧化碲体器件的工作机制相当于模式变换器兼滤波器，它可实现o光和e光的变换，其可调谐滤波原理与集成型器件相似。但它的主要性能要受到光入射角的限制，并且器件的设计要满足非同向声光可调谐滤波器的切面平行动量匹配原则，因此增加了原理的复杂性和设计的灵活性。

集成型结构的优点是体积小，有较好的稳定性，所需驱动功率较低。但是它也有制作工艺复杂、单阶器件线宽不高(一般大于1nm)和旁瓣较高(十几个dB)的问题，而后两者将会使信号在0.8nm的信道间隔中产生串扰。声光可调谐滤波器产生旁瓣的原因，是由于声波作用后模式转换效率为sinc²函数所致。为了抑制旁瓣，目前采用的方法主要有下面三种：①结构的改变；如2001年俄国A.TSAREV改变了波导结构，如附图10所示。他利用多个微反射镜扩展光束，使工作的光传输区域与声光互作用区域分离，得到了无旁瓣、线宽为0.1nm的器件，但是该结构光损耗较大且工艺复杂。②对波导进行切趾加权；这是90年代美国和目前国内研究较多的降低旁瓣的方法。其中以1994年美国A.K-Roy通过相邻波导变隙，利用理想汉明函数进行加权的效果较好，旁瓣抑制达到-44.7dB(设计值)，但器件线宽较大，约3nm。实际上，该方法很难平衡线宽和旁瓣这对矛盾。③采用多个滤波器的级联结构。该方法对降低器件线宽有较好的效果，并且不会增加旁瓣。但是无疑会增加器件的驱动功率。

最初二氧化碲声光可调谐滤波器是用于光谱检测领域(滤光器)。虽然也是非同向声光互作用，但其光入射角大多较小。并且它所侧重的主要性能与通信用器件略有不同，如光谱分辨率，对于后者的要求一般比对前者的高；而对于测量范围，则是前者常大于后者。

上世纪90年代开始研究可用于光通信的准共线型二氧化碲器件，其结构如附图11所示。该器件的特点是通过设计器件结构，使其光束方向与声能方向一致，这可以使器件具有较小的驱动功率。它工作在[110]与[001]晶向组成的晶面内，其工作机制为：由换能器产生的声能，经光出射面反射后，声能方向会与入射光方向共线，之后由吸声体吸收。1999年C.D.Tran等人利用该结构器件，将调谐范围做到600nm(1.3～1.9μm)，这比集成器件要大得多。更重要的是，它获得的衍射光几乎没有旁瓣(小到可以忽略)。但对1.55μm中心波长，考虑准共线声和光入射角(101.2°，23.4°)，若取互作用长度为1cm且以e光为入射光，有Δλ≈9.8nm。C.D.Tran所作器件的线宽约为2nm，即其互作用长度应约为5cm。若想在1.4-1.6μm的整个通频带内达到光通信用器件0.4nm的线宽要求，互作用长度需要至少有26cm。准共线型二氧化碲器件要用于光通信领域，其器件体积会过大。

本发明的目的在于利用大角度非同向声光互作用得到衍射效率较高、调谐范围较大、线宽和驱动功率较小并且有良好偏振保持的、满足波分复用系统中光插分复用器件性能要求的二氧化碲声光可调谐滤波器。该器件将弥补集成器件的线宽较高的缺陷，以及解决准共线型二氧化碲器件体积过大的问题。从比较和优化的结果可知，光入射角在60°-75°范围内可以达到较理想的综合效果。器件结构见附图1，其中入射面与晶体[110]方向的夹角为72°，入射光垂直于该面入射。

发明内容

二氧化碲声光可调谐滤波器的光束和声束是以大角度入射制成的，入射角度为60°～75°。互作用长度大于4.5cm，滤波器获得小于0.4nm的线宽。光分插复用器是由一个偏振分束器、两个结构且性能相同的二氧化碲声光可调谐滤波器、两个3dB耦合器和偏振变换器以及光纤组成。

本发明是这样实现的：

首先，根据反常声光互作用理论和非同向声光可调谐滤波器切面平行动量匹配原则，光和声入射角间满足一个与材料性能无关的一一对应关系：

                    θ_a＝θ_i+arctan(2cotθ_i)

其中θ_a和θ_i分别为声和光束与晶体[001]晶向的夹角。该关系表明与一个声入射角匹配的光入射角有两个，一个较大一个较小。声波与晶体[110]晶向的夹角，即离轴角较大时会出现声光优值下降和短波长吸收等问题，所以一般该角度不大于108°(对于e光变o光的器件)或小于73°(对于o光变e光的器件)。以e光变o光的器件为例，光和声入射角的关系曲线如图3中实线所示。其次考虑器件偏振无关的要求，由于二氧化碲晶体具有旋光性，它将使工作在晶体中的o、e光的消光比下降，从而影响转换效率。当考虑旋光性时可以得到θ_i与θ_a的关系：

                           tanθ_a＝-X/Y

式中 $X=(n_e/n_o)[1-{(n_e/n_o)}^2-4A_e^2\mathrm{\δ}]+$

$[(1+2\mathrm{\δ})-{(n_e/n_o)}^2(1-2\mathrm{\δ})]\×{\{{(n_e/n_o)}^2+[(1+2\mathrm{\δ})+{(n_e/n_o)}^2(1-2\mathrm{\δ})]A_e^2+A_e^4\}}^{0.5};$

Y＝[(1+4δ)-(n_e/n_o)²(1-4δ)]A_e；A_e＝(n_o/n_e)tgθ_i；δ＝λ_oρ/2πn式中ρ为晶体的旋光率；n_e、n_o分别为e、o光折射率；用下式表示：

$n_e\left({\mathrm{\θ}}_i\right)={[{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i/n_o^2(1+\mathrm{\δ}{)}^2+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i/n_e^2]}^{-0.5};$

$n_o\left({\mathrm{\θ}}_i\right)={[{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i/n_o^2{(1-\mathrm{\δ})}^2+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i/n_o^2]}^{-0.5}$

对TeO₂，当光波长λ₀为1.55μm时，ρ≈14(°/mm)，作θ_a-θ_i的关系曲线，如图3所示，其中虚线为计入旋光性的结果；实线为忽略旋光性的结果。可以发现，光入射角在4°≤θ_i≤25°和60°≤θ_i≤90°的区域里，晶体旋光性影响不大；在光入射角为65°时，不存在旋光性。并且，在1.3-1.7μm的光谱范围内，该结果基本不变。第三，从器件线宽的方面看，该指标与声光互作用长度L、调谐范围以及入射角有密切的联系，有理论表达式：

$\mathrm{\Δ\λ}=0.9{\mathrm{\λ}}_0^2/\mathrm{\ΔnL}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i$

由于线宽与光波长的平方呈正比，所以从其长波长端(1.65μm)考虑，线宽与互作用长度以及光入射角间的关系如图4所示。其中曲线1、2和3为互作用长度分别是4、4.7和5cm时，器件线宽随光入射角和光波长的变化情况。可以看出对一定的调谐范围，互作用长度越长，满足一定线宽要求的最小入射角越小(如0.4nm)；对一定的互作用长度，调谐范围越大所需最小入射角越大。第四，考虑衍射效率，工作在波分复用网络中的器件要求有尽可能小的损耗，即要求较高的衍射效率。根据声光互作用理论和非同向声光可调谐滤波器的设计原则，可得到其表达式是与互作用长度、动量匹配状态等有关的sinc²函数形式：

$\mathrm{\η}={\sin }^2\left[\mathrm{\ΓL}\sqrt{1+{(\mathrm{\Δ}{k}_1/2\mathrm{\Γ})}^2}\right]/[1+{(\mathrm{\Δ}{k}_1/2\mathrm{\Γ})}^2]$

式中Γ为耦合系数，有： $\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\π}{n}_i^2{n}_d}{4{\mathrm{\λ}}_0\sin {\mathrm{\θ}}_d}\·\mathrm{ps}.$ 其中n_i、n_d分别为入射和衍射光折射率；θ_d为衍射角，它是衍射光波矢和TeO₂[001]晶向的夹角；p为声光系数，s为与超声功率P_a有关的声致应变，两者间关系： $P_a=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}^3{\left|s\right|}^{2}A.$ 其中ρ为TeO₂密度；V为声速；A为换能器面积。Δk₁为动量失配量，有：

$\mathrm{\Δ}{k}_1=\frac{k_i}{2b_1}\{(1-\frac{n_d^2}{n_i^2})-2\frac{K}{k_i}\cos ({\mathrm{\θ}}_a+{\mathrm{\θ}}_i)+\frac{K^2}{k_i^2}\}$

式中k_i分别为入射光波矢；K为声波矢； $b_1=\sin {\mathrm{\θ}}_i+\frac{K}{k_i}\sin {\mathrm{\θ}}_a.$ 计算结果表明，以光入射角是72°为例，当换能器面积为1.5cm²，互作用长度5cm，所用功率为40mw时，衍射效率达到98％，此时中心频率约78.08MHz，旁瓣为-10db，如图5所示。在不考虑超声线宽影响且其它条件不变时，可得到以1.554μm为中心波长、调谐范围200nm的η-f_a间关系状况，如图6所示。可以发现在整个通频带内，衍射效率基本不变。这种频谱一致性对器件的多波长操作是有益的。第五，驱动功率对通信用声光可调谐滤波器来说是一项重要的性能。它是实现最大衍射效率时所需的声功率，可由相位匹配条件求得。根据推导出的驱动功率的数学表达式：

$P_a=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^{2}A{n}_d{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_d}{2M_2\left(\mathrm{\θ}\right)L^2{n}_i}$

式中θ为TeO₂晶体中声波矢的离轴角(与110晶向夹角)，M₂(θ)为相应的声光优值。由于波长平方与驱动功率成正比，所以在通频带范围内计算驱动功率时要考虑其长波长端(1.65μm)。在换能器面积为1.5cm²，互作用长度4.5cm时，可得到驱动功率与光入射角的关系，如图7所示。计算结果表明，在光入射角是63°时驱动功率有极大值，分析可知，决定该曲线形状的主要是声入射角和光入射角间的动量匹配关系。此外在该条件下，驱动功率小于180mw。第六，从器件的传统结构考虑，声能方向在其中起了重要作用。它不仅决定了互作用长度的大小，而且对互作用区域和器件尺寸有很大影响。由声能方向与换能器的夹角θ和光入射角的关系发现，在很大光入射角的范围内，满足切面平行动量匹配的声能方向是近似恒定的，约为33°，如图8所示。声能方向与换能器的夹角θ可由下式决定：θ＝(90°-θ_r)+(90°-θ_a)。式中(90°-θ_a)为晶体切角；θ_r为声能流的方向与[110]晶向的夹角，根据晶体声学的Christoffet方程，它可由下面的式子决定：θ_r＝Δ+

式中V_z＝2140(m/s)，V_t＝616(m/s)分别为该晶体在[001]和[110]方向超声波相速的实测值；＝90°-θ_a为声波矢与[110]方向的夹角；V()为相应方向的相速值。从图8可以看出，即使在75°也可有效的利用有限的晶体尺寸。

本发明具有三方面的优点，具体说明如下：

第一，利用大角度光入射，实现了光插分复用器的窄线宽要求。选用光束和声束以大角度入射而不是传统的小角度入射，在保证衍射效率和驱动功率符合波分复用器件损耗较小的基础上，降低了互作用长度，减小了器件的线宽。

鉴于光插分复用器件的调谐范围不必过大，取其上限为1.65μm，对光入射角在60°-75°，换能器面积1.5cm²，互作用长度大于4.5cm时，得到的线宽小于0.4nm，驱动功率小于180mw。

第二，利用60°-75°范围内的光入射角，使整个声光互作用过程与旋光性基本无关，满足了光插分复用器的工作要求。由于光纤系统的偏振态是不确定的，而为了有效实现某波长光信号的上/下路，必须要使进入滤波器的光的偏振态固定，再进行声光调制。二氧化碲晶体具有旋光性，该特性将使光信号的偏振态发生变化。对其旋光性的分析表明，光入射角在60°-75°附近光信号的偏振态变化很小，有利于提高器件消光比。

第三，避免了工艺的复杂性。利用二氧化碲体器件，便于采用比较成熟、简单的工艺，避开了集成器件为实现窄线宽要求而采用的多反射镜、加权、切趾等结构所导致的工艺复杂性。

附图说明

图1-大角度非同向二氧化碲体声光可调谐滤波器；

其中：1-是出射光面；2-是光束；3-是入射光面；4-是换能器；5-是声能流；6-是能流与换能器的夹角；7-是入射光面与晶体[110]晶向的夹角。

图2-用作OADM的系统示意图；

其中：8-是入射光束；9-是偏振分束器；10-是由9产生的或由偏振变换器11产生的o光；12-是由9产生的e光；13-是具有图1所示结构的二氧化碲声光可调谐滤波器；14-是由13产生的滤波信号(e光)；15-是由13产生的没有滤波的信号(o光)；16-是3dB耦合器；17-是没有滤波的信号(o光)；18-是滤波信号(e光)。

图3-旋光性对θ_a-θ_i关系的影响；

图4-器件线宽与光入射角和互作用长度的关系；

图5-衍射效率与声频率的关系；

图6-衍射效率与光波长的关系；

图7-驱动功率与光入射角的关系；

图8-声能方向与换能器的夹角和光入射角的关系；

图9-集成型声光可调谐滤波器；

图10-微反射镜型声光可调谐滤波器；

图11-准共线二氧化碲声光可调谐滤波器；

下面结合附图对本发明作进一步说明：图1中4和[001]晶向的夹角是晶体切角(90°-θ_a)，其中θ_a是由换能器产生的超声波波矢量与[001]晶向的夹角；7等于光入射角，即入射光波矢与[001]晶向的夹角。入射光应与入射面垂直。图2中两个二氧化碲声光可调谐滤波器(13)性能是相同的，两个3dB耦合器(16)性能也是相同的。

具体实施方式

从o光到e光变换的TeO₂AOTF，可实现作为OADM器件的较小线宽、偏振保持和较高衍射效率的要求。图2为系统结构示意图，其工作机制与集成AOTF既有相同之处，又有不同点。偏振分束器PBS将入射光分为o光和e光后，一条光路中以o光进入上面的TeO₂AOTF(13)，实现滤波和模式转换；另一路以e光进入偏振变换器(11)，将e光转换为o光，之后进入性能相同的下面的TeO₂AOTF(13)，同样实现滤波和模式转换；从两个AOTF(13)出来的滤波信号(14)为e光，3dB耦合器(16)分别将两路滤波信号和两路未滤波长信号(15)合并后下路或继续传输。此外，上、下两条光路应保证对称性和时延相等。

Claims (1)

1.一种由二氧化碲声光可调谐滤波器构成的光分插复用器，其特征在于，

(a).二氧化碲声光可调谐滤波器的光束是以60°～75°的入射角制成的；

(b).声光互作用长度大于4.5cm，滤波器获得小于0.4nm的线宽；

(c).由二氧化碲声光可调谐滤波器构成的光分插复用器是由一个偏振分束器、两个结构和性能相同的二氧化碲声光可调谐滤波器、两个3dB耦合器和偏振变换器以及光纤组成，其连接关系的技术特征是：首先由偏振分束器PBS将入射光分为o光和e光，一条光路中以o光进入上面的TeO₂AOTF(13)，实现滤波和模式转换；另一路以e光进入偏振变换器(11)，将e光转换为o光，之后进入性能相同的下面的TeO₂AOTF(13)，同样实现滤波和模式转换；从两个AOTF(13)出来的滤波信号(14)均为e光，3dB耦合器(16)分别将两路滤波信号和两路未滤波信号(15)合并后下路或继续传输，此外，上、下两条光路应保证对称性和时延相等。

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