CN1302304C - 滤光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波长选择光学器件，用于透过集中在一个波长附近的窄光谱带的光并反射波长处于此光谱带以外的光。所述器件包括输入波导(2)，用于将光辐射(3)传导到可调谐滤光器(1)，输入波导(2)将辐射(3)传导到滤光器(1)以执行通过滤光器(1)的第一次通过。所述器件包括返回装置(6)，用于将第一次通过过程中被滤光器(1)反射的辐射(3)的第一部分(4)返回，以执行通过滤光器(1)的第二次通过。
Description
技术领域
本发明涉及选择波长的光学器件，用于透射集中在一个波长附近的窄光谱带的光，并反射波长在此光谱带以外的光。可以提供通过电子装置对窄光谱带中心波长的调节。
背景技术
“光”这个词有着广泛的含义，特别是包括处于红外的光谱带，如同下面将要看到的，本发明的一个主要应用是过滤在1.3到1.61微米之间的各个光纤通信带中的光。
1.3到1.61微米光谱带的优点来自于这个事实，当前由玻璃制造的光纤具有低的衰减，因此光信号可以在非常远的距离上传输。在下面的描述中，将参考这个特定的光谱带解释本发明，但应该理解的是，如果需要，通过使用适合于这些不同光谱带的材料，本发明可以应用到其它光谱带。
在光纤通信网络中，包括多根光纤的光缆可以用于产生多个不同的传输通路。为了达到相同的目的，也可以使用信息的时分多路复用。但考虑到网络信息传输容量的进一步增加，当前的趋势是，对于多个光波长，彼此单独调制并且每个形成一个信息通路，在同一根光纤中同时传输。ITU(国际电信联盟)标准692提出了具有100GHz光谱带宽的邻通路定义，这个带宽集中在N个相邻标准化光频率上，这些值是200THz、199.9THz、199.8THz等等，对应于从1.52微米到1.61微米的N个波长。在此带宽的通路上可以进行每秒10到40千兆位的光调制，而紧相邻的光谱带之间干扰的风险不大(为了使此调制占据的通频带最小，使用Gaussian形的调制脉冲)。这种频分多路复用技术称为DWDM，代表“密集波长除法多路复用(Dense Wavelength Division Multiplexing)”。
因此在电信网络中存在的问题是，能够收集对应于预定通路的光，而不扰动相邻通路的光。在网络的传输节点上，例如，分配用于发送和接收有关通路i的信息，就需要能收集中心频率Fi(波长λi)的光，而不阻碍调制中心频率F1到FN的光传输，即使这些光的频率彼此非常接近。
为了达到这个目的，需要制造一种滤光器件，它具有光波长的高选择性，并能传输中心光频率Fi以及在此频率两侧小于50GHz的窄光谱带内的频率，并阻止其它频率。只有通路i的光在这种过滤器的输出端被收集，并且可被解调以收集有用信息，或者将其发送到网络的另外分支。
已经提出了制造在Fabry-Perot干涉仪的原理下工作的过滤器件，其通过沉积由气隙彼此分开的半导体层而制造，厚度是根据将被选择的波长λi校准的。实际上，干涉仪包括两块由高反射系数的层叠介质层制成的镜子(布拉格镜)，它们由光学厚度为k.λi/2的透明区(如果此区域为气隙，则实际厚度为k.λi/2)分隔，这里的k是一个整数，定义为干涉计滤光器的数量级。磷化铟(InP)非常适合于这些例子，特别是因为对被讨论波长的透明度、其非常高的折射率以及沉积具有很好控制厚度的外延层的可能性。
如果层的厚度以及层之间的间距非常好控制，并且如果材料具有高的折射率，则这样的滤光器具有高的选择性。
这样的例子参见下面的文章：A.Spisser等人，“Highly Selective 1.55micrometer InP/airgap micromachined Fabry-Perot filter for opticalcommunications”，发表于Electronics Letters，No.34(5)，p.453-454，1998。其它的例子，例如由微加工硅和基于砷化镓的合金制成，也已经提出。
由于过滤器件制造中的缺陷以及由于信号调制导致的光谱宽度，中心波长附近的一部分光被过滤器件反射，仅仅当这一部分光小于信号的1％时才是可接受的。因为这将是反射信号干涉的一个原因，特别是当主要在相同中心波长附近调制的置换辐射增加到被器件反射的辐射上时。为了用固定的过滤器件满足这种需要，可以使用两个滤光器，两个滤光器的排列使第一滤光器反射的辐射再被第二滤光器反射。
这种布置消除了器件的输出通路中集中在中心波长附近的残余光辐射，并且没有任何大的光学问题，因为这些过滤器件宽并由此以低孔径光束工作，大的瑞利长度允许路线折叠。
通路的中心波长是由标准(用于DWDM的ITU692)定义。在DWDM的情况下，当通路分离不超过它们的光谱宽度时，形成通路的每个光源，如激光，需要通过使用外源将ITU频率锁定在几个GHz的范围内。对于与少量通路的短距离通讯，经常使用另一个概念，其中通路被更加分离，例如，分开20nm(＝2500GHz)。后一个概念也由ITU692定义，其名称为“Coarse Wavelength Division Multiplexing”。间距明显大于，例如，激光发射频率的漂移和热起伏等。这些漂移具有几百GHz的数量级。由于可以避免频率强制同步的需求，因此使用不昂贵的激光也是可以的。当然取出的波长与置换辐射的波长之间也没有关系。使用具有入射波长跟踪的可调窄带滤光器，可以取出具有给定中心波长的辐射，但不可能将置换辐射注入仍空闲的通路中，因为滤光器对于置换辐射一般是不透明的。因此上述的原理难以实施，因为可以调到置换辐射的波长的第二滤光器将不排除集中在取出辐射的中心波长附近的其余光辐射。
因此问题在于发现一种结构，使得可以在多路复用器中使用具有波长跟踪的窄带可调谐滤光器，同时提供取出波长的好的拒斥以及置换波长的好的注入。
发明内容
本发明的一个目的是通过提供一种光过滤器件解决上述问题，所述光过滤器件通过同一可调谐滤光器产生双通。更准确地，本发明涉及一种光过滤器件，包括可调谐的和波长选择的滤光器，滤光器能透过集中在给定波长附近的窄光谱带的光，并能反射波长处于所述光谱带以外的光；以及将光辐射传导到滤光器的输入波导，其特征在于，输入波导将辐射传导到滤光器，用于执行通过滤光器的第一次通过，并且所述器件包括在第一次通过过程中将被滤光器反射的辐射的第一部分返回的装置，用于执行通过滤光器的第二次通过。
可调谐滤光器一般地具有比固定滤光器小得多的尺寸，固定滤光器设计集中在一个给定波长附近。
对于固定滤光器，即设计集中在一个给定波长附近的滤光器，通过为滤光器的每个输入使用一个波导以及为滤光器的每个输出使用一个波导实现双通。将这个例子直接应用于可调谐滤光器将产生与每个波导在空间定位有关的很多问题。本发明通过限制彼此定位的器件的数量解决这个问题。
应该注意到，辐射的第一部分是辐射的主要部分。更准确地，辐射包括多个通路，每一个集中在一个波长附近。滤光器可以取出一个通路，而反射其它的通路。这些其它的通路形成辐射的第一部分。
优选地，所述器件包括用于调谐给定波长的装置。换言之，本发明在滤光器是可调谐的情况下具有特别的优点。
附图说明
通过阅读以例子的方式给出的本发明实施例的详细说明，将更加清楚地理解本发明，并且其它优点也显现出来。附图图示了上述的说明，在附图中：
图1表示经过本发明光过滤器件的光路的例子；
图2、3、4表示用于产生返回装置的波导的例子；
图5表示返回装置与滤光器的排列；
图6表示在光过滤器件的输出处的置换辐射的注入。
具体实施方式
图1表示的光过滤器件包括波长选择滤光器1，它能传输窄光谱带中的光并能反射波长位于该光谱带以外的光。滤光器1例如是根据上述A.Spisser的文章制造。光过滤器件还包括将光辐射3传导到滤光器1以执行穿过滤光器1的第一次通过的输入波导2。在第一次通过之后，根据滤光器1的选择性，辐射3的第一部分4被滤光器1反射，同时辐射3的第二部分5透过滤光器1。光过滤器件还包括返回装置6。这些装置6收集辐射3的第一部分4，从而将其返回到滤光器1，用于执行第二次通过。在返回装置6的输出处，辐射3的第一部分4的光路由部分7组成。
光过滤器件包括第一输出波导和相关的聚焦装置，用于传导辐射3的第二部分5。辐射3的第三部分9在第二次通过过程中透过滤光器1。第三部分9构成辐射3的第一部分4的消除残余部分。光过滤器件还包括传导辐射3的第四部分11的第二输出波导10，其中第四部分11是在第二次通过滤光器1过程中由滤光器1反射的。辐射3的第四部分11是由第一部分4减去已经去除的第三部分9形成的。
有利地是，返回装置6以与输入波导相同的入射角将辐射3的第一部分4传导到滤光器1。
由滤光器1透过的光谱带的中心波长取决于辐射进入滤光器1的方向或入射角。换言之，入射角相等就可以使滤光器对于两次通过滤光器保持相同的传输功能。因此，可以理解辐射3与在其路线7过程中的第四部分4的相等入射角所提供的优点。
当然，入射角相等仅仅是在制造误差的范围内。如果需要滤光器1的窄透射峰，则在两次通过过程中的入射角相等应该精确。例如，如果透射峰的半高宽为0.5nm，则可以接受的两次通过之间的最大漂移为0.1nm。对于垂直于滤光器1的入射附近的入射角，这对应于几个毫弧度的入射角变化。
为了合理地对准入射到滤光器上的辐射，器件优选包括输入波导2、返回装置6和第二输出波导10共用的对准装置。更具体地，器件包括透镜12，透镜12处于一端的滤光器1与另一端的输入波导2、返回装置6和第二输出波导10之间。
具有这种应用于光纤器件中的短焦透镜12(焦距为1mm大小)，就不容易使光纤处在一个平面中，例如，透镜12的焦平面，同时满足上述的入射角相等，因为光纤的直径太大。将光纤剥皮到中心也是可以的，但这使光纤处理时极其脆弱。下面描述的实施例的主题使得可以利用所有三个方向尺寸克服这个问题。
利用可以保证定位精度明显优于1微米的玻璃板照相平版印刷技术以及用于局部修改折射率的离子交换制造波长在1500nm数量级的波导是公知的，这种波导非常适合于光纤。特别是，如图2所示，制造埋在约10微米的深度并且彼此分开几十微米的两个平行波导是公知的。如图3所示，制造弯曲半径为5mm的曲线波导也是公知的，这使光束可以返回。这种返回的实现也可以通过将成45°的两个面抛光并且全反射(二面体)，如图4所示。
通过将图2所示的板与图3所示的板组装同时将这些波导叠加，就可以得到返回装置6。通过将图2所示的板与图4所示的板组装也可以得到相同的结果。接着就需要将返回装置6的波导的输入和输出端精确定位在透镜12的焦平面上。
有利地是，将返回装置6、输入波导2和第二输出波导10彼此不动地固定形成一个组件13，组件13具有一个与滤光器1相对的端面14。透镜12位于端面14与滤光器1之间。组件13例如是通过将已经形成波导的玻璃板粘结在一起而组装。粘结是在垂直于端面14的平面15上进行的。波导是在距平面15几十个微米处形成的，使波导彼此之间有好的隔离。如果在粘结之前在玻璃板的一个表面上，即形成平面15的表面上沉积一层不透明层，例如一层金属或填充树脂，将改善这种隔离效果。
优选地，透镜12是一个渐变折射率透镜，它被广泛地称为GRIN透镜。这种类型的透镜的优点是有两个平面。有利地是，可以选择透镜12，使其物体焦平面与透镜12的输入面重合。这使得例如可以利用显微镜将透镜12定位在组件13的端面14上，以透过透镜12观察端面14。
透镜12的定位是复杂的，可以按下述方式进行：
首先将透镜12(GRIN型或类似的类型)定位成沿包含在端面14的平面中的X轴和Y轴平移，接着通过机械装置相对于包含波导的组件13固定，同时以设计时相对于波导精确定位的组件13的那些表面作为基准。这种定位的公差可以优于大约10微米。以相同的方式，在固定透镜12之前，可以定位透镜12可在其中滑动的毛细管，以将透镜12定位成沿垂直X轴和Y轴的Z轴平移。
随后通过输入面2注入光束，滤光器1被定位成沿对准光束上的X轴和Y轴大致平移，同时通过光学装置例如通过红外摄像机观察滤光器1的后表面25。滤光器的后表面25位于接收辐射3的表面的相对侧。
为了搜索并优化接收到的信号，通过根据传统算法的有效对准，例如通过使用螺旋扫描，可以得到滤光器1分别绕X轴和Y轴旋转角θ和的取向。具体地，在滤光器1的第一反射后，输入波导2在透镜12焦平面的图像相对于经过透镜12中心的滤光器1的法线16与输入波导2对称，如图5所示。同样，考虑第二次通过滤光器1，将辐射3的第四部分4带到焦平面的返回装置6的输出18的图像17也相对于滤光器1的法线16与返回装置6的输出18对称。这个图表明，两次通过滤光器1的对准可以当作一次通过进行，因为没有额外的自由度。
当发现角θ和的最佳值时，沿X和Y方向搜索信号最大值，并将滤光器1固定。
有利地是，光过滤器件包括将置换辐射插入第二输出波导10的装置，其中置换辐射(replacement radiation)的波长基本集中在取出辐射(extracted radiation)的给定波长。换言之，器件包括将置换辐射插入取出辐射空出的通路中的装置。
插入波长接近于取出波长的置换辐射(但必须与其解相关，因为取出辐射和置换辐射的源是独立的，并且对它们的不同漂移没有控制)需要在第二输出波导10中的耦合器20。耦合器20容易在埋波导技术中制造，而这种埋波导技术已经在本发明中用于制造组件13的波导，如图6所示。在种技术在互联网网站“www.teamphotonics.com”的“waveguidetechnology”页面上有描述。
接着需要将输出光纤21有效地定位在耦合器20的输出上。
玻璃中光波导的技术也应用于掺稀土的玻璃，当它们被来自泵浦激光的较短波长激发时，可以放大光辐射。在D.Barbier于1998年发表的文章“Net Gain of 27dB with a 8.6cm-long Er-Yb-doped glass-planar-amplifier”中描述了这项技术，这篇文章也引用在互联网网站“www.teamphotonics.com”的“technical articles”页面上。
为了补偿器件的插入损失而不在路径上增加额外的光学器件，波导可以在掺稀土的玻璃中制造。为了达到这一目的，需要在器件的一个侧面上提供输入光学器件，将泵浦光束输送到辐射在其中循环的波导上，并且需要提供10cm大小的适合长度的共用路线。换言之，器件包括将滤光器反射的辐射放大的装置。
在这种情况下，需要注意的是，适当的反馈方案可以使用滤光器1的调谐装置，以从属泵浦功率，从而保证取出辐射的恒定大小。
Claims (10)
1.一种光过滤器件，包括可调谐的和波长选择的滤光器(1)，滤光器(1)能透过集中在给定波长附近的窄光谱带的光，并能反射波长处于所述光谱带以外的光；以及将光辐射(3)传导到滤光器(1)的输入波导(2)，其特征在于，输入波导(2)将辐射(3)传导到滤光器(1)，以执行通过滤光器(1)的第一次通过，并且所述器件包括返回装置(6)，用于将第一次通过过程中被滤光器(1)反射的辐射(3)的第一部分(4)返回，以执行通过滤光器(1)的第二次通过，并且所述器件包括输入波导(2)、返回装置(6)和第二输出波导(10)共用的对准装置。
2.如权利要求1所述的光过滤器件，其特征在于，所述器件包括第二输出波导(10)，用于传导第二次通过过程中被滤光器(1)反射的辐射的第四部分(11)。
3.如上述权利要求中的任一项所述的光过滤器件，其特征在于，所述对准装置包括透镜(12)，透镜(12)布置在滤光器(1)与输入波导(2)、返回装置(6)和第二输出波导(10)之间。
4.如权利要求3所述的光过滤器件，其特征在于，透镜(12)是一个渐变折射率透镜。
5.如权利要求4所述的光过滤器件，其特征在于，透镜(12)的物体焦平面与透镜(12)的输入端面重合。
6.如权利要求1所述的光过滤器件，其特征在于，返回装置(6)以与输入波导(2)相同的入射角将辐射(3)的第一部分(4)传导到滤光器(1)。
7.如权利要求1所述的光过滤器件，其特征在于，所述器件包括用于调谐给定波长的装置。
8.如权利要求1所述的光过滤器件，其特征在于，所述器件包括用于将波长集中在给定波长的置换辐射插入通道的装置(20)。
9.如权利要求1所述的光过滤器件，其特征在于，返回装置(6)是通过玻璃板照相平版印刷技术以及离子交换制造的。
10.如权利要求1所述的光过滤器件，其特征在于，所述器件包括用于放大滤光器(1)反射的辐射的装置。
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