CN1811502A

CN1811502A - 一种基于集成声光可调谐滤波器的新型光插分复用器

Info

Publication number: CN1811502A
Application number: CNA2005101352460A
Authority: CN
Inventors: 崔建民; 孙雨南
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2006-08-02

Abstract

本发明提供一种新型基于集成声光可调谐滤波器(IAOTF，Integrated Acousto－opticTunable Filter)和偏振分束棱镜(PBS，polarization beam splitter)的混合型光插分复用器(OADM，optical add/drop multiplexer)模块。包括一对IAOTF、偏振分束棱镜以及保偏光纤，可通过外加驱动控制的RF射频单元，灵活的选择下路的光波长，采用四端口偏振分束棱镜与高性能IAOTF的混合集成方式构成OADM。采用四端口的偏振分束棱镜，实现了偏振无关的要求，并通过窄滤波带宽、宽调谐范围的IAOTF可方便的实现动态可重构的OADM。此混合型光插分复用器结构简单、便于制作，性能优良。

Description

一种基于集成声光可调谐滤波器的新型光插分复用器

技术领域：

本发明涉及一种新型基于集成声光可调谐滤波器和偏振分束棱镜的混合型光插分复用器，属于光通信器件领域。

背景技术：

光插分复用器(OADM，optical add/drop multiplexer)是下一代全光通信网络中的关键器件之一，与光交叉连接器(OXC)一起主要完成光网络的交换功能。光插分复用器的基本原理是：波分复用(WDM)光信号首先由解复用器把复用的各个波长分开，然后经过波长交换单元动态的选择上下路的波长，最后再由复用器输出到同一链路中。

现有的光插分复用器单元可以用任何形式的复用器和解复用器作为核心器件来实现，例如采用光纤光栅(FBG)和光开关阵列组成光插分复用器。因为不同的解复用器件有不同的性能，会影响光插分复用器的整体性能，例如光纤光栅(FBG)的调谐范围窄，要实现动态可重构的光插分复用器，必然需要开关阵列和多个光纤光栅(FBG)结构相对复杂。有一种采用集成声光可调谐滤波器的方案可以克服上述问题，但是使用这种方案需要采用偏振分束器件。现有的用集成的偏振分束器制作工艺要求苛刻且消光比不够高。

声光可调谐滤波器有基于铌酸锂的集成波导器件和二氧化碲体器件两大类。基于LiNbO₃的集成声光可调谐滤波器(IAOTF)具有调谐范围宽、滤波带宽窄、调谐速度快、驱动功率低以及同时可实现多波长选择等优点，基于集成声光可调谐滤波器的光插分复用器被认为是实现动态可重构的、波长可选择的新型光插分复用器极具潜力的方案之一。

集成声光可调谐滤波器的基本结构如图(2)所示。集成声光可调谐滤波器是在x切y传的LiNbO₃衬底上由叉指换能器(IDT)，光波导，声表面波波导(SAW)，定向耦合型偏振分束器(PBS)构成。输入光被第一个PBS分为两个方向相互垂直的偏振态(TE/TM模)。声波是通过在IDT上加射频(RF)信号来产生的。沿SAWG波导传播的声波与光波作用，引起光波导折射率周期性的调制。折射率的变化引起TE-TM模式或TM-TE模式之间的相互转化，但这种转化仅对要下路的波长才发生。满足相位匹配条件下，光波长与声波长存在对应关系：λ＝λ_s(Δn)，因此通过调节输入射频频率，改变声波长就可以达到对光波长的选择，实现对不同光波长的模式转换。第二个PBS作用是将对应的光波长下路到指定端口，对于其它光波长则被直通到输出端口。集成声光可调谐滤波器不仅可以对单个波长下路，也可以同时对多波长操作。通过改变RF信号的数目和它们的频率可以控制下路的波长数目和频率。在集成声光可调谐滤波器中没有移动部件，通过改变RF的频率，可以连续的，随机的和高速的选择波长。

最初二氧化碲体器件声光可调谐滤波器是主要用于光谱检测领域，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，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。

集成声光可调谐滤波器(IAOTF)与二氧化碲体器件相比，集成器件体积小，滤波带宽窄，驱动功率低，而且易于光纤进行耦合，有较低的插入损耗。体器件相应的体积较大，驱动功率高。因此在光通信领域中多采用集成声光可调谐滤波器结构。

本发明的目的是克服现有解复用器和复用器的结构复杂以及工艺要求高和消光比低等不足和利用集成声光可调谐滤波器的集成的偏振分束器的不足，提出用一种新型基于集成声光可调谐滤波器(IAOTF)和偏振分束棱镜(PBS)的混合型光插分复用器(OADM)。

发明内容：

本发明提供的混合型光插分复用器(OADM)，包括一对集成声光可调谐滤波器、偏振分束棱镜以及保偏光纤，可通过外加驱动控制的RF射频单元，灵活的选择下路的光波长，采用四端口偏振分束棱镜与高性能集成声光可调谐滤波器的混合集成方式实现光插分复用器功能。本发明采用棱镜偏振分束器，代替定向耦合型偏振分束器。

采用Ti扩散技术的定向耦合器波导结构，可以实现空间上分离偏振态的功能。但是该器件的波导折射率以及波导扩散深度对于器件的消光比影响很大，对于器件结构和工艺条件如：镀膜厚度以及扩散条件等要求苛刻。国内工艺水平此器件性能指标不高(一般在20dB左右)，且成品率极低。对于光插分复用器而言，偏振分束器的消光比不高将引入同频串扰，将限制其在波分复用光网络当中的应用。此外由于是波导器件(考虑辐射损耗)，所以一般该器件尺寸较长，与声光模式转换器集成时就限制了声光作用长度，也就无法降低器件的滤波带宽(滤波带宽与声光作用长度成反比)。

采用棱镜偏振分束器，棱镜的偏振分束消光比较高(一般大于30dB)，且比较容易制作，成品率很高。同时采用棱镜偏振分束器，可以有效的增加声光模式转换器的作用长度，从而获得性能更好的集成声光可调谐滤波器。因此采用棱镜偏振分束器，实现偏振无关的结构。不仅降低了对工艺制作的苛求，同时提高了光插分复用器的性能。

采用四端口棱镜偏振分束器。由于要构成光插分复用器完成上/下路的功能，需提供光插分复用器的输入、输出、下路、上路的四端口。因此不能采用普通三端口的棱镜偏振分束器，而需要采用四端口偏振分束器。在普通棱镜分束器的基础上设计了四端口棱镜分束器，并完成其与保偏光纤的高效耦合。

有益效果：

采用基于集成声光可调谐滤波器和偏振分束棱镜的混合型光插分复用器。用偏振分束棱镜，实现偏振无关的结构，不仅降低了对工艺制作的苛求，同时提高了光插分复用器的性能。采用体积小，滤波带宽窄，调谐范围宽，驱动功率低，易于光纤进行耦合，有较低的插入损耗的集成声光可调谐滤波器，通过调节外加射频RF的频率，可以方便的实现波长可选择、动态可重构的光插分复用器功能。

附图说明：

图1是基于偏振分束棱镜+集成声光可调谐滤波器的光插分复用器模块示意图；

图2是偏振无关的集成声光可调谐滤波器(IAOTF)的基本结构示意图；

图3是偏振分束棱镜分束(合束)示意图；

图4是一阶共线集成声光可调谐滤波器结构示意图；

图5是深度钛扩散技术构成声波导示意图；

图6是RF等效电路和匹配电路模型示意图。

图中：IAOTF-集成声光可调谐滤波器，PBS-棱镜，SMF-单模光纤，ABD-棱镜，ACD-棱镜，L-换能器的匹配电感，C-换能器的匹配电容，C₀-换能器的静电容，G_a和B_a-分别为换能器的声辐射电导和电纳，

参见图3：棱镜器件原理部分主要由ABD和ACD两块棱镜组成，其主轴均垂直于图平面。AB和AC面接单模光纤，BD和CD接保偏光纤，且为保证相同波长信号的同步，保偏光纤猫眼方向分别平行于和垂直于主轴。

波长B由单模光纤传输，进入AB面后在晶体内分成偏振方向垂直于主轴方向的o光和偏振方向平行于主轴方向的e光。在AD面o光和e光分别被反射和透射，因此分别从BD面和CD面射出，进入各自端口的保偏光纤，并且各自在保偏光纤的偏振态一样，即假设都在慢轴中传输，因此传输速度也一样。

同理，由AC面进入的光R也分为o光和e光由CD和BD输出，且都在分别在各自的保偏光纤的快轴中传输。

相应的，由光路可逆，此器件也可作合束之用。同一波长的o光和e光由BD和CD面进入时，合成的光将由AB面输出；同一波长的o光和e光由CD和BD面输入时，合成的光将由AC面输出。

采用窄带宽，宽调谐范围，低驱动功率的集成声光可调谐滤波器。一阶共线声光模式转换器结构如图(4)所示。分析集成声光可调谐滤波器器件的主要性能参数，获得窄滤波带宽、宽波长调谐范围、低驱动功率的集成声光可调谐滤波器需要综合考虑器件的设计。

滤波带宽是滤波器中最重要的性能参数，要根据设计的WDM系统的通道数和通道间隔来确定。一般用半峰值全宽FWHM(Full Width Half Maximum)来表征，即透过率T＝0.5时，透过光波长的范围。集成声光可调谐滤波器的滤波带宽可近似表示为：

{Δλ}_{0.5} \approx \frac{0.8 \cdot λ^{2}}{L \cdot Δn}

从上式可以看出，它与光波长的平方成正比，与声光作用长度及模折射率差成反比。在满足单模传输前提下，要获得窄的滤波带宽，势必要增加声光作用长度及模折射率差。考虑到光波导的均匀性以及整个器件的尺寸，声光作用长度并不能很长，初步选择在25mm左右。波长调谐范围即可以实现的光波长透过范围，由换能器的频率响应范围决定，换能器相对带宽与叉指数关系可以近似表示为

\frac{Δf}{f_{0}} = \frac{1}{N},

对于等间距叉指换能器当叉指对数N取8-12对时，波长调谐范围在130nm-190nm左右。一般声光滤波器工作在最小相位匹配条件Δφ＝π/2处，峰值转换所需的声功率最小。

采用深度钛扩散技术构成声波导。要降低驱动功率，就必须提高器件对表面声波的利用率。采用钛扩散技术形成声波导，将声波限制在固定的通道内传播，并可以增加声波功率密度，提高器件工作效率。另外集成声光可调谐滤波器IAOTF的性能也可以依靠SAW的设计来改善。因为，声波和光波之间的耦合可以通过声波导和光波导之间结构安排来实现声光耦合系数的变化，最终可以达到抑制光谱响应的边带的效果。在集成声光可调谐滤波器制作当中，我们采用常用深度钛扩散技术构成声波导，如图(5)所示，有效提高了器件的性能。

采用RF匹配电路，降低集成声光可调谐滤波器的驱动功率。叉指换能器是一个电极交错相互联接的两端器件。当交变电压加载到器件的两个电极上，在基片内就建立起交变电场。因为基片是压电体，此交变电场经过压电效应在基片内激起相应的弹性振动。此弹性振动在基片内传播形成弹性波。

因为换能器的叉指为容性器件，通常工作在阻抗匹配状态，其等效电路如图(6)所示。图中L为换能器的匹配电感，C为换能器的匹配电容，C₀为换能器的静电容，G_a和B_a分别为换能器的声辐射电导和电纳。加载到叉指换能器上的电功率大小与匹配电路的匹配情况有着极为密切的关系。若匹配电路不完善，如带宽较窄，加载到叉指换能器上的电功率非常小，激起声表面波功率很低，不能满足声光转换要求。

通过测量制作的铝叉指电极的阻抗，设计出满足要求的RF匹配电路，有效降低了集成声光可调谐滤波器的驱动功率。

采用吸声介质(吸声橡胶)，提高集成声光可调谐滤波器的模式转换效率。在集成声光可调谐滤波器器件的两端涂覆吸声介质(吸声橡胶)，可以有效的抑制端面反射声波对器件的影响，从而提高集成声光可调谐滤波器器件声光模式转换效率。通过比较多种吸声介质如环氧树脂，石蜡等，得到吸声橡胶的效果最佳。随着全光网络的发展，光插分复用器在光节点技术中位置将至关重要，特别是动态可重构的光插分复用器系统。本发明混合型光插分复用器结构简单、便于制作，性能优良，其在光纤城域网和接入网中有广泛的应用前景。

具体实施方式：

该器件采用四端口的偏振分束棱镜，实现了偏振无关的要求，并通过窄滤波带宽、宽调谐范围集成声光可调谐滤波器可方便的实现动态可重构光插分复用器的功能。

如图(1)所示，输入光被第一个棱镜PBS分为两个方向相互垂直的偏振态(TE/TM模)。然后分别进入两个并行的集成声光可调谐滤波器1。由于满足相位匹配条件下，光波长与声波长存在对应关系，因此通过调节集成声光可调谐滤波器的输入RF射频信号的频率，实现调节光波长。此时集成声光可调谐滤波器实现峰值模式转换，使得TETM和TMTE，然后进入对称结构的棱镜PBS，其将两偏振态的光合束，在下路端口输出。对于为满足相位匹配条件的其它光波长，未发生模式转换，所以相应的在直通端口输出。由于该光插分复用器具有对称性，因此对于上路波长，对应另一输入端口，相应的过程与前面所述一致。

由于集成声光可调谐滤波器具有调谐范围宽，滤波带宽窄，驱动功率低的特点，而棱镜PBS具有波长不敏感特性，因此该结构的光插分复用器可以方便的实现不同波长的选择，动态可重构的功能。此外采用棱镜偏振分束器，不仅降低了制作的工艺要求，同时提高了偏振分束器的消光比，相应的降低了该光插分复用器器件的串扰水平，获得较好的性能。

Claims

1.一种新型基于集成声光可调谐滤波器和偏振分束棱镜的混合型光插分复用器，包括一对集成声光可调谐滤波器、偏振分束棱镜以及保偏光纤，可通过外加驱动控制的RF射频单元，灵活的选择下路的光波长，其特征在于：采用偏振分束棱镜与高性能集成声光可调谐滤波器的混合集成方式构成光插分复用器。

2.如权利要求1所述的一种新型基于集成声光可调谐滤波器和偏振分束棱镜的混合型光插分复用器，其特征在于：上述光插分复用器偏振分束棱镜采用四端口。