CN1826747B - 电光可调式滤光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于过滤光学信号的方法和装置。该方法包括接收至少一个输入光学信号，利用该至少一个输入光学信号来形成第一和第二光学信号，然后利用多个非波导电光相位调节器来修正至少一部分第一光学信号。该方法还包括通过将所述第一光学信号，包括所述第一光学信号的至少一个修正部分，与所述第二光学信号结合，形成输出光学信号。
Description
技术领域
本发明一般涉及光学传输系统，尤其涉及光学传输系统中使用的电光可调式滤光器。
背景技术
光子学，使用光来存储，传送和/或处理信息，正快速进入商品和高技术产品的市场。例如，光学系统是许多城域网和局域网所选择的传输介质。为了保持带宽，以及为了允许光学传输网络的不同部件一起工作，光学传输网络通常使用复杂的滤光器，该滤光器可以动态地均衡网络的波长，频率，或信道上的功率。用于基于宽光谱特征而动态均衡功率的典型滤光器包括马赫-曾德滤波器、声光滤波器、全息照相、以及微机械传动镜(micro-mechanically driven mirror)。可以基于逐个信道地动态均衡功率的典型滤光器包括多路信号分离器、可编程衰减器阵列、多路复用器等等。
滤光器可以包括用来传输光的一个或多个波导，以及可以调整波导中传播的光的相位的一个或多个元件。在传统的相位可调式波导中，在波导旁边配置有焦耳加热器，用于改变光波导的温度。光波导的有效折射率取决于波导的温度，因此温度的变化会改变波导的光程长度，从而改变在光波导中传播的光的相位。热光相位调整用于光衰减器、光谱选择滤波器(spectrally selective filter)、干涉仪等等。例如，Doerr(美国专利No.6,212,315)描述了一种信道功率均衡器，该信道功率均衡器在多个移相器中使用热光相位调整。
但是，改变在波导中传播的光的相位的传统方法，包括热光相位调整，在光谱过滤应用中可能不太适合。二氧化硅的相对较小的热光系数可能限制温度相关的相位控制器的灵敏性。虽然其它材料的热光系数可能更大，但是这些材料很难形成低损耗的单模波导。而且，相位控制的热光方法不能足够快地响应，以便与光学传输网络中的其它电子器件紧密地结合。
此外，滤光器通常形成在半导体基片上，并且在同一半导体基片上形成的多个温度相关的相位控制器之间的热串扰可能降低这些温度相关的相位控制器的准确度，细度(finesse)和控制。因此，在单个半导体基片上可以包括很少的温度相关的相位控制器。热串扰还可能减少温度相关的相位控制器的相位表示的范围。虽然相位表示范围的减少可以至少部分地通过增加施加到相位控制器的温度范围来补偿，但是温度范围的增加通常导致设备的功率损耗的相应增加。而且，热串扰可能降低规范正交模式(orthonormal mode)的偏振无关性(polarization independence)。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种光学信号过滤方法。该方法包括接收至少一个输入光学信号，利用该至少一个输入光学信号形成第一和第二光学信号，以及使用多个非波导电光相位调节器修改至少一部分第一光学信号。该方法还包括通过将第一光学信号，包括第一光学信号的该至少一个被修改部分，与第二光学信号组合，以形成输出光学信号。
在本发明的另一方面，提供了一种装置。该装置包括光解复用器(optical demultiplexer)、与该光解复用器光学耦合的多个非波导电光相位调节器、以及与该多个电光相位调节器光学耦合的光复用器。
在本发明的再一方面，提供了一种电光可调式滤光器。电光可调式滤光器包括第一光学传输介质、第二光学传输介质、以及将第一光学传输介质和第二光学传输介质的部分耦合的第一光耦合器。电光可调式滤光器还包括与第二光学传输介质耦合的光解复用器、与该光解复用器光学耦合的多个非波导电光相位调节器、以及与该多个非波导电光相位调节器光学耦合的光复用器。电光可调式滤光器还包括与该光复用器光学耦合的第三光学传输介质、以及将第二光学传输介质和第三光学传输介质的部分耦合的第二光耦合器。
附图说明
本发明可以通过参照下面结合附图的说明来理解，其中相同的附图标记表示相同的元件：
图1A和图1B概念性地示出动态和色度可变透射率装置(dynamically and chromatically variable transmissivity apparatus)，诸如动态增益平坦滤波器(dynamic gain flattening filter)；
图2概念性地示出可以在图1A和图1B中所示的动态和色度可变透射率装置中使用的多个电光相位调节器；
图3概念性地示出图2中所示的电光相位调节器的一个实施例的透视图；以及
图4示出利用图1A和图1B中所示的动态和色度可变透射率装置过滤光学信号的典型方法的一个实施例。
具体实施方式
虽然本发明具有多种修改和可选形式，但其特定实施例在附图中作为实例示出，并且在这里做出详细的说明。但是，应该了解的是，在这里的特定实施例的说明并不是要将本发明限制到所公开的特定形式，相反地，本发明包括属于所附权利要求中所定义的本发明的精神和范围内的所有修正、等价和选择方案。
下文说明本发明的例证性的实施例。为使说明清楚，在说明书中并没有描述实现的所有特征。当然，应该清楚的是，在任何这种实际实现的开发中，必须做出许多特定于实现的判定，以实现开发者的特定目标，诸如服从与系统有关的以及与商业有关的约束，其中这些约束在各种实现中各不相同。此外，应该清楚的是，这种开发工作可能既复杂而又耗时，但是对于本领域中受益于本公开的那些普通技术人员来说，却将是常规任务。
图1A概念性地示出动态和色度可变透射率装置的第一典型实施例，诸如动态增益平坦滤波器100。虽然下文中的说明是在图1A和图1B中所示动态增益平坦滤波器100的实施例的背景下做出的，但是本发明并不受如此限制。在可选实施例中，可变透射率装置100可以是本领域中的那些普通技术人员已知的多种光学元件中的一种。例如，可变透射率装置100可以是用于控制波分复用系统中信道功率的信道均衡器、马赫-曾德滤波器、迈克逊干涉仪等等。
动态增益平坦滤波器100的第一典型实施例包括第一和第二光学传输介质101，102。在一个实施例中，第一和第二光学传输介质101、102是波导。虽然不是本发明的实践所必需的，但是第一光学信号可以通过非互易性器件110中的第一端口105进入动态增益平坦滤波器100。在一个实施例中，非互易性器件110是环形器101，正如本领域中的那些普通技术人员所了解的，该环形器可以通过使用具有高维尔德常数的材料形成，
非互易性器件110可以被光学耦合到波导101上，从而使得第一光学信号可以被传递到波导101，然后通过第一光耦合器120中的第一端口115进入动态增益平坦滤波器100。但是，在可选实施例中，第一光学信号可以不通过非互易性器件110就进入动态增益平坦滤波器100。虽然不是本发明的实践所必需的，但是沿着波导102传播的第二光学信号可以通过第一光耦合器120中的第二端口125进入动态增益平坦滤波器100。在一个实施例中，第一光学信号和第二光学信号(如果有)是波分复用光学信号。
第一光耦合器120可以将第一和第二光学信号分离和/或结合以形成两个信号分量，这两个部件分别被传送到波导101、102的上支路和下支路125、130。例如，如果没有第二光学信号通过波导102被提供给动态增益平坦滤波器100，则第一光耦合器120将第一信号分离为两个信号分量
和
其中R是第一光耦合器120的分光比。这两个信号分量，
和分别被传送到上支路和下支路125、130。在一个实施例中，至少一部分上支路和下支路125、130是波导。例如，上支路125可以是波导。再例如，下支路130的第一部分133(1-2)可以是波导。
下支路130的第一部分133(1)被光学耦合到光解复用器135上。在一个实施例中，光解复用器135从下支路125接收信号分量
并且将信号分量
分离为与多个所选频率和/或波段(wavelength band)相对应的部分。例如，信号分量可以具有60nm的带宽并且被分解为具有1nm带宽的60个部分。但是，在可选实施例中，本领域技术人员熟知的多种设备可以被用来将信号分量
划分为与多个所选频率和/或波段相对应的部分。这些设备可以包括，但并不局限于，分光器、棱镜、光栅等等。
光解复用器135将信号分量的各部分提供给相应的多个电光相位调节器140，电光相位调节器140被光学耦合到光解复用器135上。本领域中的普通技术人员都知道，电光相位调节器140的数目是设计选择方面的问题。因此，虽然图1中示出三个电光相位调节器140，但是本发明的可选实施例可以包括多于或少于三个电光相位调节器140。
在图1A中所示的动态增益平坦滤波器100的第一典型实施例中，多个电光相位调节器140被光学耦合到镜145上。上支路125也被光学耦合到镜145上。虽然不是本发明的实践所必需的，但是可以在靠近镜145处设置波片(wave plate)150，从而使得分别在上支路125和电光相位调节器140中传播的两个信号分量和在被镜145反射之前穿过波片150。例如，四分之一波片150可以被设置在镜和上支路125与电光相位调节器140之间。结合四分之一波片150可以使信号分量
部分中的双折射减少，或归零。
在一个实施例中，上支路和下支路125、130的光程长度可以大致相等。例如，上支路125和下支路130的光程长度，包括光解复用器135、电光相位调节器140、以及波片150，可以等于第一光学信号和第二光学信号(如果有)的大约几个波长的范围内。如下文将详细讨论的那样，可以控制或调整电光相位调节器140的有效光程长度、从而控制或调整下支路130的部分的光程长度，以修改信号分量
的部分。在一个实施例中，可以改变一个或多个电光相位调节器140的有效光程长度，从而引入信号分量各部分之间的一个或多个相对相位差。例如，可以在信号分量
的两个部分之间引入Л/4的相位差。
在两个信号分量
和
从镜145反射以后，它们沿着大致相同的光程反向传递到第一光耦合器120。因此，由电光相位调节器140引入的信号分量
各部分之间的一个或多个相对相位差可以大致增加一倍。例如，如果一个电光相位调节器140在一次通过期间在信号分量
的两个部分之间引入Л/4的相位差，那么在信号分量
的两个部分之间可以引入Л/2的总相位差。
在第一典型实施例中，光解复用器135还可以用作信号分量的反射部分的光复用器。例如，光解复用器135可以组合信号分量
的反射部分，以形成修正的信号分量
第一光耦合器120可以将信号分量
和修正的信号分量组合和/或分离以形成输出信号。例如，信号分量和修正的信号分量
可以相长地和/或相消地干涉，以形成被过滤的输出信号。在一个实施例中，被过滤的输出信号可以被提供给非互易性器件110，然后可以通过第二端口155从动态增益平坦滤波器中出来。但是，正如上面所讨论的，非互易性器件110是可选的，在本发明的可选实施例中可以省略。
图1B示出动态增益平坦滤波器100的第二典型实施例。在动态增益平坦滤波器100的第二典型实施例中，多个电光相位调节器140被光学耦合到光复用器160上。信号分量的部分，包括任何被修正的部分，可以被提供给光复用器160。在一个实施例中，光复用器160可以组合这些部分以形成被修正的信号分量
在动态增益平坦滤波器100的第二典型实施例中，分别在上支路125和下支路130中传播的信号分量
和被修正的信号分量被提供给第二光耦合器165，第二光耦合器可以将信号分量
和被修正的信号分量分离和/或结合。例如，信号分量
和被修正的信号分量
可以破坏性地或建设性地干涉以形成被过滤的输出信号。在一个实施例中，第一和第二光耦合器120、165具有相同的分光比R，虽然这不是本发明的实践所必需的。此外，第二光耦合器165在本发明的各种可选实施例中可以被省略。
在一个实施例中，上支路和下支路125、130的光程长度可以大致相等。例如，上支路125和下支路130的光程长度，包括光解复用器135、电光相位调节器140、以及光复用器145，可以等于第一光学信号和第二光学信号(如果有)的几个波长之内。如下面将详细讨论的那样，可以控制或调整电光相位调节器140的有效光程长度，从而控制或调整下支路130的部分的光程长度，以修改信号分量
的各部分。在一个实施例中，可以改变一个或多个电光相位调节器140的有效光程长度，从而引入信号分量
的各部分之间的一个或多个相对相位差。例如，可以在信号分量
的两个部分之间引入Л/4的相位差。
在图1A和图1B中分别示出的第一或第二典型实施例中，可以在单个平面波导台(planar waveguide platform)(未示出)上形成动态增益平坦滤波器100的一个或多个部件。例如，可以在平面波导台上形成光解复用器135、多个电光相位调节器140、以及镜150或光复用器160。在不同可选实施例中，平面波导台可以由聚合物、硅沉积二氧化硅(silica-on-silicon)、半导体、或类似的材料来形成。
至少部分地因为多个电光相位调节器140的快的响应时间，所以图1A和图1B中所示的动态增益平坦滤波器100的两个实施例可以与其它电子设备紧密地结合。此外，由于多个电光相位调节器140之间的热串扰可以相对于例如多个热光相位调节器而言有所降低，所以可以在单个台上形成的电光相位调节器140的数目可以增加。与例如多个热光相位调节器相比较，电光相位调节器140的相位表示范围可以有所增大和/或功率损耗可以有所减少。
图2概念性地示出根据本发明一个实施例的多个电光相位调节器140。如上所述，在一个实施例中，信号分量通过下支路130的第一部分133(1)被提供给光解复用器135。在所示实施例中，光解复用器135被光学耦合到多个光学传输介质上，诸如波导200，其可以被设置为与相应的多个沟槽(slot)210靠近。在一个实施例中，波导200的一端可以被设置为与沟槽210靠近，从而使得波导200被光学耦合到沟槽210，并且可以将信号分量
的部分提供给沟槽210。例如，每个波导200可以将波长或频率大致在所选波长或频率中的信号分量
的一部分提供给多个沟槽中的对应一个。
电光活性相位调整元件(electro-optically active phase adjustingelement)220可以被定位在沟槽210的至少一部分中。在一个实施例中，电光活性相位调整元件220可以是可以位于沟槽210中的电光活性材料，诸如液晶、聚合物分散型液晶(polymer-dispersed liquidcrystal)、双折射材料等等。但是，可以使用任何适当类型的电光活性相位调整元件220。例如，在一个可选实施例中，电光活性相位调整元件220可以是带孔的硅基片，孔中充填电光活性材料。在该可选实施例中，电光活性相位调整元件220可以单独形成，随后被插入到电光相位调节器140中。
一个或多个电极230被设置为与沟槽210靠近。在所示实施例中，两个电极230被设置在沟槽附近并在波导200的至少一部分(用虚线划出)的上方。但是，本发明并不受如此限制。在可选实施例中，更多或更少的电极230可以被设置为与沟槽210靠近。此外，在其它可选实施例中，至少一部分电极230可以被设置在沟槽210内。
电极230通过线路250被耦合到控制单元240。在不同的可选实施例中，线路250可以是导线、传导迹线等等。控制单元240可以为电极230提供所选定的信号，诸如电压和/或电流。如本领域普通技术人员清楚的那样，控制单元240所提供的信号可以用来改变电光活性相位调整元件220的光程长度。例如，在一个或多个电极230上施加电压可以产生电场，并且电场的至少一部分可以透入到沟槽210中。改变信号，例如电压，的强度可以改变电场的幅度和/或方向，这可以改变电光活性相位调整元件220的光程长度。
当信号分量
的部分传播穿过电光活性相位调整元件220时，可以修改信号分量的一个或多个部分的相位。在一个实施例中，通过为电极230提供不同信号，可以在信号分量
的部分之间引入相对相位差，其中电极230被设置为与对应于信号分量
的适当部分的沟槽210靠近。例如，通过改变提供给相应沟槽210的信号强度，可以在信号分量
的两个部分之间引入相对相位差，从而使得与信号分量的第一部分相对应的沟槽210的光程长度与对应于信号分量的第二部分的沟槽210的光程长度相差信号分量
的波长的大约四分之一。
另外的多个光学传输介质，诸如波导260，可以被设置为与沟槽210靠近。在一个实施例中，波导260的一端可以被设置为与沟槽210靠近，从而使得波导260被光学耦合到沟槽210，并且可以从沟槽210中接收信号分量
的部分。在一个实施例中，波导260的一部分(用虚线划出)可以被定位在一个或多个电极230的下方。在图1A中所示的动态增益平坦滤波器100的第一典型实施例中，波导260可以被光学耦合到镜145和/或波片150上。可选地，在图1B中所示的动态增益平坦滤波器100的第二典型实施例中，波导260可以被光学耦合到光复用器160上，如上文已经讨论过的那样，光复用器160可以分离和/或组合信号分量
的部分。
在一个实施例中，沟槽210和电光活性相位调整元件220是非波导的。因此，虽然在多个电光相位调节器140中可以包括波导元件，诸如波导200、260，但是电光相位调节器140在下文中被称为“非波导”电光相位调节器140。
图3概念性地示出电光相位调节器140的一个实施例的透视图。在所示实施例中，在介电层内形成一个或多个波导部分305(1-2)，该介电层在本领域中通常被称为包覆层(cladding layer)310，其形成于半导体基片320，诸如硅，上。应当清楚的是，电光相位调节器140的结构在本质上是示例性的，并且在可选实施例中，电光相位调节器140可以包括图3中未示出的其它部件。
在所示实施例中示出的波导部分305(1-2)由折射率比包覆层310的折射率大的材料形成。例如，波导部分305(1-2)可以由折射率大约为1.4557的不掺杂质的硅形成，而包覆层310可以由折射率大约为1.445的掺或不掺杂质的硅形成。在其它实施例中，波导部分305(1-2)和包覆层310可以由任何适当的材料形成。在一个实施例中，包覆层310可以包括下包覆层(未示出)和上包覆层(未示出)，其中下包覆层至少部分地在波导部分305(1-2)下方的区域315中形成，上包覆层至少部分地在波导部分305(1-2)上方的区域320中形成。在一个实施例中，上包覆层和下包覆层的折射率不相同。例如，上包覆层的折射率可以大约为1.4448，而下包覆层的折射率可以大约为1.4451。
在包覆层310中切割出沟槽330，从而使得波导部分305(1-2)在沟槽330附近终止。但是，在可选实施例中，波导部分305(1-2)可以不在沟槽330附近终止。例如，尽管波导部分305(1-2)终止在与沟槽330间隔一段距离的位置，但是波导部分305(1-2)的一部分还是可以靠近沟槽330。在一个实施例中，沟槽330被切割，从而使得波导部分305(1-2)中传播的信号在沟槽330横向边缘350(1-2)所引起的渐逝场(evanescent field)幅度小于峰值的-40dB。但是，沟槽330的精确位置和在横向边缘350(1-2)处的期望渐逝场幅度是设计选择方面的问题。此外，虽然图3中所示的沟槽330是矩形的，但是沟槽330的几何形状是设计选择方面的问题，可采用多种几何学横截面结构中的任何一种，甚至可以在沿着其长度的横截面中变化。
图4示出使用例如图1A和图1B中所示的动态增益平坦滤波器100的过滤光学信号的典型方法的一个实施例。方法的所示实施例包括接收(在400)至少一个输入光学信号。然后利用该至少一个输入光学信号形成(在410)第一和第二光学信号。例如，图1A和图1B中所示的光耦合器110可以利用该输入光学信号形成两个信号分量和
如上文已经详细说明的那样，利用多个电光相位调节器，诸如图1A和图1B中所示的电光相位调节器140，可以修正(在420)第一光学信号的至少一部分。然后可以通过将第一光学信号，包括第一光学信号的该至少一个被修正部分，与第二光学信号结合，形成(在430)输出光学信号。
如上文已经讨论的那样，通过使用包括电光相位调节器140的动态增益平坦滤波器100的一个或多个实施例，动态增益平坦滤波器100的准确度，细度和控制可以相对于例如热光相位控制器有所提高。例如，在单半导体基片上形成的动态增益平坦滤波器100中，可以包括更多电光相位调节器140。还可以增加电光相位调节器140的相位表示范围，而不必须要求设备的功率损耗的相应增加。在动态增益平坦滤波器100中传播的信号的规范正交模式的偏振无关性也可以得到改进。
此外，通过增加适于用于存取网络和城域网、以及传输干线中的信令范型的复杂性，至少部分地推动自适应滤波器部件，诸如可变透射率装置100的进一步发展。可以预料到，本发明，可能与其它可预见和不可预见的发展相结合，可以允许这些应用的更广大的范围。特别地，较大的细度和更低的功率需求可有利于该方法应用于存取网络和城域网，以及传输干线中的高功能组件中。
Claims (14)
1.一种动态增益平坦滤波器，包括：
用于将光信号耦合到第一支路和第二支路中的耦合器；
其中所述第一支路包括：
光解复用器；
多个非波导电光相位调节器，其光学耦合到所述光解复用器上；以及
与所述多个电光相位调节器耦合的控制单元；
所述动态增益平坦滤波器还包括：
镜；和
四分之一波片，其在所述相位调节器的与所述光解复用器相反的一侧上被耦合在所述镜和所述电光相位调节器之间，使得光信号从所述光解复用器通过所述电光相位调节器、所述四分之一波片，然后被所述镜反射回通过所述四分之一波片、所述电光相位调节器和所述光解复用器；并且
所述第二支路包括将所述耦合器链接到所述四分之一波片的波导，用于使第二支路中的光信号通过所述四分之一波片，以被所述镜反射回通过所述四分之一波片和第二支路到所述耦合器，其中在所述耦合器中，所述第一支路和所述第二支路中的光信号被重新组合。
2.根据权利要求1所述的动态增益平坦滤波器，其中所述光解复用器、所述多个非波导电光相位调节器、以及所述控制单元在平面波导台上形成。
3.根据权利要求2所述的动态增益平坦滤波器，其中所述平面波导台是聚合物、硅沉积二氧化硅、或半导体波导台中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的动态增益平坦滤波器，其中所述多个非波导电光相位调节器中的每一个包括：
第一光学传输介质；
第二光学传输介质；
设置在所述第一和第二光学传输介质附近的沟槽，所述沟槽用于容纳电光活性元件；以及
与所述沟槽靠近设置的至少一个电极，所述至少一个电极用于在所述沟槽内提供至少一部分可变电场。
5.根据权利要求4所述的动态增益平坦滤波器，其中所述沟槽具有至少一个弯曲边缘。
6.根据权利要求4所述的动态增益平坦滤波器，其中所述第一光学传输介质是波导。
7.根据权利要求4所述的动态增益平坦滤波器，其中所述第二光学传输介质是波导。
8.根据权利要求4所述的动态增益平坦滤波器，其中所述电光活性元件是液晶和聚合物分散液晶中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的动态增益平坦滤波器，其中所述控制单元能够为所述多个非波导电光相位调节器中的至少一个提供至少一个指示期望的相位变化的信号。
10.根据权利要求1所述的动态增益平坦滤波器，其中所述光解复用器用于将多个选定频带中的光提供给相应的多个非波导电光相位调节器。
11.根据权利要求10所述的动态增益平坦滤波器，还包括光学耦合到所述多个电光相位调节器上的光复用器。
12.根据权利要求11所述的动态增益平坦滤波器，其中所述光复用器用于从所述相应的多个非波导电光相位调节器中接收所述多个选定频带中的光。
13.根据权利要求12所述的动态增益平坦滤波器，其中所述光复用器用于组合在所述多个选定频带中接收的光。
14.根据权利要求13所述的动态增益平坦滤波器，其中所述光解复用器和所述光复用器是单个设备。
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