CN201017054Y - 基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于环形腔对结构的级联式奇偶数信号分离器。它包括一个输入光纤、一个第一输出光纤和一个第二输出光纤，沿输入光纤输出光束前进的方向依次设有一个准置透镜、一个偏振分束器、一个输入半波片和一个级联环形腔对；沿级联环形腔对输出水平光束前进方向依次设有一个第一输出半波片、一个第一偏振合束器、一个第一聚焦透镜及所述的一个第一输出光纤；沿级联环形腔对输出垂直光束前进方向依次设有一个第二输出半波片、一个第二偏振合束器、一个第二聚焦透镜及所述的一个第二输出光纤。本实用新型主要用在波分复用通信系统中用于将波分复用信号的奇偶数信号两信道分离和一切需要平坦化光谱透射率函数的滤波器。本实用新型具有设备简单、工艺可靠、成本低、性能好等特点。

Description

基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器

技术领域：

本实用新型是一种奇偶数信号分离器，特别是一种主要可用在波分复用技术中将奇偶数信号信道分离(interleaver)以及还可用于一切需要平坦化光谱透射率函数的滤波器。

背景技术：

随着密集波分复用技术的迅速发展，信号频率间隔愈来愈小，需要采用更窄频率间隔的波分复用器件来扩容，这也就对复用/解复用器提出了更高的光谱分辨要求。而原有的技术很成熟的复用/解复用器，如介质薄膜滤波器对50GHz及更小频率间隔的信道信号很难继续使用。奇偶数波分复用信号分离器(以下简称奇偶分离器)能将一组波分复用信号分离成为信号间隔倍增的一组奇数系列和偶数系列两个信道，这样就降低了波分复用解复用器对波长间隔要求的负担，提高了系统传输容量，因此奇偶分离器是一种重要的光通信核心器件。为了有效分离奇偶数信号，实现低通道间串扰，奇偶分离器必须具备平坦而高对比度的通带和阻带的光谱透过特性。此外，随着系统传输速率的不断提高，奇偶分离器还必须具有低的色散特性。

在先技术[1](参见光通信技术，冯德军等，2000，(1)，29-32)描述的是一种全光纤马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪型结构的波分复用系统器件。该在先技术同样可以用作奇偶数信号分离器，此时要求第一个光纤耦合器的分束比为1∶1，通过控制两干涉臂的长度差及第二个光纤耦合器的分束比可使输出两端口分别得到奇数波长组信号光和偶数波长组信号光。但该在先技术对两臂光程差和第二个耦合器分束比的要求较高，而现有的耦合器拉制工艺对第二个耦合器分束比较难控制。此外，该在先技术对温度、偏振等较为敏感，该类器件同时还应解决此类问题带来的影响。

在先技术[2](参见Opt.Commu.，C.W.Lee，R.Wang，R.Yeh et al.，2006，260，311-317)描述的是一种环形腔结构的双折射奇偶数信号分离器。其采用的环形腔结构由一个棱镜和两个反射镜构成，S和P偏振态的两光束在该环形腔界面反射率不同，从而产生不同的位相平移用于得到平坦化的光谱透射率。该结构的最大特点是其环形腔结构中避免了使用传统环形腔结构中的高精确度要求的镀膜工艺。但该结构的奇偶数信号分离器具有高的色散特性，不利于在高速率的传输系统中使用。

在先技术[3](参见Opt.Lett.，K.Okamoto and H.Yamada，20(1)，1995，43-45)中所描述的是一种利用阵列波导光栅(英文简称AWG)来产生平坦化的光谱响应函数。它的设计原理基于离散傅立叶变换，通过模拟光束传播，实现了100GHz信道间隔的大于57.2Ghz的平坦光谱区域。可实现波分复用技术中的复用/解复用功能，插分复用功能和波长路由等功能。但该在先技术存在插入损耗较大，偏振相关损耗高，温度稳定性不好等缺点，实际应用中必须采用其它方法和设备消除偏振和温度等的影响，从而限制了它的应用。

在先技术[4](参见Opt.Commu.，X.Ye，M.Zhang and P.Ye，2006，257，255-260)描述的是一种环形腔结构的级联M-Z干涉仪型的奇偶数信号分离器。其采用的环形腔结构由光束分束器和反射镜构成，两个具有不分束器分束比的环形腔分别置于M-Z干涉仪的两臂中用于光束的位相调制从而产生高平坦特性及隔离度的光谱透射率函数。再在两个输出端采用额外的环形腔用于色散补偿以改善整个器件的色散特性。该结构的奇偶数信号分离器虽然色散特性得以改善，但其每个环形腔中均含有光束分束器，这就不可避免的仍要使用高精确度要求的薄膜工艺，因而不利用实际应用。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于克服上述在先技术的困难，提供一种基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器，该分离器具有结构简单、工艺可靠、成本低、性能好、可靠性高的特点。

为达到上述目的，本实用新型的构思是采用2个环形腔对结构级联，每个环形腔对的两个棱镜界面镀有半透半反薄膜，分别对光束分束和合束，环形腔起到对光束进行位相调制的作用，控制第一级环形腔对中两棱镜的折射率可得到大的平顶通带(或阻带)宽度及高的信道隔离度，从而形成奇偶数信号可靠的分离；采用第二级环形腔对用于色散补偿以提高色散特性。

根据上述的实用新型构思，本实用新型的具体技术解决方案如下：

一种基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器，包括一个输入光纤、一个第一输出光纤和一个第二输出光纤；其特征在于：沿所述的输入光纤输出光束前进的方向依次设有一个准直透镜、一个偏振分束器、一个输入半波片和一个级联环形腔对；沿级联环形腔对输出水平光束前进方向依次设有一个第一输出半波片、一个第一偏振合束器、一个第一聚焦透镜及位于该第一聚焦透镜焦点的所述的第一输出光纤；沿级联环形腔对输出垂直光束前进方向依次设有一个第二输出半波片、一个第二偏振合束器、一个第二聚焦透镜及位于该第二聚焦透镜焦点的所述的第二输出光纤。

级联环形腔对是由两个相同结构的环形腔对级联而构成，其中每个环形腔对中的两个环形腔结构相同，每个环形腔均由一棱镜和两个反射镜组成，两个反射镜与棱镜对称放置，即棱镜与两反射镜所成的角度相等。每个环形腔对中的两棱镜结构相同、大小相等，棱镜的平面结构均为一五边形，是将底角等于45°的等腰梯形的在一底角切掉了一个斜边为该梯形下底一部分的等腰直角三角形的五边形；此外，每个环形腔对中的两棱镜交面镀有半透半反薄膜。

每个环形腔对中的棱镜采用各向同性材料或者有不同折射率的玻璃。偏振分束器和第一、第二偏振合束器采用双折射晶体。

本实用新型的技术效果：

本实用新型采用分立的光学元件组装技术，避免了使用先在技术[1]中的光纤耦合技术及先在技术[3]中的阵列波导光栅技术，减小了偏振、温度等问题的影响；所采用的环形腔结构中避免了使用高精确度要求的镀膜工艺，优于在先技术[4]；该结构还采用第二级额外的环形腔用于色散补偿，因而色散特性优于在先技术[2]。综上，本实用新型的奇偶数信号分离器具有设备简单、工艺可靠、生产成本低和性能优异、可靠性高等优点。本实用新型主要用在波分复用通信系统中用于波分复用信号的奇偶信号两信道分离和一切需要平坦化光谱透射率函数的滤波器。

附图说明：

图1为本实用新型奇偶数信号分离器的结构示意图。

图2为光在图1的级联环形腔对5中传播的光路图。

图3为级联环形腔对5中的环形腔的结构示意图，其中1为光在环形腔中的光程长。

图4为本实用新型25GHz奇偶数信号分离器的信道隔离度曲线图。

图5为本实用新型25GHz奇偶数信号分离器的0.5dB处的通带宽度曲线图。

图6为本实用新型25GHz奇偶数信号分离器的30dB处的阻带宽度曲线图。

图7为本实用新型25GHz奇偶数信号分离器的色散补偿器及进行色散补偿前和补偿后的色散特性曲线图。

具体实施方式：

本实用新型的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，本基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器包括输入光纤1，发射光束前进的方向上依次置有准直透镜2，偏振分束器3，随后为输入半波片4，级联环形腔对5置于输入半波片4之后，接着沿该光路水平方向依次设有第一输出半波片6和第一偏振和束器7，沿该光路的垂直方向依次设有第二输出半波片10和第二偏振和束器11，从第一偏振和束器7端面输出的光束连有第一聚焦透镜8和置于第一聚焦透镜8焦点上的第一输出光纤9，从第二偏振和束器11端面输出的光束连有第二聚焦透镜12和置于第二聚焦透镜12焦点上的第二输出光纤13。

级联环形腔对5依次由两个相同结构的环形腔对14、15级联而成，如图2所示，其中每个环形腔对14、15中的两个环形腔结构相同，每个环形腔均由一棱镜16和两个反射镜17、18组成，两个反射镜17、18与棱镜16对称放置，即棱镜16与两反射镜17、18所成的角度相等。每个环形腔对14、15中的两棱镜16结构相同、大小相等，棱镜16的平面结构均为一五边形，是将底角等于45°的等腰梯形在一底角切掉了一个斜边为该梯形下底一部分的等腰直角三角形(图3中的阴影部分)的五边形；此外，每个环形腔对14、15中的两棱镜16交面镀有半透半反薄膜。由于每个环形腔中两反射镜17、18相对于棱镜16对称放置，则水平入射环形腔的光束将垂直出射环形腔。光在环形腔中的光路如图3所示。

准直透镜2用于对输入光纤1发射的无规偏振波分复用信号光束进行准直和扩束，准直透镜2输出平行细光束x，其入射到偏振分束器3后在水平方向上被分解为等强度的左右分离的二束偏振正交的平行光束，输入半波片4只对于左边的垂直偏振的异常光束起作用，并旋转偏振方向90°，因而输入半波片4后为二束同为水平方向偏振的平行光束，随后再进入级联环形腔对5。

从级联环形腔对5的右端面输出在水平平面内偏振态互相平行的两平行光束，从级联介质对5的下端面输出在竖直平面内偏振态互相平行的两平行光束，第一输出半波片6对于在水平平面内互相平行的左侧光束产生附加90°的偏振方向旋转，第二输出半波片10对在竖直平面内互相平行的左侧光束产生附加90°的偏振方向旋转，因此通过第一输出半波片6后，同一水平平面内的两束光偏振方向互相垂直，通过第二输出半波片10后，同一竖直平面内的两束光偏振方向也互相垂直，第一偏振合束器7在水平方向上合并光束，它使两束偏振方向正交的水平平面内平行的两光束合并为输出光束y，第二偏振合束器11在竖直方向上合并光束，它使两束偏振方向正交的竖直平面内平行的两光束合并为输出光束z。第一聚焦透镜8对于y路输出光束进行聚焦并耦合入第一输出光纤9之中，第二聚焦透镜12对于z路输出光束进行聚焦并耦合入第二输出光纤13之中。

系统中，偏振分束器3和输入半波片4用于分解无规偏振的输入光束，第一输出半波片6和第一偏振合束器7用于把滤波后的水平方向上的偏振光束再合成无规偏振的输出光束，第二输出半波片10和第二偏振合束器11用于把滤波后的竖直方向上的偏振光束再合成无规偏振的输出光束，主要目的是实现与输入光束偏振无关的工作特性。

输入半波片4与第一输出半波片6(或第二输出半波片10)之间的级联环形腔对5是整个系统的核心，如附图2，光束水平入射第一级环形腔对14的交面上，一半能量的光被反射，另一半能量的光被透射，之后这两束光分别在两棱镜16内传输产生延迟，接着分别入射左侧环形腔(记为环形腔1)和右侧环形腔(记为环形腔2)进行位相调制，随后垂直入射环形腔对15，并在其交面上发生干涉，第二级环形腔对15中的左侧环形腔(记为环形腔3)和右侧环形腔(记为环形腔4)分别对从环形腔对15交面出射的两光束进行色散补偿，随后一路光直接从级联环形腔对5的下端面输出，形成偶路输出光束，另一路光从级联介质对5的右端面输出，形成奇路输出光束。通过合适选择各棱镜的折射率，可以得到具有大平坦通带(和阻带)宽度、高的隔离度及低色散特性的光谱透射率。

一.平坦化光谱透射率的产生

当具有s偏振态的入射光水平入射环形腔对5时，环形腔的棱镜一空气界面的反射率可表达为：

这里，n为棱镜的折射率，θ为折射角。

任一输出端口处的规一化透射率可表达为：

$I={\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_2-n_1)L+({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)/2],---\left(2\right)$

这里，λ为光波长，L为光从入射第1级环形腔对交面到入射第2级环形腔对交面过程中在棱镜中所经过的距离，n₁，n₂分别为环形腔对14中的两个棱镜16的折射率，φ₁，φ₂分别为光在两个环形腔1、2中的反射光的位相平移，表示为：

${\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1=-2{\tan }^{-1}\left(\frac{1-\sqrt{R_2}}{1+\sqrt{R_2}}\tan (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{l_2}{2})\right)+2{\tan }^{-1}\left(\frac{1-\sqrt{R_1}}{1+\sqrt{R_1}}\tan (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{l_1}{2})\right),---\left(3\right)$

这里，R₁，R₂分别为两个环形腔1、2的棱镜-空气界面的反射率，l₁，l₂分别为光在两个环形腔1、2中的光程长。为了得到所需的平坦化光谱透射率，光在环形腔中的光程长与光从入射第1级环形腔对交面到入射第2级环形腔对交面过程中在棱镜中所经过的距离之间满足一定的关系，可表示为：

$\frac{l_i}{2}=(n_2-n_1)L,---\left(4\right)$

这里i＝1，2。奇偶数信号分离器的光谱周期为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{C}{(n_2-n_1)L}---\left(5\right)$

这里C为光速。

二.色散特性及补偿

奇偶数信号分离器的群时延为：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{2}\·\frac{\∂}{\∂\mathrm{\ω}}({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2),---\left(6\right)$

这里，ω＝2πC/λ，其为光学角频率。按照色散定义D(λ)＝τ/λ，该奇偶数信号分离器的色散可表示为：

$D\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2r_1(1-{r_1}^2)\·{\left(\frac{{\mathrm{\πl}}_1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\·\sin \left(\frac{2{\mathrm{\πl}}_1}{\mathrm{\λ}}\right)}{\mathrm{\πc}{[1+{r_1}^2+{2r}_1\cos \left(\frac{{2\mathrm{\πl}}_1}{\mathrm{\λ}}\right)]}^2}+\frac{2r_2(1-{r_2}^2)\·{\left(\frac{\mathrm{\π}{l}_2}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\·\sin \left(\frac{2{\mathrm{\πl}}_2}{\mathrm{\λ}}\right)}{\mathrm{\πc}{[1+{r_2}^2+2r_2\cos \left(\frac{2{\mathrm{\πl}}_2}{\mathrm{\λ}}\right)]}^2},---\left(7\right)$

这里， $r_1(=\sqrt{R_1}),$ $r_1(=\sqrt{R_2})$ 分别为环形腔1和2的棱镜-空气界面的振幅反射系数。

三.奇偶信号的分离

本器件的核心元件为由两个环形腔对级联构成的级联环形腔对5，第一级环形腔对14的交面薄膜作分束之用，两个环形腔分别对分束之后的两束光进行位相调制，这两束光随后在第二级环形腔对15的交面薄膜处发生干涉。光在两个环形腔中发生的位相平移取决于其中的两个棱镜16的折射率，因此通过合适选择两个棱镜16的折射率可产生具有平坦通带和平坦阻带的平坦化光谱透射率，同时保持最大透射率为1，最小透射率为0，从而使处于通带的奇信号与处于阻带的偶信号得到分离。

四.其它

上述所说的输入半波片4和第一、第二输出半波片6、10中，半波片的快轴(或慢轴)与输入光的偏振方向的夹角为45°，上述所说的偏振分束器3和第一、二偏振合束器7、11采用双折射晶体片，上述所说的级联环形腔对5中的各棱镜采用各向同性材料如玻璃。

图1是本实用新型实施例的光学系统结构示意图。

本实施例主要用于25GHz波分复用信号的奇偶分离。整体结构见附图1。环形腔的最优化棱镜-空气界面的反射率分别为R₁＝0.5560，R₂＝0.0710。按照公式(1)及折射定律，可计算棱镜16的反射率分别为n₁＝1.399，n₂＝1.224。由公式(5)可计算光从入射第1级环形腔对交面到入射第2级环形腔对交面过程中在棱镜中所经过的距离为L＝0.343m。由公式(4)可计算光在两个环形腔中的光程长分别为l₁＝l₂＝0.012m。图4为该实施例的信道隔离度。可以看出隔离度大于32dB。图5为0.5dB处的通带宽度。从图5可知0.5dB处的通带宽度为24GHz，它是该频率间隔的96％。图6为30dB处的阻带宽度。从图6可知30dB处的阻带宽度为21.2GHz，它是该频率间隔的84.8％。

用于补偿色散的两个环形腔中的棱镜折射率为1.413，光在该环形腔中的光程长为11991.7μm。图7为该补偿器及补偿长和补偿后的奇偶数信号分离器的色散特性。从图7可知，补偿前，在中心频率193，400±2GHz的通带范围内色散为±90ps/nm，补偿后在相同的通带范围内色散为±50ps/nm。当通带范围为中心频率193，400±1GHz时，色散可为±10ps/nm。

Claims (5)

1.一种基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器，包括一个输入光纤(1)、一个第一输出光纤(9)和一个第二输出光纤(13)，其特征在于：

1)沿所述的输入光纤(1)输出光束前进的方向依次设有一个准直透镜(2)、一个偏振分束器(3)、一个输入半波片(4)和一个级联环形腔对(5)；沿级联环形腔对(5)输出水平光束前进方向依次设有一个第一输出半波片(6)、一个第一偏振合束器(7)、一个第一聚焦透镜(8)及位于该第一聚焦透镜(8)焦点的所述的第一输出光纤(9)；

2)沿级联环形腔对(5)输出垂直光束前进方向依次设有一个第二输出半波片(10)、一个第二偏振合束器(11)、一个第二聚焦透镜(12)及位于该第二聚焦透镜(12)焦点的所述的第二输出光纤(13)。

2.根据权利要求1所述的基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器，其特征在于所述的级联环形腔对(5)是由两个相同结构的环形腔对(14、15)级联而构成，其中每个环形腔对(14、15)中的两个环形腔结构相同，每个环形腔均由一棱镜(16)和两个反射镜(17、18)组成，且两个反射镜(17、1 8)与棱镜(16)对称放置，即棱镜(16)与两反射镜(17、18)所成的角度相等。

3.根据权利要求2所述的基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器，其特征在于所述每个环形腔对(14、15)中的两个棱镜(16)大小相等、结构相同，棱镜(16)的平面结构均为一五边形，是将底角等于45°的等腰梯形在一底角切掉了一个斜边为该梯形下底一部分的等腰直角三角形的五边形；此外，每个环形腔对(14、15)中的两棱镜(16)交面镀有半透半反薄膜。

4.根据权利要求2所述的基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器，其特征在于所述环形腔对(14、15)中的两个棱镜(16)采用各向同性材料或者有不同折射率的玻璃；第一级环形腔对(14)中的两个棱镜(16)材料不同，而第二级环形腔对(15)中的两个棱镜材料(16)相同。

5.根据权利要求1所述的基于级联环形腔对结构的奇偶数信号分离器，其特征在于所述的偏振分束器(3)和第一、第二偏振合束器(7，11)采用双折射晶体。

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