CN201039195Y - 锥光纤环形腔光交叉波分复用器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光导和其它光学元件的装置，尤其属于有多波长选择分复用功能装置的锥光纤环形腔光交叉波分复用器。本实用新型为一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，其结构要点在于它包括光纤、环形腔，环形腔水平中截面的外径大于光纤的直径，每根光纤拉成中部细的锥型，形成锥光纤，光纤与环形腔间隔布置，相邻两条光纤的锥腰与环形腔水平中截面的外圆相切。本实用新型的优点在于，对输入、输出光处理方便，结构紧凑，耦合效率较高，信道损耗小，可实现光集成化，可工业化生产。

Description

锥光纤环形腔光交叉波分复用器

技术领域

本实用新型属于光导和其它光学元件的装置，尤其属于有多波长选择分复用功能装置的锥光纤环形腔光交叉波分复用器。

背景技术

现有的光交叉波分复用器6如图1所示，把单组输入密集波5分成奇偶两组等间隔方式光信道输出，或将奇偶两组等间隔方式光信道输入复合为一组信号输出。

目前光交叉波分复用器主要有三种：全光纤马赫-曾德尔干涉仪型(Al1fiber Mach-Zehnder interferometer)、麦克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)加GTR(Gires-Tournois Resonator)型和利用偏振光干涉的双折射晶体型。其中基于双折射晶体设计光交叉波分复用器是目前实现光交叉复用/解复用功能的重要途径，它是利用晶体的双折射和偏振光的干涉原理来实现的。目前商用化的光交叉波分复用器(Interleaver)是基于钒酸镱(YVO₄)双折射晶体设计的，这种商用的双折射晶体型光交叉波分复用器具有体积较大、结构复杂、与光纤的耦合效率低而光损耗较大(1.5-1.8dB)、成本高等缺点。采用全光纤设计MZI型的优势在于结构简单、具有较低的偏振相关损耗和附加损耗，但它存在的主要问题是隔离度小、温度稳定性差而很难达到实际应用。

为了得到较大的信道间隔，光交叉波分复用器可串接使用，图2表示了由三个光交叉波分复用器按两级结构串联放在一起的输入输出关系。其中图右两个光交叉波分复用器输入输出信道间隔分别是图左光交叉波分复用器输入输出信道间隔的两倍。假如最左边输入光信号信道间隔是50GHz，则经第一级光交叉波分复用器后信道间隔变为100GHz，再经过第二级光交叉波分复用器后在最右边输出光信号信道间隔变为200GHz，从而大大减低原输入信道间隔50GHz光信号的接收和处理的技术难度。当然，光交叉波分复用器还可以三级甚至四级串放，但其插入损耗较大，实际应用较为少见。

发明内容

本实用新型目的在于克服目前光交叉波分复用器的缺点，提供一种耦合效率较高、光损耗较小、性能更佳、可光集成化的、并可工业化生产的、替代现有商用光交叉波分复用器的锥光纤环形腔光交叉波分复用器。

本实用新型所采用的技术方案为一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，其结构要点在于它包括光纤、环形腔，环形腔水平中截面的外径大于光纤的直径，每根光纤拉成中部细的锥型，形成锥光纤，光纤与环形腔间隔布置，相邻两条光纤的锥腰与环形腔水平中截面的外圆相切。

本实用新型的工作原理为：

光学介质环形腔内部存在着一系列特别高品质因子(Q值)(可达1×10⁸).和非常小模式体积的回廊模，简称WG模，这些WG模式的频率与环形腔的尺寸、介质折射率有关，当耦合到环形腔WG模的信号光波为其形貌特征谐振谱时，就与环形腔形成共振，能耦合入/出环形腔。但WG模式所对应的近球表面的光场分布却是一倏逝波，不为传播波。因此，若信号光波以平面波方式直接照射环形腔谐振器，由于很大部分光穿过环形腔而没能耦合到WG模式中，因而耦合效率很低。锥光纤(特别是锥腰直径为1-3微米的)是一种近场耦合器，它产生倏逝波，能与环形腔的WG模式有很高的耦合效率，这样将锥光纤与环形腔相组合就构成了一种高效窄带光交叉波分复用器。通过测试得知，对谐振波长锥光纤与环形腔间光的耦合效率可达90％。

为了使光纤和环形腔有一良好的固定，本实用新型还设计了一个承载基片，将环形腔直接制在承载基片上，在承载基片上制有若干条平行的能容纳光纤的V型槽，两V型槽中心间距为环形腔的外环直径与锥光纤的锥腰直径的和，锥光纤固定于V型槽中，在两V型槽之间的中部制有一个环形腔，相邻两条光纤的锥腰与环形腔水平中截面的外圆相切。

具体设计为：一种光交叉波分复用器它由二条光纤制成的锥光纤、一个SiO₂环形腔、一个承载基片组成，承载基片的材料选用晶向为<100>的单晶硅，刻蚀有二条平行的V型槽，V型槽的顶部宽度大于光纤外径的0.82倍，最佳为1.22倍。

可以选择不同的环形腔(不同直径和折射率)来达到选择不同波长间隔的梳状光信号的目的。

这组等间隔的环形腔谐振光谱间隔由其自由光谱范围公式决定：

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;nR}}$

C为光在真空中的速度；n为制作环形腔的介质折射率，R为环形腔的半径，R＝D/2。

取C＝3.0*10⁸m/s，n＝1.465 π＝3.14159

(1)设Δυ＝200GHz＝FSRΔλ＝1.6nm

$R=D/2;R=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;nFSR}}=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;n\&Delta;\&upsi;}}$

得R＝0.162957mm＝162.96μm

(2)设Δυ＝100GHz＝FSR，Δλ＝0.8nm

得R＝0.3259148mm＝325.9148μm；

(3)设Δυ＝50GHz＝FSR，Δλ＝0.4nm

得R＝0.6518300mm＝651.830μm

本实用新型的优点在于，对输入、输出光处理方便、简单，结构紧凑，耦合效率较高，可实现光集成化，可工业化生产，实用性好。通过测试得知，对谐振波长锥光纤与环形腔间光的耦合效率可达90％，与目前商用晶体双折射型OCADM相比，本实用新型谱线带宽窄，分出插入波长信道损耗小，对直通信号波长损耗很小，适合密集波长信道的光纤通信。

附图说明

图1为现有光交叉波分复用器原理示意图

图2为两级光交叉波分复用器原理示意图

图3为本实用新型的结构示意图

图4为本实用新型实施例2的结构示意图

图5为图4的A-A放大2倍的剖视图

图6为图4的B-B放大2倍的剖视图

图7为本实用新型等间隔波分复用器原理示意图

图8为本实用新型实施例3的结构示意图

其中：1承载基片  11V型槽  2光纤  21锥腰23输入端口  24输出端口2 5分出端口  26插入端口  3环形腔  31水平中截面  32外圆  5波6光交叉波分复用器

具体实施方式

下面结合视图对本实用新型进行详细的描述

实施例1，如图3所示，一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，它包括光纤2、环形腔3，环形腔3水平中截面31的外径大于光纤2的直径，每根光纤拉成中部细的锥型，形成锥光纤，光纤2的直径为125μ，锥腰21直径为2.0μm，环形腔3的半径 $R=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;nFSR}}=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;n\&Delta;\&upsi;}}\mathrm{\&mu;m},$ 其中Δυ为信道间隔，C为光在真空中的速度，n为制作环形腔的介质折射率，FSR为环形腔谐振光谱的自由光谱范围，

取C＝3.0*10⁸m/s，n＝1.465  π＝3.14159

当Δυ＝100GHz＝FSR，Δλ＝0.8nm

得R＝0.3259148mm＝325.9148μm

即环形腔3的半径为325.9μm。

光纤2与环形腔3间隔布置，相邻两条光纤的锥腰21与环形腔3水平中截面31的外圆32相切。输入端口23输入一组DWDM光信号，当其中的某些光信号波长为环形腔3的谐振谱时，这些波长就耦合入环形腔3中，并从分出端口25分出(Drop)，相同波长的光从插入端口26插入(Add)，从输出端口24输出，实现了对一组波长的光波分复用功能(Add/Drop功能)。这种器件对不谐振波长信号损耗小(<0.3dB)，对谐振波长信号损耗(由锥光纤与环形腔耦合引起)也较小(<1dB)。

实施例1的应用，一组国际电联(ITU)规定的DWDM第21至第52标准信道为192 100GHz，192 200GHz，……195 200GHz，经过锥光纤环形腔光交叉波分复用器输出奇信道频率为：192 100GHz，192 300GHz，192 500GHz，……，195100GHz共16信道，输出偶信道频率为：192 200GHz，192 400GHz，192600GHz，……，195 200GHz共16信道。

实施例2，如图4所示，一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，它由二条光纤2制成的锥光纤、一个环形腔3、一个承载基片1组成，将环形腔3直接制在承载基片1上，承载基片1上刻蚀有二条平行的V型槽11和一个环形腔3，V型槽11的顶部宽度为光纤外径的1.22倍，光纤2的直径为125μm，锥腰21直径为2.0μm，环形腔3的半径 $R=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;nFSR}}=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;n\&Delta;\&upsi;}}\mathrm{\&mu;m},$ 其中Δυ为信道间隔，C为光在真空中的速度，n为制作环形腔的介质折射率，FSR为环形腔谐振光谱的自由光谱范围，

取C＝3.0*10⁸m/s，n＝1.465  π＝3.14159

当Δυ＝50GHz＝FSR；Δλ＝0.4nm

得R＝0.6518300mm＝651.830μm

即环形腔3的半径为651.83μ。

承载基片1的厚度为500μ，两V型槽中心间距为1305.66μm，V型槽11的顶部宽度为152.5μ，锥光纤的锥腰21与环形腔3的水平中截面在同一水平面上，相邻两条光纤的锥腰21分别与环形腔3水平中截面31的外圆32相切。承载基片1的材料选用晶向为<100>的单晶硅，V型槽11的顶部宽度为光纤外径的1.22倍。可以选择不同折射率的材料、和不同直径的环形腔来达到环形腔的谐振波长与ITU-T标准DWDM波长中心、波长间隔相一致，以达到对所选择的光信号进光梳状波分复用。

图5为图4的A-A放大2倍的剖视图，图6为图4的B-B放大2倍的剖视图，环形腔纵断面的直径d约为4-8μm，水平中截面直径D为几十微米---十几毫米。

利用本实用新型可以使如图7所示的光信号信道分成一组为等间隔的(如3的倍数信道)，另一组不等间隔的光信道输出方式。它使较窄信道间隔设计的DWDM，如100GHz(或50GHz)能进一步解复用成信道间隔为200GHz(或100GHz)的更疏松的DWDM系统。

实施例3，如图8所示，一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，它由三条光纤2制成的锥光纤、两个不同大小的环形腔3、一个承载基片1组成，承载基片1上刻蚀有三条平行的V型槽11和两个环形腔3，光纤2与环形腔3间隔布置，相邻两条光纤的锥腰21与环形腔3水平中截面31的外圆32相切。两V型槽中心间距为其中间的环形腔3的外环直径与锥光纤的锥腰21直径的和，利用该锥光纤环形腔光交叉波分复用器可同时分复用两组不同间隔的光信号。其余未述部分与上例相似。

Claims (6)

1.一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，其特征在于，它包括光纤(2)、环形腔(3)，环形腔(3)水平中截面(31)的外径大于光纤(2)的直径，每根光纤拉成中部细的锥型，形成锥光纤，光纤(2)与环形腔(3)间隔布置，相邻两条光纤的锥腰(21)与环形腔(3)水平中截面(31)的外圆(32)相切。

2.根据权利要求1所述的一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，其特征在于，它还有一个承载基片(1)，在承载基片(1)上制有若干条平行的能容纳光纤(2)的V型槽(11)，两V型槽中心间距为环形腔(3)的外环直径与锥光纤的锥腰(21)直径的和，锥光纤(2)固定于V型槽(11)中，在两V型槽之间的中部制有一个环形腔(3)，相邻两条光纤的锥腰(21)与环形腔(3)水平中截面(31)的外圆(32)相切。

3.根据权利要求2所述的一种锥光纤环形腔光交叉波分复用器，其特征在于，承载基片(1)的材料选用晶向为<100>的单晶硅，V型槽(11)的顶部宽度大于光纤外径的0.82倍，最佳为1.22倍。

4.根据权利要求2所述的一种锥光纤微球型光分插复用器，其特征在于，它由二条光纤(2)制成的锥光纤、一个环形腔(3)、一个承载基片(1)组成，承载基片(1)上刻蚀有二条平行的V型槽(11)和一个环形腔(3)，V型槽(11)的顶部宽度为光纤外径的1.22倍，锥光纤的锥腰(21)与环形腔(3)的水平中截面(31)在同一水平面上，相邻两条光纤的锥腰(21)分别与环形腔(3)水平中截面(31)的外圆(32)相切。

5.根据权利要求2所述的一种锥光纤环形腔型光分插复用器，其特征在于，它由三条光纤(2)制成的锥光纤、两个环形腔(3)、一个承载基片(1)组成，承载基片(1)上刻蚀有三条平行的V型槽(11)和两个环形腔(3)，V型槽(11)的顶部宽度为光纤外径的1.22倍，锥光纤的锥腰(21)与环形腔(3)的水平中截面(31)在同一水平面上，相邻两条光纤的锥腰(21)分别与环形腔(3)水平中截面(31)的外圆(32)相切。

6.根据权利要求1所述的一种锥光纤环形腔型光分插复用器，其特征在于，环形腔(3)的半径 $R=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;nFSR}}=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;n\&Delta;\&upsi;}}\mathrm{\&mu;m},$ 其中Δυ为信道间隔，C为光在真空中的速度，n制作环形腔的介质折射率，FSR为环形腔自由光谱范围，与其最佳匹配的锥光纤锥腰直径为1.5--3μm。

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