专利名称：电光调谐平顶滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统中应用的具有平坦化通带和阻带特性的可调谐滤波器件，其主要用于密集波分复用(DWDM)系统中的波分复用信号的波长选择，还可用于一切需要平坦化光谱透射率函数的调谐滤波器。
背景技术：
只允许特定波长(频率)的光顺利通过的器件称为光学滤波器，如果所通过的波长(频率)可以改变，则称为波长可调谐滤波器。这种器件在波分复用(WDM)系统、全光交换系统等领域具有广泛的应用价值。DWDM因其在技术、成本等方面的优势，在光纤通信系统和网络扩容中扮演着重要角色。为了分离一系列在同一根光纤上同时传送的各路等频率间隔的单一载频波分复用信号，需要采用解复用器将波分复用信号按波长的不同进行分离。可调谐滤波器则是实现上述功能的关键元件之一。随着波分复用密度的不断增加，相邻波长间间隔不断减小，这就对滤波器提出了更高的光谱分辨要求。需要采用更窄频率间隔的器件来分离信号，有效地提高通信容量。为有效分离各信号，滤波器必须具有大平坦宽度及高对比度的通带和阻带。此外，高的调谐速度也是DWDM系统对该器件的一个不可缺少的性能要求。
在先技术[1](参见Stephen R.Mallinson，Appl.Opt.，26(3)，1987，430-436)中所描述的是一种利用Fabry-Perot干涉仪实现可调谐滤波器的方法。其是利用机械方法、热效应或电光效应等来改变腔的光程长以实现可调谐特性。该滤波器虽然实现了波长调谐特性，但其并不具备平坦而高对比度的通带和阻带的特性。
在先技术[2](参见A.M.Title and W.J.Rosenberg，Opt.Eng.，20(6)，1981，815-823)中描述的是一种可调谐的双折射滤波器。其中最常用的调谐结构由一个起偏和检偏器、一双折射波片和一个四分之一波片而构成，通过旋转检偏器以实现调谐。该滤波器虽然也实现了调谐特性，但其也不具备平坦而高对比度的通带和阻带的特性。此外，其调谐速度也不高。
在先技术[3](参见M.Oguma，K.Jinguji，T.Kitoh，T.Shibata and A.Himeno，Electron.Lett.，36(15)，2000，1299-1300)中描述的是一种基于平面波导格子结构的光交错复用滤波器。其采用了两级格子结构，利用平面波导线路技术实现了插入损耗0.9dB、1dB带宽140GHz的用于200GHz频率间隔信号分离的平顶滤波器。该滤波器实现了通带和阻带的平坦特性，但其不具备波长的可调谐特性。此外，该滤波器的频率间隔也不够小，因而不能够分离频率间隔越来越小的复用信号。
在先技术[4](参见参见W.J.Carlsen and C.F.Buhrer，Eltctron.Lett.，23(3)，1987，106-107)描述的是一种产生平坦化光谱透射率函数的级联双折射偏振干涉技术。其采用的光学系统结构为一块起偏器和检偏器中间放置有厚度比为1∶2∶2的三块同样材料的双折射晶体波片。通过逆推计算方法计算出了所需的各块晶体相对于起偏器的偏角值(此时起偏器与检偏器平行)。但它在通带和阻带的抖动不大于1％时，只得到了一组晶体偏角值，而且在通带和阻带抖动不大于0.1％时，通带或阻带的宽度与周期的比值不到3％。因而要得到抖动较小的光谱透射率函数时，该结构则需要大尺寸，高光学质量，高双折射的晶体，而这类晶体品种很少，所利用的是高阶波片，制做困难。此外因为天然或人工制造的双折射晶体所具有的双折射都较小，这也就限制了其实现50GHz或更小频率间隔的复用信号的分离。
在先技术[5](参见P.V.Lenzo，E.G.Spencer and K.Nassau，JOSA，56(5)，1966，633-635)中描述了对电光晶体铌酸锂进行电光调制时的几种电光结构。其中所述的这几种结构分别利用的是电光系数γ13、γ22和γ33的电光效应。由于电光系数值最大的γ33也只有32.2×10-12m/v，因而调制时所加电压较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的困难，提供一种电光调谐平顶滤波器，该滤波器在具有大平坦宽度的通带和阻带及高隔离度的同时，还具有低电压和高速的波长调谐的特性。
本发明的构思是采用级联的模拟双折射模块结构，通过控制各模拟双折射模块中偏振旋转片的旋转角和光在各模拟双折射模块中的光程差，以实现具有大平坦宽度的通带和阻带、高的隔离度和很小的光谱频率间隔的特性，其中各模拟双折射模块中的两介质分别采用光学玻璃和电光晶体材料，通过优化切割晶体和选择所加电压的结构以实现低电压和高调谐速度的可调谐滤波器。
本发明的具体技术解决方案如下，其特征在于它包括输入光纤，自输入光纤沿光束前进的方向依次设有准直透镜、起偏器、K(K≥1)个级联模拟双折射模块、检偏器、聚焦透镜和输出光纤，该K个级联模拟双折射模块的每一模拟双折射模块又由输入偏振旋转片、偏振分束片、第一介质、第二介质、半波片、偏振合束片以及输出偏振旋转片组成，第一介质在形状上为一矩形薄片，其为各项同性材料，第二介质为各项异性材料，该第二介质的形状为一平行六面体，其两个底面为矩形，但第二介质的入射和出射面与竖直方向成一夹角δ，第二介质的光轴在入射面内且与竖直方向成一角度α，该第二介质应在与通光方向的竖直方向加电压。
所说的偏振分束片和偏振合束片可采用双折射晶体或偏光棱镜组合。
所说的半波片的快轴或慢轴与输入光的偏振方向成45°夹角。
所说的角δ和α的大小由下列方程联立求出tgρ1=(1-no2ne2)tgα1+no2ne2tg2α,]]>α+ρ1=π2-Φ,]]>tgρ2=(1-no2ne2)tgη1+no2ne2tg2η,]]>sinδ＝n′sinβ，β＝δ+α，n′=no2ne2no2sin2η+ne2cos2η,]]>η=π2-α+ρ2,]]>式中Φ为晶体光轴与光线S1方向的夹角，ρ表示光线和波法线方向的夹角，δ表示进行偏移补偿前后晶体界面的夹角，β为K2与界面2法线的夹角，这里ρ为负值，η为K2和光轴的夹角，K2是补赏后波法线方向。
所述的第一介质为玻璃。
所述的第二介质为各项异性晶体。
所述的第二介质最常用的是铌酸锂晶体。
本发明的技术效果
本发明同时实现了大平坦而高对比度的通带和阻带的光谱特性以及波长的高速调谐特性，此外，还具有很小的光谱频率间隔的特点。与各在先技术相比，克服了在先技术[1]的不能同时实现平坦通带和阻带的光谱特性和波长的调谐特性；克服了在先技术[2]的调谐时速度低的不足，而且还实现了大平坦而高对比度的通带和阻带的光谱特性；克服了在先技术[3]的频率间隔较大的不足，同时还实现了波长的高速调谐特性；克服了在先技术[4]的不能实现大平坦而高对比度的通带和阻带的光谱特性以及频率间隔较大的困难，而且还同时实现了波长的高速调谐特性；克服了在先技术[5]的调谐时所加电压较大的不足，同时还实现了大平坦而高对比度的通带和阻带的光谱特性。
图1为本发明电光调谐平顶滤波器的结构示意图。
图2为图1中的级联模拟双折射模块中模拟双折射模块401的结构示意图。
图3为补偿光在模拟双折射模块的第二介质中传播时产生的偏移的原理图。
图4为该实施例的平坦化光谱调谐特性图。
具体实施例方式请先参阅图1，由图可见，本发明的电光调谐平顶滤波器包括输入光纤1，沿光束前进的方向依次设有准直透镜2，起偏器3，K(K≥1)个级联模拟双折射模块4，检偏器5，聚焦透镜6和输出光纤7。
K个级联模拟双折射模块依次由模拟双折射模块401、402...、40K级联组成。所说的上述模拟双折射模块的结构如图2所示。该结构的模拟双折射模块由输入偏振旋转片401-1，偏振分束片401-2，第一介质401-3，第二介质401-4，半波片401-5，偏振合束片401-6以及输出偏振旋转片401-7所组成。第一介质401-3在形状上为一矩形薄片，第二介质401-4与第一介质401-3形状上的不同之处在于第二介质401-4的入射和出射面与竖直方向成一定夹角。第一介质401-2为各项同性材料，而第二介质401-3为各项异性材料，其光轴在入射面内，并与入射界面成一定夹角。偏振分束片和偏振合束片可采用双折射晶体或偏光棱镜组合。半波片的快轴或慢轴与输入光的偏振方向成45°夹角。
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，其入射起偏器3后偏振方向与起偏器偏振方向相同，接着入射级联模拟双折射模块4。从级联模拟双折射模块4输出的光束接着入射检偏器5，从检偏器5出射的光束经聚焦透镜6聚焦并耦合入输出光纤7中而最终输出。
起偏器3和检偏器5之间的的级联模拟双折射模块4是整个系统的核心。如图1所示，光束垂直入射模拟双折射模块401，首先经输入偏振旋转片401-1偏振方向旋转了一定角度，接着垂直入射偏振分束片401-2，在在水平方向上被分解为偏振状态互相正交的两束光，这两束光接着分别入射第一介质401-3和第二介质401-4，经过两介质后分别产生一定的延迟，由于半波片401-5的快轴(或慢轴)与输入光的偏振方向成45°夹角，因而经过半波片后，这两束光偏振方向均旋转了90°，从而经过偏振合束片401-6后，这两束光被合并为一束光，最后经输出偏振旋转片401-7后而输出模拟双折射模块401。由于各模拟双折射模块中的偏振旋转片的偏振旋转角各不相同，则原来在模拟双折射模块401中的两光束在模拟双折射模块402中又会分别分解为偏振状态互相垂直的两光束，经过模拟双折射模块402后又分别产生一定的位相延迟，以此方式经过多个该同样结构的模拟双折射模块后共产生多个位相互不相同的光束，最后这些光束在检偏器的方向上发生多光束干涉而输出。每个模拟双折射模块等效组成了具有不同双折射延迟和不同取向(即方位角)的双折射波片，其中双折射来源于两介质的折射率之差，而方位角等效为其中的偏振旋转片的偏振旋转角。一个模拟双折射模块的偏振干涉滤波器产生余弦形的光谱透射率函数，因此多个模拟双折射模块级联产生的光谱透射率不仅包含它们各自的基频项，而且还包含它们的和差组合项，光谱透射率函数是一个由多个不同的光谱频率项组成的基数，通过调整和控制光在各模拟双折射模块中的光程差以及偏振旋转片的旋转角度可使该级数接近周期矩形函数的傅立叶级数，从而产生平坦的透过通带和阻带，同时保持最大透射率和最小透射率分别为1和0。此外，由于模拟双折射模块中的两介质分别为各向同性介质(如玻璃)和各项异性介质(如晶体)，因而双折射可很大，最大可达0.8左右，从而可实现很小的光谱频率间隔。
对于上述发明的分析如下一.关于模拟双折射模块当采用双折射晶体作为偏振分束片40K-2和40K-6时，非寻常光偏离寻常光的偏离角α1为
tgα1=(no2ne2-1)ctgβ11+no2ne2ctg2β1,....(1)]]>其中，no为寻常光折射率，ne为非寻常(异)光折射率，β1为光轴与晶体介面的夹角。
结构如图2所示的模拟双折射模块中，寻常光和非寻常光的位相延迟为 每个模拟波片的相位延迟可以表达为偏振干涉的光谱周期Δfk或等效时延γk为 其中na，K为第K个模拟双折射模块中的第一介质40K-3的折射率，nb，K为光在第K个模拟双折射模块中的第二介质40K-4中传播时的折射率，Lk为第一和第二介质的通光方向的长度(也即为第一介质40K-3的长度)，C为光速，λ为入射光的波长。
二.关于其它元件上述所说的模拟双折射模块中的输入和输出偏振旋转片40K-1和40K-7可采用旋光片或半波片。其中旋光片由双面抛光的旋光晶体构成，旋光晶体的旋光率为ε(度/毫米)，当相对于入射旋转片的入射光的偏振方向旋转偏振角度ξ时，旋光片的通光长度l(mm)为l=ξϵ,.....(4)]]>当使用半波片，所需的偏振旋转角度为ξ时，半波片的快轴(或慢轴)与输入光的偏振方向的夹角θ为θ=ξ2.........(5)]]>三.光谱透射率的表达式按照琼斯矩阵理论，该滤波器的光谱透射率可表示为T(f)＝T0+T1cos(2πγ′1f)+T2cos(2πγ′2f)+...+Tncos(2πγ′nf)+...， (6)其中，T1，T2...Tn为与各模拟双折射模块中偏振旋转片的旋转角θk(k＝1，2，3...)以及检偏器和起偏器偏振方向的夹角θp有关的系数，γ′1，γ′2，...γ′n为γk的和项、差项或和差项的任意组合。
四.平坦化光谱透射率为得到平坦化的通带和阻带，各模拟双折射模块中偏振旋转片的旋转角θk、检偏器和起偏器偏振方向的夹角θp以及光在各模拟双折射模块中的光程差应满足一定的条件。下表为当K＝3，光在各模拟双折射模块中的光程差满足1∶2∶4时，在通带和阻带的平坦宽度大于1/5周期，抖动不大于0.1％(即隔离度-30dB)的平坦化要求下，各模拟双折射模块中偏振旋转片的旋转角θk、检偏器和起偏器偏振方向的夹角θp所满足的条件。
五.波长的可调谐特性调节光在各模拟双折射模块中的光程差可实现中心波长的调谐特性。为了不使平坦化光谱透射率的波形受到各模拟双折射模块中的光程差变化的影响，同时还应保持光在各模拟双折射模块中的光程差始终满足一定的比例(如1∶2∶4)。我们通过一次电光效应来改变各模拟双折射模块中第二介质的折射率，从而可调节光在各模拟双折射模块中的光程差。这里以铌酸锂为例来说明。
假设正交的x，y和z轴与晶体的晶轴a，b和c重合，角Φ为z轴与光传播方向r(也即X3方向)的夹角，角θ为平面rz与xz的夹角，电场方向垂直于r，ζ为电场方向与rz平面的夹角，X2在rz平面内，并与X3正交，X1、X2和X3也组成一个正交系。
折射率椭球在X1X2平面内的横截面可表示为B11X12+B22X22+2B12X1X2＝1， (7)其中系数B11，B22和B12由以下各式决定
B11＝n0-2+γ22Exsin2θ+γ22Eycos2θ+γ13Ez，(8)B22＝ni-2-(γ22sin2θcos2Φ+γ51cosθsin2Φ)Ex-(γ22cos2θcosΦ+γ51sinθsin2Φ)Ey， (9)+(γ13cos2Φ+γ33sin2Φ)EzB12＝(γ22cos2θcosΦ-γ51sinθsinΦ)Ez-(γ22sin2θcosΦ-γ51cosθsinΦ)Ey’(10)这里ni=1/no-2cos2Φ+ne-2sin2Φ,...(11)]]>γ22、γ51、γ13和γ33为晶体的电光系数。
主轴变换后，折射率椭球可表示为λ1X1′2+λ2X2′2＝1， (12)这里λ1和λ2为方程λ2-(B11+B22)λ+(B11B22-B122)＝0， (13)的两个解，可表示为λ1,2=(B11+B22)±(B11+B22)2-4(B11B22-B122)2....(14)]]>考虑到B11，B22和B12的值，我们可忽略式(7)的主轴绕X3的旋转，因而 和 看作为电场作用时的主折射率。
电场E与其三个方向的分量Ex，Ey，Ez满足下式所表达的关系 将式(15)代入(8)和(9)，可得主折射率可表达为n1=no+12no3(γ22sinζcos3θ+γ22cosζcosΦsin3θ-γ13cosζsinΦ)E.......(16)]]>n2=ni-12ni3(γ22cos2Φsinζcos3θ+γ22cos3Φcosζsin3θ]]>+γ51sin2ΦcosζcosΦ+γ13cos2ΦcosζsinΦ+γ33sin3Φcosζ)E.]]>
式(16)(17)中等号后的第二项为加电压时主折射率的变化，为了得到最小的电压，该项中电场E的系数应该最大。例如对(17)来说，如果令Q＝γ22cos2Φsinζcos3θ+γ22cos3Φcosζsin3θ+γ51sin2ΦcosζcosΦ+γ13cos2ΦcosζsinΦ+γ33sin3Φcosζ(18)则应使Q的值最大。由上式可计算得当θ＝30°+k·120°，ζ＝0，andΦ＝43.07°时Q的值最大。
当所加电场沿X2方向，光的传播和偏振方向分别为方向X3和X2时，光在第K个模拟双折射模块中的光程差可表示为Δk=(ni-na,k)·Lk-12ni3γequ·Vd·Lk,....(19)]]>这里γequ为γequ＝γ22cos2Φsinξcos3θ+γ22cos3Φcosξsin3θ+γ51sin2ΦcosξcosΦ+γ13cos2ΦcosξsinΦ+γ33sin3Φcosξ， (20)其可被认为是晶体沿θopt＝30°+k·120°(k为整数)，Φopt＝43.07°andζopt＝0°方向优化切割时的等效电光系数，V为沿X2方向的电场，d为晶体沿X2方向的厚度。
式(19)中等号后第一项为不加电压时的光程差，第二项为电致光程差的变化，可看出当晶体采用上述切割及电压结构时，光程差Δ1，Δ2和Δ3可始终保持最初的比例不变。
下表为上述优化切割晶体的电光结构与电光结构(E‖z；light‖x or y)的比较
γ所利用的电光系数
Vπ当纵横比为1时，对非常光进行调制时的半波电压Vp当纵横比为1时，中心频率平移一个周期所加的电压六.Walk-off补偿方法为了补偿光在晶体中传播所产生的偏移，我们采用将晶体的入射和出射面加工成与竖直方向成一定角度的方法来进行补偿。原理如下图3为补偿光在晶体中传播所产生的偏移的原理图。界面1、1|和2、2|分别为补偿前和补偿后的晶体的入射和出射面。下标1和2分别代表补偿前和补偿后的情况，符号S和K分别表示光线方向和波法线方向。Φ为晶体光轴与光线S1方向的夹角，ρ表示光线和波法线方向的夹角，δ表示进行偏移补偿前后晶体界面的夹角，β为K2与界面2法线的夹角。这里ρ为负值。
当光线垂直入射晶体界面1时(补偿前)，角ρ1可用α表示为tgρ1=(1-no2ne2)tgα1+no2ne2tg2α,....(21)]]>α+ρ1=π2-Φ,......(22)]]>由以上两式可求出α和ρ1。
当光线倾斜入射晶体界面2时(补偿后)，存在如下关系tgρ2=(1-no2ne2)tgη1+no2ne2tg2η,...(23)]]>sinδ＝n′sinβ，(24)β＝δ+α， (25)n′=no2ne2no2sin2η+ne2cos2η,...(26)]]>η=π2-α+ρ2,...(27)]]>这里η为K2和光轴的夹角。为了清楚起见角η没有在图中表明。由以上各式可求解出δ。可以看出，在该结构中偏移被补偿了。但同时可看出该偏移的补偿是以改变光轴与光线方向的夹角为代价的。但由于该角度变化很小，所以该变化对γopt的影响可忽略。
图1为本发明K＝3的实施例的光学系统结构示意图。本实施例用于频率间隔50GHz的电光调谐平顶滤波器。波长在0.6328μm附近。三个模拟双折射模块中，第一介质和第二介质均为光学K9玻璃和铌酸锂晶体。第一介质的折射率na，K为na，K＝1.51466，第二介质的寻常光和非寻常光的折射率分别为no＝2.286，ne＝2.22。第一介质的长度(也即沿通光方向(水平面)的第二介质的长度)为Lk＝4.1mm。
下表为计算所得的补偿偏移时所需的切割铌酸锂晶体的各参数值，其中各参数的含义如图3所示。
由上表可得第二介质的入射面与水平面的夹角为δ的余角，即为87.02°，光轴在入射面内与界面成51.57°夹角。所加电压方向为X2，即沿竖直方向加电压。图4为该滤波器的平坦化光谱调谐特性图。
权利要求
1.一种电光调谐平顶滤波器，其特征在于它包括输入光纤(1)，自输入光纤(1)沿光束前进的方向依次设有准直透镜(2)、起偏器(3)、K(K≥1)个级联模拟双折射模块(4)、检偏器(5)、聚焦透镜(6)和输出光纤(7)，该K个级联模拟双折射模块(4)依次由模拟双折射模块401、402...、40K级联组成，所说的模拟双折射模块(401)由输入偏振旋转片(401-1)、偏振分束片(401-2)、第一介质(401-3)、第二介质(401-4)、半波片(401-5)、偏振合束片(401-6)以及输出偏振旋转片(401-7)组成，第一介质(401-3)在形状上为一矩形薄片，其为各项同性材料，第二介质(401-4)为各项异性材料，该第二介质(401-4)的形状为一平行六面体，其两个底面为矩形，但第二介质401-4的入射和出射面与竖直方向成一夹角δ，第二介质(401-4)的光轴在入射面内且与竖直方向成一角度α，第二介质(401-4)的通光方向为水平方向时，则沿竖直方向加电压。
2.根据权利要求1所述的电光调谐平顶滤波器，其特征在于所说的偏振分束片和偏振合束片可采用双折射晶体或偏光棱镜组合。
3.根据权利要求1所述的电光调谐平顶滤波器，其特征在于所说的半波片的快轴或慢轴与输入光的偏振方向成45°夹角。
4.根据权利要求1所述的电光调谐平顶滤波器，其特征在于所说的中角δ和α的大小由下列方程联立求出tgρ1=(1-no2ne2)tgα1+no2ne2tg2α,.......(21)]]>α+ρ1=π2-Φ,.....(22)]]>tgρ2=(1-no2ne2)tgη1+no2ne2tg2η,.....(23)]]>sinδ＝n′sinβ，(24)β＝δ+α， (25)n′=no2ne2no2sin2η+ne2cos2η,....(26)]]>η=π2-α+ρ2,....(27)]]>式中Φ为晶体光轴与光线S1方向的夹角，ρ表示光线和波法线方向的夹角，δ表示进行偏移补偿前后晶体界面的夹角，β为K2与界面2法线的夹角，这里ρ为负值，η为K2和光轴的夹角，K2是补赏后波法线方向。
5.根据权利要求1所述的电光调谐平顶滤波器，其特征在于所述的第一介质(401-3)为玻璃。
6.根据权利要求1所述的电光调谐平顶滤波器，其特征在于所述的第二介质(401-4)为各项异性晶体。
7.根据权利要求7所述的电光调谐平顶滤波器，其特征在于所述的第二介质(401-4)为铌酸锂晶体。
全文摘要
一种电光调谐平顶滤波器，它是采用级联的模拟双折射模块结构，通过控制各模拟双折射模块中偏振旋转片的旋转角和光在各模拟双折射模块中的光程差，以实现具有大平坦宽度的通带和阻带、高的隔离度和很小的光谱频率间隔的特性，其中各模拟双折射模块中的两介质分别采用光学玻璃和电光晶体材料，通过优化切割晶体和选择所加电压的结构以实现低电压和高调谐速度的可调谐滤波器。本发明具有大平坦宽度的通带和阻带及高隔离度的同时，还具有低电压和高速的波长调谐等特性。
文档编号H04J14/02GK1490637SQ03141749
公开日2004年4月21日 申请日期2003年7月22日 优先权日2003年7月22日
发明者张娟, 刘立人, 周煜, 刘德安, 宋哲, 任海霞, 张 娟 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所