专利名称：用于光束的空间相位滤波器、系统、及相应方法
技术领域：
本发明涉及光衰减器，能按透视图呈个别的窄条或阵列形的形式，以及其他形式，成为WDM光网络的可变波长选择器的阻塞器。
背景技术：
该种类型功能的特性，是要求高的衰减(通常大于35dB)和工作在宽的带宽上，典型的是在50GHz到100GHz之间。有不同的技术用于达到该目的。
其中之一包括借助空间滤波器，在光学光束注入单模光纤之前，干扰该光束，以便激发更高阶的模，这些模为此而快速衰减。假定希望优化插入损耗，那么我们最好借助纯相位滤波器(为简单起见，通常是二元的)。
这一想法特别公开在Snyder的论文“Excitation and scattering ofmodes on a dielectric or optical fibre”中(刊登在杂志IEEE Trans.OnMicrowave Theory Vol.MIT 17，N°12 1969上)及M.Ikeda及K.Kitayama的论文“Transfer function of long spliced graded indexfibers with mode scramblers”中(刊登在杂志Applied Optics Vol.17，pp.63-67，1978上)。这些论文说明的技术，是基于在波导中引入吸收、散射、或衍射单元，以便激发更高阶的模。但是，这些现有技术的缺点，是不允许通过编程来调整参数。
Xtellus(注册商标)公司的国际专利申请WO 02/071133，是按照相对简单的不同实施例实现光纤的衰减器。按照该专利说明的技术，入射光束通过电可控的液晶区。电极是作为该区横截面中定义的像素而实现的。因此，按照图3a所示的第一实施例，分别以水平轴线301和垂直轴线300标记部分的一维分布曲线，把该部分分为相等宽度L的两部分，于是该分布曲线包括两个像素310和311，像素310由电极驱动。宽度L大于入射光束的半径R(在Gauss光束的情形，则是光束的颈部)，入射光束以它的标记302作为符号。因此，通过对像素310施加预定的电压，能够控制像素310，使它相对于像素311相位偏移，其相位偏移量-等于零，于是入射信号不衰减；或-等于π，入射信号变换为高阶模，阻止信号进入单模光纤，从而按照施加的电压，形成可变的衰减。
概括地说，施加在电极上的命令，能使入射信号变换或不变换为不能在输出光纤中传播的高阶模，从而使它衰减或不衰减。
按照专利申请WO 02/071133中另一个实施例，一部分的分布曲线是两维的，定义四个相等长度L的正方形区400到403，并由轴线300和301分开。每一区400到403，能够被不同的电极驱动。
该现有技术不方便之处，在于对较高阶模的耦合不是优化的。此外，它的实施方案既非是优化的，特别是适合使若干波长独立地滤波的实施例，也不是优化的。
另外一个实施例，当相对于入射光束存在定位误差时，对定位误差有较好的容差。然而，该另外的实施例对耦合系数(衰减动态损耗)不是优化的。
发明内容
本发明按照其不同特性，明显地具有克服现有技术不方便的目的。
更准确地说，本发明的一个目的，是面向优化的光学滤波器，用于单模光纤中的去耦合。
本发明的另一个目的，是使滤波器能相对简单地实现，特别是在窄条的或阵列式的形式中，特别能降低它们的尺寸。
本发明还有另一个目的，是保证良好的定位容差，从而便于光学上的安排。
本发明的一个目的，还在于能根据各种技术实现光学滤波器的嵌入。
为此，本发明提出的空间相位滤波器，能接收入射光束，以便把它发送至单模输出光纤，该滤波器适合基本上垂直于该光束的传播方向放置，并包括空间可变的相位分布曲线，还适合于激发输出光纤的渐逝模。该滤波器的显著特点，在于它有-可调整的相位分布图形，它基本上与至少在一维上的正态分布的至少一种分位数的组合对应；和-在该维上受入射光限制的相位偏移区衬垫(support)。
此外，该可调整图形服从的相位分布，基本上与该维或这些维上的正态分布的至少一种分位数的组合对应。因此，对在衬垫D(在(x，y)平面中)上有恒定信号振幅A的情形，该振幅能在1(当不存在衰减时)到0(当存在完全衰减时)之间改变，该对应于正态分布一种分位数的相位分布，按如下关系式∫D∫e-x222πdxe-y222πdy=11+A]]>按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，其分布曲线具有的可调整的相位分布图形，基本上在垂直于入射光束传播方向的维上，与正态分布的奇数四分位数对应。
因此，相位偏移区衬垫所受限制有-在一维上入射光束的足迹(在Gauss光束的情形，则是光束的颈部)，在该维上完全覆盖该可调整图形；或-在两维上入射光束的足迹(在Gauss光束的情形，则是光束的颈部)，在垂直于光束传播方向平面(横截面平面)的两维上，完全覆盖该可调整图形。
正态分布的一个奇数四分位数，按如下关系之一∫-∞qe-x222πdx=14]]>(四分位数1)或∫-∞qe-x222πdx=34]]>(四分位数3)这里q代表四分位数。后者代表滤波器可调整部分的极限(按照受限制的维上的x坐标)。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，它的相位分布，基本上在该维上与正态分布的奇数的第三四分位数对应。
这些一维的滤波器，对单模光纤中的去耦合是优化的。在这些滤波器中，奇数四分位数(特别是第三四分位数)，在考虑到它们在技术上的嵌入方面，有决定性的优点。它们特别能降低激活区相对于Gauss光束颈部的尺寸。
当若干个滤波器以窄条或阵列形式结合起来时，上述性质特别有价值，窄条或阵列形式是制作DCE(Dynamic Channel Equalizer，动态信道均衡器)或ROADM(Reconfigurable Optical Add & DropMultiplexer，可重建光学分插复用器)特别要求的，因为阶3四分位数的使用，能使各相位偏移或延迟区之间优化，在分辨率上没有任何损失，也没有任何附加的带宽约束。
当相位偏移装置包括电光调整单元(各向异性的(例如液晶型的)或各向同性的(例如纳米PDLC型的))时，3阶四分位数的使用也特别有价值，因为它们与光斑表面面积(与入射光束对应，以光束颈部覆盖的表面面积作参考)比较，能使激活区表面面积优化。这一点明显能限制由于相邻像素引起的横向场效应。
此外，在包括若干滤波器的系统中使用第三四分位数，能更易于居间区的光学钝化(包括例如光敏树脂、玻璃、硅、或任何其他很可能被蚀刻的单元，它们与可调整系统的中心区比较，承担固定的延迟(特别得益于电光或机电单元))。因而，获得的相位过渡比通过使用连续可调整的窄条(SLM)更陡峭。
此外，使用第三四分位数，当相位偏移材料是电光材料时，对把与两个滤波器对应的两个激活区分开的居间区，更易于电绝缘，从而降低横向场效应。
应当指出，把两个不同滤波器分开的材料，可以既是电绝缘体，也是光学钝化体。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，该组合在垂直于入射光束传播方向上，至少是两个正态分布分位数的一个差值之和，该和等于1/4或3/4。
滤波器因此是优化的。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，它是轴线对称的。
因此，滤波器对相对于入射光束的定位误差，有较好的容差。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，它的分布曲线有-可调整的相位分布图形，基本上在相对于入射光束的横向平面的两维上，与正态分布至少一种分位数的组合对应；和-在两维上受入射光束限制的激活区衬垫。
因此，以若干滤波器按阵列形式实施获得的滤波器，特别有价值。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，组合属于下面的一组-正态分布的分位数；-两个不同的正态分布分位数之差。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，它具有点对称性。
因此，还能获得相对于入射光束的定位误差有更好容差的滤波器。
在以基元滤波器的阵列形式实施的情形中，当基元滤波器是正方形或盘状时，阵列的大小是优化的(特别是在缩减的基元滤波器之间)。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，分布曲线的第一部分，在该维上是正方形的或矩形的。
在至少一部分上是正方形的或矩形的滤波器(例如二元的或多于二元的)，如果该装置适合用于相位偏移，则实施时相对地简单(特别是在该装置用于电光相位偏移的情形)。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，分布曲线第一部分上的相位偏移等于π。
因此，当滤波器被激活时，激发输出光学的渐逝模，从而能衰减或阻塞光学光束。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，分布曲线第二部分，在该维上是抛物线形的。
于是，分布曲线整个地或部分地是抛物线形的(另一部分因而可以是明显的线形)。
抛物线形分布曲线的滤波器，特别适合基于使用电磁反射镜作相位偏移装置的滤波器，该电磁反射镜的膜片畸变本身是抛物线形的。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，分布曲线第三部分，在该维上是三角形的。
于是，分布曲线整个地或部分地是三角形的(另一部分因而可以是明显的抛物线形的或矩形的)。
为了使各个抛物线形的或矩形的分布曲线滤波器的激活区尺寸最小化，相应的最大相位偏移最好选择基本上分别等于3π/2和8π/5。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，它包括在一部分分布曲线上控制可变衰减的装置。
按照一种专门的特性，该空间滤波器的特点在于，该装置包括至少一个电光的或机电的可控的调整单元。
本发明还涉及一种系统，它能接收至少一束光束，并包括至少一个前面所述的滤波器，更准确地说，是一种空间相位滤波器，它能接收入射光束，以便把入射光束发送至单模输出光纤，该滤波器适合安放在基本上垂直于光束的传播方向，并包括空间可变相位分布曲线，还适合激发输出光纤的渐逝模，该滤波器的分布曲线具有-可调整的相位分布图形，基本上在至少一维上，与正态分布至少一种分位数的组合对应；和-在该维上受入射光束限制的相位偏移区衬垫。
按照一种专门的特性，该系统的特点在于，它包括至少两个滤波器。
因此，把较高阶模的耦合及技术上的嵌入优化的滤波器，特别适合实现例如窄条或有若干滤波器的阵列形式。
按照一种专门的特性，该系统的特点在于，每一个滤波器包括电控制的调整区。
因此，该系统能以特别紧凑的形式实现。
按照一种专门的特性，该系统的特点在于，它包括用于成像的装置，至少一个滤波器放在该成像装置的成像平面。
这样以例如透镜和等价装置形成的系统，可以包括若干成像平面。能实施该系统特定功能的光学单元(特别是波长复用、分用、放大...)，可以方便地引进该成像装置的透镜焦平面。
按照一种专门的特性，该系统的特点在于，它包括用于光束的波长分用的装置，以便建立可被滤波器滤波的分用光束。
该系统能够根据用于复用/分用的装置制作，例如与光纤结合、或与成像装置结合、甚或按照AWG(Arrayed Wave Guide，阵列式波导)原理与相移器类型结合的棱镜型。
按照一种专门的特性，该系统的特点在于，它包括有选择地阻塞光束至少一些波长的装置。
按照一种专门的特性，该系统的特点在于，它包括路由光束的装置。
因此，按照本发明的滤波器系统，特别适合DCE和ROADM的波长嵌入和空间路由功能。
本发明还涉及一种前面所述滤波器的计算方法，该方法包括-按照相位分布曲线、相位极大、和滤波器衬垫，确定滤波器耦合系数的步骤；-使耦合系数最小化的步骤；和-确定基本上与最小耦合系数对应的衬垫的步骤。
因此，能够制作优化的滤波器，以便例如使相位分布，基本上与一维的正态分布的一个奇数四分位数对应，或者与两维的正态分布的四分位数组合对应。
该系统及方法的优点，与滤波器的优点相同。不再更详细说明。
本发明其他的特性和优点，在阅读下面优选实施例的说明后，将变得更清楚，优选实施例是以举例方式和非限制方式给出，并附有图，这些图是-图1a到1d按照不同的特定实施例，表示遵从本发明的光学滤波系统的方框图；-图2a和2b画出如图1a所示的包括窄条光学滤波器的滤波系统；-图3a、4a、6a和6b，画出本身熟知的滤波器；-图3b到3d按照本发明另外的实施例，画出图1a到1d系统中实施的一维分位数滤波器；-图4b到4d按照本发明另外的实施例，画出图1a到1d系统中实施的两维分位数滤波器；-图5画出图1a到1d系统中，像素位置上的容差曲线；-图6a到6d示意说明图1a到1d的滤波器中，相对于像素的光斑大小和位置；-图7a到7f画出图1a到1d所示滤波器的钝化；-图8a到8d表示如图1a到1d所示的一维滤波器径向的或梯形抛物线分布曲线；和-图9按照本发明，画出一种基于AWG均衡器结构实施的滤波器。
具体实施例方式
本发明的整个原理，在于能使注入单模光纤的能量最佳地去耦合的滤波器类型。
在这类滤波器中，一类轴线对称或点对称的滤波器，提供较好的对准容差，其中的一些更易于嵌入并很适合制作DCE和ROADM。
一种除去有使像素空隙优化优点之外的滤波器类型，在制作DCE方面很适合以空间光调制器(SLM)的形式实现，该种滤波器最好选择制成窄条形或滤波器阵列。按照与用于光衰减(电光的或机电的)装置相关的技术选择，或与用于发送光束(并排光纤的光纤、用于聚焦的装置、复用器或分用器、用于路由、放大...的装置)装置相关的技术选择，存在各种不同的可能的技术实施例。
滤波器要考虑薄的，最好除相位偏移外，不引进任何Gauss光束畸变(特别是没有场曲或颈部增大)。
图1a到1d是按照本发明的不同实施例。
更准确地说，图1a按照本发明，画出滤波器102或空间光调制器，放在两根单模光纤101与103之间，分别能使入射光束100与输出光束104传播。按照本发明，光纤102的激活区有沿至少一维受限制的衬垫，表明对应于可调整图形的宽度，在Gauss光束的情形下，严格地比以颈部表示的入射光束更小。光纤101和103与光纤102并排。光纤102的一个或若干个控制电压，能使入射光束100的相位偏移更大的范围或更小的范围，以便在耦合输出光束的时间出现可变衰减，获得输出光束104。
图1b按照本发明，画出与图1a系统有类似结构的DCE，滤波器102以滤波器窄条112取代，除外还包括有复用器或分用器的成像系统。按照本发明，每一滤波器窄条112的激活区，有沿至少一维受限制的衬垫，图形沿该维重复，这表示在Gauss光束的情形下，对应的调整图形的宽度，严格地比以颈部表示的入射光束更小(取自图形重复处的尺寸)。更准确地说，DCE相继包括-输入光纤101，用于传送光束110；-第一成像系统，能在光纤102上建立光束110的空间分用像(按照其波长)；-滤波器窄条112；-第二成像系统，能在输出光纤103的口径上，从通过滤波器窄条112的光束像，建立复用像；和-传送光束111的输出光纤103，经滤波器窄条112按入射光束110的波长均衡化。
按照本发明另一个实施例，用于准直的装置放在光纤101与成像系统之间，也在第二成像系统与输出光纤103之间。这些用于准直的装置，最好与各个输入光纤101和输出光纤103并排。
第一成像系统相继包括-焦距f1的透镜113，位于离光纤101出口f1距离处；-分用器118(例如棱镜)，能把入射光束按波长在空间上分用，并位于离透镜113 f1距离处，据此，入射光束的像被传送到分用器118上；-焦距f2的透镜114，位于离分用器118和滤波器窄条112 f2距离处，被分用的光束的像，据此被传送(以它的空间分离的谱分量)到滤波器窄条112上。
第二成像系统相继包括-焦距f3的透镜115，位于离滤波器窄条112 f3距离处；-复用器119(例如棱镜)，能把被滤波器窄条112按谱分量均衡的入射光束复用，并位于离后者f3距离处；-焦距f4的透镜116，位于离复用器119和输出光纤103 f4距离处，均衡并复用的光束的像，据此被传送到输出光纤103。
按照图1b所示系统的另一个实施例，能执行系统特定功能的光学单元(特别是波长分用单元)，被引进成像系统的透镜焦平面(如置换或增加到复用器/分用器118和119上)。
图1c和1d分别表示图1a和1b所示系统用反射镜的实施方案。共同的单元用相同的参考数字，且不再更详细说明。
按照图1c，系统包括按照本发明的滤波器102或空间光调制器，放在单模光纤101与反射镜120之间，分别与滤波器102及光纤101并排，该滤波器102能使入射光束传播，并经滤波器102滤波和反射镜120反射后，获得输出光束104。
按照图1d，光学均衡器相继包括单模输入/输出光纤111，第一成像系统，滤波器窄条112，和与窄条112并排的反射镜130。因此，光纤111传送入射光束100，并在窄条112上对空间分用的像滤波、被反射镜130反射后获得输出光束104。
图2a画出图1b和1d所示系统的工作原理(用于准直的装置没有画出)。入射光束有波长分别是λ1到λn的n个谱分量被空间分用，在窄条112上产生空间分用的像，如图2a所示。窄条112包括n个独立控制的滤波器211到21n(最好是电控的)。因此，窄条112能衰减甚至阻塞入射光束的谱分量。
图2b画出的一种系统，它实施滤波器211到21n的窄条112，和分别与n根输出光纤221到22n相关的n根输入光纤201到20n。按照本发明的该另一个实施例，各滤波器211到21n分别插入输入光纤201到20n与输出光纤221到22n之间。因此，图2b的系统能独立地衰减或阻塞n束输入光束241到24n，以便产生n束输出光束251到25n。
本文下面给出能使本发明滤波器的衰减分布曲线优化的理论基础。
单模光纤的模，通过如下Gauss分布曲线表示e-x2+y2ω02]]>这里-ω0表示原来的颈部(它是Gauss光束在光束能量分布半高度的半径)；和-x和y表示按光纤横向截面中两垂直轴线的空间坐标(相对于在光纤中心的原点)。
如果相位偏移Δ是二元的，耦合系数η表达的形式为η＝α+βcosΔ，这里α和β是两个正的系数，与滤波器的衬垫有关。为了使耦合系数最小，Δ必须等于π。
在单模光纤中建立最佳去耦合(对应于最小的耦合系数η)的空间滤波器(x，y)，与如下的滤波器对应，该滤波器的相位二元函数(具有相位偏移Δ等于π)的衬垫D，证实如下的积分关系式(使与耦合系数η有关的差α-β最小)∫D∫e-x222πdxe-y222πdy=12]]>关系式(1)
在衬垫D(在(x，y)平面中)上有恒定信号振幅A的情形，该振幅能在1(当不存在衰减时)到0(如果存在完全衰减)之间改变，关系式(1)能够一般表达如下∫D∫e-x222πdxe-y222πdy=11+A]]>关系式(2)剩余衰减概念，例如在用电光部件的情形下是有价值的，在这种情形下，相位偏移伴随着剩余吸收或散射。
在证实关系式(1)和(2)的空间滤波器中，为与它们的实际优点联结的理由，对具有轴线对称(一维的情形)或点对称(两维的情形)的滤波器，及对滤波器激活部分(调制部分)上被限制的衬垫，应给予特别的关注。
在一维可以实际考虑成无限大(该维实际比其他维非常长)的情形中，这种情形特别与按窄条(例如在图1b、1d、2a、和2b所示的窄条112)制作滤波器的情形对应，按照关系式(1)的判据成为(Dx代表滤波器在方向x上的激活部分的衬垫，假设衬垫D在方向y是无限大的)∫Dxe-x222πdx=12]]>关系式(3)图3a画出如在专利申请WO 02/071133中说明的滤波器分布曲线，它是具有滤波器激活部分衬垫的分布曲线，在横向平面中是无限的(这表明按横向平面的两维上，不受入射光束限制)。它的不方便处在于不是优化的，特别是存在入射光束的位置误差时。这一点如果用在滤波器窄条或阵列的形式时，尤其关键。
按照本发明，维数1的滤波器102或窄条滤波器112，是按照下面关系式之一定义的奇数分位数正态分布型∫-∞qe-x222πdx=14]]>关系式(4)或∫-∞qe-x222πdx=34]]>关系式(5)这里q代表分位数。例如在第一或第三分位数的情形，它代表滤波器激活部分的极限(x坐标)。
正态分布的奇数四分位数的数学特性，在A.Rényi的手册“Calculdes propabilités”第201页上说明，该书由Dunod在1966年出版(在第IV章，第13节，标题是“Médiane et Quantiles”)。
图3b到3d表示滤波器102或窄条形滤波器112的不同实施例，这些滤波器是倒反的(在二元相位0或π的意义上)，并证实关系式(4)或(5)之一。
更准确地说，图3b对应的四分位数，是用滤波器中心的部分320证实关系式(5)的第三四分位数，该滤波器沿轴线300具有轴线对称性，并沿垂直于轴线300的轴线301，宽度接近3.0352μm。以其足迹322作符号表示的入射光束，截面半径R基本上等于4.5μm，中心在轴线300与301的交点上，截面在轴线300与301定义的横向平面。
相反，图3a的滤波器本身是熟知的，是阶1/2的滤波器(中位数滤波器)，它证实关系式(3)，但没有在至少一个方向上被限制的衬垫，因而不能证实关系式(4)和(5)。
按照本发明，也可以设想在两维上受限制的衬垫，这对制作滤波器阵列是特别有价值的。
因此，相对于受限制衬垫的滤波器，点对称滤波器证实关系式(1)和(2)。
图3c对应于两个不联结的分位数滤波器的组合，更准确地说，是对应于分位数之差等于1/4，并证实关系式∫-∞q2e-x222πdx-∫-∞q1e-x222πdx=14]]>关系式(6)，有q1＝L2/2和q2＝q1+L3。
L2接近2μm，并表示图3c所示滤波器宽度L3(接近0.867μm)两侧330和331分开的距离，该滤波器沿轴线300有轴线对称。
如上所述，入射光束的截面半径R基本上等于4.5μm，且中心在轴线300与301的交点上，截面在轴线300与301定义的横向平面。
按照本发明，能够实现其他的分位数组合，特别是由分位数差值之和组成的分位数的组合。在一维的情形，每一分位数的差值，对应于两个分别与两个对称带有关的激活区。
对每一带，每一边界由这些分位数之一定义。因此，与两个不同带有关的分位数差值，必须不能重叠。
因此，在标准的一维情形中，正态分布(2n+2)个分位数的组合，可按关系写成Σi=0n(∫-∞q2i+2e-x222πdx-∫-∞q2i+1e-x222πdx)=14]]>如果i＜j，则有qi＜qj关系式(7)当n等于0，有简单的正态分位数差。相反，如果q1等于0，差的第二项等于1/2，简化为一维的第三四分位数的情形。当q1等于-∞时，差的第二项等于0，从而获得一维的第一四分位数。
应当指出，按照本发明，q2n+1是衬垫仍被入射光束限制在至少一维中。
图3d根据一维分位数组合画出的滤波器，对应于分位数差的三个和Σi=02(∫-∞q2i+2e-x222πdx-∫-∞q2i+1e-x222πdx)=14]]>有q1＜q2＜q3＜q4＜q5＜q6和的每一项对应于两个相对于轴线300(沿该方向，滤波器不受限制)的对称带三对对称带，分别是(340；343)、(341；344)、和(342；345)，分别与差(q2-q1)、(q4-q3)、和(q6-q5)对应。不同的带沿轴线301受入射光束的限制。在Gauss光束的情形中，按照图3d的例子，光束322的颈部，沿轴线301整个地覆盖带340和343及部分地覆盖带341和344。在足迹322之外的带342和345还是有用的，因为能量存在于Gauss光束之外。
图4b到4d是证实这些条件的滤波器102或窄条滤波器112不同的实施例(而在图4a的滤波器，本身是熟知的，是通过组合两个正交的中位数滤波器获得的，也证实关系式(2)并有点对称性，但没有受限制的衬垫)。
受限制衬垫的概念，有实际的重要性，因为在这种情形中，光束在一维中的截断，不能按无限大的另一维加以补偿。
在两维滤波器的配置中(在有限的衬垫上)，我们一般考虑Cartesian或径向表示，因为能把计算简化，简化后类似于一维的情形。
更准确地说，图4b的滤波器410是两维的，遵从上述条件(有限的衬垫、点对称、和证实关系式(2))，此外，沿两正交轴线300和301是轴线对称的，因此建立边长L5接近1.032μm的正方形，该正方形对应于最小的正方形滤波器，能对截面半径R基本上等于4.5μm、并且中心在轴线300与301交点上的入射光束，调整图形。在这种情形下，滤波器410证实的关系式(2)成为∫-∞q3e-x222πdx·∫-∞q3e-y222πdy=12]]>关系式(8)于是，q3是阶 或阶 的正态分布的分位数。
图4c的滤波器420是半径R1接近 μm(log2表示2的Napier对数)的圆盘，该圆盘对截面半径R基本上等于4.5μm、并且中心在轴线300与301交点上的入射光束，是最小的圆盘。滤波器420满足的关系式(2)，对应于两维上具有激活区衬垫的正态分布的某一分位数，该衬垫受入射光束(以光束的颈部作参考)限制。
按照本发明，对应于一维滤波器的分位数的组合，也能用于两维的情形。两维情形的两个特定的例子，容易用组合使之模型化-按照下面关系式的旋转对称(在圆盘、圆环、或圆环系列的情形)情形(因此积分是在极坐标下计算的)Σi=0n(∫-∞q2i+2∫-∞q2i+2e-x2+y222πdxdy-∫-∞q′2i+2∫-∞q′2i+2e-x2+y222πdxdy)=14]]>如果i＜j，则有qi＜qj和q′i＜q′j，和-在正方形或矩形的情形(这里双重积分能够分离为两个对应于一维的单重积分)
Σi=0n(∫-∞q2i+2e-x222πdx∫-∞q2i+2e-y222πdy-∫-∞q′2i+1e-x222πdx∫-∞q′2i+1e-y222πdy)=12]]>如果i＜j，则有qi＜qj和q′i＜q ′j。
图4d表示圆环形可调整图形滤波器430，外径R3接近2.48μm，内径R2约1.1μm，能对截面半径R基本上等于4.5μm、并且中心在轴线300与301交点上的入射光束进行滤波。滤波器430满足关系式(2)，且更准确地对应于有受限制的衬垫的径向分位数之差，衬垫分别是D1(内径R3的)和D2(外径R2的)∫D1∫e-x2+y222πdxdy-∫D2∫e-x2+y222πdxdy=12]]>关系式(9)就图3b、3c、和4b到4d所示滤波器，是对在0到π之间的二元相位光程Δ定义的。按照本发明另外的实施例，为了满足某些技术约束，降低相位光程的陡度和/或实施更复杂的相位分布曲线。缓解滤波器陡度的或相位光程的技术约束，是有好处的。
在一维的情形中，按照关系式(4)和(5)的四分位数原理仍然有效，只有相位值被修改。
更普遍地说，任何可变相位分布曲线的一维或两维滤波器的情形，要确定最佳衬垫的几何形状，首要的是按相位分布曲线、最大相位、和测试衬垫，计算耦合系数。为了获得最大衰减，搜索使耦合系数等于零的条件，然后选择最大的相位及对应的最佳衬垫。
为了优化滤波器，可以用下面按照本发明的方法-首先，按照相位分布曲线、最大相位、和滤波器衬垫，确定耦合系数η；然后-使耦合系数最小化；和-确定基本上对应于最小耦合系数的衬垫。
图8a到8d就两种情况(抛物线形和三角形相位分布曲线)说明该原理，因为该原理构成实际情况的近似，所以还有技术价值。
抛物线形相位分布曲线(特别是微透镜型)，对应于横向场效应，例如在电光空间调制器甚或DMD膜片的抛物线畸变，如在J.Feinleib，S.Lipson，和P.Cone的论文中说明，该论文标题是“MonolithicPiezoelectric Mirror for Wavefront Correction”，刊登在AppliedPhysics Letters，Vol.25，1974，311到313页。
在这种情形下，最佳的相位不再是π，通过计算耦合系数η，可以获得必要的四分位数及相位偏移值Δ的解析表达式，η可以表达为η＝A(1+Bsin(Δ)) 关系式(10)系数值B(B＞0)与调制器的维数有关并能达到1，通过求解如下的方程式e-2X=43πX]]>关系式(11)这里X是滤波器衬垫在Gauss光束颈部宽度比值的平方，而使η等于零的最小相位偏移是3π/2(对应于sin(Δ)＝-1)。
于是，关系式(10)能够写成η＝A(1+sin(Δ))。
根据该关系式，通过规定该衬垫基本上等于最小的耦合系数，使滤波器优化。
图8a画出在二元分布曲线82或相位抛物线分布曲线83情形下，四分位数值的适配原理。
图8b画出二元和抛物线分布曲线的位组合，这里l是抛物线半衬垫，而L是二元半衬垫。于是，优化的相位按π(l＝0)与3π/2(L＝0)之间的比值L/l变化。
当l等于0时(二元情况对应于分布曲线82)，获得最小的衬垫。
三角形相位分布曲线(特别是微透镜型)，对应于例如蚀刻误差(阴影效应)或如在前面引用Feinleib的论文所述，因微致动器产生反射镜的畸变。
在这种情形下，横向场效应也能够粗略模型化。第一个变数是棱镜的斜率。
图8c按照等边三角形(双棱镜)的相位调制，画出四分位数的变化。在这种情形下，存在一个优化去耦合的四分位数，并表明使η等于零的最小相位偏移接近8π/5。应当指出，此时衬垫比等效的二元滤波器小。
图8d也考虑三角形与二元分布曲线的位组合；这种情形对应于梯形分布曲线，它能构造蚀刻效应和微反射镜膜片畸变的良好模型。于是，优化的相位按π(l′＝0)与8π/5(L′＝0)之间的比值L′/l′变化(这里l′是三角形的半衬垫，及L′是二元的半衬垫)。当L′等于0时(对应于双棱镜)，获得最小的衬垫。
如上所述，在图2a和2b已经给出，正态分布的奇数四分位数对滤波器102或窄条滤波器112有优势，优势在于对定位误差有较好容差。原因来自如下的事实，即当光斑面积覆盖的像素等于总面积之半时，有最佳的动态范围，当能量分布服从Gauss规则时，光斑在像素上的定位因此是十分关键的步骤。
当把若干光斑对准滤波器窄条，如在DCE情形所要求的，此时定位便成为最关键的。图5画出这种干扰的不良影响(对滤波器中心的定位误差，按交点501给出，并以微米表示)，特别是对衰减的动态范围的不良影响，按y轴线500给出，并以dB表示-对本身熟知的中位数滤波器，是基于图3a所示分布曲线，是曲线512；-对阶3的四分位数(奇数四分位数)，与图3b所示分布曲线对应，是曲线510；和-对分位数组合，与图3c所示分布曲线对应，是曲线511。
对应于第三四分位数的滤波器，对光斑的定位最不敏感。因此，对光斑的定位误差等于0.2μm，曲线512(中位数情形)与510(奇数四分位数)之间所衰减之差，约为25dB。该奇数四分位数滤波器还有许多与其技术嵌入有关的其他优点。
定位参数，例如在使用单模光纤的情形，比聚焦误差更为关键，例如在V.Nourrit，JL de Bougrenet de la Tocnaye，和P.Chanclou的论文中有详细论证，该文标题是“Propagation and Diffraction ofTruncated Gaussian Beam”，刊登在JOSA-A，Vol.18，2001年，第546～554页。
因此，奇数四分位数滤波器特别适合于制作DCE。
在奇数四分位数滤波器中，有一种滤波器具有特殊的优点，这就是如图3b所示的第三四分位数滤波器。在牵涉像素并置的情形，这些像素工作在各个波长上，各个波长按图2a空间分用，或按图2b分离，且当这些频谱信道或频带已经良好建立时(在阻塞器或DCE的情形)，必须把这些滤波器每一个之间的间隔，对每信道带宽优化。
图6c和6d表示滤波器623到625的窄条112，分别是第三四分位数或分位数组合型，配置已经对两个激活区(即相位或延迟变化区)之间的间隔大小(分别是d1和d2)优化。
要用图3a所示中位数滤波器，获得相同的结果(激活区尺寸/总像素尺寸)，则带宽必须缩减2/3，如在图6a和6b按两种配置所示。
因此，滤波器102是在技术上最容易制作的，且特别适合以窄条112的形式实施(它对带宽优化)。而且，二元滤波器允许像素间有最大的区。现在将考虑后者特性上的优点。
例如对电光装置、对相位调制装置、或用于光程可变延迟的机电装置，材料的使用有可能对激活区与总像素尺寸之间引进附加的约束，这些约束与用于相位偏移的装置的技术选择有关。在以窄条或阵列形式实现的情形中，对填充因子的优化是十分有用的，本文下面将设想两种相位偏移-机电装置(例如MEMS型韧性微反射镜、DMD型韧性膜片)；和-电光调制器(特别是液晶型、纳米PDLC型...)。
a)在机电装置的情形(微反射镜(MEMS)或韧性膜片(DMD))。
每一个韧性反射镜或膜片被一个或若干个致动(致动器)或悬臂装置分开。这些区对调制器来说，是必不可少的，也是纯粹的死区，特别是按位映像形式。第三四分位数按分布曲线使用，例如图4b和4c所示的两维分布曲线，能对死区优化，因为该四分位数是二元四分位数，它把填充因子优化。
图7a和7b按照本发明，根据图4c所示两维分布曲线，分别画出滤波器701到704的窄条700的平面图和截面图。按照本发明的不同的实施例，滤波器701到704遵从本发明的任何一种类型，特别是如图3b、3c、和4b到4d所示类型。十分适合于滤波器701到704的几何形状，可以是任何几何形状(例如对DMD是径向对称的)，或者是嵌入一维或两维的实施形式，例如对MEMS或DMD型的相位偏移装置。滤波器701到704伴随有操纵它们的电极，通过施加相应的电压710到713实现操纵。
b)电光调制器的情形。
在电光调制器的情形中(例如电控液晶或纳米PDLC型)，可以用图7c到7f所示的两种配置。
按照第一种配置，图7c(平面图)和7d(截面图)所示的调制器，包括并置的和均匀的散射像素721到724及730到735。在该配置中，第三四分位数的使用，借助激活三个像素中的一个(通过相应的控制装置741到744施加电压V，激活像素721到724，通过相应的控制装置750到755施加零电压V，使像素730到735消激活)。从而能够限制相邻像素间的电的互作用(根据采用的技术，对横向场效应的灵敏程度有大有小)。
图7e(平面图)和7f(截面图)所示第二种配置包括，单独淀积包含在中心区的滤波器761到764的可调整区。滤波器761到764的第三四分位数的使用，优化了激活区与死区之比，使这种技术操作更加容易。考虑到间隔的尺寸，该区因此能通过电压源770到773使激活区在电上钝化。按照另一个实施例，钝化是光学上的。
这样做还增加一个优点，就是比以前的配置，能在两个相位等级之间实现更锐的相位过渡，并能进一步限制像素间在电上的互作用，从而限制横向场效应。
在这两种情形下，第三四分位数是最易嵌入的二元滤波器，并有最大的像素间间隔，因此便于像素间的钝化操作和限制横向场效应。
奇数四分位数正态分布二元滤波器的原理，即使在矩形模导波结构的轻微的多模中，也能够应用。滤波器的制作方法是不同的，并借助电光单元制作。在这种情形下，施加的场不是平行于光轴，而是垂直于光轴。
图9画出一种AWG(Arrayed Wave Guide，阵列式波导)，它包括-输入波导900，与没有画出的输入光纤相连；-相移器(波导形式的延迟线)910到915及930到935；-星形耦合器91，把输入光纤900与相移器910到915对接；-相位偏移滤波器920到925，分别把相移器910到915链接至相移器930到935；-输出波导903到906，各与不同波长λi(i在1与n之间)相关联，且各用于向输出光纤发送输出光束；和-透镜902，把相移器930到935链接至波导903到906。
滤波器920到925是相同的。举例说，滤波器921包括与相移器921及931链接的激活区940。在本实施例中，可调整区直接蚀刻在波导中，而相位偏移是通过施加垂直于波导的电场获得的。相位偏移的值特别由激活区长度L确定。该导波结构因此十分适合嵌入第三四分位数，因为它保证二元相位偏移。
该AWG配置等效于自由空间组件，即4f组件，如在图1b所示，其Fourier平面在组件的中心。
该方案的主要利益，是通过使用AWG型分用配置的装置，能实现均衡器或频谱频带选择器，如在M.C.Cohen和R.J.Mears的论文所指出，该论文标题是“Dynamic Digital Holographic WavelengthFiltering”，刊登在JLT.Vol.16，1998年，N° 7，第1259-1270页。
当然，本发明不限于前述实施例。
特别是，本领域熟练人员能够在证实前述条件的滤波器定义中，特别是奇数四分位数及有限衬垫分位数组合中，开发另外的的装置。
应当指出，滤波器的实施不限于衰减功能，而可以推广到使用单模输出光纤的系统，特别是均衡器、衰减器、选择器开关、模变换器。
本发明的实施，不限于可调整图形在同一平面的光纤，也可以推广到至少在一维上(相对于入射光束)的有限衬垫图形在不同平面的光纤因此，例如图3所示滤波器的两部分330和331不必在同一平面，而可以分别位于偏离入射光束传播方向的平面。更普遍地说，能够把可编程的滤波器图形放在垂直于入射光束传播轴的若干平面，可调整图形足迹之和(或总的足迹)，遵守衬垫至少在一维上受入射光束限制以及与分位数组合对应的条件。
权利要求
1.一种空间相位滤波器(102、112、920)，能接收入射光束，以便把它发送到单模输出光纤(104、111、221)，所述滤波器适合被定位于基本上垂直于所述光束的传播方向，并包含空间可变的相位分布曲线，还适合激发所述输出光纤的渐逝模，特征在于，所述分布曲线有-可调整的相位分布图形，它基本上与至少在一维(330、301)上的正态分布的至少一种分位数的组合对应；和-按照所述至少一维上受所述入射光限制的相位偏移区衬垫(320、330、331、340到345)。
2.按照权利要求1的空间滤波器，特征在于，所述分布曲线有可调整的相位分布图形，它基本上与在垂直于所述入射光的传播方向上的正态分布的奇数四分位数对应。
3.按照权利要求2的空间滤波器，特征在于，它的相位分布，基本上与所述维上的正态分布的第三个四分位数对应。
4.按照权利要求1到3任一项的空间滤波器，特征在于，所述组合是垂直于所述入射光传播方向上正态分布的至少一个两个分位数之差的和，所述和等于1/4或3/4。
5.按照权利要求2到4任一项的空间滤波器，特征在于，它是轴线对称的。
6.按照权利要求1的空间滤波器，特征在于，所述分布曲线有-可调整的相位分布图形，它在垂直于所述入射光的横向平面的两维上，基本上与正态分布的至少一种分位数的组合对应；和-按照所述维上受所述入射光限制的激活区衬垫。
7.按照权利要求6的空间滤波器，特征在于，所述组合属于下面的一组-正态分布的分位数；-两个不同的正态分布分位数之差。
8.按照权利要求6或7任一项的空间滤波器，特征在于，它是点对称的。
9.按照权利要求1到8任一项的空间滤波器，特征在于，所述分布曲线(82、86、87)的第一部分，在所述维上是方形的或矩形的。
10.按照权利要求9的空间滤波器，特征在于，在所述分布曲线的所述第一部分的相位偏移，等于π。
11.按照权利要求1到10任一项的空间滤波器，特征在于，所述分布曲线(83、84)的第二部分，在所述维上是抛物线形的。
12.按照权利要求1到11任一项的空间滤波器，特征在于，所述分布曲线(85、87)的第三部分，在所述维上是三角形的。
13.按照权利要求1到12任一项的空间滤波器，特征在于，它包括用于在所述分布曲线的一部分上，控制所述可变衰减的装置。
14.按照权利要求13的空间滤波器，特征在于，所述装置至少包括可控的电光的或机电的调整单元。
15.至少能接收一束光束，且包括按照权利要求1到14任一项的至少一个滤波器(211到21n)的系统(112)。
16.按照权利要求15的系统，特征在于，它包括至少两个所述滤波器。
17.按照权利要求16的系统，特征在于，每一个所述滤波器包括电可控的调整区。
18.按照权利要求15到17任一项的系统，特征在于，它包括成像装置，至少一个所述滤波器放在所述成像装置的成像平面。
19.按照权利要求15到18任一项的系统，特征在于，它包括所述光束的波长分用装置，以便建立可被所述滤波器滤波的分用光束。
20.按照权利要求15到19任一项的系统，特征在于，它包括有选择地阻塞所述光束至少某些波长的装置。
21.按照权利要求15到20任一项的系统，特征在于，它包括路由所述光束的装置。
22.一种按照权利要求1到14任一项的滤波器的计算方法，特征在于，它包括-按照相位分布曲线，确定所述滤波器耦合系数的步骤；-使所述耦合系数最小化的步骤；和-确定基本上与最小耦合系数对应的所述衬垫的步骤。
全文摘要
本发明涉及能接收入射光束的空间相位滤波器，以便把接收的入射光束，发送至单模输出光纤，该空间相位滤波器包括空间可变相位分布曲线，并适合激发输出光纤的渐逝模。该分布曲线有可调整的相位分布图形，它基本上与至少在一维(301)上的正态分布的至少一种分位数的组合对应；和在该维上受入射光限制的相位偏移区衬垫(320)。本发明还涉及实现若干滤波器的系统，和滤波器的计算方法。
文档编号G02B6/34GK1601330SQ20041001183
公开日2005年3月30日 申请日期2004年9月22日 优先权日2003年9月22日
发明者亚历山大·艾坊索, 让－路易斯·德伯格林尼特德拉托克纳耶 申请人:奥普托古纳股份有限公司