专利名称：一种环境温度补偿的干涉仪和补偿方法
技术领域：
本发明涉及光通讯领域，特别是涉及一种环境温度补偿的干涉仪和补偿方法。
背景技术：
光差分相移键控(DPSK)是提供供高接收机灵敏度，对高速运输中的主要非线性 作用的高容忍性以及对相干串扰的高容忍性的有前途的调制格式，在光DPSK传输中，数据 信息是由相邻比特之间的光相位携带的，对于通过常规强度检测器对光DPSK信号进行的 直接检测，需要用于将相位编码的信号转移成强度编码的信号的调节器。这种调节器通常 是延迟干涉仪。该干涉仪包括两路光束进行传输，而希望上述两束光路之间的光程差(0PD) 具有预期值，但是干涉仪臂长差的控制是个难题，由于光干涉的目的，光程差的改变直接影 响干涉强度，然而，其中一个干涉臂的光路比另一个干涉臂的光路的路程长，因此，温度的 控制才能确保所述光程差(0PD)的稳定，但是，环境温度的变化将会引起光程差(0PD)的稳 定性。为了平衡环境温度的变化，有美国专利US6924894通过两路干涉臂设置有两个加热 器以及环境温度探测器和一控制器连接，从而控制加热器的加热量，从而平衡环境温度的 影响，这种方式必须通过复杂的电路对环境温度的影响进行消除，成本较高，电路复杂。
发明内容
本发明提出一种成本低，结构简单的环境温度补偿的干涉仪以及补偿方法。为了实现上述目的，本发明提供一种环境温度补偿的干涉仪包括一分光器，所述 分光器包括一分光膜，在分光膜的分离位置将入射光束分离成第一光束和第二光束；第一 光束经由第一干涉臂传输通过第一光路反射回分光器，第二光束经由第二干涉臂传输通过 第二光路反射回分光器，上述第一束光束和第二束光束在分光器的分光膜处发生干涉后传 输出分光器，所述入射光束载有相位调制数据，第一干涉臂具有一加热器改变第一光路的 路程，使其第一光路和第二光路的路程之差与光信号传输速率相关，其特征在于至少一干 涉臂具有一温度补偿器，补偿环境温度带来的相位漂移。其中，优选方案为还包括第一反射器位于反射第一光束的位置，以及第二反射器 位于反射第二光束的位置。其中，优选方案为所述第一干涉臂、第二干涉臂具有低热膨胀系数的材质组成。其中，优选方案为所述补偿器和所述加热器的热膨胀系数一致或匹配。其中，优选方案为所述补偿器和所述加热器的折射率随温度变化量一致或匹配。其中，优选方案为所述补偿器和所述加热器的厚度一致或匹配。本发明还包括一种环境温度补偿的干涉仪的补偿方法，带有相位调制数据的入射 光束在分离位置分离成第一光束和第二光束，第一光束经由第一干涉臂传输通过第一光 路；第二光束经由第二干涉臂传输通过第二光路，第一干涉臂具有一加热器改变第一光路 的路程，使其第一光路和第二光路的路程之差与光信号传输速率相关，其特征在于至少一 干涉臂具有一温度补偿器，补偿环境温度带来的相位漂移。
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其中，优选方案为包括第一反射器位于反射第一光束的位置将第一光束反射回 分光器经过第一光路，以及第二反射器位于反射第二光束的位置将第二光束反射回分光器 经过第二光路，所述第一光路和第二光路的光路之差与光信号传输速率相关。其中，优选方案为第一光路包括一加热器改变其光路的路程，使其所述第一光路 和第二光路的路程之差与光信号传输速率相关，且其第二光路包括一温度补偿器，补偿器 环境温度对加热器的影响。本发明的优点在于由于本发明通过温度补偿器，补偿环境温度产生的漂移，从而是该干涉仪的工作 状态更加稳定。
下面接合附图对本发明的实施方法进一步说明图1表示本发明一种环境温度补偿的干涉仪的结构原理图。图2表示为没有补偿器134时，加热器124的加热电压对应各个环境温度下的光 功率的曲线图。图3表示没有补偿器134时，加热器124的加热电压对应的各个环境温度下的相 位图。图4表示本发明包括补偿器134时，加热器124的加热电压对应各个环境温度下 的光功率的曲线图。图5表示本发明包括补偿器134时，加热器124的加热电压的平方对应各个环境 温度下的相位图。图6表示本发明一种环境温度补偿的干涉仪的另一实施例的结构原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明一种温度补偿的差分移键控信号的解调装置作进一步说 明。图1为本发明温度补偿的差分移键控信号的解调装置的结构图。如图1所示，延 迟干涉仪由一个分光器10以及分光膜11构成，其分光器10的两侧延伸第一干涉臂12以 及第二干涉臂13，所述第一干涉臂12包括一长度为L1的第一空气隙121，一第一反射器 122置于一第一基底123上，所述第一空气隙121中包括一加热器124改变第一光路长度 (0PDD ；所述第二干涉臂13包括一长度为L2的第二空气隙131，一第二反射器132置于第 二基底133上，所述第二空气隙131的光路中设有一温度补偿器134。分光膜11将入射光 束按照能量平分成两束光束，其中第一束光束I经过第一空气隙121，经由相应的第一反射 器122反射回来通过一第一光路长度(0PDD，第二束光束II经过第二空气隙131，经由相应 的第二反射器132发射回来通过第二光路的路程(0PD2)，上述第一束光束I和第二束光束 II由于在分光器10的分光面处发生干涉形成第一干涉光束III和第二干涉光束IV出射， 由于第一束光束I的光路(0PDD可以通过加热器134进行控制其光程的变化，也就是说， 上述第一束光束I和第二束光束II的光程差(0PD)可通过加热器134控制调节，但是由于 还需考虑环境温度对上述光程差的影响，本发明在第二干涉臂13的光路中设置有一温度补偿器134，所述温度补偿器134补偿其环境温度漂移。其中，第一干涉臂12 的光程为 OPDi = {[ (Li+Li* A t* a L1)-(屯+屯* A t* a dl) ] *n0+ (di+d^ At* a dl) * (nh+ A t (dnh/dt))}其中，OPDi表示第一干涉臂12的光程；Li表示第一干涉臂12的长度；a L1表示第 一干涉臂12的温度膨胀系数；A t为温度变化量； 表示空气的折射率汍表示加热器124 的厚度；a dl表示加热器124的温度膨胀系数；nh表示加热器124的折射率。其中，！^+！^八讨^工表示第一干涉臂12的长度随着温度变化长度k变化； 屯+屯* A t* a dl加热器124的长度随着温度变化长度屯变化；[(Li+Li* A t* a L1) - (d^d^ A t*adl)]*n0表示第一束光束I在第一干涉臂12中的空气中传播的光程；(n(l+A t(dnh/dt)) 表示加热器124的折射率随温度变化而变化；(屯+屯* At* a dl) * (nh+ A t (dnh/dt))表示光 束在加热器中传播的光程。第二干涉臂13 的光程为 0PD2 = {[ (L2+L2* At* a L2) - (d2+d2* A t* a d2) ] *n0+ (d2+d2
*A t* a d2) * (nb+ A t (dnb/dt))}其中，0PD2表示第二干涉臂13的光程；L2表示第二干涉臂13的长度； L2+L2* At*aL2表示第二干涉臂13的温度膨胀系数；A t为温度变化量； 表示空气的折射 率；d2表示补偿器134的厚度；a d2表示补偿器134的温度膨胀系数；nb表示补偿器134的 折射率。其中，L2+L2*At*a。表示第二干涉臂13的长度随着温度变化长度L2变化； d2+d2* A t* a d2表示补偿器134的长度随着温度变化长度而变化；[(L2+L2* At* a L2) - (d2+d 2* A t* a d2) ] *n0表示第二光束II在第二干涉臂13中的空气中传播的光程；(nh+ A t (dnh/ dt))表示补偿器134的折射率随温度变化而变化；(d2+d2* At* a d2) * (nh+ A t (dnh/dt))表 示光束在补偿器134中传播的光程。依据所述第二干涉臂12 的光程为 OPDi = {[ (Li+Li* A t* a L1) - (d^d^ A t* a dl) ] * n0+ (屯+屯* A t* a dl) * (nh+ A t (dnh/dt))}以及第二干涉臂 13 的光程为 0PD2 = {[ (L2+L2* A t
*a L2) - (d2+d2* A t* a d2) ] *n0+ (d2+d2* A t* a d2) * (nh+ A t (dnh/dt))}可推算出第一束光束I与第二束光束II分别在相应干涉臂中传输的光程差为0PD = 0PD「0PD2 = {[ (1,+L^ A t* a L1)-(屯+屯* A t* a dl) ] *n0+ (屯+屯* A t* a dl) * ( nh+ A t (dnh/dt))}-{[ (L2+L2* A t* a L2) - (d2+d2* A t* a d2) ] *n0+ (d2+d2* A t* a d2) * (nb+ A t (dn b/dt))}。为了第一束光束I与第二束光束II分别在相应干涉臂中传输的光程差0PD不受 环境温度的变化而变化，因而需要0PD稳定，其中，优选方案为所述补偿器134的厚度屯和 所述加热器124的厚度d2基本一致，且所述补偿器134的材质和所述加热器124的材质一 致，即热膨胀系数a dl、a d2 —致，以及折射率随温度变化量dnh/dt、dnb/dt 一致，从而基本 补偿环境温度产生的漂移。其中，优选方案为第一干涉臂12的长度k和第二干涉臂13的长度L2属于热膨 胀系数小(CTE)的材质。这样，上述第一束光束I与第二束光束II分别在相应干涉臂中传输的光程差为0PD = 0PD「0PD2 = {[ (1,+L^ A t* a L1)-(屯+屯* A t* a dl) ] *n0+ (屯+屯* A t* a dl) * ( nh+ A t (dnh/dt))}-{[ (L2+L2* A t* a L2) - (d2+d2* A t* a d2) ] *n0 (d2+d2* A t* a d2) * (nb+ A t (dn
5b/dt))} (1)综上所述可简化为:0PD = 0PD「0PD2 = (L「L2)*n0(2)。从上式得出，光程差OPD 仅仅和第一干涉臂12的长度k、第二干涉臂13的长度L2以及空气折射率 相关，且上述 第一干涉臂12的长度k、第二干涉臂13的长度L2以及空气折射率 为稳定参数，因而光 程差0PD稳定，而消除了因环境温度带来的相位漂移。图2为没有补偿器134时，加热器124的加热电压和各个环境温度下的光功率曲 线。如图2所示在环境温度8°C、25°C、55°C下的曲线存在严重的漂移，且加热器124的 加热电压的平方对应的各个环境温度下的相位图如图3所示在环境温度8°C、25°C、55°C 下的曲线具有不同的斜率，即加热器124的加热电压的平方对应于相位图不是同一线性关 系。也就是说，上述未加补偿器134由于环境温度的影响，曲线漂移很大。图4为包括补偿器134时，加热器124的加热电压和各个环境温度下的光功率曲 线。如图4所示在环境-5°C、25°C、75°C下的曲线基本重合，几乎没有漂移，其对应的加热 器124的加热电压和各个环境温度下的相位图如图5所示在环境温度-5°C、25°C、75°C下 的曲线具有几乎相同的斜率，即加热器124的加热电压的平方对应于相位图具有同一线性 关系。图6为本发明的另一实施例，如图6所示如图6所示，延迟干涉仪由一个分光器 20以及分光膜21构成，其分光器20的两侧延伸第一干涉臂22以及第二干涉臂23，所述第 一干涉臂22包括一长度为L1的第一空气隙221，一第一反射器222置于于一第一基底223 上，所述第一空气隙221中包括一加热器224改变第一光路的路程(OPD)；所述第二干涉 臂23包括一补偿器231贴于分光器20的一侧以及一第二反射器232。分光膜21将入射光 束按照能量平分成两束光束，其中第一束光束I经过第一空气隙221，经由相应的第一反射 器222反射回来，第二束光束II经过第二空气隙231，经由相应的第二反射器232发射回 来，上述第一束光束I和第二束光束II由于在分光器20的分光面处发生干涉形成第一干 涉光束III和第二干涉光束IV出射，由于第一束光束I的光路的路程(OPD)可以通过加 热器224进行控制其路程的变化，也就是说，上述第一束光束I和第二束光束II的光程差 (0PD)可通过加热器224控制调节，但是由于还需考虑环境温度对上述光程差的影响，本发 明在第二干涉臂23的光路中设置有一温度补偿器231，所述温度补偿器231补偿其环境温 度带来的位相漂移。上述图6的实施例中，由第一束光束I与第二束光束II分别在相应干涉臂中传输 的光程差为 OPD = 0PD「0PD2 = {[ (1^* A t* a L1)-(屯+屯* A t* a dl) ] *n0+ (屯+屯* A t* a dl) * ( nh+ A t (dnh/dt))}-{[ (L2+L2* A t* a L2) - (d2+d2* A t* a d2) ] *n0+ (d2+d2* A t* a d2) * (nb+ A t (dn b/dt))} (1)。其中，而本实例中的L2 = 0，这样 OPD = {[ (L^L^ A t* a L1) -A t* a dl) ] o+ (di+d^ At* a dl) * (nh+ A t (dnh/dt))} - (d2+d2* A t* a d2) * (nb+ A t (dnb/dt))} (3)其中，优选方案为所述第一干涉臂22的长度k属于热膨胀系数小(CTE)的材质， 从而第一干涉臂22的长度k不随温度变化而变化，这样，公式⑵简化为0PD = rO^-nA -[nodi A t a dl-(屯+屯* A t* a dl) * (nh+ A t (dnh/dt))]-[ (d2+d2* A t* a d2) * (nb+ A t (dnb/dt))] (4)从公式⑷中不难看出！^^为固定常数，如果需要OPD稳定，就需要r^di-fcAAt a dl-(屯+屯* A t* a dl) * (nh+ A t (dnh/dt))]-[ (d2+d2* A t* a d2) * (nb+ A t (dnb/dt))不随温度 变化，这样得出屯和d2的关系为di = d2* [ ( A t a d2) (nb_ A t (dnb/dt) + A t (dnb/dt) ] / [ ( A t a dl) (nh+ A t (dnh/ dt)-n0) + At(dnh/dt)] (5)为了第一束光束I与第二束光束II分别在相应干涉臂中传输的光程差0PD不受 环境温度的变化，也即需要0PD稳定，其中，优选方案为当选定上述补偿器231和加热器 224的材质后，即热膨胀系数a dl、a d2，以及折射率随温度变化系数dnh/dt、dnb/dt为一定 值时，所述补偿器231的厚度屯和所述加热器224的厚度d2相互匹配，其匹配关系如公式 (5)所示，从而基本通过上述补偿器231的厚度屯和所述加热器224的厚度d2的匹配关系 来补偿环境温度产生的漂移。这样，上述第一束光束I与第二束光束II分别在相应干涉臂中传输的光程差为 0PD = 0PDr0PD2 =常数，因而光程差0PD稳定，而消除了因环境温度带来的相位漂移。本发明的优点在于由于本发明通过温度补偿器，补偿环境温度带来的相位漂移，从而使该干涉仪的 工作状态更加稳定。以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发 明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。
权利要求
一种环境温度补偿的干涉仪包括一分光器，所述分光器包括一分光膜，在分光膜的分离位置将入射光束分离成第一光束和第二光束；第一光束经由第一干涉臂传输通过第一光路反射回分光器，第二光束经由第二干涉臂传输通过第二光路反射回分光器，上述第一束光束和第二束光束在分光器的分光膜处发生干涉后传输出分光器，所述入射光束载有相位调制数据，第一干涉臂具有一加热器改变第一光路的路程，使其第一光路和第二光路的路程之差与光信号传输速率相关，其特征在于至少一干涉臂具有一温度补偿器，补偿环境温度带来的相位漂移。
2.如权利要求1所述环境温度补偿的干涉仪，其特征在于包括第一反射器位于反射 第一光束的位置，以及第二反射器位于反射第二光束的位置。
3.如权利要求1所述环境温度补偿的干涉仪，其特征在于所述第一干涉臂、第二干涉 臂具有低热膨胀系数的材质组成。
4.如权利要求1所述环境温度补偿的干涉仪，其特征在于所述补偿器和所述加热器 的热膨胀系数一致或匹配。
5.如权利要求1所述环境温度补偿的干涉仪，其特征在于所述补偿器和所述加热器 的折射率随温度变化量一致或匹配。
6.如权利要求1所述环境温度补偿的干涉仪，其特征在于所述补偿器和所述加热器 的厚度一致或匹配。
7.一种环境温度补偿的干涉仪的补偿方法，带有相位调制数据的入射光束在分离位置 分离成第一光束和第二光束，第一光束经由第一干涉臂传输通过第一光路；第二光束经由 第二干涉臂传输通过第二光路，第一干涉臂具有一加热器改变第一光路的路程，使其第一 光路和第二光路的路程之差与光信号传输速率相关，其特征在于至少一干涉臂具有一温 度补偿器，补偿环境温度带来的相位漂移。
8.如权利要求7所述环境温度补偿的干涉仪的补偿方法，其特征在于包括第一反射 器位于反射第一光束的位置将第一光束反射回分光器经过第一光路，以及第二反射器位于 反射第二光束的位置将第二光束反射回分光器经过第二光路，所述第一光路和第二光路的 光路之差与光信号传输速率相关。
9.如权利要求8所述环境温度补偿的干涉仪的补偿方法，其特征在于第一光路包括 一加热器改变其光路的路程，使其所述第一光路和第二光路的路程之差与光信号传输速率 相关，且其第二光路包括一温度补偿器，补偿器环境温度对加热器的影响。
全文摘要
本发明提供一种环境温度补偿的干涉仪包括一分光器，所述分光器包括一分光膜，在分光膜的分离位置将入射光束分离成第一光束和第二光束；第一光束经由第一干涉臂传输通过第一光路反射回分光器，第二光束经由第二干涉臂传输通过第二光路反射回分光器，上述第一束光束和第二束光束在分光器的分光膜处发生干涉后传输出分光器，所述入射光束载有相位调制数据，第一干涉臂具有一加热器改变第一光路的路程，使其第一光路和第二光路的路程之差与光信号传输速率相关，其特征在于至少一干涉臂具有一温度补偿器，补偿环境温度带来的相位漂移。本发明的优点在于由于本发明通过温度补偿器，补偿环境温度产生的漂移，从而使该干涉仪的工作状态更加稳定。
文档编号G01B9/02GK101876529SQ20091010713
公开日2010年11月3日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者谢红, 陈彬 申请人:昂纳信息技术(深圳)有限公司