CN100392447C - 低偏振相关损耗的宽范围内波长可调光学滤波器 - Google Patents

Abstract

一种波长可调光学滤波器，包括光纤准直耦合模块，偏振处理模块，光学薄膜滤波器和平面反射镜。它是通过光纤准直耦合模块和偏振处理模块提供完全线性偏振的光束入射到光学薄膜滤波器，然后旋转光学滤波器来实现光学调节功能；光路设计采用双通式，光路传输中包含前进和返回光束。其特点是可以接受常规带通光学薄膜滤波片并工作在大入射角，波长调节范围可覆盖整个C-或L-波段，同时提供优良的偏振相关损耗和相邻以及非相邻通道隔离度。

Description

低偏振相关损耗的宽范围内波长可调光学滤波器

所属技术领域：

本发明涉及一种波长可调光学滤波器，尤其是基于光学多层薄膜的可调光学滤波器。

背景技术：

波长可调光学滤波器是密集波分复用解用(DWDM)光网络中的关键元件，因其响应波长在一定范围内可调从而可以应用在密集波分复用光传输系统中的单通道解用，使用了ADD/DROP或波长转换的波分复用系统中的动态波长选择，以及光学信号的受激发自发辐射的抑制等。在可调滤波器中的核心元件是带通滤波器，它可以有选择的通过入射光束中的一部分波长，而反射其余的波长。比较常用的带通滤波器一般选择法布里-帕罗型多谐振腔光学薄膜；通过旋转光学薄膜来改变入射光束的入射角，以使光学薄膜的通带向波长方向或短波方向漂移，从而实现高频的目的。图1给出了光学薄膜的调频机制的示意图。

光学薄膜的通带中心波长的漂移与光束的入射角之间的关系由公式(1)给出：

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_0\sqrt{1-A^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}$ 公式(1)

其中：λ是当入射角为θ时的通带的中心波长，λ₀是当光束正入射时通带的中心波长；A被称为调频参数，是光学薄膜的独特的参量，每种具体的光学薄膜设计都具有其特定的A值。图2是一个常规的1550纳米波段100GHz DWDM光学薄膜的调频曲线，纵坐标为以正入射下的中心波长为零归一化后的中心波长。可见当入射角从0度变到25度时，通带的中心波长的变化在60纳米左右，足以覆盖整个C-波段(1525～1565纳米)或L-波段(1575～1615纳米)。

但是，光学薄膜与偏振相关的光学性能如偏振相关损耗(PDL)，偏振相关中心波长(PDλ)以及偏振模式色散(PMD)等随着光束入射角的增加而明显变坏。首先，光学薄膜的调频参数A值随入射光束的偏振态的不同而不同，从而导致S-偏振态与P-偏振态的中心波长不同，并且这种差异随入射角的增加而增加。其次，偏振效应也显示在通带的宽度上；即当某一偏振态下的通带宽度随入射角的增加而减少，那么，与其正交的偏振态下的通带宽度则相应增加，即两者呈相反的趋势。这是带通光学薄膜滤波器的一个内在的物理现象。这两种现象叠加的后果是在大入射角度下的大为减少的通带宽度和增大的PDL。

另一限制光学薄膜滤波器在大角度下工作的因素来自于光学薄膜引起的依赖于波长的光位移，这种位移也将减少通带的宽度。对于一斜入射的光束，在光学薄膜的多谐振腔中产生的多次反射最终会使入射光束偏离原来的方向。图3给出了这种光位移的示意图，它是与波长和光偏振相关的，即不同波长的光位移是不同的，不同的偏振态下的光位移也不同。处于通带边缘的光所经历的位移将比通带中心的光所经历的位移要大，而在远离通带的截止带内的光则基本上位移接近于零。图4是一个常规的1550纳米波段100GHzDWDM光学薄膜工作在6度入射角时的薄膜引起的P-偏振态下的光位移与波长的关系图。  图中横坐标为以中心波长为零归一化后的波长值。为对比起见，薄膜的透射谱也画在图中；实线为透射谱，虚线为光位移。

由于光学薄膜的基板的折射率与周围环境介质(大部分情况下是空气)的折射率的不同，基板也会使入射光产生偏移。但基板所引起的偏移是与波长无关的(严格来说，基板材料的色散使基板引起的光偏移也与波长有关，但其大小与薄膜所引起的光位移对波长的依赖相比完全可忽略).最后入射光的总的位移量是薄膜与基板的贡献的总和，参见图3的示意。除开对光波长和偏振态的依赖之外，光学薄膜所引起的这种位移还与具体的薄膜设计和入射角有关。不同的薄膜设计会有不同的光位移；光位移还近似线性地正比于入射角，即角度越大，光位移越大。

光学薄膜引起的这种随波长而变化的光位移在传统的可调光学滤波器中起着很关键的作用。图5是一个传统的可调光学滤波器的光路示意图。从光纤出来的光经透镜准直后以一斜角入射到光学薄膜滤波器上，其透射光经透镜聚焦到接收光纤。调频功能通过旋转光学薄膜来实。由于光学薄膜引起的光位移的存在，透过薄膜滤波器的光束将偏离光轴，从而使其在耦合入接收光纤时产生角度不匹配损耗。为了弥补这额外的损耗，传统的技术是横向移动聚焦透镜从而使透过薄膜的光束重新位于聚焦透镜的光轴。然而正如图4所示，光学薄膜所引起的光位移是随波长而变化的，这种传统技术只能完全弥补某一波长的光，而其余波长的光仍要经受角度不匹配损耗。图6显示了光学薄膜所引起的光位移对图5所示的传统可调滤波器的通带宽度的影响(以实线表示)，为示对比，假设不考虑光学薄膜所引起的光位移时的透射谱也画于图中(以虚线表示)。此例中，入射光假定为P-偏振态，薄膜滤波器是一个常规的1550纳米波段100GHZ DWDM光学薄膜，透镜焦距为1.4mm，且聚焦透镜引入了一个横向位移从而使位于通带中央的光得到完全补偿。但是，由于位于通带边缘的光没有得到完全弥补而损耗较大，通带的边缘被拉了下来，使通带宽度变窄。入射角度越大，光学薄膜所引起的光位移也越大，通带的变窄效应会越明显。

综上所述，光学薄膜的光学性能如偏振相关的带宽效应和中心波长的偏正敏感性已经给可以使用的入射角的上限带来了限制；而光学薄膜所引起的随波长变化的光位移则附加了更进一步的限制。进而考虑到传统的弥补光位移的技术只对单个波长和某一特定入射角有效，使用传统技术的基于光学薄膜的可调滤波器的可使用的入射角范围是十分有限的。这使得要让调频范围覆盖整个C-或L-波段非常困难，除非专门设计特殊光学薄膜。

发明内容：

为了克服以上所述的采取旋转光学薄膜滤波器的方式来实现波长调节的传统的可调滤波器不能工作在大入射角的不足，本发明提供了一种低偏振相关损耗的宽范围内波长可调光学滤波器。该可调滤波器同样采用旋转光学薄膜滤波器的方式来调节波长，应用市场上的常规DWDM光学薄膜，可以接受高达25度的入射角，从而可以覆盖整个C-或L-波段.

本发明所采用的技术方案是：双芯光纤和透镜组成光纤准直耦合模块，其中双芯光纤的两个光纤平行分布。从双芯光纤中的光纤一号出射的光经透镜准直，入射到偏振处理模块。偏振处理模块可以将入射光分解为具有相同的S-或P-偏振态且在空间上分开的平行的两个子光束，然后继续对称地入射到其后的光学薄膜滤波器的物理中心。光学薄膜滤波器在入射的两子光束所在的平面内或与其正交的平面内旋转以实现波长调节作用。透过光学薄膜滤波器的两子光束随后垂直入射到一个平面反射镜；在被平面反射镜反射后原路返回，第二次通过光学薄膜滤波器，然后第二次通过偏振处理模块。偏振处理模块可以将返回的两子光束合并为一个沿与入射光不同路径传播的单光束，然后经透镜聚焦至双芯光纤中光纤二号透出。

本发明中由于光学薄膜滤波器接收的是单一偏振光，可以有效解决光学薄膜滤波器工作在大入射角时的PDL和由光学薄膜的偏振相关的光学性能所引起的带宽变窄现象；并且由于两子光束对称地入射到其后的光学薄膜滤波器的物理中心，可以进一步消除光学薄膜的表面非均匀性对PDL特性的影响。由于光束以完全同样的路径但相反的方向两次通过光学薄膜滤波器，其所引起的光位移可以相互抵消，从而达到了对所有波长和所有入射角完全补偿光位移所引起的额外损耗的作用；双通式方案使薄膜滤波器的截止带得到进一步的抑制，因而还可以提供更好的相邻和非相邻通道隔离度。而同侧出光纤的方案为设备的小型化提供了较大的设计空间。

本发明的一个具体实施例在下面将结合图例具体说明。

本发明所带来的有益效果是为光纤通讯系统和网络提供一种无需主动温度监控因而低成本的具有低偏振相关损耗的宽范围内的波长可调光学滤波器。

附图说明：

图1是光学薄膜波长调节原理示意图。

图2是一个常规的1550纳米波段100GHzDWDM光学薄膜的调频曲线。

图3是光学薄膜引起的光位移的示意图。

图4是一个常规的1550纳米波段100GHz DWDM光学薄膜引起的光位移随波长的变化图以及该薄膜的透射谱。

图5是一个传统的基于光学薄膜的可调滤波器的光路示意图。

图6是光学薄膜滤波器所引起的光位移对滤波器带宽影响的理论计算。

图7是根据本发明设计的可调滤波器的光路示意图。

图8是理论模拟的以图7为基础的可调滤波器工作在23度入射角时的插入损耗。

图9是理论模拟的以图7为基础的可调滤波器工作在2度入射角时的插入损耗。

图中100.双芯光纤，101.透镜，102.双折射晶体，103.二合一的半波片，104.法拉第旋转器，105A(B).楔角棱镜，106.双折射晶体，107.法拉第旋转器，108.半波片，109.光学薄膜滤波器，110.平面反射镜。

具体实施方式：

图7是根据本发明的一个具体实施例的光学原理图的俯视图和侧视图。该可调滤波器由三个功能模块组成。第一个模块为光纤准直耦合模块，包括双芯光纤(100)和透镜(101)；第二个模块为偏振处理模块，包括第一块双折射晶体(102)，一个二合一的半波片(103)，第一个法拉第旋转器(104)，两个楔角棱镜(105A和105B)，第二块双折射晶体(106)，第二个法拉第旋转器(107)以及一个半波片(108)；第三个功能模块为波长调节模块，包括光学薄膜滤波器(109)和平面反射镜(110)。

在图7中，输入光用实线来表示，返回光以虚线来代表；以短实线标在输入光线上来表示该光线是P-偏振态，以实心圆点标在输入光线上来表示该光线是S-偏振态；同样，以短虚线标在返回光线上来表示该光线是P-偏振态，而以空心圆点表示S-偏振态。双芯光纤(100)中的两根光纤位于水平面内。透镜(101)光轴与双芯光纤(100)中两光纤位于同一平面互相平行且透镜(101)光轴位于两光纤中央。输入光从双芯光纤(100)中的一根光纤进入，经透镜(101)准直后以一偏置角入射到第一个双折射晶体(102)。该偏置角由光纤的双芯间隔和透镜焦距决定。由于双折射晶体(102)的光轴位于垂直面内，非偏振或任意偏振的入射光将在垂直面内分解为寻常光(S-偏振)和非寻常光(P-偏振)，然后以一定的空间间隔平行射出晶体。(注：当入射光为单一的S-偏振或P-偏振时，光路中将只有一个子光束。但实际应用中的光纤出射光在大部分情况下是任意偏振光或椭圆偏振光)二合一的半波片(103)由垂直面内上下两个半波片组成，上波片的光轴与垂直面成22.5度角，而下波片是67.5度角。从双折射晶体(102)射出的P-偏振的子光束经上波片(103)后偏振态旋转45度，紧接其后的法拉第旋转器(104)再给予45度的旋转，从而变成S-偏振；而S-偏振的子光束在经过(103)和(104)后则保持其S-偏振态。

两块楔角棱镜(105A和105B)的楔角方向平行于水平面；两棱镜完全相同，且以透镜(100)为对称轴在水平面内镜象对称。在光学设计上使棱镜的楔角保证以偏置角入射的光速在透过棱镜后平行于透镜的光轴，并使反向入射的平行于透镜的光轴的光在在透过棱镜后以等同于入射光的偏置角射出。

在水平面内观察，入射到楔角棱镜(105B)的两束P-偏振的子光束将平行于透镜光轴射出，且其偏振态维持不变。其后的另一双折射晶体(106)的光轴位于水平面内，其对非常光的偏移距离与第一双折射晶体相同，但偏移方向与第一个双折射晶体成90度，因此入射的两束P-偏振的子光束将产生偏移。法拉第旋转器(107)使入射的P-偏振光产生45度的偏振旋转；其后的22.5度半波片(108)产生附加的45度旋转。最后入射到光学薄膜滤波器(109)的两束子光束将是线性S-偏振。两束子光束对称地分布于薄膜的物理中心，从而可以使由于薄膜表面的非均匀性而造成的PDL得到改善。

在垂直面内观察，入射到光学薄膜的两束子光束是线性P-偏振。光学薄膜在垂直面内旋转来实现波长调节功能，因而其引起的光位移是在垂直面内。平面反射镜(110)被设置成垂直于入射光束；反射光束将原路返回，并第二次通过光学薄膜滤波器。这种双通式设计有两个优点：首先是光学薄膜引起的光位移可以在所有波长和入射角完全得到抵消，从而使光位移所引起的带宽变窄现象消失；其次，双通式设计使薄膜的截止带得到进一步抑制，可以得到更好的相邻通道和非相邻通道的隔离度。

切换成在水平面内观察，返回的两束S-偏振的子光束在经过半波片(108)和法拉第旋转器(107)后偏振态不变，然后不产生任何偏移地经过双折射晶体(106)，平行地进入射到楔角棱镜(105A)。如上已述，返回的两束S-偏振光产生向下的偏折，与入射光针对透镜光轴成镜像对称。在垂直面内观察，之后的法拉第旋转器(104)和二合一半波片(103)使返回的P-偏振的上部子光束维持偏振态不变，下部S-偏振的子光束也保持其偏振态。双折射晶体(102)将返回的两个子光束合并成一束，经由透镜(101)聚焦至双芯光纤中的另一芯而透出。这种设计使该设备可以得到良好的回波损耗(Return Loss)和方向性(Directivity)。

为了防止光学薄膜滤波器的反射直接耦合进输出光纤，薄膜的工作角度不能为零。选择一个常规的1550纳米波段100GHz DWDM光学薄膜作为滤波器，我们对根据该发明设计的可调滤波器进行了理论模拟。工作角度选择在2度和23度之间。图8和图9是理论预测的当工作角度分别在23度和2度时的插入损耗。为示对比，纯粹的光学薄膜的单通透射谱(未涉及光纤耦合)也画在图中，以虚线表示。对于+/-15GHz的客户要求通带，附加+/-5GHz的温度保护带将可以保证目前市场上的大部分100GHz光学薄膜在0摄氏度和70摄氏度之间不漂移出客户要求的通带范围：这样保护起来的通带将是+/-20GHz。假定指标要求30dB的相邻通道隔离度；为清楚显示该设备的光学性能，指标线也标注在图中。从图8和图9可以看到当该设备在整个C-波段内调频时，30dB的相邻通道隔离度可以得到满足。而且，由于入射到光学薄膜滤波器的光是单一偏振态，该设备可以提供优良的PDL和PMD性能。

光学薄膜本质是被动无源器件，其优良的热稳定性能使根据该发明设计的可调滤波器无需主动监控温度；并且本发明的光学设计使其可以应用目前市场上的常规光学薄膜。本发明提供了一种低成本和低PDL的宽范围内的可调滤波器。

Claims (3)

1.一种低偏振相关损耗的宽范围内波长可调光学滤波器，包括光纤准直耦合模块，偏振处理模块，光学薄膜滤波器和平面反射镜，其特征是：

a.光纤准直耦合模块提供准直的入射光并接收经平面反射镜反射的反射光，把反射光耦合进另一根光纤；

b.偏振处理模块位于光纤准直耦合模块之后，可以将入射光分解为具有相同的S-或P-线性偏振态且空间上分开的平行的两个子光束；

c.光学薄膜滤波器位于偏振处理模块之后，偏振处理模块产生的两个子光束对称地入射到光学薄膜滤波器的物理中心，光学薄膜滤波器在两子光束所在的平面或与其正交的平面内旋转以改变光束入射角；

d.一个平面反射镜，位于光学薄膜滤波器之后并垂直于入射光束。两子光束被平面反射镜反射后原路返回，第二次通过光学薄膜滤波器，并在第二次通过偏振处理模块时被合并为沿与入射光不同路径传播的单光束，经光纤准直耦合模块输出。

2.根据权利要求1所述的低偏振相关损耗的宽范围内波长可调光学滤波器，其特征在于光纤准直耦合模块包括：

a.一个双芯光纤，其中两个光纤平行分布；

b.一个透镜，位于双芯光纤之后，其光轴与双芯光纤中两光纤位于同一平面，平行且位于两光纤中央，将双芯光纤中光纤一号出射的光准直，并将返回的光聚焦至双芯光纤中光纤二号输出。

3.根据权利要求1所述的低偏振相关损耗的宽范围内波长可调光学滤波器，其特征在于偏振处理模块沿入射光传播方向顺序包括：

a.第一个双折射晶体可以将任意偏振的入射光在垂直面内分解为具有相互正交的偏振态且在空间上分开的平行的两个子光束，水平面是双芯光纤中的两个光纤所在的平面；

b.一个二合一的半波片，由垂直面内的上下两个半波片组成。其中一个波片将一个子光束的偏振态旋转45度，另一波片将另一子光束的偏振态反向旋转45度；

c.第一个法拉弟旋转器，将入射光的偏振态旋转45度；

d.两个等同的楔角棱镜，位于水平面内以所述透镜光轴成镜像对称。其中一个棱镜是将斜入射的光转变成与透镜光轴平行，另一棱镜是将平行于透镜光轴的反向入射光以一斜角射出；

e.第二个双折射晶体，其对非常光的偏移距离与第一个双折射晶体相同，但偏移方向与第一个双折射晶体成90度；

f.第二个法拉弟旋转器，将入射光的偏振态旋转45度；

g.一个完整的半波片，将线性偏振的入射光的偏振态旋转45度。

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