專利名稱：寬帶偏振分離器、合并器、隔離器和控制器的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及偏振分離器、合并器和隔離器，尤其涉及對(duì)隨機(jī)偏振光信號(hào)分離或合并的波長(zhǎng)不敏感裝置。
2.技術(shù)背景偏振是光通信技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在單模光纖中，光纖的基本模式是對(duì)在纖芯-包層界面滿足邊界條件的波方程式的解。然而，直觀上看不出，對(duì)應(yīng)于基本模式的波方程式有兩個(gè)解。光纖被當(dāng)作單模光纖，因?yàn)閮蓚€(gè)解具有相同的傳播常數(shù)，至少在完全的圓柱光纖中是如此。將兩個(gè)解稱為偏振模式。與基本模式相關(guān)的電場(chǎng)假設(shè)是橫場(chǎng)，偏振分量沿x和y方向線性偏振。因此，偏振分量相互正交。當(dāng)光沿光纖傳播時(shí)，在兩個(gè)偏振模式之間脈沖能量被劃分。偏振狀態(tài)指兩種偏振模式之間光能量的分布。實(shí)際上，由于光纖不是完全圓形的，兩個(gè)偏振模式的傳播常數(shù)有少許差別，引起脈沖擴(kuò)散。這一現(xiàn)象稱為偏振模式擴(kuò)散。
在設(shè)計(jì)期間必須考慮到光在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳播的偏振狀態(tài)?？梢允构饫w的偏振與偏振模式擴(kuò)散無(wú)關(guān)，但是偏振狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間改變所有的狀態(tài)，并受環(huán)境因素的影響。許多器件需要入射光信號(hào)處于特定偏振狀態(tài)。這種器件的性能將隨入射偏振的狀態(tài)明顯變化。因此，當(dāng)入射光信號(hào)隨機(jī)偏振時(shí)，器件將失去功能。
已經(jīng)考慮的一種方法涉及使用偏振維持(PM)光纖。雖然PM光纖將維持光信號(hào)的偏振狀態(tài)，但是由于幾個(gè)原因?qū)τ诖蠖鄶?shù)通信系統(tǒng)而言是不實(shí)際的。首先，PM光纖的衰減總是較高的。其次，在發(fā)生某些偏振耦合的情況中，偏振模式擴(kuò)散將是很高的。第三，PM光纖價(jià)格昂貴，成本依賴于所需偏振保持的程度。因此，對(duì)系統(tǒng)廣泛部署，PM光纖是不實(shí)際的。
在已經(jīng)考慮的另一種方法中，已經(jīng)采用機(jī)械偏振控制器對(duì)偏振隨時(shí)間變化進(jìn)行機(jī)械跟蹤。通常，偏振跟蹤是在兩個(gè)階段進(jìn)行的。第一，測(cè)量偏振狀態(tài)。然后，將接收器和入射光信號(hào)的偏振狀態(tài)調(diào)節(jié)為一致。在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中使用機(jī)械偏振控制器來(lái)執(zhí)行電信實(shí)驗(yàn)。然而，這些器件大部分限于實(shí)驗(yàn)室。即使在實(shí)驗(yàn)室條件下，這些器件仍有幾個(gè)缺點(diǎn)。機(jī)械偏振控制器不是穩(wěn)健的，需要經(jīng)常監(jiān)視以保證它們處于良好工作秩序中。即使當(dāng)器件正常工作時(shí)，必須在整個(gè)時(shí)間上對(duì)偏振狀態(tài)作機(jī)械跟蹤，沒有這么做的直接方法，因?yàn)椴荒芴峁╅g隙。如果不是不可能的話，這使得偏振狀態(tài)的直接監(jiān)視變得困難。
在已經(jīng)考慮的再一種方法中，已經(jīng)采用偏振光分離器來(lái)給偏振敏感器件提供具有已知偏振狀態(tài)的光信號(hào)。偏振光分離器由與諧振結(jié)構(gòu)連接的輸入分束器組成，諧振結(jié)構(gòu)與輸出分束器連接。輸入分束器將光聯(lián)席會(huì)分成平行和垂直分量，然后將它們送至諧振結(jié)構(gòu)。在諧振波長(zhǎng)或其附近的光被諧振結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到一已知偏振狀態(tài)。然而，不在諧振波長(zhǎng)或其附近的光通過諧振結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。輸出分束器使兩分量重新合并為一具有已知偏振狀態(tài)的光信號(hào)。這一光信號(hào)提供給偏振敏感接收器使用。令人遺憾的是，最終的光信號(hào)是非常窄帶的，僅幾個(gè)波長(zhǎng)寬，因?yàn)椴辉谥C振波長(zhǎng)和其附近的信號(hào)的光譜分量已經(jīng)被濾除。這種方法也是代價(jià)昂貴的。
因此，在有偏振敏感元件的通信系統(tǒng)中，需要一種波長(zhǎng)不敏感的偏振分離器/合并器，它能夠被用于對(duì)寬帶偏振光信號(hào)進(jìn)行分離或合并，而光譜信息沒有損失。尤其在注重成本的系統(tǒng)中，如局域網(wǎng)或城市網(wǎng)中更是如此。
發(fā)明概要本發(fā)明提供一種滿足上述需求的穩(wěn)健、廉價(jià)而且相對(duì)波長(zhǎng)不敏感的偏振分離器/合并器。揭示的分離器/合并器能夠利用光纖技術(shù)或平面技術(shù)制備。將光分解成垂直和平行分量。然后，在偏振分量被重新合并之前為諸如傳感器或放大器等偏振敏感器件能夠利用。本發(fā)明的分離器/合并器也可用作隔離器、循環(huán)器和偏振控制器的基礎(chǔ)。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種引導(dǎo)偏振光信號(hào)的光學(xué)器件，所述偏振光具有相互正交的偏振分量。光學(xué)器件包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。光學(xué)器件還包括對(duì)極相位發(fā)生器，用于產(chǎn)生有選擇地與第一分量干涉的第一對(duì)極相位信號(hào)和有選擇地與第二分量干涉的第二對(duì)極相位信號(hào)，從而將偏振光信號(hào)引導(dǎo)到第一端口，將第一分量引導(dǎo)到第三端口而將第二分量引導(dǎo)到第四端口，光譜信息沒有明顯損失。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種引導(dǎo)偏振光信號(hào)、第一分量和第二分量的方法，其中在包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的光學(xué)器件中，第一分量和第二分量是偏振光信號(hào)相互正交的偏振分量。該方法包括以下步驟提供與第一端口、第二端口、第三端口和第四端口連接的對(duì)極相位發(fā)生器，用于對(duì)偏振光信號(hào)、第一分量和第二分量進(jìn)行處理；從包含或是第一分量或是第二分量的同相信號(hào)中產(chǎn)生至少一個(gè)對(duì)極相位信號(hào)；以及從同相信號(hào)中減去對(duì)極相位信號(hào)，其中將偏振光信號(hào)引導(dǎo)到第一端口，將第一分量引導(dǎo)到第三端口而將第二分量引導(dǎo)到第四端口，光譜信息沒有明顯損失。
本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)將在以下的詳細(xì)描述中給出，一部分對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言從該描述是顯而易見的或是通過按照這里的描述實(shí)施本發(fā)明而認(rèn)識(shí)到，包括以下的詳細(xì)描述、權(quán)利要求書以及附圖。
應(yīng)當(dāng)理解，以上的一般描述和以下的詳細(xì)描述僅僅是本發(fā)明的示例，試圖為理解權(quán)利要求所主張的本發(fā)明的本質(zhì)和特征提供一種概述或框架。包含的附圖提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并被加入本說(shuō)明書而構(gòu)成其一部分。


本發(fā)明的各種實(shí)施例，與描述一起說(shuō)明本發(fā)明的原理和工作。
附圖簡(jiǎn)述圖1是按照本發(fā)明第一實(shí)施例的偏振分離器/合并器的平面圖。
圖2是通過圖1中X-X線截取的第一和光學(xué)臂的截面圖。
圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的光纖耦合器實(shí)施的一個(gè)例子。
圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例的平面耦合器實(shí)施的一個(gè)例子。
圖5是比較消光比與光譜帶寬的圖，以說(shuō)明本發(fā)明的光學(xué)器件的相對(duì)波長(zhǎng)不敏感性。
圖6是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的隔離器/循環(huán)器的平面圖。
圖7是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的偏振控制器的平面圖。
圖8是通過圖7中Y-Y線截取的偏振控制器光纖實(shí)施例中第四光學(xué)臂的截面圖。
圖9是圖7中所示偏振控制器的平面實(shí)施例中第四光學(xué)臂上的加熱器元件的詳細(xì)圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的較佳實(shí)施例，在附圖中示出這些較佳實(shí)施例的例子。在可能的地方，在整個(gè)附圖中將采用相同標(biāo)號(hào)表示相同或相似的部分。圖1示出本發(fā)明的偏振分離器/合并器的一個(gè)示范實(shí)施例，以標(biāo)號(hào)10表示。
按照本發(fā)明，寬帶偏振分離器/合并器10包括對(duì)入射偏振光信號(hào)進(jìn)行處理的對(duì)極相位發(fā)生器12。對(duì)極相位發(fā)生器12將偏振光信號(hào)分解成平行和垂直分量。在一條光路52中，使平行偏振分量相對(duì)于在另一路徑42中傳播的平行分量相位延遲π弧度的奇數(shù)倍，由此產(chǎn)生對(duì)極信號(hào)。另一方面，在兩條光路中的垂直分量是同相的。當(dāng)這些分量在耦合器30中合并時(shí)，平行分量相位相差180°，由于相消干擾而相減。結(jié)果，寬帶分離器/合并器10將偏振光信號(hào)的垂直分量從端口64引出，將偏振光信號(hào)的平行分量從端口66引出。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)，能夠?qū)θ我环至孔飨辔谎舆t，但是不是兩個(gè)分量都作相位延遲。由于對(duì)極相位發(fā)生器12并不調(diào)諧列任何諧振頻率，產(chǎn)生的垂直和平行分量是寬帶光信號(hào)。因此，本發(fā)明提供一種穩(wěn)健、廉價(jià)、相對(duì)不依賴波長(zhǎng)的偏振分離器/合并器10，它將具有已知偏振狀態(tài)的光提供給諸如傳感器、放大器或接收器等偏振敏感器件。本發(fā)明的寬帶分離器/合并器10還被用作隔離器、循環(huán)器和偏振控制器的基礎(chǔ)。本發(fā)明能夠利用光纖技術(shù)或是平面技術(shù)制備。
正如這里具體實(shí)施和圖1所示的，對(duì)極相位發(fā)生器12是一種馬赫-倫德爾器件，它包括與端口60和62連接的耦合器20。耦合器20與光學(xué)臂42和光學(xué)臂52連接。光學(xué)臂42和光學(xué)臂52與耦合器30連接，耦合器30與端口64和66連接。光學(xué)臂42具有預(yù)定長(zhǎng)度44，光學(xué)臂52具有預(yù)定長(zhǎng)度54。
正如具體實(shí)施和圖2所示的，圖中示出了沿圖1中X-X線截取的第一臂和光學(xué)臂的截面圖。光學(xué)臂42包括橢圓芯420和第一包層422。光學(xué)臂52包括橢圓芯520和包層522。纖芯420和520的橢圓率是不同的，在對(duì)極相位發(fā)生器12的設(shè)計(jì)中起重要作用。
對(duì)極相位發(fā)生器12可以是任何合適的已知類型，但是圖中通過舉例的方式示出馬赫-倫德爾器件，它由偏振維持(PM)光纖40和偏振維持(PM)光纖50形成。橢圓纖芯420的橢圓率由長(zhǎng)軸rx1＝4μm和短軸ry1＝1μm表征。橢圓纖芯520的橢圓率由長(zhǎng)軸rx2＝3.3μm和短軸ry2＝1.2μm表征。光學(xué)臂長(zhǎng)度44和54約等于1cm。光纖40的纖芯-包層相對(duì)折射率Δ1＝2.0％，光纖50的纖芯-包層相對(duì)折射率Δ2＝2.0％。橢圓率和相對(duì)折射率決定了傳播常數(shù)，因此決定了對(duì)極相位信號(hào)的產(chǎn)生。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明白的，可以用這些參數(shù)的各種組合來(lái)產(chǎn)生對(duì)極相位信號(hào)。對(duì)極相位發(fā)生器12也可利用平面波導(dǎo)實(shí)施。以下將更詳細(xì)地討論這兩種不同實(shí)施例。在平面配置中，纖芯420和520在耦合區(qū)20和30中具有接近圓形截面。這是提供偏振維持所必需的。在耦合區(qū)20和30之外，如上所述纖芯420和520是橢圓的。
正如圖1和2所示，偏振分離器/合并器10的操作如下。正如圖1中所示，當(dāng)用作分離器時(shí)，將隨機(jī)偏振光信號(hào)引導(dǎo)到端口60中。偏振光信號(hào)被耦合器20耦合到臂42和52中。在光從臂42和52進(jìn)入耦合器30之前，臂42運(yùn)載平行偏振分量，而臂52運(yùn)載相對(duì)于臂42中平行分量相移了π弧度的平行偏振分量。因此，產(chǎn)生平行偏振分量的對(duì)極相位信號(hào)。耦合器30具有減法功能。當(dāng)平行對(duì)極信號(hào)被耦合時(shí)，它們彼此間完全干涉，由于相消干涉造成平行偏振分量被相消。因此，只有垂直偏振分量出現(xiàn)在端口64上。相對(duì)于垂直偏振分量發(fā)生相反效應(yīng)，只有平行分量出現(xiàn)在端口66上。
當(dāng)用作合并器時(shí)，將垂直偏振光信號(hào)引導(dǎo)到端口64中，而將平行偏振光信號(hào)引導(dǎo)到端口66中。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白，光學(xué)器件10是雙向的，以針對(duì)分離器描述的相反方式工作。將每個(gè)偏振分量耦合到臂42和52中。臂42和52在將光引導(dǎo)到耦合器20之前產(chǎn)生對(duì)極信號(hào)。因此，由于產(chǎn)生并接著在耦合器20中被合并的對(duì)極信號(hào)的相長(zhǎng)干涉偏振光信號(hào)出現(xiàn)在端口60上，而由于相消干涉，沒有信號(hào)出現(xiàn)在端口62上。
建立每個(gè)端口上輸出的信號(hào)功率與橢圓率、相對(duì)折射率和每個(gè)光纖臂中傳播常數(shù)之間關(guān)系的本發(fā)明工作原理如下βi=kn11-2Δ(VxVy)12[(RxRy)12+(RyRx)12]12----(1)]]>式中β1是橢圓芯光纖的傳播常數(shù)。傳播常數(shù)的偏振校正是Δβxi=-(2Δ)322RxVx----(2)]]>Δβyi=-(2Δ)322RyVy----(3)]]>因此，每種偏振的傳播常數(shù)由下式給出βxi＝βi+Δβxi(4)βyi＝βi+Δβyi(5)這里x和y是偏振方向，標(biāo)引i是指第一或第二光纖，Rx和Ry是橢圓纖芯的截面長(zhǎng)度和寬度尺寸，k＝2π/λ，式中λ是光信號(hào)的波長(zhǎng)，Vx和Vy是光纖參數(shù)。光纖參數(shù)Vx和Vy是k、Rx、Ry、纖芯折射率和纖芯與包層的相對(duì)折射率的函數(shù)。最后，傳播到裝置之外的偏振分量信號(hào)功率由方程式給出Pxi＝sin2[(Δβxi-Δβx2)Zi](6)Pyi＝sin2[(Δβyi-Δβy2)Zi](7)這里Zi是臂的長(zhǎng)度。因此，橢圓率、相對(duì)折射率和傳播常數(shù)是這樣選擇的，即在給定端口中一個(gè)分量的信號(hào)功率為0。例如，對(duì)于每一偏振分量被引導(dǎo)到第一輸出端口之外的信號(hào)功率是Px1＝SP1和Py1＝0，其中引出第一端口的信號(hào)功率SP1在x方向偏振。對(duì)于每一偏振分量被引導(dǎo)到第二輸出端口之外的信號(hào)功率是Px2＝0和Py2＝SP2，其中，引出第二端口的信號(hào)功率SP2在y方向偏振。顯然，可以這樣選擇參數(shù)，即y偏振從第一端口引出，而x偏振分量從第二端口引出。理論上，在以上的例子中，臂是這樣設(shè)計(jì)的，即Py1和Px2完全被抵消。然而，實(shí)際中，將存在與這些分量相關(guān)的可忽略的信號(hào)功率。在寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，Px1與Py1之間和Py2與Px2之間相差至少20dB。下面將針對(duì)圖5更詳細(xì)地討論。要著重指出，盡管根據(jù)k＝2π/λ項(xiàng)，βxi項(xiàng)具有一定的波長(zhǎng)依賴性，但是在方程式(1)至(7)中沒有帶限制功能或通帶濾波功能，當(dāng)分解偏振光信號(hào)時(shí)其作用是濾除或除掉光譜信息。
本發(fā)明第一實(shí)施例的偏振分離器/合并器10可以是任何合適的已知類型，但是圖3中通過舉例的方式示出一種光纖耦合器實(shí)施方案。在該實(shí)施例中，第一光波導(dǎo)40和第二光波導(dǎo)50是相位維持(PM)光纖，各自具有橢圓纖芯和包層，正如圖2所示。光纖40和50二者均設(shè)置在玻璃管中，對(duì)玻璃管加熱并使其沿光纖坍塌，形成外包層80。對(duì)被加熱的器件進(jìn)行拉制以減小其直徑，形成漸逝耦合器20和30。然而，應(yīng)當(dāng)注意，在分離器/合并器工作的通信系統(tǒng)環(huán)境中并不使用PM光纖。
在本發(fā)明的另一個(gè)不同實(shí)施例中，正如這里具體實(shí)施和圖4所示的，圖1中所示的本發(fā)明第一實(shí)施例的偏振分離器/合并器10可以利用平面耦合器配置實(shí)施。耦合器20是通過使第一光波導(dǎo)40和第二光波導(dǎo)50設(shè)置成彼此緊密靠近以致于在波導(dǎo)40中傳播的模的漸逝場(chǎng)進(jìn)入波導(dǎo)50而形成的。耦合器30以同樣方式形成。在平面耦合器實(shí)施方案中，第一光波導(dǎo)40和第二光波導(dǎo)50是相位維持波導(dǎo)，它由具有沉積在基板90上的底包層和波導(dǎo)芯層的晶片形成。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)形成。然而，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯然知道，利用圖4中所示的平面配置能夠作出各種改進(jìn)和變化。例如，可以采用紫外束照射、離子注入或任何合適的技術(shù)。光學(xué)臂42和52的長(zhǎng)度L作為光刻工藝的一部分而實(shí)施，如上所述。
圖5是本發(fā)明的光學(xué)器件10的波長(zhǎng)不敏感性曲線圖。該圖表明針對(duì)消光比本發(fā)明與諧振束分離器件之間的帶寬比較。諧振束分離器件具有幾納米至約10納米的帶寬。本發(fā)明的光學(xué)器件10相對(duì)波長(zhǎng)獨(dú)立。在至少100nm的帶寬范圍內(nèi)，垂直分量與平行分量之間存在20dB間隔。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，正如這里具體實(shí)施和圖6所示的，揭示一種隔離器/循環(huán)器的平面圖。對(duì)極相位發(fā)生器12與半波片110連接。半波片110使入射偏振光信號(hào)旋轉(zhuǎn)22.5°。半波片110與非倒易旋轉(zhuǎn)器元件120連接，非倒易旋轉(zhuǎn)器元件120與第二對(duì)極發(fā)生器14連接，后者又與端口68連接。
對(duì)極相位發(fā)生器14可以是任何合適的已知類型，但是圖中通過舉例的方式示出一個(gè)馬赫-倫德爾器件，它由偏振維持(PM)光纖40和偏振維持(PM)光纖50形成。橢圓纖芯420的橢圓率由長(zhǎng)軸rx1＝4μm和短軸ry1＝1μm表征。橢圓纖芯520的橢圓率由長(zhǎng)軸rx2＝3.3μm和短軸ry2＝1.2μm表征。光學(xué)臂長(zhǎng)度44和54約等于1cm。光纖40的纖芯-包層相對(duì)折射率Δ1＝2.0％，光纖50的纖芯-包層相對(duì)折射率Δ2＝2.0％。對(duì)極發(fā)生器14與對(duì)極發(fā)生器12相同并作為合并器工作，如上所述。
非倒易旋轉(zhuǎn)器元件120可以是任何合適的已知類型，但是圖中通過舉例的方式示出一個(gè)使偏振光信號(hào)非倒易地旋轉(zhuǎn)45°的法拉第旋轉(zhuǎn)器。如果將旋轉(zhuǎn)后的信號(hào)反射返回到元件120，它將被再旋轉(zhuǎn)45°。這一旋轉(zhuǎn)是非倒易的，因?yàn)樗⒉坏窒谝淮涡D(zhuǎn)。因此，反射的信號(hào)相對(duì)于入射光信號(hào)將被旋轉(zhuǎn)90°。
以下是隔離器/循環(huán)器10的操作，正如圖6所示。將隨機(jī)偏振光信號(hào)引導(dǎo)到外部端口60。對(duì)極相位發(fā)生器12象如上所述的分離器一樣工作，使得垂直偏振分量從外部端口64出射，而平行偏振分量從外部端口66出射。半波片110使兩個(gè)信號(hào)旋轉(zhuǎn)45°。非倒易旋轉(zhuǎn)元件還使兩偏振分量再旋轉(zhuǎn)45°，信號(hào)被輸入到對(duì)極相位發(fā)生器14。對(duì)極相位發(fā)生器14將垂直和平行分量合并，正如以上參考本發(fā)明第一實(shí)施例所描述的。因此，偏振光信號(hào)被引導(dǎo)到端口68中。隔離器的功能保持不想要的反射不通過外部端口60返回傳播和不損傷發(fā)射器和其它器件。因此，當(dāng)反射的信號(hào)通過法拉第旋轉(zhuǎn)器返回傳播時(shí)，它被非倒易地旋轉(zhuǎn)，反射的平行分量被引導(dǎo)到外部端口64，而反射的垂直分量被引導(dǎo)到外部端口66。對(duì)極相位發(fā)生器12產(chǎn)生每個(gè)分量的對(duì)極信號(hào)，使得兩個(gè)被反射的偏振分量通過相消干涉而抵消，不出現(xiàn)在外部端口60上。
另一方面，對(duì)極相位發(fā)生器通過相長(zhǎng)干涉使垂直和平行分量合并，在端口62上出現(xiàn)具有兩種分量的反射的偏振信號(hào)。通過在端口62上提供供系統(tǒng)使用的反射信號(hào)，這說(shuō)明了器件10的循環(huán)器功能。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，正如這里具體實(shí)施和圖7所示的，揭示了偏振控制器10的平面圖。對(duì)極相位發(fā)生器12與外部端口64處的臂46和外部端口66處的臂56連接。光學(xué)臂46和56分別與第三耦合器130連接。耦合器130與端口68連接。在偏振控制器10中，對(duì)極相位發(fā)生器12與針對(duì)上述第一實(shí)施例所描述和圖1與2中所示的發(fā)生器相同。
在圖7中，相位漂移元件14的兩個(gè)臂46和56包括約0.1mm的彎曲“f”。這一彎曲在臂46與56之間引起180°相位延遲，使來(lái)自兩個(gè)臂46和56的光耦合到外部端口68中。在制備過程中，通過用伺服機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)從臂56輸出的光功率可微調(diào)0.1mm彎曲。使臂46和56彎曲直至功率輸出等于零為止。注意，第三光學(xué)臂46是PM光纖40的一部分。因此，在光纖型式的器件中，臂42和46是由同一纖維制備的，因此具有相同的纖芯、包層和傳播常數(shù)。
正如這里具體實(shí)施和圖8所示的，圖中示出了通過圖7中Y-Y線截取的光學(xué)臂56的截面圖。光學(xué)臂包括橢圓纖芯562的中心在光學(xué)臂56的光軸572上的段560，段560與中間段564連接，后者也具有橢圓纖芯566。纖芯566相對(duì)于纖芯562繞光軸572旋轉(zhuǎn)45°。段564的長(zhǎng)度等于偏振信號(hào)的一個(gè)拍頻長(zhǎng)度，并與段568連接，后者也具有橢圓纖芯570。纖芯570與纖芯562對(duì)準(zhǔn)，不繞光軸572旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，光學(xué)臂56的作用是改變光程長(zhǎng)度并對(duì)一個(gè)拍頻長(zhǎng)度使信號(hào)旋轉(zhuǎn)45°。光學(xué)臂56是通過切割PM光纖50并將中間段564拼接到臂56中而制備的。
正如這里具體實(shí)施和圖9所示的，揭示了偏振控制器的另一個(gè)不同的平面實(shí)施例。圖9詳細(xì)示出第四光學(xué)臂上的加熱器元件。它在平面實(shí)施例中執(zhí)行的功能與光纖耦合器實(shí)施例中分段的第四臂的功能相同。正如以上針對(duì)第一實(shí)施例的平面實(shí)施方案所討論的，第一光波導(dǎo)40和第二光波導(dǎo)50是由底包層和波導(dǎo)芯層沉積在基板90上的晶片形成。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)形成。然而，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯然明白，在實(shí)施圖5中所示的平面配置時(shí)能夠作出各種改進(jìn)和變化。例如，可以采用紫外束照射、離子注入或任何合適的技術(shù)。
為了獲得光纖耦合器型式中彎曲和分段的光纖56所產(chǎn)生的相同效果，加熱器電極574沉積在臂56附近。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，當(dāng)加熱時(shí)，臂56的折射率按照其dn/dt系數(shù)變化。折射率的變化導(dǎo)致光程長(zhǎng)度的變化，在波導(dǎo)中傳播的信號(hào)的相位被改變。在這種情況下，選擇第四光學(xué)臂的材料，對(duì)一個(gè)拍頻長(zhǎng)度使給定信號(hào)旋轉(zhuǎn)45°，在臂46與臂56之間引起180°延遲。
圖7-9中所示的偏振控制器工作如下。將隨機(jī)偏振光信號(hào)引導(dǎo)到端口60。對(duì)極相位發(fā)生器12按照以上針對(duì)第一實(shí)施例描述的分離器工作，使得垂直偏振分量退出耦合器30并被引導(dǎo)到第三光學(xué)臂46。以類似的方式，平行偏振分量退出耦合器30并被引導(dǎo)到第四光學(xué)臂56。垂直分量在第三光學(xué)臂46中傳播并被引導(dǎo)到耦合器130。平行偏振分量在光學(xué)臂56中傳播，在光纖耦合器實(shí)施例中被中間段546旋轉(zhuǎn)45°，或者在平面實(shí)施例中被加熱器旋轉(zhuǎn)45°。由于相長(zhǎng)干涉，垂直偏振光信號(hào)在外部端口68退出偏振控制器。因此，偏振控制器取隨機(jī)偏振光信號(hào)并輸出具有已知偏振的光信號(hào)。
對(duì)本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員而言，顯然能夠?qū)Ρ景l(fā)明作出各種改進(jìn)和變化而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，希望本發(fā)明覆蓋在所附權(quán)利要求書及其等效情況中提供的本發(fā)明的改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種引導(dǎo)偏振光信號(hào)的光學(xué)器件，所述偏振光具有第一偏振分量和第二偏振分量，所述第一偏振分量和第二偏振分量是所述偏振光信號(hào)的相互正交的偏振分量，所述光學(xué)器件包括第一端口、第一分量端口和第二分量端口，其特征在于所述光學(xué)器件包括與第一端口、第一分量端口和第二分量端口連接的對(duì)極相位發(fā)生器，用于產(chǎn)生有選擇地與第一偏振分量干涉的第一對(duì)極相位信號(hào)和有選擇地與第二偏振分量干涉的第二對(duì)極相位信號(hào)，由此存在某種關(guān)系，其中偏振光信號(hào)在第一端口中傳播，第一偏振分量在第一分量端口中傳播，第二偏振分量在第二分量端口中傳播，光譜信息沒有明顯損失。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于將偏振光信號(hào)通過第一端口引導(dǎo)到光學(xué)器件中并被對(duì)極相位發(fā)生器分解成第一偏振分量和第二偏振分量，使第一偏振分量被引出第一分量端口，第二偏振分量引出第二分量端口。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于第一偏振分量被引導(dǎo)到第一分量端口中而第二偏振分量被引導(dǎo)到第二分量端口中，并被對(duì)極相位發(fā)生器合并，由此形成偏振光信號(hào)并從第一端口引出。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于偏振光信號(hào)、第一偏振分量和第二偏振分量被引出光學(xué)器件時(shí)具有至少100nm的帶寬。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)器件，其特征在于第一偏振分量和第二偏振分量被引出光學(xué)器件時(shí)，帶寬內(nèi)具有至少20dB的消光比。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其特征在于對(duì)極相位發(fā)生器是第一馬赫-倫德爾裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)器件，其特征在于第一馬赫-倫德爾裝置進(jìn)一步包括與第一端口和第一分量端口連接并具有第一橢圓芯、第一相對(duì)折射率和第一傳播常數(shù)的第一臂；以及與第二分量端口連接并具有不同于第一橢圓芯的第二橢圓芯、不同于第一相對(duì)折射率的第二相對(duì)折射率和不同于第一傳播常數(shù)的第二傳播常數(shù)的第二臂，其中產(chǎn)生一路徑長(zhǎng)度差，產(chǎn)生第一對(duì)極相位信號(hào)和第二對(duì)極相位信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第一臂具有第一預(yù)定長(zhǎng)度、第一預(yù)定平行偏振常數(shù)和第一預(yù)定垂直偏振常數(shù)，引起第二偏振分量相移偶數(shù)倍π弧度，而第一偏振分量相移奇數(shù)倍π弧度。
9.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第一橢圓芯具有約4μm的第一尺寸和約1μm的第二尺寸。
10.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第一相對(duì)折射率約等于2.0％。
11.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第二臂具有第二預(yù)定長(zhǎng)度、第二預(yù)定平行偏振常數(shù)和第二預(yù)定垂直偏振常數(shù)，引起第一偏振分量相移偶數(shù)倍π弧度，而第二偏振分量相移奇數(shù)倍π弧度。
12.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第二橢圓芯具有約3.3μm的第一尺寸和約1.2μm的第二尺寸。
13.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第二相對(duì)折射率約等于2.0％。
14.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于光學(xué)器件包括平面基板。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)器件，其特征在于第一臂和第二臂進(jìn)一步包括第一耦合區(qū)，其中第一臂和第二臂各具有一個(gè)在所述第一耦合區(qū)中約為圓形的芯，由此維持偏振狀態(tài)；以及第二耦合區(qū)，其中第一臂和第二臂各具有一個(gè)在所述第二耦合區(qū)中約為圓形的芯，由此維持偏振狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第一臂和第二臂是相位維持光纖。
17.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于第一馬赫-倫德爾裝置包括第一光纖耦合器和第二光纖耦合器。
18.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于進(jìn)一步包括與第二臂連接的第二端口；與第一分量端口和第二分量端口連接的半波片，其中所述半波片使第一偏振分量和第二偏振分量旋轉(zhuǎn)45°；與所述半波片連接的非倒易旋轉(zhuǎn)器元件，用于使第一偏振分量和第二偏振分量非倒易地旋轉(zhuǎn)約45°，其中通過所述非倒易旋轉(zhuǎn)器元件的被反射的第一偏振分量和被反射的第二偏振分量相對(duì)于第一偏振分量和第二偏振分量分別旋轉(zhuǎn)90°，由于相消干涉反射的偏振光信號(hào)不能在第一端口中傳播；以及與所述非倒易旋轉(zhuǎn)器元件連接的第二馬赫-倫德爾裝置，其中偏振光信號(hào)從所述第二馬赫-倫德爾裝置退出光學(xué)器件。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)器件，其特征在于反射的偏振光信號(hào)從第二端口出射。
20.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件，其特征在于進(jìn)一步包括與第一分量端口連接的第三光學(xué)臂，用于傳播第一偏振分量，其中所述第三臂包括第三橢圓芯、第三相對(duì)折射率和第三傳播常數(shù)；與第二分量端口連接的偏振旋轉(zhuǎn)臂，用于使第二偏振分量的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，以與第一偏振分量的偏振狀態(tài)相匹配；以及與所述第三光學(xué)臂和所述偏振旋轉(zhuǎn)臂連接的耦合器，所述耦合器包括一個(gè)輸出端口，用于將第一偏振分量或是第二偏振分量引導(dǎo)到所述輸出端口中，從而使光學(xué)器件輸出具有預(yù)定偏振狀態(tài)的光信號(hào)。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)器件，其特征在于偏振旋轉(zhuǎn)臂進(jìn)一步包括具有一光學(xué)軸并與第二分量端口連接的第一段，其中所述第一段具有第一段橢圓芯；與所述第一段連接的第二段，其中所述第二段具有相對(duì)于所述第一段橢圓芯繞光軸旋轉(zhuǎn)45°的第二段橢圓芯；以及與所述第二段和第三耦合器連接的第三段，其中所述第三段不繞光軸旋轉(zhuǎn)，而與所述第一段橢圓芯對(duì)準(zhǔn)。
22.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)器件，其特征在于第二光學(xué)段的長(zhǎng)度等于偏振光信號(hào)的拍頻長(zhǎng)度。
23.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)器件，其特征在于第一馬赫-倫德爾裝置和耦合器包括利用光纖耦合器實(shí)施的集成器件。
24.如權(quán)利要求23所述的光學(xué)器件，其特征在于第一臂、第二臂、第三臂和偏振旋轉(zhuǎn)臂由偏振維持光纖組成。
25.如權(quán)利要求24所述的光學(xué)器件，其特征在于第三臂和偏振旋轉(zhuǎn)臂被彎曲一預(yù)定距離。
26.如權(quán)利要求25所述的光學(xué)器件，其特征在于該預(yù)定距離約為0.25mm。
27.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)器件，其特征在于第一馬赫-倫德爾裝置和耦合器包括集成平面器件。
28.如權(quán)利要求27所述的光學(xué)器件，其特征在于進(jìn)一步包括設(shè)置在偏振旋轉(zhuǎn)臂上的加熱器元件，其中通過改變偏振旋轉(zhuǎn)臂的光學(xué)路徑長(zhǎng)度，所述加熱器元件使第二偏振分量的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)。
29.一種引導(dǎo)偏振光信號(hào)的方法，所述偏振光具有第一偏振分量和第二偏振分量，所述第一偏振分量和第二偏振分量是所述偏振光信號(hào)的相互正交的偏振分量，所述光學(xué)器件包括第一端口、第一分量端口和第二分量端口，其特征在于所述方法包括以下步驟提供一個(gè)與第一端口、第一分量端口和第二分量端口連接的對(duì)極相位發(fā)生器；分別從第一偏振分量和第二偏振分量產(chǎn)生第一對(duì)極相位信號(hào)和第二對(duì)極相位信號(hào)；以及有選擇地從第一偏振分量減去所述第一對(duì)極相位信號(hào)和從第二偏振分量減去第二對(duì)極相位信號(hào)，由此存在某種關(guān)系，其中偏振光信號(hào)在第一端口中傳播，第一偏振分量在第一分量端口中傳播，第二偏振分量在第二分量端口中傳播，光譜信息沒有明顯損失。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于有選擇地減去步驟進(jìn)一步包括以下步驟通過第一端口將偏振光信號(hào)引導(dǎo)到光學(xué)器件中；以及將偏振光信號(hào)分解成第一偏振分量和第二偏振分量，并將第一偏振分量引出第一分量端口，將第二偏振分量引出第二分量端口。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于有選擇地減去步驟進(jìn)一步包括以下步驟將第一偏振分量引導(dǎo)到第一分量端口中和將第二偏振分量引導(dǎo)到第二分量端口中；以及將第一偏振分量和第二偏振分量合并，由此形成偏振光信號(hào)并將該偏振光信號(hào)引出第一端口。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟提供與光學(xué)器件連接的第二端口；提供與第一分量端口和第二分量端口連接的法拉第旋轉(zhuǎn)器組件，其中所述法拉第旋轉(zhuǎn)器組件包括一半波片；提供與所述法拉第旋轉(zhuǎn)器組件連接的第一馬赫-倫德爾裝置；以及使第一偏振分量和第二偏振分量非倒易地旋轉(zhuǎn)，由此阻止由于相消干涉造成的反射的偏振光信號(hào)在第一端口中傳播，以及由此引起所述的反射的偏振光信號(hào)從所述第二端口退出光學(xué)器件。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟提供與第一分量端口和第二分量端口連接的偏振旋轉(zhuǎn)單元；以及使第二偏振分量的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)以與第一偏振分量的偏振狀態(tài)相匹配，其中將第一偏振分量或第二偏振分量引出光學(xué)器件，使得光學(xué)器件具有預(yù)定的偏振狀態(tài)。
全文摘要
利用光纖耦合器(20,30)技術(shù)或者平面耦合器技術(shù)制備寬帶偏振分離器和合并器(10)。裝置將寬帶光信號(hào)分解或合并(10),而光譜信息沒有明顯損失。使用對(duì)極相位發(fā)生器(12)將隨機(jī)偏振光信號(hào)分解成供偏振敏感器件使用的相對(duì)寬帶偏振分量。光學(xué)器件利用偏振保持光纖或波導(dǎo)制備,但是希望用在采用非偏振保持光纖的系統(tǒng)中。偏振分離器/合并器還被用作隔離器/循環(huán)器和偏振控制器(10)的基礎(chǔ)。偏振控制器(10)將隨機(jī)偏振光信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有已知和限定偏振狀態(tài)的信號(hào)。
文檔編號(hào)G02B6/12GK1347510SQ00804290
公開日2002年5月1日 申請(qǐng)日期2000年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月26日
發(fā)明者N·F·伯瑞里, D·A·諾蘭, M·J·雅德勞斯基 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司