專利名稱：用于光信號交錯復(fù)用器中具有法拉第旋轉(zhuǎn)器的gires－tournois干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光通訊系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明是與諸如被用于DWDM系統(tǒng)部分之間連接的交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器那樣的連接裝置有關(guān)。這些DWDM系統(tǒng)工作的信道頻率間隔相差二分之一，如工作在每信道50GHz的部分和工作在每信道100GHz的部分之間的連接。
這是2001年8月13日美國專利申請No.09/929,875的一個分案申請，該專利申請已被準(zhǔn)予授權(quán)，其內(nèi)容在此被結(jié)合一起參考使用。本申請進(jìn)一步與2001年6月4日提出的未授權(quán)專利申請No.09/874,925相關(guān)，該專利申請的內(nèi)容在此也被結(jié)合一起參考使用。
背景技術(shù)：
隨著DWDM光學(xué)通訊技術(shù)的進(jìn)步，在幾年的時間里信道的頻率間隔已經(jīng)從每信道200GHz變化到100GHz以至50GHz。當(dāng)一個通訊系統(tǒng)被從每信道100GHz升級到每信道50GHz的時候，在系統(tǒng)中保留一些老設(shè)備是有利的，例如那些被設(shè)計用于每信道100GHz的老設(shè)備。通過使用交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器在老設(shè)備和新設(shè)備之間進(jìn)行連接，一些老設(shè)備可以被保留在被升級了的系統(tǒng)中。
一個交錯復(fù)用器將含有偶信道的光信號與含有奇信道的光信號相接合。例如，一個50GHz的交錯復(fù)用器將一個含有一組具有100GHz頻率間隔的偶信道的光信號與一個含有一組具有100GHz頻率間隔的奇信道的光信號相接合產(chǎn)生一個含有該組偶信道和該組奇信道的具有每信道50GHz頻率間隔的出射光信號。
一個去交錯復(fù)用器將交錯復(fù)用器的處理倒過來。例如，一個50GHz的去交錯復(fù)用器將偶信道與奇信道分離產(chǎn)生兩個出射信號，一個出射信號包含一組具有100GHz信道頻率間隔的偶信道，一個出射信號包含奇信道并具有100GHz信道頻率間隔。
交錯復(fù)用器的基本原理是基于兩束光的干涉。干涉產(chǎn)生了一個穿過該設(shè)備的具有不同組合的多波長的周期性重復(fù)的出射。所希望的交錯復(fù)用器的信道頻率間隔通過控制干涉條紋圖樣被設(shè)定。當(dāng)今的制造商使用熔融光纖馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀，液晶，雙折射晶體，Gires-Tournois干涉儀(GTI)和其他裝置來建立交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器。
其中，基于GTI的交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器比較而言具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，基于GTI的交錯復(fù)用器具有很低的插入損耗，在一個寬的波長范圍里具有均勻的響應(yīng)(平頂光譜)，并具有最小的偏振相關(guān)效應(yīng)。
對于10G比特/秒以及下一代40G比特/秒的系統(tǒng)，色散必須被考慮。對于較高比特率的系統(tǒng)，色散的要求是非常嚴(yán)格的。盡管現(xiàn)在有許多技術(shù)實(shí)際被用于交錯復(fù)用器產(chǎn)品中，但在確定哪一種技術(shù)是成功的時，色散特性可能仍將是決定性的因素。為了成功，交錯復(fù)用器不僅必須在ITU的中心波長有一個較低的色散值，而且，在裝置全部有用的通帶范圍里有較低的色散值(即，色散應(yīng)不減少可用的通帶)。不幸的是，基于GTI的交錯復(fù)用器具有非常大的色散，對于50GHz的交錯復(fù)用器高達(dá)70-200ps/nm，對于25GHz的交錯復(fù)用器，高達(dá)250-800ps/nm。
美國專利US 6,169,604題為“用一個相位偏置元件分離光信號波長的用于光纖密集波分復(fù)用器的非線性干涉儀”，該項專利是授予Cao的，從中公開了一種復(fù)用器，它包含有兩個非線性干涉儀，其中每個非線性干涉儀(NLI)為帶有內(nèi)部λ/4波片和一個外部λ/8波片的GTI(US 6,169,604的圖8和圖9)。
在相關(guān)未決專利申請No.09/874,925(題為“具有色散補(bǔ)償?shù)墓庑盘柦诲e復(fù)用器和去交錯復(fù)用器裝置”)在此也合并一起參考，本發(fā)明公開了一種色散補(bǔ)償交錯復(fù)用器和一種色散補(bǔ)償去交錯復(fù)用器，它們都包含有一個NLI和一個GTI色散補(bǔ)償器。
在一種NLI中，波片的c-軸相對偏振方向的角度調(diào)準(zhǔn)是精密和困難的。對λ/4波片和λ/8波片的C-軸相對于射入波片的光束偏振方向正確的角度對準(zhǔn)都是45度。1度之小的角度誤差，也就是說波片在1度的誤差內(nèi)旋轉(zhuǎn)，繞光束的方向從45度到46度或到44度，引起光譜形狀和交錯復(fù)用器(或去交錯復(fù)用器)的群延遲的嚴(yán)重失真。一些由于λ/8波片的角度誤差引起失真的例子在以下將被敘述。
角度誤差降低了信道之間的隔離。例如一個λ/8波片的大約1度的誤差會使偶信道和相鄰的奇信道之間的隔離減少大約10％。
角度誤差使群延遲失真。圖1顯示一個完全調(diào)準(zhǔn)的基于50/100GHz NLI的交錯復(fù)用器(或去交錯復(fù)用器)的群延遲。圖1既應(yīng)用于偶信道又應(yīng)用于奇信道。圖2和圖3分別顯示奇、偶信道的群延遲，使用與圖1相同的以NLI為基礎(chǔ)的裝置，但λ/8波片C-軸具有從45度到46度的1度的角度誤差。在圖2和圖3中的群延遲的失真與圖1相比較是十分明顯的。應(yīng)注意的是奇信道群延遲的失真是不同于偶信道群延遲的失真的。如此嚴(yán)重的群延遲的不對稱失真使得色散補(bǔ)償非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于交錯復(fù)用器(或去交錯復(fù)用器)的干涉儀，一種將奇信道和偶信道信號分離和組合的干涉儀和一種群延遲特征沒有因相移元件相對于射入干涉儀的光的偏振方向的角度誤差所引起的失真的干涉儀。
本發(fā)明的一個目的是提供一種光學(xué)交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器，其中的群延遲不易因繞光束方向所限定的軸旋轉(zhuǎn)的光學(xué)相移元件的角度誤差而產(chǎn)生失真。
本發(fā)明進(jìn)一步的一個目的是提供一種交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器，其中，信道之間的隔離不會由于繞光束的方向所限定的軸旋轉(zhuǎn)的光學(xué)相移元件的角度誤差而引起降級。
本發(fā)明進(jìn)一步的一個目的是提供一種交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器，其中，GTI被用作為一個色散補(bǔ)償器，并且由于沒有角度誤差使得色散補(bǔ)償效果更加有效。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)是由一種干涉儀提供的，這種干涉儀是Gires-Tournois干涉儀與法拉第旋轉(zhuǎn)器的組合(以下間稱為GTIFR)。所述的GTIFR是在交錯復(fù)用器或去交錯復(fù)用器中使用的。
根據(jù)本發(fā)明的GTIFR為一個具有45度法拉第旋轉(zhuǎn)器的Gires-Tournois干涉儀，所述的45度法拉第旋轉(zhuǎn)器的Gires-Tournois干涉儀位于Gires-Tournois干涉儀的反射鏡之間，和一個22.5度法拉第旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器，所述的22.5度法拉第旋轉(zhuǎn)器位于光線進(jìn)入和離開Gires-Tournois干涉儀的光路上。盡管可以使用任何其它種類的法拉第旋轉(zhuǎn)器，但所述的法拉第旋轉(zhuǎn)器最好是石榴石的。
所述的GTIFR的結(jié)構(gòu)包括一個Gires-Tournois干涉儀，所述的Gires-Tournois干涉儀具有一個光學(xué)耦合到一個高反射鏡上的部分反射鏡。所述的反射鏡相互平行并保持一個固定的距離d。在所述的反射鏡之間的腔體中有一個位于光路上的45度法拉第旋轉(zhuǎn)器。所述的部分反射鏡提供讓光線進(jìn)入和離開所述的Gires-Tournois干涉儀的開口。在所述的Gires-Tournois干涉儀外面，在進(jìn)入和離開所述的Gires-Tournois干涉儀的光路上有一個22.5度的法拉第旋轉(zhuǎn)器。
在GTIFR的工作中，如被使用在根據(jù)本發(fā)明的單一的GTIFR交錯復(fù)用器或去交錯復(fù)用器一樣，包含奇、偶信道信號的平面偏振光穿過22.5度的法拉第旋轉(zhuǎn)器，并且變成具有22.5度相位差的圓偏振光。然后從Gires-Tournois干涉儀被反射的光由于GTI和45度法拉第旋轉(zhuǎn)器的作用產(chǎn)生相位變化。然后光第二次穿過22.5度法拉第旋轉(zhuǎn)器，其相位特性再此發(fā)生變化。
根據(jù)本發(fā)明的交錯復(fù)用器僅要求一個GTIFR。同樣，根據(jù)本發(fā)明的去交錯復(fù)用器也僅要求一個GTIFR。
根據(jù)本發(fā)明的GTIFR，當(dāng)它被用于本發(fā)明的去交錯復(fù)用器上時，它接收光信號，這些光信號是一個方向上的平面偏振光信號，并且包含有一組偶信道和一組奇信道。該信號被GTIFR反射，然后進(jìn)入一個偏振光分束器。包含有一組信道的信號從偏振光分束器被反射，而包含有另外一組信道的信號透射穿過偏振光分束器。
根據(jù)本發(fā)明的GTIFR，被用于一個根據(jù)本發(fā)明的交錯復(fù)用器上時，接收具有一組奇信道和一組偶信道的平面偏振光信號，偶信道的偏振方向垂直于奇信道的偏振方向。該信號從GTIFR被反射，并且進(jìn)入一個偏振光分束器，在那里兩組信道透射穿過分束器。
如與本申請案同時關(guān)聯(lián)而未被授權(quán)的專利申請09/874,925中所公開的那樣，Gires-Tournois干涉儀可以被用來對去交錯復(fù)用器中或交錯復(fù)用器中的色散進(jìn)行補(bǔ)償。
根據(jù)本發(fā)明的色散補(bǔ)償去交錯復(fù)用器，偶信道和奇信道信號在被所述的GTIFR反射前穿過一個Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器。
根據(jù)本發(fā)明的色散補(bǔ)償交錯復(fù)用器，偶信道和奇信道信號在被所述的GTIFR反射后穿過一個Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器。


圖1是NLI的群延遲的曲線圖，其中λ/4的波片和λ/8的波片是基本調(diào)準(zhǔn)的。
圖2顯示NLI奇信道的群延遲的曲線圖，其中的λ/8的波片的角度誤差約1度。
圖3顯示NLI偶信道的群延遲的曲線圖，其中的λ/8的波片的角度誤差約1度。
圖4是描寫去交錯復(fù)用器功能的方框圖。
圖5顯示基于馬赫-曾德爾干涉儀的去交錯復(fù)用器的光路。
圖6顯示基于偏振-分光干涉儀的去交錯復(fù)用器的光路。
圖7a顯示一個理想的去交錯復(fù)用器的相位差Δφ(λ)作為λ函數(shù)的特性曲線圖。
圖7b顯示從一個理想的去交錯復(fù)用器的奇信道出射的特性曲線圖。
圖7c顯示從一個理想的去交錯復(fù)用器的偶信道出射的特性曲線圖。
圖8是θ-度法拉第旋轉(zhuǎn)器功能的示意圖。
圖9顯示了一個Gires-Tournois干涉儀的橫截面。
圖10是一幅GTI的相位響應(yīng)特性曲線圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的GTIFR的橫截面圖。
圖12是GTIFR的右圓偏振光波的相位延遲ψR(λ)和左圓偏振光波的相位延遲ψL(λ)的特性曲線圖。
圖13是GTIFR右圓偏振光波和左圓偏振光波之間的相位差Δφ(λ)的曲線圖。
圖14是基于GTIFR的去交錯復(fù)用器的奇、偶信道出射信號的特性曲線圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的基于GTIFR的去交錯復(fù)用器的示意圖。
圖15A是根據(jù)本發(fā)明的基于GTIFR的交錯復(fù)用器的示意圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的基于GTIFR的具有色散補(bǔ)償器的去交錯復(fù)用器的示意圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的基于GTIFR的具有色散補(bǔ)償器的交錯復(fù)用器的示意圖。
圖18是GTI色散補(bǔ)償器的群延遲τ(λ)的特性曲線圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明基于GTIFR的50GHz的交錯復(fù)用器的群延遲的特性曲線圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明基于GTIFR的50GHz的交錯復(fù)用器的色散特性曲線圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明基于GTIFR的具有GTI色散補(bǔ)器的50GHz的交錯復(fù)用器的群延遲特性曲線圖。
圖22是基于GTIFR的具有GTI色散補(bǔ)器的50GHz交錯復(fù)用器的色散特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖4顯示一個光去交錯復(fù)用器及其相關(guān)聯(lián)的入射和出射信號。在圖4中，去交錯復(fù)用器10接收含有一組偶信道和一組奇信道，λ1，λ2，λ3，等等的入射光信號12，并且提供一個含有λ1，λ3，等等的奇信道的出射光信號14，還提供含有偶信道λ2，λ4，等等的一個分離的出射光信號16。
圖5顯示基于馬赫-曾德爾干涉儀的去交錯復(fù)用器20的原理方框圖。一束入射光束22進(jìn)入光分束器24。光分束器24出射兩束光束26和28。光束26的功率近似等于光束28的功率。光束26和28進(jìn)入相移器30，并且形成光束32和34，在它們之間存在一個相位差。兩束光束32和34在干涉儀36中組合并且干涉。兩種出射信號從干涉儀36被獲得，出射信號38包含有奇信道，而出射信號40包含有偶信道。
在本發(fā)明中不使用光分束器，一個平面偏振光波被分解成兩個垂直正交的偏振光波，在兩個光波之間存在由干涉儀引起的相位差。該相位差取決于光信號的波長，并且是波長的周期性函數(shù)，具有等于一個或兩個信道間隔的周期。穿過偏振光分束器(PBS)的相互垂直正交的偏振光波分量干涉并形成奇信道的出射信號。從PBS被反射的分量干涉并形成偶信道的出射信號。
在隨后的推導(dǎo)中，有一些對于制造根據(jù)本發(fā)明的基于GTIFR的交錯復(fù)用器和去交錯復(fù)用器必須的參數(shù)推導(dǎo)值，包括GTI部分反射鏡的反射率和法拉第旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角度值。
圖6顯示一個去交錯復(fù)用器42的一幅圖。 是具有單位功率并沿正z方向傳播光波的偏振態(tài)。 平行于正y-方向。偏振 可以被表現(xiàn)為E→=Σi=12aie→i.---(1)]]>基礎(chǔ)矢量組 是垂直正交的，也就是，eiej*=δij=⟨1,i=j0,i≠j|.]]>應(yīng)用瓊斯(Jones)矢量， 可以被表達(dá)為
E→=01=a1e11e12+a2e21e22.---(3)]]>在光束穿過一個干涉器44，或從干涉器44被反射之后，光束e1和e2分別具有相移φ1和φ2并且方程(3)變成a1e11e12eiφ1+a2e21e22eiφ2.---(4)]]>在隨后的推導(dǎo)中，討論局限于對稱的情況，在此，α1＝α2＝α。當(dāng)光束行進(jìn)到偏振光分束器(PBS)46時，p-波(偏振平行于y-方向尤如在入射光束中)通過(PBS)46，而s-波(具有平行于x-方向的偏振，也就是與入射光束的偏振方向垂直)被PBS46的斜平面反射。帶有奇信道的P-波48，在去交錯復(fù)用器42的一個出射口的出射。而帶有偶信道的s-波50在去交錯復(fù)用器42的另一個出射口出射。
p-波可以用下式來表示ae-iφ1+φ22(e12eiΔφ2e-iΔφ2)01---(5)]]>而s-波可以用下式來表示ae-iφ1+φ22(e11eiΔφ2e21e-iΔφ2)10---(6)]]>在此，Δφ＝φ1-φ2以圓偏振為基礎(chǔ)，在此
a=12,]]>e11=-e21=-i2,]]>e12=e22=12,]]>p-波用下式來表示e-iφ1+φ22cosΔφ2---(7)]]>而s-波用下式來表示e-iφ1+φ22sinΔφ2---(8)]]>以平面偏振為基礎(chǔ)，在此a=12,]]>e11=e12=e22=12,]]>e21=12,]]>p-波用下式來表示
e-iφ1+φ22cosΔφ2---(9)]]>而s-波用下式來表示ie-iφ1+φ22sinΔφ2.---(10)]]>為了用如圖6所示的圖制造一個去交錯復(fù)用器(或交錯復(fù)用器)，相位差Δφ必須滿足下述條件Δφ隨波長的改變必須是周期性的，這個周期等于一個或兩個信道頻率間隔，而在每個周期的一半，Δφ的值應(yīng)該接近于零(或±2mπ，在此m為整數(shù))，而在每周期的另一半接近于π(或±(2m+1)π)。
圖7a是顯示理想狀態(tài)下作為λ函數(shù)的相位差Δφ(λ)的特性曲線圖。在此，Δφ(λ)呈現(xiàn)周期為兩個信道頻率間隔的周期性。
圖7b是顯示理想狀態(tài)下作為波長函數(shù)的奇信道出射的特性曲線圖。
圖7c顯示理想狀態(tài)下作為波長函數(shù)的偶信道出射的特性曲線圖。
干涉儀和相移器是產(chǎn)生相位差Δφ的關(guān)鍵光學(xué)元件。對于圓偏振光波，相移器是一個法拉第旋轉(zhuǎn)器(FR)。一個θ度的FR當(dāng)平面偏振光波穿過FR時將其偏振旋轉(zhuǎn)大約θ度，如圖8所描述的那樣。入射光波52是按平行于y-軸的方向平面偏振的。在穿過θ度的法拉第旋轉(zhuǎn)器或石榴石54之后，出射光波56以從y-方向旋轉(zhuǎn)θ度的方向偏振。根據(jù)方程(3)，在FR中的平面偏振光波可以被分解成右圓偏振分量和左圓偏振分量。沿正z-方向傳播的光波由下式給出12-i1exp[i(ωt-2πλnz)]+12i1exp[i(ωt-2πλnz)]---(11)]]>假定右圓偏振波具有折射率n+，而左圓偏振波具有折射率n，那么離開法拉第旋轉(zhuǎn)器的波形就由下式來描述12-i1exp[i(ωt-2πλn+d)]+12i1exp[i(ωt-2πλn-d)].---(12)]]>
這可以被寫成12exp{i[ωt-(n++n-)πdλ]}---(13)]]>{-i1exp[i(n--n+)πdλ]+i1exp[i(n+-n-)πdλ]}]]>為了解釋方程(13)的物理意義，通過定義方程被簡化成 根據(jù)這些定義，方程(13)可以被寫成 方程(14)描述一個平面偏振光波，其偏振方向具有角度θ=πdλ(n--n+)---(15)]]>入射的平面偏振光波具有旋轉(zhuǎn)過一個θ角的偏振平面。這還意味著當(dāng)光波通過θ-度法拉第旋轉(zhuǎn)器之后，右圓偏振光波和左圓偏振光波分別具有相位延遲(φ-θ)和(φ+θ)。
圖9顯示一個Gires-Tournois干涉儀(GTI)橫截面的示意圖。Gires-Tournois干涉儀60具有一個部分反射的第一反射鏡62，它具有反射率R1，和一個高反射的第二反射鏡64，它具有反射率R0。第二反射鏡64的反射率R0接近100％。部分反射鏡62是與高反射鏡64平行并相隔開。該兩反射鏡之間的空間是腔體66，而兩反射鏡之間的距離是d。第一反射鏡62提供一個單一的入射/出射口，它允許光被射入和射出腔體66。間隔物68是用超低膨脹材料制成。GTI作為在交錯復(fù)用器上使用的干涉儀來說是最好的選擇之一，因?yàn)镚TI的振幅響應(yīng)是平坦的(也就是波長不相關(guān)的)。GTI的相位響應(yīng)是以λ為周期性的，并由下式給出ψ(λ)=-2tan-1[1+R11-R1tan(2πdλ)],---(16)]]>在此λ為波長，R1為第一反光鏡的功率反射率，d為腔體的長度，而 是GTI腔體的單通相位延遲。
圖10是方程(16)的曲線圖，表示作為波長λ函數(shù)的GTI的相位響應(yīng)ψ(λ)。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的GTIFR80的橫截面的示意圖。GTIFR80包括一個具有第一反射鏡62和第二反射鏡64的GTI 60。第一反射鏡62是部分反射鏡，具有反射率R1。第二反射鏡64是高反射鏡，它具有大約100％的反射率R0。在圖11中第二反射鏡64與第一反射鏡62既相間隔又相互平行，兩反射鏡之間的距離為d。在兩反射鏡之間的腔體66中有一個θ度的法拉第旋轉(zhuǎn)器82。GTI前有一個α度的法拉第旋轉(zhuǎn)器84。在右圓偏振光波和左圓偏振光波從內(nèi)部具有θ度法拉第旋轉(zhuǎn)器的GTI反射時，相位延遲為 這里，方程(16)中的 用 來替代，因?yàn)樵贕TI中的θ度FR會使穿過GTI的腔體傳播的右圓偏振光波和左圓偏振光波產(chǎn)生附加的相位延遲(φ+θ)。當(dāng)右圓偏振光波和左圓偏振光波從左到右穿過α-度的FR，然后從內(nèi)部具有θ度FR的GTI反射回去，并從右到左穿過α度FR，右圓偏振光波和左圓偏振光波的總相位延遲為 右圓偏振光波和左圓偏振光波之間的相位差ΔΦ為 GTI腔體的有效長度用L來定義，使得 在方程(19)中使用方程(20)，方程(19)變成Δφ(λ)=-2tan-1[1+R11+R1tan(2πLλ-θ)]+---(21)]]>2tan-1[1+R11-R1tan(2πLλ+θ)]-4α.]]>在方程(21)中的R1、θ、α和L的值必須是這樣的，即Δφ(λ)要滿足上述關(guān)于圖6和方程(7)及(8)所設(shè)定的要求。GTI腔體的有效長度L由交錯復(fù)用器的信道頻率間隔來確定。對于50GHz的交錯復(fù)用器，L為1.5mm。θ是曲線ψ(λ)(圖10中的方程(16))的相移值。如果ψR(λ)和ψL(λ)相互之間相差大約π/2，如圖12中所示，ΔΦ對于奇信道和偶信道是對稱的。這就要求2θ＝π/2或θ＝π/4。
因?yàn)橛嘞液驼液瘮?shù)為周期性函數(shù)，并且周期從-π沿伸到+π，在方程(7)和(8)中的Δφ可以被限制在-2π到+2π的范圍。選擇兩個相鄰信道的中心波長λ1和λ2，使得2πLλ1=2mπ]]>和2πLλ2=2mπ+π2]]>(在此m是正整數(shù))。參見圖7a，即Δφ(λ1)可以為π或-π，而ΔΦ(λ2)可以是2π，0或-2π。將θ＝π/4，2πLλ1=2mπ]]>和Δφ(λ1)＝π代入方程(21)得出
4tan-1[1+R11-R1]-4α=π---(22)]]>將θ=π/4,2πLλ2=2mπ+π2]]>和Δφ(λ2)＝-2π代入方程(21)得出4tan-1[1+R11-R1]+4α=2π---(23)]]>將方程(22)和(23)相加和相減得出tan-1[1+R11-R1]=38π---(24)]]>和8α＝π (25)方程(24)和(25)給出R1＝17.2％和α＝π/8(22.5°)。請注意，對于Δφ(λ1)＝-π和Δφ(λ2)＝2π或0，所獲得的R1和α值是沒有物理意義的。
上述的推導(dǎo)給出了對于制造一個去交錯復(fù)用器或交錯復(fù)用器所需的全部參數(shù)值，這些值如下(1)GTI的第一反射鏡的反射率 R1＝17.2％(2)GTI的第二反射鏡的反射率 R0＝100％(3)GTI腔體內(nèi)的θ度FRθ＝45°(4)在GTI前的α度FR α＝22.5°圖13是方程(21)的曲線圖，它顯示作為λ的函數(shù)的相位差Δφ(λ)，對于圖11的GTIFR，使用這些導(dǎo)出的參數(shù)值并且L＝1.5mm。
這種交錯復(fù)用器或去交錯復(fù)用器的相移在下式中被給出
ψ1(λ)=-tan-1[1+R11-R1]tan(2πLλ-π4)----(26)]]>tan-1[1+R11-R1]tan(2πLλ+π4)]]>將方程(21)代入方程(7)和(8)中的Δφ，能夠計算出奇信道的信號輸出(cosΔφ(λ)2)2]]>和偶信道的信號輸出(sinΔφ(λ)2)2.]]>圖14顯示了這個代入的結(jié)果。在圖14中反射率R1是18.5％而不是以上推導(dǎo)出的17.2％。將反射率R1從17.2％變?yōu)?8.5％增加了相鄰信道的通帶邊緣的隔離高達(dá)25dB。在圖14中，實(shí)線112代表奇信道而虛線114則代表偶信道。
如果上述討論中以平面偏振為基礎(chǔ)，來代替以圓偏振為基礎(chǔ)，結(jié)果就會是用λ/4波片代替在GTI內(nèi)的45°法拉第旋轉(zhuǎn)器，用λ/8的波片代替在GTI前的22.5°法拉第旋轉(zhuǎn)器。GTI和波片的這一安排在題目為“使用相位偏置元件分離光信號波長的用于光纖密集波長復(fù)用器的非線性干涉儀”的美國專利US6,169,604中已被描述。
從方程(4)開始，方程(7)至(10)和(26)的推導(dǎo)，通過設(shè)定α1＝α2＝α被限定在對稱的情況下。這一限定和這些方程是自動矯正的，不管法拉第旋轉(zhuǎn)器是否與進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器的光的偏振方向?qū)?zhǔn)。然而，在波片的情況下α1≠α2，并且當(dāng)波片的c-軸沒有與偏振方向?qū)?zhǔn)時方程不會矯正。當(dāng)α1≠α2時方程變得非常復(fù)雜，并且在頻譜形狀和基于NLI的交錯復(fù)用器或去交錯復(fù)用器的群延遲中顯示出失真。
圖15是本發(fā)明的去交錯復(fù)用器的示意圖。去交錯復(fù)用器120包括一個帶法拉第旋轉(zhuǎn)器的Gires-Tournois干涉儀，GTIFR122。GTIFR122如圖11所示。入射光信號124載有包含偶信道和奇信道的光信號。準(zhǔn)直器126將信號光束準(zhǔn)直。逸散晶體128將準(zhǔn)直器126的光束分離成一束垂直偏振的光束和一束水平偏振的光束130。垂直偏振的光束穿過一個半波片132并且從該半波板射出，成為水平偏振光束134。反射鏡136將兩束水平偏振光束反射到偏振光分束器(PBS)138。兩束水平偏振信號穿過PBS138，22.5度切割的半波片140(它將信號的偏振旋轉(zhuǎn)一個正45度)，石榴石142(它將信號的偏振旋轉(zhuǎn)一個負(fù)45度)和PBS144到GTIFR122。進(jìn)入GTIFR122的信號是水平偏振的。載有奇信道并具有水平偏振的信號從GTIFR122被反射，并穿過PBS144，然后穿過使水平偏振信號的偏振旋轉(zhuǎn)45度的石榴石142，再穿過使偏振旋轉(zhuǎn)另一個45度的22.5度切割的半波片140，這樣就使奇通道信號垂直偏振。PBS138反射垂直偏振的奇信道信號。在PBS138中反射之后，部分垂直偏振的奇信道信號穿過半波片146以水平偏振的形式射出，并進(jìn)入逸散晶體148。從PBS138被反射的另一部分信號直接進(jìn)入逸散晶體148。逸散晶體將垂直偏振部分與水平偏振部分組合提供一種載有奇信道的出射信號到準(zhǔn)直器150。
載有偶信道的信號從GTIFR122出射并且被PBS144反射。在從PBS144反射之后，偶信道信號具有垂直偏振。在從PBS144反射之后，部分垂直偏振光穿過半波片152(在那里偏振方向被改變成水平偏振)進(jìn)入逸散晶體154，而部分直接進(jìn)入逸散晶體154。逸散晶體154將兩部分組合以提供一個載有偶信道的出射信號到準(zhǔn)直器156。
如果在圖15中的GTIFR122中，外部的法拉第旋轉(zhuǎn)器被一個具有磁場方向開關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)器取代，α變成-α，這樣方程(21)中Δφ(λ)變化大約π，并且(cosΔφ(λ)2)2]]>變成(sinΔφ(λ)2)2,]]>而反之亦然。出射信號的位置被改變，奇信道的出射信號出現(xiàn)在準(zhǔn)直器156中，而偶信道的出射信號則出現(xiàn)在準(zhǔn)直器150中。
圖15A是本發(fā)明交錯復(fù)用器的示意圖。圖15A的交錯復(fù)用器120是與圖15的去交錯復(fù)用器相同的設(shè)備。圖15A通過準(zhǔn)直器126接收一個奇信道的入射信號，通過準(zhǔn)直器156接收一個偶信道的信號，而在準(zhǔn)直器150出射組合的奇偶信道信號。
奇信道信號穿過準(zhǔn)直器126和逸散晶體128。逸散晶體128將奇信道入射信號分解成水平偏振部分130和垂直偏振部分，垂直偏振部分穿過半波片132后變成水平偏振部分134。然后水平偏振的奇信道信號在反射鏡136中被反射并且通過PBS138，22.5度切割的半波片140，石榴石142和PBS144進(jìn)入GTIFR122。GTIFR122將奇信道的水平偏振信號反射。
偶信道入射信號穿過準(zhǔn)直器156和逸散晶體154，將信號分離成直接到達(dá)PBS144的垂直偏振部分和水平偏振部分，水平偏振部分穿過半波板152并繼續(xù)呈垂直偏振到達(dá)PBS144。偶信道信號的兩個垂直偏振部分被PBS144反射進(jìn)入GTIFR122。
偶信道信號和奇信道信號一起離開GTIFR122并穿過PBS144，將水平偏振信號的偏振旋轉(zhuǎn)45度的石榴石142，使偏振旋轉(zhuǎn)另一個45度的22.5度切割的半波片140，這就使得奇信道信號和偶信道信號都是垂直偏振的。垂直偏振信號被PBS138反射。信號的一部分穿過半波片146變成水平偏振，然后進(jìn)入逸散晶體148。其余的信號從PBS138直接到達(dá)逸散晶體148。逸散晶體148將垂直偏振信號與水平偏振信號相組合后，通過準(zhǔn)直器150出射一個含有奇、偶信道的出射信號。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的帶有色散補(bǔ)償?shù)娜ソ诲e復(fù)用器的示意圖。入射信號含有奇信道和偶信道。準(zhǔn)直器126準(zhǔn)直入射信號124。逸散晶體158將入射信號分解成一個垂直偏振信號和一個水平偏振信號。半波片160將水平偏振信號轉(zhuǎn)換為垂直偏振信號，這樣入射信號就是垂直偏振的。PBS162將垂直偏振的入射信號反射到四分之一波片164，它將平面偏振信號轉(zhuǎn)換成圓偏振信號。圓偏振信號傳播到色散補(bǔ)償器166，它使信號的相位改變約ψc(λ)。從色散補(bǔ)償器166反射的信號再次穿過四分之一波片164?，F(xiàn)在它將圓偏振信號轉(zhuǎn)換成水平方向偏振的平面偏振信號。水平偏振信號穿過PBS162，PBS138，22.5度切割的半波片140(它使偏振正向旋轉(zhuǎn)45°)，石榴石142(它使信號的偏振負(fù)方向旋轉(zhuǎn)45°)和PBS144到GTIFR122。從GTIFR122反射的信號包含有水平偏振的奇信道信號和垂直偏振的偶信道信號。
水平偏振的奇信道信號穿過PBS144，石榴石142(它使水平偏振信號旋轉(zhuǎn)45°)，22.5度切割的半波片140(它使偏振旋轉(zhuǎn)另一45°)，并通過PBS138的反射，作為一個垂直偏振的奇信道信號出射。從PBS138反射的一部分垂直偏振的信號穿過半波片146，并作為一個水平偏振的信號進(jìn)入逸散晶體148。從PBS138反射的垂直偏振另一部分信號直接進(jìn)入逸散晶體。逸散晶體將兩部分結(jié)合成為一個穿過準(zhǔn)直器150的奇信道出射信號。
來自GTIFR122的垂直偏振的偶信道信號被PBS144反射到逸散晶體154。信號的一部分在進(jìn)入逸散晶體154之前被半波片152變成水平偏振。逸散晶體將水平偏振部分與垂直偏振部分相結(jié)合，出射一個載有偶信道的出射信號穿過準(zhǔn)直器156。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的色散補(bǔ)償?shù)慕诲e復(fù)用器200的示意圖。圖17中的交錯復(fù)用器200與圖16中的去交錯復(fù)用器180的區(qū)別僅在于石榴石142繞垂直于紙面的軸旋轉(zhuǎn)180°這樣如果圖16中的石榴石142使光的偏振正向旋轉(zhuǎn)約45°，則圖17中的石榴石142使偏振負(fù)方向旋轉(zhuǎn)45°。準(zhǔn)直器150準(zhǔn)直奇信道入射信號。逸散晶體148和半波片146改變信號成垂直偏振的信號。PBS138將奇信道的垂直偏振入射信號反射到半波片140。奇信道信號穿過使信號的偏振旋轉(zhuǎn)約45°的半波片140和使偏振旋轉(zhuǎn)另一45°的石榴石142，使得奇信道信號變成水平偏振并穿過PBS144到達(dá)GTIFR122。奇信道信號在被GTIFR122反射時保持水平偏振，然后穿過PBS144，使水平偏振信號在一個方向旋轉(zhuǎn)約45°的石榴石142，使偏振相反方向旋轉(zhuǎn)約45°的半波片140，這樣水平偏振信號穿過PBS138和162到達(dá)四分之一波片164。四分之一波片164將平面偏振信號轉(zhuǎn)變成圓偏振信號。圓偏振信號傳播到色散補(bǔ)償器166，色散補(bǔ)償器166改變信號的相位約ψc(λ)，如方程(28)給出。在被色散補(bǔ)償器166反射之后，信號再次穿過四分之一波片164，在那里圓偏振信號變成垂直方向上的平面偏振信號。垂直偏振信號被PBS162反射到半波片160和逸散晶體158。半波片160將部分信號的偏振方向改變成水平方向，而逸散晶體將它與其余的垂直偏振部分相結(jié)合，并傳送一個載有奇信道的出射信號到準(zhǔn)直器126這個共同的出射口。
載有偶信道的入射信號由于逸散晶體154和半波片152的作用被變成一個垂直偏振信號，然后被PBS144反射進(jìn)入GTIFR122。在信號被GTIFR反射之后，信號的偏振是水平的，并且這一信號傳播到色散補(bǔ)償器，而從那兒以與上述的奇信道信號同樣的方式傳播到共同出射口。該共同出射口，也就是準(zhǔn)直器126出射具有色散補(bǔ)償?shù)乃行诺赖慕M合信號。
在圖16的去交錯復(fù)用器和圖17的交錯復(fù)用器中，一個帶外磁場的法拉第旋轉(zhuǎn)器可以取代石榴石142。改變外磁場的方向足以將交錯復(fù)用器改變成去交錯復(fù)用器，反之也一樣。
圖16的色散補(bǔ)償去交錯復(fù)用器和圖17的色散補(bǔ)償交錯復(fù)用器的總相移由以下公式給出ψT(λ)＝ψl(λ)+ψC(λ)(27)在此ψl(λ)是從GTIFR交錯復(fù)用器或去交錯復(fù)用器出射信號的相位，它由方程(26)給出，沒有色散補(bǔ)償，而ψc(λ)是色散補(bǔ)償器166的相位響應(yīng)。色散補(bǔ)償器166是如圖9所示的Gires Tournois干涉儀，它的相位響應(yīng)由以下公式給出ψC=-2tan-1[1+R21-R2tan(2πdλ)]---(28)]]>色散補(bǔ)償器166的群延遲由以下公式給出τ(λ)=0.01λ26πdψC(λ)dλ,---(29)]]>以ps/nm為單位的色散D(λ)由以下公式給出D(λ)=10-3dτ(λ)dλ.---(30)]]>圖18是色散補(bǔ)償器166的作為微米的波長λ函數(shù)的微微秒的群延遲τ(λ)的特性曲線，它由方程(29)給出。
圖19和20分別是如圖15的交錯復(fù)用器(或去交錯復(fù)用器)的微微秒的群延遲和每納米微微秒的色散的特性曲線，在此，信道頻率間隔是50GHz，反射率R1＝18.5％而L＝1.5mm。
從圖20中，在+/-0.08nm(+/-10GHz)的帶寬中的色散是+/-40ps/nm。
圖21和22分別顯示群延遲和色散的的曲線，它們是針對圖16中的去交錯復(fù)用器和圖17中的交錯復(fù)用器，其中，信道頻率間隔為50GHz，反射率R1＝18.5％，而L＝1.5mm，其中色散補(bǔ)償器是一個如圖9所示的GTI，其腔體長度d＝3mm而部分反射鏡的反射率R2＝0.28％。
在本發(fā)明中，反射率R1的值可以在大約17.2％到大約19.0％的范圍，而18.5％是最佳值。同樣，在本發(fā)明中，反射率R2的值可以在大約0.28％到大約0.40％的范圍，而0.28％是最佳值。石榴石是45度法拉第旋轉(zhuǎn)器和22.5度法拉第旋轉(zhuǎn)器的較佳種類，然而任何其它合適的法拉第旋轉(zhuǎn)器可以在本發(fā)明中被使用。
從圖22中，在±0.08nm或±10GHz的頻帶寬度里色散是±4.7ps/nm。這僅僅是沒有色散補(bǔ)償器的交錯復(fù)用器的色散的12％。
本發(fā)明典型的實(shí)施例在此已被敘述。這些僅僅是為了描述而不是一種限制。本發(fā)明在實(shí)施中可以有許多變形，本發(fā)明所屬技術(shù)人員可以從本專利申請的說明書中所公開的內(nèi)容中得到啟示。所有的這種變形被認(rèn)為是在本發(fā)明的專利申請的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種交錯復(fù)用器、它包括一個GTIFR干涉儀，用于接收包含有偶信道信號的平面偏振的入射信號和包含有奇信道信號的平面偏振的入射信號，還用于反射包含有偶信道信號和奇信道信號的被相移的信號；和一個偏振光分束器，用于從GTIFR接收相移信號，并產(chǎn)生一個包含有奇信道信號和偶信道信號的平面偏振出射信號，其中，包含有偶信道信號的平面偏振入射信號的偏振方向與包含有奇信道信號的平面偏振入射信號的偏振方向相互垂直正交；其中，出射信號的偏振方向與入射信號之一的偏振方向相同。
2.如權(quán)利要求1所述的交錯復(fù)用器，它進(jìn)一步包括一個Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器，其中，來自偏振光分束器的出射信號從Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器被反射，產(chǎn)生一個包含有偶信道信號和奇信道信號的色散被補(bǔ)償?shù)某錾湫盘枴?br> 3.如權(quán)利要求2所述的交錯復(fù)用器，其中的Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器包含有一個部分反射鏡，所述的部分反射鏡具有大約0.28％到0.40％的反射率。
4.如權(quán)利要求2所述的交錯復(fù)用器，其中的Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器包含有一個部分反射鏡，所述的部分反射鏡具有大約0.28％的反射率。
5.如權(quán)利要求1所述的交錯復(fù)用器，它進(jìn)一步包含有從平面偏振出射信號消除偏振的裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的交錯復(fù)用器，其中的從出射信號消除偏振的裝置包括一個半波片，它將平面偏振出射信號的一部分的偏振方向變換90度，一個逸散晶體，用于將平面偏振出射信號的其余部分與被變換的部分相接合以產(chǎn)生一個包含偶信道信號和奇信道信號的非偏振出射信號。
7.一種去交錯復(fù)用器，它包括一個GTIFR干涉儀，用于接收包含有偶信道和奇信道信號的平面偏振入射信號，并反射一個包含有偶信道信號和奇信道信號的相移信號；和一個偏振光分束器，用于從所述的GTIFR干涉儀接收所述的相移信號，并產(chǎn)生一個包含有偶信道信號的平面偏振出射信號和一個包含有奇信道信號的分離的平面偏振出射信號，其中，含有偶信道的平面偏振出射信號的偏振方向垂直于含有奇信道的平面偏振出射信號的偏振方向。
8.如權(quán)利要求7所述的去交錯復(fù)用器，它進(jìn)一步包括一個Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器，包含有偶信道信號和奇信道信號的入射信號在被所述的GTIFR反射之前從Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器被反射。
9.如權(quán)利要求8所述的去交錯復(fù)用器，其中的Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器包含有一個具有大約0.28％到0.40％之間的反射率的部分反射鏡。
10.如權(quán)利要求8所述的去交錯復(fù)用器，其中Gires-Tournois干涉儀色散補(bǔ)償器包含一個具有大約0.40％反射率的部分反射鏡。
11.如權(quán)利要求7所述的去交錯復(fù)用器，它進(jìn)一步包括從包含有偶信道信號的平面偏振出射信號中消除偏振的裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的去交錯復(fù)用器，其中從包含有偶信道的平面偏振出射信號中消除偏振的裝置包含有一個將包含有偶信道信號的出射信號的一部分的偏振方向變換90度的半波片，和一個將包含有偶信道的平面偏振出射信號的其余部分與被變換部分組合以產(chǎn)生一個包含有偶信道的非偏振出射信號的逸散晶體。
13.如權(quán)利要求7所述的去交錯復(fù)用器，它進(jìn)一步包括從包含有奇信道信號的平面偏振出射信號中消除偏振的裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的去交錯復(fù)用器，其中從包含有奇信道的平面偏振出射信號中消除偏振的裝置包含有一個半波片，用于將包含有奇信道信號的一部分的出射信號的偏振方向變換90度，一個將包含有奇信道的平面偏振出射信號的其余部分與被變換部分組合以產(chǎn)生一個包含有奇信道的非偏振出射信號的逸散晶體。
全文摘要
一種用于交錯復(fù)用器或去交錯復(fù)用器的GTIFR干涉儀，其中，GTIFR干涉儀包括有一個具有位于Gires－Tournois干涉儀的反射鏡之間的45度法拉第旋轉(zhuǎn)器的Gires－Tournois干涉儀，在Gires－Tournois干涉儀和一個具有一個GTIFR的交錯復(fù)用器或去交錯復(fù)用器的光路上還進(jìn)一步包含有一個22.5度的法拉第旋轉(zhuǎn)器。一個色散補(bǔ)償?shù)腉TIFR交錯復(fù)用器還包括一個用于提供色散補(bǔ)償?shù)牡贕ires－Tournois干涉儀。
文檔編號H04B10/18GK1661950SQ20041000756
公開日2005年8月31日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者顧世杰 申請人:光聯(lián)通訊公司