超陡的臺階相位幹涉儀的製作方法
2023-07-01 19:40:51
超陡的臺階相位幹涉儀的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種超陡的臺階相位幹涉儀，特別提供了一種用作光通信中的光交錯器/解交錯器的臺階相位幹涉儀。高數據速率要求寬的帶寬以通過高速調製的光譜，並進一步要求寬的阻帶以抑制相鄰信道的信號。本幹涉儀在通帶到相鄰阻帶的過渡處提供了陡的斜率，從而擴大了通帶和阻帶兩者的寬度。
【專利說明】超陡的臺階相位幹涉儀
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2012年11月27日提交的發明名稱為「超陡的臺階相位幹涉儀」的美國臨時專利申請N0.61/730，467的優先權，其以引用方式合併於此。
【技術領域】
[0003]本發明涉及作為用於光通信的光交錯器的臺階相位幹涉儀的設計和使用，並且更具體地涉及對提高這種幹涉儀的帶寬和阻帶的改進，其中帶寬容許高速調製的光譜通過並且阻帶抑制相鄰信道的信號。
【背景技術】
[0004]在密集波分復用(DWDM)光通信中，不同頻率(波長)的雷射耦合進入同一光纖之中。信息容量與該光纖中的信道數量成正比。由於總的可用波長範圍是受限的(大約幾十納米)，信道間隔越小，能夠容納於同一光纖的信道就越多，因此能夠獲得更大的通信能力。
[0005]最小可能的信道間隔受限於復用器(MUX)和解復用器(deMUX)的能力。當前，標準信道間隔是IOOGHz/(0.8nm)。當信道間隔小於IOOGHz時，造價急劇提高。對於交錯信道期望有一種成本有效的方法，從而使得能夠在光通信系統中使用具有更小信道間隔的較高帶寬濾波器。例如，對於採用一級交錯，可以使用具有50GHz信道間隔的IOOGHz濾波器。而且，如果要實現兩級交錯，IOOGHz濾波器可用在25GHz信道間隔的通信系統中。
[0006]麥可遜幹涉儀示出了交錯的基本要求。然而，由於對光源的中心頻率和譜線寬度過於敏感，因此實際上並不將這種幹涉儀應用於真正的交錯設備。如果頻率稍微偏離整數，則部分光功率就從底臂朝向左臂洩漏，從而引起信道之間的串擾。換句話說，為了使得這種設備工作，雷射譜線寬度在整個運行狀態中應該為零並且其中心頻率必須精確鎖定。在實際工作中這種頻率鎖定非常難以實現。
[0007]美國專利N0.US6, 587，204提供了一種使用光學幹涉儀的交錯設備，其中一個光束具有線性相移並且另一個光束具有非線性相移，從而使得在底臂處的這兩個幹涉光束之間的相位差的頻率依賴關係具有帶臺階π的臺階狀函數(step-like function)。在這種情況下，作為能量守恆的結果，在左臂處的兩個幹涉光束之間的相位差的頻率依賴關係也具有同樣的臺階狀函數，但是該臺階狀函數被偏移了 H。儘管接近O-相位差和31-相位差的斜率幾乎為零(水平)，但是在從O-相位差向π-相位差過渡處的斜率並不是非常陡。本發明提高了在該過渡處的斜率，從而擴大了通帶和阻帶這兩者的寬度。
【發明內容】
[0008]根據此處教導的臺階相位幹涉儀具有包括線性相位偏移間隔物和第一諧振腔的幹涉儀第一臂，其中第一諧振腔由第一部分反射的表面和第一鏡組成。幹涉儀第二臂具有第二諧振腔，第二諧振腔具有第二部分反射的表面和第二鏡，其中第一諧振腔的光程長度和第二諧振腔的光程長度大致相等。分束器具有配置為將輸入光束劈分為第一光束和第二光束的劈分位置，其中該分束器被配置為引導第一光束進入第一臂，其中第一光束將首先傳播通過線性相位偏移間隔物、然後被第一諧振腔反射以產生第一反射光束，第一反射光束隨後返回到該分束器，其中該分束器被配置為引導第二光束進入第二臂，其中第二光束被第二諧振腔反射以產生第二反射光束，第二反射光束隨後返回到該分束器並與第一光束
I=I TT ο
[0009]從該劈分位置到第一部分反射的表面和第二部分反射的表面的光程差大約是第一諧振腔的光程長度的一半，其中第一反射光束和第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。該相位差的臺階大約為Π。
[0010]一種使用上述臺階相位幹涉儀的方法，包括提供輸入光束；以及在劈分位置處劈分輸入光束以產生第一光束和第二光束，其中分束器引導第一光束進入第一臂，其中第一光束首先傳播通過線性相位偏移間隔物，然後被第一諧振腔反射以產生第一反射光束，第一反射光束返回到該分束器，其中分束器引導第二光束進入第二臂，其中第二光束被第二諧振腔反射以產生第二反射光束，第二反射光束隨後返回到該分束器並且與第一反射光束合併，其中從該劈分位置到第一部分反射的表面和第二部分反射的表面的光程差大約為第一諧振腔的光程長度的一半，並且其中第一反射光束和第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。該相位差的臺階大約為Π。
[0011]在另一實施例中，光學臺階相位幹涉儀包括分束器，以將入射光束分成第一光束和第二光束:線性相位偏移間隔物,可操作地定位於第一光束的路徑上；第一非線性相位發生器(NLPG)，可操作地定位為在第一光束通過該線性相位偏移間隔物之後，反射第一光束以產生第一反射光束；以及第二非線性相位發生器(NLPG)，可操作地定位為反射第二光束以產生第二反射光束，其中第一反射光束和第二反射光束相互幹涉，其中第一反射光束和第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。該相位差的臺階大約為Π。
[0012]提供了一種交錯(interleaving)光頻率的方法。該方法包括使用分束器將入射光束分成第一光束和第二光束；使第一光束通過線性相位偏移間隔物；在第一光束通過該線性相位偏移間隔物之後，使用第一非線性相位發生器(NLPG)反射第一光束以產生第一反射光束；以及使用第二非線性相位發生器(NLPG)反射第二光束以產生第二反射光束，其中第一反射光束和第二反射光束相互幹涉，其中第一反射光束和第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]被合併到說明書中並形成為說明書一部分的這些附圖描述了本發明的實施例，並且與本說明書一起用來說明本發明的原理。
[0014]圖1是臺階相位幹涉儀的示意圖。
[0015]圖2示出了用作解復用器的幹涉儀的光路。
[0016]圖3A示出了圖2中的幹涉儀的50/100G交錯器的T-信道相位差與頻率的函數關
系O
[0017]圖3B示出了圖2中的幹涉儀的T-信道的相應功率譜。
[0018]圖4描述了本發明的超陡的臺階相位幹涉儀的實施例。[0019]圖5A示出了在圖4中的幹涉儀的一個輸出處的兩個幹涉光束的相位差。
[0020]圖5B示出了圖4中的幹涉儀的T-信道的相應功率譜。
【具體實施方式】
[0021]美國專利N0.6，587，204描述了臺階相位幹涉儀的實施例，其通過引用方式合併於此。當前情況下的圖1是示例性臺階相位幹涉儀的示意圖。該幹涉儀由分束立方體10組成，分束立方體10具有抗反射塗敷的(antireflection-coated)輸入面11和劈分界面
12。右表面14使用光學接觸鍵合與透射光學元件18的第一表面16光學接觸。光學接觸鍵合是一種完全通過分子間力保持粘結的無膠工藝，通過其將兩個接近的共形表面結合在一起。光學元件18的第二表面20被配置為使得其在所關注的波長處被部分地反射。第二表面20有時在此處被稱為PR-1。間隔物22和24使元件26偏離第一光學元件18。元件26的表面28被配置為在所關注的波長處反射。表面28有時在此處被稱為鏡-1。在這種設計中，表面20和表面28形成第一諧振腔，在此處被稱為C-1，具有腔長度L。立方體10的上表面30與透射光學兀件34的第一表面32光學接觸。光學兀件34的第二表面36用抗反射塗層塗敷。間隔物38和40使元件42偏離光學元件34。元件42的表面44被配置為在所關注的波長處反射。表面44有時在此處被稱為鏡-2。從劈分界面12到表面44與從劈分界面12到部分反射的表面20的光程差是L/2。對於50G/100G交錯器，C-1的自由光譜範圍(FSR)是50GHz。
[0022]圖2示出了用作解復用器的圖1的幹涉儀的光路。該設備是兩光束幹涉幹涉儀。每個R-信道和T-信道的輸出都是兩個光束疊加或抵消地幹涉的結果，疊加或抵消取決于波長。為了製造交錯器，兩個幹涉光束之間的相位差Δφ在通帶中心處必須為0(即，O度同相)，並且在阻帶中心處必須為π (180度異相)。例如，在50G/100G交錯器中，Δφ是歸一化頻率的函數，具有臺階函數響應，其臺階大小為η，周期為100GHz。
[0023]在圖2中，入射光束50從立方體10的左側經過表面11進入幹涉儀。分束器12將該光束分成兩部分(52和54)。光束部分52通過分束器12傳送，然後碰到表面20 (PR-1)和表面28 (鏡-1)。光束部分54從分束器12反射，然後碰到表面44 (鏡-2)。光束部分52和光束部分54這兩者被反射回來再次碰到分束器12。在第二次碰到分束器之後，光束部分52和光束部分54的疊加或抵消地幹涉，疊加或抵消取決于波長。因此，左手側(在R-信道中)上的功率譜不同於在幹涉儀底部(在T-信道中)處獲得的功率譜。
[0024]圖3A示出了在兩個輸出之一處的圖2中的兩個幹涉光束的相位差。在這個示例中，PR-1 (表面20)被塗敷為具有14%的反射率。由於能量守恆，在另一輸出處的相位差與圖3A中所示的相同，但是被偏移了 π。圖3B是相應的功率譜，其示出了具有IOOGHz的整數倍附近的頻率的光束幾乎無損失地傳輸，並且在50G+NX 100G附近的頻率的光束被阻塞(其中N為整數)。
[0025]再次參考圖3A，可以觀察到O-相位差和π-相位差附近的斜率幾乎為零(水平)。但是從O-相位差到π-相位差過渡處的斜率不是非常陡。本發明提高在該過渡處的斜率，從而擴大了通帶和阻帶這兩者的寬度。
[0026]圖4示出了本發明的示例性實施例。該示例性實施例包括分束立方體60,分束立方體60具有可包括AR塗層的面62、上面64、右面66、可包括AR塗層的底面68、和分束界面70。光學透射元件74的表面72與立方體60的右面66光學接觸(即，光學接觸鍵合)。元件74的表面76是AR塗敷的。間隔物78和80使元件82偏離元件74。這些間隔物由諸如微晶玻璃(Zerodur)的非熱材料(athermal material)製成,其熱膨脹係數(CTE)小於0.3ppm。如下所述，間隔物78和80用作本發明的幹涉儀的線性相位偏移間隔物元件。元件82是光學透明材料並且其表面84是AR塗敷的。然而，元件82的表面86是部分反射的。表面86有時在此處被稱為PR-1i。注意到在一些實施例中，元件74和82是楔形的，它們在一起使得表面72和86平行以及使得表面76和84同樣平行。楔形的目的是消除或者減少虛反射。通過將表面76製造為相對於表面72成角度以及通過將表面84製造為相對於表面86成角度而形成楔形。表面76和84之間為氣隙。間隔物88和90使兀件92偏離元件82。這些間隔物同樣由非熱材料製成。元件92的表面94配置為鏡並且有時在此處被稱為鏡-P。在這個實施例中，表面86和94之間為氣隙。
[0027]通過光學接觸鍵合，元件98的表面96與分束立方體60的上面64光學接觸。元件98的表面100被配置為在所關注的波長處被部分地反射。表面100有時在此處被稱為PR-2,。注意到在這個實施例中，元件74和82的合併的厚度大致等於元件98的厚度。因此，這個幹涉儀的上臂和右臂的長度差由間隔物78和80的長度來決定。間隔物78和80 —起用作該幹涉儀的線性相位偏移間隔物元件。間隔物102和104使元件106偏離元件98。這些間隔物由非熱材料形成。元件106包括配置為鏡的表面108。表面108有時在此處被稱為鏡-2'。在這個實施例中，表面100和108之間為氣隙。美國專利N0.6，587，204以引用方式合併於此。注意到美國專利N0.6，587，204的共有元件是本發明的實施例的方面並且可用於本發明的實施例中。非線性相位發生器在該合併的專利中得以描述。
[0028]在這個結構中，表面PR-1'和鏡-1'形成具有腔長度L的腔C-1'。類似地，表面PR-2'和鏡-2'同樣形成具有腔長度L的腔C-2'。兩個腔的相對腔長度大致相等(在輸入光波長的一部分內)。從該分束器到表面PR-P與從該分束器到PR-2,的光程差為L/2。對於50G/100G交錯器，C-1'和C-2'的FSR(自由光譜範圍)是50GHz。
[0029]圖5示出了一個輸出處的Δφ和功率譜。在這個示例中，PR-1'和PR-2,的反射率分別為42%和3.5%。與圖3Α相比，圖5Α在O-相位差和π -相位差附近具有更寬的平坦區域(水平)，並且在過渡區域具有更加陡的斜率。換句話說，在圖5Α中的Δφ相對於圖3Α中的更加接近於理想的臺階函數。與圖3Β相比較，這產生了如圖5Β所示的更寬的通帶和阻帶。因此，圖4中所示的幹涉儀結構極大地提高了通帶和阻帶的寬度，這對於高數據速率的光通信系統非常重要。此處描述的幹涉儀能夠用作復用器和解復用器。
[0030]已經呈現了本發明的上述說明書用以圖解和描述的目的，並且該說明書並不試圖詳盡或者限制本發明公開的確切形式。根據以上教導，可以做出很多修改和變化。所公開的實施例只是意在說明本發明的原理和其實際應用，從而使得本領域其他技術人員能夠最好地在不同的實施例中使用本發明並且做出適用於經過仔細考慮的特定應用的不同修改。本發明的保護範圍由所附權利要求限定。
【權利要求】
1.一種臺階相位幹涉儀，包括: 幹涉儀第一臂，其包括線性相位偏移間隔物和第一諧振腔，其中所述第一諧振腔由第一部分反射的表面和第一鏡形成； 幹涉儀第二臂，其包括第二諧振腔，第二諧振腔具有第二部分反射的表面和第二鏡，其中所述第一諧振腔的光程長度和所述第二諧振腔的光程長度大致相等；以及 分束器，其具有配置為將輸入光束劈分為第一光束和第二光束的劈分位置，其中所述分束器被配置為引導所述第一光束進入所述第一臂，其中所述第一光束將首先傳播通過所述線性相位偏移間隔物，然後被所述第一諧振腔反射以產生第一反射光束，第一反射光束隨後返回到所述分束器，其中所述分束器被配置為引導所述第二光束進入所述第二臂，其中所述第二光束被所述第二諧振腔反射以產生第二反射光束，第二反射光束隨後返回到所述分束器並與所述第一光束合併， 其中從所述劈分位置到所述第一部分反射的表面和所述第二部分反射的表面的光程差大約是所述第一諧振腔的光程長度的一半，並且其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。
2.根據權利要求1所述的臺階相位幹涉儀,其中相位差的臺階大約為Π。
3.根據權利要求1所述的臺階相位幹涉儀，其中所述線性相位偏移間隔物具有足以產生所述光程差的物理長度。
4.根據權利要求1所述的臺階相位幹涉儀，其中所述第一諧振腔和所述第二諧振腔的自由光譜範圍FSR每個都大約為50GHz並且其中所述光程差的FSR大約為100GHz。
5.根據權利要求1所述的臺階相位幹涉儀，其中所述第一諧振腔的光程長度和所述第二諧振腔的光程長度在彼此波長的一部分之內，其中所述波長是輸入光束的波長。
6.根據權利要求1所述的臺階相位幹涉儀，其中所述分束器包括非偏振分束器。
7.根據權利要求6所述的臺階相位幹涉儀，其中所述非偏振分束器包括對稱的內部分束塗層。
8.根據權利要求1所述的臺階相位幹涉儀，其中所述線性相位偏移間隔物包括AR塗敷表面，利用第一非熱間隔物將該AR塗敷表面與第二 AR塗敷表面偏離，其中所述第一部分反射的表面利用第二非熱間隔物與所述第一鏡偏離、並且其中所述第二部分反射的表面利用第三非熱間隔物與所述第二鏡偏離。
9.一種使用權利要求1的臺階相位幹涉儀的方法，包括: 提供輸入光束；以及 在所述劈分位置處劈分所述輸入光束以產生第一光束和第二光束，其中所述分束器引導所述第一光束進入所述第一臂，其中所述第一光束首先傳播通過所述線性相位偏移間隔物，然後被所述第一諧振腔反射以產生返回到所述分束器的第一反射光束，其中所述分束器引導所述第二光束進入所述第二臂，其中所述第二光束被所述第二諧振腔反射以產生第二反射光束，第二反射光束隨後返回到所述分束器並且與所述第一反射光束合併， 其中從所述劈分位置到所述第一部分反射的表面和所述第二部分反射的表面的光程差大約是所述第一諧振腔的光程長度的一半，並且其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述相位差的臺階大約為Π。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述線性相位偏移間隔物具有足以產生所述光程差的物理長度。
12.如權利要求9所述的方法，其中所述第一諧振腔和所述第二諧振腔的自由光譜範圍FSR每個都大約為50GHz並且其中所述光程差的FSR大約為100GHz。
13.如權利要求9所述的方法，其中所述第一諧振腔的長度和所述第二諧振腔的長度在彼此波長的一部分之內，其中所述波長是輸入光束的波長。
14.如權利要求9所述的方法，其中所述分束器包括非偏振分束器。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述非偏振分束器包括對稱的內部分束塗層。
16.如權利要求9所述的方法，其中所述線性相位偏移間隔物包括AR塗敷表面，利用第一非熱間隔物將該AR塗敷表面與第二 AR塗敷表面偏移，其中所述第一部分反射的表面利用第二非熱間隔物與所述第一鏡偏離，並且其中所述第二部分反射的表面利用第三非熱間隔物與所述第二鏡偏移。
17.一種光學臺階相位幹涉儀，包括: 分束器，將入射光束分成第一光束和第二光束； 線性相位偏移間隔物，其可操作地定位於所述第一光束的路徑中； 第一非線性相位發生器NLPG，其可操作地定位為在所述第一光束通過所述線性相位偏移間隔物之後，反射所述第一光束以產生第一反射光束； 第二非線性相位發生器NLPG，其可操作地定位為反射所述第二光束以產生第二反射光束， 其中所述第一反射光束和所述第二反射光束相互幹涉，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。
18.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，其中所述相位差的臺階大約為Π。
19.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，其中所述第一NLPG的FSR與具有波長的一部分的所述第二 NLPG的FSR大致相等。
20.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，其中從所述分束器到所述第一NLPG與從所述分束器到所述第二 NLPG的光程長度差大約為所述第一 NLPG的腔長度的一半。
21.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，其中所述第一NLPG和所述第二NLPG的至少一個包括多個部分地反射的表面和包括幾乎100%反射率的一反射表面。
22.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束在所述分束器處合併成兩個幹涉光束，其中所述兩個幹涉光束的第一幹涉光束加載了信號的第一子集、並且所述兩個幹涉光束的第二幹涉光束加載了信號的第二子集，其中所述信號的第一子集針對第一埠、並且所述信號的第二子集針對第二埠。
23.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，其中所述第一NLPG包括間隔開的第一反射表面和第二反射表面，其中所述第二 NLPG包括間隔開的第三反射表面和第四反射表面。
24.根據權利要求23所述的光學臺階相位幹涉儀，其中所述第二反射表面包括幾乎100%的反射率並且其中所述第四反射表面包括幾乎100%的反射率。
25.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，其中所述第一NLPG包括具有光程長度的腔，其中所述分束器到所述第一 NLPG與從所述分束器到所述第二 NLPG之間的光程長度差OPLD大約為所述腔的光程長度的一半。
26.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，進一步包括第二分束器，其定位為合併所述第一反射光束和所述第二反射光束以使它們相互幹涉，其中所述光學臺階相位幹涉儀被配置為光學交錯Mach-Zehnder型臺階相位幹涉儀。
27.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，進一步包括輸入光纖，以提供所述入射光束。
28.根據權利要求22所述的光學臺階相位幹涉儀,進一步包括第一輸出光纖和第二輸出光纖，其中所述第一輸出光纖位於所述第一埠以收集所述第一子集、並且其中所述第二光纖位於所述第二埠以收集所述第二子集。
29.根據權利要求17所述的光學臺階相位幹涉儀，進一步包括至少一個光纖，其定位為收集包括所述第一反射光束與第二反射光束的幹涉的光束。
30.根據權利要求22所述的光學臺階相位幹涉儀，進一步包括環行器，以重新引導進入第一埠的光信號的所述第一子集。
31.一種交錯光頻率的方法，包括: 利用分束器將入射光束分成第一光束和第二光束； 使所述第一光束通過線性相位偏移間隔物； 在所述第一光束通過所述線性相位偏移間隔物之後，利用第一非線性相位發生器NLPG反射所述第一光束以產生第一反射光束； 利用第二非線性相位發生器NLPG反射所述第二光束以產生第二反射光束， 其中所述第一反射光束和所述第二反射光束相互幹涉，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束之間的相位差的頻率依賴關係具有臺階狀函數。
【文檔編號】G02B27/10GK103955062SQ201310757031
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2012年11月27日
【發明者】謝永傑 申請人:捷迅光電有限公司