級聯的可調諧濾波器元件的製作方法

2023-10-05 10:49:44

專利名稱：級聯的可調諧濾波器元件的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及旨在改進集成型波分多路傳輸器／信號分離器光學裝置，其中能以有效的方式增加或丟掉特定波長(或若干特定波長)的光。特別是，本發明通過提供其材料對為一個或多個相鄰光學元件預選的溫度等變量具有略微不同值的光學元件，為這類裝置提供細調諧功能。
發明的
背景技術：
在本領域中，用於增加和丟掉波長編碼信號(特寫波長光)的裝置是眾所周知的。這類裝置採用光纖，而光纖除了應用於區域網、計算機網等以外，主要應用於通信領域。光纖能載送大量信息，而本發明的這類裝置，其目的就是通過分離不同波長信道上載送的信息，從光纖中提取選定量的信息。
這類裝置包括多種一起提供所需的波長偏碼信號分離的元件。為了建立短暫的定向耦合，業已開發出集成光耦合器，尤其是定向耦合器。光信號在平面波導之間耦合，第二平面波導內的信號與第一平面波導內的信號同向傳播。
衍射光柵(如Bragg光柵)一般用來隔離窄帶的波長，這類光柵反射器能構成一種用於對光纖傳輸系統增加或丟掉預定中心波長的光信號而不影響其它波長信號的裝置。
目前正在推廣應用的波分雙工系統大大提高了原有光纖設施的帶寬容量，這類系統的關鍵元件就是波分多路傳輸器與信號分離器，用於在傳輸系統兩端組合和分離一個個波長信號。這些元件包括必須對正發送的每個波長特地修改的精密濾光器(如Bragg光柵)。各系統的波長數量及其精密的值互不相同，即便在一個系統內，隨著波長密度的增大，它們也是一個時間函數。
基於光纖的通信系統的迅速發展，要求不斷地擴大這些系統的容量以便管理增大的帶寬要求。增大系統的容量有幾種簡單的方法1．安裝更多的光纖--此法最簡單，但費用大、耗時長；2．增大光纖端部發射機的數據量--此法比安裝新的光纖更經濟、更迅速，但要求高數據速率(＞每秒5Gb)，光纖的物理極限開始有問題，導致光脈衝沿光纖傳播而出現無法接受的大散射；3．以多波長、低數據速率發射--與安裝新的光纖相比，此法仍能節省費用，現在對光學文件的基本要求是能在1530～1560μm的較佳範圍內，提供穩定的多波長雷射器，還要提供能分離所需波長的精密濾光器。
上述第三種方法提到的光學元件，可以推廣應用於同時載送4、8、16、32、40、64與80個光波長的波分雙工(WDM)系統。有一些技術一直應用於解決濾光器問題，其中有第一種方法揭示的光纖Bragg光柵、第二種方法揭示的陣列式波導光柵(AWG)路由器，以及第三種方法揭示的薄膜介質濾光器。所有這些方法都導致改變質量的濾光器特性，較佳的濾光器特性在選用波長+／-某一範圍時為100％傳輸，而在其它波長都是0％傳輸。以dB為單位，希望濾器在較佳波長帶與所有其它波長之間的鑑別率大於20dB，最好大於30dB。
除了AWG以外，所有其它濾光器方法都依賴於連續地使用分立的濾光器元件，這對每個濾光器元件的質量提供了高要求。另外，由於FBG與薄膜介質濾光器等方法在本質上是固定濾光器而不能調諧，所以每個待濾除的濾長都要求有其自己的特製濾光器。這裡的術語「可調諧」指能以某種方式調節該濾光器元件，使不同波長的光信號分離出來。
例如，適用於ITU波長1547．72nm的FBG不適用於ITU波長1550．92nm，這裡的ITU波長代表通信系統供應商曆來採納的標準通信波長。這種狀況大大提高了製造濾光器的成本，且由於這些器件的標記登記費時，也提高了所有權的成本。因此，對製造後調節濾光器波長的技術，即可調諧濾光器提供了需求。舉例來說，如果需要40隻濾光器元件，它們可以同樣地製作，然後在工廠裡或在現場將其調節成濾除所需的波長。這就大大提高了WDM濾光器系統的模塊化，降低了製造與所有權的成本。
已經發展了幾種可調諧濾光器技術，其中主要有第四種方法揭示的聲光可調諧濾光器(AOTF)和Fobry-Perot可調諧濾光器(FPTF)。基於銀酸鋰等鐵電材料呈現的聲光效應的AOTF，利用聲波工作，由射頻電源與換能器激勵，可以感應光波導材料中的稠化與稀化。實際上，AOTF工作時通常要改變光的偏振，其波長則與聲學感應光柵相匹配，然後光與原有的其它波長為分量分開。AOTF的優點是能極迅速地調諧(微秒)濾光器，並在除去射頻電源後完全斷開濾光器。然而，以不同波長信道間的隔離度、給定波長信道的插入損耗和尤其是偏振相依性來衡量，這種方法板難獲得WDM所需的光譜特性。FPTF一直以第五種方法揭示的大型實施例工作，更近些時候，通過第六種方法揭示的微機械方法工作。雖然FPTF能獲得較好的濾光器性能，但是缺點是要靠物理運動實現調諧，降低了整體可靠性。
理想的可調諧濾光器技術應既具有AOTF的固態調諧，也具有FPTF的良好的濾光器性能。

發明內容
本發明對準一種包括級聯可調諧濾光器的光信號系統，其中對每個濾光器元件外部調節的參數(溫度等)保持成與相鄰濾光器元件的同一參數略微不同的值。得到的系統能精確地分離多波長信號，而且與應用分立的濾光器元件分離每個特定波長的靜態信號位置相比，光強損失更小。
這裡使用的術語「可調諧」是指光信號裝置的濾光器元件可以具有其反射對某一預選的波長優先變化的光的能力；術語「級聯」是指光信號裝置包含多個可調諧濾光器元件。
本發明的一個方面是提供一種可調諧光信號裝置，它包括至少兩個濾光器元件和保持可調節參數的裝置，製作每個所述濾光器元件的材料有一可調節的參數。
本發明的一個方面是提供一種可調諧光信號裝置，它包括至少兩個濾光器元件，每個濾光器元件包括一塊基片；一對間隔開的包層與包括一對相對波導的核心層；一個包括濾光器裝置的光柵區，利用多波長光源的光使單波長從中分離出去；構成所述核心後的材料具有可調節的特性，從而一個濾光器元件的可調節特性保護為第一值，而將相鄰濾光器元件的可調節特性保持為與第一值不同的第二值，還包括保持這兩個相鄰濾光器元件的第一和第二值的裝置。
本發明的另一個方面是提供一種由多個濾光器元件組成的光信號裝置，其中波長λ1、λ2……λN都進入一個1×4濾光器元件，該元件有一根輸入光纖、4根濾除波長輸出光纖和一根不濾除波長輸出光纖。該濾光器的溫度保持為T1。該濾光器從光信號流中濾除四個波長，即λ1和另外三個波長，這由信道總數N與信道間距確定。未被該第一濾光器濾除的波長再傳到第二濾光器，溫度保持為T2。該濾光器完全第一濾光器一樣製造，但因保持為不同的溫度，可濾除不同的波長。第二濾光器的作用與第一濾光器相同，於是光最後到達第N／4濾光器，在此濾除了所有的波長。
附圖簡述下述附圖(其中用同一個標號表示同一種部件)表示本發明的實施例，並非用於限制本發明，而本發明內容為構成本申請一部分的權項所包羅。


圖1是本發明光信號裝置中使用的一濾光器元件實施例的示意正視圖；圖2是表示本發明所應用的一濾光器元件實施例所反射的光波長變化的曲線圖，所述反射光波長是正在升高的溫度的函數；圖3是本發明應用多個濾光器元件的一個光信號裝置實施例的示意圖；圖4是本發明另一實施例的示意圖，它應用一循環器將分離的波長信號轉送給檢測器；圖5是本發明再一個實施例的示意圖，表示由多個濾光器元件分離由濾光器元件分離由波長λ1～λN組成的光信號。
圖6是本發明還有一個實施例的示意圖，其中用窄帶鏡有選擇地瞄準每個濾光器元件的預置波長；及圖7是本發明用於將各個元件保持為所需溫度的溫控系統的示意圖。

發明內容
詳述本發明針對一種擁有多個濾光器元件的光信號裝置，其中相鄰的濾光器元件具有不同的特性值(如被置於不同的溫度)。
在本發明的一個較佳形式中，應用了Mach-Zehnder型耦合器或定向耦合器，其兩個平面波導在兩個耦合區或濾光器中相互對準。耦合區或濾光器元件之間是光柵系統(如Bragg光柵)構成的光柵區。波導通常相互間隔開，從而在光柵區中不出現不穩定的耦合。
根據本發明，光信號裝置應用至少兩個這樣的濾光器元件，並被設置成略微不同的特性值(如略微不同的溫度)以便反射不同的波長信號。
光柵區配有加熱器(諸如特定電阻的電極)或其它感應聚合物溫度變化的裝置。相鄰濾光器元件的加熱器經控制，使各個濾光器元件保持為略微不同的溫度而反射不同的光波長(即不同波長的光信號)。或者，可將相鄰濾光器元件的機械應力值設置為不同的值，這樣也能反射不同波長的信號。
參照圖1，它示出了本發明光信號裝置的濾光器元件的典型結構，尤其是光柵區。濾光器元件2包括核心區4，在其每一邊具有各別的包層6A與6B。在圖1的特定實施例中，包層6A上方是加熱器8，在下包層6B的下方設有基片10。如下所述，上包層6A與下包層6B都用熱敏聚合物製作。核心層一般用與包層同類的材料製作，雖然各層的折射率不同，如下所述。
根據圖1的實施例，加熱器貼近濾光器元件設置以加熱熱敏聚合物。如圖2所示，隨著濾光器元件的溫度升高，反射光波長通常以線性斜率減小。如圖2特地示出的那樣，在20～100℃範圍內，每升高1℃，反射光波長將減小0．256，反射光波長在此溫度範圍內將線性地變化約20nm。因此，圖1所示的本發明的實施例，通過增減用來構成濾光器元件的材料的溫度，將其溫度保持為與相鄰濾光器元件的溫度略微不同的值，就改變了光信號裝置中濾光器元件的反射光波長。
根據本發明的光信號裝置的實施例如圖3所示。每個濾光器元件2A與2B都具有如參照圖1所述的同一結構並用同一熱敏材料製造，包括下述分別標為8A與8B的加熱系統。加熱系統8A設置成將濾光器元件2A保持為溫度T1，不同於加熱器8B對濾光器元件2B保持的溫度。
按圖2調節加熱器8A，可以根據本發明精密地選擇從光源析出的特寫光波長。具體而言，光柵區的溫度每升高1℃，反射波長就縮短0．256nm。
通過濾光器元件2A的其餘光波長可在第二個濾光器元件2B中再處理，元件2B由加熱器8B加熱並保持在不同於濾光器元件2A的溫度。因此，可從第二個濾光器元件2B析出第二個不同的光波長λ2。
在本發明的光信號裝置的另一個實施例中，將循環器與每個濾光器元件一起用於分離一個或多個單一的光波長，同時讓其餘的光信號通過，以便在相鄰的濾光器元件中逐步分離出不同的單個或多個濾長帶。所述循環器是一種三埠裝置，提供光輸入埠1到埠2和光輸入埠2到埠3。
參照圖4，這是一個光信號，其波長λ1……λn正在輸入包括光柵系統42的濾光器元件40。濾光器元件被加熱器44加熱到T1，如上所述，由此將光信號λR反射到循環器46A，結果將λR傳輸到檢波器48A。
缺少了λR的光信號λ1……λn通過濾光器元件40後，進入製造成與濾光器元件40同規格的濾光器元件50。濾光器元件40包括光柵系統52，並被接至加熱器54而將濾光器元件50加熱到與T1不同的溫度T2，結果由λT表示的某一不同波長信號或成組波長被反射到循環器46B，在此將波長信號λT送住檢波器48B。
圖5示出表明有多個濾光器元件的本發明的實施例。例如，濾長λ1、λ2…λN進入一個1×4的濾光器元件60，它具有一條輸入光纖62、四條一起標為64用作濾除波長輸出的光纖以及一條不濾除波長輸出的光纖66。濾光器元件60保持於溫度T1。該濾光器從光信號流中濾除四個濾長，即λ1與其它三個，由信道總數N與信道間距確定。未被該第1濾光器濾除的波長傳播到第二濾光器元件70，它保持於溫度T2。該濾光器製造得與第一濾光器完全一樣，但因保持於不同的溫度，故通過光纖72濾除不同的波長。
未濾除的波長通過光纖76傳入保持於TN／4-1的濾光器元件80。反射波長信號λN／4-1通過光纖82傳出。最後，未濾除波長通過加熱到溫度TN／4的濾光器元件90，由此通過光纖92反射一相應的波長信號，全部分離出該光信號所包含的全部波長λ1……λn。
圖5所示實施例的必要條件是，為獲得波長中信道間距偏移所需的溫度不必高得難以實現。第二濾光器的作用與第一濾光器一樣，於是光最後傳播到第N／4個濾光器，在此濾掉所有的濾長。
圖6示出的另一種方法利用了圖5中的公共模塊結構。圖6應用窄帶鏡對具有多個波長λ1-λ16(即N=λ16)的光信號分離幾組波長信號(如λ1-λ4)。應能理解，N值可大可小，濾光器元件的數量也可同圖6所示的不一樣。
參照圖6，16個波長經光纖100輸入，光纖100終接於GRIN準直透鏡(未示出)，於是準直光傳播到濾除四個波長(λ1～λ4)的窄帶鏡102A。這四個波長接著由GRIN透鏡104A匯入光纖106，被類似於圖5那樣的1×4濾光器元件108A分離出來。
接著波長λ5-λ16傳播到下一塊窄帶鏡102B，後者反射的下面四個波長λ5-λ8進入GRIN透鏡104B、光纖106B和1×4濾光器元件108B。該過程反覆進行，以通過附加的一連串GRIN透鏡、光纖和1×4濾光器元件(用標號102C～108D表示)濾除波長信號λ9-λ12和λ13-λ16，直到分離了所有的波長。該實施例雖比圖5的實施例更複雜，但其優點是輸出的均一性更佳。在圖5情況下，由於裝置中不可避免的耦合與傳播損失，所以從最後一個模塊出射的波長將比從第一模塊出射的波長衰減得更多。對於圖6所示的實施例，可將GRIN透鏡和反射鏡的附加損失減小得予以忽略，因而所有濾除的信號的光強大體上相等(假定它們在輸入時為同等光強)。
本發明的可調諧濾光器元件最好製作成1×N Mach-Zehnder或定向耦器集成光學電路，並配上溫度敏光學材料的Bragg光柵。以這種方式製成的光信號裝置，其相對的波導一般包括如前面所述的核心層和上下包層，各層最好用光敏材料製作，以便通過光刻加上折射光柵系統。
總之，光信號裝置包括一塊基片，其上有一對間隔開的包層，包層之間有一核心層，而核心層包括一對相對的波導。波導最好直接光刻在核心層上。濾光器最好做成Bragg反射光柵系統的形式，最好通過核心層與包層延伸，以便讓光的單個波長信道從輸入光源中分離出來。
用於製造光信號裝置的基片可從各種材料裡選擇，其中包括玻璃、矽、塑料(如聚氨酯和聚碳酸酯)等等。上下包層最好用光敏材料製作，最好是折射率比核心層更低的聚合材料。此類光敏材料包括乙氧化雙酚二丙烯酸鹽和chloroflourodiacrylate，並且是能用能源處理的材料類型，以便通過使用例如光掩膜等將材料的一個區域(如在壓印波導的場合)與另一區域區分開來。這類可調諧光學元件能被直接光刻成定向耦合器等單模光波導結構。用作濾光器元件的Bragg光柵可通過全息照射形成。較適於製作光信號裝置的交聯紫外固化丙烯酸鹽共聚合物具有明顯的熱光效應，折射率隨溫度有可測量的變化，有時當把機械應力用作外部控制的變量時，明顯的光彈效應導致折射率隨施加的機械應力而變化。
熱敏材料理想的特性包括大的熱光係數。熱光係數定義為折射率隨溫度的變化dn／dT，這裡的n是折射率，T為溫度。對於典型的玻璃和無機介質，dn／dT為1×10-5／℃量級，聚合物約為-2×10-4／℃。這意味著，要使折射率有一定變化，典型聚合物的溫度改變量只及典型玻璃改變量的1／20，因而能直接用聚合物構制熱調諧濾光器。
熱敏材料其它理想的特性是高的熱膨脹係數，一般至少是50ppm／℃，最好從約100至200ppm／℃；還有是低的熱導率，一般不大於約0．5W／m／℃，最好從約0．1至0．3W／m／℃。
本發明用來對濾光器元件加熱並將其溫度保持在所需溫度的加熱系統，包括電阻膜加熱器、熱電裝置、陶瓷加熱器、薄膜加熱器等。重要的是加熱系統應具有控制裝置，以便控制熱敏材料的溫度，並將溫度保持在對特定濾光器元件反覆選擇地所需溫度。
一種這樣的加熱系統示於圖7。圖7示出了對帶閉環溫度控制的熱調諧濾光器的要求。溫度用熱電偶測量；隨著溫度從其設定點(由所需濾除的波長確定)開始變化，改變從電源到電阻加熱件的功率以維持所需的設定點溫度。通常，將濾光器的環境溫度升高到超過期望的環境溫度變化5～10℃。運用聚合物波導Bragg光柵濾光器，波長變化△λ與溫度變化Δλ相關，即Δλ=-0．2ΔTμm／℃。有此聚合物Bragg光柵濾光器的附加優點是光損失小、雙折射低。為實現圖5一類的系統，各級之間要相差一個信道間距。如果典型的信道間距為0．8nm，而T2=T1-4，那麼Ti=T1-4*i，其中Ti是第i級的溫度。對於圖6-類的系統，每一級與相鄰級偏移4個信道間距，所以有T2=T1-16，而一般形式為Ti=T1-16*i。這樣，圖6系統的插入損失優點協調了使各級保持較大溫差的要求。
實例1使用圖5定義的基於聚合物波導光柵的四信道可調諧信號分離器，其信道間距為400GHz，即3．2nm。當該裝置保持在60℃時，濾除的特定波長為1547．72、1550．92、1554．12和1557．32nm。有一條輸入單模光纖、四條輸出單模光纖和一條通埠單模光纖，所有光纖都是Corning SMF-28。輸入光纖最好與角度磨光的連接器相接以減少背反射。四條光纖端接於FC／PC連接器。通埠有一角度磨光的連接器，或對接至下一個信號分離器的豬尾形光纖露出，下一個信號分離器與第一個信號分離器相同，只是保持在溫度T2=64℃，濾除波長1548．52、1551．72、1554．92和1558．12nm。兩個保持在溫度68℃與72℃的連續的信號分離器分別濾除波長1549．32、1552．52、1555．72、1559．96nm和1550．12、1553．32、1556．52、1560．72nm。濾除信道的信道間串擾＜-30dB，非濾除濾長在最後通埠遭受的累計光損失為15-20dB量級。
實例2使用圖6定義的基於聚合物波導光柵的四信道可調諧信號分離器，其信道間距為100GHz，即0．8nm。當該裝置保持在60℃時，濾除的特定濾長是1547．72、1548．52、1549．32和1550．12nm。有一條與角度磨光的連接器相接的輸入單模光纖。光自光纖射入NGK提供的GRIN透鏡，而NGK準直來自光纖的光。然後該光入射到OCLI製作的薄膜幹涉濾光器，後者反射95％以上從1547．5至1550．3nm的波長。反射的光指向另一塊GRIN透鏡，後者將光向後聚集進入信號分離器的輸入光纖，於是信號分離器分離出四個波長。未被第一薄膜幹涉濾光器反射的光傳到下一個F2，F2反射95％以上從1550．5至1553．5nm的波長。然後光通過GRIN透鏡射入另一個四信道信號分離器，它與第一個分離器相同，但保持在溫度T2=76℃，濾除特定的波長1550．92、1551．72、1552．52和1553．32nm。薄膜幹涉濾光器F3與F4起同樣作用，分別反射波長帶1553．5～1556．7nm和1557．0～1560．2nm。接著，溫度為92℃和108℃的四信道信號分離器分別捕獲波長1554．12、1554．92、1555．72、1556．52nm和1557．32、1558．12、1558．92、1559．72。濾除信道的信道間串擾＜-20dB，未被濾除的光遭受的累計損失為5dB量級。
雖然參照作為區分相鄰濾光器元件的變量的溫度具體描述了本發明，但是應用其機械應力可變的材料等其它變量也包括在本發明範圍內。具體而言，對於圖3類型的機械調諧型聚合物Bragg光柵級聯可調諧系統，各級將保持在不同的機械應力狀態，因而某一級中的最小波長為λ0，各連續級之間的應力差為Δε=ΔλWDM／(dλB／dε)。一般而言，導數dλB／dε與材料的光彈常數相關，而光彈常數取決於折射率、泊松比和歸一化Pockel係數。
權利要求
1．一種可調諧光信號裝置，包括至少兩個濾光器元件，每個所述濾光器元件由具有某一可調節參數的材料製造；和對相鄰的濾光器元件將所述可調節參數保持為略微不同值的裝置。
2．如權利要求1所述的可調諧光信號裝置，其特徵在於，所述可調節參數選自溫度與機械應力。
3．如權利要求1所述的可調諧光信號裝置，其特徵在於，所述濾光器元件是與可調諧Bragg光柵構成一體的Mach-Zehnder幹涉儀。
4．如權利要求1所述的可調諧光信號裝置，其特徵在於，所述材料是一種熱敏材料。
5．如權利要求4所述的可調諧光信號裝置，其特徵在於，所述熱敏材料是至少一種熱敏聚合物。
6．如權利要求1所述的可調諧光信號裝置，其特徵在於，所述可調節參數是溫度，所述保持可調節參數的裝置包括a)測量材料溫度的熱電偶；b)將材料溫度與預置溫度作比較的溫度傳感器；及c)對材料加熱以保持所述預置溫度的加熱器。
7．如權利要求1所述的可調諧光信號裝置還包括循環器和可調諧Bragg光柵。
8．如權利要求1所述的可調諧光信號裝置還包括多塊窄帶鏡，每塊窄帶鏡分離一組多波長信號，並將所述組波長信號射向所述濾光器元件。
9．如權利要求8所述的可調諧光信號裝置還包括GRIN透鏡，用於在所述組波長信號進入濾光器元件之前準直所述組波長信號。
10．一種對光信號丟掉／增加至少一個預選光波長的方法，包括使所述光信號通過可調諧光信號裝置，所述光信號裝置包括至少兩個濾光器元件，每個所述濾光器元件用具有某一可調節參數的材料製造；和對相鄰濾光器元件將所述可調節參數保持在略微不同值的裝置；所述方法包括調節所述參數以反射所述至少一個預先的光波長。
全文摘要
一種可調諧光信號裝置和使用所述裝置的方法,它具有至少兩個濾光器元件,每個所述濾光器元件用具有某一可調節參數的材料製造,並對相鄰的濾光器元件將可調節參數保持在略微不同的值。
文檔編號H04J14/02GK1291294SQ99803088
公開日2001年4月11日 申請日期1999年2月22日 優先權日1998年2月20日
發明者R·A·諾伍德, D·W·索森, M·H·魯達茜爾 申請人:康寧股份有限公司