專利名稱：：基于電光效應的高速光分插復用器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種光通信系統的節點中應用的光器件，特別涉及一種高速光分插復用器。
背景技術：
：光分插復用器(0ADM)是光波分復用(WDM)系統的核心器件之一，其功能是從傳輸光路中有選擇地下載某些波長信道到本地，或者從本地發送某些波長信道到傳輸光路中，同時不影響其它波長信道的傳輸。光纖通信網引入0ADM后，可以方便靈活地實現波長信道的上下路，實現光網絡的開放性和透明性。現行的OADM技術從上下路實現技術角度可分為開關型和調諧型。開關型OADM是先將多波長信號解復用成多個單波長信號，然后再用光開關來對單波長信號上下路，可以釆用微電機械(MEMS)、平面光波導(PLC)、液晶工藝等技術來實現各種規模的光開關(矩陣)。如中國專利文獻CN1369976公開了"一種新型多功能的光分插復用器"，這種光分插復用器是一種基于復用器、解復用器和光開關的光分插復用器，其結構用到了4個光放大器，10個2x2光開關，以及2對基于干涉膜濾波器的復用器、解復用器。結構較為復雜，基于分立器件，不便于集成，且成本較高，調諧速度較慢。又如中國專利文獻CN1523804公開了"基于微機電系統的光分插復用器"，提出一種基于微機電系統和透鏡的光分插復用器，主要由光環行器，自聚焦透鏡、衍射光柵，光耦合器及微機電系統控制的可調反射鏡陣列組成。該發明引入微機電系統，增加了器件的集成度，但機械調諧手段仍然無法從本質上提高調諧速度，調諧速度僅為亳秒量級。開關型0ADM的普遍缺點在于其相應速度低，在論文"黃照祥、張陽安、黃永清等，，重構光分插復用器U0ADM)的技術實現與性能評估，光通信技術2004(12):4-9"中提出開關型光分插復用器響應時間約為10ms。調諧型OADM釆用可調諧濾波器從輸入信號中選擇出指定波長信號，并通過其它光器件來實現下路、上路等操作，濾波器可用光纖布拉格光柵(FBG)、F-P腔干涉儀、MEMS型FPI、聲光可調諧濾波器(A0TF)等，它們通過改變光柵長度、熱光效應、機械應力、聲光效應等手段實現波長調諧。如中國專利文獻CN1336741公開了"具有自適應光功率均衡的光分插復用器"，提出了一種具有自適應的功率均衡的光分插復用器，使其不但有波長上下路功能，還有實時自適應功率能力，同時具有高穩定性、低串擾、低損耗、模塊化、智能化功率均衡，均衡精度高等特點。但由于其仍釆用傳統的聲光、熱光等手段對Bragg光柵的中心波長進行調諧，制約了其調諧速度。在中國專利文獻CN1606190中公開了"由二氧化碲聲光可調諧濾波器構成的動態可調諧光分插復用器"，提出了一種由一個偏振分東器、兩個結構和性能相同的聲光濾波器、偏振變換器以及光纖組成的光分插復用器模塊。將二氧化碲聲光可調諧濾波器的光束和聲東以大角度入射(60。-75°),互作用長度大于4.5cm,濾波器獲得小于0.4nm的線寬。該發明通過釆用光東和聲束的大角度入射實現了良好的旁瓣抑制性能，但由于其釆用的是聲光調諧手段，調諧速度無法突破微秒量級。可見，調諧型OADM對波長透明，可擴展能力強，是目前商用化產品的主流，但由于調諧手段的限制，響應時間無法突破微秒量級，在超高速網中存在響應速度偏慢的問題。理論及實驗都證明，只有電光效應能使調諧時間達到納秒量級。
發明內容本發明是為了使光分插復用器的調諧速度突破微秒量級，適應超高速網節點要求。同時為了降低串擾，彌補電光濾波器型OADM旁瓣抑制差的缺點。本發明提出了一種在鈮酸鋰晶體Y、Z兩個方向上以電光效應對鈦擴散鈮酸鋰波導進行調諧的四端口高速光分插復用器。本發明所述一種基于電光效應的高速光分插復用器，包括鈮酸鋰基底511,以鈦擴散工藝制備的鈮酸鋰波導，輸入端口101,上載端口102，輸出端口103，下載端口104,偏振分束器105,偏振模式轉換單元1Q6，偏振合東器107;在X切鈮酸鋰基底511上，將其Y方向為傳輸方向，以鈦擴散工藝制作光波導及偏振分東器105、偏振合束器107;以濺射工藝在鈮酸鋰基底511上制作電極，構成偏振模式轉換單元106;工作時光波以Y方向傳播，由輸入端口IOI或上載端口102進入該器件，依次經偏振分束器105，偏振模式轉換單元106,偏振合東器107,最后由輸出端口103或下載端口104輸出。上述偏振模式轉換單元106由若干電極單元組成，所述電極單元包括長度為Lc的叉指電極，Lc-105Mm,叉指電極的周期為A=21|_4n;長度為Lp的相移電極，Lp=1050Mffl,相移電極部分的電極之間的間距為G可以選擇10Mm;電極以濺射工藝制備在鈮酸鋰基底上。釆用鈮酸鋰晶體Y、Z方向上的電光效應對鈦擴散鈮酸鋰波導進行調諧，在X切Y傳鈮酸鋰基底上通過鈦擴散工藝制作光波導并構成整個光路偏振分束器、偏振模式轉換單元、偏振合束器。本發明的偏振模式轉換單元在鈮酸鋰晶體Y、Z方向上釆用電光效應進行調諧。Z方向上電壓改變TE和TM模的折射率差，使滿足相位匹配條件的波長的光發生TE-TM模之間的完全轉換，達到對調諧范圍內任意一路波長選取的目的。Y方向通過調節各分立叉指電極的電壓產生折射率周期性微擾。由于Y方向各電極電壓可獨立控制，通過計算可得出最佳電壓分布規律，使被選擇波長的光達到最大的轉換效率，并實現對幅頻曲線(轉換效率曲線)旁瓣效應的抑制。本器件引入溫度控制系統使器件工作在恒溫(室溫)條件下，并可根據調諧范圍需要重置工作溫度。為使被選擇波長的光達到最大的轉換效率，并實現對幅頻曲線旁瓣效應的抑制，本發明的器件偏振模式轉換單元的各叉指電極電壓可釆用平方律分布、正弦分布、高斯分布、漢明函數分布等方式。其中以高斯分布效果較佳。本發明相對于現有技術的優點(1)由于釆用的是電光效應作為調諧手段，可實現納秒量級的調諧速度;(2)調諧范圍寬，充分利用波分復用(WDM)技術的帶寬資源。室溫下以-150V-+150V電壓可實現34nm的調諧范圍；(3)通帶寬度窄，順應密集波分復用(DWDM)技術發展趨勢。上、下路通帶寬度(3dB帶寬)可達0.8nm;(4)串擾低，損耗小，較其它類型的光分插復用器性能優越。一階旁瓣小于-35dB，光纖到光纖的插入損耗小于5dB。圖l本發明所設計的光分插復用器的結構示意圖；其中，101為輸入端口，102為上載端口，103為輸出端口，104為下載端口，105為偏振分束器，106為偏振模式轉換單元，107為偏振合東器，108為上臂波導，109為下臂波導；圖2偏振模式轉換單元的一個電極單元，圖中偏左部分為長為Lc的叉指電極，圖中偏右部分為長為Lp的相移電極；其中部件201處電壓為零，202處電壓為VT，203處電壓為2VT，204表示第i個叉指電極，電壓為V"205、206分別為鈦擴散鈮酸鋰波導的上下臂。其中，叉指電極的周期為A，相移電極部分的電極201與202,202與203的間距為G。整個偏振模式轉換單元電極由若干個如圖2所示的電極單元組成。圖3室溫下相移電極電壓與上/下路波長關系曲線；圖4偏振轉換效率對波長的曲線；圖5本發明所設計光分插復用器的三維效果圖。其中501為輸入端口，502為上載端口，503為輸出端口，504為下載端口，505為偏振分東器，506為偏振合東器，507為接地電極，508為電壓為VT的相移電極，509為電壓為2VT的相移電極，510示意若干叉指電極，第i個叉指電極電壓為Vi,511為鈮酸鋰基底。具體實施方式下面結合附圖實例對本發明進行進一步說明。如圖l所示，光通信用的單模光含有兩種偏振態，即TE模和TM模。當波分復用系統(WDM)中使用的不同波長的單模光從輸入端口101輸入時，經偏振分束器105,發生偏振分離，即TE模與TM模的分離。TM模和TE模分別從上臂108和下臂109進入偏振模式轉換單元106。其中波長不滿足相位匹配條件的光波經偏振合束器107后，TE模和TM模光耦合，從輸出端口103輸出，從而完成了非下路波長的透明傳輸。對于滿足相位匹配條件的那個波長的光，在偏振模式轉換單元106發生模式轉換，上臂108中的TM模變為TE模，下臂109中的TE模變為TM模。則經偏振合束器107后，TE模和TM模光波耦合，從下載端口104輸出，而相位匹配條件可由外加電壓控制，這樣就實現了對從輸入端口101中輸入的各波長光的選擇性下載。由于本發明所設計的可重構光分插復用器具有互易對稱性，若要對某一波長進行上路，只需將該波長(不能與從端口101輸入的光的任一波長相同)從上載端口102輸入，經偏振分東器105后，TE模和TM模發生分離，TE模從上臂波導108進入偏振模式轉換單元106,同時TM模從下臂波導109進入偏振模式轉換單元106,通過調節外加電壓可使其滿足相位匹配條件，則在經偏振模式轉換單元后，上臂108中的TE模轉變為TM模，而下臂109中傳輸的TM模轉變為TE模。經過偏振合束器后107后，從輸出端口103輸出，實現對該波長的上路功能。對于偏振模式轉換單元的設計，本發明提出在Y、Z兩個方向上釆用電光效應進行調諧的方案。具體方法如圖2所示，接地電極及由其引出的各叉指電極201電壓為0，其在相移電極部分(圖中偏右側)與電壓為VT的電極202為下臂波導206提供Z向電壓。電極203電壓為2VT，其與電壓為^的電極202提供了上臂波導205的Z向電壓，大小仍為Vr。通過控制Z方向的電壓，可改變光波導對TE、TM模的折射率nTE、n。在叉指電極部分(圖中偏左)，電極204與由接地電極201引出的電極構成了施加在鈦擴散鈮酸鋰波導205、206的Y方向電壓，形成了其傳播方向上的折射率周期性微擾。由模耦合理論(可參考"馬春生，劉式墉，光波導模式理論[M]，吉林大學出版社，305-330得知，在光波傳輸方向引入周期變化的折射率微擾可實現TE模和TM模之間的相互轉換，并且在相位匹配條件下可達到完全的偏振模式轉換。由相位匹配條件可推出/^A[(-"^)i^+(7Vw;^)/c]/(丄c+丄/7)(其中A為由叉指電極所確定的波導折射率變化周期；Lc為叉指電極的長度，Lp為相移電極的長度,滿足Lc+LP=MA,M為整數;Ntm與1分別為V產O時波導中TM和TE模的等效折射率)。這樣，靠叉指電極電壓以電光效應提供折射率周期性微擾，而相移電極可控制波導中的TE模和TM模的折射率差nTE-nTM，從而通過相位匹配條件達到對上/下路波長的選取。叉指電極與相移電極交替出現，即若干個圖2所示的單元組成了整個偏振模式轉換單元，達到對選擇波長的偏振模式轉換的目的。圖2中的各參數如下，叉指周期A-2lMm，Lc=5A=105Mm，Lp=1050Mm，電極間距G可為10陶。圖3給出了電極間距G^0陶時相移電極電壓與上/下路波長關系曲線。由圖3可見，以-150V+150V電壓可獲得34nm的調諧范圍(室溫下)。可根據圖中給出的關系以某一電壓對ITU-T規定的各信道進行上/下路操作。由于Y方向釆用的是分立叉指電極，其個數與每一路的叉指電壓均靈活可調，通過計算可得出最佳電壓分布規律，使被選擇波長的光達到最大的轉換效率，并實現對幅頻曲線旁瓣的抑制。本發明設計的偏振模式轉換單元含30個圖2所示的電極單元。叉指電極電壓可采用平方律分布、正弦分布、高斯分布、漢明函數分布等的分布方式。其中高斯型電壓分布效果較好，其電壓分布如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>最終可以得到如圖4所示的轉換效率曲線，其中橫坐標為波長與選擇波長(上/下路波長)的差。可見，按上表提供的電壓分布，可以得到0.8nm左右的通帶寬度OdB帶寬)，這可以滿足密集波分復用(DWDM)的需求。而旁瓣抑制特性良好，可達-35dB以下。本發明所設計光分插復用器的整體結構如圖5所示，整個光路在鈮酸鋰基底511上制備鈦擴散光波導。晶體引入溫度控制系統，器件可工作在室溫下，并可根據調諧范圍需要重置工作溫度。接地電極507、相移電極508、509提供Z方向電壓。叉指電極510提供Y方向的電壓(共30個)。偏振模式轉換單元總長度約為3.5厘米。本發明未提到的部分如鈦擴散鈮酸鋰波導的制備、溫度控制方式及偏振分束器與偏振合束器的尺寸參數等均采用現行技術實現。權利要求1、一種基于電光效應的高速光分插復用器，包括鈮酸鋰基底(511)，以鈦擴散工藝制備的鈮酸鋰波導，輸入端口(101)，上載端口(102)，輸出端口(103)，下載端口(104)，偏振分束器(105)，偏振模式轉換單元(106)，偏振合束器(107)；在X切鈮酸鋰基底(511)上，將其Y方向為傳輸方向，以鈦擴散工藝制作光波導及偏振分束器(105)、偏振合束器(107)；以濺射工藝在鈮酸鋰基底(511)上制作電極，構成偏振模式轉換單元(106)；工作時光波以Y方向傳播，由輸入端口(101)或上載端口(102)進入該器件，依次經偏振分束器(105)，偏振模式轉換單元(106)，偏振合束器(107)，最后由輸出端口(103)或下載端口(104)輸出。2、根據權利要求l所述一種基于電光效應的高速光分插復用器，其特征在于，所述偏振模式轉換單元(106)由若干電極單元組成，所述電極單元包括長度為Lc的叉指電極，Lc^05wn,叉指電極的周期為A=21|im;長度為Lp的相移電極，Lp=1050wn，相移電極部分的電極之間的間距為G可以選擇IO陶；電極以濺射工藝制備在鈮酸鋰基底上。3、根據權利要求2所述一種基于電光效應的高速光分插復用器，其特征在于，所述偏振模式轉換單元(106)由30個電極單元組成，其叉指電極電壓分布如下表所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage2</column></row><table>全文摘要本發明涉及一種基于電光效應的高速光分插復用器，屬于一種光通信系統的節點中應用的光器件
技術領域：
。一種基于電光效應的高速光分插復用器，包括鈮酸鋰基底(511)，以鈦擴散工藝制備的鈮酸鋰波導，輸入端口(101)，上載端口(102)，輸出端口(103)，下載端口(104)，偏振分束器(105)，偏振模式轉換單元(106)，偏振合束器(107)。本發明相對于現有技術的優點(1)可實現納秒量級的調諧速度；(2)室溫下以-150V～+150V電壓可實現34nm的調諧范圍；上、下路通帶寬度(3dB帶寬)可達0.8nm；一階旁瓣小于-35dB，光纖到光纖的插入損耗小于5dB。文檔編號H04B10/12GK101131449SQ20071006139公開日2008年2月27日申請日期2007年10月10日優先權日2007年10月10日發明者張瑞鋒,奕李,李可佳,強焦,杰金申請人:天津大學