專利名稱：多波長鎖定器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信技術(shù)中所使用的波長鎖定器。
目前，已經(jīng)出現(xiàn)了一些半導(dǎo)體激光器的波長鎖定技術(shù)，例如光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具(簡稱FP)(參見J.H.Jang，et al，“A Cold-Start WDM System using a synchronized EtalonFilter”，IEEE photonics Technology letters，9(3) ，P383)；窄帶濾波器波長鎖定技術(shù)(參見Ed Miskovic，“Wavelength lockers keep lasers in line”，photonicsspectra，(1999)，P104)。其中，窄帶濾波器波長鎖定技術(shù)欲穩(wěn)定一個信道上DFB的波長需要2只窄帶濾波器，因此該技術(shù)用于多信道(例如8個信道或40個信道)上的多波長鎖定是困難的；FP波長鎖定器的光波透射率是周期性的多峰結(jié)構(gòu)，透射峰之間的波長間距可做成ITU推薦的1.6nm、0.8nm或0.4nm，每個透射峰可以鎖定一個信道上DFB的波長，可適合于光纖通信的DWDM中多信道上的多波長鎖定(即用一個FP波長鎖定器可以同時實現(xiàn)多個波長的鎖定)。但是，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具是由兩塊光學(xué)晶片與高度熱穩(wěn)定材料(如熔石英ULE7971)制作的隔離環(huán)而構(gòu)成，光學(xué)晶片及隔離環(huán)的兩端面本身及相互之間均要保持高度平行(≤5″)，因此其光學(xué)晶片及隔離環(huán)的光學(xué)加工和安裝比較困難、使批量生產(chǎn)不容易實現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下整個波長鎖定器由DFB、光纖耦合器、波長傳感器、光電檢測器、電子學(xué)的差分回路、濾波器、放大器、副載波調(diào)制器以及電子開關(guān)和溫控器所組成，其中，波長傳感器由輸入光纖和輸出光纖、雙光纖光束準(zhǔn)直器、偏振片、雙折射晶體、殼體以及溫度傳感器和致冷器構(gòu)成輸入光纖和輸出光纖與雙光纖光束準(zhǔn)直器的前端相連；雙光纖光束準(zhǔn)直器、偏振片和雙折射晶體三者自前向后依次固定在殼體的空腔內(nèi)；偏振片的兩個透光端面都鍍有增透膜；雙折射晶體的兩透光端面相互平行，其前端面上鍍增透膜、后端面上鍍?nèi)瓷淠?，晶體長度d為特定值，即晶體透光總長度l的一半，而l可按下式選取l=1[Δn(λ0)(1λ0-1λ0-Δλ)-δ(Δn)δλΔλλ0-Δλ]]]>晶體的光軸平行于兩透光端面，偏振片的透振方向與晶體光軸夾45°角，并且偏振片透振方向和晶體光軸都垂直于雙光纖光束準(zhǔn)直器的出射光束的光線方向；溫度傳感器固定在殼體內(nèi)緊靠晶體的位置，致冷器固定在殼體外。
也就是說，本發(fā)明所提出的多波長鎖定器是以雙折射晶體為基礎(chǔ)的，其關(guān)鍵在于利用晶體的雙折射特性形成多峰透射結(jié)構(gòu)。
波長鎖定器的結(jié)構(gòu)如

圖1所示。它由DFB 1、光纖耦合器2和3、波長傳感器4(為圖中虛線框內(nèi)所示部分)、光電檢測器5和6、電子學(xué)的差分回路7、濾波器8、放大器9、副載波調(diào)制器10以及電子開關(guān)11和溫控器12所組成。DFB的波長為λ，副載波調(diào)制器10和電子開關(guān)11對它的注入電流產(chǎn)生小幅度、特定頻率的調(diào)制(例如1％的調(diào)制幅度，設(shè)為f0，為避免產(chǎn)生通信串?dāng)_，調(diào)制頻率可為1KHz以下)，它的輸出光強(qiáng)度則產(chǎn)生上述頻率上的小幅度調(diào)制。其輸出激光由光纖耦合器2分成兩束，分別從a、b兩端輸出，其中，a端光強(qiáng)度比b端的要大，可取比值為97∶3～95∶5，輸出端a用于連接到光纖長途通信線上，輸出端b則是連接到另一個光纖耦合器3上。光纖耦合器3又將激光分成兩束，其一束由光纖直接通向光電檢測器5轉(zhuǎn)變成電信號V1，作為差分回路7的參考信號，另一束輸送到波長傳感器4中的雙光纖光束準(zhǔn)直器的輸入光纖，由該準(zhǔn)直器變成平行光束，其中波長和振動方向均合適的光經(jīng)過偏振片到達(dá)雙折射晶體后端面上進(jìn)行全反射、再經(jīng)過雙折射晶體和偏振片返回，由雙光纖光束準(zhǔn)直器的輸出光纖輸送到光電檢測器6上，轉(zhuǎn)變成電信號V2。V1和V2電信號經(jīng)差分回路7產(chǎn)生差分信號V2-V1，該差分信號由濾波器8濾波，濾波器的中心頻率為副載波調(diào)制器10的調(diào)制頻率f0，這樣就將DFB的輸出光強(qiáng)度中絕大部分的直流分量濾去，提高了檢測信噪比。該差分信號經(jīng)由放大器9放大后，再由電子開關(guān)11通往所對應(yīng)的DFB及其溫控器12，從而控制激光器內(nèi)的溫度，穩(wěn)定其波長。對于多路鎖定情況，假設(shè)有n路，每個DFB對應(yīng)于一路，則有n個DFB，它們的波長分別為λ1，λ2，…，λn，采用副載波時分復(fù)用的辦法，即它們的調(diào)制頻率均為f0，但電路系統(tǒng)處理時，采用時分復(fù)用技術(shù)，將某一時間間隔(如1秒鐘)分成2n等份，某一等份用于采集一路DFB信號，而下一等份用于區(qū)分下一路DFB的時間間隔，這樣1/n秒對應(yīng)一路，由電子開關(guān)控制，采集n路信號共1秒鐘，下一個1秒鐘又從頭開始(例如8路即為16等份，第一個1/16秒用于采集第一路DFB信號，下一個1/16秒用于區(qū)分下一路DFB的時間間隔，這樣1/8秒對應(yīng)一路，由電子開關(guān)控制，采集8路信號共1秒鐘，下一個1秒鐘又從頭開始)，每一路DFB的輸出激光送入各自的光纖耦合器2中(這時光纖耦合器2共有n個)、由各自的光纖耦合器2分成兩束，再分別輸出到光纖通信線和光纖耦合器3上(這時光纖耦合器3為n×2的光纖耦合器，即有n個輸入端分別對應(yīng)n個DFB，輸出端仍為兩個)，由于采用時分復(fù)用技術(shù)，使得每一特定時段中檢測的激光只是針對一個DFB的，不會產(chǎn)生相互干擾；每個DFB激光器均配置一個相應(yīng)的溫控器。
其波長鎖定作用是通過圖2所示的光路來實現(xiàn)的(此亦圖1虛線框內(nèi)所示的波長傳感器4的光路圖)。圖中，13和14分別為輸入光纖和輸出光纖，15為雙光纖光束準(zhǔn)直器，16為偏振片，17為雙折射晶體。雙折射晶體一般宜選擇雙折射率之差較大的晶體，如Δn≥0.10，其中Δn＝ne-no，ne、no分別為晶體中的非常光(e光)和尋常光(o光)的折射率，這樣可使晶體長度限制在數(shù)毫米到厘米量級，否則晶體過長而無法實用。釩酸釔晶體(YVO4)的Δn為0.20，用于本發(fā)明比較合適。DFB的輸出激光沿輸入光纖13入射，入射光經(jīng)過雙光纖光束準(zhǔn)直器15成為平行光束，再入射到偏振片16上，偏振片的透振方向垂直于入射光束(即由準(zhǔn)直器15出射的平行光束)的光線方向，雙折射晶體17的光軸亦垂直于由準(zhǔn)直器15出射的平行光束的光線方向、并與偏振片的透振方向夾45°角，因此，由準(zhǔn)直器15出射的平行光束中，只有平行于偏振片透振方向的振動光波才能入射到雙折射晶體17上。偏振片的兩個透光端面都鍍有增透膜，其透光中心波長及帶寬可根據(jù)具體通信波段、鎖定信道數(shù)(即波長個數(shù))以及鎖定信道的中心波長來選取，如在1550nm波段，鎖定信道數(shù)在16路以下時，可取透光中心波長為1553.6nm，帶寬≥20nm。雙折射晶體的前端面上鍍增透膜，后端面上鍍?nèi)瓷淠?，其透光和反射的中心波長及帶寬也根據(jù)具體通信波段、鎖定信道數(shù)(即波長個數(shù))以及鎖定信道的中心波長來選取，應(yīng)與偏振片選取的透光中心波長及帶寬一致，如在1550nm波段，鎖定信道數(shù)在16路以下時，其透光和反射的中心波長也取為1553.6nm、帶寬≥20nm。雙折射晶體的形狀可以是長方體、圓柱體或其他形狀，只要有合適的通光口徑即可，兩端面研磨成相互平行的光學(xué)平面(平行度≤5∥)，晶體的光軸亦平行于兩透光端面，晶體的長度d(即兩透光端面之間的間距)為特定值(見下述)。由于晶體的光軸方向與偏振片的透振方向成45°夾角(如圖3所示)，入射到晶體中的光振動分解為平行于光軸振動的e光(其折射率為ne)和垂直于光軸振動的o光(其折射率為no)。o，e兩光通過雙折射晶體經(jīng)后端面反射回到前端面時獲得位相差Φ(Φ與波長有關(guān))。那些對應(yīng)于Φ為2π整數(shù)倍的光的合成振動仍平行于偏振片的透振方向，這樣振動的光、也就是這些波長上的光能順利通過偏振片返回雙光纖光束準(zhǔn)直器、由輸出光纖14輸出，經(jīng)光電檢測器檢測可給出最大的光電信號；而那些Φ為π奇數(shù)倍的光的合成振動則垂直于偏振片的透振方向，這樣振動的光、也就是這些波長上的光將不能通過偏振片，則光電檢測器給出的光電信號為極小值。因此，雙折射晶體的光透射率便隨入射光波長的不同而呈現(xiàn)出從極大值到極小值的周期性變化、形成多透射峰結(jié)構(gòu)，每個透射峰可用于一個信道上DFB波長的鎖定。
雙折射晶體的光透射率可用下式表示T=Cos2(Φ)=Cos2πλΔnl---(1)]]>其中Δn＝ne-no，l為晶體透光總長度，即l＝2d。l可按(2)式選取，l=1[Δn(λ0)(1λ0-1λ0-Δλ)-δ(Δn)δλΔλλ0-Δλ]---(2)]]>其中

為雙折射色散率，δ(Δn)δλ=δne(λ)δλ-δno(λ)δλ]]>，其值可由下面的色散公式求出，n02(λ)=3.77834+0.069736(λ2-0.04724)-0.0108133λ2---(3)]]>ne2(λ)=4.59905+0.110534(λ2-0.04813)-0.0122676λ2---(4)]]>這里波長λ以μm為單位。對于信道間距Δv＝100GHz(即Δλ＝0.8nm)的多信道光通信，中心波長取為λ0＝1553.6nm(如上所述)。代入公式計算，得到Y(jié)VO4晶體透光總長度為l＝7147±1μm(對于Δλ＝0.4nm，也可按上述公式計算，得到Y(jié)VO4晶體透光總長度為l＝14294±1μm)。
這樣，YVO4雙折射晶體的各透射率達(dá)到極大值時的波長可列于下表(表1)

由表可見，波長間距最大差值僅為0.03，它與國際通信聯(lián)盟(ITU)所規(guī)定的8僅相差0.375％，是符合該規(guī)定要求的。不過，YVO4晶體的工作溫度會受環(huán)境溫度的影響而發(fā)生變化，當(dāng)溫度變化1℃時，各透射峰值波長會移動0.34，因此必須對YVO4晶體進(jìn)行溫控，在25℃之內(nèi)其溫度要控制在±0.05℃，這時，晶體透過率峰值處的波長漂移＜0.02，可達(dá)實用要求。為此，可采用半導(dǎo)體致冷器或其他的熱電致冷器進(jìn)行溫度控制。
波長傳感器放置成圖4所示的結(jié)構(gòu)。殼體的蓋板20用螺釘固定在本體21上而形成一個整體，殼體內(nèi)形成空腔，殼體材料可采用導(dǎo)熱性較好的鋁、銅等金屬材料。輸入光纖和輸出光纖與雙光纖光束準(zhǔn)直器的前端相連，雙光纖光束準(zhǔn)直器、偏振片和雙折射晶體三者自前向后依次固定在殼體的空腔內(nèi)；雙光纖光束準(zhǔn)直器與偏振片和雙折射晶體三者之間可以緊貼也可以相互距離0.5mm以下。其溫度傳感器18固定在殼體內(nèi)表面緊靠晶體的位置，最好與晶體直接接觸，用于測量晶體的溫度；致冷器19固定在殼體外、與殼體緊密接觸，并位于接近晶體的地方，用于控制晶體的溫度。波長傳感器工作時，由溫度傳感器感知雙折射晶體的實際溫度，當(dāng)它與設(shè)定的工作溫度(如25℃)有差值時，就產(chǎn)生溫控信號使致冷器工作，從而通過殼體的傳導(dǎo)使晶體的溫度得到控制。
綜上所述，本發(fā)明巧妙地利用雙折射晶體(例如YVO4)的濾波特性、首次將其應(yīng)用于波長傳感器，形成一種全新結(jié)構(gòu)的多波長鎖定器。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、構(gòu)成波長傳感器的雙折射晶體，與現(xiàn)有的F-P標(biāo)準(zhǔn)具相比，其光學(xué)加工和安裝過程容易得多，因而易于批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化，具有更大的商業(yè)前景。
2、F-P標(biāo)準(zhǔn)具構(gòu)成的多波長傳感器是全長度的透射式(即一側(cè)輸入另一側(cè)輸出)，而本發(fā)明的雙折射晶體波長傳感器結(jié)合雙光纖光束準(zhǔn)直器技術(shù)形成半長度的反射式波長傳感器(即同側(cè)輸入且輸出)，可以節(jié)省一個光纖光束準(zhǔn)直器，使結(jié)構(gòu)更簡單緊湊，成本下降。
3、本發(fā)明中采用的雙折射晶體波長傳感器能夠形成多峰透射效果、并精確地滿足信道之間的等間距如0.8nm或0.4nm的要求，利用一個波長傳感器就可同時鎖定多個波長(例如8個、16個或更多個)，使多波長鎖定器更簡單實用。
權(quán)利要求
1.一種多波長鎖定器，由DFB(1)、光纖耦合器(2和3)、波長傳感器(4)、光電檢測器(5和6)、電子學(xué)的差分回路(7)、濾波器(8)、放大器(9)、副載波調(diào)制器(10)以及電子開關(guān)(11)和溫控器(12)所組成，其特征在于波長傳感器由輸入光纖(13)和輸出光纖(14)、雙光纖光束準(zhǔn)直器(15)、偏振片(16)、雙折射晶體(17)、殼體(20、21)以及溫度傳感器(18)和致冷器(19)構(gòu)成輸入光纖和輸出光纖與雙光纖光束準(zhǔn)直器的前端相連；雙光纖光束準(zhǔn)直器、偏振片和雙折射晶體三者自前向后依次固定在殼體的空腔內(nèi)；偏振片的兩個透光端面都鍍有增透膜；雙折射晶體的兩透光端面相互平行，其前端面上鍍增透膜、后端面上鍍?nèi)瓷淠ぃw長度d為特定值，即晶體透光總長度l的一半，而l可按下式選取l=1[Δn(λ0)(1λ0-1λ0-Δλ)-δ(Δn)δλΔλλ0-Δλ]]]>晶體的光軸平行于兩透光端面，偏振片的透振方向與晶體光軸夾45°角，并且偏振片透振方向和晶體光軸都垂直于雙光纖光束準(zhǔn)直器的出射光束的光線方向；溫度傳感器固定在殼體內(nèi)緊靠晶體的位置，致冷器固定在殼體外。
全文摘要
本發(fā)明是一種多波長鎖定器，涉及光纖通信技術(shù)中所使用的波長鎖定器。它由DFB、光纖耦合器、波長傳感器、光電檢測器、電子學(xué)的差分回路、濾波器、放大器、副載波調(diào)制器以及電子開關(guān)和溫控器所組成，其中波長傳感器由輸入光纖和輸出光纖、雙光纖光束準(zhǔn)直器、偏振片、雙折射晶體、殼體以及溫度傳感器和致冷器構(gòu)成。本發(fā)明巧妙地利用雙折射晶體(例如YVO
文檔編號H04J14/02GK1449147SQ0211284
公開日2003年10月15日 申請日期2002年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月3日
發(fā)明者謝建平, 許立新, 明海, 王沛, 趙天鵬, 吳云霞, 呂亮, 王安廷, 黃文財 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)