專利名稱：帶有諧波元件的濾光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及光通信領域，尤其涉及利用光學干涉現(xiàn)象用于有差別地衰減所選擇的光波長以提供如增益平坦化的濾光和色散補償，以及用于其它波長管理目的的裝置和方法。
背景技術：
干涉濾光器依靠相長干涉和相消干涉，提供并成形濾光器響應。重疊相同射束的不同相位移動部分以產生干涉。射束分割一般重疊只在時間上分離的部分(也就是相位延遲)。然而，還可以將射束空間分割成遭受不同相位延遲的橫斷部分，它們必須被重新組合，以產生所需的重疊。
具有時間分離射束部分的干涉濾光器的實例包括介質濾光器、法布里-珀羅標準具、布拉格光柵、長周期光柵、和微光學裝置。這些濾光器中的大部分，尤其是法布里-珀羅標準具和長周期光柵具有有限的響應分布，并必須被串聯(lián)以產生更復雜的響應分布。例如，傳統(tǒng)的曲線擬合技術可以組合簡單的響應分布，如高斯分布，以逼近期望的響應分布，然而，多個濾光器部件很難裝配并會遭受制造和裝配誤差。
共同轉讓的Bhagavatula發(fā)明的美國專利號5,841,583題為“Muliti-pathInterference Filter”的申請中揭示了帶有空間分離射束部分的干涉濾光器的實例。多路濾光器可以支持復雜的響應分布，但是將濾光器性能和期望的響應分布擬合就相當困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對光學干涉濾光器和濾光的方法。它提出了光學干涉濾光器的簡化設計，用于逼近寬范圍的光譜響應。濾光器包括一系列諧波相關元件，可以組合這些元件以產生更復雜的周期光譜響應。諧波相關元件對應于由相位角和光功率區(qū)分的射束分割。
很多期望光譜響應函數(shù)可以由一系列諧波函數(shù)(如傅里葉級數(shù))逼近，這種表示可以直接關聯(lián)到干涉濾光器的物理設計。根據本發(fā)明的實施例，濾光器將光束分割成橫穿不同光程，且之后相互干涉的射束部分。射束的光能根據一系列諧波函數(shù)的相對大小分配在射束部分之間，不同的光程等于諧波函數(shù)的周期。
在本發(fā)明的較佳方面，濾光器具有包括一系列單獨波導的陣列格式，但是時間或空間分割射束的其它格式也可直接與這種諧波級數(shù)相關。例如，期望響應函數(shù)的傅里葉級數(shù)分析可直接轉換成達到傅里葉級數(shù)逼近所需的濾光器陣列的物理特征。傅里葉級數(shù)的系數(shù)直接轉換成波導間光功率的分割，這可以通過調節(jié)射束場中波導的位置或相對大小實現(xiàn)。表示基頻整數(shù)倍數(shù)的傅里葉級數(shù)相位角項直接轉換成波導光程的相對差，這可以通過調節(jié)實際長度或波導的傳播常數(shù)而實現(xiàn)。
在另一實施例中，干涉濾光系統(tǒng)通過射束分割和分配以及之后的可選干涉提供期望的光譜響應。
又一實施例描述了用于改變多波長光束光譜特征的相控陣干涉濾光器，它包括具有多個不同光程光波導的波導陣列、將波導陣列連接到輸入和輸出波導的至少一個光耦合器，其中確定陣列中波導的大小和彼此間的相對位置，以傳送射束中總光功率的不等部分，此外陣列中波導的光程彼此間相差給定光程差的倍數(shù)。
本發(fā)明的另一實施例描述了設計干涉濾光器以逼近期望光譜響應的方法。該實施例的一方面包括用一系列諧波函數(shù)表示期望的光譜響應，將諧波函數(shù)的大小轉換成通過濾光器的光路間的功率分配，并將諧波函數(shù)的周期轉換成光路之間的光程差。


圖1是將傅里葉級數(shù)逼近和期望光譜響應比較的曲線圖；圖2是表示傅里葉級數(shù)逼近中諧波含量的曲線圖；圖3是根據本發(fā)明實施例的平面陣列濾光器的示意圖，它具有可以直接與逼近期望光譜響應的傅里葉級數(shù)中各項相關的物理特征；以及圖4是根據本發(fā)明另一實施例的同軸濾光器的示意圖，它類似地與傅里葉級數(shù)逼近相關。
較佳實施例的詳細描述圖1顯示了期望光譜響應曲線10。傅里葉級數(shù)的曲線12逼近該曲線，傅里葉級數(shù)為以下形式F(λ)=α0+Σk=1∞αkexp[jkωλ]]]>其中“F(λ)”是波長“λ”區(qū)域上射束功率衰減的函數(shù)，“a0和ak”是傅里葉展開系數(shù)，“j”是虛數(shù)“ ”，“k”是區(qū)別級數(shù)項的整數(shù)，“ω”等于表達式2π/T，“T”是函數(shù)的總周期。曲線12覆蓋一個完整周期。
圖2顯示了一系列曲線14a-14f，它們表示圖1中傅里葉級數(shù)逼近12的諧波含量。每個級數(shù)項提供一個被畫成獨立曲線14a-14f的諧波函數(shù)，組合這些曲線以產生級數(shù)逼近12。本領域熟練的技術人員知道這種傅里葉級數(shù)的曲線擬合可能性，并能夠容易地用它們去擬合許多適當?shù)钠渌庾V響應曲線(例如滿足狄利克雷條件的曲線)。
我已經發(fā)現(xiàn)這種光譜響應曲線的傅里葉級數(shù)表示法和干涉濾光器的物理屬性之間的明顯對應。參考圖3，其中新穎的平面濾光器陣列20能夠容易地示范該對應。濾光器陣列20相對于部件26和28之間的垂直線(未圖示)對稱，并包括輸入波導22、輸出波導24、和兩個端對端光耦合器26和28，這兩個光耦合器將輸入和輸出波導22和24連接到陣列波導30的相對端。陣列波導30的相位調節(jié)區(qū)域32和36補償耦合器26和28引起的陣列波導30之間任何無意的相位移動，陣列波導30的相位移動區(qū)域34根據光程差的預定倍數(shù)提供波導30之間有意的相位移動。這種濾光器20的制造類似于用于多路復用和多路分解的傳統(tǒng)相控陣。
濾光器陣列20的輸出場“Fout”可以用四個矩陣“M1、M2、M3、M4”的乘積表示。矩陣“M1”表示輸入場，矩陣“M2”表示耦合器26和第一相位調節(jié)區(qū)域32的輸出場，矩陣“M3”表示相位移動區(qū)域34和第二相位調節(jié)區(qū)域36的輸出場，矩陣“M4”表示耦合器28的輸出場。這些矩陣的表示如下M1=10000]]>M2=0jα0jα1jα2jαnjα0jαn0]]>M3=0exp[jΦ0]000exp[jΦ1]exp[jΦ2]exp[jΦn]]]>其中“Φm”等于表達式“0+mjβΔz”；并且M4＝M2Fout＝M1×M2×M3×M4該矩陣乘法中只有第一元素是非零的。展開表達式為Fout＝-α0exp[j0]-α1exp[j0+jββΔz]-α2exp[j0+2jβΔz]...-αnexp[j0+njβΔz]將“0”項設置為零，它對應于越過陣列30中所有波導的任意相位移動，表達式“Fout”可以改寫為Fout=α0+Σm=1nαmexp[mjβΔz]]]>“Fout”的簡化表達式明顯符合傅里葉級數(shù)表達式的形式，如以上的光譜響應函數(shù)“F(λ)”。替換系數(shù)“a0和ak”的傅里葉展開系數(shù)“α0和αm”對應于陣列波導30中每一個傳送的光功率的歸一化量，陣列波導30被標號從“m＝0”到“m＝n”。將矩陣的大小設置為等于整數(shù)“n”，它也對應于陣列波導30的總數(shù)。替換整數(shù)“k”的整數(shù)“m”區(qū)別級數(shù)項以及陣列波導30。雖然圖3中表示了有限個數(shù)“n”的陣列波導30，但是最好在縱向軸39的相對側上提供陣列波導30的對稱分配，或多或少的波導“n”都可用于逼近適當?shù)钠谕麨V光器函數(shù)。
表達式“βΔz”替換表達式“ωλ”?！唉隆睂陉嚵胁▽?0的傳播常數(shù)，“Δz”對應于陣列30中鄰近波導之間實際長度的增量差。合起來的表達式“βΔz”表示波導之間光路距離的變化。
假設射束場具有可變的強度分布，通過調節(jié)對應于傳輸射束場百分比的每個波導開口尺寸“Sm”，或通過調節(jié)射束場中每個波導的位置，可以控制展開系數(shù)“α0-αn”給出的每個波導的歸一化功率。最好通過調節(jié)陣列波導之間的實際長度差“Δz”，完成光路距離的變化“βΔz”。然而，傳播常數(shù)“β”也可以變化，以產生類似的結果，如通過增加波導波導寬度“Wm”或它們的折射率。
除了如圖3所示在平面陣列中配置新穎濾光器的諧波元件之外，如圖4所示，形成的類似性能的濾光器可以帶有配置在同軸濾光器陣列40中的相應諧波元件。錐形的輸入和輸出耦合器42和44將同軸波導環(huán)46陣列連接到單模光纖48和50的末端。波導環(huán)46的個數(shù)、每個環(huán)“α0-αn”中的歸一化功率，和環(huán)之間的光程變化“βΔz”都用傅里葉級數(shù)“Fout”表示，級數(shù)中各項等于逼近同軸濾光器陣列40中期望光譜響應的傅里葉級數(shù)“F(λ)”。
很多其它的干涉濾光器設計都可從本發(fā)明中受益，不論濾光信號是沿光路空間分離的還是時間分離的，其中通過增加的光程差區(qū)別各光路。然而，濾光器必須允許對不同光路間功率分配的控制，以滿足傅里葉展開系數(shù)。Bhagavatula發(fā)明的美國專利號5,841,583中揭示了這種濾光器的好幾個實例，其內容通過引用結合于此。所包括的實例中平行束的不同部分被光程調節(jié)器中斷(例如軸向偏移反射器或具有不同折射率的分隔器)。調節(jié)器的相對尺寸和定位可以被調節(jié)，以控制不同射束部分間的功率分配。另一實例包括局部反射表面的層疊。層的寬度和折射率差可以被調節(jié)，以控制各層間的光程變化和每層反射功率的相對量。
這些濾光器的相位延遲特征還使它們可用于執(zhí)行色散補償?？梢詾榱松⒀a償而確定期望光譜響應(也就是傳遞函數(shù))。1992年3月1日在OpticsLetters中Vol.17，No.5發(fā)表的，Takeshi Ozeki題為“Optical equalizers”的論文中給出了一個實例，通過引用結合于此。傅里葉級數(shù)逼近可以由建議的傳遞函數(shù)組成，并且如上所述和濾光器的物理特征關聯(lián)。
雖然為了說明詳細描述了本發(fā)明，但是應該理解這種細節(jié)只是為了該目的，本領域熟練的技術人員不脫離以下權利要求書所界定本發(fā)明的精神和范圍可以進行各種變化。
權利要求
1.用于相對衰減光束中被選光譜部分的傅里葉級數(shù)濾光器，其特征在于，它包括光學輸入端和輸出端，它們通過多個光路連接，這些光路根據表示期望光譜響應的傅里葉級數(shù)配置；所述光路被配置成用于根據傅里葉級數(shù)的系數(shù)傳送射束功率的不同部分；和所述光路根據傅里葉級數(shù)的諧波相關分量具有不同光程，以產生逼近期望光譜響應的光譜響應。
2.如權利要求1所述的濾光器，其特征在于，期望光譜響應可以被表示為以下形式的傅里葉級數(shù)Fout=α0+Σm=1nαmexp[mjβΔz]]]>其中“Fout”是濾光器的光譜響應，“α0和αm”是對應于每個標號為“m”的光路功率相對量的傅里葉系數(shù)，j是虛數(shù)，“βΔz”是光路間光程的增量差。
3.如權利要求2所述的濾光器，其特征在于，“β”是傳播常數(shù)，“Δz”是光路中實際長度的增量差。
4.如權利要求1所述的濾光器，其特征在于，所述光路彼此橫向分離。
5.一種干涉濾光系統(tǒng)，其特征在于，它將光束分割成橫穿不同光程并彼此干涉以逼近期望光譜響應的射束部分，其中(a)根據一系列諧波函數(shù)的相對大小分配射束部分之間的射束光能，這些諧波函數(shù)可以組合以逼近期望光譜響應，(b)不同的光程等于諧波函數(shù)的周期。
6.一種用于改變多波長光束光譜特征的相控陣干涉濾光器，其特征在于，它包括波導陣列，包括多個具有不同光程的光波導；至少一個光耦合器，用于將波導陣列連接到輸入和輸出波導；確定陣列中波導的大小和彼此間的相對位置，以傳送射束中總光功率的不等部分；和陣列中波導的光程彼此間相差給定光程差的倍數(shù)。
7.如權利要求6所述的濾光器，其特征在于，波導陣列在平面波導中形成。
8.如權利要求6所述的濾光器，其特征在于，波導陣列在同軸光纖中形成。
9.如權利要求6所述的濾光器，其特征在于，波導傳送對應于傅里葉級數(shù)之系數(shù)的光功率部分，另外逼近濾光器的期望光譜響應。
10.如權利要求9所述的濾光器，其特征在于，給定的光程差對應于傅里葉級數(shù)的諧波發(fā)量。
全文摘要
將干涉濾光器設計成帶有諧波元件,該諧波元件可以與期望濾光器響應的傅里葉級數(shù)逼近關聯(lián)?？梢詫⒅C波元件做成以各種形式配置的陣列中的獨立波導,所述形式包括平面或同心的幾何圖形。傅里葉級數(shù)的展開系數(shù)對應于波導間的歸一化功率分配,級數(shù)的諧波分量對應于波導間光程的增量差。
文檔編號G02B6/34GK1365452SQ00810898
公開日2002年8月21日 申請日期2000年6月2日 優(yōu)先權日1999年7月28日
發(fā)明者D·A·諾蘭 申請人:康寧股份有限公司