專利名稱：基于邁克爾遜干涉儀的延遲線干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電信中的差分相移鍵控(DPSK)，更具體地，涉及DPSK 中的用于將相位鍵控信號轉(zhuǎn)換成強度鍵控信號的方法。
背景技術(shù)：
相移鍵控(PSK)是一種通過改變或調(diào)制基準信號(載波)的相位來 傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字調(diào)制方案。任何數(shù)字調(diào)制方案使用有P艮數(shù)目的不同信號來 表示數(shù)字數(shù)據(jù)。在PSK的情況下，使用有P艮數(shù)目的相位。這些相位中的 每一個被分配唯一的二進制比特模式。通常，每個相位對相等數(shù)目的比特 進行編碼。每個比特模式形成由該特定相位表示的符號。專為調(diào)制器所使 用的符號集設(shè)計的解調(diào)器確定接收信號的相位并將該相位映射回其表示 的符號，從而恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這要求接收器能夠比較基準信號與接收信號 的相位—這樣的系統(tǒng)稱為相干。可替選地，代^^吏用比特模式來設(shè)定波的相位，其可用來將波的相位 改變指定的量。解調(diào)器于是確定接收信號的相位改變而不是相位本身。由 于此方案依賴于連續(xù)相位的差，所以其稱為差分相移鍵控(DPSK)。由 于不需要解調(diào)器擁有基準信號的拷貝來確定接收信號的準確相位(其為非 相干方案)，所以DPSK可比普通PSK顯著地更易于實施。在電信技術(shù)中，差分相移鍵控(DPSK)需要一種解碼方法以便在接 收端將相位鍵控信號轉(zhuǎn)換成強度鍵控信號。該解碼方法可通過比較兩個連 續(xù)比特的相位來實現(xiàn)。原理上，該解碼方法將輸入信號束分裂到具有小的
延遲的兩個通道中，之后將它們重組合。在重組合之后，來自兩個通道的^目長干涉或相消干涉。干涉強座jl有規(guī)則的(measured),并且成為強 度鍵控信號。為此， 一個通道的光程比另一通道的光程長與一比特的光子 飛行時間等價的距離。例如，在每秒40G比特的系統(tǒng)中， 一比特等于25ps， 并且光在該時段內(nèi)行進7.5mm。在此實例中，兩個通道的光程差(OPD ) 是7.5mm。當前，在兩個通道之間具有所需OPD的馬赫-曾德(Mach-Zehnder) 型干涉儀被用于解碼的目的。由于光干涉的特性，OPD的改變可大大地 影響干涉強度。而且，每個臂中的光程比它的差長得多。因此，需要復(fù)雜 的溫度控制來維持每個臂中的光程，以便確保OPD的改變比一個波長的 幾分之一例如 10nm小得多。這是困難且昂貴的，特別是對于具有長光 程的干涉儀。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供一種確定接收信號的相位的改變(即連續(xù)相 位之間的差)的DPSK解調(diào)器。本發(fā)明的另一目的是使用作為確定接收信號相位改變的DPSK解調(diào) 器的新穎邁克爾遜型干涉儀的各種公開實施例?；谶@里的公開，這些和其他目標將是顯而易見的。本發(fā)明是用作確定接收信號相位改變的DPSK解調(diào)器的新穎邁克爾 遜型干涉儀的各種實施例。在該調(diào)制器中，輸入M分束器處被分裂成兩 部分。這兩個束行進不同的路徑并被它們對應(yīng)的反射器返回。因為OPL 是不同的，所以兩個返回的A^目對于彼此具有時間延遲。兩個OPL的差 被設(shè)計成確保該延遲近似等于任何兩個連續(xù)比特或數(shù)據(jù)符號的時間延遲。本發(fā)明的一個普通實施例是邁克爾遜型干涉儀，其包括用于在分裂 位置將輸入光束分裂成第一束和第二束的裝置；以及用于在重組合位置將 第 一束與第二束重組合的裝置。該干涉儀被設(shè)計成4吏得第 一束將行進從分 裂位置到重組合位置的第一光程長度(OPL)，而第二束將行iWc分裂位 置到重組合位置的第二 OPL,并且使得當以包括時間間隔的數(shù)據(jù)速率來 調(diào)制輸入光束時，第一 OPL與第二 OPL的光程長度差約等于時間間隔乘 以光速。在該干涉儀的特定實施例中，用于重組合的裝置可包M定位成反射
第一束的第一反射器，且用于重組合的裝置可進一步包括被定位成^^射第 二束的第二反射器。在此實施例中，反射器中的一個與分裂位置分開一個距離，該距離足以使得第一 OPL與第二 OPL的光程長度差約等于時間間 隔乘以光速。反射器的分開可利用至少一個可具有低或高的熱膨脹系數(shù) (CTE)的間隔物來實現(xiàn)。在另一實施例中，被分開的及^射器被固定地附 著到用于調(diào)節(jié)距離的裝置。本發(fā)明還考慮了使用這里描述的干涉儀的不同實施例的方法。該方法 的一個普通實施例包括以下步驟提供以包括時間間隔的數(shù)據(jù)速率調(diào)制的 輸入光束；在分裂位置將所述輸入光束分裂成第一束和第二束；并在重組 合位置將所述第 一束與所述第二束重組合，其中所述第 一束行悉W所述分 裂位置到所述重組合位置的第一光程長度(OPL)，其中所述第二束行進 從所述分裂位置到所述重組合位置的第二 OPL,其中所述第一 OPL與所 述第二 OPL的光程長度差約等于所述時間間隔乘以光速。


合并入本公開并構(gòu)成本/〉開的一部分的附示了本發(fā)明的實施例， 并且連同說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。圖1圖示了基于邁克爾遜的延遲線干涉儀。圖2示出了高速熱調(diào)諧DLI。圖3示出了壓電調(diào)諧的可調(diào)諧DLI。圖4示出了包括插入光程中的熱調(diào)諧相位調(diào)制器的基于邁克爾遜的 延遲線干涉儀。圖5示出了單間隔物的基于邁克爾遜的延遲線干涉儀。圖6示出了在特定距離處定位有兩個檢測器的現(xiàn)有技術(shù)邁克爾遜干 涉儀。圖7圖示了使用零熱膨脹材料作為間隔物來使OPD的改變最小化。圖8示出了在兩個光程中都有第二表面反射鏡的基于邁克爾遜的延 遲線干涉儀。圖9示出了在兩個光程中都有第二表面反射鏡并且在一個臂中的楔 形光學(xué)元件上有抗反射涂層的基于邁克爾遜的延遲線干涉儀。圖10示出了具有延伸的上臂的分束器。
具體實施方式
本發(fā)明的一個實施例在圖1中示出，圖1示出了由具有分束涂層12 的分束器10構(gòu)成的基于邁克爾遜的延遲線干涉儀(DLI )。光學(xué)玻璃元件 14被附著到分束器的右手側(cè)。元件14可以例如用本領(lǐng)域公知的折射率匹 配粘合劑來附著。具有長度L并且由低熱膨脹系數(shù)的材料制成的間隔物 16和17被附著到光學(xué)元件14的右手側(cè)。間隔物的右手側(cè)是襯底20上的 反射鏡涂層18。第二光學(xué)玻璃元件22被附著到分束器10的頂部。反射 鏡(反射式)涂層24位于元件22的第二表面上。當元件14和22具有相 同的材料和厚度時，反射鏡涂層18與反射鏡涂層24的往返光程長度差 (OPD )是L的2倍，其中L是間隔物16的長度。輸入信號26照射在 分束器的左手側(cè)。分束涂層12將光分裂成兩個束，且每個束承載總功率 的約50%。在每個束被其對應(yīng)的反射4^射之后，每個束以其相應(yīng)的返 回路徑射到分束器上，并因此兩個束分裂成四個束。在向左和向下的束中 都發(fā)生干涉以形成DLI的兩個輸出束。自由光鐠范圍(FSR)與OPD之 間的關(guān)系是其中C是光速。為了使DLI光鐠不隨溫度改變，用于間隔物的材料的CTE 必須是非常小的。可以使用例如Zerodur或ULE的材料。這兩種材料都 具有約為0.05ppm的CTE?？蓞⒖紙D1理解的第二實施例是熱可調(diào)諧DLI。為了使DLI的光語 可調(diào)諧，用于間隔物16和17的材料應(yīng)該具有適當高的CTE，以4吏得當 溫度改變時，OPD將增大或減小。結(jié)果DLI的光i普相應(yīng)地移動。DLI的 溫度可以用熱電冷卻器(TEC)或用加熱器來調(diào)節(jié)。圖2示出了另一類型的熱調(diào)諧DLI。在此情形下，具有及Jt鏡涂層 29的反射鏡襯底28 (在反射鏡涂層29和激勵器之間)被安裝在熱激勵器 30上。熱激勵器是具有適當CTE的材料。使用TEC 32來向激勵器提供 熱量或者從激勵器去除熱量以調(diào)節(jié)溫度。如圖2所示，TEC的左手側(cè)連 接到激勵器，而其右手側(cè)與熱沉34接觸。當激勵器的溫度升高時，熱膨 脹將反射鏡移動到左手側(cè)。對于給定的溫度改變，為了使移動最大化，激 勵器的CTE必須是大的。而且，此器件的響應(yīng)時間由熱量傳播穿過激勵 器所需的時間來確定。因此，為了使響應(yīng)時間最小化，推薦高熱導(dǎo)率的材 料，例如鋁或銅?？梢允褂蒙厦嬗蟹瓷溏R涂層的氮化鋁來代替反射鏡襯底28和激勵器30的組合功能，這是因為其具有高熱導(dǎo)率、低CTE和優(yōu)良 的表面質(zhì)量。與其中整塊玻璃必須被加熱或冷卻以對光鐠調(diào)諧的圖1的可調(diào)諧實 施例相比，圖2的DLI具有高得多的調(diào)諧速度和低功耗。圖3示出了壓電調(diào)諧DLI。右反射鏡安裝到壓電激勵器40。當電壓 施加到激勵器上時，激勵器的長度才艮據(jù)所施加電壓的量值而變化。該器件 的頻率響應(yīng)可容易地高于1 KHz。這種方法的優(yōu)點在于它的高速度和低功 耗。圖4示出了結(jié)構(gòu)類似于圖1所示器件的DLI。在此情形下，光程中插 入有熱調(diào)諧相位調(diào)制器50，且該相位調(diào)制器的溫度可以由TEC或者由熱 量來調(diào)節(jié)，這未在圖中示出。此器件的間隔物是低CTE材料。僅有的熱 敏部分是插入光程中的相位調(diào)制窗口。窗口材料應(yīng)該是光透明的，且g 因子是溫度的函數(shù)。假定相位調(diào)制器的折射率和厚度分別是n和LQ，那么單程光程長度是<formula>formula see original document page 9</formula>其中<formula>formula see original document page 9</formula>其中a是相位調(diào)制器的熱膨脹系數(shù)。在該偏差中，已假設(shè)間隔物材料具有 零熱膨脹，即dL/dT=0。 g因子是一種材料特性。對于熔融石英玻璃和硅， g因子分別為約10ppm/。C和200卯m/lC。如果該材料A^度為100nm的 硅，則隨著溫度改變l度，可以將OPL改變20nm。與圖1的可調(diào)諧實施例相比，圖4的實施例具有較低的功耗和較高的 調(diào)諧速度。TEC/熱量僅被施加到薄片相位調(diào)制窗口 50，而不是整個間隔 物。圖5示出了單間隔物(17)的基于邁克爾遜的延遲線干涉儀。當如美 國專利No.6,816，315 (通過引用將其結(jié)合于此)所教導(dǎo)的那樣配置時，相 位調(diào)制窗口可用來提供可調(diào)諧性。邁克爾遜DLI的取決于偏振的特性由分束器涂層確定。為了使PDF (取決于偏振的頻率移動)最小化，分束器上的涂層應(yīng)該具有最小化的取 決于偏振的相位(PDP)。為此，該涂層必須是對稱的。參見通過引用結(jié) 合于此的美國專利No.6，587,204和通過引用結(jié)合于此的序列號為 10/796,512的美國專利申請。眾所周知，邁克爾遜干涉儀包括一個分束器50和兩個^Jt鏡52和 54，如圖6所示。當光56v^目干光源(如激光器)提供時，干涉強度可 描述為I=A+Bcos(4ttLWC)其中C是光速，d是光源的光頻率，A和B是由兩個反射鏡和分束器確 定的兩個常數(shù)，且L等于兩個臂之間的OPD的一半。對于給定的t)，干涉強度是L的函數(shù)。挑戰(zhàn)是在-5t;到7or;的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)固地(即小于 一個波長的幾分之一)保持兩個反射鏡。被兩個反射^1^射的兩個束在分束器處相長干涉或相消干涉，并形成圖6中的兩個輸出束57和59。這兩 個輸出束的干涉強度是互補的。還應(yīng)該注意到，從分束器涂層到對應(yīng)的檢 測器(51和53)的飛行的時間是重要的。它們的時間差應(yīng)該比一比特的 持續(xù)時間小得多。為了在QDPSK實施例中使用，本發(fā)明衫Li殳計成標識0、 卯、180和270度的相位改變。為了減小可能由玻璃材料所引起的熱和色散問題，兩個臂應(yīng)該具有相 同長度的玻璃，因此它們的OPD主要來自空氣路程的差。此OPD等于 與所需時間延遲等價的距離。在密封條件下，空氣路程的長度受所使用間 隔物的影響。(可通過在密封室內(nèi)提供氣體并提供例如真空/壓力泵的;M^ 來改變該室內(nèi)的壓力來提供可調(diào)諧性。)如圖7所示，使用零熱膨JI^料 如Zerodur或ULE作為間隔物60可以最小化或減小OPD的改變。因為 兩個束經(jīng)歷相同的玻璃路程長度，所以在零膨脹間隔物的幫助下，此設(shè)計 是無熱的(athermal)。可以從此設(shè)計中得到許多變化。例如，通過將間 隔物對從一個臂移除，可以實現(xiàn)相同的功能。前面參考圖1討論了此設(shè)計。 圖8示出的實施例類似于圖1，但不同之處在于右臂中的>^射鏡80位于 光學(xué)元件82的背表面上。圖9類似于圖8，但不同之處在于圖9在楔形
光學(xué)元件94和96上分別包括抗>^射涂層卯和92。楔和抗>^射涂層防止 來自那些表面的反射。在圖9中，右臂具有在其上有抗反射涂層的楔形光 學(xué)元件。注意，上臂可以用相同的抗反射楔來構(gòu)造。圖10提供具有延伸 的上臂和反射鏡涂層102的分束器100。此實施例的右臂與圖9中的右臂 相同。本發(fā)明的前面的描述為了說明和描述的目的而祐^提供，并且并非旨在 是窮舉性的或者將本發(fā)明局限于所公開的精確形式。根據(jù)上面的教導(dǎo)，可 以進行許多修改和變化。例如，為了在QDPSK實施例中使用，本發(fā)明可 以被i殳計成標識0、卯、180和270度的相位改變。所7>開的實施例僅為 了解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠以 各種實施例和利用適合于所考慮的特定用途的各種修改來最佳地4吏用本 發(fā)明。本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種干涉儀，包括用于在分裂位置將輸入光束分裂成第一束和第二束的裝置；以及用于在重組合位置將所述第一束與所述第二束重組合的裝置，其中所述第一束將行進從所述分裂位置到所述重組合位置的第一光程長度(OPL)，其中所述第二束將行進從所述分裂位置到所述重組合位置的第二OPL，其中當所述輸入光束承載在兩個相鄰數(shù)據(jù)符號之間有固定時間間隔的相位調(diào)制數(shù)據(jù)時，所述第一OPL與所述第二OPL的光程長度差約等于所述時間間隔乘以光速。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中用于重組合的所述裝置包括 被定位成反射所述第一束的第一>^射器，其中用于重組合的所述裝置進一 步包括被定位成反射所述第二束的第二反射器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的干涉儀，其中所述第一反射器和所述第二 反射器中的一個與所述分裂位置分開一個距離，該距離足以使得所述第一 OPL與所述第二 OPL的光程長度差約等于所述時間間隔乘以光速。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的干涉儀，其中利用至少一個間隔物將所述 第一^Jt器和所述第二^Jt器中的一個與所述分裂位置分開一個距離，該 距離足以使得所述第一 OPL與所述第二 OPL的光程長度差約等于所述時 間間隔乘以光速。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的干涉儀，其中所述至少一個間隔物包括具 有低熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的干涉儀，其中所述至少一個間隔物包括具 有高熱膨脹系數(shù)的材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的干涉儀，其中所述第一反射器和所述第二 反射器中的一個是被分開的反射器，所述被分開的>^射器與所述分裂位置 分開一個距離，該距離足以使得所述第一 OPL與所述第二 OPL的光程長 度差約等于所述時間間隔乘以光速，其中所述被分開的反射器固定地附著 到用于調(diào)節(jié)所^J巨離的裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的干涉儀，其中用于調(diào)節(jié)所i^巨離的所述裝 置包括熱激勵器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的干涉儀，其中所述熱激勵器固定地連接到 熱電冷卻器或加熱器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的干涉儀，其中用于調(diào)節(jié)所^J巨離的所述裝 置包括壓電激勵器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的干涉儀，進一步包括用于調(diào)節(jié)所述第一 OPL或所述第二 OPL的光程長度的熱可調(diào)諧相位調(diào)制器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的干涉儀，其中所述第一反射器包括反射性 涂層，其中所述第二反射器包括反射性涂層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的干涉儀，其中所述材料選擇自包括Zerodur 和ULE的纟且。
14. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的干涉儀，其中所述材料具有約0.05ppm 的CTE。
15. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的干涉儀，進一步包括用于調(diào)節(jié)所述材料的 溫度的裝置。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的干涉儀，其中用于調(diào)節(jié)溫度的所述裝置 選捧自包括熱電冷卻器和加熱器的組。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中用于分裂的所述裝置包括非 偏振分束器(NPB )。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中用于分裂的所述裝置和用于 重組合的所述裝置包括一個分束器。
19. 一種方法，包括提供以包括時間間隔的數(shù)據(jù)速率調(diào)制的輸入光束；在分裂位置將所述 輸入光束分裂成第一束和第二束；并且在重組合位置將所述第 一束與所述第二束重組合，其中所述第 一束將 行ii^所述分裂位置到所述重組合位置的第一光程長度(OPL),其中所 述第二束將行進從所述分裂位置到所述重組合位置的第二 OPL,其中當數(shù)據(jù)時，所述第一 OPL與所述第二 OPL的光程長度差約等于所述時間間 隔乘以光速。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述重組合步驟利用被定位 成反射所述第一束的第一反射器來執(zhí)行，其中所述重組合步驟進一步利用 被定位成>^射所述第二束的第二反射器來執(zhí)行。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第一反射器和所述第二 >^射器中的一個與所述分裂位置分開一個距離，該距離足以使得所述第一 OPL與所述第二 OPL的光程長度差約等于所述時間間隔乘以光速。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中利用至少一個間隔物將所述 第一反射器和所述第二>^射器中的一個與所述分裂位置分開一個距離，該 距離足以使得所述第一 OPL與所述第二 OPL的光程長度差約等于所述時 間間隔乘以;5tit。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第一反射器和所述第二 >^射器中的一個是被分開的反射器，所述被分開的>^射器與所述分裂位置 分開一個距離，該距離足以使得所述第一 OPL與所述第二 OPL的光程長 度差約等于所述時間間隔乘以itil，其中所述被分開的反射器固定地附著 到用于調(diào)節(jié)所^巨離的裝置。
全文摘要
一種干涉儀，包括用于在分裂位置將輸入光束分裂成第一束和第二束的裝置；以及用于在重組合位置將第一束與第二束重組合的裝置。該干涉儀被設(shè)計成使得第一束將行進從分裂位置到重組合位置的第一光程長度(OPL)，而第二束將行進從分裂位置到重組合位置的第二OPL，并且使得當以包括時間間隔的數(shù)據(jù)速率來調(diào)制輸入光束時，第一OPL與第二OPL的光程長度差約等于時間間隔乘以光速。
文檔編號G01B9/02GK101166946SQ200680009541
公開日2008年4月23日 申請日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者奇亞宇·艾, 希赫-亨·奇恩, 揚-希赫·西埃赫, 胡國江, 達爾元·松 申請人:奧托萊克斯公司