專利名稱：由二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器構(gòu)成的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧光分插復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器，可用作光通信中的可調(diào)諧濾波器使用及光分插復(fù)用器中的核心器件。
背景技術(shù)：
通信用聲光可調(diào)諧濾波器是近十多年來發(fā)展起來的一種新型器件，具有衍射效率較高、驅(qū)動(dòng)功率較小、調(diào)諧范圍大、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)和可并行處理的特點(diǎn)。聲光可調(diào)諧濾波器由一定切向的鈮酸鋰薄片或二氧化碲晶體通過機(jī)械切割的方式加工而成。
以往可用作光分插復(fù)用器的聲光可調(diào)諧濾波器，所采用的基本結(jié)構(gòu)分為集成器件和二氧化碲體器件。對于集成型器件，它是在X切鈮酸鋰基底上由叉指換能器、光波導(dǎo)、聲波導(dǎo)和兩個(gè)偏振分束器構(gòu)成。輸入光被第一個(gè)偏振分束器分成兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)——TE模和TM模，以使器件工作不受光網(wǎng)絡(luò)中偏振變化的影響，即實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)濾波。叉指換能器將施加的交變電壓，通過逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生沿Y軸傳播的聲表面波。沿聲波導(dǎo)傳播的聲波對光波導(dǎo)中的折射率進(jìn)行周期性調(diào)制，在相位匹配的條件下，兩個(gè)光波導(dǎo)中的不同偏振模式發(fā)生相互轉(zhuǎn)換TE模轉(zhuǎn)換為TM模；TM模轉(zhuǎn)換為TE模。換能器上的驅(qū)動(dòng)電壓頻率不同，調(diào)制的周期性不同，相位匹配條件不同，實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的光波長不同。第二個(gè)偏振分束器(復(fù)合器)將與聲頻率對應(yīng)的光波長下路，實(shí)現(xiàn)波長的動(dòng)態(tài)選擇。具體結(jié)構(gòu)如附圖9所示。二氧化碲體器件的工作機(jī)制相當(dāng)于模式變換器兼濾波器，它可實(shí)現(xiàn)o光和e光的變換，其可調(diào)諧濾波原理與集成型器件相似。但它的主要性能要受到光入射角的限制，并且器件的設(shè)計(jì)要滿足非同向聲光可調(diào)諧濾波器的切面平行動(dòng)量匹配原則，因此增加了原理的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)的靈活性。
集成型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，有較好的穩(wěn)定性，所需驅(qū)動(dòng)功率較低。但是它也有制作工藝復(fù)雜、單階器件線寬不高(一般大于1nm)和旁瓣較高(十幾個(gè)dB)的問題，而后兩者將會(huì)使信號在0.8nm的信道間隔中產(chǎn)生串?dāng)_。聲光可調(diào)諧濾波器產(chǎn)生旁瓣的原因，是由于聲波作用后模式轉(zhuǎn)換效率為sinc2函數(shù)所致。為了抑制旁瓣，目前采用的方法主要有下面三種①結(jié)構(gòu)的改變；如2001年俄國A.TSAREV改變了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如附圖10所示。他利用多個(gè)微反射鏡擴(kuò)展光束，使工作的光傳輸區(qū)域與聲光互作用區(qū)域分離，得到了無旁瓣、線寬為0.1nm的器件，但是該結(jié)構(gòu)光損耗較大且工藝復(fù)雜。②對波導(dǎo)進(jìn)行切趾加權(quán)；這是90年代美國和目前國內(nèi)研究較多的降低旁瓣的方法。其中以1994年美國A.K-Roy通過相鄰波導(dǎo)變隙，利用理想漢明函數(shù)進(jìn)行加權(quán)的效果較好，旁瓣抑制達(dá)到-44.7dB(設(shè)計(jì)值)，但器件線寬較大，約3nm。實(shí)際上，該方法很難平衡線寬和旁瓣這對矛盾。③采用多個(gè)濾波器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。該方法對降低器件線寬有較好的效果，并且不會(huì)增加旁瓣。但是無疑會(huì)增加器件的驅(qū)動(dòng)功率。
最初二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器是用于光譜檢測領(lǐng)域(濾光器)。雖然也是非同向聲光互作用，但其光入射角大多較小。并且它所側(cè)重的主要性能與通信用器件略有不同，如光譜分辨率，對于后者的要求一般比對前者的高；而對于測量范圍，則是前者常大于后者。
上世紀(jì)90年代開始研究可用于光通信的準(zhǔn)共線型二氧化碲器件，其結(jié)構(gòu)如附圖11所示。該器件的特點(diǎn)是通過設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，使其光束方向與聲能方向一致，這可以使器件具有較小的驅(qū)動(dòng)功率。它工作在[110]與
晶向組成的晶面內(nèi)，其工作機(jī)制為由換能器產(chǎn)生的聲能，經(jīng)光出射面反射后，聲能方向會(huì)與入射光方向共線，之后由吸聲體吸收。1999年C.D.Tran等人利用該結(jié)構(gòu)器件，將調(diào)諧范圍做到600nm(1.3～1.9μm)，這比集成器件要大得多。更重要的是，它獲得的衍射光幾乎沒有旁瓣(小到可以忽略)。但對1.55μm中心波長，考慮準(zhǔn)共線聲和光入射角(101.2°，23.4°)，若取互作用長度為1cm且以e光為入射光，有Δλ≈9.8nm。C.D.Tran所作器件的線寬約為2nm，即其互作用長度應(yīng)約為5cm。若想在1.4-1.6μm的整個(gè)通頻帶內(nèi)達(dá)到光通信用器件0.4nm的線寬要求，互作用長度需要至少有26cm。準(zhǔn)共線型二氧化碲器件要用于光通信領(lǐng)域，其器件體積會(huì)過大。
本發(fā)明的目的在于利用大角度非同向聲光互作用得到衍射效率較高、調(diào)諧范圍較大、線寬和驅(qū)動(dòng)功率較小并且有良好偏振保持的、滿足波分復(fù)用系統(tǒng)中光插分復(fù)用器件性能要求的二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器。該器件將彌補(bǔ)集成器件的線寬較高的缺陷，以及解決準(zhǔn)共線型二氧化碲器件體積過大的問題。從比較和優(yōu)化的結(jié)果可知，光入射角在60°-75°范圍內(nèi)可以達(dá)到較理想的綜合效果。器件結(jié)構(gòu)見附圖1，其中入射面與晶體[110]方向的夾角為72°，入射光垂直于該面入射。

發(fā)明內(nèi)容
二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器的光束和聲束是以大角度入射制成的，入射角度為60°～75°?；プ饔瞄L度大于4.5cm，濾波器獲得小于0.4nm的線寬。光分插復(fù)用器是由一個(gè)偏振分束器、兩個(gè)結(jié)構(gòu)且性能相同的二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器、兩個(gè)3dB耦合器和偏振變換器以及光纖組成。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的首先，根據(jù)反常聲光互作用理論和非同向聲光可調(diào)諧濾波器切面平行動(dòng)量匹配原則，光和聲入射角間滿足一個(gè)與材料性能無關(guān)的一一對應(yīng)關(guān)系θa＝θi+arctan(2cotθi)其中θa和θi分別為聲和光束與晶體
晶向的夾角。該關(guān)系表明與一個(gè)聲入射角匹配的光入射角有兩個(gè)，一個(gè)較大一個(gè)較小。聲波與晶體[110]晶向的夾角，即離軸角較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲光優(yōu)值下降和短波長吸收等問題，所以一般該角度不大于108°(對于e光變o光的器件)或小于73°(對于o光變e光的器件)。以e光變o光的器件為例，光和聲入射角的關(guān)系曲線如圖3中實(shí)線所示。其次考慮器件偏振無關(guān)的要求，由于二氧化碲晶體具有旋光性，它將使工作在晶體中的o、e光的消光比下降，從而影響轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)考慮旋光性時(shí)可以得到θi與θa的關(guān)系tanθa＝-X/Y
式中X=(ne/no)[1-(ne/no)2-4Ae2δ]+]]>[(1+2δ)-(ne/no)2(1-2δ)]×{(ne/no)2+[(1+2δ)+(ne/no)2(1-2δ)]Ae2+Ae4}0.5;]]>Y＝[(1+4δ)-(ne/no)2(1-4δ)]Ae；Ae＝(no/ne)tgθi；δ＝λoρ/2πn式中ρ為晶體的旋光率；ne、no分別為e、o光折射率；用下式表示ne(θi)=[cos2θi/no2(1+δ)2+sin2θi/ne2]-0.5;]]>no(θi)=[cos2θi/no2(1-δ)2+sin2θi/no2]-0.5]]>對TeO2，當(dāng)光波長λ0為1.55μm時(shí)，ρ≈14(°/mm)，作θa-θi的關(guān)系曲線，如圖3所示，其中虛線為計(jì)入旋光性的結(jié)果；實(shí)線為忽略旋光性的結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，光入射角在4°≤θi≤25°和60°≤θi≤ 90°的區(qū)域里，晶體旋光性影響不大；在光入射角為65°時(shí)，不存在旋光性。并且，在1.3-1.7μm的光譜范圍內(nèi)，該結(jié)果基本不變。第三，從器件線寬的方面看，該指標(biāo)與聲光互作用長度L、調(diào)諧范圍以及入射角有密切的聯(lián)系，有理論表達(dá)式Δλ=0.9λ02/ΔnLsin2θi]]>由于線寬與光波長的平方呈正比，所以從其長波長端(1.65μm)考慮，線寬與互作用長度以及光入射角間的關(guān)系如圖4所示。其中曲線1、2和3為互作用長度分別是4、4.7和5cm時(shí)，器件線寬隨光入射角和光波長的變化情況?？梢钥闯鰧σ欢ǖ恼{(diào)諧范圍，互作用長度越長，滿足一定線寬要求的最小入射角越小(如0.4nm)；對一定的互作用長度，調(diào)諧范圍越大所需最小入射角越大。第四，考慮衍射效率，工作在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中的器件要求有盡可能小的損耗，即要求較高的衍射效率。根據(jù)聲光互作用理論和非同向聲光可調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)原則，可得到其表達(dá)式是與互作用長度、動(dòng)量匹配狀態(tài)等有關(guān)的sinc2函數(shù)形式η=sin2[ΓL1+(Δk1/2Γ)2]/[1+(Δk1/2Γ)2]]]>式中Γ為耦合系數(shù)，有Γ=2πni2nd4λ0sinθd.ps.]]>其中ni、nd分別為入射和衍射光折射率；θd為衍射角，它是衍射光波矢和TeO2
晶向的夾角；p為聲光系數(shù)，s為與超聲功率Pa有關(guān)的聲致應(yīng)變，兩者間關(guān)系Pa=12ρV3|s|2A.]]>其中ρ為TeO2密度；V為聲速；A為換能器面積。Δk1為動(dòng)量失配量，有Δk1=ki2b1{(1-nd2ni2)-2Kkicos(θa+θi)+K2ki2}]]>式中ki分別為入射光波矢；K為聲波矢；b1=sinθi+Kkisinθa.]]>計(jì)算結(jié)果表明，以光入射角是72°為例，當(dāng)換能器面積為1.5cm2，互作用長度5cm，所用功率為40mw時(shí)，衍射效率達(dá)到98％，此時(shí)中心頻率約78.08MHz，旁瓣為-10db，如圖5所示。在不考慮超聲線寬影響且其它條件不變時(shí)，可得到以1.554μm為中心波長、調(diào)諧范圍200nm的η-fa間關(guān)系狀況，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在整個(gè)通頻帶內(nèi)，衍射效率基本不變。這種頻譜一致性對器件的多波長操作是有益的。第五，驅(qū)動(dòng)功率對通信用聲光可調(diào)諧濾波器來說是一項(xiàng)重要的性能。它是實(shí)現(xiàn)最大衍射效率時(shí)所需的聲功率，可由相位匹配條件求得。根據(jù)推導(dǎo)出的驅(qū)動(dòng)功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式Pa=λ02Andsin2θd2M2(θ)L2ni]]>式中θ為TeO2晶體中聲波矢的離軸角(與110晶向夾角)，M2(θ)為相應(yīng)的聲光優(yōu)值。由于波長平方與驅(qū)動(dòng)功率成正比，所以在通頻帶范圍內(nèi)計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率時(shí)要考慮其長波長端(1.65μm)。在換能器面積為1.5cm2，互作用長度4.5cm時(shí)，可得到驅(qū)動(dòng)功率與光入射角的關(guān)系，如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，在光入射角是63°時(shí)驅(qū)動(dòng)功率有極大值，分析可知，決定該曲線形狀的主要是聲入射角和光入射角間的動(dòng)量匹配關(guān)系。此外在該條件下，驅(qū)動(dòng)功率小于180mw。第六，從器件的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮，聲能方向在其中起了重要作用。它不僅決定了互作用長度的大小，而且對互作用區(qū)域和器件尺寸有很大影響。由聲能方向與換能器的夾角θ和光入射角的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在很大光入射角的范圍內(nèi)，滿足切面平行動(dòng)量匹配的聲能方向是近似恒定的，約為33°，如圖8所示。聲能方向與換能器的夾角θ可由下式?jīng)Q定θ＝(90°-θr)+(90°-θa)。式中(90°-θa)為晶體切角；θr為聲能流的方向與[110]晶向的夾角，根據(jù)晶體聲學(xué)的Christoffet方程，它可由下面的式子決定θr＝Δ+ 式中Vz＝2140(m/s)，Vi＝616(m/s)分別為該晶體在
和[110]方向超聲波相速的實(shí)測值；＝90°-θa為聲波矢與[110]方向的夾角；V()為相應(yīng)方向的相速值。從圖8可以看出，即使在75°也可有效的利用有限的晶體尺寸。
本發(fā)明具有三方面的優(yōu)點(diǎn)，具體說明如下第一，利用大角度光入射，實(shí)現(xiàn)了光插分復(fù)用器的窄線寬要求。選用光束和聲束以大角度入射而不是傳統(tǒng)的小角度入射，在保證衍射效率和驅(qū)動(dòng)功率符合波分復(fù)用器件損耗較小的基礎(chǔ)上，降低了互作用長度，減小了器件的線寬。
鑒于光插分復(fù)用器件的調(diào)諧范圍不必過大，取其上限為1.65μm，對光入射角在60°-75°，換能器面積1.5cm2，互作用長度大于4.5cm時(shí)，得到的線寬小于0.4nm，驅(qū)動(dòng)功率小于180mw。
第二，利用60°-75°范圍內(nèi)的光入射角，使整個(gè)聲光互作用過程與旋光性基本無關(guān)，滿足了光插分復(fù)用器的工作要求。由于光纖系統(tǒng)的偏振態(tài)是不確定的，而為了有效實(shí)現(xiàn)某波長光信號的上/下路，必須要使進(jìn)入濾波器的光的偏振態(tài)固定，再進(jìn)行聲光調(diào)制。二氧化碲晶體具有旋光性，該特性將使光信號的偏振態(tài)發(fā)生變化。對其旋光性的分析表明，光入射角在60°-75°附近光信號的偏振態(tài)變化很小，有利于提高器件消光比。
第三，避免了工藝的復(fù)雜性。利用二氧化碲體器件，便于采用比較成熟、簡單的工藝，避開了集成器件為實(shí)現(xiàn)窄線寬要求而采用的多反射鏡、加權(quán)、切趾等結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的工藝復(fù)雜性。


圖1-大角度非同向二氧化碲體聲光可調(diào)諧濾波器；其中1-是出射光面；2-是光束；3-是入射光面；4-是換能器；5-是聲能流；6-是能流與換能器的夾角；7-是入射光面與晶體[110]晶向的夾角。
圖2-用作OADM的系統(tǒng)示意圖；其中8-是入射光束；9-是偏振分束器；10-是由9產(chǎn)生的或由偏振變換器11產(chǎn)生的o光；12-是由9產(chǎn)生的e光；13-是具有圖1所示結(jié)構(gòu)的二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器；14-是由13產(chǎn)生的濾波信號(e光)；15-是由13產(chǎn)生的沒有濾波的信號(o光)；16-是3dB耦合器；17-是沒有濾波的信號(o光)；18-是濾波信號(e光)。
圖3-旋光性對θa-θi關(guān)系的影響；圖4-器件線寬與光入射角和互作用長度的關(guān)系；圖5-衍射效率與聲頻率的關(guān)系；圖6-衍射效率與光波長的關(guān)系；圖7-驅(qū)動(dòng)功率與光入射角的關(guān)系；圖8-聲能方向與換能器的夾角和光入射角的關(guān)系；圖9-集成型聲光可調(diào)諧濾波器；圖10-微反射鏡型聲光可調(diào)諧濾波器；圖11-準(zhǔn)共線二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器；下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1中4和
晶向的夾角是晶體切角(90°-θa)，其中θa是由換能器產(chǎn)生的超聲波波矢量與
晶向的夾角；7等于光入射角，即入射光波矢與
晶向的夾角。入射光應(yīng)與入射面垂直。圖2中兩個(gè)二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器(13)性能是相同的，兩個(gè)3dB耦合器(16)性能也是相同的。
具體實(shí)施例方式
從o光到e光變換的TeO2AOTF，可實(shí)現(xiàn)作為OADM器件的較小線寬、偏振保持和較高衍射效率的要求。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其工作機(jī)制與集成AOTF既有相同之處，又有不同點(diǎn)。偏振分束器PBS將入射光分為o光和e光后，一條光路中以o光進(jìn)入上面的TeO2AOTF(13)，實(shí)現(xiàn)濾波和模式轉(zhuǎn)換；另一路以e光進(jìn)入偏振變換器(11)，將e光轉(zhuǎn)換為o光，之后進(jìn)入性能相同的下面的TeO2AOTF(13)，同樣實(shí)現(xiàn)濾波和模式轉(zhuǎn)換；從兩個(gè)AOTF(13)出來的濾波信號(14)為e光，3dB耦合器(16)分別將兩路濾波信號和兩路未濾波長信號(15)合并后下路或繼續(xù)傳輸。此外，上、下兩條光路應(yīng)保證對稱性和時(shí)延相等。
權(quán)利要求
1.一種由二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器構(gòu)成的光分插復(fù)用器，其特征在于(a).二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器的光束是以大角度入射制成的；(b).互作用長度大于4.5cm，濾波器獲得小于0.4nm的線寬；(c).光分插復(fù)用器是由一個(gè)偏振分束器、兩個(gè)結(jié)構(gòu)和性能相同的二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器、兩個(gè)3dB耦合器和偏振變換器以及光纖組成。
2.如權(quán)力要求1所述的一種由二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器構(gòu)成的光分插復(fù)用器，其特征在于光束的入射角度為60°～75°。
全文摘要
該發(fā)明涉及一種由二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器構(gòu)成的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧光分插復(fù)用器。本光分插復(fù)用器由一個(gè)偏振分束器、兩個(gè)結(jié)構(gòu)和性能相同的聲光濾波器、偏振變換器以及光纖組成。其中二氧化碲聲光可調(diào)諧濾波器的光束是以大角度入射制成的，入射角度為60°～75°；互作用長度大于4.5cm。此時(shí)，濾波器可獲得小于0.4nm的線寬；器件受晶體旋光性的影響較小，光的偏振狀態(tài)可基本保持不變。同時(shí)具有較低的驅(qū)動(dòng)功率和較高的衍射效率，理論計(jì)算值分別為180mw和98％。器件在200nm的調(diào)諧范圍內(nèi)仍保持上述光通信用主要性能。
文檔編號H01P1/205GK1606190SQ20041009603
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者劉維, 孫雨南, 崔建民, 崔芳, 班龍 申請人:北京理工大學(xué)