專利名稱：基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可重構光分插復用器件的方法和器件結構。
二背景技術：
近年來，社會對信息的需求使得電信運營商必須提供越來越大的數據帶寬以滿 足不斷擴展的業務需求。為了增加帶寬節約成本，密集波分復用器(DWDM)的引入 可以讓多路數據流在同一根光纖上傳輸，乃至可以使數據帶寬上升到幾百Gbps甚 至Tbps。然而在節點處的光電轉換卻會帶來器件的復雜性及管理維護成本的增加。 為降低這些帶寬成本，全光網絡元件和技術已經被用來解決昂貴的光一電一光轉換 的瓶頸，使得網絡更加簡單高效，甚至可以將智能的IP層直接架構在智能的光層之 上，通過統一的控制平面在所有層面上(分組，通道，波長，波帶，光纖等)實現 最高效率的光纖帶寬資源調度。。
隨著IP網與傳送網同步發展并逐漸融合，引入光/電層控制平面，提高網絡業務 動態智能調度、業務保護恢復和新業務提供的能力，然后向著更大顆粒度和分組化 智能的方向發展是目前的一個技術發展途徑。這就使得光學元件如:光分插復用 (OADM),光交叉連接設備(OXC)、保護開關和光學衰減器等起著越來越重要的作用。 可是，多數現有的光學設備是不可重新配置的。舉例來說，傳統的光分插復用只能 上載或下載特定數據信道，而發展中的智能光網絡要求對于任意的信道都可以實現 路由、互連和衰減。
圖1為一個可重構光分插復用器(ROADM)的示意圖。如圖， 一組N信道的 DWDM信號從A點傳輸到一光分插復用網絡節點，管理者可以任意選擇其中M個 信道將其下載到B點，并且還可以將這些信道處理后由C點重新上載，與未下載的 N-M個信道合波后一起傳至D點。圖1中就是通道2和7依據網絡的要求而被下載 和上載。 一般來講，RODAM還有信道監測和調節功能，以保證D點處各波長信道 具有一致的信號強度。
為了實現以上的能夠對不同波長信道靈活控制的RODAM設備，需要一個光波 長色散元件(舉例來說， 一個衍射光柵)和一組開關或衰減器陣列。到目前為止， 已經有一些不同的波長選擇和光功率調節方案。這些方法大概能分為幾類，包括 機械、微機械、電光、液晶和磁光開關等。其中，引入機械位移的技術方案具有實 現相對簡單的優點但機械位移也引起了人們對其可靠性的擔心。熱光開關也有耗能 較高的不足。而電光、液晶和磁光開關不引入機械位移，具有可靠的光學性能，非 常適用于現行的高速光學通信。例如，J. S. Patel et. al. (US 5414540)就提出過一種基 于液晶的頻率選擇光學幵關，其原理如圖2所示。相似的設計已經在Corning PurePath 波長選擇復用開關中被應用。
圖2是現有技術的典型設計示意圖， 一個體反射光柵首先被用來衍射一組包含 許多波長成分的DWDM光學信號，使其在空間按波長分開。然后，通過一個液晶 偏振調節器陣列，進一步控制衍射光的偏振狀態。每一個波長信道剛好對應著一個 液晶單元以便對不同信道獨立調控。在液晶偏轉調節器的前后，各有一個偏振分光 元件(舉例來說，偏振片或一個雙折射晶體)，如果通過偏振調節器陣列后的光與偏 轉分光元件允許透過的偏振方向不一致，該信道的光就會被偏轉或阻隔。這樣，這 些信道就不會傳到輸出端口 。從而產生出對不同信道進行選擇性調制。
對于J.S.Patel". "/.的發明，波長色散元件(如光柵)和偏振分光元件(如偏振 片)是這個系統中兩個關鍵的功能部分。利用光柵使不同波長信道在空間分開，接著利用偏振分光元件阻隔不需要的信道。然而，這樣的設計還是過于復雜，還是有 進一歩改進的辦法。

發明內容
本發明目的是提出一種基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件的設置方 法，將光波長色散元件和偏振分光元件結合起來，即將兩種功能融合在一個特殊設 計的光學元件體折射率光柵(或體相位光柵)中，從而使這種波長阻隔或開關系 統更加簡單、經濟、高效。
本發明的技術解決方案是基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件， 一個 輸入端口、 一個輸出端口、 一個上載端口、 一個下載端口；輸入端口接受遠程光纖 傳來的含有不同波長信道的DWDM信號；下載端口將部分選定的信道下傳至本地； 上載端口將本地經過處理后的特定信道上傳至系統；輸出端口將經過上載、下載后
的含有不同波長信道的DWDM信號傳至遠方光纖；釆用特殊設計的具有偏振衍射 特性的體折射率調制的光柵作為可重構光分插復用器件設有一個體折射率光柵首
先被用來衍射一個包含許多波長成分的DWDM光學信號，體反射光柵折射率的調
制規律是一般可以簡化為正弦型但其周期與厚度必須根據耦合波理論選取，光柵的
設計基于H.Kogelnik的耦合波理論通過光柵周期、厚度、折射率調制幅度等參數的 合適組合實現上述偏振衍射特性。使得不同的偏振態(C7或71)分別位于不同的衍 射級。比如講，某一偏振態僅有0級衍射(即不發生衍射)而另一偏振態僅有一級 衍射。利用偏振調節器(如液晶)選擇性地改變某些信道光束的偏振狀態，并在第 二個同樣的光柵后將偏振調節后的光耦合至下載端口或輸出端口。
該偏振調節元件可以通過外場控制任意信道光的偏振狀態，這樣，只要輸入端 口與上載端口的偏振方向垂直，輸出端口與下載端口的偏振方向垂直，就可以通過 偏振的控制確定任意信道的傳輸路徑。
所述可重構光分插復用器件，其輸入、輸出、上載、下載端口均加上偏振分束器 和半波片，將任意偏振態變成所需的特定偏振態。從而實現一種基于體折射率光柵 的偏振無關型光分插復用裝置。
上述可重構光光分插復用器件，利用一個反射元件使衍射光經過透鏡、偏振調 節元件、另一透鏡后并經反射回體光柵。這樣，通過偏振調節元件的偏振控制靈活 選擇第二次的衍射光方向，要么是進入下載通道，要么是進入輸出通道，從而實現 可重構的光分插復用。這是一種反射型可重構光光分插復用器件。
偏振調節器選擇性地改變相應信道光束的偏振狀態，并在第二個光柵后將偏振 改變后的光耦合至下載或輸出通道。而信道的上載也可以用相同的方法實現。這就 實現了任意通道的上載下載。只要使得上載信號和輸入信號具有不同的偏振態，下 載信號與輸出信號具有不同的偏振態即可。這種設計的左右兩邊完全對稱，上載下 載通道完全可以調換，輸入輸出也可以對調。進而上載和輸入也可以互換。既然每 個通道都可以導通、上載或下載，這就意味著這個器件實際上可以實現(OXC)光交 叉連接。
用于基于體折射率光柵的動態衰減均衡器器件，設有一組偏振調節元件，如液 晶；該偏振調節元件通過外場控制任意信道光的偏振狀態。在偏振控制元件中，是 一個對應一個波長信道控制單元，或多個單元對應著一個波長信道或波段范圍。這 樣，通過改變光的偏振，部分特定波長的光將不能耦合至輸出端口而被拋棄，即實 現衰減，這就實現了對某些信道或某些波段信號的強度調制。
基于體折射率光柵的動態衰減均衡器器件，但是具有信道監控功能。設有一組 光探測器陣列(如光電二極管陣列等)可以監測被拋棄光的能量分布狀態。這可以分兩歩。首先，可以使偏振調制元件的所有通道具有一致的調制狀態，比如將3% 的能量不進入輸出通道而是被光棚后面的光探測器監測到，這就可以獲得每個入射 信道的光強分布。第二步就可以根據監測結果分別調節每一信道對應的偏振調制器， 在輸出端得到平坦的光譜甚至某一特定強度分布的頻譜。
具有信道監控功能的基于體折射率光柵的動態衰減均衡器器件,設有反射元件、 透鏡、偏振調節元件、另一透鏡和反射元件，這個反射元件使衍射光經過透鏡、偏 振調節元件、另一透鏡后反射回體光柵。這樣，通過偏振調節元件的偏振控制靈活 選擇第二次的衍射光方向，可以進入輸出通道，也可以控制部分光被光柵后面的光 探測器監測到，這就可以獲得每個入射信道的光強分布。進而可以根據監測結果分 別調節每一信道對應的偏振調制器，在輸出端得到平坦的光譜甚至某一特定強度分 布的頻譜。
不同于普通的平面衍射光柵，體折射率光柵的透明介質具有人工調制的周期性 折射率。折射率的調制可以用全息紀錄的方法在光折變晶體(如SBN、 Fe:LiNb03 )、
重鉻酸鹽明膠(DCG)，光敏聚合物或類似的材料中實現。聲波在聲光介質(如 LiNb03或Te02晶體)中傳播也可形成這樣的體折射率光柵。如圖3，是一個體折 射率光柵的示意圖。相對于普通的衍射光柵，它具有獨特的偏振特性。
根據H. Kogelnik的耦合波理論(H. Kogdnik, 砂"Tec/z. J. 48, 2909-2947 (1969))，不同偏振的光在體光柵中可能具有不同的衍射效率。如果光柵平面與光柵
表面垂直，即角-=|，那么(t與7t偏振的衍射效率分別如下<formula>formula see original document page 5</formula>
在這種最簡單的情況下，光柵平面無傾斜。但是即使在一般的情況下，光柵的
偏振衍射特性也還是基本類似。圖4為我們計算的C7與71偏振光相對于體光柵厚度
T的衍射率關系曲線。這兒我們挑選已經在商用全息光柵中采用的重鉻酸鹽明膠 (DCG)材料作數值模擬。假設材料的平均折射率為1.3，且折射率調制深度為0.25。 (A = 1550"W)這里L是光柵厚度；e和y分別為入射角及衍射角。
如圖4，如果體光柵的厚度為5.37pm,那么ct與兀偏振光的衍射率分別為0和 100%，這意味著衍射光中只有7t偏振而沒有o偏振光。相應的光柵線數為839條/mm， 且為了滿足布拉格條件，入射角e應為30。。實際上，對于一個給定的全息材料， 我們都可合適設計光柵參數使得71偏振光被全部衍射，而讓o偏振光的理論衍射效 率為零，也就是說光全部無偏轉地通過，這種透射光也可稱之為0階衍射光。反過 來，我們也可以只讓(T偏振光衍射而7I偏振透過。而我們需要做的僅僅是挑選適當 的體光柵參數(周期、厚度和折射率調制深度)。對于聲光體光柵，我可以調整超聲 波頻率、束寬和強度來滿足設計要求。
本發明的特點是總之，利用具有特別偏振衍射特性的體光柵，根據提出的光
學設計思想，實現可重構的光分插復用。 四

圖可重構光分插復用(ROADM)功能示意圖
圖2原有典型設計示意圖
圖3體折射率光柵結構示意圖
圖4 一個體折射率光柵的特殊偏振衍射特性
圖5另一個體折射率光柵的特殊偏振衍射特性圖6基于體光柵的光分插復用
圖7設計一，光分插復用的實現
圖8設計二，偏振無關的分插復用功能實現
圖9設計三，反射型可重構光分插復用器功能設計
圖10設計四， 一種基于體光柵的波長選擇型光衰減器
圖11設計五，具有信道監測功能的波長選擇型光衰減器
圖12設計六，具有信道監測功能的反射型波長選擇光衰減器
五具體實施例方式
根據H. Kogelnik的耦合波理論，我們可以設計合適的聲光柵使得一種偏振光被 全部衍射，而讓另一種偏振光的衍射效率為零，即只有零級衍射。
如圖4，如果體光柵的厚度為5.37pm，那么d與兀偏振光的衍射率分別為O和 100%，這意味著衍射光中只有兀偏振而沒有o偏振光。相應的光柵線數為839條Anm， 且為了滿足布拉格條件，入射角e應為30。。實際上，對于一個給定的全息材料， 我們可以讓o偏振光被全部衍射，而讓7l偏振光的衍射效率為零，也就是說光全部 無偏轉地通過，這種透射光也可稱之為O階衍射光。反過來，我們也可以只讓兀偏 振光衍射而o偏振透過。而我們需要做的僅僅是挑選適當的體光柵厚度或者折射率 的調制深度。對于聲光體光柵，可以調整超聲波束寬和強度來很好地滿足要求。圖
5表示了另一種情況下，只有o偏振光衍射，此時DCG的厚度為8.5;/附。 (6 = 24.0948°， ~^~ = 1.5=>I = 8.49//m )。而光柵常數685條/mm也可以由24
度的衍射角要求而求出。在更為一般地情況下，我們可以設計光柵使得其不同的偏 振光被衍射到不同的衍射階次，從而實現對光的偏振控制。然而，由于光柵本身又 是色散元件，這就可望把波長選擇和偏轉控制集成到一個元件中，帶來設計的明顯 簡化。
以上的分析表明，在體光柵中，可以通過其結構參數的合理設計，制備具有不同 調制周期的偏振選擇光柵。利用體折射率光柵的這個特點，我們在本發明中提出了
可在DWDM通訊系統中實現動態光分插復用的幾種新穎的器件設計方案。
圖6是一個基于體光柵的可重構光分插復用功能的實現示意圖。 一束單偏振(如 o偏振光)的包含多個波長成分的DWDM信號光束被第一塊特殊設計的體光柵衍 射，從而不同信道會以不同的衍射角在空間分開。光柵的設計必須像前文所述的那 樣僅對單一偏振衍射而另一偏振則不衍射或衍射至其他方向。 一個會聚透鏡將有不
同信道的光會聚到位于透鏡焦平面附近的一個偏振控制陣列元件上。 一般來講這個 元件可以用一個多路的液晶陣列實現。根據不同需要，可以選用不同的液晶，如平 行排列的液晶，扭曲向列型液晶，MTN液晶，混合排列液晶等。當然理論上也可以 使用電光晶體進行偏振控制。但是， 一般的電光晶體半波電壓高達幾百上千伏故不 建議使用。所以這里我們假定采用基于液晶的偏振控制從而可以任意改變輸出光束 的偏振狀態。另一塊相同的透鏡和體光柵起著相反的作用，它可以將不同波長的各 信道光再次準直并會聚到輸出光纖中去。由于液晶偏振控制器可以方便設計成陣列 形式(這已經在廣泛采用的液晶顯示技術中得到充分應用)，因而可以有意識地改變 任意部分或全部通道的偏振狀態。由于我們選用的體光柵經過了特別的參數設計， 偏振狀態改變的光通過光柵后將沿著不同的方向傳播，從而不能進入輸出光纖中。
為實現光分插復用功能，僅僅需要通過如圖7所示的偏振調節器選擇性地改變 相應信道光束的偏振狀態，并在第二個光柵后將偏振改變后的光耦合至下載光纖。而信道的上載也可以用相同的方法實現。這就實現了任意通道的上載下載。只要使 得上載信號和輸入信號具有不同的偏振態；下載信號與輸出信號具有不同的偏振態 即可。實際上本設計的左右兩邊完全對稱，上載下載通道完全可以調換，輸入輸出 也可以對調。進而上載和輸入也可以互換。既然每個通道都可以導通、上載或下載， 這就意味著這個器件實際上可以實現光交叉連接(OXC)。
以上設計中，不同通路信號的偏振有特定的要求從而使得整個器件具有偏振相 關的特性。然而，在許多情況下，人們希望通訊用光器件能同樣處理不同偏振的信 號，具有小的偏振相關特性。為此，我們進一步提出如下(圖8的改進設計。只要 在四個端口處加上圖八中的偏振分束器和半波片，就可以把任意偏振態變成所需的 特定偏振態。從而實現一種基于體折射率光柵的偏振無關型光分插復用裝置。
上述兩個設計需要兩套光柵。為節約成本，我們進一步提出一種緊湊的反射型 設計方案。該設計輸入或上載部分與設計一、二一致。衍射光設計經過透鏡一、液 晶陣列、透鏡二后由一個反射元件(如圖9中所示的反射棱鏡)反射回體光柵。通 過液晶陣列的偏振控制靈活選擇第二次的衍射光方向，要么是進入下載通道，要么 是進入輸出通道，從而實現可重構的光分插復用。
除了上述功能外，基于本發明提出的具有獨特偏振特性的體光柵還可以制成一 種動態衰減均衡器，如圖IO所示。這實際上可以視為設計一對應不同應用狀態的另
一個版本。不同的是， 一個波長信道可以不是只對應著偏振控制元件(如液晶)的 一個可獨立控制單元而是多個單元對應著一個波長信道或波段范圍。這樣，通過改 變光的偏振，部分特定波長的光被拋棄，可以實現對某些信道或某些波段信號的強 度調制。這種選擇性的光學衰減均衡器不但可以用于光分插復用中，也可以與摻鉺 光纖放大器或半導體光放大器一起工作，作為放大器的增益平坦器件，這在長距離 光通訊系統中有重要的應用價值。
此外，還可以充分利用設計四中的那部分被拋棄的光，使之對不同波長信道的 光強具有監控功能。如圖11所示， 一組光探測器陣列(如光電二極管陣列等)被用 來監測被拋棄光的能量分布狀態。具體實現時可以分兩步。首先，我們可以使液晶
偏振調制器的所有通道具有一致的調制狀態，比如將3%的能量不進入輸出通道而
是被光柵后面的光探測器監測到，這就可以獲得每個入射信道的光強分布。第二步 就可以根據監測結果分別調節每一信道對應的液晶調制器，在輸出端得到平坦的光 譜甚至某一特定強度分布的頻譜。
同樣，對于設計五中的具有信道監測功能的波長選擇型光衰減器，也可以進一
步緊湊化，省掉兩個光柵中的一個。圖12是就是一個使用了一塊后反射鏡的可監控 的衰減器/均衡器的光路示意圖。其反射功能工作原理與圖九(設計三) 一致。這里 就不再贅述。
總之，在本發明中，研究了折射率可調制的體光柵特殊的偏振衍射特性，并且 將其運用于光纖通訊的可重構光分插復用器件的設計。這些設計，在物理上是使得 傳統器件中的波長色散元件(光柵)和用于光強調控的偏振分光元件合而為一，使 得系統更加緊湊、穩定、經濟和高效。
權利要求
1、基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，設有一個輸入端口、一個輸出端口、一個上載端口、一個下載端口；輸入端口接受遠程光纖傳來的含有不同波長信道的DWDM信號；下載端口將部分選定的信道下傳至本地；上載端口將本地經過處理后的特定信道上傳至系統；輸出端口將經過上載、下載后的含有不同波長信道的DWDM信號傳至遠方光纖；其特征是采用具有偏振衍射特性的體折射率調制的光柵作為可重構光分插復用器件體折射率光柵衍射一個包含許多波長成分的DWDM光學信號，體反射光柵折射率的調制規律是正弦型，其周期與厚度根據耦合波理論選取，使得不同的偏振態(σ或π)分別位于不同的衍射級；由偏振調節器選擇性地改變某些信道光束的偏振狀態，并在第二個同樣的光柵后將偏振調節后的光耦合至下載端口或輸出端口。
2、 根據權利要求1所述的基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，其特征 是該偏振調節元件是由外場控制任意信道光的偏振狀態的調節元件。
3、根據權利要求1所述的基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，其特征 是所述可重構光分插復用器件的輸入、輸出、上載、下載端口均加上偏振分束器和 半波片，將任意偏振態變成所需的特定偏振態。
4、 根據權利要求1所述的基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，其特征 是設有一個反射元件、透鏡、偏振調節元件、另一透鏡，反射元件使衍射光經過透 鏡、偏振調節元件、另一透鏡后并經反射回體光柵。
5、 根據權利要求1所述的基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，其特征 是用作動態衰減均衡器器件，即設有一組偏振調節元件，該偏振調節元件通過外場 控制任意信道光的偏振狀態；通過改變光的偏振，特定波長的光將不能耦合至輸出 端口而被拋棄，即實現衰減，這就實現了對某些信道或某些波段信號的強度調制。
6、 根據權利要求5所述的基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，其特征 是用于具有信道監控功能動態衰減均衡器器件，即設有一組光探測器陣列監測被拋 棄光的能量分布狀態。
7、 根據權利要求5所述的基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，其特征 是用于具有信道監控功能動態衰減均衡器器件，設有反射元件、透鏡、偏振調節元 件、另一透鏡，這個反射元件使衍射光經過透鏡、偏振調節元件、另一透鏡后反射 回體光柵。
全文摘要
基于體折射率光柵的可重構光分插復用器件，設有一個輸入端口、一個輸出端口、一個上載端口、一個下載端口；輸入端口接受遠程光纖傳來的含有不同波長信道的DWDM信號；下載端口將部分選定的信道下傳至本地；上載端口將本地經過處理后的特定信道上傳至系統；輸出端口將經過上載、下載后的含有不同波長信道的DWDM信號傳至遠方光纖；采用具有偏振衍射特性的體折射率調制的光柵作為可重構光分插復用器件體折射率光柵衍射一個包含許多波長成分的DWDM光學信號，體反射光柵折射率的調制規律是正弦型，由偏振調節器選擇性地改變某些信道光束的偏振狀態，并在第二個同樣的光柵后將偏振調節后的光耦合至下載端口或輸出端口。
文檔編號H04J14/02GK101290378SQ200810098870
公開日2008年10月22日 申請日期2008年5月9日 優先權日2008年5月9日
發明者胡錫魁, 陸延青, 黃張迪 申請人:南京大學