專利名稱：可調(diào)色散補(bǔ)償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光學(xué)色散補(bǔ)償器，尤其涉及用于實(shí)現(xiàn)基于無色Mach-Zehnder干涉儀的可調(diào)色散補(bǔ)償器的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
光信號(hào)色散補(bǔ)償器可以校正光纖中的色散，尤其對(duì)于10Gb/s或者以上的比特率有用。另外，對(duì)于色散補(bǔ)償器，色散量可調(diào)是有用的，以便于系統(tǒng)安裝?？烧{(diào)色散補(bǔ)償器(TDC)最好還是無色的，也就是，一個(gè)設(shè)備可以同時(shí)補(bǔ)償許多信道，或者可以選擇來補(bǔ)償系統(tǒng)中的任何信道。
以前提出的無色TDC包括環(huán)形諧振器[1]，虛擬成像相位陣列(VIPA)[2]，級(jí)聯(lián)Mach-Zehnder干涉儀(MZI)〔3，4，5〕，溫度調(diào)節(jié)校準(zhǔn)器〔6〕，帶熱透鏡的波導(dǎo)光柵路由器(WGR，waveguide gratingrouter)〔7〕，以及帶可變形反射鏡的體光柵(bulk gratings)〔8〕。前述括號(hào)中的數(shù)字表示列于所附參考文獻(xiàn)列表中的公開文獻(xiàn)。級(jí)聯(lián)MZI方法尤其有應(yīng)用前景，因?yàn)樗憩F(xiàn)出低的損耗，可以用標(biāo)準(zhǔn)石英波導(dǎo)制造，并可以比較緊湊。但是，此前的多數(shù)基于MZI的TDC在一種情況下需要8級(jí)和17個(gè)控制電壓〔3〕，在另兩種情況下需要6級(jí)和13個(gè)控制電壓〔4，5〕。大量的級(jí)數(shù)和控制電壓導(dǎo)致制造和工作時(shí)成本高昂、耗能高，尤其是當(dāng)補(bǔ)償10Gb/s信號(hào)時(shí)。因?yàn)橹圃炀炔荒鼙ＷC這樣長的光程長度差的相對(duì)相位，每一個(gè)設(shè)備的每一級(jí)必須單獨(dú)表征。另外，大量的級(jí)數(shù)常常導(dǎo)致高的光學(xué)損耗和大的形狀因數(shù)。另外，級(jí)數(shù)越多，越難以實(shí)現(xiàn)偏振獨(dú)立性。
有一種此前的基于MZI的TDC只需要3級(jí)和2個(gè)控制電壓，也包括功率監(jiān)測和移相器以控制功率水平〔5A〕。該設(shè)備是為補(bǔ)償40Gb/s信號(hào)而設(shè)計(jì)的。但是，10Gb/s的版本由于平面光路中的典型雙折射二傾向于具有顯著的偏振依賴性。這是因?yàn)镸ZI中的光程長度差對(duì)于10Gb/s來說比40Gb/s長4倍，因此，10Gb/s的版本對(duì)于雙折射顯著地要敏感得多。
需要一種與偏振無關(guān)的、級(jí)數(shù)和控制電壓數(shù)減少的、簡化的基于MZI的TDC。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，公開了一種實(shí)現(xiàn)無色的與偏振無關(guān)的基于Mach-Zehnder干涉儀的可調(diào)色散補(bǔ)償器(TDC)的方法和設(shè)備，該可調(diào)色散補(bǔ)償器只有三個(gè)MZI級(jí)(在反射型中只有兩個(gè))和兩個(gè)響應(yīng)一個(gè)控制電壓的可調(diào)耦合器，這使得該補(bǔ)償器緊湊、功耗低、易于制造、測試和操作。偏振無關(guān)性是使用過中間級(jí)MZI的兩個(gè)光程長度的中點(diǎn)設(shè)置的一個(gè)半波片來交換TE和TM偏振實(shí)現(xiàn)的。具有25GHz自由光譜區(qū)的這樣的基于MZI的TDC對(duì)于10Gb/s信號(hào)能夠補(bǔ)償大約±2100ps/nm。具有與用整數(shù)除系統(tǒng)信道間隔相等的自由光譜區(qū)使得TDC能夠同時(shí)補(bǔ)償許多信道，并且在波長在不同信道之間跳躍的情況下也能補(bǔ)償，而不用調(diào)節(jié)TDC。例如，25GHz自由光譜區(qū)，以及20GHz和33.3GHz自由光譜區(qū)，都允許TDC補(bǔ)償100GHz網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)信道。
更具體地，本發(fā)明的可調(diào)彩色光信號(hào)色散補(bǔ)償器的一個(gè)實(shí)施例包括第一MZI，包括用于接收輸入光信號(hào)的固定50/50耦合器，第二MZI，包括與所述第一MZI共用的第一可調(diào)耦合器，以及與一個(gè)第三MZI共用的第二可調(diào)耦合器，該第二MZI還包括一個(gè)過所述第二MZI的兩個(gè)光程長度的中點(diǎn)設(shè)置的半波片，以交換通過所述兩個(gè)光程長度的光信號(hào)的TE和TM偏振，所述第三MZI包括一個(gè)用于輸出色散得到調(diào)節(jié)的輸出光信號(hào)的固定50/50耦合器，并且，
其中，使用單個(gè)控制信號(hào)用相等的耦合比來調(diào)節(jié)所述第一和第二共用可調(diào)耦合器，以對(duì)所述輸出信號(hào)提供可調(diào)的色散補(bǔ)償。
在一個(gè)反射型的實(shí)施例中，本發(fā)明的可調(diào)彩色光信號(hào)色散補(bǔ)償器包括第一MZI，包括用于在第一端口接收輸入光信號(hào)的一個(gè)固定50/50耦合器，以及一個(gè)與一個(gè)第二反射MZI共用的可調(diào)耦合器，所述第二MZI中的兩臂之間的光程差等于第一MZI的光程差，并且，其中，所述可調(diào)耦合器響應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)，用于控制由所述補(bǔ)償器向所述輸入光信號(hào)添加的信號(hào)色散的量，以形成所述輸出光信號(hào)。如果需要偏振無關(guān)性，則在所述第二反射MZI的反射面之前設(shè)置一個(gè)四分之一波片。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過將一個(gè)第一三級(jí)MZI-TDC和一個(gè)第二三級(jí)MZI-TDC用在這兩個(gè)TDC之間的一個(gè)半波片級(jí)聯(lián)起來，形成一個(gè)與偏振無關(guān)的級(jí)聯(lián)MZI-TDC系統(tǒng)。
在又一個(gè)實(shí)施例中，在所述TDC之后設(shè)置一個(gè)反射器，使得所述信號(hào)通過所述TDC兩次，從而形成一個(gè)雙通(double pass)MZI-TDC方案。這種雙通方案增加了可實(shí)現(xiàn)的色散的量。如果需要偏振無關(guān)性，則可以在所述TDC和反射器之間設(shè)置一個(gè)四分之一波片。


通過結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)說明，可以更加充分地理解本發(fā)明。附圖中圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明的偏振無關(guān)可調(diào)色散補(bǔ)償器(TDC)具有三級(jí)，包括具有半波片的中間級(jí)，以及一個(gè)TDC控制電壓；圖2圖解了圖1的TDC，其中，所述可調(diào)耦合器分別是用基于MZI的可調(diào)耦合器實(shí)現(xiàn)的；圖3圖解了使用單個(gè)控制信號(hào)C1來控制圖2的兩個(gè)基于MZI的可調(diào)耦合器的電路圖；圖4圖解了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)色散補(bǔ)償器(TDC)的反射型設(shè)計(jì)，其包括一個(gè)四分之一波片，只使用一個(gè)控制電壓；圖5A和圖5B圖解了本發(fā)明的TDC在可調(diào)耦合器的三種不同設(shè)置時(shí)的透射率(傳遞系數(shù))和群延遲特性，并且圖示了兩個(gè)外側(cè)MZI中與偏振相關(guān)的波長偏移效應(yīng)；圖6A和圖6B圖示了在用于說明的光傳輸系統(tǒng)中使用本發(fā)明的TDC；圖7A和圖7B圖示了本發(fā)明的與鉺放大器設(shè)置在一起的TDC；圖8圖示了兩個(gè)TDC級(jí)聯(lián)的實(shí)施例；圖9圖示了提供兩個(gè)TDC的級(jí)聯(lián)方案的反射型方案；圖10圖示了圖1的TDC的緊湊波導(dǎo)布局。
在下面的說明中，不同圖面中的相同附圖標(biāo)記代表相同的部件。另外，在附圖標(biāo)記中，第一個(gè)數(shù)字代表首先提高相應(yīng)部件的圖號(hào)(例如，101首先出現(xiàn)在圖1中)。
具體實(shí)施例方式
見圖1，其中圖示了本發(fā)明的用于說明與偏振無關(guān)的可調(diào)色散補(bǔ)償器(TDC)器件的說明性示意圖，該補(bǔ)償器只有三級(jí)，使用一個(gè)控制電壓。這三級(jí)103、105和107用Mach-Zehnder干涉儀(MZI)實(shí)現(xiàn)。第一和第二MZI103、105共用一個(gè)可調(diào)耦合器104，第二和第三MZI105、107共用一個(gè)可調(diào)耦合器106。這兩個(gè)可調(diào)耦合器104、106總是設(shè)置為相等的。第一和第三MZI具有光程差ΔL，中央MZI具有2ΔL的光程差(在加上與耦合器相比的相位偏移)。注意，在示于圖1的優(yōu)選實(shí)施例中，較長的光程長度分別位于第一、第二和第三MZI103、105、107的上臂、下臂和上臂中。這使得結(jié)構(gòu)上可以折疊為如圖10的波導(dǎo)布局所示的緊湊布局?；蛘?，較長的光程長度可以位于第一、第二和第三MZI的上臂中。
本發(fā)明的與偏振無關(guān)的TDC是以一種成本低、損耗低的方法實(shí)現(xiàn)的，也就是，在TDC器件的中心(第二MZI105的中心)設(shè)置一個(gè)半波片110。半波片110指的是一種的薄的雙折射波片，其對(duì)正交偏振(偏振)產(chǎn)生180度的相位偏移差。波片的雙折射軸的取向與光路平面成45度。Takahashi等人首先在對(duì)稱波導(dǎo)器件的中央的槽中使用石英制的半波片來實(shí)現(xiàn)低的偏振敏感性[5c]。半波片110交換TDC器件中央的TE和TM偏振信號(hào)，因此，如果器件是對(duì)稱的(就如同圖1那樣)，則在TDC器件中的其它地方不存在TE和TM之間的偏振耦合，從而消除了偏振相關(guān)性。之后，Inoue等人開發(fā)了一種用于降低偏振相關(guān)性的聚酰亞胺(polymide)半波片，它只有15微米厚，不象石英那樣易碎[5D]。對(duì)于由一系列干涉儀構(gòu)成的TDC器件，一般必須在每一個(gè)干涉儀的中央插入一個(gè)半波片。Takiguchi在五級(jí)MZI型TDC中插入了五個(gè)半波片來實(shí)現(xiàn)較低的偏振敏感性[5E]。但是，插入這樣多的波片會(huì)增加很多成本和損耗，這是不愿意看到的。
以前已經(jīng)注意到，不幸的是，光程不均衡的MZI(103，105，107)的石英波導(dǎo)臂具有由應(yīng)力導(dǎo)致的雙折射，這導(dǎo)致光程不均衡的MZI中的累積相差對(duì)于橫電場(TE)和橫磁場(TM)偏振光波來說是不同的。例如，具有25GHz自由光譜區(qū)的用于10Gb/s信號(hào)的TDC要求光程差＞1.6cm，這使得TDC PLC與偏振高度相關(guān)，即使使用對(duì)于20pm的硅上石英(silica-on-silicon)具有現(xiàn)有技術(shù)中的PDW的波導(dǎo)也是如此〔5B〕。
這導(dǎo)致MZI103、105、107中的與偏振相關(guān)的波長偏移(PDW，polarization-dependent wavelength shift)。發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，如果是整個(gè)TDC器件對(duì)稱，就象圖1中那樣，則只需要一個(gè)半波片110就能夠消除偏振相關(guān)性。這樣，例如，如果TE偏振光波通過MZI103和MZI105的前半部分105A，則半波片110旋轉(zhuǎn)所述TE偏振光波，使其成為TM偏振光波而通過MZI105的后半部分105B和MZI107。反過來，如果TM偏振光波通過MZI103和MZI105的前半部分105A，則半波片110旋轉(zhuǎn)所述TM偏振光波，使其成為TE偏振光波而通過MZI105的后半部分105B和MZI107。結(jié)果，當(dāng)TE偏振光波和TM偏振光波通過MZI103、105、107時(shí)，它們之間不存在PDW差。另外，由于對(duì)稱性，本發(fā)明中的波片110甚至抵消了耦合器和移相器偏振相關(guān)性，這與通常的級(jí)聯(lián)MZI TDC不同。注意，外側(cè)MZI103和107的PDW減去整數(shù)個(gè)TDC自由光譜區(qū)不能太大，不然，當(dāng)插入半波片110時(shí)，外側(cè)MZI會(huì)出現(xiàn)波長失配。幸運(yùn)的是，性能對(duì)于這種失配很不敏感。圖5A和圖5B比較了完美情形501和失配情形502的模擬透射率和群延遲，其中，在25GHz自由光譜區(qū)器件中，外側(cè)MZI103、107的失配有20pm。如502所示，在最外側(cè)MZI之間的小的頻率偏移主要導(dǎo)致更高的損耗。
本發(fā)明的與偏振無關(guān)的TDC示于圖1中。其由用兩個(gè)可調(diào)耦合器104和106耦接在一起的三個(gè)MZI103、105和107構(gòu)成，所述可調(diào)耦合器的每一個(gè)是由一個(gè)小的MZI構(gòu)成的，總被設(shè)置為相等的。當(dāng)(耦合器104和106的)移相器不被驅(qū)動(dòng)時(shí)，所述可調(diào)耦合器104和106是100/0，所述器件就象是一個(gè)大的光程均衡的干涉儀，在所有波長上具有統(tǒng)一的透射和平坦的群延遲。當(dāng)一起驅(qū)動(dòng)兩個(gè)上移相器(upperphase shifter)(例如圖2中的202)時(shí)，所述耦合器被向50/50調(diào)節(jié)，MZI103就象一個(gè)多路分用器，MZI106就象一個(gè)多路復(fù)用器，將光分解，從而主要是較短的波長通過中央MZI的較長光程，產(chǎn)生負(fù)的色散。驅(qū)動(dòng)兩個(gè)下移相器(例如圖2中的203)的情況是相反的。當(dāng)所述可調(diào)耦合器104和106恰好是50/50時(shí)，設(shè)計(jì)方案類似于文獻(xiàn)〔9〕的固定雙折射晶體色散補(bǔ)償器。
下面更詳細(xì)地描述圖1的色散補(bǔ)償TDC。端口101的輸入光信號(hào)被y形耦合器102相等地分解到MZI103的兩臂。在第一MZI103中，一個(gè)臂比另一個(gè)臂長ΔL，從而當(dāng)光信號(hào)在第一可調(diào)耦合器104中重組時(shí)，被送到第二MZI105的兩臂的每一臂的光量與波長相關(guān)。響應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)C1的第一可調(diào)耦合器104控制從耦合器104輸出到第二MZI105的臂的信號(hào)中被引入的色散的符號(hào)和量。類似地，響應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)C1的第二可調(diào)耦合器106控制從第二MZI105的臂接收到并從耦合器106輸出到第三MZI107的臂的信號(hào)中引入的色散的符號(hào)和量。如果需要負(fù)色散，用一個(gè)施加給可調(diào)耦合器104、106的預(yù)定控制信號(hào)C1來使得較短的波長能夠占主導(dǎo)地通過第二MZI105的較長的臂。如果需要正色散，用一個(gè)施加給可調(diào)耦合器104、106的預(yù)定控制信號(hào)C1來使得較長的波長能夠占主導(dǎo)地通過第二MZI105的較長的臂。然后第三MZI107執(zhí)行類似于第一MZI的功能其臂上的波長在最后的y形耦合器中被重組，并被送往輸出端口109。
注意，當(dāng)所述TDC器件被設(shè)置為零色散時(shí)，所述兩個(gè)可調(diào)耦合器104、106為100/0(也就是，所述耦合器執(zhí)行簡單的交叉連接功能可調(diào)耦合器的左上端口的輸入在可調(diào)耦合器的右下輸出端口輸出，或者反之)。在這與的零色散的情況下，通過TDC的光信號(hào)經(jīng)過相同的光程長度。盡管在圖1中僅僅圖示了臂長差，在MZI103和107中，實(shí)際的臂長是L+ΔL和L，在MZI中，實(shí)際的臂長是L+2ΔL和L。這樣，從y形耦合器102的一個(gè)輸出端口到y(tǒng)形耦合器108的輸出端口109的信號(hào)路徑是這樣的通過MZI103的光程L+ΔL，通過MZI105的L，通過MZI107的L+ΔL，這樣總光程為3L+2ΔL，另一個(gè)光程由L，L+2ΔL和L構(gòu)成，總光程也是3L+2ΔL。這樣，對(duì)于零色散設(shè)置，TDC器件簡單地作為光程為3L+2ΔL的波導(dǎo)，不引入顯著的色散。
在上述說明中，ΔL確定了TDC的自由光譜區(qū)(FSR，free spectralrange)。FSR等于FSR＝C0/(ΔL-ng)，其中C0為300km/s(真空光速)，ng是MZI波導(dǎo)的群折射率。
在一種示例性設(shè)計(jì)中，對(duì)于10Gb/s的光信號(hào)數(shù)據(jù)率，F(xiàn)SR大約為25GHz。這樣的具有25GHz自由光譜區(qū)的基于MZI的TDC能夠?qū)?0Gb/s信號(hào)補(bǔ)償大約±2100ps/nm。在多波長信道系統(tǒng)中，具有等于系統(tǒng)波長信道間隔除以整數(shù)的FSR使得TDC能夠同時(shí)補(bǔ)償許多信道。這樣，本發(fā)明的TDC是無色的，也就是，它能夠同時(shí)補(bǔ)償許多信號(hào)，或者可以被選擇來補(bǔ)償多波長信道系統(tǒng)中的任意信道。對(duì)于FSR的其它合適選擇包括20GHz和33.3GHz，以用100GHz間隔信道波長網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償20Gb/s信道。
以公知的方式，MZI103、105、107可以一起實(shí)現(xiàn)為平面集成光路，或者可以用安裝在襯底上的分離光學(xué)部件實(shí)現(xiàn)。
通過使用控制信號(hào)C1將耦合器104和106向50/50調(diào)節(jié)，可以將TDC的色散向正向或者負(fù)向調(diào)節(jié)。如下參照?qǐng)D3所述，通過選擇高于或者低于零色散控制信號(hào)C1設(shè)置的控制信號(hào)C1，可以將TDC設(shè)置到正色散或者負(fù)色散水平。
注意，盡管是用公共控制信號(hào)C1控制可調(diào)耦合器104和106，仍然可以按照需要使用單獨(dú)控制信號(hào)。例如，如果耦合器由于制造的非均一性具有不同的特性，則使用單獨(dú)的控制信號(hào)是有好處的。
圖2圖解了根據(jù)本發(fā)明的圖1所示的TDC，其中，用兩個(gè)基于MZI的可調(diào)耦合器實(shí)現(xiàn)所述可調(diào)耦合器104和106。如圖所示，使用帶有可控移相器的小MZI實(shí)現(xiàn)所述可調(diào)耦合器104、106。每一個(gè)MZI包括一個(gè)50/50固定漸消耦合器(evanescent coupler)201、上移相器102、下移相器203和50/50固定漸消耦合器204。用第一電平的同一控制信號(hào)C1驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MZI的兩個(gè)下移相器203在一個(gè)方向推動(dòng)色散，在第二電平驅(qū)動(dòng)兩個(gè)上移相器203在另一個(gè)方向推動(dòng)色散。取決于主要MZI的取向，在可調(diào)耦合器MZI的兩臂之間可能存在小的光程差。例如，在可調(diào)耦合器的兩臂之間最好具有半個(gè)波長的光程差。在這種情況下，如果沒有電源施加于所述可調(diào)耦合器，器件就具有零色散，這在TDC電源故障的情況下是所希望的。注意，可調(diào)耦合器104和106的MZI可以在制造后進(jìn)行永久的調(diào)節(jié)，以便更精確地補(bǔ)償其中的偏差。
如果移相器202、203是熱光加熱器，則只需要一個(gè)控制信號(hào)C1來調(diào)節(jié)到正色散和負(fù)色散的方便的電路布局如圖3所示。該控制信號(hào)C1電壓在電平V1和V2之間變化，其中V2大于V1。當(dāng)控制信號(hào)C1在V1和V2之間的預(yù)定零色散電平Vz時(shí)，相同的電流流過上移相器和下移相器，產(chǎn)生零色散，從而，可調(diào)耦合器202、203執(zhí)行如前所述的簡單的交叉連接功能。當(dāng)控制信號(hào)C1在電平V1時(shí)，沒有電流流過上202，電流流過下移相器203，形成第一極性的最大色散量。當(dāng)所需的色散水平在零色散水平Vz和最大第一極性色散水平V1之間的某處時(shí)，可以將控制信號(hào)C1調(diào)節(jié)到V1和Vz之間的一個(gè)電平。在V1和Vz之間的控制信號(hào)C1電平，上移相器202和下移相器203是以推拉方式(push-pull arrangement)工作的。也就是，例如，在下移相器電流下降時(shí)上移相器202的電流上升。
當(dāng)控制信號(hào)C1在電平V2時(shí)，沒有電流流過下移相器202，電流流過上移相器203而形成第二極性的最大色散量。當(dāng)所需的色散水平在零色散水平Vz和最大第二極性色散水平V2之間的某處時(shí)，可以將控制信號(hào)C1適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)到Vz和V2之間的一個(gè)電平。上移相器202和下移相器203的這個(gè)推拉操作導(dǎo)致在最壞的情況下熱光功率消耗也低，并且對(duì)于調(diào)節(jié)設(shè)置來說，功率耗散大致是恒定的〔10〕。
現(xiàn)在參考圖4，其中圖示了根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)色散補(bǔ)償器(TDC)的反射型設(shè)計(jì)，它也只使用一個(gè)控制電壓。由于圖1的TDC布置是對(duì)稱的，如圖4所示，可以使用更為簡單的反射型設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)它，代價(jià)是需要一個(gè)環(huán)行器(circulator)。在圖4的反射型設(shè)計(jì)中，MZI403執(zhí)行圖1中第一MZI103和第三MZI107的功能，反射MZI405執(zhí)行圖1中的MZI105的功能。如果需要與偏振無關(guān)的反射TDC，則可以通過添加一個(gè)位于反射面406之前的四分之一波片410而實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楣庑盘?hào)兩次通過四分之一波片410，其具有與圖1中的半波片110同樣的效果。
下面描述反射TDC的工作過程。端口400的輸入光信號(hào)通過環(huán)行器401，被y形耦合器412相等地分到MZI403的兩臂。在MZI403中，一臂比另一臂長ΔL，從而當(dāng)光信號(hào)在第一可調(diào)耦合器404中重組時(shí)，被送到所述反射MZI405的兩臂的每一臂的光量與波長相關(guān)。所述可調(diào)耦合器404響應(yīng)于控制信號(hào)C1而工作，該控制信號(hào)C1控制從所述耦合器404輸出到反射MZI405的臂407、408的信號(hào)中引入的色散的符號(hào)和量，并在從耦合器404輸出到MZI403的臂的信號(hào)中引入同樣符號(hào)和同樣量的色散。注意，所述反射MZI405具有一個(gè)反射面406用于將從兩臂407和408接收到的信號(hào)反射回這些臂。(已經(jīng)注意到，如果在反射TDC中需要偏振無關(guān)性，可以添加一個(gè)位于反射面406之前的四分之一波片)。由于信號(hào)兩次通過四分之一波片420，該波片對(duì)信號(hào)起到與圖1的半波片相同的效果。這樣，由于來自臂407、408的信號(hào)既從左到右傳播又從右到左傳播，臂407的長度只需要比臂408長ΔL。然后反射信號(hào)在從右到左的方向通過MZI403(與圖1中MZI107的作用類似)，由y形耦合器402(與圖1中的y形耦合器108的作用類似)組合起來。從y形耦合器402輸出的信號(hào)然后通過環(huán)行器401到達(dá)輸出端口409。圖4的反射TDC使用控制信號(hào)C1能夠一與圖1的TDC相同的方式控制從輸出端口409輸出的信號(hào)中被引入的色散的符號(hào)和量。
注意，可以用不同于圖2所示的其它方法實(shí)現(xiàn)可調(diào)的耦合器。例如，可以不使用兩個(gè)50/50漸消型耦合器201和204，而可以使用兩個(gè)50/50多段漸消型耦合器。多段漸消型耦合器在波長、偏振和制造方式變化時(shí)可以有更為精確50/50分割比。另一種可能性是使用多模干涉耦合器。
類似地，耦合器102和108可以是除了y形耦合器之外的其它50/50耦合器。例如，它們可以是多模干涉耦合器。
圖5A圖示了模擬的傳遞系數(shù)(透射率)，圖5B圖示了模擬的群延遲特性。它們是用本發(fā)明的TDC在圖1和圖4的可調(diào)耦合器的三種不同設(shè)置(0，+π/2，-π/2)下獲得的。在圖5A和圖5B中，在調(diào)節(jié)范圍的極限和中央，自由光譜區(qū)是25GHz。波長是1550nm。圖中標(biāo)記的相位表示圖2的可調(diào)耦合器中MZI臂之間的相位差。損耗理論上是零，隨著色散被調(diào)離零值，在信道中央損耗不增加。在最大色散處，透射率波動(dòng)為1.25dB(峰到峰)，色散達(dá)到±2500ps/nm。帶寬不是很寬，但是發(fā)射器頻率誤差必須小于大約±2.5GHz(±20pm)。這對(duì)于波長鎖定發(fā)射器是可以實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐中，對(duì)于這種情況系的20Gb/s信號(hào)，當(dāng)FSR為25GHz時(shí)，色散被限制到大約±2100ps/nm。
所述TDC具有相對(duì)較窄的帶寬。如果在系統(tǒng)中使用波長鎖定發(fā)射激光器，這個(gè)帶寬通常足夠了。但是，在某些系統(tǒng)中，對(duì)于TDC帶寬來說，激光器波長的不確定性可能太大了。在這種情況下，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)最外MZI中的移相器，可以將TDC鎖定到激光器波長。例如，通過一致地增加對(duì)兩個(gè)最外MZI的兩個(gè)較長臂中的移相器的驅(qū)動(dòng)，可以將TDC調(diào)節(jié)到更長的波長。通過在特定的頻率一致地抖動(dòng)最外MZI的這些移相器，并使用抽頭和光電檢測器測量TDC的輸出功率，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)峰值檢測反饋控制可以得到用于鎖定的反饋。
圖6A和圖6B圖示了在作為示例的光傳輸系統(tǒng)中使用本發(fā)明的TDC。圖6A圖示了一個(gè)傳輸前色散補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，第一位置600包括一個(gè)光發(fā)射器單元601、一個(gè)用于進(jìn)行傳輸前色散補(bǔ)償?shù)腡DC602、一個(gè)光放大器603，以及，如果需要的話，一個(gè)波長多路復(fù)用器604。輸出信號(hào)通過光學(xué)設(shè)施610被送到第二位置，該第二位置620包括一個(gè)波長多路分用器(如果需要的話)、一個(gè)放大器623和一個(gè)光接收器單元622。由于圖示的光傳輸系統(tǒng)是雙向的，第一位置也包括多路分用器621(如果需要的話)、放大器623和光接收器單元622，它們通過光學(xué)設(shè)施630連接到第二位置620，后者包括光發(fā)射器單元601、用于進(jìn)行傳輸前色散補(bǔ)償?shù)腡DC602、光放大器603以及多路復(fù)用器604(如果需要的話)。注意，光發(fā)射器單元601和光接收器單元622通常被封裝在一起，作為收發(fā)器單元640。
圖6B圖示了一個(gè)傳輸后色散補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，其中，第一位置600包括一個(gè)光發(fā)射器單元601、一個(gè)光放大器603，以及，如果需要的話，一個(gè)波長多路復(fù)用器604。輸出信號(hào)通過光學(xué)設(shè)施610被送到第二位置，該第二位置620包括一個(gè)波長多路分用器621(如果需要的話)、一個(gè)放大器623、一個(gè)用于進(jìn)行傳輸后色散補(bǔ)償?shù)腡DC602和一個(gè)濾光器605(例如放大自發(fā)發(fā)射(ASE)濾光器)，以及光接收器單元622。由于圖示的光傳輸系統(tǒng)是雙向的，第一位置也包括多路分用器621(如果需要的話)、放大器623、TDC602、濾光器605和光接收器單元622，它們通過光學(xué)設(shè)施630連接到第二位置620，后者包括光發(fā)射器單元601、光放大器603以及多路復(fù)用器604(如果需要的話)。TDC602和ASE濾光器605的順序可以倒過來而不影響系統(tǒng)性能。
注意，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)光學(xué)設(shè)施610的長度小于大約80km的系統(tǒng)，一般不需要色散補(bǔ)償。對(duì)于范圍在約80-135km的SSMF光學(xué)設(shè)施610，最好用圖6A所示的傳輸前色散補(bǔ)償系統(tǒng)。對(duì)于范圍在約135-160km的SSMF光學(xué)設(shè)施610，最好用圖6B所示的傳輸后色散補(bǔ)償系統(tǒng)。
在圖6A和圖6B的系統(tǒng)布置中，應(yīng)當(dāng)注意，TDC602可以與一個(gè)或者多個(gè)光學(xué)部件，比如光發(fā)射器601、光放大器603、濾光器605、波長多路復(fù)用器604、波長多路分用器和光接收器622，集成在一起。例如，所述TDC可以與激光器和光調(diào)制器一起單片集成在InGaAsP中，形成具有內(nèi)置色散預(yù)補(bǔ)償?shù)墓獍l(fā)射器。
圖7A圖示了本發(fā)明的TDC與鉺放大器布置在一起的示例性設(shè)計(jì)。在該方案中，TDC是按偏振分集方案布置的，以使TDC功能與偏振無關(guān)(即使TDC器件本身與偏振相關(guān))，其中，偏振保持光纖(PMF)702和703被接合到在文獻(xiàn)〔11〕中描述的類型的環(huán)行器/偏振分離器(circulator/polarization splitter，CPS)701。在工作時(shí)，環(huán)行器接收到的輸入光信號(hào)700在偏振分離器中被分解，并通過PMF702耦合到TDC700。來自TDC700的經(jīng)過色散補(bǔ)償?shù)墓庑盘?hào)通過PMF703被耦合到偏振分離器，并通過環(huán)行器到達(dá)鉺放大器710。所述環(huán)行器/偏振分離器(CPS)701消除了對(duì)鉺放大器710中輸入信號(hào)隔離器711的需要。這樣，鉺放大器710只需要包括鉺光纖輸出隔離器713和前向泵浦及耦合器(forward pump and coupler)714或者后向泵浦及耦合器(back pump and coupler)714。應(yīng)當(dāng)注意，由于圖1中的TDC只有三級(jí)，可以較為容易地依靠其自身使其與偏振無關(guān)，從而不需要上述使用PMF702和703以及環(huán)行器/偏振分離器(CPS)701的偏振分集方案。
圖7B圖示了圖4的與偏振無關(guān)的反射型TDC751與鉺放大器710設(shè)置在一起。一個(gè)環(huán)行器750用來將輸入光信號(hào)700耦合到TDC751，并將經(jīng)過色散補(bǔ)償?shù)墓庑盘?hào)耦合到鉺放大器710。
圖8圖示了用單個(gè)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)級(jí)聯(lián)的TDC810和820。該級(jí)聯(lián)TDC象只有單個(gè)控制信號(hào)而具有較大色散調(diào)節(jié)范圍的單個(gè)TDC那樣工作。這兩個(gè)TDC可以被集成到同一個(gè)PLC上或者集成到獨(dú)立的PLC上。如果它們在單個(gè)PLC上，則可以在這兩個(gè)TDC之間可選地設(shè)置一個(gè)半波片，以降低偏振相關(guān)性。如果它們在獨(dú)立的PLC，則可以在這兩個(gè)TDC之間可選地設(shè)置一段偏振保持光纖(polarization-maintaining fiber)，使其慢軸的取向平行于一個(gè)PLC，而其快軸的取向平行于另一個(gè)PLC，以降低偏振相關(guān)性。
圖9圖示了提供如圖8所示的兩個(gè)TDC的級(jí)聯(lián)方案的反射型方案。所述環(huán)行器901以與圖4中的環(huán)行器401相同的方式工作。所述TDC902以與圖1中描述的TDC單元相同的方式工作。反射面903以與圖4中的反射面406相同的方式工作。由于信號(hào)兩次通過TDC902，圖9中的反射型方案以與圖8中的兩個(gè)級(jí)聯(lián)TDC相同的方式工作。另外，如果需要，可以在PLC和反射器之間設(shè)置一個(gè)四分之一波片，以降低總體偏振相關(guān)性。
參見圖1，其中描述了制造出來用于測試的舉例的原型TDC的初始設(shè)置。該TDC用一個(gè)熱電冷卻器進(jìn)行溫度控制。由于MZI103、105和107中的光程差很大，在制造之后每一個(gè)MZI級(jí)中的相對(duì)相位是隨機(jī)的。這樣，用超熱(hyper heating)對(duì)MZI臂進(jìn)行永久修整〔12〕。過程如下在不施加電源的情況下，將可調(diào)耦合器104、106設(shè)置為100/0(也就是，耦合器就象圖1中的波導(dǎo)交叉(waveguide crossing))，透射率譜是平坦的。然后將左耦合器104調(diào)節(jié)到0/100，使得透射率譜具有完全的正弦波形狀。圖中標(biāo)出了谷的位置。然后將左耦合器104恢復(fù)到0/100，將右耦合器106調(diào)節(jié)到0/100。當(dāng)兩種情況下的波在波長方面對(duì)準(zhǔn)時(shí)兩個(gè)最外MZI103、107中的光程差就是正確的。如果不是，則將外側(cè)MZI的臂中的一個(gè)過熱(超熱，hyperheated)，以使透射率最大化。在修整之后，TDC設(shè)備包括CPS的光纖到光纖損耗為4.0dB。
盡管上述說明集中于使用TDC來補(bǔ)充10Gb/s信號(hào)，但是通過選擇合適的ΔL，其也可以用來補(bǔ)償其它比特率，比如40Gb/s。
對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，本發(fā)明的各種修改是顯而易見的。從本說明書的具體教導(dǎo)衍生出來的東西在本質(zhì)上都依賴于本發(fā)明的原理和等效方案，它們都應(yīng)被視為在本發(fā)明的由權(quán)利要求限定的范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.一種可調(diào)彩色光信號(hào)色散補(bǔ)償器，包括三個(gè)級(jí)聯(lián)的Mach-Zehnder干涉儀MZI，第一MZI包括用于接收輸入光信號(hào)的固定50/50耦合器，第二MZI包括與所述第一MZI共用的第一可調(diào)耦合器，以及與一個(gè)第三MZI共用的第二可調(diào)耦合器，該第二MZI還包括一個(gè)過所述第二MZI的兩個(gè)光程長度的中點(diǎn)設(shè)置的半波片，以交換通過所述兩個(gè)光程長度的光信號(hào)的TE和TM偏振，所述第三MZI包括一個(gè)用于輸出色散得到調(diào)節(jié)的輸出光信號(hào)的固定50/50耦合器，并且，其中，使用單個(gè)控制信號(hào)用相等的耦合比來調(diào)節(jié)所述第一和第二共用可調(diào)耦合器，以對(duì)所述輸出信號(hào)提供可調(diào)的色散補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)色散補(bǔ)償器，其中，當(dāng)所述兩個(gè)可調(diào)耦合器被設(shè)置為100/0耦合比時(shí)，所述光信號(hào)色散補(bǔ)償器具有零色散，其中，通過向50/50耦合比調(diào)節(jié)所述兩個(gè)可調(diào)耦合器，能夠?qū)⑸⑾蛘蚧蛘哓?fù)向調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)色散補(bǔ)償器，其中，用帶移相器的MZI來實(shí)現(xiàn)所述兩個(gè)可調(diào)耦合器中的每一個(gè)。
4.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)色散補(bǔ)償器，其中，所述兩個(gè)可調(diào)耦合器中的每一個(gè)的移相器使用用單個(gè)控制信號(hào)以推拉方式操作的熱光加熱器。
5.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)色散補(bǔ)償器，被集成為光設(shè)備的一部分，該光設(shè)備由一個(gè)或者多個(gè)下述光學(xué)部件構(gòu)成光發(fā)射器，光放大器，濾光器，波長多路復(fù)用器，波長多路分用器，以及光接收器。
6.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)色散補(bǔ)償器，用在多波長信道系統(tǒng)中，該光信號(hào)色散補(bǔ)償器具有等于系統(tǒng)信道間隔除以一個(gè)整數(shù)的自由光譜區(qū)。
7.一種反射型可調(diào)彩色光信號(hào)色散補(bǔ)償器，包括第一MZI，包括用于在第一端口接收輸入光信號(hào)的一個(gè)固定50/50耦合器，以及一個(gè)與一個(gè)第二反射MZI共用的可調(diào)耦合器，所述第二MZI中的兩臂之間的光程差等于第一MZI的光程差，并且，其中，所述可調(diào)耦合器響應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)，用于控制由所述補(bǔ)償器向所述輸入光信號(hào)添加的信號(hào)色散的量，以形成所述輸出光信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的反射型光信號(hào)色散補(bǔ)償器，還包括在所述第二MZI的反射面之前設(shè)置一個(gè)四分之一波片。
9.一種與偏振無關(guān)的可調(diào)彩色光信號(hào)色散補(bǔ)償器TDC設(shè)備，包括級(jí)聯(lián)的第一TDC和第二TDC，每一個(gè)TDC包括包括用于接收輸入光信號(hào)的固定50/50耦合器的第一MZI，第二MZI包括與所述第一MZI共用的第一可調(diào)耦合器，以及與一個(gè)第三MZI共用的第二可調(diào)耦合器，第三MZI包括一個(gè)用于輸出色散得到調(diào)節(jié)的輸出光信號(hào)的固定50/50耦合器，并且，其中，所述第一TDC和第二TDC中的第一和第二共用可調(diào)耦合器都使用單個(gè)控制信號(hào)用相等的耦合比來調(diào)節(jié)，以對(duì)所述輸出信號(hào)提供可調(diào)的色散補(bǔ)償。
10.如權(quán)利要求9所述的級(jí)聯(lián)TDC，其中，在所述兩個(gè)TDC之間設(shè)置一個(gè)半波片，以實(shí)現(xiàn)低的偏振相關(guān)性。
11.一種反射TDC，包括第一MZI，包括用于接收輸入光信號(hào)的固定50/50耦合器，第二MZI包括與所述第一MZI共用的第一可調(diào)耦合器，以及與一個(gè)第三MZI共用的第二可調(diào)耦合器，一個(gè)第三MZI包括一個(gè)用于輸出色散得到調(diào)節(jié)的輸出光信號(hào)的固定50/50耦合器，連接到一個(gè)反射器，以便所述信號(hào)通過所述MZI組合兩次。
12.如權(quán)利要求11所述的反射TDC，其中，在所述TDC和反射器之間設(shè)置一個(gè)四分之一波片，以實(shí)現(xiàn)低的偏振相關(guān)性。
全文摘要
本發(fā)明涉及可調(diào)色散補(bǔ)償器。具體來說公開了一種用于實(shí)現(xiàn)無色的與偏振無關(guān)的基于可Mach－Zehnder干涉儀(MZI)的可調(diào)色散補(bǔ)償器，其只有三個(gè)MZI級(jí)(在反射型MZI TDC中只有兩個(gè))和兩個(gè)響應(yīng)一個(gè)控制電壓的可調(diào)耦合器，這使得其緊湊、功耗低并且易于制造、測試和操作。偏振無關(guān)性是通過將一個(gè)半波片過三級(jí)MZI TDC的中間級(jí)MZI的兩個(gè)光程長度的中點(diǎn)設(shè)置，或者在反射型MZI TDC的反射面的前面設(shè)置四分之一波片，而獲得的。通過級(jí)聯(lián)兩個(gè)MZITDC并用同一控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所有可調(diào)耦合器，形成也只有單個(gè)控制信號(hào)的級(jí)聯(lián)MZI TDC結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G02B6/12GK1598632SQ200410079749
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月17日
發(fā)明者克里斯托弗·理查德·多爾 申請(qǐng)人:朗迅科技公司