集成式光功率可调型光波分复用器 【技术领域】
本发明涉及一种用于光波分复用系统中的光波分复用器，特别地是在薄膜滤光片型光波分复用器结构中采用内置可调光滤波器芯件实现多通道光功率动态可调光波分复用器装置。这种技术广泛适用于薄膜滤光片型波分复用(wavelength DivisionMultiplexing，简称WDM)器件。属于光通信领域。
背景技术
WDM技术仍处于快速发展阶段，在WDM网络中使用光放大器使得光谱的增益分布不均衡，在WDM加上每通道的光功率控制功能可以缓解因光信号传输和复用、解复用引起致的光功率不均衡导致的光信噪比下降问题。WDM加上每通道的光功率控制机构可以构成光功率可调型波分复用器VMUX(Variable Optical Attenuator plus Multiplexer，简称VMUX，)或光功率可调型波分解复用器VDMUX(Variable Optical Attenuator plusDeMultiplexer，简称VDMUX，)，VMUX能够在终端MUX(Multiplexer，简称MUX)或OADM(Optical Add/Drop Multiplexer，简称OADM)设备中进行光功率的动态均衡。而对于VDMUX而言，能够实现终端接收机前的光功率自动增益控制。目前实现光功率控制技术主要包括机械式、平面光波导技术、微电机械系统等，这些技术的共同特点是，可以控制光功率衰减的大小，但是不可能集成封装到WDM每一个通道中，通常的做法是将分立单通道或阵列的可变光衰减器(Variable Optical Attenuator，简称VOA)和MUX/DMUX焊接光纤连接，对于多通道的WDM系统(如目前常用的为40通道)应用而言，存在成本高，体积大的缺点。一方面，每一通道需要光纤耦合进出，这在两方面增加了成本，首先是材料成本问题，如果是平面波导技术，需要一对V型槽尾纤，如果采用微光学方法，需要一对准直器；其次是耦合成本，由于光通信用光器件光路极其精密和敏感，耦合成本一般占光器件的成本的一半以上。另一方面，额外的耦合尾纤或准直器的使用，增加了器件体积。
为了降低成本和减小体积，必须将光波分复用器和光功率控制机构集成，将光功率控制部分与WDM集成需要将光功率控制部分直接置于WDM光路中。目前主流的光波分复用器技术有两种：平面光波导(Planar Lightwave Circuit，简称PLC)技术和微光学技术，对PLC技术而言，已有产品出现，如Bookham，Hitachi等公司已能提供该产品，但偏振相关损耗较大；对微光学技术而言，存在很大的困难，不仅因为基于微光学器件光波分复用器的体积原本就大于PLC技术的光波分复用器，而且没有体积小且能置于光路中的实现光功率控制的解决方案。
VMUX/VDMUX通常的做法是将分立单通道或阵列的可变光衰减器(Variable OpticalAttenuator，简称VOA)和MUX/DMUX集成，这种方法具有体积大，成本高，集成度低的缺点，如附图1所示为目前本技术领域内现有光功率可调型光波分复用器地总体结构图；具体包括输入光纤波导1，可变光衰减器2，光功率探测用PIN管3，WDM波分复用器4，输出波导5，控制板6；光功率探测用PIN管3可选。传统方案就将分立的VOA和MUX/DMUX集成，该方案的结构不够紧凑，可变光衰减器阵列每通道分别与WDM波分复用器各信道往往通过焊接相连，这会带来额外的损耗，同时要求对焊点进行保护。同时需要盘纤，盘纤这一工序复杂而且需要占用一定的空间，这显然会增加器件的体积。
发明的内容
本发明的目的是克服现有技术中存在着的问题和不足，提出了一种利用可调光滤波器芯件与光波分复用器集成的集成式光功率可调型光波分复用器，一方面减少元件数目降低了成本，另一方面大大减小了器件的体积，制作工艺简单而指标优于现有技术，在原有光波分复用器的基础上几乎没有引入附加的偏振相关损耗。
本发明的技术方案是：集成式光功率可调型光波分复用器，它有一个输入端口S1和两个输出端口S2、S3，信道中有准直光部件4.1及4.2，薄膜滤光片5，可变光衰减器芯件，输出端口S3有输出波导3，其特征在于可变光衰减器芯件为可调光滤波器芯件6，可调光滤波器芯件6位于输入端口S1和输出端口S3之间。
本方案一方面减少元件数目降低了成本，另一方面大大减小了器件的体积，制作工艺简单而指标优于现有技术，在原有光波分复用器的基础上几乎没有引入附加的偏振相关损耗。
如上所述的光功率可调光波分复用器中所述的可调光滤波器芯件，或者为基于法布里-泊罗腔(Fabry-Perot，简称F-P)可调光滤波器芯件；或者为基于液晶技术的可调光滤波器芯件；或者为基于磁光技术的可调光滤波器芯件，将可调光滤波器芯件6集成到一个波分复用器的模块中。
这些可调光滤波器芯件由于尺寸小、或驱动方式、或其它物理特性的原因使得其易于集成到薄膜滤光片型光波分复用器内。上述可调光滤波器芯件大波长相关损耗的特点，在本发明所述的通道型使用方式中不再是用户介意的缺点，反而是本发明的创新之处，因为在单个波长的场合或工作波长通带宽度较窄的应用中这种因素的影响很小。
如上所述的集成式光功率可调型光波分复用器，其特征在于所述的可调光滤波器芯件6位于薄膜滤光片5和准直光部件4.2之间。
如上所述的集成式光功率可调型光波分复用器，其特征在于所述的可调光滤波器芯件6位于准直光部件4.3和分光元件7之间，光功率监控用PIN管8位于分光元件一侧。
如上所述的集成式光功率可调型光波分复用器，其特征在于每一信道的输出端口S2与下一信道输入端口S1通过波导2或自由空间光路相通。
本发明有以下突出优点和积极效果：
1.设计新颖，大大提高器件的集成度(易于实现并集成)，减少了现有技术中的盘纤数量和工序；
2.结构紧凑，体积小；
3.整体降低系统成本；减少了光学元件(如准直器)数目；
4.内置可调光滤波器芯件实现光功率动态可调的方法。
【附图说明】
图1，为现有光功率可调型光波分复用器的总体结构。
图2，为本发明实施例1：在薄膜滤光片型双光纤结构三端口单元中加入内置可调光滤波器芯件构成光功率可调型光波分复用器示意图。
图3，为本发明实施例2：在薄膜滤光片型双光纤结构三端口单元中加入内置可调光滤波器芯件以及光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器示意图。
图4，为本发明实施例3：内置可调光滤波器芯件以及光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器示意图。
图5，为本发明实施例4：内置可调光滤波器芯件但外加光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器示意图。
图6，为本发明实施例5：为将可调光滤波器芯件与光功率探测装置集成在一体构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器示意图；
图7，为本发明实施例6：采用自由空间光路结构薄膜滤光片型光波分复用器或解复用器示意图。
图8，为本发明施例7：为采用自由空间光路结构薄膜滤光片型的将可调光滤波器芯件与光功率探测装置集成在一体构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器示意图。
图9，为本发明实施例8：为采用自由空间光路结构薄膜滤光片型的将可调光滤波器芯件与光功率探测装置集成在一体构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器示意图。
图10，为本发明实施例9：采用自由空间光路结构薄膜滤光片型光波分复用器但外加光功率探测装置构成带光功率探测功能示意图。
图11，为本发明实施例10：采用自由空间光路结构薄膜滤光片型的内置可调光滤波器芯件以及光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器示意图。
图12，为基于F-P腔制作的F-P腔芯件的结构示意图和衰减曲线。
图13，为基于液晶技术的可调光滤波器芯件的结构示意图。
图14，为基于磁光技术的可调光滤波器芯件的结构示意图。
【具体实施方式】
现结合附图详细说明本发明的实施例。
本发明的实施例中，通过基于薄膜滤光片的波分复用器和可调光滤波器芯件的集成，实现了光功率可调的波分复用器。
薄膜滤光片型光波分复用器的一种技术方案中的基本单元是采用双光纤的三端口结构。每个基本单元对应一个光波长，所需对应波长的模块级联起来组成光波分复用器。这种结构配置灵活。在这种基本单元中内置可调光滤波器芯件就可实现集成式光功率动态可调光波分复用器。基于这种结构有实施例1至实施例5等5个实施例。
薄膜滤光片型光波分复用器的另外一种常用的技术方案是采用自由空间光路结构。输入光以一定的角度入射到每个薄膜滤光片上，透射光通过特定波长的薄膜滤光片滤波，余下的反射到下一个特定波长的薄膜滤光片上。如此反复实现光的波分复用。在这种结构中也可内置可调光滤波器芯件实现集成式光功率动态可调。基于这种结构有实施例6及实施例10等5个实施例。
实施例1是在薄膜滤光片型双光纤结构三端口单元中加入内置可调光滤波器芯件构成光功率可调型光波分复用器，如附图2所示。具体由双光纤波导1、2，准直光部件4.1及4.2，薄膜滤光片5，可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件，以及单光纤波导3组成。波导1、2、3分别对应于本发明光波分复用器的S1、S2、S3三个端口。
对于解复用器，其工作原理是：信号经由光纤波导1通过准直光部件4.1入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5反射的信号经过准直光部件4.1耦合进输出波导2，从薄膜滤光片5透过的特定波长信号经过可调光滤波器芯件6衰减，经准直光部件4.2耦合进输出波导3。这种结构也可同时用于复用器中。
所述可调光滤波器芯件6，它或者采用基于F-P的可调光滤波器芯件；或者采用基于液晶技术的可调光滤波器芯件；或者采用基于磁光技术的可调光滤波器芯件。
实施例2是在薄膜滤光片型双光纤结构三端口单元中加入内置可调光滤波器芯件以及光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器，如附图3所示。具体由双光纤波导1、2，准直光部件4.1及4.2，薄膜滤光片5，可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件，分光元件7，光功率探测用PIN管8，以及单光纤波导3组成。这种结构用于复用器中，其工作原理是：薄膜滤光片5对于由光纤波导3出射的某一单频信号全部透射，而对于光纤波导1出射的单频或多频信号全部反射，由光纤波导3出射的某一单频信号经由准直光部件4.2准直后通过分光元件7分光，其中大部分信号透过分光元件7经由薄膜滤光片5和准直光部件4.1耦合进光纤波导2，小部分探测用信号由分光元件7反射后到达光功率探测用PIN管8，达到功率探测的目的；同时，另一单频或多频信号经由光纤波导1通过准直光部件4.1入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5全部反射经过准直光部件4.1耦合进光纤波导2。
所述可调光滤波器芯件6，或者采用基于F-P的可调光滤波器芯件；或者采用基于液晶技术的可调光滤波器芯件；或者采用基于磁光技术的可调光滤波器芯件。
实施例3是内置可调光滤波器芯件以及光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器，如附图4所示。具体由双光纤波导1、2，准直光部件4.1及4.2，薄膜滤光片5，可调光滤波器芯件6-用作衰减的光滤波器芯件，分光元件7，光功率探测用PIN管8，以及单光纤波导3组成。这种结构用于解复用器中。其工作原理是：信号经由光纤波导1通过准直光部件4.1入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5反射的信号经过准直光部件4.1耦合进光纤波导2，从薄膜滤光片5透过的特定波长信号经过可调光滤波器芯件6后经由分光元件7，大部分光信号透过分光元件7、准直光部件4.2耦合进输出波导3，小部分探测用信号由分光元件7反射后到达光功率探测用PIN管8，达到功率探测的目的；
所述可调光滤波器芯件6，或者采用基于F-P的可调光滤波器芯件；或者采用基于液晶技术的可调光滤波器芯件；或者采用基于磁光技术的可调光滤波器芯件；
实施例4为内置可调光滤波器芯件但外加光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器，如附图5所示。具体由光纤波导1，2，3、耦合器9，光功率探测光功率探测用PIN管8，薄膜滤光片5，准直光部件4.1及4.2，可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件组成。其工作原理是：经由光纤波导1的信号通过准直光部件4.1入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5反射的信号经过准直光部件4.1耦合进光纤波导2，从薄膜滤光片5透过的特定波长信号经过可调光滤波器芯件6准直光部件4.2后通过耦合器9分光，一部分光耦合进光功率探测用PIN管8，大部分光信号则经过耦合器9进入光纤波导3。
实施例5为将可调光滤波器芯件与光功率探测装置集成在一体构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器，如附图6所示，具体由光纤波导1、2、3，光功率探测用PIN管8，薄膜滤光片5，准直光部件4.1、4.2及4.3，可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件组成。经由光纤波导1的光信号通过准直光部件4.1入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5反射的信号经过准直光部件4.2耦合进光纤波导2，从薄膜滤光片5透过的特定波长信号经过准直光部件4.2、光纤波导3.1至准直光部件4.3，一部分光通过F-P腔衰减芯件透射耦合进光功率监控用PIN管8，其大部分通过F-P腔衰减芯件反射的信号则经过准直光部件4.3耦合进输出波导3。
实施例6采用自由空间光路结构薄膜滤光片型光波分复用器或解复用器，具体由光纤波导1，31，32，准直光部件4.1，4.21，4.22及4.23，薄膜滤光片5，可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件组成，如附图7所示。对于解复用器，其工作原理是：多频信号经由光纤波导1通过准直光部件4.1入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5透过的某一特定波长信号λ1经过可调光滤波器芯件6、准直光部件4.21耦合进输出波导31。从薄膜滤光片5反射的信号中另一特定波长信号λ2经过同样的装置后经过准直光部件4.22耦合进光纤波导32。这种结构也可同时用于复用器中。
实施例7采用自由空间光路结构薄膜滤光片型光波分复用器，内置可调光滤波器芯件以及光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器，如附图8所示。具体由光纤波导1，31，32，准直光部件4.1，4.21及4.23，薄膜滤光片5，可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件，分光元件7，光功率探测用PIN管8组成。这种结构用于复用器中。由光纤波导31出射的某一单频信号经由准直光部件4.21准直后通过分光元件7分光，其中大部分信号透过分光元件7经由薄膜滤光片5和准直光部件4.1耦合进光纤波导1，小部分探测用信号由分光元件7反射后到达光功率探测用PIN管8达到功率探测的目的；同时，另一单频信号经由光纤波导32等同装置通过准直光部件4.22入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5全部反射经过准直光部件4.1耦合进光纤波导1，达到合波的目的。
实施例8采用自由空间光路结构薄膜滤光片型的内置可调光滤波器芯件以及光功率探测装置构成带光功率探测的光功率可调型光波分复用器，如附图9所示。具体由光纤波导1、31、32，准直光部件4.1及4.21，4.22，4.23，薄膜滤光片5，用作衰减用的可调光滤波器芯件6，分光元件7，光功率探测用PIN管8组成。这种结构用于解复用器中。其工作原理是：多频信号经由光纤波导1通过准直光部件4.1入射到薄膜滤光片5，从薄膜滤光片5透过的某一特定波长信号经过可调光滤波器芯件6后经由分光元件7，大部分光信号透过分光元件7耦合进准直部件4.21进入光纤波导31，小部分探测用信号由分光元件7反射后到达光功率探测用PIN管8，达到功率探测的目的；从薄膜滤光片5反射的信号中另一特定波长信号经过同样的装置后经过准直部件4.22耦合进光纤波导32。
实施例9-10与上述实施例原理类同。
发明采用的内置F-P腔可调光滤波器芯件属于法布里-珀罗腔型滤波器范畴，其工作原理是基于多光束干涉的原理，透射光和反射光都产生多光束干涉而呈谐振现象，因而就有频率选择特性。假设在反射膜的两侧媒质的折射率相等，膜的两面的反射率为R，两反射镜面的距离即腔长为1，腔内介质折射率为n，c为真空中的光速，忽略附加吸收损耗。透射光束透射系数τ＝1/[1+(2F/π)2×sin2(2πnlf/c)]，可求得FSR＝c/2nl，dF＝c(1-R)/27πnlR1/2。通过调节腔长1，可以获得选频即调谐滤波的功能，一般来说，本F-P芯件采用的薄膜技术被用来提高F-P反射镜的反射率。很显然，对于某一个特定的谐振波长来说，如果10.0dB或者说20.0dB带宽足够大，滤波器调谐过程中，当该波长微动时，就可以理解为器件在这个波长上的连续可变衰减。附图12所示为基于F-P制作的F-P腔芯件的结构示意图12.1和衰减曲线12.2。
所述基于液晶技术用作衰减用的光滤波器芯件的原理是利用液晶的旋光特性来改变由起偏器产生的入射偏振光的偏振态，经过检偏器输出，从而达到衰减的目的。一定偏振方向的准直光束进入双折射晶体，分成偏振态互相垂直的两束偏振光，进入液晶。不加电时，液晶将两束偏振光的偏振态各旋转一定的角度，经第二块双折射晶体合束后从准直器输出；当在液晶两端的驱动电压变化时，发生电控双折射效应，液晶分子层开始随着电压的变化而改变取向，使o光与e光的折射率发生变化，从而改变o光与e光的折射率差：Δn＝no-ne，从而可得液晶电控双折射效应后产生的相位差＝2πΔnd/λ.因此经过液晶片之后的光束不再是偏振光，而变为部分偏振光，在进入第二块晶体时就会分光，从而产生衰减。如附图13所示，图13.1具体包括准直光部件10、双折射晶体11、液晶12、双折射晶体13、准直光部件14；双折射晶体11、液晶12、双折射晶体13、共同组成可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件。图13.2所示为一特殊性能液晶，入射光信号通过准直光部件10入射到液晶12，改变液晶电极间所加电压时，光信号透过液晶12后被散射，仅有与电压成一定函数关系的光功率信号能够耦合进准直光部件10当中，从而实现衰减。在这里液晶12即基于液晶技术的可调光滤波器芯件6——用作衰减的光滤波器芯件。
所述基于磁光技术用作衰减用的光滤波器的芯件的原理和基于液晶技术的相似。所不同的是这里利用磁光晶体的旋光特性，如附图14所示，具体包括准直光部件1、双折射晶体11、磁光晶体15、双折射晶体13、准直光部件14；双折射晶体11、磁光晶体15、双折射晶体3共同组成基于磁光技术用作衰减的可调光滤波器芯件6。