可调谐偏振无关响应声光波导器件及光信号声光处理方法 本发明涉及到一种具有不依赖于偏振的响应的可调谐的声光波导器件以及一种光信号声光处理的方法。
在具有波分复用的通信网络中，用波长复用的方法，亦即用分频方法同时传送不同波长的几个信号的方法在同一线路中传送几个互不相关的光传输信号，即传送几个信道。被传送的信号即信道可以是数字信号，也可以是模拟信号，而且由于它们中的每一个都与一特定的波长相关而互相区分开。在网络内部有一些节点，各信号在那些节点处被从聚集在一个光纤线路节点处的各光纤线路交换到由此节点分枝出去的各光纤线路。为了对节点中的信号寻址，将其结构进行简化，有可能采用波长可选择的光开关。在网络的输出处，为了再次分离各个信号，需要滤波器，它有能力传送一个中心位于信号波长处且窄得足以阻挡邻近信号的波段。
集成声光器件已为人们所知，其工作是基于光信号和声波之间的相互作用，这些光信号在双折射光弹性材料衬底上的波导中传播，而声波是通过适当的换能器产生的在衬底地表面处传播。偏振的光信号和声波之间的相互作用引起信号的偏振转换，亦即其TE(横向电场)和TM(横向磁场)分量的偏振旋转。
在这种声光器件中，借助于控制光波的频率，可以调谐器件的频谱响应曲线，使器件适合于用作带有波分复用的光通信网络中的信号开关和光滤波器。这些可调谐的开关和滤波器使得能够选择待要改变的信号，从而在不改变元件连线的情况下可重新构造网络。
如果衬底表面处传播的声波是不同的声波的叠加，则这些声光器件还使得能够交换和同时选择不同的信号即信道。实际上，这些开关对与同时加上的频率相应的波长的信号执行组合交换，且滤波器具有取定于声波频率的对应不同波长范围段的通带。
Pohlmann等人在IEEE Journal of Quantum Electronics(1991年3月，第27卷3期，602-607页)中描述了一种带有波长选择、声可调谐和与偏振无关的响应的声光波导器件，可用作二输入二输出(2×2)开关和滤波器。
文章中图4所示的开关包含一个由X向切割和Y向的铌酸锂(LiNbO3)晶体组成的衬底、二个平行的光波导、二个无源偏振分路器、一个电-声换能器、一个声波导和声吸收器。光波导和电-声换能器构成声-光模式转换级。电-声换能器由能产生中心频率为180MHz的射频(RF)表面声波的叉指电极组成。声波导的宽度为150μm且含有二个光波导。声吸收器用来消除声波和自由传播波的反射。
光波导和偏振分离器用在衬底中扩散钛的方法来制作，而声波导的通道也用在限定区域中扩散钛的方法来制作。电-声换能器的叉指电极用阴极喷射氧化锡和氧化铟的方法沉积形成。
D.A.Smith等人在Applied Physics Letters(1990年1月第56卷3期P209-211)中描述了一种带有与偏振无关的响应的声可调谐光滤波器，同Pohlmann等人的器件是同一类型。D.A.Smith的滤波器制作在X向切割并Y向传播的铌酸锂晶体中，长5cm并含有二个间隔27μm的光波导、一个由叉指电极构成的电-声换能器，以及二个由方向耦合器构成的偏振分离器。
D’Alessandro等人在IEEE Photonics Technology Letters(1994年3月第6卷3期P390-393)中描述了一种同Pohlmann等人器件同型的声光开关。D’Alessandro的开关制作在铌酸锂的XY晶体中，长5cm并含有二个光波导、一个电-声换能器、一个声波导(其中含有光波导)、以及二个用质子交换/钛扩散和退火的方法制作的无源偏振分离器。此开关工作于波长为1546nm和1558nm之间相隔4nm的四个信号及175.89MHz、175.38MHz、174.86MHz、174.42MHz的四个射频导频，以选择四个光波长。
John J.Johnson等人在美国专利5218653中描述了一种同D’Alessandro等人相似的声光器件。(图2)。
上述各种声光器件的运行有如带有与偏振无关的响应的可调谐2×2开关。
若选定了给定波长的信道，则通过输入进入的该波长下的光信号被寻址到相应的交叉态(Cross-state)输出，而通过其它输入进入的信号被寻址到相应的其它交叉态输出(开关在交叉态)。未被选定的信号从一个输入被寻址到相应的直接输出(开关在直接传输杆态(bar-state))。
在交叉态开关条件下，这些器件的工作有如具有与偏振无关的响应的可调谐通带声光滤波器，其中只有一个输入同相应的交叉态输出一起被使用。
在上述的器件中存在一些缺点。
器件由单级声-光转换构成；在这种单级中，二个光波导中的光信号和声控制波之间相互作用所造成的偏振转换，是由数值等于声波频率的频率偏移所实现的。在所述的结构中，这一频率偏移根据光信号的偏振而具有相反的符号，因而，二个分离的正交偏振分量分别有正的和负的偏移。
光信号对声转换频率的频移能够在通信网络中产生拍频问题。
为了限制二个光波导中二个偏振的频移，已提出了声光器件，其中每个光波导与一个相应的声波导相关。
H.Herrmann等人在Proceedings 6th European Conference onIntegrated Optics，1993年4月P10.1-10.3(ECIO’93，瑞士Neuchatel)中描述了一种2×2声光开关(图10)，它包含并排的二个光波导和二个声波导，在其中的每一个中包含一个光波导，而且其中的表面声波沿相对的方向传播。
John J.Johnson等人在美国专利5218653中描述了一种相似于H.Herrmann等人的声光器件(图3)。
H.Herrmann等人所述类型的声-光器件已由申请人制作。在此器件中，二个光波导用偏振模式耦合连接于二个偏振分离器，用弯曲成S状的相应部段连接于波导，而二个声波导各含有一个相应的光波导。以每一个声波导结合一个由叉指电极形成的电-声换能器。二个光波导长约18mm且间隔270μm，偏振分离器长约5mm，弯成S状的部段长约8mm，曲率半径约为160mm。此器件的总长度约为60mm。
当器件处于关断状态(直接传输)时，对TM输入测得的总损耗约为2dB，而对TE输入为5dB，由于存在四个用来连接各个偏振分离器的弯成S状的部段，故导致3dB的与偏振有关的损耗(PDL)。相对于完全交叉态的串扰范围为-18dB—-20dB，与偏振分离器的分裂比有关。
当器件处于开启态(交叉态)时，测得的对TM输入的总损耗约为2dB，而对TE输入为3dB。由于开关损耗在二个偏振上的分配而使与偏振有关的损耗较小。
开关特性的带宽为2.0nm而第一侧瓣(side lobe)为-20dB。转换效率高于99％(对于二个分开考虑的光波导)。对于相对衬底表面法线以45°偏振的输入信号，器件的衰减(extinction)率被限制在约-16dB，这一方面是约-17dB的耦合声功率的声交叉耦合效应，另一方面是转换波长失配0.2nm-0.5nm造成平均(总)转换效率下降至约80％。
特别是可以看到，声波导中传播的某些声波分量同并排光波导中传播的光信号相干扰。这就涉及到直接传输态中内部(interport)串扰增大为约-18dB。
此外，由于衬底均匀性不好，光信号的频移即失配绝对值可能在二个光波导中不同。实际上，衬底材料和确定光波导的材料的双折射可能不完全均匀，而且由于制造过程中有不完善性，例如沉积的钛层的厚度和/或宽度不均匀或钛层的扩散温度中的梯度。双折射中小的局部变化引起二个光波导之间转换的峰值波长的差异，该波导之间的距离越大，此差异也越大。
为了补偿发生在带有单一转换级的声光器件中的频移，已提出了带有串联二个转换级的声光器件。
Kwok-Wai Cheung等人在美国专利5002349中描述了一种声光器件，它包含二个串联的声光转换级和排列在每级上游和下游的二个波导偏振分离器。每一级配置有一个电-声换能器。
本申请人已观察到，光信号在通过这种器件时所遭受到的衰减，是单级器件中四次通过偏振分离器后所观察到的衰减的大约二倍。
此外，器件的总长度至少是单级器件的二倍，相对于通常使用的铌酸锂衬底已达到了临界尺寸。
本发明的一个方面是一种波长可选择的与偏振无关的声光波导器件，它包含一个双折射的光弹性材料衬底，其上有：
a)至少一个预选波长范围内光信号的偏振模式转换级，它包含
a1)相互基本上平行且位于预选距离处的一个第一和一个第二光波导，
a2)与所述第一和第二光波导相联的第一声表面波发生装置，以及
a3)包含至少所述第一和第二光波导的一部分的第一声波导，
a4)所述第一和第二光波导中的每一个都能够接受所述声信号二个相互正交的偏振分量中的一个，而且能够发射正交偏振的各个分量，
b)分别位于上述转换级上游和下游且光学连接于上述第一和第二波导以分离传送上述二个偏振分量的一个第一和一个第二偏振选择元件；
其特征是上述衬底有
c)至少一个用于上述预选波长范围中上述光信号偏振模式转换的补偿级，它包含
c1)至少一个光学连接于上述第一和第二偏振选择元件之一的第三光波导，
c2)与上述第三光波导相联的第二声表面波发生装置，以及
c3)一个至少包含上述第三光波导的一部分的第二声波导，
c4)其中所述的第三光波导串联连接于上述偏振模式转换级，以及
c5)上述第三光波导以组合形式引导上述二个偏振分量。
根据一个最佳实施例，上述补偿级还包含
d)一个基本上平行于上述第三光波导且位于离它一个预选距离处的第四光波导，
d1)上述第四光波导光学连接于上述第一和第二偏振选择元件之一，
d2)上述第二声表面波发生装置与上述第四光波导相联，
d3)上述第二声波导包含至少上述第四光波导的一部分，
d4)上述第三和第四光波导连接于各自的光学出入波导支路，至少按上述第三和第四光波导的量进行间隔安放，以便上述第三和第四光波导中的每一个以组合的形式引导上述二个偏振分量。
上述第一和第二光波导以及上述第三和第四光波导最好间隔约40μm。
根据另一最佳实施例，在至少一个上述补偿级和转换级处，调整元件被加至上述衬底，它能够改变至少上述补偿和转换级中之一的温度，以便补偿上述衬底和上述光波导材料的非均匀双折射并修正声光相互作用的误差。
本发明的第二方面是一种光信号的声光转换方法，它包含下列步骤：
将光信号的偏振分量分离到二个不同的波导路径中；
利用与第一公共声波的声光相互作用，转换二个上述路径中上述信号的分离了的偏振；
组合上述光信号的上述各偏振分量；
其特征是
延续上述各步骤，它还包含一个利用同第二公共声波的声相互作用，对上述光信号未被分离的偏振进行转换的步骤，上述第二声波的频率同上述第一声波的相等。
根据本发明的声器件可用作可调谐的带有与偏振无关的响应的2×2、1×2和2×1开关，或用作带有与偏振无关的响应的可调谐滤波器。
根据本发明的器件的补偿级使得能够借助于以组合形式操作偏振分量而对出现在转换级中的频移执行补偿。这使声光器件能以非常简单而具有功能化的结构加以制作。利用简化的结构，器件的总长度极其有限，约为40mm，实际上比只含有转换级和二个带有相应曲率的二个偏振选择元件的器件只稍大一点。
使用本发明的器件，获得了极低的小于0.1nm的波长失配。这使直接传输态(杆态)下的内部串扰减至＜-20dB。这是由于只存在一个声波导，这避免了声串扰，而且由于光波导近(约40μm的距离)，波长失配很小。
此外，利用用来对二个级进行相应频率偏移的调谐的能够改变转换级和补偿级温度的调整元件，可以进一步改善这一效果。于是，衬底可能的非均匀双折射以及波导参数的非均匀性的负面影响被减到最小。此外，在二个级中出现单声波导避免了二个光波导之间声耦合的现象，这种现象可能使偏振选择元件的衰减率变坏。根据本发明的器件的各个偏振选择元件的衰减率约为-25dB。
本器件具有很小的插入损耗和与偏振有关的损耗(PDL)。已观察到的最大总损耗为3dB。
现参照附图中以非限制性例子的形式所表示的本发明的实施例来描述本发明的特点和优点，在这些附图中：
图1是根据本发明制作的具有与偏振无关的响应的可调谐2×2声光开关的示意图；
图2示出了图1开关的一个变型；
图3是根据本发明制作的具有与偏振无关的响应的可调谐声光滤波器的示意图；
图4示出了加于图1和2的开关或滤波器的温度调整元件。
图1示出了一个根据本发明制造的具有偏振无关的响应的可调谐2×2声光开关。此开关包含一个由铌酸锂(LiNbO3)组成的双折射光弹性材料衬底1。
衬底1中有二个光波导输入支路2和3，各含有二个分别弯成相反凸面4、5和6、7的部段。部段4和6构成二个输入端8和9，通过连接器件(未画出)能够连接到通信网络之光纤上。为了能够连接上述的光纤(直径为250μm左右)，端点8和9至少要分隔开125μm。部段4和6开始时间隔约250μm，而部段5和7以约40μm的间隔而结束。弯曲部段4、5、6和7的曲率半径约为100-180mm。
衬底1中有一个补偿级10，它包含二个连接于部段5和7的平行的光波导支路11和12、一个含有支路11和12的声波导13，以及一个由叉指电极构成的可产生射频表面声波的电-声换能器14。换能器14位于波导15中，并排地与波导14连通以形成声耦合器。上述声耦合器做成使表面声波沿波导15的强度分布在上述波导的中心部段具有峰值，而在同一波导的端点具有二个谷值。沿支路11和12传播的光信号同沿一半路径强度增加而沿另一半路径强度减小的声波，在具有预选相互作用长度的区域内发生相互作用。在声波导15的终端处有声吸收装置16，可以消除声波的反射。声波导13和15由区域50限定，在区域50中的声波速度高于在波导13和15中的速度。
衬底1中还有二个偏振选择元件18和19、一个转换级20和二个光输出波导支路21和22。
偏振选择元件18和19由损耗波偏振分离器或方向耦合器组成，分别各含有一个中央光波导23和24以及输入和输出光波导对25、26、27、28和29、30、31、32。
转换级20包含二个连接于偏振分离器18的输出波导对27和28以及偏振分离器19的输入波导对29和30的平行的光波导支路33和34、一个含有支路33和34的声波导35、以及一个由叉指电极构成的可产生射频表面声波的电-声换能器36。换能器36位于声波导37中，同声波导35并排连通，以形成声耦合器。声波导36的端点处有声吸收器16。声波导35和37由区域50限定，区域50中声波的速度大于波导35和37中的速度。
二个光输出波导支路21和22分别各包含二个弯成相反凸向的部段40、41和42、43。部段40和42连接于偏振分离器18的光输出波导31和32。部段41和43形成二个能够同通信网络的光纤(未示出)相连接的输出端44和45。部段40和42开始处间隔约为40μm，而部段41和43以约为250μm的间隔终止。弯曲部段40、41、42、43的曲率半径约为100-180mm。
支路11和12以及支路33和34的间距约为40μm。声波导15和35的宽度约为110μm。
根据本发明的开关，其工作如下：
当电-声换能器14和36上未加电压时，开关处于关断态，处于直接传输(杆态)的条件中，在输入端8和9同输出端44和45之间分别存在直接对应。光信号通过端点8和9进入，并由补偿级10的支路11和12以组合的TE(横向电场)和TM(横向磁场)偏振分量而传送。然后信号进入偏振分离器18，其中偏振分量TE和TM在波导27和28中被分离，它们未被改变地通过转换级20的支路33和34，然后在偏振分离器19的波导31和32中被分离，以致通过端点8和9进入的信号未被改变地从端点44和45出来。
当在换能器14和36的电极上加一适当的开关信号时，开关处于开启态并过渡到交叉传输(交叉态)条件，其中输入端8和9分别同交叉输出端45和44对应。换能器14和36产生一个相应的射频表面声波，其驱动声频率fac(对于工作于1550nm的器件约为174±10MHz，而对于工作于1300nm的器件为210±10MHz)对应于发生偏振转换TE→TM或TM→TE的光学共振波长。光信号以组合偏振分量TE和TM形式进入补偿级10的支路11和12，并被转变成相应的正交分量，仍保持组合形式。信号进入偏振分离器18，其中偏振分量TE和TM被分离并通过转换级20的支路33和34重新被转换成原来的偏振态。偏振分量TE和TM然后在偏振分离器19中被分离，以致来自输入端8的被选定的偏振分量通过输出端45同来自端点9的未曾选定的分量一起出来，而来自输入端9的被选定的偏振分量通过输出端44同来自端点8的未曾选定的分量一起出来。在转换级20中经受了转换偏振的信号被引导到完全交叉态中，产生总开关的功能。
由于补偿级10中的转换偏振，偏振分量TE和TM经受了一个频移，其符号根据下表依赖于偏振和与光波有关的声波的传播方向： 偏振 传播 同向 反向 TE + - TM - +
在第二声波以相同于第一声波的方向和频率而传播的条件下向转换级20行进时，借助于使转换回到原来的偏振态而补偿了频移。
为了使第一和第二声波具有相同的频率，最好将一个单一电驱动信号加至电-声换能器14以及36二者。
若将图1的开关输入端8和9以及输出端44和45相互交换，使后者用作输入端而前者用作输出端，其工作仍然正确，在这种意义上，图1的开关是对称的。
如图2所示，若免去图1开关的弯曲部段4、5、6、7和光波导12，则可用形成输入端80的波导支路110构成一个1×2开关(解复用器)。在一个变通中，若端44和45用作输入端，则图2的开关的工作如同一个2×1开关(复用器)。
图3示出了一个根据本发明制造的具有与偏振无关的响应的可调谐声光滤波器。图3滤波器的有些部分同图2开关完全相同，用相同的参考标号表示。此滤波器包含一个由铌酸锂(LiNbO3)组成的双折射光弹性材料衬底1，其中有一个补偿级100、二个偏振选择元件18和19、一个转换级20，以及一个输出波导支路220。
补偿级100包含一个构成可连接至通信网络光纤的输入端80的光波导支路110、一个包含支路11的声波导13，以及一个能产生射频表面声波的电-声换能器14。换能器14位于光波导15中，并排连通于光波导14。在声波导15的端处有声吸收器16。输出波导支路220连接于偏振分离器19的输出波导32，并形成一个能够连接至通信网络的光纤的输出端450。
当滤波器处于关断态时，它处于直接传输的条件下，通过端点8进入的光信号被定址在偏振分离器19的波导31中并可利用光吸收器(未示出)被吸收。在换能器14和36的电极上加一适当的电压，通过在级100中组合的偏振分量的模式转换和在转换级20中分离的偏振分量的模式转换，具有对应于声驱动频率的光信号被选定。被选定的信号从补偿级100的输入端8在交叉传输条件下被定址到输出端45，滤波器的工作如同一个可调谐通带。
此滤波器的优点是结构极为简单且其功能由于不存在频移而优于带有一个转换级的常规声光滤波器。利用经校准的声光耦合，此滤波器大都具有小的带宽(≤2nm)和低的交叉耦合值(-20dB)。
此滤波器的总损耗很小(≈1.5dB)。
图1和2的开关和滤波器能在室温下工作，其光学波长带宽至少为100nm，中心波长为1550nm或1300nm，这对光通信是特别有意义的。
衬底1由垂直于X轴切割的LiNbO3晶体组成；波导11、12、23、24、33、34和110沿晶体的Y轴取向。选自LiTaO3、TeO2、CaMoO4的其它双折射光弹性和压电材料也可用来取代LiNbO3。器件的总长度约为40-50mm。
图1和2的开关和滤波器的光波导14、15、36和37可利用限定衬底1的条形50的光刻掩模来制作，从而获得宽度为110μm的光波导14和36。在掩模窗口所限定的表面内，于1060℃的炉子中沉积一个厚度为160nm的Ti层并接着在衬底中扩散Ti，时间为31小时。由于扩散的效应，声波的速度提高了约0.3％，以致区域50起沿波导14和36限制声波的作用。
光波导和偏振分离器可以利用在衬底中扩散能够提高折射率的物质的方法来制作。利用光刻，可沉积厚度约为120nm的Ti层，随后在1030℃温度下扩散9小时。在光波导处，掩模的孔径宽度约为7μm。
光波导和声波导最好对所用的光波和声波是单模的。
电-声换能器14和36的叉指电极沉积在(压电)衬底1中，相对于Y轴倾斜约5°。换能器最好包含15-20或更多对的周期约为20.8μm的叉指电极。为了拓宽响应带，电极最好具有可变的间距(chirp)。此周期值来自频率约为173.5MHz的声学表面波在LiNbO3中对1550nm左右的光波长处发生TETM转换所必需的波长值。借助于改变电极的周期性，可以得到适合于其它频段下工作的声光器件的换能器。利用在衬底上沉积一个金属层，譬如说一个厚度为500nm的铝层的方法，可制作电极。
相对于中心波长下的工作要求(约)50mW的功率，借助于将大约100mW的功率加至叉指电极，可在1500nm或1600nm波长下调谐声光器件，使其相对于1550nm的中心波长偏移50nm。
图4示出了一种声光器件(开关或滤波器)，其中在补偿级10或100以及在转换级20处，对衬底1加有由底座64支持的二个小铜片60和61以及二个珀尔帖电池62和63，它们用作温度调整元件。利用珀尔帖电池，能够改变级10或100以及20的温度，从而补偿衬底1材料和确定光波导的材料二者的不良均匀性，并修正光波导参数的误差。