光学滤波器控制

技术领域

本发明涉及用于可调谐光学滤波器的控制方案，以及用于实现该控制方案的光学滤波器组件。

背景技术

光纤通信利用激光器在窄波长带内产生光信号。单个光纤电缆可以在各种不同频带(和/或频带内的不同信道)中携带信息。因此，在目标频带中传输信号时，减少在其他频带中产生的噪声是很重要的。

为了实现这一点，激光器/调制器系统的输出可以通过滤波器，该滤波器配置成只选择目标频率。法布里-珀罗(FP)标准具(或干涉仪)是一种可以作为滤波器的光学部件。FP标准具如图1A所示，包括具有两个反射表面的透明板。当光在所述表面之间反射时，传输的光线会相互干涉，产生特征性的干涉图案，这种干涉图案取决于频率和板之间的光学距离。

FP标准具的频率响应具有图1B所示的特性曲线。可以看出，对于高精度FP标准具(即具有尖峰的标准具)，除目标频率外的频率的损失是显著的，甚至可以过滤掉与目标频率的微小偏差。

FP标准具适用于部件以恒定频率发射光的情况——但在某些应用中期望的是，部件是“可调谐的”，即可调节的，以便在不同频率上传输，例如，在频带内的每个信道上。FP标准具的频率响应取决于板之间的光学距离，因此现有的可调谐FP标准具利用了这一点，在板之间具有随温度膨胀的材料，以改变板的分离。因此，通过调节标准具的温度，可以调节标准具的光学距离和频率响应。其他可调谐的标准具可使用压电控制或其他方法来改变板之间的光学距离。

标准具是s型无限脉冲响应滤波器。另一种合适类型的滤波器是有限响应滤波器，如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)或迈克尔逊(Michelson)干涉仪。可以制作这些滤波器中任何一个的可调谐版本，并且可以对每个滤波器使用类似的控制方案。

任何可调谐滤波器都应可紧密调谐，以确保滤波器的传输函数峰值与所需频率紧密对准。对于要求较低的应用和某些控制方案，控制输入和滤波器传输峰值之间的关系可能是只需要简单的校准，但是在许多情况下，为了确保传输峰值被正确定位，将需要反馈回路。

一种简单的控制方案是对滤波器的传输峰值(即，对可调谐滤波器的控制输入)施加抖动，并使用本领域已知的相敏检测技术来定位峰值。然而，在接近传输峰值时，传输函数随频率变化很小(对于典型的C波段滤波器，在峰值附近的10GHz变化大约为1000的几个部分)，这意味着这种测量的信噪比(SNR)非常低。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种光学滤波器组件。所述光学滤波器组件包括：

可调谐光学滤波器；

分束器组件，配置成将输入光束分为输出光束、参考光束和探测光束，并引导输出光束和探测光束通过可调谐光学滤波器，使得探测光束与输出光束成α角；

第一检测器，配置成测量参考光束的强度S0；

第二检测器，配置成测量探测光束在它通过滤波器后的强度S1；

控制器，配置成基于测量的参考光束和探测光束的强度来调节可调谐光学滤波器。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制光学滤波器组件的方法。所述光学滤波器组件包括可调谐光学滤波器和分束器组件，所述分束器组件配置成将输入光束分为输出光束、参考光束和探测光束，使得输出光束和探测光束被引导通过可调谐光学滤波器，并且探测光束与输出光束成α角。该方法包括：

测量参考光束的强度S0；

测量探测光束在它通过可调谐光学滤波器之后的强度S1；

基于测量的参考光束和探测光束的强度调节可调谐光学滤波器。

附图说明

图1A是标准具的示意图；

图1B显示了标准具的频率响应曲线；

图2是示例性光学滤波器组件的示意图；

图3是示出示例性光学滤波器组件的传输函数的曲线图；

图4是替代的示例性光学滤波器组件的示意图；

图5是示例性光束分离组件的示意图；以及

图6A和6B是组合的分束器组件和偏振组合器的示意图。

具体实施方式

图2是用于实现克服上述问题的滤波器控制方案的光学滤波器组件的示意图。组件200配置成接收输入光束211，输入光束211由分束器组件201分为输出光束212、参考光束213和探测光束214。第一检测器202定位为测量参考光束213的强度S0。输出光束212和探测光束214被引导通过可调谐滤波器(例如，配置成充当光学滤波器的标准具)203，使得探测光束214与输出光束形成小角度α，并且因此通过滤波器203内的不同光路长度。第二检测器204定位为测量探测光束214在它通过滤波器203之后的强度S1。到光学系统的光纤输出或其他输出205定位为在输出光束212通过滤波器之后捕获输出光束212。控制器206从检测器接收强度测量值S0和S1，并根据这些测量值调节滤波器，如下文更详细地描述。

示例性分束器组件201包括两个分束器，其半反射表面以角度α/2偏离平行线。输出光束通过第一分束器进入滤波器，参考光束从第一分束器反射并通过第二分束器，探测光束由第一和第二分束器反射，从而使输出光束具有所需的角度α。

图3显示了关于输出光束212和探测光束214的滤波器的传输函数，其被归一化使得每个函数的峰值处于相同的值。从图中可以看出，探测光束的传输函数与输出光束的传输函数是偏移的。这意味着在对应于输出光束传输函数峰值的频率处，探测光束传输函数具有相对陡峭的斜率。因此，测量探测光束212的强度S1允许精确地确定探测光束传输函数上的位置。这可以被测量为归一化强度S1/S0，以避免由输入光束的强度变化引起的噪声。由于探测光束传输函数和输出光束传输函数之间存在一致关系，因此可以使用此关系来找到输出光束传输函数的峰值，即对于给定的目标频率，控制系统配置为调谐滤波器，以获得特定的S1/S0值，在该值处，输出光束传输函数的峰值对应于目标频率。与基于抖动的寻峰方案相比，这种测量方案的一个优点是可以容易地从S1/S0的值来确定传输峰值和目标频率之间的误差方向。在图3所示的示例中，如果S1/S0过高，则传输峰值过高(应调整滤波器以降低传输峰值)；如果S1/S0过低，则传输峰值过低(应调整滤波器以提高传输峰值)。根据具有滤波器的输出光束和探测光束的入射角，输出光束和探测光束的传输峰可以在任一方向偏移。

上述方法的一个优点是，信号不依赖于测量斜率中非常小的偏差(即在峰值处)，而是依赖于测量在更高斜率的区域中较大的偏差。这提供了用于控制的更高水平的信号，并克服了依赖滤波器峰值顶部平坦部分上的抖动的控制方案所遇到的信噪比问题。此外，S1/S0可以被直接测量，因此不需要信号抖动。

S1/S0到目标频率的校准可解析地确定(由于系统相对简单，考虑到滤波器的已知尺寸和输出光束与探测光束之间的已知角度)，但是，在滤波器对准不精确的情况下(例如，标准具的反射镜不精确平行)，一些用于确认校准的测量可能允许更高的精度。校准可以作为查找表存储在控制器上，或者作为使目标频率与所需S1/S0相关的公式存储在控制器上，然后控制器可用于计算给定目标频率所需的S1/S0。控制器不需要知道输出光束的实际强度，因为比率S1/S0足以确定输出光束的传输峰值位置。

另一种构造如图4所示。该构造包括分束器组件401，其配置成将输入光束411分为输出光束412、参考光束413和探测光束414。第一检测器402定位为测量参考光束413的强度S0。输出光束412和探测光束414被引导通过光学滤波器403，使得探测光束414与输出光束成小角度α，并且使得探测光束414和输出光束412在滤波器内相交。光束分离组件407配置成在光束通过滤波器后将其分离。第二检测器404定位为测量探测光束414的强度S1。到光学系统的光纤输出或其他输出405定位为捕获输出光束412。控制器406接收来自检测器的强度测量值S0和S1，并且如前所述基于这些测量值来调节滤波器。

存在光束分离组件407是因为输出光束412和探测光束414的宽度将导致它们在离开滤波器之后重叠，如果它们在检测器404和/或输出405之前没有被分离，则会导致干涉。在角度α大于光束的发散角的情况下，可以通过在滤波器402和检测器404以及输出405之间提供足够长的光路使得光束在到达检测器404和输出405时将被分离来省略光束分离组件407。然而，所需的路径长度会使过滤器组件明显不那么紧凑。

在一些光学系统中，可以通过偏振滤波器分离光束，但是在许多光通信系统中，光束将包含正交偏振的多路复用信号，因此这是不可能的。

图5中示出了一个示例性光束分离组件407。该示例将光束分离组件407与输出405组合。光束分离组件包括透镜501，透镜501将输出光束412和探测光束414聚焦到焦平面421。由于输出光束412和探测光束414以不同的角度与透镜相交，它们将聚焦到焦平面421上的不同点。光纤502定位为具有面位于焦平面处。光纤502具有纤芯503和倾斜反射表面504。光纤定位成使得纤芯503位于输出光束412聚焦的焦平面上的点处，并且倾斜反射表面504位于探测光束414聚焦的焦平面上的点处。通过这种配置，输出光束412被光纤502捕获(其然后是到滤波器的输出)，并且探测光束414从光纤502反射到检测器404。

替代的光束分离组件可以在每个焦点处使用透镜和不同角度的反射表面，以在不同方向(即分别向输出405和检测器404)反射输出光束和探测光束，或使用允许光束被定向分开的任何其他合适的光学部件组合。

替代的构造的分束器布置可能与针对图2中的构造所述的类似(分束器的位置足够靠近光束交叉点，并形成角度以使光束会聚)。

当滤波器组件用于组合两个正交偏振的输入光束的光学系统时，如图6A和6B所示，分束器组件201、401可与偏振组合器集成。组合的分束器组件和偏振组合器接收两个光束611S、611P作为输入(显示为S-和P-偏振，尽管在实践中该光束具有任意偏振)，并且包括反射表面601、半反射表面602A、602B和偏振组合器603。反射表面601和半反射表面602A、602B以α/2的角度偏离平行线，并且偏振组合器603与反射表面601平行。偏振组合器603配置成透射一小部分s偏振光，并反射其余部分，并且透射所有p偏振光(忽略吸收引起的任何损失)。在构造要求光束在滤波器内相交的情况下(如图4)，半反射表面应成一定角度，以使产生的探测光束与输出光束会聚。在不需要交叉的构造中，光束可能会聚(即到滤波器外的位置)或发散。

在图6A中，S偏振的输入光束首先与半反射表面602A接触，后者将光束分为s偏振的输出光束(透射的)和s偏振的探测光束(反射的)。s偏振的输出光束612S通过半反射表面602A透射，然后从反射表面601反射到偏振组合器603，在那里它与p偏振的输入光束611P组合以形成最终的输出光束612。s偏振的探测光束614S从半反射表面602A反射朝向偏振组合器603，该光束的大部分从其反射朝向滤波器(由于没有等同的p偏振光束要结合，所以探测光束保持完全s偏振)。s偏振探测光束和s偏振输出光束的透射部分一起充当参考光束613A，并且两者都将由检测器204检测。

在图6B中，s偏振的输入光束611S被反射表面601反射朝向半反射表面602B，该反射表面601将光束分成s偏振的输出光束612S(透射的)和s偏振的探测光束614S(反射到滤波器)。然后，s偏振的输出光束612S大部分被偏振组合器反射，与p偏振输入光束611P形成最终的输出光束612，并且一小部分被偏振组合器透射以形成s偏振的参考光束613S。

图6A和6B中的光束组合器导致输出光束具有s-偏振和p-偏振二者，但是参考和探测光束只有s-偏振(或者只有p-偏振，如果输入相反)。然而，这并不是一个问题，前提是滤波器的特性对于s和p偏振是相同的(对于大多数滤波器，包括标准具、Mach-Zender或Michelson干涉仪来说都是如此)。

分束器组件可布置为使得输出光束具有输入光束强度的至少90％，更优选地至少95％的输入光束强度。角度α可以小于或等于5度，小于或等于2度，或小于或等于1度，并且可以至少为0.1度，或至少为0.5度。角度α可以选择为使得输出光束和探测光束的传输峰值之间的偏移基本等于滤波器的峰值半宽或全光谱范围，因为这通常会导致光束被分离，从而使输出光束的传输峰值接近探测光束的最大斜率。例如，对于滤波器工作范围内的传输峰值频率，角度α可以在该角度的0.1度内。

虽然在图中描述和示出了示例性光学布置，但是技术人员将理解，可以设想其他光学等效布置来执行相同的功能，例如，通过在分束器组件201、401内重新排列分束器，以使所需的光束仍可产生，或是通过添加反射镜或折射元件来添加弯折到所示的直线路径上。例如，分束器组件可包括第一分束器，其布置成将输入光束分为任何输出、参考或探测光束和中间光束，以及第二分束器，其布置成将中间光束分成输出、参考或探测光束中的另外两个。应认识到，上述控制方案独立于用于调整滤波器的装置(例如热控制、压电控制等)。