CN100582829C - 带有波长相关损耗补偿的可调式光衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在可调式光衰减器(VOA)系统中，通过采用在反射镜和透镜之间插入色散光楔的来补偿波长相关损耗(WDL)。不同的波长组分，例如波长较短的蓝色光和波长较长的红色光，经由色散光楔以不同的角度改变方向，并抵达输出光纤的不同位置。这样，较小的模场直径(MFD)或蓝色光的模式光斑宽度(mode spot size)由于更加靠近输出光纤的纤芯而与输出光纤的纤芯重叠较多，而且与未加WDL补偿器的VOA相比，此时具有更小的插入损耗(IL)。

Description

带有波长相关损耗补偿的可调式光衰减器

相关申请的交叉参考

[0001]本发明主张于2005年8月8日提交的美国专利申请号为60/706,408的优先权，在此通过参考将其内容合并到本发明中。

技术领域

[0002]本发明涉及一种基于倾斜镜(tilting mirror)的可调式光衰减器(Variable OpticalAttenuator，VOA)系统，该系统带有用于光学通讯系统和光学测量系统的输入和输出光波导，本发明特别涉及其中包含波长相关损耗补偿的VOA。

发明背景

[0003]图1a图解表示了基于倾斜镜的VOA的基本结构，其包括：透镜1、反射镜2、输入光波导，例如输入光纤3、以及输出光波导，例如输出光纤4。来自于输入光纤3的输入光5，包含多种波长组分，例如红色光和蓝色光波长，它由透镜1校准，并通过反射镜2发生发射后形成反射光束6a。然后反射光束6a通过透镜1被重新聚焦进入输出光纤4内。当反射镜2以某一定角度放置时，反射光束6a聚焦到输出光纤4的纤芯8，也就是最佳位置处，此耦合系统的插入损耗(insertion loss，IL)达到最小(参见图1a和1b)。当反射镜2被斜置时，如图2a和2b所示，反射光束，图中标记为6b，它偏移到输出光纤4的纤芯8之外导致IL增大，因而被衰减。所以，IL的数量和衰减的大小将由偏离纤芯8的偏移量来确定，也就是反射镜2偏离最佳位置的倾斜角度，如图1a所示。然而，这样的结构带有一种被称作波长相关损耗(wavelength dependant loss，WDL)的固有的损耗，它是一个衰减函数，并且与在不同波长组分的模场直径(MFD)的差异相关。更具体地讲，光纤的MFD或模式光斑宽度(mode spot size)是波长的函数，且在光纤中，具有较短波长组分的光(蓝色光)要比具有较长波长组分的光(红色光)更加紧密地被限制在光纤的中心内，也就是说，蓝色光斑21的宽度要比红色光斑22的宽度小，如图1b和2b所示。如图2b所示，现有的VOAs所存在的问题是：当反射镜2斜置时，反射光束6b的中心偏离输出光纤纤芯8的偏移量对所有波长而言是相同的，并且光耦合进入输出光纤4的效率由光斑宽度与光纤纤芯8的重叠程度决定。对于具有相同偏移量的光束来说，与具有较大光斑宽度的较长波长组分相比，较短波长组分具有更小的光斑宽度，并且经历更大的耦合损耗，原因是与较小的光斑宽度相比，较大的光斑宽度显然叠加到光纤纤芯8之上的部分要大得多。

[0004]图1b所示是带有纤芯8的输出光纤4的横截面视图，其中当VOA处于最小衰减状态时，蓝色光斑21和红色光斑22与纤芯8同心；图2b所示是一种典型的衰减状态：光斑的位置非同心，与红色光斑22相比，蓝色光斑21与纤芯重叠的百分比较小，因此导致对蓝色光产生较大的IL损耗，这被称作波长相关损耗，WDL。

[0005]众所周知，IL可以表示成光纤内光束偏移量和MFD(Mode Field Diameter)的函数，如下列方程式(1)所示：

$\mathrm{IL}=4.34\·{\left(\frac{x}{\mathrm{\ω}}\right)}^2---\left(1\right)$

式中：x是聚焦光束偏离光纤纤芯的偏移量，ω是MFD的一半。在方程(1)中，ω是波长λ的函数，而且当波长在一个比较小的范围内(例如，C波段或L波段)时，它们之间是线性关系，可用下面的方程式(2)来表示：

ω＝a+b·λ    (2)

式中：a是常数，b是线性色散系数。则WDL可以用方程式(3)来计算：

$\mathrm{WDL}=-2\·b\·\frac{\mathrm{IL}}{\mathrm{\ω}}\·\mathrm{\Δ\λ}---\left(3\right)$

[0006]对于康宁SMF28(Corning SMF28)光纤，在C波段和L波段范围内，b大约为3.11。由方程(3)可以清楚地看到：当IL增加时，WDL也增加，并且与波长较短的光(例如蓝色光)相比，波长较长的光(例如红色光)具有更小的IL。

[0007]在现有技术中，已有许多VOA系统试图解决WDL问题。其中之一如美国专利公布号为2004/0008967所公开的：它试着通过使用包括各种不同的光学元件的准直器来解决WDL和PDL(偏振相关损耗，polarization dependent loss)的问题，所述各种不同的光学元件包含容纳至少2个波导管的金属环和透镜。选择金属环和透镜使得含有金属环末端和波导管末端的平面不平行于透镜的末端表面，以便有可能确定金属环相对于透镜的位置和轴向方位，以得到最小的WDL。然而，这里没有考虑MFD以及有可能用来补偿WDL的位置调整。

[0008]美国专利号为6,915,061中所公开的VOA系统利用放置于两个透镜之间的光楔，以便有助于调焦并减小微型反射镜的尺寸。

[0009]美国专利号为6,782,153公开了一种带有滤波器的装置，该装置执行波分复用或解复用、衰减、转换、滤波、导出功能中的两个或多个功能。为了防止出现由滤波元件的两个表面所导致的不同基准，滤波元件最好带有楔形的横截面，但是这里没有考虑如何减小WDL。

[0010]美国专利公布号为2004/0316680公开了一种带有半透明折射型光闸的VOA，该光闸包括形如光楔的硅光闸，其能够为输出光束提供可变的倾斜角度，所以出现可变的衰减。其它参数，例如PDL、光反射损耗(ORL)以及WDL也都是光闸几何形状的函数，但是没有考虑如何减小WDL。

[0011]美国专利公布号为2002/0061179介绍了一种采用带有V型凹口的光闸的VOA，这是一种适用于减小光衰减率与波长关联的形式。该系统有光闸作用，使得由于不同波长所导致的MFD的改变而造成光衰减率的关联性被降低。

[0012]美国专利号为7,034,979公开了一种在偏振光调制中采用晶体楔的VOA，其中晶体楔被用来在空间上再结合偏振光束，但是没有考虑如何减小WDL。

发明内容

[0013]本发明的目的是：通过调整波长相关MFD的差异，来补偿基于倾斜镜的VOA的固有的WDL，从而克服现有技术的缺点。

[0014]本发明涉及一种可调式光衰减器，其包括：

第一光学波导，用于发射包含第一和第二波长组分的光束，与第二波长组分相比，第一波长组分具有更短的波长；

第二光学波导，用于接收所述光束；

透镜，具有光轴，用于校准来自所述第一光学波导的光束，并将所述光束聚焦到所述第二光学波导；

可倾斜的反射镜，用于接收来自所述透镜的光束，并将所述光束穿过所述透镜反射到所述第二光学波导，所述反射镜的不同角位置导致不同程度的衰减，并导致固有的WDL；和

放置在所述透镜和所述反射镜之间的色散光楔，所述光楔的折射系数为n，楔角为α，设置所述色散光楔，使得其对第一波长组分的偏移量不同于对第二波长组分的偏移量，来至少部分地补偿固有的WDL。

附图说明

[0015]下面将结合描述优选实施例的附图来更加详细地介绍本发明，其中：

[0016]图1a是传统的现有技术倾斜镜VOA的示意图。

[0017]图1b是图1a的VOA输出光纤的横截面图。

[0018]图2a是传统的现有技术倾斜镜VOA处于衰减位置时的示意图。

[0019]图2b是图2a的VOA输出光纤的横截面图。

[0020]图3a举例说明了根据本发明的带有补偿光楔的VOA。

[0021]图3b是图3a的VOA输出光纤的横截面图。

[0022]图3c所示是图3a所描述的VOA处于衰减位置时的情形。

[0023]图3d是图3c的VOA输出光纤的横截面图。

[0024]图3e示出了本发明的另一实施例。

[0025]图4是IL对WDL的曲线图，图中示出了带有和不带补偿光楔的两种情况下的WDL。

具体实施方式

[0026]如图3a-3d所示，根据本发明的VOA，包含：输入光纤13、具有光轴OA的透镜11、可倾斜的反射镜12，以及带有纤芯16和覆层17的输出光纤14。在理想情况下，输入光纤13和输出光纤14实际上分别被放置在离光轴OA相同距离的地方，这样反射镜12可以被放置成与光轴垂直以提供接近于最佳的耦合。为了对WDL进行补偿，根据本发明，在反射镜12和透镜11之间插入色散光楔15(WDL补偿器)。入射光束包含各种不同波长的光组分，例如红色光和蓝色光，此入射光束从输入光纤13射出，由透镜11校准并定向，穿过WDL补偿器15到达可倾斜的反射镜12。反射镜12使输入光束改变方向，穿过WDL补偿器15和透镜11到达输出光纤14。根据本发明，图3a和3c分别描述了最小衰减状态和典型衰减状态下的VOA。

[0027]图3b和3d也分别描述了带有纤芯16的输出光纤14的截面图，图中示出由于插入了色散光楔或WDL补偿器15而对蓝色光斑21和红色光斑22所分别产生的效果。因此，光楔15根据色彩来将入射光在角度上进行分离，从而导致不同波长的波阵面以不同角度偏离，变成非同心。因此，较长波长组分(例如红色光)和较短波长组分(例如蓝色光)的中心点(例如聚焦点)落到输出光纤14的纤芯16的不同位置。具体来说，在图3a中，光楔15包含入射表面15a和出射表面15b，其中入射表面15a与出射表面15b成锐角，也就是楔角α。设置楔角α使得入射表面15a朝向斜置的反射镜12，即倾斜镜12的枢轴与入射表面15a和所述楔角垂直，使得如图3d所描述的那样，与较长波长组分的中心点(例如红色光斑22)相比，较短波长组分的中心点(例如蓝色光斑21)通过透镜11的聚焦之后，更靠近输出光纤14的纤芯16。因此，较短波长组分(例如蓝色光)现在具有比图2b中更高的与纤芯16重叠的百分比，并且相比以前的情况，由于波长所导致的IL更小，从而与固有WDL的影响相反。因此，与较长波长组分(例如红色光)的较大MFD相比，较短波长组分(例如蓝色光)的较小的MFD被偏移到更为靠近纤芯16，从而至少部分地补偿了固有的WDL。

[0028]通常，在插入色散光楔15后，残余WDL(WDL)_r表示为：

[0029] ${\left(\mathrm{WDL}\right)}_r=2\·\mathrm{IL}\·(\frac{p}{x}-\frac{b}{\mathrm{\ω}})\·\mathrm{\Δ\λ}---\left(4\right)$

[0030]式中：p是与色散材料相关的参数，定义为：

[0031] $p=2\mathrm{\α}\·f\·\frac{\mathrm{\Δn}}{\mathrm{\Δ\λ}}---\left(5\right)$

[0032]式中：α是楔角，f是透镜11的焦距，n是光楔15的折射系数。虽然，对于所有的IL，WDL都不会降至零，但是，当适当地选择楔角α时，对于大范围衰减(例如0～20dB)，WDL能够降至很小。图4所示是本发明中带有5°楔角的光楔补偿器15的优选实施例的WDL。在图4中，为了进行比较，也显示了未加补偿的WDL，可以看出，色散光楔15的补偿效果是显著的。

[0033]在优选实施例中，光楔15包括“薄棱镜”，例如楔角α在0°至10°之间，以便穿透过光楔15的光线的偏离角能够简单地被定义为(n-1)α，假设棱镜周围的介质(例如空气)指数是1，而且楔角和偏离角足够小，使得楔角和偏离角的正弦大约等于其角度本身。理想地，反射镜12的倾斜度由任何适合的安装在MEMS芯片上的微机电驱动器(MEMS actuator)24来控制，正如本技术领域人员所周知的。如果MEMS芯片实际上被预先设定与透镜11的光轴OA之间所成角度为(n-1)α，如图3e所示，当反射镜12与MEMS芯片平行时，即不受驱动时，入射光束将垂直入射到反射镜12上。因此，使用MEMS芯片的附加微量校准，双孔纤尾25可以被用在光轴OA的一侧来收容输入光纤13和输出光纤14，由此当反射镜12处在静止位置或不受驱动时，例如与MEMS芯片平行，输出光纤14具有最小的插入损耗。

[0034]依据本发明，用于可调式光衰减器的另一种方式是：在如图3a和3c所示的色散光楔15的前表面15a和后表面15b上涂上抗反射(AR)涂层。此外，色散光楔15的倾斜角度是一个较小的锐角(例如1°至5°)，这样前表面15a和后表面15b与光束不垂直，使得来自于色散光楔15的两个AR涂层表面15a和15b的残余反射不会耦合进入上述的输入光波导13和输出光波导14中。

Claims (10)

1.一种可调式光衰减器，包括：

第一光纤，用于发射包含第一和第二波长组分的光束，与第二波长组分相比，第一波长组分具有更短的波长；

第二光纤，用于接收所述光束；

透镜，具有光轴，用于校准来自所述第一光纤的光束，并将所述光束聚焦到所述第二光纤；

可倾斜的反射镜，用于接收来自所述透镜的光束，并将所述光束穿过所述透镜反射到所述第二光纤，所述可倾斜反射镜的不同角位置导致不同程度的衰减，并导致固有的WDL；和

放置在所述透镜和所述可倾斜反射镜之间的色散光楔，所述光楔的折射系数为n，楔角为α，设置所述色散光楔，使得其对第一波长组分的偏移量不同于对第二波长组分的偏移量，来至少部分地补偿固有的WDL。

2.依照权利要求1所述的可调式光衰减器，还包含位于MEMS芯片上的用于倾斜所述可倾斜反射镜的微机电驱动器。

3.依照权利要求1所述的可调式光衰减器，其中，所述色散光楔的入射面与所述可倾斜反射镜的枢轴垂直。

4.依照权利要求2所述的可调式光衰减器，进一步包括双孔纤尾，用于容纳所述第一和第二光纤；其中，将所述的MEMS芯片与所述透镜的光轴所成的角度预先设定为(n-1)a。由此当所述可倾斜反射镜不受驱动时，光束可以从所述第一光纤反射到所述第二光纤。

5.依照权利要求1所述的可调式光衰减器，其中，所述第二光纤包括纤芯，其中所述色散光楔使得较短波长组分相对于较长波长组分发生偏移，这样所述较短波长组分的聚焦点比所述较长波长组分的聚焦点更加靠近所述第二光纤的纤芯，以补偿所述固有WDL。

6.依照权利要求1所述的可调式光衰减器，其中，所述第二光纤包括纤芯；

其中所述第一波长组分的模场直径(MFD)要比所述第二波长组分的MFD更小，以及其中，所述色散光楔以不同的角度对所述第一和第二波长组分进行重新定向，使得具有较小MFD的波长组分要比具有较大MFD的波长组分更加向所述光纤的纤芯偏移，以补偿所述固有WDL。

7.依照权利要求1所述的可调式光衰减器，其中，所述色散光楔包含涂有AR涂层的前表面和后表面；和其中所述色散光楔相对于所述光束是倾斜放置的，使得来自于所述色散光楔的所述前和后AR涂层表面的残余反射不会耦合进入所述第一和第二光学波导。

8.依照权利要求7所述的可调式光衰减器，其中，所述色散光楔在1°至5°之间倾斜，这样所述色散光楔的前表面和后表面与光束不垂直。

9.依照权利要求1所述的可调式光衰减器，其中，所述楔角在0°至10°之间。

10.依照权利要求1所述的可调式光衰减器，其中，所述楔角为5°。

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