CN101236276B - 可变光衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变光衰减器，其衰减光束同时保持其偏振而大致与波长不相关。光束通过滤波器衰减，该滤波器用具有阻断带和锯齿边缘的光栅来组成图案，所述阻断带和锯齿边缘分别将光束部分阻断和部分传输。锯齿边缘可获得低偏振相关损耗。阻断带和光孔宽度的标记占空比沿着滤波器的长度方向增加。通过沿滤波器的长度方向线性平移滤波器，可以改变衰减值以使其达到所需的值。具有导螺杆的步进马达可以提供合适的线性平移，以使滤波器具有锁存特性。

Description

可变光衰减器

技术领域

本发明涉及用于衰减光束强度的可变光衰减器，特别涉及在较宽的衰减量和衰减波长的范围内保持光束偏振的光衰减器。

背景技术

可变光衰减器被广泛用于光通信和其它应用场合中，来调整光信号的光功率水平以达到均衡目的或控制光接收器中的光电探测器的动态范围和敏感度。实现光衰减的手段包括利用线性中性密度滤波器、衰减棱镜、光束阻断器、转镜和用于弯曲或偏移光纤的机械装置。

在现有技术的解决办法中，Smiley等(美国专利6,167,185)公开了一种保持光束偏振分量的可调光衰减器。光束衰减器的横截面与准直光束传播方向垂直且其形状为楔形。采用用于移动光束衰减器的控制器来改变衰减量，以改变所述楔形在准直光束内的部分的大小。

图1示出了可调光衰减器100，它包括不透明光锥101，该光锥101部分阻断以截面图示出的准直光束102。通过沿运动方向103将不透明锥体101线性移入或移出准直光束102来实现衰减调节。这种配置的缺点是，运动方向103必须保持和准直光束102的中心精确对准，从而使一个偏振110的衰减和另一个偏振120的衰减匹配。E和H表示各个偏振的电场和磁场方向。

Payne等公开了现有技术的另外一个例子(美国专利6,801,354)，如图2所示。可调光衰减器200包括光膜202上的圆形光阑孔203的对称阵列，所述圆形光阑孔203形成二维衍射光栅，当衰减入射光201时，二维衍射光栅可消除偏振相关损耗(PDL)。图3是可调光衰减器300的俯视图。圆形光阑孔302的对称阵列在反射氮化硅膜301中形成二维衍射光栅。反射柱(post)303被设置在每个圆形光阑孔302里面。利用静电将反射氮化硅膜301相对于反射柱303提高或降低，可以实现从可调光衰减器300反射的入射光的衰减。将光阑孔302设计为圆形的目的是为了减小输出反射光束衰减的PDL。

在反射中采用上述的装置会使获取衰减器输出光束变得复杂。可调光衰减器300的制造必须经历多次沉积、光刻和蚀刻步骤，因此提高了制造的成本。由于没有固有的锁存特性，当将电驱动电压去除，会释放移动光膜的静电力，而导致衰减回复到某一静态值。

通常，衰减对控制信号作线性响应一般是优选的。所期望的可控衰减范围可达30dB。在0 dB到20 dB的衰减范围内，偏振相关损耗(PDL)优选低于0.2dB。对于光纤通信的C带，波长相关损耗(WDL)优选0.3dB或更小。对于一些应用，优选可变衰减器，即使其电源被关闭也保持其衰减设置，即具有锁存特性。

发明内容

本发明的一个目的是，提供一种具有30dB宽可控衰减范围的可变光衰减器，同时保持低PDL和WDL。

本发明的进一步目的是，提供一种具有锁定特性的可变光衰减器。

最后，本发明的另一个目的是，提供一种具有响应于驱动信号的线性衰减的可变光衰减器。

因此，本发明涉及的可变光衰减器包括具有多个交替阻断带和线性光孔的滤波器，其中，阻断带被设计成Z字型。对Z字型的尺寸进行选定以使滤波器的偏振相关损耗达到最小。

本发明的另一个特征是，带宽和光孔宽度的比例随着离滤波器末端的距离的变化而逐步变化，从而使滤波器沿运动方向通过输入光束的线性平移引起衰减输出光束的衰减量的变化。

本发明的另一个方面涉及一种将滤波器线性平移经过输入光束的致动器(actuator)，以使在致动器失去驱动功率时并不改变衰减量，从而提供了锁存特征。

附图说明

下面将根据代表优选实施例的参考附图，对本发明进行更详细的描述，其中：

图1是现有技术楔型可调光衰减器的示意图；

图2是现有技术中具有二维低偏振相关损耗光栅的光膜的等轴测视图；

图3是现有技术中二维低偏振相关损耗光栅的俯视图；

图4是根据本发明的可变光衰减器的原理图；

图5是可变光衰减器的一个具体实施例的详细原理图；

图6是线性可变光栅滤波器的一个具体实施例的俯视图(不按比例)；

图7是三个不同衰减设置的波长相关损耗光谱图；

图8是偏振相关损耗的衰减函数图。

具体实施方式

举例来说，图4示出了可变光衰减器400的光学设计原理图。输入光通过输入光纤401进入可变光衰减器400，然后经准直透镜421准直而产生准直光束420。可沿大致垂直于准直光束420的运动方向440移动的可变光栅滤波器430，将准直光束420的一部分传输到准直透镜422，以将其聚焦到输出光纤402的端部。通过沿运动方向440线性定位可变光栅滤波器430可改变所述被传输的部分准直光束420。输入光纤401和输出光纤402可以用平板波导、自由空间光束或类似的连接到外部光学系统的光学连接器代替。

图5示出了可变光衰减器500的一个具体实施例的较详细的图。输入光通过输入光纤501进入可变光衰减器500，输入光纤501的末端用光管511固定。从光纤501末端输出的输入光经准直透镜521准直，然后第一转向棱镜541将其重定向为准直光束551。准直光束551大致垂直入射到可变光栅滤波器530，可变光栅滤波器530将包含一部分准直光束551的衰减光束552传输到第二转向棱镜542，以从处进入准直透镜522，该准直透镜522将光聚焦到由第二光管512支撑的输出光纤502的末端。输出光纤502接收聚焦衰减光束552，从而将其传输到外部光学系统的其它部分。

设计可变光栅滤波器530的性能，使得根据准直光束551在可变光栅滤波器530上的沿滤波器运动方向540的入射距离，来改变作为衰减光束552而被传输的准直光束551部分。因此沿滤波器运动方向540的可变光栅滤波器530的线性平移，会引起准直光束551衰减量的变化，准直光束551根据可变光栅滤波器530的移动距离和方向变化。

为了获得可变光栅滤波器530的线性或近似线性的平移，可以采用几种方法。在上面的例子中，采用步进马达560旋转导螺杆，滤波器支架562与相应的螺线部分和导螺杆561啮合，从而导螺杆561的转动会使滤波器支架562沿着运动方向540线性平移。滤波器支架562用一个或多个定位销(guide pin)563(只显示出一个)来防止导螺杆的旋转。当步进马达560的驱动电流被切断，支撑可变光栅滤波器530的滤波器支架562保持在导螺杆561的位置，因此获得所期望的锁定功能。

在实际应用中，准直光束551不需被完全准直，也不需准确垂直入射到可变光栅滤波器530上。甚至可以希望有一些角度，以减少从可变光栅滤波器530回到输入光纤501的后向反射引起的负面影响，最终提高可变光衰减器500的回波损耗。输入光纤501和输出光纤502也可以包括平板波导、自由空间光束或其它连接到外部光学系统的适合的光学连接器。

可以用其它类型的致动器(例如微电机系统(MEMS)致动器)代替步进马达560，该致动器根据所需的衰减量(由反馈控制机构预设或控制)使可变光衰减器做往复运动、滑行或移动到不同的位置。利用合理选择的致动器，当致动器的电源被切断，可变光栅滤波器530保持在适当的位置。其他类型的机械锁定也是可行的。

转向棱镜541和542可以是三棱镜，其具有镀有反射膜的长面或具有足够高折射率以提供全内反射。作为选择，可以使用多个小反射镜。

可变光栅滤波器530的具体实施例的详细结构如图6所示。它基于应用半导体兼容工艺制作的可变光栅技术。可变光栅滤波器630包括透明衬底631，在该透明衬底631的一个表面上具有由多个锯齿形边缘隔开的、交替布置的多个Z字形阻断带621与光孔(aperture)622。锯齿形前缘和后缘被限定为齿形、每一个锯齿形具有顶角646，目的是为了实现准直光束551(图5中的551)的两个偏振具有相同的阻断或衰减。锯齿深度645必须被最优以减小可变光栅滤波器630的PDL和回波损耗。顶角646可在80°和100°范围之内，但是对于最优PDL，90°是优选的。锯齿齿距644是由锯齿深度645和顶角646的几何关系确定的。

光孔622是透明的以传输期望波长范围内的光。光孔622上的抗反射镀层可以用于减少由于透明衬底631表面反射而引起的光损耗。阻断带621或者是不透明的或者是高反射的以基本上阻断该期望波长范围内的光的传输。金、铬或铝是适合阻断带621的不透明镀层的样品材料。

准直光束(图5中的551)以近似垂直的入射入射到可变光栅滤波器上，以形成具有光强分布651的光束光斑650。当可变光栅滤波器630相对光束斑650沿着滤波器运动方向640平移，阻断带621和光孔622可以被带入光束光斑650而改变光束光斑的量，因此通过可变光栅滤波器630阻断了一部分光的传输。因此产生了可变衰减光束(图5中的552)。

阻断带621与相交光孔622的面积比率，随着可变光栅滤波器630沿滤波器运动方向640的距离而变化。例如，面积比率可以通过沿滤波器运动方向640的方向上减小带宽641、增加光孔宽度642或二者的结合来改变。对于相对于可变光栅滤波器630的移动距离的衰减斜率(分辨率)和受反射衍射影响的回波损耗两者，对带距643(两个相邻阻断带621之间的间距)进行优化。

经过可变光衰减器500的光主要包括两个分量，即阻断损耗和模式失配损耗。

假设可变光栅滤波器630的入射光的光强分布是一个高斯函数，可将它表示为：

其中A₀和ω分别是场振幅和光束腰半径，

是相位角。

由阻断带621形成的图案可以用door函数door(x，y)表示。因此，仅由阻断带621引起的光损耗IL₁，可由下式得到：

$I{L}_1=\frac{\∫\∫{({\mathrm{\φ}}_1(x,y)*\mathrm{door}(x,y)({\mathrm{\φ}}_1(x,y)*\mathrm{door}(x,y)}^{*}\mathrm{ds}}{\∫\∫{\left({\mathrm{\φ}}_1(s,y)({\mathrm{\φ}}_1(x,y\right)}^{*}\mathrm{ds}}---\left(2\right)$

光通过可变光栅滤波器630后被耦合到光输出502(例如光纤)，经由可变光栅滤波器630和光输出502的模式分布是不同的，并可能引起由于模式失配的耦合损耗。这种失配耦合效率可以表示如下：

$\mathrm{\η}=\frac{{|\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{FT}\left({\mathrm{\φ}}_1^{\′}(x,y)\right)\·\mathrm{FT}\left({\mathrm{\φ}}_1(x,y)\right)*\mathrm{ds}|}^2}{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|\mathrm{FT}\left({\mathrm{\φ}}_1^{\′}(x,y)\right)\right|}^2\mathrm{ds}\·\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|\mathrm{FT}\left({\mathrm{\φ}}_1(x,y)\right)\right|}^2\mathrm{ds}}---\left(3\right)$

其中，φ₁′是光的模式分布，FT(φ₁′)和FT(φ₁)分别是经由透镜和光纤的光的通过傅立叶(Fourier)变换。根据Parseval原理，等式(3)可以被改写为：

$\mathrm{\η}=\frac{{|\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_1^{\′}(x,y)\·{\mathrm{\φ}}_1(x,y)*\mathrm{ds}|}^2}{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|{\mathrm{\φ}}_1^{\′}(x,y)\right|}^2\mathrm{ds}\·\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|{\mathrm{\φ}}_1(x,y)\right|}^2\mathrm{ds}}---\left(4\right)$

因此可以计算出模式失配耦合损耗：

    IL₂＝-10log10^η    (5)

忽略来自透镜和光纤的小损耗，我们得到阻断损耗和模式失配损耗的和的总损耗：

    IL＝IL₁+IL₂    (6)

本技术的一个优点是，根据可变光栅滤波器630的移动距离的期望函数，可定制door函数来实现衰减特性。

设计可变光栅滤波器630过程中的一个重要因素是，适当的考虑阻断带621的透射率，要求阻断带621具有足够低的透射率或足够高的光排斥率。甚至通过阻断带621的一小部分光就可以干涉通过光孔622的光。这种干涉能在波长光谱中产生周期性波纹，导致波长相关损耗(WDL)的提高。这种现象在较高衰减设置时特别明显，在较高光衰减设置，漏过阻断带621的光和传过光孔622的光的功率相差较小。在较低衰减设置时这种现象不明显。

因此，对于阻断带621通常所需的损耗大于45dB。这可以通过将阻断带621镀上厚的不透明材料层实现。作为选择，可施加多层电介质镀层而使阻断带621具有高反射性能。

图7表示了三个标称衰减设置：10dB(701)，20dB(702)和30dB(703)的波长相关损耗(WDL)光谱700。0.3dB或更小的WDL在光纤通信C带很明显，C带的相应波长范围是1520nm到1570nm。在任一个2nm带，WDL低于0.1dB。

根据本发明测量的低PDL值绘制在图8中。在整个衰减范围0dB到32dB内，PDL小于0.10dB。当衰减设置降低，PDL减小。

总的来说，所描述的可变光衰减器包括输入端口和滤波器，该输入端口用于接收光输入和传输光束，该滤波器包括透明衬底，该透明衬底具有在其第一末端和第二末端之间分布的多个交替的阻断带和线性光孔。

滤波器被设置在光束内，以使至少一个阻断带阻断光束的一部分，并且至少一个线性光孔传输具有衰减值的衰减光束。阻断带被设计成Z字型，每一个阻断带具有带宽并与相邻的阻断带以光孔宽度隔开。

滤波器的运动方向从第一末端到第二末端。带宽和光孔宽度的比例随着沿运动方向离开第一末端的距离的增加而逐步增加。

滤波器可以被限制在沿运动方向大致成直线的方向移动。光束可以被准直。

阻断带可以包括不透明的镀层，合适的材料是金、铬或铝。阻断带也可以包括高反射镀层，例如多层电介质干涉镀层。

将透明衬底镀上抗反射镀层是有利的。

也描述了使滤波器沿运动方向大致成线性方向移动的致动器，移动该滤波器以增大或减小衰减值。一个合适的致动器可以包括用于旋转导螺杆的步进马达，以推进或缩进连接到滤波器且与导螺杆的螺纹啮合的滤波器支架。滤波器支架利用定位销防止旋转。

作为选择，致动器可以包括微电机系统(MEMS)装置，用于使滤波器大致按线性方向前进或后退。

Z字型阻断带限定了顶角，顶角的值在80度到100度之间。优选顶角是90度。

可变光衰减器可以还包括输出端口，用于接收衰减光束和传输光输出。

输入端口优选包括用于支撑输入光纤末端的第一光管、用于准直光输入的第一透镜，以及用于将准直光束引导到滤波器的第一转向棱镜。类似的，输出端口包括用于支撑输出光纤末端的第二光管、用于将衰减光束聚焦到输出光纤末端的第二透镜，以及用于将衰减光束引导到第二透镜的第二转向棱镜。

Claims (16)

1.一种可变光衰减器，包括：

输入端口，其用于接收光输入和传输光束；

滤波器，其包括透明衬底，在所述透明衬底第一末端和第二末端之间，分布有多个交替的阻断带和线性光孔，所述滤波器被置于所述光束内，以使至少一个阻断带阻断所述光束的一部分且至少一个线性光孔传输具有衰减值的衰减光束；

其中，所述多个阻断带被设计成Z字型，每一个阻断带具有带宽并与相邻的阻断带以光孔宽度隔开；

其中，所述滤波器的运动方向从所述第一末端指向所述第二末端；以及

其中，沿所述运动方向，所述带宽和光孔宽度的比率随着距所述第一末端的距离的增加而逐步增加。

2.如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所述滤波器被限制在沿所述运动方向大致成线性的方向移动。

3.如权利要求2所述的可变光衰减器，其中，所述光束被准直。

4.如权利要求2所述的可变光衰减器，其中，所述阻断带包括不透明的镀层。

5.如权利要求4所述的可变光衰减器，其中，所述不透明的镀层包括金、铬或铝中的一种。

6.如权利要求2所述的可变光衰减器，其中，所述阻断带包括高反射镀层。

7.如权利要求6所述的可变光衰减器，其中，所述高反射镀层包括多层介电干涉镀层。

8.如权利要求2所述的可变光衰减器，还包括用于沿所述运动方向移动所述滤波器的致动器，以增加或减少所述衰减值。

9.如权利要求8所述的可变光衰减器，其中，所述致动器包括步进马达和滤波器支架，所述步进马达用于旋转导螺杆，所述滤波器支架和所述导螺杆的螺纹啮合，以使所述滤波器按大致线性方向前进或后退，用定位销防止所述滤波器支架旋转。

10.如权利要求8所述的可变光衰减器，其中，所述致动器包括微电机系统MEMS装置，其用于使所述滤波器按大致线性方向前进或后退。

11.如权利要求8所述的可变光衰减器，还包括用于接收所述衰减光束和传输光输出的输出端口。

12.如权利要求11所述的可变光衰减器，其中，所述输入端口包括：

第一光管，其用于容纳输入光纤末端；

第一透镜，其用于准直所述光输入；以及

第一转向棱镜，用于将所述准直光束引导到所述滤波器；以及

其中，所述输出端口包括：

第二光管，其用于容纳输出光纤末端；

第二透镜，其用于将所述衰减光束聚焦到所述输出光纤的所述末端；以及

第二转向棱镜，其用于将所述衰减光束引导到所述第二透镜。

13.如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所述透明衬底镀有抗反射镀层。

14.如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所述Z字型包括顶角。

15.如权利要求14所述的可变光衰减器，其中，所述顶角的值在80度和100度之间。

16.如权利要求14所述的可变光衰减器，其中，所述顶角的值是90度。

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