CN101825775B - 一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线。在水平入射光路上依次设置第一光纤准直器、第一偏振位移晶体、第一λ/2波片、偏振分束镜、置于永磁体环中的磁光晶体、平面反射镜及机械致动部件；在偏振分束镜的垂直反射光路上，依次放置第一λ/4波片、电控偏振片、第二λ/4波片；经45度全反射镜产生水平反射光路，并依次放置第二λ/2波片、第二偏振位移晶体、第二光纤准直器；通过机械致动部件改变平面反射镜水平位置，实现光信号时间延迟的调节；通过改变电控偏振片的电压，实现光功率衰减的动态调节。本发明实现了相互独立的光时间延迟与光功率衰减的动态调节，并具有与入射光偏振无关、延迟调节精度高、动态衰减调节速度快且重复性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线。
背景技术
光纤可调延迟线用于实现输入端到输出端之间光信号的可调延迟。光纤可调光延迟线及其组成的光延时阵列应用广泛，能有效实现射频(RF)信号的真延时(TTD)，目前实现光纤延迟线的途径主要有：基于光纤和电子开关切换、基于光纤和光开关技术、基于集成光学回路、基于空间光路的切换、结合激光器波长调谐和光纤群延时色散等技术。
光纤衰减器的主要功能是完成光信号的功率动态调节，在光纤网络和系统中起到功率管理的作用，用来使光纤链路的功率保持某一定电平，实现光网络中增益平坦、动态增益平衡以及光纤系统传输功率均衡。
本发明提出一种兼有衰减调节功能与光延迟调节功能的新型光纤器件，实现了输入端到输出端之间光信号的幅度响应与信号延迟的动态调节，这种兼有衰减调节功能与光延迟调节功能的新型光纤器件可以广泛应用于高速光通信系统、光子信息处理以及微波/毫米波信号处理等领域，以实现信号的相移调节与幅度加权等功能。本发明具有与入射光偏振态无关、延迟调节精度高、动态衰减调节速度快、光延迟调节与光功率动态衰减调节相互独立、动态调节重复性好以及尺寸小、能耗低等优点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种延迟精度高，偏振无关的，兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线。
兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线是：在水平入射光路上依次设置第一光纤准直器、第一偏振位移晶体、第一λ/2波片、偏振分束镜、置于永磁体环中的磁光晶体、平面反射镜及机械致动部件；在偏振分束镜的垂直反射光路上，依次放置第一λ/4波片、电控偏振片、第二λ/4波片；经一片45度全反射镜产生水平反射光路，沿此水平反射光路依次放置第二λ/2波片、第二偏振位移晶体、第二光纤准直器；通过机械致动部件改变平面反射镜的水平位置，实现光信号时间延迟的调节；通过改变电控偏振片的控制电压，实现光功率衰减的动态调节。
所述的第一λ/2波片、第二λ/2波片光轴都与水平方向成45度，其中第一半波片贴在第一偏振位移晶体的上半通光面，第二半波片贴在第二偏振位移晶体的下半通光面。所述的第一λ/4波片沿反射光传输的方向看，光轴在从水平方向逆时针旋转45度角的方向上，第二λ/4波片沿反射光传输的方向看，光轴在从垂直方向逆时针旋转45度角的方向上。所述的机械致动部件是一种利用压电陶瓷材料在加电信号后，产生超声波频率振动位移的原理制成的微型直线电机。所述电控偏振片两侧面上镀有金属电极，并在晶体的两个通光面上镀有光学增透膜，在垂直方向上外加电场。所述的电控偏振片是透明铁电陶瓷电光材料。所述的透明铁电陶瓷电光材料是锆钛酸铅镧陶瓷或铌镁酸铅陶瓷。所述的偏振分束镜是对水平线偏振光透射，对垂直线偏振光反射的分束镜。所述的磁光晶体是Garnet磁光晶体。所述的Garnet磁光晶体是磁光晶体钇铁石榴石YIG或磁光晶体YFeO3，并被永磁体环预加了饱和磁场。所述的45度全反射镜为直角全反射镜。
本发明通过机械致动部件改变平面反射镜的水平位置，改变输入端光信号到输出端光信号之间光程差，从而实现光信号的高分辨率延时调节；通过改变电控偏振片的控制电压，实现光功率的动态衰减调节。这种方案在光路中可以兼有动态衰减与光延迟调节的功能，而且两种工作独立工作，衰减量的调节不会对光延迟带来影响，同样光延迟的调节不会影响光路的损耗特性。同时，本发明使用了偏振分路控制结构以及高定位精度的微型直线电机致动，使得本发明还具有与入射光偏振态无关、延迟精度高、重复性好、能耗小等优点。
附图说明
图1是偏振无关的微型光纤可调延迟线的构成示意俯视图；
图2是偏振无关的微型光纤可调延迟线1～8号元件的构成示意左视图；
图3是偏振无关的微型光纤可调延迟线12～15号元件的构成示意左视图；
图4是偏振无关的微型光纤可调延迟线9～11号元件沿反射光路方向的光轴和所加电场示意图；
图5是本发明入射光路1、2、3、4、5、7号元件端面光偏振态及位置示意图；
图6是本发明反射光路7、5、4、9、10、11、12、13、14号元件端面光偏振态及位置示意图；
图中，第一光纤准直器1、第一偏振位移晶体2、第一λ/2波片3、偏振分束镜4、磁光晶体5、永磁体环6、平面反射镜7、机械致动部件8、第一λ/4波片9、电控偏振片10、第二λ/4波片11、45度全反射镜12、第二λ/2波片13、第二偏振位移晶体14、第二光纤准直器15。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明：
如图1～4所示，兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线是在水平入射光路上依次设置第一光纤准直器1、第一偏振位移晶体2、第一λ/2波片3、偏振分束镜4、置于永磁体环6中的磁光晶体5、平面反射镜7及机械致动部件8；在偏振分束镜4的垂直反射光路上，依次放置第一λ/4波片9、电控偏振片10、第二λ/4波片11；经一片45度全反射镜12产生水平反射光路，沿此水平反射光路依次放置第二λ/2波片13、第二偏振位移晶体14、第二光纤准直器15；通过机械致动部件8改变平面反射镜7的水平位置，实现光信号时间延迟的调节；通过改变电控偏振片10的控制电压，实现光功率衰减的动态调节。
所述的第一λ/2波片3、第二λ/2波片13光轴都与水平方向成45度，同时为了使结构更加紧凑，可以把厚度很薄的半波片粘在双折射晶体的通光面上，其中第一半波片3贴在第一偏振位移晶体2的上半通光面，第二半波片13贴在第二偏振位移晶体14的下半通光面。
第一λ/4波片9沿反射光传输的方向看，光轴在从水平方向逆时针旋转45度角的方向上，第二λ/4波片11沿反射光传输的方向看，光轴在从垂直方向逆时针旋转45度角的方向上。
所述的机械致动部件8是一种具有高定位精度的微型直线电机，该微型直线电机利用压电陶瓷材料在电信号作用下产生超声波振动位移的原理工作。该微型直线电机在控制信号作用下做精密直线运动，控制信号撤消后，致动部件可以精确锁定在确定位置。
所述的电控偏振片10是透明铁电陶瓷电光材料。透明铁电陶瓷电光材料是锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)或铌镁酸铅陶瓷(PMN-PT)。电控偏振片在垂直方向上施加了控制电场，且电控偏振片两侧面上镀有金属电极，并在晶体的两个通光面上镀有光学增透膜。对电控偏振片10外加电压，将产生二次电光效应(Kerr效应)使晶体的折射率发生变化，通过晶体的两个互相垂直的偏振光将产生一个依赖于外加电压的相位差
其中R为光电材料的电光系数，n为不加电压是晶体的折射率。电控偏振片10与第一λ/4波片9、第二λ/4波片11相结合，构成了线偏振光偏振态的旋转组件，可以通过控制电控偏振片10的外加电压来改变相位差，并最终实现输入第一λ/4波片9的线偏振光到输出第二λ/4波片11的线偏振光之间偏振角度的改变。
所述的偏振分束镜4是对水平线偏振光透射，对垂直线偏振光反射的分束镜。
所述的磁光晶体5是Garnet磁光晶体，Garnet磁光晶体是磁光晶体钇铁石榴石YIG或磁光晶体YFeO3。对Garnet磁光晶体外加磁场将产生法拉第效应，本发明利用永磁体环对晶体外加的磁场是饱和磁场，使入射光沿入射方向顺时针偏转45度，反射光沿反射方向逆时针偏转45度。
所述的45度全反射镜12为直角反射镜，利用偏振光入射角大于布儒斯特角产生的全反射效应，对反射偏振光全反射。
所述的第一偏振位移晶体2、第二偏振位移晶体14由钒酸钇(YVO4)等具有高双折射特性的材料制成，并在其通光面上镀有光学增透膜，增强透光性。一束光正入射到该双折射晶体，分为两束偏振方向互相垂直的O光和E光，O光沿原方向前进，而E光发生的偏折与晶体光轴方向相关。
本发明工作过程如下：
任意偏振态的光信号从输入光纤由光纤准直器1进入，经第一偏振位移晶体2，将分成两束偏振方向互相垂直的光，即O光和E光。选择第一偏振位移晶体2的光轴方向，使得水平线偏振光对第一偏振位移晶体2为O光，直接通过，垂直线偏振光对于第一偏振位移晶体2为E光，向上偏移一定距离后输出。沿入射方向看，光纤准直器1后端面和第一偏振位移晶体2后端面的光偏振态分别如图5中i_1和i_2所示。
其中垂直偏振光E光经第一λ/2波片3后偏振态发生变化，旋转90度成为水平线偏振光。于是光经过第一λ/2波片3后，输入光信号成为上下两束偏振方向相同的水平线偏振光。沿入射方向看，第一半波片3后端面的光偏振态如图5中i_3所示。
上述两束光经过偏振分束镜4时，水平线偏振光是偏振分束镜4的P偏振光，透射射出。沿入射方向看，偏振分束镜4后端面的光偏振态如图5中i_4所示。
两束水平线偏振光经过预加饱和磁场处理的Garnet磁光晶体5时，Garnet磁光晶体5使得两束入射光沿入射方向顺时针偏转45度，成为偏振方向相同的45度线偏振光。沿入射方向看，Garnet磁光晶体5后端面的光偏振态如图5中i_5所示。
上述两束45度线偏振光被平面反射镜7反射，不改变偏振方向。此时的平面反射镜7位置由所需的光延迟量决定，即如需减小延时，则由机械致动部件8推动向反射光方向移动；如需增大延时则由机械致动部件8推动向入射光方向移动。沿入射方向看，平面反射镜7端面的光偏振态如图5中i_7所示；沿反射方向看，平面反射镜7端面的光偏振态如图6中r_7所示。
被反射的两束45度线偏振光再次经过Garnet磁光晶体5，两束45度线偏振光将沿反射方向逆时针偏转45度。于是，经过Garnet磁光晶体5后，反射光信号成为上下两束偏振方向相同的垂直线偏振光。沿反射方向看，Garnet磁光晶体5后端面的光偏振态如图6中r_5所示。
上述两束垂直线偏振光是偏振分束镜4的S偏振光，被反射。偏振分束镜4前端面的光偏振态分别如图6中r_4所示。
两束反射光向右射出，进入由第一λ/4波片9、电控偏振片10、第二λ/4波片11组成的偏振态的旋转组件。第一λ/4波片9将线偏振光转化成圆偏振光；圆偏振光进入电控偏振片10，可以通过控制电控偏振片10的外加电压来改变相位差，输出椭圆偏振光；椭圆偏振光进入第二λ/4波片11被转化为线偏振光输出，输出线偏振光的角度取决于相位差Γ。这样，最终实现了输入第一λ/4波片9的线偏振光到输出第二λ/4波片11的线偏振光之间偏振角度的改变。沿反射方向看，第一λ/4波片9、电控偏振片10和第二λ/4波片11后端面的光偏振态分别如图6中r_9、r_10和r_11所示。
第二λ/4波片11输出的具有一定偏角的线偏振光又被45度全反射镜12反射，产生与原入射方向平行反射光路。沿反射方向看，45度全反射镜12后端面的光偏振态如图6中r_12所示。
两束具有一定偏角的线偏振光，其偏振态在垂直线偏振方向的投影分量可以在偏振分路控制结构(13、14、15号元件)中通过单模光纤输出，而经电控偏振10后偏振态在水平线偏振方向的投影分量经偏振分路控制结构(13、14、15号元件)后不能耦合到输出的单模光纤中，成为光路的衰减损耗。
下面一束线偏振光经第二半波片13后偏振态发生变化，垂直方向分量旋转90度成为水平方向分量，水平方向分量旋转90度成为垂直方向分量。反射光信号上面一束不改变偏振态。沿反射方向看，第二半波片13后端面的光偏振态如图6中r_13所示，其中实线为实际偏振方向，虚线为在水平或垂直方向的投影分量。
上述两束光信号经过第二偏振位移晶体14时，上面一束偏振光的水平方向分量和下面一束偏振光的垂直方向分量被损耗，如图3中虚线所示；其余部分(上面一束偏振光的垂直方向分量和下面一束偏振光的水平方向分量)则被重新合成为一束初始偏振状态的光，进入第二光纤准直器15后，从输出光纤输出。沿反射方向看，第二偏振位移晶体14后端面的光偏振态如图6中r_14所示。
Claims (8)
1.一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：在水平入射光路上依次设置第一光纤准直器(1)、第一偏振位移晶体(2)、第一λ/2波片(3)、偏振分束镜(4)、置于永磁体环(6)中的磁光晶体(5)、平面反射镜(7)及机械致动部件(8)；在偏振分束镜(4)的垂直反射光路上，依次放置第一λ/4波片(9)、电控偏振片(10)、第二λ/4波片(11)；经一片45度全反射镜(12)产生水平反射光路，沿此水平反射光路依次放置第二λ/2波片(13)、第二偏振位移晶体(14)、第二光纤准直器(15)；通过机械致动部件(8)改变平面反射镜(7)的水平位置，实现光信号时间延迟的调节；通过改变电控偏振片(10)的控制电压，实现光功率衰减的动态调节；所述的第一λ/2波片(3)、第二λ/2波片(13)光轴都与水平方向成45度，其中第一半波片(3)贴在第一偏振位移晶体(2)的上半通光面，第二半波片(13)贴在第二偏振位移晶体(14)的下半通光面；所述的第一λ/4波片(9)沿反射光传输的方向，光轴在从水平方向逆时针旋转45度角的方向上，第二λ/4波片(11)沿反射光传输的方向，光轴在从垂直方向逆时针旋转45度角的方向上。
2.根据权利要求1所述的一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：所述的机械致动部件(8)是利用压电陶瓷材料在加电信号后，产生超声波频率振动位移的原理制成的微型直线电机。
3.根据权利要求1所述的一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：所述电控偏振片(10)两侧面上镀有金属电极，并在电控偏振片晶体的两个通光面上镀有光学增透膜，在垂直方向上外加电场。
4.根据权利要求1所述的一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：所述的电控偏振片(10)是透明铁电陶瓷电光材料；所述的透明铁电陶瓷电光材料是锆钛酸铅镧陶瓷或铌镁酸铅陶瓷。
5.根据权利要求1所述的一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：所述的偏振分束镜(4)是对水平线偏振光透射，对垂直线偏振光反射的分束镜。
6.根据权利要求1所述的一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：所述的磁光晶体(5)是Garnet磁光晶体。
7.根据权利要求6所述的一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：所述的Garnet磁光晶体是磁光晶体钇铁石榴石YIG或磁光晶体YFeO3，并被永磁体环(6)预加了饱和磁场。
8.根据权利要求1所述的一种兼有衰减调节功能的微型光纤可调延迟线，其特征在于：所述的45度全反射镜(12)为直角全反射镜。
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