CN102096206A - 电光可变光衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光可变光衰减器，包括1/2波片或1/4波片、电光晶体、偏振分束器、复合器以及光纤准直器。任意偏振入射的光经由偏振分束器后分为两束偏振互相垂直且具有不同路径的光，这两束光的偏振方向与电光晶体的c轴的夹角均为(π/4+mπ)，通过采用在两块相同的电光晶体中间加一块1/2波片或二块1/4波片的结构，使得两束光的偏振态均向同一方向旋转90度，即两束光的偏振态经过波片后进行了相互转换，这样在通过偏振分束器、复合器和两个电光晶体后，两束光的光程差为零，那么由偏振分束器、复合器、电光晶体自然双折射引起的位相延时可以互相抵消，从而消除自然双折射的影响，提高器件的稳定性。

Description

电光可变光衰减器

技术领域

本发明涉及光纤通信领域中的可变光衰减器，更具体地说，是涉及一种电光可变光衰减器。

背景技术

在光纤通信系统中，可变光衰减器是重要的无源器件之一，它可以动态地减低或控制光信号。阵列可变光衰减器更是密集波分复用系统中进行多通道光功率进行监控和均衡器件的核心部件。随着通讯容量的急剧增加，人们需要具有响应时间快、插入损耗低、偏振相性关小、可靠性好以及易于集成等优点的可变光衰减器，但是目前常见的机械性、微电子机械系统(MEMS)、以及光纤位移型等可变光衰减器由于涉及到机械运动，难以实现较快的响应时间，同时也缺乏长期的稳定性。其它如热光效应、光波导型等类型可变光衰减器的制造技术尚难保证可变衰减器技术指标的稳定，且它们的插入损耗、偏振相关损耗较大。而电光型可变光衰减器则是利用电光效应制作的可变光衰减器，因为一次电效应通常比二次电光效应大得多，因此通常利用具有一次电光效应的各向异性的电光晶体进行电光调制。电光调制通常分为纵向调整和横向调制，纵向调制时电光晶体所加电极方向与光传播方向一致，虽然可以消除自然双折射的影响，但是需要在通光方向上镀透明电极或环形电极，而且器件的驱动电压不可调；横向调制的电极方向与光传播方向垂直，除方便镀电极外，还可以通过改变电光晶体中通光长度与电极距离的比例而改变器件的驱动电压，但其中的电光晶体存在自然双折射的影响而引起的稳定性不好的问题。另外，利用晶体的电光效应制作的可变光衰减器虽然具有可靠性高、响应时间快的特点，并且通过镀膜增透可使其插入损耗降到很低，合理的结构设计可使其具有极低偏振相关性，但是目前常用的铌酸锂晶体的一次电光系数较小，器件的驱动电压往往需要上千伏。

发明内容

针对现有技术中存在电光可变光衰减器横向调制时存在自然双折射的影响导致稳定性不好的问题，本发明的目的是提供一种电光可变光衰减器，能够消除电光晶体、偏振分束器及复合器自然双折射的影响。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提出一种电光可变光衰减器，包括1/2波片、1/2波片的两侧对称设有电光晶体，电光晶体的上、下表面均带有金属电极，金属电极的表面与电光晶体的c轴相垂直，其中一电光晶体的外侧设有偏振分束器、另一电光晶体的外侧设有复合器；偏振分束器以及复合器的外侧均设有相互平行的光纤准直器；金属电极均与用于调节电场方向的电信号调制器相连接，所述偏振分束器的入射光线与其光轴形成的平面和电光晶体的入射光线与电光晶体的c轴形成的平面之间构成夹角，所述夹角为(π/4+mπ)，其中m为整数；所述1/2波片的光轴和电光晶体的c轴方向相同。

所述电光晶体采用铌镁钛酸铅单晶，其分子结构式为：

(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)TiO₃-xPbTiO₃，其中x的取值范围：0.35≤x＜1。

所述x的取值范围：0.35≤x≤0.38。

所述电光晶体的c轴带有极性，且c轴的极性方向相反；所述电光晶体的电场方向相同。

所述电光晶体的c轴带有极性，且c轴的极性方向相同；所述电光晶体的电场方向相反。

所述复合器与偏振分束器相同，且复合器的光轴方向与偏振分束器的光轴方向相同。

所述与偏振分束器相邻的光纤准直器的入射光方向与偏振分束器中o光的方向在同一直线上，与复合器相邻的光纤准直器的出射光方向与偏振分束器中e光的方向在同一直线上。

所述复合器和与其相邻的电光晶体之间还设有一1/2波片。

本发明还提出一种电光可变光衰减器，所述电光可变光衰减器包括可变光衰减器上半部分以及下半部分，所述可变光衰减器上半部分依次设有光纤准直器、偏振分束器、电光晶体以及1/4波片、所述可变光衰减器下半部分与可变光衰减器上半部分对称设有光纤准直器、复合器、电光晶体以及1/4波片，所述电光晶体的上、下表面均带有金属电极，金属电极的表面与电光晶体的c轴相垂直；所述电光晶体的c轴均带有极性，且c轴的极性方向相同；设于可变光衰减器上半部分的电光晶体的上表面的金属电极与设于可变光衰减器下半部分的电光晶体的下表面的金属电极由金属导线连接至用于调节电场方向的电信号调制器的一端，设于可变光衰减器上半部分的电光晶体的下表面的金属电极与设于可变光衰减器下半部分的电光晶体的上表面的金属电极相接触，并接到电信号调制器的另一端；所述1/4波片的后侧还设有用于将可变光衰减器上半部分的光线平行反射进入可变光衰减器下半部分的直角反射镜，所述偏振分束器的入射光线与其光轴形成的平面和电光晶体的入射光线与其c轴形成的平面之间构成夹角，所述夹角为(π/4+mπ)，其中m为整数；所述1/4波片的光轴和所述电光晶体的c轴方向相同。

所述电光晶体采用铌镁钛酸铅单晶，其分子结构式为：

(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)TiO₃-xPbTiO₃，其中x的取值范围：0.35≤x＜1。

所述x的取值范围：0.35≤x≤0.38。

所述可变光衰减器上半部分的光纤准直器以及可变光衰减器下半部分的光纤准直器为一双光纤准直器。

所述偏振分束器与复合器相同，所述偏振分束器与复合器采用一体或分体结构。

所述可变光衰减器上半部分的1/4波片以及可变光衰减器下半部分的1/4波片为一体结构。

所述可变光衰减器下半部分的电光晶体与复合器之间设有一1/2波片。

与现有技术相比，本发明的电光可变光衰减器具有以下的有益效果：

当任意偏振入射的光经由偏振分束器后分为两束偏振互相垂直且具有不同路径的光后，这两束光的偏振方向与电光晶体的c轴的夹角均为(π/4+mπ)，这两束光进入电光晶体后均可分解为振幅相同的o光和e光，从而消除偏振相关损耗及偏振模色散。通过采用在两块相同的电光晶体中间加一块1/2波片或二块1/4波片的结构，使得两束光的偏振态均向同一方向旋转90度，即两束光的偏振态经过波片后进行了相互转换，这样在通过偏振分束器、两个电光晶体、复合器后，两束光的光程差为零，那么由电光晶体、偏振分束器、复合器自然双折射引起的位相延时可以互相抵消，从而消除自然双折射的影响，使得输出光强仅仅是施加在电光晶体上的电压的函数，因此具有热稳定性高、偏振相关低、偏振模色散低的优点。作为改进，在可变光衰减器电光晶体与复合器之间设有一1/2波片可使器件处于常关状态，达到保护后续光学器件的效果。作为进一步的改进，电光晶体采用铌镁钛酸铅电光晶体可使本发明的电光可变光衰减器具有微秒(μs)级的响应时间，同时器件的驱动电压可以下降至220V甚至更低，与常见的铌酸锂器件的1KV电压相比，降低了五分之四，可以大大降低能耗并简化相应驱动电路的设计。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1在0V及V_π/2电压下的光路及光偏振态的变化示意图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是本发明实施例2在0V及V_π/2电压下的光路及光偏振态的变化示意图；

图5是本发明实施例3的结构示意图；

图6是本发明实施例3在0V及V_π/2电压下的光路及光偏振态的变化示意图；

图7是本发明实施例4的结构示意图；

图8是本发明实施例4在0V及V_π/2电压下的光路及光偏振态的变化示意图；

图9是不同长宽比的电光晶体制作可变光衰减器的透过光强与电压的函数关系的曲线示意图；

图10是不同长宽比电光晶体制作可变光衰减器的衰减量与电压的函数关系的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

通过电光可变光衰减器设计的原理可知，对于任意偏振态的线偏振光入射到各向异性的电光晶体时都将分为o光和e光，当入射光的线偏振态与电光晶体中o光和e光的偏振态重合时，入射光将不分解，此时电光晶体无法起到位相延时器的作用，这样造成电光可变光衰减器具有很大的偏振相关性，同时由于电光晶体的自然双折射，o光和e光的光程差也会带来不同位相延时，其后果是造成可变光衰减器无法正常工作。

实施例1

请参见图1所示的透射式常开型电光可变光衰减器包括1/2波片101、1/2波片101的两侧对称设有电光晶体102，电光晶体102的上、下表面均带有金属电极103，金属电极103的表面与电光晶体102的c轴(即电光晶体的光轴)相垂直，其中一电光晶体102的外侧设有偏振分束器104、另一电光晶体102的外侧设有复合器105，复合器105与偏振分束器104是两块完全一致的双折射晶体，且复合器105的光轴放置方向与偏振分束器104的光轴放置方向相同，双折射晶体可以是钒酸钇等具有较大自然双折射材料。偏振分束器104以及复合器105的外侧均设有相互平行的光纤准直器106，与偏振分束器104相邻的光纤准直器106的入射光方向与偏振分束器104中o光的方向在同一直线上，而与复合器105相邻的光纤准直器106的出射光方向与偏振分束器104中e光的方向在同一直线上。金属电极103均与用于调节电场E方向的电信号调制器107相连接，偏振分束器104的入射光线与偏振分束器104光轴在非共线情况下形成的平面和电光晶体102的入射光线(即经过偏振分束器104分束后的两束相互平行的o光和e光)与电光晶体102的c轴形成的平面之间构成夹角，夹角为(π/4+mπ)，其中m为整数。1/2波片101的光轴和电光晶体的c轴方向相同。当电光晶体102的c轴带有极性且c轴的极性方向相反时，电光晶体102的电场E方向相同。而当电光晶体102的c轴带有极性且c轴的极性方向相同时，电光晶体102的电场E方向相反。通过在电光晶体102前面增加一偏振分束器104，保证任意偏振态的入射光经过偏振分束器104后，入射到电光晶体102的偏振光的偏振态与电光晶体102的c轴的方向夹角为(π/4+mπ)，m为整数，使得入射光在电光晶体102中分解为o光和e光时，其振幅完全相等，由此消除器件的偏振相关性及偏振模色散。通过使用两块完全一致的电光晶体102，中间加一1/2波片101这样的结构，其偏振态变化如图2所示，通过1/2波片101后，两束光的偏振态均向同一方向旋转90度，即两束光的偏振态进行了相互转换，这样前后在两块电光晶体102的自然双折射可以完全抵消，同时提高器件的温度稳定性。

实施例2

请参见图3所示的透射式常关型电光可变光衰减器包括1/2波片201、电光晶体202，金属电极203，偏振分束器204、复合器205、光纤准直器206以及电信号调制器207，其结构及工作原理基本与实施例1相同，但为了实现透射式常关型可变光衰减器，在复合器205和与其相邻的电光晶体202之间还设有一1/2波片201，这样可以保证在零电压时后面光路的光强为零，从而达到保护后续光学器件，其偏振态变化如图4所示。

实施例3

请参见图5所示的反射式常开型电光可变光衰减器包括可变光衰减器上半部分以及下半部分，可变光衰减器上半部分依次设有光纤准直器306、偏振分束器304、电光晶体302以及1/4波片301、可变光衰减器下半部分与可变光衰减器上半部分对称设有光纤准直器306、复合器305、电光晶体302以及1/4波片301，设于可变光衰减器上半部分的光纤准直器306以及设于可变光衰减器下半部分的光纤准直器306可以由一个双光纤准直器代替。偏振分束器304和复合器305可以是同一块材料，也可以是两块完全相同的材料，这些材料可以是钒酸钇等具有较大自然双折射材料。偏振分束器304的光轴放置方向与复合器305的光轴放置方向相同，设于可变光衰减器上半部分的1/4波片301以及设于可变光衰减器下半部分的1/4波片301可以分开也可以为一体结构。电光晶体302的上、下表面均带有金属电极303，金属电极303的表面与电光晶体302的c轴相垂直；电光晶体302的c轴均带有极性，且c轴的极性方向相同；设于可变光衰减器上半部分的电光晶体302的上表面的金属电极303与设于可变光衰减器下半部分的电光晶体302的下表面的金属电极303由金属导线连接至用于调节电场E方向的电信号调制器307的一端，设于可变光衰减器上半部分的电光晶体302的下表面的金属电极303与设于可变光衰减器下半部分的电光晶体302的上表面的金属电极303相接触，并接到电信号调制器307的另一端。上、下两块1/4波片301的后侧还设有用于将可变光衰减器上半部分的光线平行反射进入可变光衰减器下半部分的直角反射镜308，偏振分束器304的入射光线与偏振分束器304的光轴在非共线情况下形成的平面和电光晶体302的入射光线(即经过偏振分束器304分束后的两束相互平行的o光和e光)与电光晶体302的c轴形成的平面之间构成夹角，夹角为(π/4+mπ)，其中m为整数；1/4波片301的光轴和电光晶体的c轴方向相同。本实施例的工作原理基本与实施例1基本相同，区别只是通过直角反射镜308使光两次通过1/4波片301，其效果与光通过一次1/2波片的效果一致。使用反射式的结构可使器件适用于某些入射和出射同侧的场合，同时令器件的结构更加紧凑，这样也显示出透射式可变光衰减器的优点。图6为实施例3相对应的偏振态变化图。

实施例4

请参见图7所示的反射式常关型电光可变光衰减器包括1/4波片401、带有金属电极403的电光晶体402、电偏振分束器404、复合器405、光纤准直器406、电信号调制器407以及直角反射镜408，上述部件及工作原理基本与实施例1相同，但为了实现反射式常关型可变光衰减器，在复合器405和与其相邻的电光晶体402之间增加一块1/2波片409，这样可以保证在零电压时后面光路的光强为零，从而达到保护后续光学器件，图8为实施例4相对应的偏振态变化图。

实施例1以及实施例3的常开型电光可变光衰减器，其透过率与电压的函数关系为

$T=\frac{I_2}{I_0}{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\πV}}{V_{\mathrm{\π}}}\right),$

而实施例2以及实施例4的常关型电光可变光衰减器，其透过率与电压的函数关系为

$T=\frac{I_2}{I_0}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πV}}{V_{\mathrm{\π}}}\right),$

其中T为器件的透过率，I₀为入射光强，I₂为出射光强，V为施加在电光晶体的电压，V_π为一块电光晶体的半波电压，由此可见对于相同材料的电光晶体，其半波电压越小，器件的驱动电压越小。而电光晶体的半波电压V_π的计算公式为：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\λ}}{n_e^3{\mathrm{\γ}}_c}\·\frac{d}{L},$

其中λ为入射光的波长，L为电光晶体的长度，n_e为晶体中的非寻常光的折射率，γ_c为电光晶体的电光系数，d为金属电极的间距，由此可见通过增加电光晶体长度L，减小金属电极间距d及选用电光系数大的电光晶体可有效降低半波电压。例如选用0.62Pb(Mg_1/3Nb_2/3)TiO₃-0.38PbTiO₃的铌镁钛酸铅电光晶体其有效电光系数高达41pm/V，是铌酸锂电光晶体有效电光系数19.9pm/V的两倍多，当电光晶体的长宽比L∶d＝1∶1时，其半波电压为878V，当电光晶体长宽比L∶d＝2∶1时，其半波电压为439V，此时实施例1以及实施例3的常开型可变光衰减器的透过率与电压的关系如图9所示。可变光衰减器的衰减量可由公式：

$A\left(n\right)=-10{\log }_{10}{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\πV}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)$

计算，因此实施例1以及实施例3的常开型可变光衰减器的衰减量与电压的关系如图10。从图9和图10可知可变光衰减器从全开到全关的状态只需220V。总之选取电光系数更大的(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)TiO₃-xPbTiO₃铌镁钛酸铅单晶的电光晶体，其中x的取值范围为0.35≤x＜1，或者增加电光晶体的长宽比可使器件具有更低的驱动电压，x较佳的取值范围是0.35≤x≤0.38，这样达到的效果最佳。

Claims (15)

1.一种电光可变光衰减器，其特征在于：包括1/2波片、1/2波片的两侧对称设有电光晶体，电光晶体的上、下表面均带有金属电极，金属电极的表面与电光晶体的c轴相垂直，其中一电光晶体的外侧设有偏振分束器、另一电光晶体的外侧设有复合器；偏振分束器以及复合器的外侧均设有相互平行的光纤准直器；金属电极均与用于调节电场方向的电信号调制器相连接，所述偏振分束器的入射光线与其光轴形成的平面和电光晶体的入射光线与电光晶体的c轴形成的平面之间构成夹角，所述夹角为(π/4+mπ)，其中m为整数；所述1/2波片的光轴和电光晶体的c轴方向相同。

2.根据权利要求1所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述电光晶体采用铌镁钛酸铅单晶，其分子结构式为：

(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)TiO₃-xPbTiO₃，其中x的取值范围：0.35≤x＜1。

3.根据权利要求2所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述x的取值范围：0.35≤x≤0.38。

4.根据权利要求1所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述电光晶体的c轴带有极性，且c轴的极性方向相反；所述电光晶体的电场方向相同。

5.根据权利要求1所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述电光晶体的c轴带有极性，且c轴的极性方向相同；所述电光晶体的电场方向相反。

6.根据权利要求1所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述复合器与偏振分束器相同，且复合器的光轴方向与偏振分束器的光轴方向相同。

7.根据权利要求1所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述与偏振分束器相邻的光纤准直器的入射光方向与偏振分束器中o光的方向在同一直线上，与复合器相邻的光纤准直器的出射光方向与偏振分束器中e光的方向在同一直线上。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述复合器和与其相邻的电光晶体之间还设有一1/2波片。

9.一种电光可变光衰减器，其特征在于：所述电光可变光衰减器包括可变光衰减器上半部分以及下半部分，所述可变光衰减器上半部分依次设有光纤准直器、偏振分束器、电光晶体以及1/4波片、所述可变光衰减器下半部分与可变光衰减器上半部分对称设有光纤准直器、复合器、电光晶体以及1/4波片，所述电光晶体的上、下表面均带有金属电极，金属电极的表面与电光晶体的c轴相垂直；所述电光晶体的c轴均带有极性，且c轴的极性方向相同；设于可变光衰减器上半部分的电光晶体的上表面的金属电极与设于可变光衰减器下半部分的电光晶体的下表面的金属电极由金属导线连接至用于调节电场方向的电信号调制器的一端，设于可变光衰减器上半部分的电光晶体的下表面的金属电极与设于可变光衰减器下半部分的电光晶体的上表面的金属电极相接触，并接到电信号调制器的另一端；所述1/4波片的后侧还设有用于将可变光衰减器上半部分的光线平行反射进入可变光衰减器下半部分的直角反射镜，所述偏振分束器的入射光线与其光轴形成的平面和电光晶体的入射光线与其c轴形成的平面之间构成夹角，所述夹角为(π/4+mπ)，其中m为整数；所述1/4波片的光轴和所述电光晶体的c轴方向相同。

10.根据权利要求9所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述电光晶体采用铌镁钛酸铅单晶，其分子结构式为：

(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)TiO₃-xPbTiO₃，其中x的取值范围：0.35≤x＜1。

11.根据权利要求10所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述x的取值范围：0.35≤x≤0.38。

12.根据权利要求9所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述可变光衰减器上半部分的光纤准直器以及可变光衰减器下半部分的光纤准直器为一双光纤准直器。

13.根据权利要求9所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述偏振分束器与复合器相同，所述偏振分束器与复合器采用一体或分体结构。

14.根据权利要求9所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述可变光衰减器上半部分的1/4波片以及可变光衰减器下半部分的1/4波片为一体结构。

15.根据权利要求9-14中任一项所述的电光可变光衰减器，其特征在于：所述可变光衰减器下半部分的电光晶体与复合器之间设有一1/2波片。

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