CN102645707A - 可调谐光功率分配器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐光功率分配器及其实现方法，可调谐光功率分配器包括输入端光纤、偏振光转换单元、硅基液晶LCOS、成像透镜、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第一输出端光纤和第二输出端光纤，光信号经输入端光纤入射到偏振光转换单元，偏振光转换单元将入射光转换为同一偏振方向的信号光，经过成像透镜后入射到LCOS，经LCOS反射后再次经过成像透镜和偏振光转换单元输出反射光，第一自聚焦透镜使反射光输出到第一输出端光纤，第二自聚焦透镜使反射光输出到第二输出端光纤，通过改变LCOS相邻像素间的相位差改变反射光的反射角度。本发明，结构紧凑，易于调节，成本低。

Description

可调谐光功率分配器及其实现方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域中的光功率分配器，具体涉及可调谐光功率分配器及其实现方法。

背景技术

在光纤接入网无源光网络系统中，多个用户通过光功率分配器汇接至一个光线路终端，由于各个用户端设备所接入的用户数量不同将导致各个用户端到光线路终端的距离不相同，各个用户端设备所需的光信号功率会有较大差异，因此需要对光功率资源进行有效分配。采用固定的光功率分配器不利于光功率资源的有效分配，因此，最好的方式是采用可调谐光功率分配器，动态地分配各用户端设备所需的光功率，从而提高无源光网络光功率资源配置的灵活性。

根据国内外报道，目前可调谐光功率分配器的实现技术主要有光纤型可调光功率分配器、热光型可调光功率分配器、MEMS型可调光耦合器、部分反射型可调光功率分配器和微光学型可调光功率分配器等几种。其中光纤型可调光功率分配器应用最为广泛。

光纤型可调光功率分配器有以下几种：

(1)y型光纤熔融拉锥型，入射光在耦合区进行再分配，一部分光功率从直通臂继续传输，另一部分则从耦合臂传到另一光路，改变耦合区的长度，就能改变耦合臂分配到的光功率，从而改变分光比。

(2)光纤磨抛型，利用光学冷加工(机械抛磨)除去光纤的部分包层，使光纤波导能相互靠近，以形成消失场互相渗透，通过改变耦合区的长度来改变分光比。如可以使一根光纤对另一根光纤做相对运动，可以适当调节耦合区的长度。

(3)光纤截面分割型，通过微加工在光纤侧壁内切割一个v型槽，光束通过槽表面的两侧，分别向光纤两端耦合能量，从而实现分束的目的，适当调节入射高斯光斑在v型槽两侧的投影面积，就可以实现分光比的变化。

然而在实际应用中发现，上述可调谐光功率分配器存在结构复杂、调节不便的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决可调谐光功率分配器存在结构复杂、调节不便的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种可调谐光功率分配器，包括输入端光纤、偏振光转换单元、成像透镜、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第一输出端光纤和第二输出端光纤，其特征在于，还包括液晶显示装置LCOS，光信号经输入端光纤入射到偏振光转换单元，偏振光转换单元将入射光转换为同一偏振方向的信号光，经过成像透镜后入射到LCOS，经LCOS反射后再次经过成像透镜和偏振光转换单元输出反射光，第一自聚焦透镜使反射光输出到第一输出端光纤，第二自聚焦透镜使反射光输出到第二输出端光纤，通过改变LCOS相邻像素间的相位差改变反射光的反射角度。

上述可调谐光功率分配器中，所述偏振光转换单元由双折射晶体和二分之一波片构成。

上述可调谐光功率分配器中，所述输入端光纤位于所述成像透镜的前焦点，所述LCOS位于所述成像透镜的后焦点。

本发明还提供了上述可调谐光功率分配器的实现方法，通过改变LCOS相邻像素间的相位差改变反射光的反射角度，实现光信号在第一输出端光纤和第二输出端光纤的功率分配。

本发明，利用LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶，简称LCOS)的光学衍射效应实现可调谐光功率分配，是一种新的设计方法，结构紧凑，易于调节，成本低。

附图说明

图1为本发明提供的可调谐光功率分配器结构示意图；

图2为本发明中LCOS的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的可调谐光功率分配器100，包括输入端光纤101、偏振光转换单元102、成像透镜103、LCOS104、第一自聚焦透镜105、第二自聚焦透镜106、第一输出端光纤107和第二输出端光纤108。

光信号经输入端光纤101入射到偏振光转换单元102，偏振光转换单元102将入射光转换为同一偏振方向的信号光，经过成像透镜103后入射到LCOS104，经LCOS104反射后再次经过成像透镜103和偏振光转换单元102输出反射光，第一自聚焦透镜105使反射光输出到第一输出端光纤107，第二自聚焦透镜106使反射光输出到第二输出端光纤108。LCOS104相邻像素间相位差的变化将引起第一输出端光纤107和第二输出端光纤108接收到的光功率发生变化，调节LCOS104相邻像素间的相位差改变LCOS104反射光的反射角度，不同的反射角度对应不同的光功率值，LCOS104相邻像素间的相位差是可调谐光功率分配器100的调谐量，通过改变这个调谐量(LCOS104相邻像素间的相位差)实现可调谐光功率器100在第一输出端光纤107和第二输出端光纤108的分配功能。

其中，偏振光转换单元102由双折射晶体和二分之一波片构成，二分之一波片的位置由LCOS 104的反射光的反射角度决定，偏振光转换单元102的构造是业界熟知的技术，此处不再赘述。

输入端光纤101位于成像透镜102的前焦点，LCOS104位于成像透镜102的后焦点。

LCOS104工作于纯相位调制模式。

下面结合图2具体说明可调谐光功率分配器的实现方法，如图2所示，LCOS的像素大小为8微米，填充因子为87％，可将其看作衍射光栅，其中，d表示LCOS的像素大小，d＝8μm；a表示LCOS104液晶部分大小，a＝87％·d＝6.96μm；N表示LCOS104纵向像素个数；δ表示LCOS104相邻像素的相位差，θ₀表示入射角，θ表示反射角，λ是入射光信号的波长，此时反射光的光功率P表示为：

$P=P_0\·{\left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)}^2\·{\left(\frac{\sin \mathrm{N\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right)}^2---\left(1\right)$

(1)式中，P₀表示入射光的光强，其中，

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}\·a\·(\sin \mathrm{\θ}-{\sin \mathrm{\θ}}_o)}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}\·d\·(\sin \mathrm{\θ}-{\sin \mathrm{\θ}}_o)}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\δ}---\left(3\right)$

对(1)式作归一化处理，得

$R={\left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)}^2\·{\left(\frac{\sin \mathrm{N\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right)}^2/N^2---\left(4\right)$

(4)式中，R表示反射光光功率与入射光光功率的比值。

光信号经输入端光纤101入射到偏振光转换单元102，偏振光转换单元102将入射光转换为同一偏振方向的信号光，经过成像透镜103后垂直入射到LCOS104上，此时入射角θ₀＝0。

根据(4)式，R是关于反射角度θ的函数，在不同θ值处R将会出现几个极值。不失一般性，Δθ表示某个极值处光功率下降到峰值光功率exp(-2)时空间光束的半角宽度，此时峰值光功率对应的反射角度为θ，θ±Δθ处空间光束的光功率占入射光光功率的比值为

$K=\frac{{\∫}_{\mathrm{\θ}-\mathrm{\Δ\θ}}^{\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ}}\mathrm{Rd\θ}}{{\∫}_{-90}^{90}\mathrm{Rd\θ}}---\left(5\right)$

成像透镜103的焦距用f表示，f＝20mm。LCOS104反射光的反射角度为θ，LCOS104的反射光经成像透镜103聚焦后在第一自聚焦透镜105和第二自聚焦透镜106入射端平面处的位置用d表示，d＝f·tanθ。d为正值表示LCOS104的反射光光束位于输入端光纤101的上面，LCOS104的反射光光束经第一自聚焦透镜105后由第一输出端光纤107输出。d为负值表示LCOS104的反射光光束位于输入端光纤101的下面，LCOS104的反射光光束经第二自聚焦透镜106后由第二输出端光纤108输出。

根据式(4)和式(5)分析LCOS104相邻像素的相位差δ在0.1π～0.9π范围内变化时1550nm波长光功率在第一输出端光纤107和第二输出端光纤108的分配情形。表1列出了分析结果，光信号经LCOS104反射后在第一输出端光纤107处的光功率占入射光光功率的比值用K₁表示，此时反射光的角度用θ₁表示，在第一自聚焦透镜105入射端平面处的位置用d₁表示，且d₁＝f·tanθ₁；光信号经LCOS104反射后在第二输出端光纤108处的光功率占入射光光功率的比值用K₂表示，此时反射光的角度用θ₂表示，在第二自聚焦透镜106入射端平面处的位置用d₂表示，且d₂＝f·tanθ₂；第一输出端光纤107和第二输出端光纤108处光功率分配的百分比用M表示，且

可调谐光功率分配器100的插损用IL表示，且

IL＝10lg(K₁+K₂)。

表1光功率在第一输出端光纤107和第二输出端光纤108的分配情形

δ(rad)	θ1(度)	d1(mm)	K1	θ2(度)	d2(mm)	K2	M	IL(dB)
									0.1π	10.04	3.54	0.05	-1.11	-0.39	0.72	6∶94	-1.11
0.2π	8.92	3.14	0.11	-2.22	-0.78	0.7	13∶87	-0.95
									0.3π	7.79	2.74	0.19	-3.33	-1.16	0.62	23∶77	-0.95
0.4π	6.68	2.34	0.29	-4.44	-1.55	0.51	36∶64	-0.96
									0.5π	5.56	1.95	0.4	-5.56	-1.95	0.4	50∶50	-0.96
0.6π	4.44	1.55	0.51	-6.68	-2.34	0.29	64∶36	-0.96
									0.7π	3.33	1.16	0.62	-7.79	-2.74	0.19	77∶23	-0.95
0.8π	2.22	0.78	0.7	-8.92	-3.14	0.11	87∶13	-0.95
									0.9π	1.11	0.39	0.72	-10.04	-3.54	0.05	94∶6	-1.11

根据输入端光纤101在第一输出端光纤107和第二输出端光纤108的光功率分配要求，调节LCOS104相邻像素的相位差，即可实现可调谐光功率分配器100的功能。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.可调谐光功率分配器，包括输入端光纤、偏振光转换单元、成像透镜、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第一输出端光纤和第二输出端光纤，其特征在于，还包括硅基液晶LCOS，光信号经输入端光纤入射到偏振光转换单元，偏振光转换单元将入射光转换为同一偏振方向的信号光，经过成像透镜后入射到LCOS，经LCOS反射后再次经过成像透镜和偏振光转换单元输出反射光，第一自聚焦透镜使反射光输出到第一输出端光纤，第二自聚焦透镜使反射光输出到第二输出端光纤，通过改变LCOS相邻像素间的相位差改变反射光的反射角度。

2.如权利要求1所述的可调谐光功率分配器，其特征在于，所述偏振光转换单元由双折射晶体和二分之一波片构成。

3.如权利要求1所述的可调谐光功率分配器，其特征在于，所述输入端光纤位于所述成像透镜的前焦点，所述LCOS位于所述成像透镜的后焦点。

4.如权利要求1所述的可调谐光功率分配器的实现方法，其特征在于，通过改变LCOS相邻像素间的相位差改变反射光的反射角度，实现光信号在第一输出端光纤和第二输出端光纤的功率分配。

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