CN104297855A - 波长相关损耗补偿的光衰减器和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信用的可变光衰减器。引入一个介于准直透镜和输出光波导的位相层，产生一个与光衰减器固有波长相关损耗大小接近、符号相反的第二波长相关损耗，从而与固有波长相关损耗抵消，获得极低残余波长相关损耗的光衰减器，以适应光通信系统对此类光衰减器的需求。

Description

波长相关损耗补偿的光衰减器和补偿方法

技术领域

本发明涉及光通信用的光衰减器，尤其涉及一种波长相关损耗补偿的可变光衰减器以及补偿方法。

背景技术

可变光衰减器(以下简称光衰减器)可将光信号进行定量的衰减，光衰减值可根据需要调节，是现代光通信系统重要的光学器件。基于微电子机械转镜式光衰减器，由于其简洁的光学设计、紧凑的结构和方便的电学控制，在现代光通信网络中已被广泛采用。在大多数的光衰减器应用场合，如波分和密集波分光网络，光纤中传输有很多波长的光信号，需要对所有这些波长的光信号同时进行衰减。

微电子机械转镜式光衰减器采用微机械驱动的微小反射镜，改变反射光线的角度，通过准直透镜的作用，转化为输出光斑位置相对于输出波导的偏离，从而起到光衰减的作用。这种光衰减器有一个固有的缺点，表现为光衰减值随波长的不同而不同，即通常所说的波长相关损耗(WDL)。

波长相关损耗来源于光波导模场半径是波长相关的，针对基模而言，波长越长，在光波导中的模场半径就越大。输出光斑偏离输出光波导造成的损耗由下式给出：

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

其中，IL(λ)是插入损耗(即光衰减值)，Δx是输出光斑偏离输出光波导的位置，ω(λ)是模场半径。在一定波长范围内，有如下关系成立：

ω(λ)＝a+b·λ   (2)

其中a和b是色散相关常数。可以看到，波长越长，模场半径越大，在同样的偏离量Δx下，短波长相对长波长将具有更大的衰减量，产生固有的波长相关损耗，即WDL。根据(1)式和(2)式，可以推导出波长相关损耗WDL为：

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

可以看到，随着衰减值IL的增大，波长相关损耗WDL也随之增大。对于常用的康宁公司的SMF28光纤，在40纳米C波段通信波长范围内，b值约为3.11，因此可以推算出在衰减值为20dB的情况下，波长相关损耗WDL可达到1dB，不能满足光通信系统的要求。

现有的技术方案中，如图1a和图1b所示的美国专利(US7295748)采用了一个在准直透镜(103)和反射镜(105)之间的色散棱镜(104)，使得在光线从输入波导(101)经准直透镜、反射镜、准直透镜，最后聚焦到输出波导(102)上时，不同波长的输出光斑位置有所分开，并使得短波长输出光斑(107)相对长波长输出光斑(108)更靠近输出波导模场光斑(106)，在所需要的衰减范围内，产生的波长相关损耗与固有的WDL符号相反，从而大大降低了波长相关损耗的大小。

上述方案补偿后的波长相关损耗可由下式描述：

$\mathrm{WDL}=2\·\mathrm{IL}\·(\frac{p}{\mathrm{\Δx}}-\frac{b}{\mathrm{\ω}})\·\mathrm{\Δ\λ}---\left(4\right)$

(4)式中，IL指光衰减值，Δx是达到该衰减值所需要的光斑偏离量(110)，p是色散相关参量，由下式定义：

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

(5)式中，α是色散棱镜(104)的契角，f为准直透镜(103)的焦距，Δn/Δλ为色散棱镜的色散系数。从(4)可以看到，在色散棱镜契角α、准直透镜焦距f、色散系数固定的情况下，除去光衰减值为零的情况下(即IL＝0)，只有在某个特殊的衰减值所对应的Δx满足(6)式的情况下，WDL才会达到零点(以下称为WDL的第二零点)：

$\mathrm{\Δx}=\frac{p\·\mathrm{\ω}}{b}---\left(6\right)$

在设计时可以通过取不同的p值来优化第二零点所对应的光衰减值的位置，从而平衡总体的WDL水平。图2a表示固有的WDL水平(未加补偿色散棱镜)；图2b表示取较小的p值所对应的WDL水平，WDL第二零点所对应的光衰减值为10dB，WDL在0-10dB范围内较小，但15dB以上变大；图2c表示取较大p值所对应的WDL水平，WDL第二零点所对应的光衰减值为20dB，WDL在20dB附近较小，但在1-15dB范围内较大。

可以看到，上述波长相关损耗补偿方案有一个固有的缺点，即很难在一个大的衰减范围(如0到20dB)得到普遍低的波长相关损耗，这是由于采用棱镜型色散元件带来的特征：如图1b所示，色散产生的短波长位置(107)与长波长位置(108)的偏离量(109)不随光衰减的大小而变化，即(4)中的p是固定的，因此不能提供不同衰减情况下所需要的不同补偿量。

发明内容

针对目前光通信系统对光衰减器需求的现状，特别是对具有极低波长相关损耗的光衰减器的需求，本发明提供了一种随着光衰减值的增加或减少，补偿量相应增加或减少，从而在大的衰减范围内(0-20dB)具有极低WDL的光衰减器，以及相应的补偿方法。

本发明提供的光衰减器，如图3a所示，包含有：

一个输入光波导(301)，用于输入光信号；

一个输出光波导(302)，用于输出光信号；

一个准直透镜(303)具有第一焦平面(322)和第二焦平面(323)；

一个反射镜(305)，具有一个旋转轴(321)，可绕所述旋转轴旋转；

一个位相层(304)。

所述输入光波导和输出光波导位于准直透镜的第一焦平面上，反射镜位于准直透镜的第二焦平面上；所述位相层位于第一焦平面与准直透镜之间，靠近输入光波导和输出光波导。

输入光信号经输入光波导输入，成为入射光线，通过准直透镜准直后，入射到反射镜被反射，再经准直透镜和位相层聚焦到输出光波导，成为出射光线，并输出光信号。

反射镜的旋转使得聚焦到输出光波导的光斑位置产生变化，与输出光波导产生位置偏离，从而产生光衰减。反射镜旋转角度的大小决定了光衰减的大小。

位相层的结构如图3b所示，包含有：一个光学基底(306)；第一光学区域(307)具有折射率n₁；第二光学区域(308)具有折射率n₂。第一和第二光学区域在光线传播方向上的厚度为t(309)，两个区域具有一个分界面(310)。

所述位相层与输入光波导和输出光波导的位置关系如图3c所示。位相层的分界面靠近输出光波导，使得光线聚焦到输出光波导前通过了位相层的两个光学区域，通过两个光学区域的光斑产生一个光程差，记为OPD(Optical Path Difference)，OPD可由下式给出：

OPD＝(n₂-n₁)·t   (7)

这两个区域的光斑耦合到输出光波导后相干叠加，由于光程差的存在，其相干叠加后的强度与光程差和波长有关，产生一个额外波长相干损耗，称为第二波长相干损耗，它与前述(3)式描述的固有波长相关损耗相加得到残余波长相关损耗。

由于(3)式描述的固有波长相干损耗与光衰减(IL)成正比，因此第二波长相干损耗需要与光衰减也成正比(或近似正比)且反号，才能使两者抵消，从而在大的光衰减范围内得到极低的残余波长相关损耗。

为了实现第二波长相干损耗与光衰减成近似正比，如图3c所示，位相层的分界面(310)靠近输出光波导(302)的波导中心(331)，但有一个小的偏离量(330)，记为d。d的最佳距离在4-10微米之间。分界面偏离输出波导中心的方向与产生光衰减时光斑偏离的方向一致，在光衰减较小情况下，光斑(332)靠近波导中心(331)，通过位相层第二光学区域(307)的光线较少，产生的第二波长相干损耗也较小；当光衰减增大，光斑(333)远离波导中心(331)，通过位相层第二光学区域(307)的光线较多，产生的第二波长相干损耗也较大，从而达到了补偿量随光衰减增大而增大的目的。

为了实现第二波长相干损耗与固有波长相关损耗反号，需要设计特定范围的光程差(OPD)。设两个区域的光振幅分别为a和b，它们相干叠加产生的光强(I)以及光强对波长的导数分别由下述(8)和(9)式表示：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=a^2+b^2+2\mathrm{ab}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{OPD}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(8\right)$

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{4\mathrm{\πab}\·\mathrm{OPD}}{{\mathrm{\λ}}^2}\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{OPD}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(9\right)$

因此，OPD需满足下述关系(10)式，其中k为包含零的正整数。在此条件下，由两个区域的光振幅叠加产生的第二波长相干损耗与固有波长相关损耗反号，相互抵消。

OPD＝(k+0.75)·λ   (10)

最佳的光程差范围为1-10微米，一个典型的由位相层产生的第二波长相干损耗由图4a示所示，它与光衰减近似成正比且与图2a所示的固有波长相关损耗反号，两者相加得到的残余波长相干损耗如图4b所示，可以看到，在0-25dB光衰减范围内，得到的残余波长相关损耗小于0.06dB。

位相层可以直接在输出光波导上通过光学镀膜的方法或刻蚀的方法产生，这时第一或第二光学区域为空气层，也可以用一个独立的位相板，通过光学镀膜、刻蚀或两个不同折射率光学玻璃拼接等方法制作而成。独立的位相板也可以通过粘胶剂与输入输出光波导的端面直接粘合，最佳的选择是将包含有位相层的一面与输入输出光波导端面粘合，此时第一或第二光学区域的折射率为粘合剂的折射率。

位相层的第二光学区域(光学介质)可以进一步扩展到涵盖输出光波导，输出光线通过一个均匀的光学介质不会对总体波长相关损耗产生影响。通过光学介质的扩展，使得输入和输出光波导与透镜的有效光学距离一致，以降低插入损耗。

反射镜可以是机械驱动的，也可以是由热、静电或磁力驱动的微机械转镜。

本发明还提供了补偿光衰减器波长相关损耗的方法，包括：

使用一个输入光波导输入光信号；

使用一个输出光波导，用于输出光信号；

使用一个准直透镜对输入光信号进行准直，所述准直透镜具有第一和第二焦平面，输入和输出光波导位于所述准直透镜的第一焦平面上；

使用可旋转的反射镜反射准直光信号，反射镜位于所述准直透镜的焦平面上；

在输出光波导与准直透镜之间插入一个位相层，具有第一和第二光学区域，两个区域的折射率不同，并具有一分界面，所述分界面与输出光波导中心有一定偏离(4-10微米)，分界面偏离输出波导中心的方向与产生光衰减时光斑偏离的方向一致。

初始时，经反射镜反射、准直透镜聚焦的光信号与输出光波导中心重合。旋转反射镜，使聚焦的光信号首先通过所述位相层的第一和第二光学区域，到达输出光波导，并偏离输出光波导的中心，产生补偿了波长相关损耗的光衰减。

附图说明

图1a现有光衰减器技术，采用色散棱镜补偿WDL

图1b现有技术中，波长相关损耗的补偿机理

图2a固有波长相关损耗与光衰减的关系

图2b现有技术中，补偿量较小情况下得到的残余波长相关损耗与光衰减的关系

图2c现有技术中，补偿量较大情况下得到的残余波长相关损耗与光衰减的关系

图3a本发明提供的大范围光衰减范围内对波长相关损耗补偿的光衰减器

图3b本发明提供的光衰减器使用的位相层

图3c本发明提供的光衰减器，位相层与输出光波导的位置关系

图4a本发明提供的光衰减器，由位相层产生的第二波长相关损耗与光衰减的关系

图4b本发明提供的光衰减器，残余波长相关损耗与光衰减的关系

图5a本发明的实施例1

图5b本发明的实施例1，位相层的构成及与输入输出光波导的位置关系

图6a本发明的实施例2，位相层的构成及与输入输出光波导的位置关系，分界面为直线

图6b本发明的实施例2，位相层的构成及与输入输出光波导的位置关系，分界面为圆环

图7本发明的实施例3，位相层由两种不同光学玻璃拼接而成

具体实施方式

[实施例1]

本发明提供的一个补偿波长相关损耗的光衰减器实施例，如图5a(俯视图)和图5b(侧视图)所示，包含有：

一个输入光波导(501)，用于输入光信号；

一个输出光波导(502)，用于输出光信号；

一个准直透镜(503)具有第一焦平面(522)和第二焦平面(523)；

一个反射镜(505)，具有一个旋转轴(521)，可绕所述旋转轴旋转；

一个位相层，由独立的位相板(504)构成。

所述输入光波导和输出光波导位于准直透镜的第一焦平面上，反射镜位于准直透镜的第二焦平面上；所述位相板位于第一焦平面与准直透镜之间，靠近输入光波导和输出光波导，。

输入光信号经输入光波导输入，成为入射光线，首先经过位相板，再通过准直透镜准直后，入射到反射镜被反射，再经准直透镜和位相板聚焦到输出光波导，成为出射光线，并输出光信号。

反射镜的旋转使得聚焦到输出光波导的光斑位置产生变化，与输出光波导产生位置偏离，从而产生光衰减。反射镜旋转角度的大小决定了光衰减的大小。

位相板的结构与输入输出光波导的位置关系如图5b所示，包含有：一个光学基底(506)；第一光学区域(507)具有折射率n₁第二光学区域(508)具有折射率n₂。在此实施例中，第一光学区域为空气，n₁＝1。第一和第二光学区域在光线传播方向上的厚度为t(509)，两个区域具有一个分界面(510)。

所述位相板与输入光波导和输出光波导的位置关系如图5b所示。位相层的分界面靠近输出光波导，使得光线聚焦到输出光波导前通过了位相板的两个光学区域，通过两个光学区域的光斑产生一个光程差OPD，OPD满足前述(10)式的条件。OPD与两个光学区域厚度(509)t的关系由以下(11)式给出：

OPD＝(n₂-1)·t   (11)

位相板的分界面(510)靠近输出光波导(502)的波导中心，但有一个小的偏离量(530)，记为d。d的最佳距离在4-10微米之间。分界面偏离输出波导中心的方向与产生光衰减时光斑与输出波导中心偏离的方向一致。

位相板是通过在光学玻璃材料(如BK7)上选择性刻蚀形成的。即第一光学区域为空气，第二光学区域和光学基底为所选择的光学玻璃材料。位相板的通光面镀有光学增透膜。

位相板的第二光学区域(光学介质)扩展到涵盖输出光波导，使得输入和输出光波导与透镜的有效光学距离一致，以降低插入损耗。

位相板还可直接粘合到输入和输出波导端面上，此时第一光学区域为粘胶剂，折射率n₁不为1，OPD的计算公式采用前述(10)式。

反射镜可以是机械驱动的，也可以是由热、静电或磁力驱动的微机械转镜。

[实施例2]

本发明的第2个实施例与实施例1类似，如图6a和6b所示，不同的是位相层(604)直接在输入光波导(601)和输出光波导(602)的端面通过光学镀膜的方法形成。第一光学区域(607)与第二光学区域(608)的分界面(610)可以是直线也可以是圆或圆环。

[实施例3]

本发明的第3个实施例与实施例1类似，如图7所示，不同的是位相层(704)是由两个具有不同折射率的光学玻璃拼接而成。如第一光学区域(707)采用光学玻璃bk7，第二光学区域(708)采用融石英，两者在通信常用的1.55微米波段的折射率差约为0.056，通过提高厚度(709)t来达到所需光程差0PD，0PD由前述(10)式描述。两种光学材料的分界面(710)需足够平整以避免光斑通过时产生不需要的散射。光学基底(706)在光学效应上不是必需的，它起到对较薄的第一和第二光学区域所用光学材料的支撑作用，可采用两种光学玻璃中的一种，或折射率相近的其它光学玻璃。

Claims (15)

1.一种波长相关损耗补偿的可变光衰减器，包含有：

一个输入光波导，用于输入光信号，所述光信号具有一个中心波长；

一个输出光波导，用于输出光信号；

一个准直透镜具有第一焦平面和第二焦平面；

一个反射镜，具有一个旋转轴，可绕所述旋转轴旋转。

所述输入光波导和输出光波导位于所述准直透镜的第一焦平面上，具有一个共同的端面。所述反射镜位于准直透镜的第二焦平面上。

其特征在于：

还包含有一个位相层，具有第一和第二光学区域，两个光学区域具有不同的折射率，产生一个光程差。第一和第二光学区域还具有一个分界面。

所述位相层位于所述输入和输出光波导与所述准直透镜之间。所述分界面靠近输出光波导中心并具有一个偏离量，偏离的方向与反射镜旋转产生输出光信号偏离方向一致。

输入光信号经输入光波导输入，成为入射光线，通过准直透镜准直后，入射到反射镜被反射，再经准直透镜和位相层聚焦到输出光波导，成为出射光线，并输出光信号。

2.根据权利要求1所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述光程差约等于(k+0.75)·λ，k为包含零的正整数，λ为所述光信号的中心波长。

3.根据权利要求1所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述分界面与输出光波导中心的偏离量为4-10微米。

4.根据权利要求1所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述位相层是一个独立的位相板，由分区刻蚀或分区光学镀膜而成，所述第一或第二光学区域为空气。

5.根据权利要求4所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述位相板采用粘合剂粘接到所述输入和输出光波导端面上，所述第一或第二光学区域的为所述粘合剂。

6.根据权利要求1所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述位相层是直接在所述输入和输出光波导端面上通过分区刻蚀或分区光学镀膜形成。

7.根据权利要求1所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述位相层由两个不同折射率的光学玻璃拼接而成。

8.根据权利要求7所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述位相层还包含一个光学基底。

9.根据权利要求1所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述位相层还进一步扩展到涵盖输入光波导，位相层在输入光波导的区域是均匀的。

10.根据权利要求1所述的一种波长相关损耗补偿的光衰减器，其特征在于，所述位相层的第一和第二光学区域的分界面是直线、圆或圆环。

11.根据权利要求1-10所述的任一种补偿波长相关损耗的光衰减器，其特征在于，所述的反射镜是热、静电或电磁驱动的。

12.根据权利要求11所述的任一种补偿波长相关损耗的光衰减器，其特征在于，所述的反射镜是微机械反射镜。

13.一种补偿光衰减器波长相关损耗的方法，包含：

使用一个输入光波导输入光信号；

使用一个输出光波导，用于输出光信号；

使用一个准直透镜对输入光信号进行准直，所述准直透镜具有第一和第二焦平面，输入和输出光波导位于所述准直透镜的第一焦平面上；

使用一个可旋转的反射镜反射准直光信号，反射镜位于所述准直透镜的焦平面上；

在输出光波导与准直透镜之间插入一个位相层，具有第一和第二光学区域，两个区域的折射率不同，光信号通过时产生一个光程差。所述位相层还具有一分界面，所述分界面与输出光波导中心有一定偏离，分界面偏离输出波导中心的方向与产生光衰减时光斑偏离的方向一致。

初始时，经反射镜反射、准直透镜聚焦的光信号与输出光波导中心重合。旋转反射镜，使聚焦的光信号首先通过所述位相层的第一和第二光学区域，到达输出光波导，并偏离输出光波导的中心，产生补偿了波长相关损耗的光衰减。

14.根据权利要求11所述的一种补偿光衰减器波长相关损耗的方法，其特征在于，所述第一和第二光学区域的光程差约等于(k+0.75)·λ，k为包含零的正整数，λ为所述光信号的中心波长。

15.根据权利要求13-14所述的任一种补偿光衰减器波长相关损耗的方法，其特征在于，所述第一和第二光学区域的分界面偏离输出波导中心约4-10微米。