CN1266502C - 抗偏振相关损耗的光束交换方法和器件 - Google Patents

抗偏振相关损耗的光束交换方法和器件 Download PDF

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Abstract

一种光束交换的方法，包括：提供输入光信号；将该输入光信号空间分离成具有正交偏振态的第一和第二子光束；旋转第一和第二子光束之一的偏振态，以使第一和第二子光束具有相同偏振态；将第一和第二子光束分别导入光束交换元件的第一和第二个表面，第一和第二个表面用来分别将第一和第二子光束指向调制器的同一个位置；在调制器内改变第一和第二子光束并使其反向反射，以使每个子光束沿反向反射，其中在该反向上该子光束折回到另一子光束的前向传播路径；及旋转传输后的第一和第二子光束之一的偏振态，使它们有正交的偏振态并被重新结合起来形成一个输出光信号。这种光学排列的特点是基本上消除了偏振相关损耗和偏振模式色散。

Description

抗偏振相关损耗的光束交换方法和器件
相关专利申请的相互参考
本专利申请要求于2001年11月14日申请的美国临时专利60/331,294的优先权。
技术领域
本发明涉及光通信系统领域，尤其涉及用于抗偏振相关损耗(PDL)光束交换的方法和光学器件。
背景技术
在光波分复用(WDM)通信系统中，单个光波导根据不同波长同时传递许多不同的通信信道。一般说来，每一个通信信道都有一个标准的中心波长，并且为网络定义信道间隔或间距。信道的间隔越窄，就有越多的信道数能够在网络的一根光纤中传输。国际电信联盟提出的密集波分复用(DWDM)网络标准的光信道的频率间隔为25、50和100GHz(分别相当于约为0.2、0.4和0.8纳米的波长间隔)，甚至更窄的频率间隔。因此，对密集波分复用网络的性能要求(如带宽、串话、偏振相关损耗、偏振模式色散和插损)就变得更为苛刻。
遗憾的是，用于密集波分复用通信系统中的许多光学元件都具有偏振敏感性。例如，用于美国专利申请20020067887和2002009257号(专利律师文件号10-510)中所述的动态增益均衡器(DGE)、可配置光上/下路复用器(COADM)及波长阻截器(WB)的衍射光栅通常都有偏振敏感性。因此，在这些和其它设计中，都包括一个提供带有预定偏振光的前端单元。一般来说，前端单元包括一个或多个偏振分束器及一块或多块半波片。偏振分束器将一束输入光信号分成两束具有相互垂直偏振的子光束，而半波片改变子光束中至少一束光的偏振，以使两束子光束具有相同的偏振态。偏振分束器的一个不足之处是，它们通常在两个空间分离的子光束之间引入光路长度差，从而引起偏振模式色散(PMD)。
除了前端单元，这些设计还包括液晶(LC)阵列或微电机系统(MEMS)阵列。由于液晶和微电机系统阵列能够同时相互独立地改变/交换空间分离的光信号，而且因为这些阵列体积小、功耗低、可以低成本地批量生产，所以在光通信系统中起着重要作用。遗憾的是，液晶和微电机系统元件通常会出现局部空间依赖性。例如，由液晶调制器的可寻址区域提供的延迟在整个区域并不均匀，而每个反射微电机系统元件常会在其外部区域产生不必要的弯曲。由于上述阵列的每一个元件对每一束发射到阵列上的子光束均呈现性能差异，每束子光束通常就会在不同程度上受到改变。这就会引起偏振相关损耗。
本发明的一个目的就是要提供一种可以同时减少或避免偏振模式色散和偏振相关损耗的方法和器件。
本发明的另一个目的就是要提供一种对传播通过其中的两束分离子光束具有相同光路长度的光学器件。
本发明的另一个目的是要提供一种光学器件，该器件针对传播通过其中的两束分离子光束使用微电机系统、液晶或其它调制器的相同区域。
发明内容
本发明涉及一种方法和设备，这种方法和设备可以减少或消除用散极化单元产生两束具有相同偏振态的空间分离光束的光学元件中的偏振相关损耗和偏振模式色散。尤其是本发明涉及一种采用一个用来接收两束子光束并将这两束光导向一个调制器的一个相同重叠区域，使其被调节并被反射回散极化单元的光束交换元件的方法和设备。这种光束交换元件的设计和位置使两束子光束在从调制器反射后交换位置。
根据本发明，一种光束交换的方法，包括步骤：提供一个输入光信号；将该输入光信号空间分离成具有正交偏振态的第一和第二子光束；旋转第一和第二子光束之一的偏振态，以使第一和第二子光束具有相同的偏振态；将第一子光束导入光束交换元件的第一个表面，将第二子光束导入光束交换元件的第二个表面，第一和第二个表面用来分别将第一和第二子光束指向调制器的同一个位置；在调制器内改变第一和第二子光束并使它们反向反射，以使每个子光束沿反向反射，其中在该反向上该子光束折回到另一子光束的前向传播路径；及旋转传输后的第一和第二子光束之一的偏振态，使它们有正交的偏振态并被重新结合起来形成一个输出光信号。
根据本发明，还提供一种光束交换器件，包括：用来接收输入光信号并由之产生具有相同偏振态的第一和第二子光束的散极化单元；用来接收第一和第二子光束并将这两束光束指向同一点的光束交换元件；位于该同一点、用来改变第一和第二子光束的调制器，其中该调制器包含用来将两束改变了的子光束反射回散极化单元的反射表面，在散极化单元处，这两束子光束被结合起来形成一个输出光信号，其中当从调制器传播回到光束交换元件时，在操作中从光束交换元件传播到调制器的第一和第二子光束的每个沿着相反方向折回到另一子光束的光路。
根据本发明，还提供一个光交换元件，包括：一个用来接收输入光信号并生成第一和第二子光束的散极化单元；一个用来接收第一和第二束光并将这两束光导向同一点的光交换元件；一个几乎置于同一点上、对光学性质具有局部空间依赖性的光学元件；及一个用来接收指向同一点的两束子光束并将其反射回散极化单元的反射表面。该两束子光束在散极化单元处被结合起来以形成输出光信号，其中第一和第二子光束被反射回对方的原光路反向传播。
根据本发明，还提供了一个光学器件，包括：用来从单个输入光束提供第一和第二空间分离的光束的散极化单元；用来接收第一和第二光束及将它们导回到散极化元件的反射元件，在散极化元件处这两束光被重新结合成单个输出信号；及光路上置于散极化元件和反射元件之间、用来使第一和第二子光束在被反射元件反射时进行光路交换的光束交换元件。
提供一种光束交换元件的优点是：使每束由双折射晶体生成的子光束在模块中沿着对方的光路输出，以将每一束光经历的延迟差和/或光程差减到最小。
附图说明
本发明的具体实施例将结合下面所附的图示来说明，图中相同的数字代表相应的元件，其中：
图1为现有技术的可调光学衰减器的示意图；
图2为现有技术中减少了偏振模式色散的可调光学衰减器的示意图；
图3是一种根据本发明的使用一个屋脊棱镜的可调光学衰减器的示意图；
图4是一种根据本发明的使用另一个屋脊棱镜的可调光学衰减器的示意图；
图5是一种根据本发明的使用一个分束镜的可调光学衰减器的示意图；
图6是根据本发明使用一个光交换透镜的可调光学衰减器的示意图；
图7是根据本发明使用一个光束交换凹透镜的可调光学衰减器的示意图；
图8是根据本发明的另一个使用分束镜的可调光学衰减器的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于光束交换的方法和光学器件，以使从偏振分束器传输的两束子光束在被从一个反射面反射后“交换”位置(如交换光路)，这样它们在偏振分束器处被再次结合之前经过的光路长和光学环境都相同。
图1所示的是现有技术中一种折叠的可调光学衰减器的示意图。衰减器10包括一个散极化单元20，一个液晶调制器30和一个反射器40。散极化单元20包括一个微型透镜22，一个双折射晶体24，如金红石，和一个半波片26。液晶调制器30是一种螺旋向列，向列或其它液晶透射阵列。通常，一个光环行器(没有图示)被耦合到光纤5以将输入和输出信号分开。
在工作时，发射自光纤5的光信号被微型透镜22准直并被发射到双折射晶体24，在此正交分量被分开。尤其是，双折射晶体24偏离其中一个分量，以产生具有正交偏振态的两个子光束。半波片26旋转其中一束光(如非常光)的偏振，以确保这两束子光束具有相同的偏振态。这两束子光束都沿着平行的光路传播，直到到达液晶调制器30，在调制器30处，这两束光通过相同或不同的可寻址区域(或单元)，并被反射离开反射器40。特别是，每一束子光束均被回射离开反射器，这样这些光束就沿着相同的光路回到散极化单元20。当一个电压加到液晶调制器30上，使单元的净功能为一个零波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态平行，这两束子光束在散极化单元20处被再结合后通过光纤5被输出。当一个电压加到液晶调制器30上，使单元的净功能为一个半波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态正交，使这两束子光束被有效地阻止经过光纤5。如果将一个电压加到液晶调制器30上，使单元的净功能介于零波片和半波片之间，就能得到光信号的可变衰减。
值得注意的是，这种光学衰减器将会有很大的偏振相关损耗和偏振模式色散。关于后者，很明显异常子光束经过双折射晶体26要比正常子光束花更多的时间，因此，在两束子光束间将会产生一个光程长差。关于前者，很显然即使两子光束通过调制器中相同的可寻址区域(如单元)，每一束子光束将通过可寻址区域中的不同地方。由于每个可寻址区域一般会有性能波动和/或非均一性，两束子光束的偏振态并不会被变得完全相同，这就引起了偏振相关损耗。
图2所示的是现有技术中另一个折叠的可调光学衰减器的示意图。衰减器50包括一个准直/聚焦透镜60，一个散极化单元70，和一个液晶调制器80。散极化单元70包括第一个双折射晶体72，如金红石，第一个半波片74，第二个双折射晶体76，如金红石，和第二个半波片78。如果需要还可以配上一个玻璃片79。液晶调制器80包括一个透明基片82，一模式可导层84，一种液晶85，如一种向列型，一个反射电极86，和一个背向基片88。最好是，准直层(没有图示)被置于电极84、86之上，如果需要可在这两者之间加一层隔离层(没有图示)。也可以将一个环行器(没有图示)耦合到光纤55以便将输入和输出信号分开。
在工作中，来自光纤55的光信号被透镜60准直，并被发射到第一个双折射晶体72，在72处正交的分量被分开。特别是，双折射晶体72偏离其中的一个分量，以生成具有正交偏振态的两束子光束。这两束子光束都被发射透过第一个半波片74，在74处两束子光束的偏振态都被改变并被发射进入第二个双折射晶体76。由于两束子光束都经过半波片74，它们互换了轴离特性。因此，直线穿过第一个双折射晶体72的子光束将会在第二个双折射晶体76中被轴离，而在第一个双折射晶体72中被轴离的子光束将会直线穿过第二个双折射晶体76。第二个半波片78旋转其中一束光(如异常光)的偏振态以确保两束子光束具有相同的偏振态。这两束子光沿着平行的光路传播直到它们到达液晶调制器80，在调制器80处这两束光通过相同或不同的可寻址区域(或单元)，并被向后反射离开反射电极86。特别是，每一束子光束被后向反射离开电极86，这样这些光束就沿着与到调制器80相同的光路回到散极化单元70。当单元的净功能是一个零波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态平行，使两束子光束在散极化单元70处被再结合后通过光纤55被输出。如果给液晶调制器80通入一个电压，使单元的净功能为一个半波片，从单元出射的被反射的子光束的偏振态则与入射光的偏振态正交，使两束子光束被有效地阻止通过光纤55。如果给液晶调制器80通入一个电压，使单元的净功能介于零波片与半波片之间，就得到了光信号的可变衰减。
由于这种排列使得两束子光束经过双折射材料的光路几乎相同，与图1中的衰减器相比，这里的偏振模式色散被减少了。不过，由于这两束子光束仍然经过液晶单元的不同区域，所以偏振相关损耗仍然是一个问题。
图3所示的是根据本发明的一个实施例的一种折叠可调光学衰减器的示意图。衰减器350包括一个准直/聚焦透镜360，一个散极化单元370，一个液晶调制器380和一个透明棱镜390。散极化单元370和液晶调制器380与图2中所示的散极化单元70和液晶调制器80分别相同。本实施例中所示的棱镜390是一种屋脊棱镜，棱镜390经过设计和放置，使两束子光束被导入液晶调制器380中相同的重叠的区域，并使每一束子光束被向后反射到另一个子光束向前传播的光路。如果需要，可以将一个环行器(没有图示)耦合到光纤355以便将输入和输出信号分开。
在工作中，来自光纤355的一个发散光信号被透镜360准直并被发射到散极化单元370。如图2所示，散极化单元生成具有相同偏振态的两束子光束。这两束子光束沿着平行的光路传播直到到达棱镜390。子光束A传播经过棱镜390的一半并被改变方向进入液晶单元380的一个中心区域，而子光束B传播经过棱镜390的另一半并被改变方向进入液晶单元380的同一个中心区域。每一束子光束被液晶单元380的反射电极向后反射，使得该光束沿着与另一束子光束到达液晶单元380时相同的光路回到散极化单元370。当单元的净功能是一个零波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态平行，因此这两束子光束在散极化单元370处被再结合后通过光纤355被输出。当给液晶调制器390通入一个电压，单元的净功能是一个半波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态正交，时这两束子光束被有效地阻止通过光纤355。如果给液晶调制器380通入一个电压，单元的净功能介于一个零波片和半波片之间时，就得到了光信号的可变衰减。
由于这种排列使得两束子光束经过双折射晶体的光路相同(即两束子光束通过相同的光路)，偏振模式色散就被消除。而且，由于两束子光束经过液晶单元的相同区域，这样偏振相关损耗也被消除。实际上，系统的缺陷在没有棱镜390时产生偏振相关损耗，而在有棱镜390时仅仅会产生插损，因为两束子光束都经历相同的缺陷。
虽然图3所示的实施例在散极化单元370中包括了两个金红石，但这对于本发明来说并不一定是必需的。图4所示的是根据本发明的一个实施例的一种折叠可调光学衰减器的示意图。衰减器410包括一个散极化单元420，一个液晶调制器430，和一个透明棱镜490。散极化单元420包括一个准直透镜422，一个双折射晶体424，如金红石，和一个半波片426。液晶调制器430与图2所示的液晶调制器80相似。棱镜490经过设计和放置，使两束子光束被导入液晶调制器430中相同的重叠区域，并使每一束子光束被向后反射，使其折回到另一子光束向前传播时的光路。如果需要，可以将一个光环行器(没有图示)耦合到光纤405以便将输入和输出信号分开。
在工作中，来自光纤405的光信号被透镜422准直，并被发射到双折射晶体424，在424处正交的分量被分开。即，双折射晶体424偏离其中的一个分量，以生成具有正交偏振态的两束子光束。半波片426旋转其中一束光(如异常光)的偏振态以确保两束子光束具有相同的偏振态。这两束子光束沿着平行的光路传播，直到它们到达棱镜490。一束子光束传播经过棱镜490的一半并被改变方向进入液晶单元430的一个中心区域，而另一束子光束传播经过棱镜490的另一半并被改变方向进入液晶单元430的同一个中心区域。每一束子光束均被液晶单元430的反射电极向后反射，使该光束沿着与另一束子光束到达液晶单元430时相同的光路回到散极化单元420。当单元的净功能是一个零波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态平行，使两束子光束在散极化单元420处被再结合后通过光纤405被输出。当给液晶调制器430通入一个电压，是单元的净功能是一个半波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态正交，使这两束子光束被有效地阻止通过光纤405。如果给液晶调制器430通入一个电压，使单元的净功能介于一个零波片和半波片之间，就得到了光信号的可变衰减。
注意，图4所示的实施例比图3所示的实施例所需的部件更少而且更简单。
图5所示的是根据本发明一个实施例的一种折叠可调光学衰减器示意图。衰减器510包括一个散极化单元520，一个液晶调制器530，和一个分束镜590。散极化单元520包括一个准直透镜522，一个双折射晶体524，如金红石，和一个半波片526。液晶调制器530与图2所示的液晶调制器80相似。分束镜590经过设计并放置使两束子光束被导入液晶调制器530中相同的重叠区域，并使每一束子光束被向后反射，折回到另一个子光束向前传播时的光路。尤其是，分束镜590包括一个与第二个反射表面594不相互平行的第一个反射表面592。如果需要，可以将一个光环行器(没有图示)耦合到光纤505以便将输入和输出信号分开。
在工作中，来自光纤505的光信号被透镜522准直，并被发射到双折射晶体524，在524处正交的分量被分开。即，双折射晶体524偏离其中的一个分量，以生成具有正交偏振态的两束子光束。半波片526旋转其中一束光(如非常光)的偏振态以确保两束子光束具有相同的偏振态。这两束子光束沿着平行的光路传播直到到达分束镜590。一束射到反射表面592的子光束被改变方向进入液晶单元530的一个中心区域，而另一束子光束被发射到另一个反射表面594并被改变方向进入液晶单元530的同一个中心区域。每一束子光束在液晶单元530的反射电极被向后反射，使得该光束沿着与另一束子光束到达液晶单元530时相同的光路回到散极化单元520。当单元的净功能是一个零波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态平行，使这两束子光束在散极化单元520处被再结合后通过光纤505被输出。当给液晶调制器530通入一个电压，使单元的净功能是一个半波片时，从单元出射的被反射的子光束的偏振态与入射光的偏振态正交，使这两束子光束被有效地阻止通过光纤505。如果给液晶调制器530通入一个电压，使单元的净功能介于一个零波片和半波片之间，就得到了光信号的可变衰减。
图6所示的是根据本发明一个实施例的一种折叠可调光学衰减器示意图。衰减器610包括一个散极化单元620，一个液晶调制器630，和一个透镜690。散极化单元620包括一个准直透镜622，一个双折射晶体624，如金红石，和一个半波片626。液晶调制器630与图2所示的液晶调制器80相似。透镜690经过设计和放置，使两束子光束被导入液晶调制器630中相同的重叠区域，并使每一束子光束被向后反射，并从另一个子光束向前传播时的光路折回。例如，在一个实施例中，透镜690是一个球形透镜。在另一个实施例中，透镜690是一个柱形透镜。除了透镜690具有光功率而屋脊棱镜490没有以外，衰减器610的工作原理与图4中所述的衰减器410的工作原理相同。
图7所示的是根据本发明一个实施例的一种折叠可调光学衰减器示意图。衰减器710包括一个散极化单元720，一个液晶调制器730，和一个球形镜790。散极化单元720包括一个准直透镜722，一个双折射晶体724，如金红石，和一个半波片726。液晶调制器730与图2所示的液晶调制器80相似。镜子790经过设计和放置，使两束子光束被导入液晶调制器730中相同的重叠区域，并使每一束子光束被向后反射，折回到另一个子光束向前传播使的光路。例如，在一个实施例中，镜子790是一个球形镜。在另一个实施例中，镜子790是一个柱形镜。除了镜子790具有光功率而分束镜590具有特殊的平面反射表面以外，衰减器710的工作原理与图5中所述的衰减器510的工作原理相同，。
图8所示的是根据本发明一个实施例的一种折叠可调光学衰减器示意图。衰减器810包括一个散极化单元820，一个液晶调制器830，和一个分束镜890。散极化单元820包括一个自聚焦透镜822，一个偏振分束器824，一个直角棱镜825，和一个半波片826。液晶调制器830与图2所示的液晶调制器80相似。镜子890经过设计和放置，使两束子光束被导入液晶调制器830中相同的重叠区域，并使每一束子光束被向后反射，折回到另一个子光束向前传播时的光路。除了偏振分束器824以直角的方式将两束正交偏振光束分开，而直角棱镜825使它们相互平行以外，衰减器810的工作原理与图5中所述的衰减器510的工作原理相同。
本发明以一种可调光学衰减器的描述只是为了用来说明本发明。根据本发明，在许多光学器件中除了其它准直/聚焦/改变光的方向的器件，还包括一个衍射光栅，用来根据波长将每一束子光束分开。例如，可以用一个球形镜来在散极化单元，衍射光栅和调制器间中继光信号。因此，本发明也包括其它的光学器件，如动态增益均衡器，可配置光上/下路复用器，波长选择波长阻截器等。同样，本发明对液晶调制器的描述也只是为了说明本发明。本发明包括其它的调制阵列，如其它的液晶阵列或微电机系统阵列，还包括其它的散极化单元。更有优势的是，根据本发明的光束交换镜、透镜、棱镜等可用在多端口光学器件中。
值得注意的是，在图3、4、5和8所示的实施例中，减小偏振相关损耗的棱镜/镜子并不会对器件中其它光学元件提供的准直/聚焦作用产生负面的影响，这也正是这些装置的优势所在。
前面对本发明的一些实施例的讨论只是本发明的举例说明。在不脱离下述权利要求书的本发明的精神和范围内，可以对本发明的实施例进行各种改动、修改及应用。

Claims (9)

1.一种光束交换的方法，包括步骤：
提供一个输入光信号；
将该输入光信号空间分离成具有正交偏振态的第一和第二子光束；
旋转第一和第二子光束之一的偏振态，以使第一和第二子光束具有相同的偏振态；
将第一子光束导入光束交换元件的第一个表面，将第二子光束导入光束交换元件的第二个表面，第一和第二个表面被布置成分别将第一和第二子光束指向调制器的同一个位置；
在调制器内改变第一和第二子光束并使它们反向反射，以使每个子光束沿反向反射，其中在该反向上该子光束折回到另一子光束的前向传播路径；及
旋转传输后的第一和第二子光束之一的偏振态，使它们有正交的偏振态并被重新结合起来形成一个输出光信号。
2.一种光束交换器件，包括：
用来接收输入光信号并由之产生具有相同偏振态的第一和第二子光束的散极化单元；
被布置成用来接收第一和第二子光束并将这两束光束指向同一点的光束交换元件；
布置在该同一点附近、用来改变第一和第二子光束的调制器，其中该调制器包含用来将两束改变了的子光束反射回散极化单元的反射表面，在散极化单元处，这两束子光束被结合起来形成一个输出光信号，其中当从调制器传播回到光束交换元件时，在操作中从光束交换元件传播到调制器的第一和第二子光束的每个沿着相反方向折回到另一子光束的光路。
3.根据权利要求2所述的光束交换器件，其中光束交换元件包括透镜，屋脊棱镜，凹镜和分束镜之一。
4.根据权利要求2所述的光束交换器件，其中散极化单元包括透镜，双折射晶体，偏振分束器和半波片。
5.根据权利要求2所述的光束交换器件，其中调制器包括微电机系统调制器和液晶调制器之一。
6.根据权利要求5所述的光束交换器件，其中反射表面包括置于液晶调制器后面的平面镜，液晶调制器的反射电极，置于微电机系统调制器后面的平面镜和反射微电机系统元件之一。
7.根据权利要求2到6中任意一个所述的光束交换器件，其中光束交换元件包括用来接收第一子光束的第一平面和用来接收第二子光束的第二平面，第一和第二平面相互不平行。
8.根据权利要求7所述的光束交换器件，其中第一和第二平面是透射屋脊棱镜的角度平面。
9.根据权利要求7所述的光束交换器件，其中第一和第二平面是分束镜的反射表面。
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