CN1576925A - 具有微机电系统装置的可变光衰减器 - Google Patents

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Abstract

一种可变光衰减器包括第一透镜、MEMS装置、第二透镜和光楔。第一透镜被构造为准直在第一端口接收到的入射光，并将输出光聚焦在第二端口附近的焦点上。MEMS装置包括一具有倾角的反射面，该角度通过可变控制机构进行控制。第二透镜的焦点位于MEMS装置反射面附近。光楔在第一透镜和第二透镜之间，它被构造为：折射从第一透镜接收到的入射光进入第二透镜，并折射从第二透镜接收到的入射光进入第一透镜。

Description

具有微机电系统装置的可变光衰减器
技术领域
本申请涉及光学技术。
背景技术
可变光衰减器普遍应用于光通信系统和光测量系统。可变光衰减器(VOA)装置一般被设计成这样：在可变范围内，调整从该装置出射的光束与进入该装置光束之间的功率比。一些可变光衰减器可包括微机电系统(MEMS)。MEMS装置通常包括一个或多个制造在芯片上的反射镜，在MEMS装置中的这些反射镜通常倾斜一角度，该角度可以通过一可变控制机构，如可变电压或可变电流，来进行控制。
图1a和1b(在先技术)表示设有一MEMS装置130的VOA100。VOA100还包括透镜120和夹持器100，夹持器100用来夹持输入光纤181和输出光纤182。从输入光纤181出射的光101被透镜120准直，并入射到MEMS装置130的反射面131上。光101被MEMS装置130的反射面130反射后成为光109。光109被透镜120聚焦到输出光纤182末端附近的焦点上。当MEMS装置130位于图1a所示的第一位置时，光109被透镜120聚焦，使得基本上大部分光109进入输出光纤182。当MEMS装置130位于图1b所示具有倾角θ的第二位置时，光109也被透镜120聚焦，但仅使光109的一部分进入输出光纤182。
发明内容
一方面，本发明提供了一种可变光衰减器。该可变光衰减器包括第一透镜、MEMS装置、第二透镜和光楔。第一透镜被构造成为准直在第一端口接收到的输入光，并将输出光聚焦在第二端口附近的焦点上。MEMS装置包括具有倾角的反射面，该角度可以通过一控制变量进行控制。第二透镜的焦点位于MEMS装置反射面附近。光楔位于第一透镜和第二透镜之间，它被构造为：折射从第一透镜接收到的输入光进入第二透镜，并折射从第二透镜接收到的输出光进入第一透镜。
另一方面，本发明提供了一种制造可变光衰减器的方法。该方法包括以下步骤：(1)配置第一透镜的步骤：第一透镜准直从第一端口出射的输入光，并将输出光聚焦在第二端口附近的焦点上；(2)提供一MEMS装置的步骤：该装置包括一个有倾角的反射面，该倾角通过控制变量来控制；(3)配置第二透镜的步骤：使第二透镜的焦点位于MEMS反射面附近；(4)光楔定位的步骤：在第一透镜和第二透镜之间放置一光楔；(5)配置光楔的步骤：使光楔折射从第一透镜接收到的输入光进入第二透镜，并折射从第二透镜接收到的输出光进入第一透镜。
另一方面，本发明提供了一种光衰减的方法，该光在可变衰减器中从第一端口行进到第二端口。衰减定义为第二端口的输出光与第一端口输入光功率的比。该方法包括下述步骤：(1)提供一MEMS装置的步骤：该装置包括具有倾角的反射面，该倾角可以通过一控制变量进行控制；(2)准直输入光的步骤：准直从第一端口接收到的输入光；(3)折射输入光的步骤：在准直输入光之后折射该输入光；(4)聚焦输入光的步骤：折射输入光之后，将输入光聚焦到MEMS装置反射面上；(5)反射的步骤：用MEMS装置反射输入光使其成为输出光；(6)准直输出光的步骤：准直从MEMS装置接收到的输出光；(7)折射输出光的步骤：在输出光反射之后，折射该输出光；和(8)聚焦输出光的步骤：在输出光折射之后，将该输出光聚焦到第二端口附近的焦点上。
本发明包括下述一个和多个优点。本发明提供了一种VOA的实施方式。该VOA的衰减曲线可根据VOA的用途设计。该VOA的衰减可被设计为具有更好的分辨率、稳定性、可靠性以及动态范围。该VOA还可低成本制造。本发明的其它特征和优点可以从说明书、附图和权利要求中清楚地理解。
附图说明
图1a和1b表示了具有MEMS装置的可变光衰减器的在先技术。
图2a和2b表示了具有MEMS装置的可变光衰减器。
图3表示了具有MEMS装置可变衰减器的衰减曲线。
图4表示了一模拟衰减曲线。
图5表示了建立模拟衰减曲线的实验。
图6a和6b表示了入射角与第二透镜焦距和输入、输出光束的分开距离相关。
具体实施方式
本发明涉及一种光学技术的改进。下述描述使本领域普通技术人员能够生产和使用本发明，且提供了本专利申请的详细内容及要求。可以理解，本领域技术人员易于对本发明作出各种改变，其中的基本原理也可应用于其它实施例。因此，本申请并不仅仅局限于所示实施例，而是与文中所述内容和技术特征所包含的最大保护范围一致。
以下将就具有特定结构特定元件的可变光衰减器对本发明进行描述。同样地，还将就各元件间的特定关系对本发明进行描述，例如两元件之间的距离或角度关系。然而，本领域普通技术人员易于认识到本文所述的装置和系统还可包括其它元件，这些元件具有相同特性、其它的结构，以及两元件者间具有其它的相互关系。
本申请的实施方式提供了一种对图1a和1b所示VOA进行改进的VOA。
VOA100的衰减，定义为输出光纤182中光功率与输入光纤181中光功率的比，它是MEMS装置130的倾角θ的函数。图3表示了与VOA100相联系的衰减曲线310。曲线310表明VOA100的衰减随着倾角θ的增加而增大。当倾角θ大约为0.5度时，VOA100的衰减为30dB。
本发明的实施方式提供了一种VOA装置，其优点是：它的衰减曲线可根据需要设计。例如，图3还表示了根据本发明的一个实施方式，与VOA200相关的衰减曲线320。衰减曲线320表明，当倾角θ为5度时，VOA的衰减近似为17dB。
在一种实施方式中，图2a-2b表示了设有MEMS装置130的VOA 200。象图1a-1b中的VOA 100一样，VOA 200也包括第一透镜120，和用于夹持输入光180和输出光纤182的夹持器110。另外，VOA 200还包括光楔210和第二透镜220，二者都位于透镜120和MEMS装置130之间。第一透镜120可为GRIN透镜，第二透镜220也可为GRIN透镜。
第一透镜120被这样配置和定位：使其准直从光纤181末端出射的光信号，并聚焦光信号使其进入输出光纤182的末端。光楔210改变经过其中的光的传输方向。第二透镜220以如下的方式配置并定位，即：其焦点基本上在MEMS装置130的反射面上。MEMS装置130反射面的倾角θ通过控制变量进行控制，如通过电压变量或电流变量控制。
从输出光纤181射出的光101被第一透镜120准直，并被光楔210折射成为光102。光102形成直径为D的光束。光102被第二透镜220聚焦并成为光103。光103入射到MEMS装置130上，其焦点基本上位于MEMS装置130的反射面131上。
光103被MEMS装置130反射成为光107。光107被透镜220准直并形成光108。光108形成具有直径D’的光束。光108被光楔210折射成为光109。光109被透镜120聚焦，其焦点基本上在输出光纤182末端附近。
光102和光108都形成光束。两光束的中心被由MEMS装置130倾角产生的距离分开。当MEMS装置位于第一位置时，如图图2a所示，两光束的中心被第一距离d1分离，光109被第一透镜120聚焦，使基本上大部分光109进入输出光纤182。当MEMS装置位于具有倾角θ的第二位置时，如图图2b所示，两光束的中心被第二距离d2分离，光109被透镜120聚焦，使仅一部分光109进入输出光纤182。
当MEMS装置130位于第一位置时，VOA200的衰减定义为输出光纤182和输出光纤181之间的功率比，是最小的。VOA200的衰减随着第一距离d1与第二距离d2差值的增大而增加。VOA200的衰减一般是d2-d1的函数。
图4示出了一模拟衰减曲线，它表示衰减与距离差d2-d1之间的函数关系。如图图5所示，在实验中创立了模拟衰减曲线。图5表示，两SMF-28光纤581和582分别与两准直器510和520耦合。两准直器510和520排成一行以获得最小损耗，从光纤581到光纤582耦合的功率被定义为参考功率记录下来。然后，光纤582和准直器520关于光纤581和准直器510移动，从光纤581耦合到光纤582的功率被定义为耦合功率，作为两准直器之间的移动距离d的函数被记录下来。衰减定义为耦合功率和参考功率的比，它作为移动距离d的函数在图4中绘制出来。图4的制图提供了用于双SMF-28光纤VOA200可能设计的模拟衰减曲线。
图4中的模拟衰减曲线通常模拟作为d2-d1函数的VOA200衰减。因为d2-d1是倾角θ的函数，因此图4中的模拟衰减曲线也模拟作为倾角θ函数的VOA200衰减。
图6a和6b表示d2-d1一般与倾角θ相关。图6a表示入射角α1与第一距离d1和第二透镜220焦距f之间的关系。更详细地说，在小入射角限制的情况下，α1＝d1/2f。图6b表示入射角α2与第二距离d2和第二透镜220焦距f之间的关系。更详细地说，在小入射角限制情况下，α2＝d2/2f。入射角α1和α2与倾角θ有如下等式的关系：θ＝α2-α1。因此，d2-d1与倾角θ的关系用公式表示为：d2-d1＝2fθ。
在一个实施方式中，当θ＝5度、d2-d1＝05mm时，d1＝0.65mm、f＝2.86mm。如图4所示，如果在使用两SMF-28光纤的VOA 200中，当θ＝5度、d2-d1＝0.5mm时，VOA 200的衰减预期大约为30dB。
选择第二透镜220焦距f，可使VOA200的衰减曲线优化。例如，当倾角θ为5度时，通过选择焦距f，可以优化VOA 200的衰减曲线，使衰减等于选定的值(如，30dB，25dB等)。
VOA200具有可根据VOA200需要设计其衰减曲线的优点。与VOA100相比较，VOA200还具有使用的MEMS装置反射面较小的优点。在VOA100中，如图图1a-1b所示，光101直接入射到MEMS装置130的反射面上。在VOA200中，如图图2a-2b所示，在光107入射到MEMS装置130反射面上之前，先被透镜220聚焦。因此，VOA200中MEMS装置130的反射区能比VOA100中MEMS装置的反射区小。MEMS装置中较小的反射区能降低成本。
已经披露了提供可变光衰减器的方法和系统。尽管本发明已根据所示的实施方式作了描述，但是本领域普通技术人员容易意识到，可对这些实施例做出多种变化，而且这些变化在本发明的精神和范围之内。因此，本领域普通技术人员可在不偏离所附权利要求书的精神和范围之内做出多种更改。

Claims (25)

1、一种可变光衰减器，包括：
第一透镜，准直在第一端口上接收到的输入光，并将输出光聚焦到第二端口附近的焦点上；
MEMS装置，包含一具有倾角的反射面，该倾角通过控制变量进行控制；
第二透镜，其焦点位于MEMS装置的反射面附近；
光楔，位于第一透镜和第二透镜之间，将从第一透镜接收的输入光折射进入第二透镜，并将从第二透镜接收的输出光折射进入第一透镜。
2、权利要求1的可变光衰减器，其中第一端口接收输入光纤末端，第二端口接收输出光纤末端。
3、权利要求2的可变光衰减器进一步包括一夹持输入光纤和输出光纤的夹持器。
4、权利要求3的可变光衰减器，其中夹持器是毛细管。
5、权利要求1的可变光衰减器，其中MEMS装置的反射面被配置在第一位置，使来自第一透镜的输出光实质上全部进入第二端口。
6、权利要求1的可变光衰减器，其中MEMS装置的反射面被配置在第二位置，使来自第一透镜的输出光部分进入第二端口。
7、权利要求1的可变光衰减器，其中第一透镜是GRIN透镜。
8、权利要求1的可变光衰减器，其中第二透镜是GRIN透镜。
9、权利要求1的可变光衰减器，其中选择第一透镜的焦距，使衰减曲线优化。
10、权利要求1的可变光衰减器，其中选择第二透镜的焦距，使衰减曲线优化。
11、权利要求1的可变光衰减器，其中MEMS装置的反射面倾角通过电压进行控制。
12、权利要求1的可变光衰减器，其中MEMS装置的反射面倾角通过电流进行控制。
13、一种制造可变光衰减器的方法，包括：
配置第一透镜，使其准直从第一端口射出的输入光，并将输出光聚焦到第二端口附近的焦点上；
提供MEMS装置，该装置包含具有倾角的反射面，该倾角通过一控制变量进行控制；
配置第二透镜，使它的焦点位于MEMS装置的反射面附近；和
确定一光楔的位置，使其位于第一透镜和第二透镜之间；和
配置该光楔，使它将从第一透镜接收到的输入光折射进入第二透镜，并将从第二透镜接收到的输出光折射进入第一透镜。
14、权利要求13的方法进一步包括定位输入光纤末端位置为第一端口，及定位输出光纤末端为第二端口。
15、权利要求13的方法进一步包括配置一夹持器夹持输入光纤和输出光纤。
16、权利要求15的方法，其中配置夹持器的步骤，包括配置夹持输入光纤和输出光纤的毛细管。
17、权利要求13的方法进一步包括配置可操作的MEMS装置的反射面在第一位置，使来自第一透镜的输出光实质上全部进入第二端口。
18、权利要求13的方法进一步包括配置可操作的MEMS装置反射面在第二位置，使来自第一透镜的输出光部分进入第二端口。
19、权利要求13的方法进一步包括提供一GRIN透镜作为第一透镜。
20、权利要求13的方法进一步包括提供一GRIN透镜作为第二透镜。
21、权利要求13的方法进一步包括选择第一透镜的焦距，使衰减曲线优化。
22、权利要求13的方法进一步包括选择第二透镜的焦距，使衰减曲线优化。
23、一种在可变衰减器中改变从第一端口到第二端口光衰减的方法，衰减定义为第二端口输出光与第一端口输入光功率之比，该方法包括：
提供MEMS装置，该装置包含一具有倾角的反射面，倾角通过一控制变量进行控制；
准直从第一端口接收到的输入光；
准直输入光之后，折射该输入光；
折射输入光之后，聚焦输入光到MEMS装置的反射面上；
利用MEMS装置反射输入光，使其成为输出光；
准直从MEMS装置接收到的输出光；
准直输出光之后，折射该输出光；和
折射该输出光之后，聚焦该输出光到第二端口附近的焦点上。
24、权利要求23的方法进一步包括，配置MEMS装置的反射面位于第一位置，使输出光在第二端口附近的焦点聚焦后实质上全部进入第二端口。
25、权利要求24的方法进一步包括，配置MEMS装置的反射面位于第二位置，使输出光在第二端口附近的焦点聚焦后部分进入第二端口。
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