CN1605040A - 控制以光束形式传送的信号的偏振的装置和相应的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制光纤传送光束形式的信号偏振的装置。按照本发明，这个装置包括：两个基本互相平行的基板构成的单元，在两个基板之间有分散液晶微滴的聚合物内含物；大致垂直于光束扩展方向的第一电场的第一施加装置，它在至少部分的单元内含物上。因此，取决于是否加第一电场，至少部分的单元内含物形成双折射或各向同性介质。

Description

控制以光束形式传送的信号的 偏振的装置和相应的应用
技术领域
本发明的范围是利用光纤的信号传输。
更精确对说，本发明涉及用于控制光纤传送光束形式的信号偏振的装置。理想的偏振控制器是双折射板，它可以控制其轴的方向和相位偏移，而且还有循环控制。
这种偏振控制器可用于补偿偏振模色散的系统，但并不受此限制。
背景技术
应当记住，增大光纤中的流速意味着，至今需要考虑的现象过去被认为是可以忽略的现象。这是偏振模色散(PMD)的情况，特别是在以前生产的光纤中。我们指出，偏振模色散是光脉冲在传输期间变成两个偏振状态。
众所周知，为了补偿这种色散，在光传输光纤与光电检测器之间串联一个补偿系统，该系统包括：偏振控制器，保偏光纤和用于测量保偏光纤偏振度的设备。换句话说，如图1所示，光传输光纤1连接到偏振控制器输入端2，而偏振控制器输出端连接到保偏光纤3的一端，保偏光纤3的另一端连接到光电检测器4。这种补偿系统的工作如以下所示：利用合适的测量装置5，测量保偏光纤的偏振度，为了使偏振度定量化，和改变偏振控制器以便使色散最小。
若我们认为偏振模色散现象是从10％的位时间开始出现，则10ps色散是10Gbit/s流速的可接受极限。
偏振模色散补偿对偏振控制器施加的严格约束是快速控制(约10μm)，动态和循环式。
满足这些约束的第一个已知的偏振控制器技术是铌酸锂(LiNbO3)技术。在标题为“Endless polarization control usingintegrated optic lithium niobate device”的文件中给予详细描述，作者是N.Walker和G.Walker，Electron.Letters Vol.24，pp.266-268，1988，JLT，Vol.8，pp.438-458，1988。它涉及集成光学元件，其中波导上不同位置处的电极允许TE/TM模式变换与相位偏移交替进行。三个独立电势可以形成动态循环控制器。这种第一个技术有几个缺点，具体地说：高命令电压(超过100V)，剩余双折射，插入损耗(通常为3-4dB)和高制造成本。
第二个已知的偏振控制器技术是另一个最重要的方案，它包括具有可变轴相移片(两个1/4波片和一个1/2波片)的经典组合。具体地说，我们可以参照Z.Zhuang et al.的文章，其标题为“Polarizationcontroller using nematic liquid crystal”，Optics Letters，Vol.24，pp694-696，1999。理论上，具有可变轴和相位偏移的单个相移片是足够的。
在这个方法中，液晶(向列型或近晶型)解决方案是最经常使用的，因为它们在短距离上有强的电光效应，并允许导向矢量作循环式旋转。具体地说，我们可以参照T.Chiba et al.的文章，其标题为“Polarization stabilizer using liquid crystal rotatable waveplates”，JLT Vol.17，pp 885-890，1999。
遗憾的是，向列型液晶解决方案运行太慢(约10ms)。
所以，人们建议采用近晶型液晶解决方案。具体地说，我们可以参照L.Dupont et al.的文章，其标题为“Principle of polarization modedispersion controller using homeotropic electroclinic liquid crystalconfined single mode fibre device”，Optics communications，Vol.176，pp113-119，2000和RNRT Copoldyn。我们还可以参照Marconi GECLtd.的美国专利no US 5,313,562，其标题为“Optical device withelectrodes end to end with electric field causing homeotropicalignment of liquid crystal is space between ends”。Dupont的这个文章和Marconi GEC Ltd.的美国专利no US 5,313,562的文章插入在此处供参考。
然而，这些近晶型液晶解决方案通常有很高的对准质量约束(需要利用对准层)和低的调制角。
发明内容
具体地说，本发明的目的是克服现有技术中的这些缺点。
更精确地说，本发明的一个目的是提供一种偏振控制器，它允许快速控制(几十微秒)，即，具有非常短的开关时间(也称之为重配置时间)，它可以与光纤上新的高流速相容。
本发明的目的还提供一种允许动态循环式控制的偏振控制器。
本发明的另一个目的是提供一种具有低制造成本的偏振控制器，特别是与利用上述已知技术制造的偏振控制器进行比较。
本发明的另一个目的是提供一种不需要对准层的偏振控制器。
这些目的以及随后可以明白的其他目的是本发明利用光束形式传送的偏振控制装置实现的，所述装置包括：
-两个基本互相平行基板构成的单元，在两个基板之间有分散液晶微滴的聚合物内含物；
-大致垂直于光束扩展方向的电场第一施加装置，它在至少部分的单元内含物上。
因此，取决于是否施加第一电场，至少部分的单元内含物形成双折射或各向同性介质。
有利的是，液晶的微滴尺寸远远小于光束的波长，最好是，它小于光束波长的1/10。
所以，本发明的普遍原理是利用聚合物基体中分散的小直径液晶微滴构成非均匀体系液晶代替偏振控制器。这种非均匀体系称之为“纳米PDLC”(聚合物分散液晶)。在经典PDLC非均匀体系中，微滴的尺寸与入射光波长相当，和存在扩散现象。这种扩散现象在本发明的纳米PDLC非均匀体系中并不存在，因为液晶微滴的尺寸小于光的波长。
具体地说，纳米PDLC的优点是：使用方便，没有液晶的定向层，结构的时间稳定性和快速响应时间。
在不施加电场时，微滴中存在导向矢量的统计分布。通过介质扩展的光波有平均折射率，它是液晶折射率与聚合物折射率的平均值。事实上，微滴内部导向矢量的取向是由界面处聚合物与液晶之间相互作用所确定。在没有电场的情况下，这些取向通常是随机分布的。
施加垂直于光束扩展方向的电场使液晶微滴重新定向，它造成折射率的整体调制(统计特性的部分消失)。换句话说，光束看到双折射材料。
可以注意到，若所加电场与光束扩展方向共线，则存在折射率的调制。
本发明还基于所施加电场是完全新颖性的和创造性的配置。所施加电场(大致)垂直于光束扩展方向，因此，光束看到双折射材料。
与此相反，应当记住，在利用PDLC单元的经典配置中，电场与光束扩展方向共线。它造成微滴中液晶导向矢量的重新定向。微滴中液晶导向矢量在统计上倾向于沿所施加电场排列，每个微滴中的方向是沿圆锥体扩展，圆锥体的对称轴是所施加电场的方向。于是，光波看到保持各向同性的介质，与所施加电场无关。仅仅材料的折射率发生变化。研究表明，材料折射率随所施加高UV辐射强度电场的变化遵从以下的定律：
δn＝αE2，其中α＝5×10-5μm2/V2。
与向列型液晶解决方案比较，本发明偏振控制器的运行是非常快速的。
此外，与近晶型液晶解决方案比较(见上述Dupont的文章和美国专利no US 5,313,562)，它具有较高的质量和光学均匀性(在较大厚度下没有对准问题，没有对准层)。此外，与此相反，它没有连续电压的问题。最后，它的开关时间与已知近晶型液晶解决方案同样地短。
有利的是，施加第一电场的第一装置至少包括一对电极，它放置在大致平行于基板的平面上。
按照一个有利的特征，施加第一电场的第一装置包括几对电极，它使所施加的电场有任意的方向。
有利的是，几对电极放置成星形，为的是施加连续旋转的第一电场。
在本发明第一个优选实施例中，施加第一电场的第一施加装置至少包括一对二维电极，它建立在两个平板中一个平板的一个表面上。
有利的是，施加第一电场的第一施加装置包括：
-至少第一对二维电极，它建立在两个平板中一个平板的内表面上，内表面与单元内含物接触，
-至少第二对电极，它建立在两个平板中另一个平板的内表面上，内表面与单元内含物接触，以及
其中所述至少第一对和第二对二维电极是互补的，为的是增大第一电场的穿透深度。
在本发明第二个优选实施例中，第一电场的第一施加装置至少包括一对三维电极，其厚度至少等于大部分的单元内含物厚度。
在上述具有二维(即，较薄的)电极的第一个实施例中，单元厚度中电场的穿透深度保持很低且是不均匀的。所以，很难得到重要的相位偏移。上述具有三维(即，较厚的)电极的第二个实施例的目的是克服这种缺点。
最好是，两个基板是在顶部，它包括：有光纤末端的玻璃板。
有利的是，所述第一施加装置所施加的第一电场幅度是预定的，为的是得到预定的双折射调制，它取决于所述第一电场。
按照本发明一个有利的变化方案，所述装置包括第二施加装置，幅度预定的第二电场施加到所述至少部分的单元内含物上，为的是得到预定的双折射调制，它取决于所述第一电场与第二电场之和。
在本发明的一个优选实施例中，所述装置包括允许第一电场和/或第二电场的幅度被调制的装置，为的是得到可变的双折射调制。
本发明还涉及上述偏振控制装置的应用，它用于偏振模色散补偿系统。
附图说明
在阅读以下结合非限制性例子和附图所描述的本发明优选实施例之后，本发明的其他特征和优点是显而易见的，其中：
图1表示已描述的偏振模色散补偿系统的简化图，它包括：偏振控制器，保偏光纤和用于测量保偏光纤上偏振度的装置；
图2表示本发明一个具体实施例的偏振控制器简化图；
图3说明加垂直于光束扩展方向的电场；
图4表示第一个实施例的(二维)电极简化图，它是本发明的部分偏振控制器；
图5表示第二个实施例的(三维)电极简化图，它是本发明的部分偏振控制器；
图6和7分别表示得到相位偏移π所需的电压与本发明偏振控制器中单元厚度的关系曲线，其中电极之间的间隔等于30μm(图6)和20μm(图7)。
具体实施方式
所以，本发明涉及偏振控制器，它可具体用作部分的偏振模色散补偿系统，如以上结合图1所描述的。
如本发明具体实施例的图2的简化图所示，偏振控制器20包括：
-两块基本互相平行的玻璃板6和7构成的单元，在它们之间有纳米PDLC材料。后者包括分散液晶微滴9的聚合物8，液晶微滴的尺寸(例如，几十纳米)小于光束波长的1/10；
-至少一对电极(见以下结合图4和5的详细讨论)，允许大致垂直于光束10扩展方向D的电场E(见图3和4)施加到部分的单元内含物。
它的工作原理如以下所述：取决于是否施加电场，至少部分的单元内含物形成双折射或各向同性介质。
在不施加电场时，微滴中存在导向矢量的统计分布。通过纳米PDLC介质扩展的光波看到平均折射率的各向同性介质，平均折射率是所有微滴的平均液晶折射率与聚合物折射率的平均值。唯像表达式给出以下的关系式：
N＝x ncl(E)+(1-x)npolymer                       (1)
其中x表示液晶与聚合物之间的相对比例，而ncl(E)表示所有微滴的平均液晶体折射率，它取决于所加的电场E，并可以写成以下的关系式：
ncl＝(2n0+ne)/3                                (2)
其中no和ne分别是液晶的寻常折射率和非常折射率。
在施加垂直于光束扩展方向D的电场E时(如图3所示)，纳米PDLC材料中扩展的光波看到双折射介质，其寻常折射率和非常折射率可以表示成以下的关系式：
No＝x no(E)+(1-x)npolymer                       (3)
Ne＝x ne(E)+(1-x)npolymer                       (4)
测量结果表明，对于量级为20V/μm的电压，在可接受的扩散损耗下，得到0.01量级的双折射。
图6和7中的曲线表示得到π相位偏移所要求的电压与纳米PDLC材料单元厚度之间的关系，电极之间的间隔分别是30μm(图6)和20μm(图7)。我们假设，在所加电场为20V/μm的情况下，最大的折射率变化是0.013。可以看出，在小厚度下可以得到相位偏移。这是很重要的一点，因为它可以实现没有准直光学元件的装置，因光束发散造成的损耗保持非常低(例如，经典单模光纤的损耗为0.1dB，而受拉纤芯光纤的损耗可忽略不计)。
我们现在结合图4和5讨论两个实施例的电极，它包含在本发明的偏振控制器中。
在这两种情况下，对于两块玻璃板6和7中至少一块玻璃板，我们采用一种电极系统，它包括：几对(例如，3对)放置成星形的电极，形成在大致平行于玻璃板的平面上。这种电极系统有垂直于玻璃板的对称轴Oy。这个对称轴Oy与光束的扩展方向D相同，所以，可以施加其取向完全受控的电场，而且，它可以连续和循环式旋转。
在每对电极的电极之间施加可变的电压，可以实现可变的双折射调制。
在图4所示的第一个实施例中，玻璃板6的电极系统包括：三对二维电极(41a，41b)，(42a，42b)，(43a，43b)。这些电极建立在玻璃板的一个表面上，最好是在与单元中所含纳米PDLC材料接触的内表面上。利用光刻法可以制成这些电极，或通过透明导体沉积(ITO)或金属沉积。例如，利用包括电解生长步骤的LIGA技术。通过加偏移相位电压到同一对电极中的每个电极(例如，图4中的41a，41b)，产生平行于玻璃板的电场E。于是，传输通过电极系统中心的光束看到双折射材料。
两块玻璃板可以有互补的电极系统，它可以增大电场的穿透深度(沿Oy轴方向)。
在图5所示的第二个实施例中，(两块玻璃板共同的)电极系统包括：三对(“立体”)三维电极(51a，51b)，(52a，52b)，(53a，53b)，电极的厚度为几十微米。可以利用导电材料(金属)或半导体(硅等)制成这些电极。它们可以利用基片光刻法或微型刀刻技术制成。
具体地说，本发明偏振控制器的优点如以下所示：
-所施加电场的均匀性；
-利用单个电压命令实现导向轴旋转和折射率调制的双重功能；
-简化的电子接口；
-坚固的机械结构；
-有效的材料限定，使所需效应作用到激活元件的薄层上(10-15μm)；
-几十微米(通常为30μm)的工作光瞳，它与利用单模光纤或受拉纤芯单模光纤相容，或包括可以利用合适电压的外部准直微光学元件。纳米PDLC仍然是足够地薄，因此，在传输通过材料时，来自光纤的光束并不发散。
-在这种语境下，光学补偿装置的技术特性是以下所示：
    参数     最小     最大     单位
    插入损耗     3     dB
    PDL     0.2     dB
    PMD     0.2     Ps
    最大功率     10     dBm
    响应时间     40     μs
    绝缘     30     dB
    温度     -5     70     ℃
任选地，本发明的偏振控制器包括：
-除了上述的第一装置以外，允许所施加电场垂直于光束扩展的方向；
-施加第二电场的另一个(第二)装置。
在这种情况下，得到的双折射调制取决于第一电场与第二电场之和。因此，通过选取这两个电场的合适幅度，可以得到预定的双折射调制。
此外，若需要可变的双折射调制，则可以提供这样的装置，它允许第一电场和/或第二电场有可变的幅度。

Claims (14)

1.一种用于控制以光束形式传送的信号的偏振的装置，其特征是，它包括：
-两个基本互相平行的基板构成的单元，在两个基板之间有分散液晶微滴的聚合物内含物；
-大致垂直于光束扩展方向的第一电场的第一施加装置，它在至少部分的单元内含物上，
因此，取决于是否施加第一电场，至少部分的单元内含物形成双折射或各向同性介质。
2.按照权利要求1的装置，其特征是，液晶微滴的尺寸远远小于光束的波长。
3.按照权利要求2的装置，其特征是，液晶微滴的尺寸小于光束波长的1/10。
4.按照权利要求1至3中任何一个的装置，其特征是，第一电场的第一施加装置至少包括一对电极，它放置在大致平行于基板的平面上。
5.按照权利要求1至4中任何一个的装置，其特征是，第一电场的第一施加装置包括几对电极，它可使所施加电场有任意的方向。
6.按照权利要求5的装置，其特征是，几对电极放置成星形，因此，可以旋转和连续地施加第一电场。
7.按照权利要求1至6中任何一个的装置，其特征是，第一电场的第一施加装置至少包括一对二维电极，它建立在两个平板中的一个表面上。
8.按照权利要求7的装置，其特征是，第一电场的第一施加装置包括：
-两个平板中一个平板内表面上建立的至少第一对二维电极，该内表面与单元内含物接触；
-两个平板中另一个平板内表面上建立的至少第二对二维电极，该内表面与单元内含物接触；
且所述至少第一对和第二对二维电极是互补的，因此，它们增大第一电场的穿透深度。
9.按照权利要求1至6中任何一个的装置，其特征是，第一电场的第一施加装置至少包括一对三维电极，且其厚度至少等于大部分的单元内含物厚度。
10.按照权利要求1至9中任何一个的装置，其特征是，两个基板属于包括有光纤末端的玻璃板。
11.按照权利要求1至10中任何一个的装置，其特征是，所述第一施加装置所施加第一电场的幅度是预先确定的，为的是得到预定的双折射调制，它取决于所述第一电场。
12.按照权利要求1至10中任何一个的装置，其特征是，它包括幅度预定的第二电场的第二施加装置，它施加到至少部分的单元内含物上，为的是得到预定的双折射调制，它取决于所述第一电场与第二电场之和。
13.按照权利要求11和12中任何一个的装置，其特征是，它包括允许第一电场和/或第二电场的幅度是可变的装置，为的是得到可变的双折射调制。
14.按照权利要求1至13中任何一个的偏振控制装置的应用，它用于偏振模色散补偿系统。
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