CN207249173U - 多模可变光衰减器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光通信领域用的多模可变光衰减器。采用可变液晶波片技术、4f光学成像系统及光学参数的优化，使得器件满足匹配条件、等量衰减条件以及隔离条件，提供了既具有快速响应时间、同时具有低模式相关损耗的多模可变光衰减器，以满足光通信系统对这一性能产品的需求。

Description

多模可变光衰减器

技术领域

本实用新型涉及光通信领域用的光衰减器，尤其涉及一种具有快速响应能力和低模式相关损耗的多模可变光衰减器。

背景技术

可变光衰减器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。可变光衰减器又分为单模和多模两类，单模可变光衰减器在现有中长途光通信系统中已得到广泛应用，相比之下，多模可变光衰减器主要应用于多模短距光通信系统 (如数据中心)，以及多模短距光通信系统和产品测试中，目前并不多见。然而，随着数据中心的快速发展，特别是多模光通信系统和产品的测试需要，业界对多模可变光衰减器的需求也迫切起来。

美国专利US7295748和US8280218等披露的一类基于微电子机械转镜式的可变光衰减器，由于其简洁的光学设计、紧凑的结构和方便的电学控制，在单模通信系统中已被广泛采用。图1a和图1b表示现有技术中微电子机械转镜式可变光衰减器的基本原理，输入光纤101输入的光信号经准直透镜103准直，准直光束105被微机械驱动的微小反射镜104偏转形成出射准直光束106，再次通过准直透镜103的聚焦作用，转化为输出光斑107，其中心位置相对于输出光纤102的中心位置有一定的位置偏离量(如图1b中所示Δχ)，耦合到输出光纤102 的效率降低，从而起到光衰减的作用。反射镜104的偏转角度越大，偏离量Δχ也越大，因此衰减量也越大。

微电子机械转镜式的可变光衰减器在单模光通信系统中获得了成功，很自然地也被推广到多模系统应用中，然而，基于此技术的多模可变光衰减器表现出了很强的模式相关性，即输入光纤中的光信号模式发生变化时(有时是由于轻微的光纤抖动或扭曲)，衰减量有强烈的变化，称为模式相关损耗，变化量有时会超过1dB，大大影响衰减精度。产生模式相关损耗的主要原因是，多模光纤中各个模式之间的干涉产生的无规则光斑分布是不稳定的，如图2 所示，输入多模光纤201中的光斑不具有单模光纤的高斯分布形态，而是不规则的分布，在通过准直透镜成像输出到多模光纤202后，输出光斑203仍具有不规则分布。

输出光斑到多模光纤的耦合效率与单模情况完全不同。多模光纤具有一个芯径，所有能量在芯径内传输；同时多模光纤还具有一个数值孔径，大于该数值孔径的光线不能耦合到多模光纤中。在输出光斑数值孔径与输出多模光纤的数值孔径相等的情况下，耦合能量由输出光斑203与输出多模光纤202两个圆重叠部分204的能量决定，而输出光斑203与输出多模光纤202不重叠部分205中的能量则产生衰减，但无论重叠或不重叠部分的能量都会受到输入多模光纤201中模式干涉的影响，重叠或不重叠部分的能量总和是不变的，但总能量在重叠和不重叠部分的分配会发生变化，从而产生模式相关损耗。

为了降低模式相关损耗，可以使输出光斑与输出多模光纤的芯径重合，如现有技术中，有将美国专利US6674953、US6404970、US7477827等所披露的可变中性滤波片技术用于多模可变光衰减器产品中。如图3所示，可变中性滤波片301通常为条形，其长边方向上不同位置的光学透过率不同，当输出光斑302相对可变中性滤波片从一个位置移动到另一个位置时，衰减量产生变化。然而输出光斑302有一定大小，可变中性滤波片301对应区域的衰减量并不一致，故仍旧存在一定的模式相关损耗，需要将可变中性滤波片301的长度做得足够长，使得输出光斑302直径内的光强透过率变化不大，模式相关损耗可以降低到可以接受的程度。然而，实际产品中，为了保持光路的稳定，通常采用输出光斑302不动，而是移动可变中性滤波片301的设计，同时可变中性滤波片的长度需足够长，这就使得获得所需衰减量的响应时间大大增加，通常达到秒级，对系统和测试应用造成很大的制约。

针对单模系统应用，还有很多其他技术，如机械档光型(美国专利US6275320、US6714716 等)、波导型(美国专利US7330630、US7298954、US6925217等)、电光材料型(美国专利 US5727109、US7034979、US8620131、US6606181等)、磁光材料(美国专利US6717713等)等。目前实现产品化的多模可变衰减器主要还是基于微电子机械转镜和可变中性滤光片技术，前者响应时间(毫秒级)可以满足需求，但模式相关损耗大；后者模式相关损耗相对小一些，但响应时间慢(秒级)，应用受到极大限制。

发明内容

根据前面的介绍，业界迫切需要一种具有快速响应能力(如＜10毫秒)和低模式相关损耗(如＜0.2dB)的多模可变光衰减器，本实用新型提供基于可变液晶波片的多模可变光衰减器，同时具有快速响应和低模式相关损耗的特征，满足业界对此类技术产品的需求。

通过研究发现，要使多模可变光衰减器具有低的模式相关损耗，必须满足三个条件：第一个称作匹配条件，第二个称作等量衰减条件，第三个称作隔离条件。

匹配条件：光学系统输出光斑的口径与输出多模光纤芯径大小相等，位置重合；输出光斑与输出多模光纤的数值孔径相等或接近。

随着输入多模光纤前端的轻微抖动或扭曲，多模光纤各传导模式之间产生的干涉会影响输出光斑能量分布的相应变化，但能量分布总在多模光纤的芯径内，总能量是不变的，同时输出光斑数值孔径也不会大于输出多模光纤的数值孔径，因此满足上述匹配条件的系统，输出光斑的能量全部或接近全部耦合到输出多模光纤内，不会随着能量分布的变化产生变化。

本实用新型提供的多模可变光衰减器，通过光学系统各参数的设计，以及通过采用可变液晶波片的相位延迟量产生衰减，输出光斑的口径、数值孔径和中心位置在控制过程中不会变化，并与输出多模光纤匹配，因此满足了上述匹配条件。

等量衰减条件：输出光斑的能量来自对多模光信号的所有局部小区域进行等量衰减得到，区部小区域越小，模式相关损耗就越小。

基于可变波片的偏振处理方式产生的衰减是对所有局部小区域进行的，原则上局部小区域可以无限小。可变波片可以通过固定波片的机械旋转方式实现，也可以通过电压或电流控制的双折射材料光轴或相位延迟量的变化实现。针对毫秒级响应时间的需要，电光材料是比较好的选择。有多种电光材料可供选取，如锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)、液晶和电光晶体等，综合考虑成本和性能等因素，本实用新型采用了可变液晶波片作为衰减量控制元件。

隔离条件：光学系统除输出光斑外，剩余能量的光斑不能耦合到输出多模光纤。即使有少量的剩余光斑能量耦合回输出多模光纤，由于剩余光斑的能量分布也会发生变化，从而导致耦合能量的变化，引起模式相关损耗。

本实用新型提供的多模可变光衰减器有透射式和反射式两种类型。

本实用新型提供的透射式多模可变光衰减器，如图4所示，包含有：

一个输入光波导401，用于输入光信号；

一个输入耦合透镜403，具有第一焦距，将来自所述输入光波导的光信号转换为准直光信号410；

一个偏振分束器405，将入射其上的所述准直光信号分解为第一和第二光束，分别具有第一和第二偏振态；

一个可变液晶波片406，具有一个在通光孔径内的光轴方向，其相位延迟量可通过输入其上的电压在零到圆周率的非零整数倍范围内改变，并由此改变通过它的所述第一和第二光束的偏振态；

一个偏振合束器407，将通过所述可变液晶波片后的第一和第二光束的部分光信号合成第三光束411，剩余光信号为第四光束412；

一个输出耦合透镜404，具有第二焦距，将来自所述偏振合束器的所述第三光束聚焦，形成输出光斑413，所述输出光斑具有第三口径和第三数值孔径；

一个输出光波导402，接收所述输出光斑，输出光信号；

其特征在于：

所述的输入和输出光波导为多模光纤，其纤芯408、409分别具有第一和第二芯径，以及第一和第二数值孔径；

所述输出光斑的第三口径与输出多模光纤纤芯的第二芯径大小相等，位置重合；所述输出光斑的第三数值孔径与输出多模光纤纤芯的第二数值孔径相等或接近；

所述可变液晶波片的相位延迟量在通光孔径内是相等的；

所述第四光束不能耦合到输出多模光纤。

在上述透射式多模可变衰减器中，输入和输出多模光纤不必相同，在多模产品的测试系统中，这种情况是可能发生的，输入多模光纤连接多模光源，输出多模光纤连接光收发模块。为满足前述匹配条件，输入多模光纤的第一芯径与第一数值孔径之积必须等于输出多模光纤的第二芯径与第二数值孔径之积；在光学系统参数的选取上，特别是输入和输出耦合透镜的焦距选取，需使得输入和输出多模光纤的第一芯径与第二芯径之比等于输入和输出耦合透镜的第一焦距和第二焦距之比。

在上述透射式多模可变衰减器中，输入和输出多模光纤也可采用同一种多模光纤，具有相同的芯径和数值孔径，此时输入和输出耦合透镜也取相同的透镜，具有相等的焦距。

在上述透射式多模可变衰减器中，为满足匹配条件，使输入耦合透镜与输出耦合透镜间的有效光学距离等于所述第一焦距和第二焦距之和，输入多模光纤的端面在输入耦合透镜的焦平面上，输出多模光纤的端面在输出耦合透镜的焦平面上，光学系统为一个4f成像系统。这一点与单模系统是不同的，单模情形不必为4f成像系统。

在上述透射式多模可变衰减器中，本实用新型提供了两种实现方式，第一种为位置偏离型，第二种为角度偏离型。

本实用新型提供的透射式位置偏离型多模可变衰减器，偏振分束器由第一多层介质偏振分束器和第一反射镜组成；通过偏振分束器的第一和第二光束方向平行，在位置上分离；所述偏振合束器由第二多层介质偏振分束器和第二反射镜组成；通过可变液晶波片和偏振合束器的第一和第二光束的部分光信号合成的第三光束，其强度由可变液晶波片的相位延迟量控制，从而由输入到可变液晶波片上的电压控制。

第一和第二多层介质偏振分束器是立方体结构，各含有一个通过光学镀膜得到的多层介质层，其法线与准直光信号成45度角，并且第一和第二多层介质偏振分束器结合第一和第二反射镜分别置于可变液晶波片的两侧，形成一个平行体。此种安排使得通过第二多层介质偏振分束器得到的第四光束与第三光束成90度角，位置上与第三光束完全分离，导致第四光束不被输出耦合透镜接收。

通过光学镀膜得到的多层介质层将准直光信号分解得到的第一和第二光束，其第一和第二偏振态为相互垂直的线偏振态，具有第一和第二偏振方向，并与第一和第二光束的传播方向垂直；可变液晶波片的光轴方向与第一和第二偏振方向成45度角或135度角。

第一和第二反射镜可以是平面反射镜或全内反射棱镜。

本实用新型提供的透射式角度偏离型多模可变衰减器，偏振分束器和偏振合束器是第一和第二楔形双折射晶体，分别具有第一和第二光轴，且具有相等的楔形角；第一和第二楔形双折射晶体分别置于可变液晶波片的两侧，并与之组成一个平行体。通过第一楔形双折射晶体分解的第一和第二光束的第一和第二偏振态为相互垂直的线偏振态，其方向与可变液晶波片的光轴方向成45度角或135度角；通过第二楔形双折射晶体的第一和第二光束的部分光信号合成的第三光束，其强度由可变液晶波片的相位延迟量控制，从而由输入到可变液晶波片上的电压控制。

透射式角度偏离型多模可变衰减器中，可使第一和第二楔形双折射晶体的第一和第二光轴在通光口径面内，第二光轴与第一光轴方向成0度或90度，取决于需要多模可变衰减器断电时处于“开”或“关”的要求；也可使第一和第二楔形双折射晶体的第一和第二光轴在第一和第二楔形双折射晶体的侧边，第一与第二光轴方向平行。

在透射式角度偏离型多模可变衰减器中，第四光束可以被输出耦合透镜接收，但它与第三光束方向不同，它有两个方向分别包含两个偏振态分量，通过输出耦合透镜后形成偏离光斑。输出耦合透镜前光束的角度通过透镜的作用，在其后焦平面上转化为偏离光斑位置的不同，因此，偏离光斑将偏离输出多模光纤纤芯位置，选择双折射材料的寻常和非寻常光线折射率之差、楔形角与输出耦合透镜的焦距---这三者之积大于输出多模光纤的芯径，可使偏离光斑在其口径内任一区域都与所述输出多模光纤的芯径内任一区域不重叠，从而不影响输出多模光纤中耦合的能量，达到低的模式相关损耗。

由于可变液晶波片的相位延迟量在加电压或者未加电压时有一个残余量，为达到高的衰减量，通常需要这个残余相位延迟量很低，如图4b所示，本实用新型使用一个双折射相位补偿片414，置于所述可变液晶波片406的前后任一面，将可变液晶波片的残余相位延迟抵消，双折射相位补偿片的相位延迟量设置在整数倍圆周率附近。

在输入和输出耦合透镜的选择方面，为达到小型化的目的，可采用c透镜和非球面透镜中的一种。

本实用新型提供的反射式多模可变光衰减器，如图5a和图5b所示，包含有：

一个输入光波导501，用于输入光信号；

一个耦合透镜503将来自所述输入光波导的光信号转换为准直光信号，具有一个焦距；

一个偏振分合器505，可将入射其上的所述准直光信号分解为第一和第二光束，分别具有第一和第二偏振态；

一个可变液晶波片506，具有一个在通光孔径内的光轴方向，其相位延迟量可通过输入其上的电压在零到二分之一整数倍圆周率范围内改变，并由此改变通过它的所述第一和第二光束的偏振态；

一个反射镜507，可反射所述第一和第二光束，使之再次通过所述可变液晶波片，并到达所述偏振分合器；

所述偏振分合器将从反射镜反射并再次通过可变液晶波片的第一和第二光束的部分光信号合成第三光束，剩余光信号为第四光束；第三和第四光束通过所述耦合透镜形成输出光斑 508和偏离光斑509，输出光斑具有第三口径和第三数值孔径；

一个输出光波导502，接收所述输出光斑，输出光信号；

输入和输出光波导为相同的多模光纤，具有相同的芯径和数值孔径。

输出光斑的第三口径与输出多模光纤的芯径大小相等，位置重合；输出光斑的第三数值孔径与输出多模光纤的数值孔径相等或接近；

可变液晶波片的相位延迟量在通光孔径内是相等的；

所述偏离光斑内的任一区域与所述输出多模光纤芯径内任一区域不重叠。

本实用新型提供的反射式多模可变光衰减器，反射镜位于耦合透镜一侧焦平面上，输入和输出多模光纤端面在耦合透镜另一侧焦平面上，使得输入和输出多模光纤通过4f系统成像，同时由于采用了相同的输入和输出多模光纤，满足前述匹配条件。

偏振分合器采用一个楔形双折射晶体，如铌酸锂或钒酸钇晶体，具有一个光轴和一个楔形角，可以将准直光信号分解成偏振态互相垂直的第一和第二光束，具有第一和第二偏振态，其方向与可变液晶波片的光轴方向成45度角或135度角。

第一和第二光束通过可变液晶波片后被反射镜反射，再次通过可变液晶波片，返回到楔形双折射晶体，第一和第二光束的部分光信号合成第三光束，其强度由可变液晶波片的相位延迟量控制，从而由输入到可变液晶波片上的电压控制。第四光束具有与第三光束不同的方向，经耦合透镜503聚焦后，形成的偏离光斑509与输出光斑508的位置不同，不能耦合到输出多模光纤芯径内。光学系统参数的选取，使得楔形双折射晶体的寻常和非寻常光线折射率之差、楔形角以及所述耦合透镜的焦距---这三者之积大于所述输出多模光纤的芯径，因此，偏离光斑509与输出多模光纤芯径完全隔离。

楔形双折射晶体的光轴可以在楔形双折射晶体通光孔径面内，也可以在楔形双折射晶体的侧边。

为了抵消楔形双折射晶体对光线的偏折造成光路元件不共轴，将反射镜做成楔形反射镜，从而使整个光学元件的共轴布局，以利装配；同时将输入和输出多模光纤集成到一个双光纤尾纤中，以利调光和器件整体小型化。

同时，如图5b所示，还可引入一个双折射相位补偿片510，放置于可变液晶波片506的前后任一面，将可变液晶波片的残余相位延迟抵消。由于光束通过两次，双折射相位补偿片的相位延迟量设置在二分之一整数倍圆周率附近。

在透镜的选择方面，与前述透射式类似，耦合透镜可以为c透镜和非球面透镜中的一种。

附图说明

图1a现有技术中，基于微电子机械转镜式的多模可变光衰减器原理

图1b现有技术中，基于微电子机械转镜式的多模可变光衰减器光斑偏离情况

图2现有技术中，基于微电子机械转镜式的多模可变光衰减器具有的模式相关损耗

图3现有技术中，基于中性滤波片技术的多模可变光衰减器原理

图4a本实用新型提供的透射式多模可变光衰减器

图4b本实用新型提供的透射式多模可变光衰减器，引入一个相位延迟补偿片

图5a本实用新型提供的反射式多模可变光衰减器

图5b本实用新型提供的反射式多模可变光衰减器，引入一个相位延迟补偿片

图6a本实用新型提供的多模可变光衰减器实施例1，为透射式位置偏离型

图6b本实用新型提供的多模可变光衰减器实施例1，光轴及偏振情况

图7a本实用新型提供的多模可变光衰减器实施例2，为透射式角度偏离型

图7b本实用新型提供的多模可变光衰减器实施例2，光轴及偏振情况

图8a本实用新型提供的多模可变光衰减器实施例3的侧视图，为反射式角度偏离型

图8b本实用新型提供的多模可变光衰减器实施例3的俯视图

图8c本实用新型提供的多模可变光衰减器实施例3的光轴情况

具体实施方式

[实施例1]

本实用新型提供的多模可变光衰减器的一个实施例，如图6a和图6b所示，是透射式位置偏离型，包含有：

一个输入多模光纤601，用于输入光信号；

一个输入耦合透镜603，具有第一焦距，将来自所述输入多模光纤的光信号转换为准直光信号；

一个偏振分束器是由一个多层介质偏振分束器605和一个全内反射棱镜611组成，将入射其上的所述准直光信号分解为第一光束613和第二光束614，分别具有第一和第二偏振态；

一个可变液晶波片607，具有一个在通光孔径内的光轴方向，其相位延迟量可通过输入其上的电压在零到一倍圆周率范围内改变，并由此改变通过它的所述第一和第二光束的偏振态；

一个偏振合束器由一个多层介质偏振分束器606和一个全内反射棱镜612组成，将通过所述可变液晶波片后的第一和第二光束的部分光信号合成第三光束615，剩余光信号为第四光束616；

一个输出耦合透镜604，具有第二焦距，将来自所述偏振合束器的所述第三光束聚焦，形成输出光斑，具有第三口径和第三数值孔径；

一个输出多模光纤602，接收和输出光信号；

输入和输出多模光纤的纤芯608、609分别具有第一和第二芯径，以及第一和第二数值孔径。为了避免回波，多模光纤的端面有一个6到8度的倾角。

为满足匹配条件，光学参数的选取上，使输入多模光纤的第一芯径与第一数值孔径之积等于输出多模光纤的第二芯径与第二数值孔径之积；使输入和输出多模光纤的第一芯径与第二芯径之比等于输入和输出耦合透镜的第一焦距和第二焦距之比；使输入耦合透镜与输出耦合透镜间的有效光学距离等于所述第一焦距和第二焦距之和，输入多模光纤的端面在输入耦合透镜的焦平面上，输出多模光纤的端面在输出耦合透镜的焦平面上，光学系统为一个4f成像系统。

将输出多模光纤与输出光斑位置和角度对齐后，输出光斑的第三口径与输出多模光纤的第二芯径大小相等，位置重合；输出光斑的第三数值孔径与输出多模光纤的第二数值孔径相等。

可变液晶波片具有一个液晶层，是向列型液晶，在不加电压情况下，具有一倍圆周率的相位延迟量，即是一个半波片；在加电压的情况下，随着电压的增加，相位延迟量逐渐减少而趋近零。控制液晶层有效光学孔径内厚度偏差不超过总厚度的百分之五，使相位延迟量在通光孔径内接近相等。

立方体结构的多层介质偏振分束器通过光学镀膜而得，多层介质层法线与立方体成45度角，因而与准直光信号也成45度角，如图6a所示，多层介质偏振分束器、全内反射棱镜与可变液晶波片组成一个平行体，使得第四光束与第三光束成90度角，位置上与第三光束完全分离，不被输出耦合透镜接收。

图6b表示可变液晶波片光轴的取向，以及未加电压情况下，光束偏振态通过偏振分束器 605、611，可变液晶波片607、偏振合束器606、612前后偏振态的变化。通过偏振分束器后的第一和第二光束的第一和第二偏振态为相互垂直的线偏振态，具有第一和第二偏振方向，并与第一和第二光束的传播方向垂直；可变液晶波片的光轴617方向与第一和第二偏振方向成45度角。

在不加电压的情况下，可变液晶波片为半波片，第一和第二光束通过后偏振态将旋转90 度，全部能量通过偏振合束器后合成第三光束，此时为“开”状态；在电压加到最大值时，可变液晶波片的相位延迟量为零，第一和第二光束通过后偏振态不旋转，全部能量通过偏振合束器后合成第四光束，此时为“关”状态；当电压介于零和最大值之间时，可变液晶波片的相位延迟量介于零和一倍圆周率之间，部分光能量合成为第三光束，部分光能量合成为第四光束，产生一定程度的衰减。

输入和输出耦合透镜选择为c透镜。

由于即使在很高的电压下，相位延迟量不会完全为零，本实施例还引入了一个双折射相位补偿片610，与可变液晶波片的残余相位延迟量大小相等方向相反，置于可变液晶波片前后任一面。

[实施例2]

本实用新型提供的多模可变光衰减器的一个实施例，如图7a和图7b所示，是透射式角度偏离型，包含有：

一个输入多模光纤701，用于输入光信号；

一个输入耦合透镜703，将来自所述输入多模光纤的光信号转换为准直光信号；

第一楔形双折射晶体705，将入射其上的所述准直光信号分解为第一光束711和第二光束712，分别具有第一和第二偏振态；

一个可变液晶波片707，具有一个在通光孔径内的光轴方向，其相位延迟量可通过输入其上的电压在零到一倍圆周率范围内改变，并由此改变通过它的所述第一和第二光束的偏振态；

第二楔形双折射晶体706，将通过可变液晶波片后的第一和第二光束的部分光信号合成第三光束713，剩余光信号为第四光束714；

一个输出耦合透镜704，将来自所述第二楔形双折射晶体的第三光束聚焦，形成输出光斑，具有第三口径和第三数值孔径；

一个输出多模光纤702，接收和输出光信号；

为满足匹配条件，光学参数的选取上，取输入和输出多模光纤为相同的光纤类型，输入和输出耦合透镜焦距相等；使输入与输出耦合透镜间的有效光学距离等于输入或输出耦合透镜焦距的2倍，输入多模光纤的端面在输入耦合透镜的焦平面上，输出多模光纤的端面在输出耦合透镜的焦平面上，光学系统为一个4f成像系统。将输出多模光纤与输出光斑位置和角度对齐后，由于4f成像系统的性质，输出光斑的第三口径与输出多模光纤芯径大小相等，位置重合；输出光斑的第三数值孔径与输出多模光纤数值孔径接近。为了避免回波，多模光纤的端面有一个6到8度的倾角。

第一和第二楔形双折射晶体具有相同的楔形角708、709，光轴715、716在同一个方向上，与底边平行形。第一和第二楔形双折射晶体分别置于可变液晶波片707的两侧，组成一个平行体。

可变液晶波片707的选择与实施例1相同，光轴717与底边成45度。

通过输入耦合透镜准直后的光信号，被第一楔形双折射晶体分解为第一和第二光束，即寻常光线和非寻常光线，偏振态为互相垂直的线偏振态，分别与底边垂直和平行，由于寻常光线和非寻常光线折射率的差异，通过第一楔形双折射晶体楔形角的作用，第一和第二光束的偏折角度不同。在未加电压的情况下，可变液晶波片为一个半波片，通过可变液晶波片后偏振态旋转90度，再通过第二楔形双折射晶体后，第一和第二光束的角度与准直光信号的角度不平行，形成第四光束，含有两个偏振分量，通过输出耦合透镜的聚焦作用，成为偏离光斑，不能耦合到输出多模光纤芯径内，此时器件为“关”状态。

在电压加到最大值时，可变液晶波片的相位延迟量为零，第一和第二光束通过后偏振态不旋转，全部能量通过第二楔形双折射晶体合成第三光束，与准直光信号的方向平行，并全部耦合到输出多模光纤芯径内，此时为“开”状态；当电压介于零和最大值之间时，可变液晶波片的相位延迟量介于零和一倍圆周率之间，部分光能量合成为第三光束，部分光能量合成为第四光束，产生一定程度的衰减。

为了使偏离光斑的能量不能耦合到输出多模光纤芯径内，考虑到偏离光斑的口径与输出多模光纤芯径相同，因此只要两者的中心位置偏离量大于输出多模光纤芯径就可以满足要求，通过光学系统的分析，取第一和第二楔形双折射晶体寻常与非寻常光线折射率差、楔形角与输入和输出耦合透镜焦距---这三者的乘积大于输出多模光纤芯径。

由于即使在很高的电压下，相位延迟量不会完全为零，与本实施例1相同，还引入了一个双折射相位补偿片710，与可变液晶波片的残余相位延迟量大小相等方向相反，置于可变液晶波片前后任一面。

由于第一和第二光束角度的差别，进入输出耦合透镜前的第三光束的两个偏振态分量位置并不完全重合，通过输出耦合透镜聚焦后到达输出多模光纤时角度略有差别，但这个角度差别相对输出多模光纤数值孔径很小，可以忽略。当然，也可通过在输出耦合透镜前加一个平行双折射晶体，或者将第一和第二楔形双折射晶体的光轴取在侧边的方式，补偿第三光束两个偏振分量在位置上的微小偏差，以达到极低的模式和偏振相关损耗。

[实施例3]

本实用新型提供的多模可变光衰减器的一个实施例，如图8a(侧视图)和图8b(俯视图) 和图8c所示，是反射式角度偏离型，包含有：

一个输入多模光纤801，用于输入光信号；

一个耦合透镜803将来自所述输入多模光纤的光信号转换为准直光信号，具有一个焦距；

一个偏振分合器804，可将入射其上的所述准直光信号分解为第一和第二光束，分别具有第一和第二偏振态；

一个可变液晶波片805，具有一个在通光孔径内的光轴方向，其相位延迟量可通过输入其上的电压在零到二分之一整数倍圆周率范围内改变，并由此改变通过它的所述第一和第二光束的偏振态；

一个反射镜806，可反射所述第一和第二光束，使之再次通过所述可变液晶波片，并到达所述偏振分合器；

所述偏振分合器将从反射镜反射并再次通过可变液晶波片的第一和第二光束的部分光信号合成第三光束，剩余光信号为第四光束；第三和第四光束通过耦合透镜形成输出光斑809 和偏离光斑810，输出光斑具有第三口径和第三数值孔径；

一个输出多模光纤802，接收所述输出光斑，输出光信号；

输入和输出多模光纤为相同的多模光纤，其端面在耦合透镜一侧焦平面上，所述反射镜位于耦合透镜另一侧焦平面上，使得输入和输出多模光纤通过4f系统成像。

偏振分合器采用一个楔形双折射晶体，如铌酸锂或钒酸钇晶体，具有平行于底边的光轴 811和一个楔形角808，可以将准直光信号分解成偏振态互相垂直的第一和第二光束，具有第一和第二偏振态，其方向与可变液晶波片的光轴方向成45度角。

第一和第二光束通过可变液晶波片后被反射镜反射，再次通过可变液晶波片，返回到楔形双折射晶体，第一和第二光束的部分光信号合成第三光束，其强度由可变液晶波片的相位延迟量控制，从而由输入到可变液晶波片上的电压控制。第四光束具有与第三光束不同的方向，经耦合透镜803聚焦后，形成的偏离光斑810与输出光斑809的位置不同，不能耦合到输出多模光纤芯径内。光学系统参数的选取，使得楔形双折射晶体的寻常和非寻常光线折射率之差、楔形角以及耦合透镜的焦距---这三者之积大于输出多模光纤的芯径，因此，偏离光斑810与输出多模光纤芯径完全隔离。

为了抵消楔形双折射晶体对光线的偏折造成光路元件不共轴，将反射镜做成楔形反射镜，从而使整个光学元件共轴布局，以利装配；同时将输入和输出多模光纤集成到一个双光纤尾纤中，以利调光和器件整体小型化，为避免回波，可将双光纤尾纤端面做6到8度的倾角。

当不加电压时，两次通过可变液晶波片的作用为半波片，被楔形双折射晶体分解的第一和第二光束返回时，偏振态旋转90度，寻常光线与非寻常光线互换，第一光束分别以寻常和非寻常光线两次被楔形双折射晶体偏折，第二光束分别以非寻常和寻常光线两次被楔形双折射晶体偏折，因此第一和第二光束产生的偏折角度相同，合成第三光束，聚焦形成输出光斑 809，并全部耦合到输出多模光纤，此时为“开”状态；

当电压加到最大值时，可变液晶波片相位延迟量为零，被楔形双折射晶体分解的第一和第二光束返回时，偏振态不旋转，寻常光线和非寻常光线保持偏振态不变，第一光束以寻常光线两次被楔形双折射晶体偏折，第二光束以非寻常光线两次被楔形双折射晶体偏折，因此第一和第二光束产生的偏折角度不相同，不能合成第三光束，形成具有两个偏振分量的第四光束，聚焦到输出多模光纤形成偏离光斑810，不能耦合到输出多模光纤芯径内，此时为“关”状态。

当电压介于零和最大值之间时，两次通过可变液晶波片的相位延迟量介于零和一倍圆周率之间，部分光能量合成为第三光束，部分光能量合成为第四光束，产生一定程度的衰减。

同时还引入一个双折射相位补偿片807，放置于所述可变液晶波片805的前后任一面，其单次通过产生的相位延迟量与可变液晶波片单次通过后的残余相位延迟量大小相等，方向相反。

在耦合透镜的选择方面，采用非球面透镜以消除像差带来的额外损耗。

实施例1到3的配置和参数的取值满足了前面分析所指出的匹配条件、等量衰减条件及隔离条件，可以获得小于0.2dB的模式相关损耗，同时基于液晶技术的可变液晶波片，其响应时间小于5毫秒，也满足了当前多模系统和产品测试对多模可变衰减器响应时间的要求。

液晶选取上，除取向列型外，还可取IPS或蓝相液晶，后两者将使“开”或“关”的电压条件倒换；此外在本实用新型提供的透射式位置偏离型多模可变光衰减器实施例1中，将输出耦合透镜和输出多模光纤置于原第四光束位置，也可使“开”或“关”的电压条件倒换；在所有情况中，将双折射相位补偿片的补偿量增加一个圆周率，也可使“开”或“关”的电压条件倒换。

实施例1到3的配置和参数的取值只是为了更好地说明本实用新型所提供的方案，并不是本实用新型所限定的，其它的取值组合也可满足本实用新型的要求，不违背本实用新型的精神。

Claims (29)

1.一种多模可变光衰减器，包含有：

一个输入光波导，用于输入光信号；

一个输入耦合透镜，具有第一焦距，将来自所述输入光波导的光信号转换为准直光信号；

一个偏振分束器，将入射其上的所述准直光信号分解为第一和第二光束，分别具有第一和第二偏振态；

一个可变液晶波片，具有一个在通光孔径内的光轴方向，其相位延迟量可通过输入其上的电压在零到圆周率的非零整数倍范围内改变，并由此改变通过它的所述第一和第二光束的偏振态；

一个偏振合束器，将通过所述可变液晶波片后的第一和第二光束的部分光信号合成第三光束，剩余光信号为第四光束；

一个输出耦合透镜，具有第二焦距，将来自所述偏振合束器的所述第三光束聚焦，形成输出光斑，所述输出光斑具有第三口径和第三数值孔径；

一个输出光波导，接收所述输出光斑，输出光信号；

其特征在于：

所述的输入和输出光波导为多模光纤，分别具有第一和第二芯径，以及第一和第二数值孔径；

所述输出光斑的第三口径与输出多模光纤的第二芯径大小相等，位置重合；所述输出光斑的第三数值孔径与输出多模光纤的第二数值孔径相等；

所述可变液晶波片的相位延迟量在通光孔径内是相等的；

所述第四光束不能耦合到输出多模光纤。

2.根据权利要求1所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述输入多模光纤的第一芯径与第一数值孔径之积等于输出多模光纤的第二芯径与第二数值孔径之积；所述多模光纤的第一芯径与第二芯径之比等于所述输入和输出耦合透镜的第一焦距和第二焦距之比。

3.根据权利要求2所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述输入和输出多模光纤是同一种多模光纤，所述第一和第二芯径大小相等，所述第一和第二数值孔径相等；所述输入和输出耦合透镜的第一焦距等于第二焦距。

4.根据权利要求1所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述输入耦合透镜与输出耦合透镜间的有效光学距离等于所述第一焦距和第二焦距之和；所述输入多模光纤的端面在输入耦合透镜的焦平面上，所述输出多模光纤的端面在输出耦合透镜的焦平面上。

5.根据权利要求1所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述偏振分束器由第一多层介质偏振分束器和第一反射镜组成；通过所述偏振分束器的第一和第二光束方向平行，在位置上分离；所述偏振合束器由第二多层介质偏振分束器和第二反射镜组成；通过所述可变液晶波片和偏振合束器的第一和第二光束的部分光信号合成的第三光束，其强度由所述可变液晶波片的相位延迟量控制，从而由输入到可变液晶波片上的电压控制。

6.跟据权利要求5所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述第一和第二多层介质偏振分束器是立方体结构，各含有一个多层介质层，其法线与所述准直光信号成45度角；所述第四光束与第三光束成90度角，第四光束不被所述输出耦合透镜接收。

7.根据权利要求5所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：通过所述偏振分束器分解得到的第一和第二光束的第一和第二偏振态为相互垂直的线偏振态，具有第一和第二偏振方向，并与第一和第二光束的传播方向垂直；所述可变液晶波片的光轴方向与第一和第二偏振方向成45度角或135度角。

8.根据权利要求5所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述第一和第二反射镜是平面反射镜或全内反射棱镜。

9.根据权利要求1所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述偏振分束器和偏振合束器是第一和第二楔形双折射晶体，分别具有第一和第二光轴，且具有相等的楔形角；第一和第二楔形双折射晶体分别置于所述可变液晶波片的两侧，并与之组成一个平行体。

10.根据权利要求9所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述第一和第二楔形双折射晶体寻常和非寻常光线折射率之差、楔形角、以及所述输出耦合透镜的第二焦距，这三者之积大于所述输出多模光纤的第二芯径。

11.根据权利要求9所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：通过所述偏振分束器分解的第一和第二光束的第一和第二偏振态为相互垂直的线偏振态，其方向与所述可变液晶波片的光轴方向成45度角或135度角；通过偏振合束器的第一和第二光束的部分光信号合成的第三光束，其强度由所述可变液晶波片的相位延迟量控制，从而由输入到可变液晶波片上的电压控制。

12.根据权利要求9所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述第一和第二楔形双折射晶体的第一和第二光轴在通光口径面内，第二光轴与第一光轴方向成0度或90度。

13.根据权利要求9所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述第一和第二楔形双折射晶体的第一和第二光轴在第一和第二楔形双折射晶体的侧边，第一光轴与第二光轴方向平行。

14.根据权利要求1-13所述的任一种多模可变光衰减器，其特征在于：还具有一个双折射相位补偿片，放置于所述可变液晶波片的前后任一面，可将所述可变液晶波片的残余相位延迟抵消。

15.根据权利要求14所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述双折射相位补偿片的相位延迟量设置在整数倍圆周率附近。

16.根据权利要求1-13所述的任一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述输入和输出耦合透镜为c透镜和非球面透镜中的一种。

17.一种多模可变光衰减器，包含有：

一个输入光波导，用于输入光信号；

一个耦合透镜将来自所述输入光波导的光信号转换为准直光信号，具有一个焦距；

一个偏振分合器，可将入射其上的所述准直光信号分解为第一和第二光束，分别具有第一和第二偏振态；

一个可变液晶波片，具有一个在通光孔径内的光轴方向，其相位延迟量可通过输入其上的电压在零到二分之一整数倍圆周率范围内改变，并由此改变通过它的所述第一和第二光束的偏振态；

一个反射镜，可反射所述第一和第二光束，使之再次通过所述可变液晶波片，并到达所述偏振分合器；

所述偏振分合器将从所述反射镜反射并通过可变液晶波片的第一和第二光束的部分光信号合成第三光束，剩余光信号为第四光束；第三和第四光束通过所述耦合透镜形成输出光斑和偏离光斑，输出光斑具有第三口径和第三数值孔径；

一个输出光波导，接收所述输出光斑，输出光信号；

其特征在于：

所述的输入和输出光波导为多模光纤，具有相同的芯径和数值孔径；

所述输出光斑的第三口径与输出多模光纤芯径大小相等，位置重合；所述输出光斑的第三数值孔径与输出多模光纤数值孔径相等；

所述可变液晶波片的相位延迟量在通光孔径内是相等的；

所述偏离光斑内的任一区域与所述输出多模光纤的芯径内任一区域不重叠。

18.根据权利要求17所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述反射镜位于所述耦合透镜一侧焦平面上，所述输入和输出多模光纤端面在所述耦合透镜另一侧焦平面上。

19.根据权利要求17所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述偏振分合器是一个楔形双折射晶体，具有一个光轴和一个楔形角。

20.根据权利要求19所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述楔形双折射晶体的寻常和非寻常光线折射率之差、楔形角、以及所述耦合透镜的焦距，这三者之积大于所述输出多模光纤的芯径。

21.根据权利要求19所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：通过所述楔形双折射晶体分解的第一和第二光束的第一和第二偏振态为相互垂直的线偏振态，其方向与所述可变液晶波片的光轴方向成45度角或135度角。

22.根据权利要求19所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：通过所述楔形双折射晶体的第一和第二光束的部分光信号合成的第三光束，其强度由所述可变液晶波片的相位延迟量控制，从而由输入到可变液晶波片上的电压控制。

23.根据权利要求19所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述楔形双折射晶体的光轴在楔形双折射晶体通光孔径面内。

24.根据权利要求19所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述楔形双折射晶体的光轴在楔形双折射晶体的侧边。

25.根据权利要求17所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述反射镜是一个楔形反射镜。

26.根据权利要求17所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述输入和输出光波导是一个双光纤尾纤。

27.根据权利要求17-26所述的任一种多模可变光衰减器，其特征在于：还具有一个双折射相位补偿片，放置于所述可变液晶波片的前后任一面，可将所述可变液晶波片的残余相位延迟抵消。

28.根据权利要求27所述的一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述双折射相位补偿片的相位延迟量设置在二分之一整数倍圆周率附近。

29.根据权利要求17-26所述的任一种多模可变光衰减器，其特征在于：所述输入和输出耦合透镜为c透镜和非球面透镜中的一种。