CN2722271Y - 新型光学结构的阵列光可变衰减器 - Google Patents

Abstract

新型光学结构的阵列光可变衰减器，它有信号输入单元阵列和信号输出单元阵列，在信号输入单元阵列和信号输出单元阵列的光路中布置有光学结构件和光栅阵列，光栅阵列连接着控制电极阵列，其特征在于所述的光学结构件为一光学棱镜，衍射光栅阵列位于光学棱镜的反射面上。具有体积小、集成度高、功耗小、控制简单等优点。并且在不增加器件体积的情况下，集成滤光片和PIN阵列，实现多通道光功率衰减及监控。

Description

新型光学结构的阵列光可变衰减器

技术领域

目前，采用单一光纤同时传输多个波长信号光的波分复用(WDM)系统已经大范围应用到实际线路中，并正朝着密集型波分复用(DWDM)系统发展，随之出现的光器件及其附属器件、设备，亦成为当前国际上光通信领域的研究热点之一。

背景技术

掺铒光纤放大器(EDFA)与密集波分复用(DWDM)技术相结合已成为当前高速率和大容量光纤通信的主要手段。但是，由于EDFA的增益谱不平坦，使得DWDM系统中的若干不同波长信号经EDFA放大传输后，对应的增益不一致，而且随着长距离通信系统中的多个EDFA级联，使得这种增益不平坦性不断积累，造成信道(波长)的功率分配不均，导致系统的动态失衡；另外，当信道数增减或某信道功率改变时，也会引发其它信道功率跳变，接收机各个信道收到的光功率值和光信噪比(OSNR)便各不相同。这种非均衡性对整个系统的传输性能非常有害，往往会使各路信号之间发生串扰，使某些波长信道的误码率(BER)高于指定值，如果非均衡功率值过高使得光信号在光纤传输中发生非线性效应，并使接收光功率值超过接收机的最大动态范围，如果非均衡功率值过低使得接收光功率值低于接收机的灵敏度，则接受不到光信号等诸多不良影响。

所以，为了实现DWDM系统的长距离高速无误码传输，必须使各通道信号光功率值一致，即需要对多通道光功率进行监控，如DCE(Dynamic Channel Equalier)、VMUX(VOA+MUX)、OADM等光器件的出现，这些器件的核心部件都是阵列VOA，进行灵活的调节，使各个通道的功率处于理想的大小。

光可变衰减器(VOA)是光通信系统中重要的光器件之一，长期以来，它一直停留在机械式水平，它只适合于单通道衰减方式，由于体积大不利于集成。随着DWDM系统的发展，越来越需要通道数多而体积小的光可变衰减器。传统的机械方式已不能解决这里难题。随着技术的发展，近年来，出现了各种新技术的光可变衰减器，包括MEMS技术、液晶技术、波导技术、光栅技术等。

现有的光栅型可变衰减器，如CN2538103Y，其衰减部分的光学结构是分体的，每一路光信号用一套光学结构件，整体体积大，难以缩小体积，同时衰减器的技术指标IL(插入损耗)，PDL(偏振相关损耗)也不好。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种新型光学结构的阵列光可变衰减器，它可以克服现有的光可变衰减器的体积大、速度慢等缺点，具有体积小、集成度高、功耗小、控制简单等优点。并且在不增加器件体积的情况下，集成滤光片和PIN阵列，实现多通道光功率衰减及监控。

本实用新型的目的是这样实现的：新型光学结构的阵列光可变衰减器，它有信号输入单元阵列和信号输出单元阵列，在信号输入单元阵列和信号输出单元阵列的光路中布置有光学结构件和光栅阵列，光栅阵列连接着控制电极阵列，其特征在于所述的光学结构件为一光学棱镜，衍射光栅阵列位于光学棱镜的反射面上。

如上所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于所述的光学棱镜为下列之一：直角棱镜、等腰直角棱镜、等腰梯形棱镜、直角梯形棱镜、凹型棱镜。

如上所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于信号输入单元与光学结构件之间的光路中，放置有信号检测单元。

如上所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于信号输入单元和信号输出单元光路平行，且位于光学棱镜界面的同一侧。

如上所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于信号输入单元和信号输出单元为同一单元，该单元与光学棱镜之间的光路中放置有屋脊棱镜。

1、方法

本实用新型的方法是采用一个棱镜将多通道光信号导入光栅阵列，经衍射后再经棱镜导出，从而集成多通道VOA阵列。

光栅阵列是基于光束衍射的原理，当光栅为正弦光栅时，对每个通道下的光衍射强度表达式为：

$I=I_0[\frac{\sin a}{a}+\frac{B}{2}\frac{\sin (a+\mathrm{\π})}{a+\mathrm{\π}}+\frac{B}{2}\frac{\sin (a-\mathrm{\π})}{a-\mathrm{\π}}{]}^2$

其中，

$a=\frac{\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}}{2}d$

θ为入射光与光栅法线方向的角度，B为小于1的常数，I₀为输入光强，d为光栅的周期。

此正弦光栅是通过反射方式实现，因此最后我们取第1级的衍射光信号，其表达式为：

$I=I_0\frac{B^2}{4}\frac{\mathrm{si}{n}^2[\frac{\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}}{2}d\left(V\right)-\mathrm{\π}]}{[\frac{\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}}{2}d\left(V\right)-\mathrm{\π}{]}^2}$

所以通过电压调节来改变正弦光栅的周期，从而实现光信号强度的调制。

由于棱镜的形状不同，因此可以接合衍射光栅阵列，实现不同的光学结构。

2、光学结构

如图1.1所示，为本实用新型框图。

本实用新型由信号输入单元阵列1、棱镜2、衍射光栅阵列3、控制电极阵列4、信号输出单元阵列5组成；其光束依次通过的元件分别为：信号输入单元1、棱镜2、衍射光栅3、棱镜2、信号输出单元5。

工作原理是：

输入信号从信号输入单元1经由棱镜2导入至衍射光栅3，衍射后，出射光线由棱镜2导出至信号输出单元5。阵列集成VOA的实现方式是：多通道信号光经信号输入单元阵列1，由一块棱镜2将每通道信号光导入至衍射光栅阵列3，经过控制电极阵列4对衍射光栅阵列3进行调制，实现每通道信号光功率的控制后，各通道信号光由棱镜2导出至信号输出单元阵列5。

本实用新型具有以下突出优点和积极效果：

1)设计合理，易于实现并集成；

2)减少元件数目，节约成本；

3)结构紧凑，体积小，集成度高；

4)电压控制，无移动部件，可靠性高；结构对称，偏振无关，IL(插入损耗)和PDL(偏振相关损耗)都能得到有效的改善；

5)实现高性能实时监控功能；

6)实现工艺简单。

附图说明

图1.1为本实用新型的总体框图；

图1.2为利用等腰直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图；

图2为利用等腰梯形棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图；

图3为利用直角梯形棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图；

图4为利用凹型棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图；

图5为利用凹型棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制与实时监控的光学结构示意图。

图6为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图。

图7为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制及输出信号实时检测的单通道光学结构示意图。

图8为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制及输出信号实时检测的单通道光学结构示意图1。

图9为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制及输出信号实时检测的单通道光学结构示意图2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明。

如图1.2所示，为利用等腰直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图。光学结构由信号输入单元1.1、等腰直角棱镜1.2、衍射光栅1.3、信号输出单元1.5组成；其光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元1.1、等腰直角棱镜1.2、衍射光栅1.3、等腰直角棱镜1. 2、信号输出单元1.5。每个单通道光信号经信号输入单元1.1，垂直等腰直角棱镜1.2的一边a入射至衍射光栅1.3，信号光经衍射后，从等腰直角棱镜1.2的另一边b垂直射出至信号输出单元1.5。信号输入单元1.1与信号输出单元1.5成90度角。由于光信号入射与出射单元成90度角，所以在光路调节及实现方面不易控制。

如图2所示，为利用等腰梯形棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图。光学结构由信号输入单元2.1、等腰梯形棱镜2.2、衍射光栅2.3、信号输出单元2.5组成；其光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元2.1、等腰梯形棱镜2.2、衍射光栅2.3、等腰梯形棱镜2.2、信号输出单元2.5。每个单通道光信号经信号输入单元2.1，垂直等腰梯形棱镜2.2的下底边c入射至垂直等腰梯形棱镜2.2的一腰d，全反射至衍射光栅2.3，信号光经衍射后，从等腰梯形棱镜2.2的另一腰e经全反射垂直下底边c射出至信号输出单元2.5。信号输入单元2.1与信号输出单元2.5平行。由于入射与出射单元平行且在同一侧，调光时采用的夹具及操作方法容易实现.

如图3所示，为利用直角梯形棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图。光学结构由信号输入单元3.1、直角梯形棱镜3.2、衍射光栅3.3、信号输出单元3.5组成；其光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元3.1、直角梯形棱镜3.2、衍射光栅3.3、直角梯形棱镜3.2、信号输出单元3.5。每个单通道光信号经信号输入单元3.1，直角梯形棱镜3.2的腰f垂直入射至衍射光栅3.3，信号光经衍射后，从直角梯形棱镜3.2的底边g经全反射垂直腰f射出至信号输出单元3.5。信号输入单元3.1与信号输出单元3.5平行。

如图4所示，为利用凹型棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图。光学结构由信号输入单元4.1、凹型棱镜4.2、衍射光栅4.3、信号输出单元4.5组成；其光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元4.1、凹型棱镜4.2、衍射光栅4.3、凹型棱镜4.2、信号输出单元4.5。每个单通道光信号经信号输入单元4.1，凹型棱镜4.2的一边h垂直入射至另一边i，经全反射至衍射光栅4.3，信号光经衍射后，从凹型棱镜4.2一边j经全反射垂直于边k射出至信号输出单元4.5。信号输入单元4.1与信号输出单元4.5平行，且在同一直线上。

如图5所示，为利用凹型棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制与实时监控的光学结构示意图。光学结构由信号输入阵列5.1、凹型棱镜5.2、95％透射膜5.3、PIN采样阵列5.4、衍射光栅5.5、信号输出阵列5.6组成；其中主光束依次通过的元件分别为是：信号输入阵列5.1、凹型棱镜5.2、95％反射膜5.3、衍射光栅5.5、凹型棱镜5.2、信号输出阵列5.6。每个单通道主光束经信号输入阵列5.1，凹型棱镜5.2的一边h垂直入射至另一边i，经95％反射膜5.3反射至衍射光栅5.5，信号光经衍射后，从凹型棱镜5.2一边j经全反射垂直于边k射出至信号输出单元5.6。次光束，即是监控信号，为主光束经95％反射膜5.3反射后，剩余的5％的透射光，通过PIN采样阵列5.4，可以实时监控每个通道的光信号。

如图6所示，为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制的单通道光学结构示意图。光学结构由信号输入单元6.1、直角棱镜6.2、衍射光栅6.3、100％反射镜6.4、信号输出单元6.5组成；其光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元6.1、直角棱镜6.2、衍射光栅6.3、100％反射镜6.4、直角棱镜6.2、信号输出单元6.5。单通道光信号经信号输入单元6.1，直角棱镜6.2的斜边m平行入射，经折射至衍射光栅6.3，调制信号光衍射至100％反射镜6.4，衍射后的光信号全部反射，从直角棱镜6.2的斜边m经折射平行输出至6.5。信号输入单元6.1与信号输出单元6.5平行。

如图7所示，为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制及输出信号实时检测的单通道光学结构示意图。光学结构由信号输入单元7.1、直角棱镜7.2、衍射光栅7.3、95％反射镜7.4、信号输出单元7.5、信号检测单元(光信号检测器)7.6组成；其主光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元7.1、直角棱镜7.2、衍射光栅7.3、95％反射镜7.4、直角棱镜7.2、信号输出单元7.5。单通道主光束信号经信号输入单元7.1，直角棱镜7.2的斜边m平行入射，经折射至衍射光栅7.3，调制信号光衍射至95％反射镜7.4，衍射后的光信号95％反射，从直角棱镜7.2的斜边m经折射平行输出至7.5。其中次光束，即经衍射调制后的5％检测信号光，经7.4透射至信号检测单元7.6，实现对此通道信号光的检测。信号输入单元7.1与信号输出单元7.5平行。

如图8所示，为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制及输入输出信号光实时检测的单通道光学结构示意图1。光学结构由信号输入单元8.1、直角棱镜8.2、衍射光栅8.3、95％反射镜8.4、信号输出单元8.5、输出信号检测单元(光信号检测器)8.6、输入信号检测单元(光信号检测器)8.7、5％反射镜8.8组成；其主光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元8.1、5％反射镜8.8、直角棱镜8.2、衍射光栅8.3、95％反射镜8.4、直角棱镜8.2、信号输出单元8.5。单通道主光束信号经信号输入单元8.1，从5％反射镜8.8透射出95％的光信号，再经直角棱镜8.2的斜边m平行入射，经折射至衍射光栅8.3，调制信号光衍射至95％反射镜8.4，衍射后的光信号95％反射，从直角棱镜8.2的斜边m经折射平行输出至8.5。其中输入信号检测信号光，从5％反射镜8.8反射至输入信号检测单元(光信号检测器)8.7，实现对输入信号光的检测；输出信号检测信号光，即经衍射调制后的5％检测信号光，经8.4透射至输出信号检测单元8.6，实现对此通道信号输出光的检测。所以此结构可以实现输入与输出信号光的实时检测，集成度高且信号输入单元8.1与信号输出单元8.5平行。

如图9所示，为利用直角棱镜导入与导出多通道信号光，衍射光栅阵列实现光功率调制及输入输出信号光实时检测的单通道光学结构示意图2。光学结构由信号输入(输出)单元9.1(双芯准直单元)、直角棱镜9.2、衍射光栅9.3、95％反射镜9.4、屋脊棱镜9.5、输出信号检测单元(光信号检测器)9.6、输入信号检测单元(光信号检测器)9.7、5％反射镜9.8组成；其主光束依次通过的元件分别为是：信号输入单元9.1、屋脊棱镜9.5、5％反射镜9.8、直角棱镜9.2、衍射光栅9.3、95％反射镜9.4、直角棱镜9.2、屋脊棱镜9.5、信号输出单元9.1。单通道主光束信号从双芯准直单元9.1出射至屋脊棱镜9.5，经平行输出后从5％反射镜9.8透射出95％的光信号，再经直角棱镜9.2的斜边m平行入射，经折射至衍射光栅9.3，调制信号光衍射至95％反射镜9.4，衍射后的光信号95％反射，从直角棱镜9.2的斜边m经折射平行输出至屋脊棱镜9.5，经折射准直进入双芯准直单元9.1输出信号光。其中输入信号检测信号光，从5％反射镜9.8反射至输入信号检测单元(光信号检测器)9.7，实现对输入信号光的检测；输出信号检测信号光，即经衍射调制后的5％检测信号光，经9.4透射至输出信号检测单元9.6，实现对此通道信号输出光的检测。由于此结构中使用了屋脊棱镜9.5改变输入与输出信号光的光路，接合双芯准直单元9.1，实现了信号光从一段入射经调制后反射输出。所以此结构可以实现输入与输出信号光的实时检测，且信号光由一端输入，再由此端反射输出，集成度高。

Claims (5)

1、新型光学结构的阵列光可变衰减器，它有信号输入单元阵列和信号输出单元阵列，在信号输入单元阵列和信号输出单元阵列的光路中布置有光学结构件和光栅阵列，光栅阵列连接着控制电极阵列，其特征在于所述的光学结构件为一光学棱镜，衍射光栅阵列位于光学棱镜的反射面上。

2、如权利要求1所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于所述的光学棱镜为下列之一：直角棱镜、等腰直角棱镜、等腰梯形棱镜、直角梯形棱镜、凹型棱镜。

3、如权利要求2所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于信号输入单元与光学结构件之间的光路中，放置有信号检测单元。

4、如权利要求1或2或3上所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于信号输入单元和信号输出单元光路平行，且位于光学棱镜界面的同一侧。

5、如权利要求4上所述的新型光学结构的阵列光可变衰减器，其特征在于信号输入单元和信号输出单元为同一单元，该单元与光学棱镜之间的光路中放置有屋脊棱镜。

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