TWI596392B

TWI596392B - 可調光衰減器

Info

Publication number: TWI596392B
Application number: TW104142113A
Authority: TW
Inventors: 周榮宗; 洪國軒; 黃裕文
Original assignee: 波若威科技股份有限公司
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-08-21
Also published as: US9739956B2; TW201721200A; US20170168243A1

Description

可調光衰減器

本發明涉及一種可調光衰減器，尤指一種具有低極化相關損失(polarization dependent loss,PDL)及一種具有波長相關損失(wavelength dependent loss,WDL)補償的可調光衰減器。

隨著資訊科技的發展，為了滿足通信傳輸上的需求，除了鋪設新的光纜外，現有的傳輸線使用波長多工(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技術，即在一條光纖內同時傳送數個不同波長的光訊號，以增加傳輸容量。在WDM系統中，經常使用可調光衰減器(Variable Optical Attenuator,VOA)，目前結合微機電系統(Micro-electro-mechanical-systems,MEMS)晶片及光纖光學所製作的可調光衰減器非常普遍，多數MEMS VOA使用傾斜反射鏡技術，以達到光能量衰減的目的，亦即有一入射光纖藉由小反射鏡將光引導至另一出射光纖上，當小反射鏡傾斜時，部分的光無法耦合到出射光纖，所以產生光衰減。雖然反射鏡型的MEMS VOA已經在市場上相當普遍，但其技術特性並非完美，在實際應用上仍存在極化相關損失(polarization dependent loss,PDL)及波長相關損失(wavelength dependent loss,WDL)的問題，此問題將造成系統使用上的限制。

光是一種電磁波，藉由電場的振盪來傳播能量，電場的振盪方向又稱為極化(polarization)方向，而光線可以是單一振盪方向的線偏振光(linearly polarized light)以及振盪方向隨時間變化的圓偏振光(circularly polarized light)或橢圓偏振光(elliptically polarized light)，無論何種偏振光都可分解成兩個正交主軸的分量及相對的相位差，一般定義成P光(偏振方向平行入射面)與S光(偏振方向垂直入射面)。

不同偏振態(state of polarization)的光經過介質時可能會有不同的穿透、反射、折射及繞射特性，因此，任何光學元件都可能存在PDL，PDL的大小一般定義為所有極化態的光通過光學元件後的最大損失減去最小損失。PDL的產生主要因為不同極化態的光在傳播路徑上經歷不同的穿透率、反射率、繞射效率，而造成不同的能量損失，或是經過具有雙折射(birefringent)特性的非等向性材料(anisotropic material)，進而造成不同極化方向的光經歷不同的折射率而形成不同的行進路徑，因此在接收端會接收到不同的強度。

再者，隨著衰減值的增加，不同波長會有不同的衰減值，亦即衰減值是與波長相關的。因此，WDL是用來呈現在某一衰減值下不同波長的衰減值差，例如，預計衰減值為20dB，但實際上在1525nm的衰減值為20.6dB，且在1575nm的衰減值為19.4dB，因此，20dB衰減值的WDL為1.2dB(=20.6-19.4)。這是源於在目前通用的單模光纖(single mode fiber,SMF)中長波長的模場直徑(mode field diameter,MFD)大於短波長的MFD，以至於在造成光衰減的光點固定位移下，長波長的衰減值小於短波長的衰減值，在實際應用上，WDL的問題將造成系統使用上的限制。

一般轉鏡式VOA的架構如圖1所示，通常包括一尾纖 (pigtail)10，其中一第一波導(waveguide)用於入射光線，以及一第二波導用於接收返回的光線；一透鏡11固定於尾纖的前端，用於將尾纖10的第一波導入射的光線聚焦，並使反射後的光線回到尾纖10的第二波導；一封蓋(cap)，其中心具有一玻璃視窗13，其表面鍍有抗反射鍍膜，或具有斜面防止反射光耦合回光纖；一固定管(tube)16用以固定透鏡與封蓋；以及一含有轉鏡的晶片15，固定於一承載件(header)14上，反射從第一波導入射且經透鏡的入射光，光線反射後再經透鏡回到第二波導。其組裝方式為：透鏡與尾纖先製作成準直器(collimator)，再藉由固定管與封蓋組裝接合。由於固定管與透鏡的介面會因應力造成不同極化方向的光經歷不同的折射率而形成不同的行進路徑，形成PDL的來源。

另一種傳統轉鏡式VOA的架構如圖2所示，通常包括一尾纖20，其中包含一第一波導，用於入射光線，以及一第二波導，用於接收返回的光線；一透鏡21固定於一個封蓋(cap)22中，用於將尾纖20的第一波導入射的光線聚焦，並使反射後的光線回到尾纖20的第二波導；一含有轉鏡的晶片24，固定於一承載件23上，反射從第一波導入射並經透鏡的入射光，光線反射後再經透鏡回到第二波導。由於封蓋22與透鏡21的介面會因應力造成不同極化方向的光經歷不同的折射率而形成不同的行進路徑，形成PDL的來源。

許多專利提及PDL的補償方式，美國專利US 6,266,474揭示一種使用楔形(wedge)中性灰度濾鏡(neutral density filter)的可調變光衰減系統，在該系統中，由於光線以大於0°入射楔形中性灰度濾鏡，使得其為一極化相關元件；為了補償楔形中性灰度濾鏡所造成的PDL，光路中傾斜放置一片具有兩平行面的雙平面透鏡，此雙平面透鏡的傾斜方向與楔形中性灰度濾鏡的傾斜方向相反，以補償灰度濾鏡所造成的PDL。然而，此種PDL補償方式只適用於補償穩定的PDL來源，但對於組裝應力所造成的不固定PDL並無法準確的補償。

此外，針對WDL的補償方式，美國專利US 7,574,096及美國專利US 8,280,218及US20040008967均揭示一種結構，以利用材料的色散造成在固定衰減值下，短波長光點在光纖上的位移量比長波長位移量小，以補償MFD效應。由於前案所提出的WDL補償設計常因材料的公差及組裝上的差異，造成所得到WDL的結果不如預期，因此，本發明提出一種可即時調整的WDL補償方式，此方法可以在組裝時即時補償WDL，以克服材料的公差及組裝上的差異，亦即WDL可以經由調整pigtail的傾角θ t來進行WDL的優化。

因此，提出一種可調光衰減器，以降低PDL及WDL，實為目前各界亟欲解決之技術問題。

鑒於前述之習知技術的缺點，本發明之主要目的係提供一種可調光衰減器，其封蓋之中空部與透鏡並無接觸，使透鏡無封蓋所產生的徑向應力，進而降低極化相關損失(polarization dependent loss,PDL)。

為了達到前述目的及其他目的，根據本發明第一實施例，本發明之可調光衰減器包括一尾纖(pigtail)，係包括一第一波導(waveguide)及一第二波導，其中，該第一波導入射光線，以及該第二波導接收返回的光線；一間隔件(spacer)，係將該尾纖貼附於該間隔件之一平面上；一透鏡，係貼附於該間隔件之另一平面上；以及一封蓋(cap)，係包括一中空部、一第一連接部及一第二連接部，其中，該透鏡設置於該封蓋的該中空部內，以及該間隔件連接至該封蓋的該第一連接部。

再者，根據本發明第二實施例，本發明之可調光衰減器包括一尾纖，係包括一第一波導及一第二波導，其中，該第一波導入射光線，以及該第二波導接收返回的光線；一間隔件，係將該尾纖貼附於該間隔件之一平面上；一透鏡，係貼附於該間隔件之另一平面上；以及一第一封蓋，係包括一第一中空部、一第一連接部及一第二連接部，且該第一連接部連接至一玻璃視窗；以及一第二封蓋，係包括一第二中空部、一第三連接部及一第四連接部，其中，該透鏡設置於該第二封蓋的該第二中空部內，且未與該第二封蓋接觸，以及該尾纖連接至該第二封蓋的該第三連接部。

根據本發明第三實施例，本發明之可調光衰減器包括一尾纖，係包括一第一波導及一第二波導，其中，該第一波導入射光線，以及該第二波導接收返回的光線；一間隔件，係將該尾纖貼附於該間隔件之一平面上；一透鏡，貼附於該間隔件之另一平面上，該透鏡包括一光學部及位於其外圍的一凸緣；以及一封蓋，係包括一中空部、一第一連接部及一第二連接部，其中，該光學部設置於該封蓋的該中空部內且未與該封蓋接觸，以及該凸緣連接至該封蓋的該第一連接部。

此外，根據本發明第四實施例，本發明亦提供一種可調光衰減器，該可調光衰減器包括一尾纖，係包括一第一波導及一第二波導，其中，該第一波導入射光線，以及該第二波導接收返回的光線；一間隔件，將該尾纖貼附於該間隔件之一平面上；一透鏡，係貼附於該間隔件之另一平面上；以及一封蓋，係包括一中空部、一第一連接部及一第二連接部，其中，該透鏡設置於該封蓋的該中空部內，以及該間隔件連接至該封蓋的該第一連接部，該尾纖的中心軸與該透鏡的光軸具有一角度，以增加或減少波長相關損失(wavelength dependent loss,WDL)。

10‧‧‧尾纖

11‧‧‧透鏡

12‧‧‧封蓋

13‧‧‧玻璃視窗

14‧‧‧承載件

15‧‧‧晶片

16‧‧‧固定管

20‧‧‧尾纖

21‧‧‧透鏡

22‧‧‧封蓋

23‧‧‧承載件

24‧‧‧晶片

30‧‧‧尾纖

31‧‧‧間隔件

32‧‧‧透鏡

33‧‧‧封蓋

331‧‧‧中空部

332‧‧‧第一連接部

333‧‧‧第二連接部

34‧‧‧承載件

35‧‧‧晶片

40‧‧‧尾纖

41‧‧‧間隔件

42‧‧‧透鏡

43‧‧‧第一封蓋

431‧‧‧第一中空部

432‧‧‧第一連接部

433‧‧‧第二連接部

44‧‧‧第二封蓋

441‧‧‧第二中空部

442‧‧‧第三連接部

443‧‧‧第四連接部

45‧‧‧承載件

46‧‧‧晶片

47‧‧‧玻璃視窗

50‧‧‧尾纖

51‧‧‧間隔件

52‧‧‧透鏡

521‧‧‧凸緣

522‧‧‧光學部

53‧‧‧封蓋

531‧‧‧中空部

532‧‧‧第一連接部

533‧‧‧第二連接部

54‧‧‧承載件

55‧‧‧晶片

60‧‧‧尾纖

61‧‧‧間隔件

62‧‧‧透鏡

63‧‧‧封蓋

631‧‧‧中空部

632‧‧‧第一連接部

633‧‧‧第二連接部

64‧‧‧承載件

65‧‧‧晶片

θ‧‧‧角度

圖1係顯示習知技術之一可調光衰減器的示意圖；圖2係顯示習知技術之另一可調光衰減器的示意圖；圖3係根據本發明之第一實施例，顯示本發明之一可調光衰減器的示意圖；圖4係根據本發明之第二實施例，顯示本發明之一可調光衰減器的示意圖；圖5係根據本發明之第三實施例，顯示本發明之一可調光衰減器的示意圖；以及圖6係顯示本發明之第四實施例，顯示本發明之一可調光衰減器的示意圖；以及圖7係顯示本發明之可調光衰減器在0~25dB對衰減範圍內，WDL的變化量隨衰減值的變化趨勢圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

由於在可調光衰減器(Variable Optical Attenuator,VOA)的實際應用上一直存在極化相關損失(polarization dependent loss,PDL)的問題，所以VOA的PDL主要來源包括以下三部分：

(1)介面的穿透率差異：當光線以大於0°的入射角度通過光學元件，由公式1菲涅耳方程式(Fresnel equation)，可以得到在不同入射條件下P光(偏振方向平行入射面)與S光(偏振方向垂直入射面)的反射率曲線，由於P光及S光會有反射率的差異，亦即P光及S光會有穿透率的差異，若介面上鍍抗反射鍍膜(anti-reflective coating)，P光及S光的穿透率都可控制在99.75%以上，因此，單一介面的PDL可降至0.01dB以內。

(2)繞射效應的影響：光線通過遮蔽物邊緣或繞射元件時會產生繞射效應，此時P光與S光的繞射效率不同造成不同的能量損失。遮蔽式(shutter type)VOA因為是以遮蔽光線的方式衰減能量，所以PDL通常是由遮蔽物邊緣的繞射效應所造成，常以特殊的幾何形狀來降低PDL。然而，反射鏡式(mirror type)VOA一般不會有繞射產生的PDL，但可能因組裝不當造成光線打到晶片的梳狀(comb)結構產生異常大的PDL。

(3)材料的雙折射效應：一般透鏡使用的光學玻璃均為等向性材料，但在組裝過程中，由於膠的收縮或材料間的應變(strain)差異而產生內部應力(stress)，此應力會使得材料具有光學非等向性，亦即在兩個正交軸有不同的折射率，造成不同極化方向的光經歷不同的折射率而形成不同的行進路徑，因此，在接收端會接收到不同的強度。不管是遮蔽式VOA或反射鏡式VOA，只要使用到透鏡都可能存在雙折射效應所產生的PDL，而此PDL的來源是最容易被忽略的。

綜合上述，相較於介面穿透率差異及繞射效應的影響，材料的雙折射效應是較難避免的PDL來源，主要是因為透鏡等光學元件皆需要以膠與外部結構接著固定，因此，不管是膠在固化時所造成的應力或是內外材料間因不同膨脹係數所產生的應力都會造成PDL的增加。

因此本發明提出一種低PDL的VOA，由於其結構中的透鏡之徑向周圍無任何接觸應力，只有軸向與間隔件接著固定，此種結構的PDL非常的低，因此，無須任何的補償機制，並且其結構簡單易於組裝生產。

以下依據本發明的第一實施例，描述一種具有低PDL的VOA。

如圖3所示，本發明的VOA包括一尾纖(pigtail)30，係包括一第一波導(waveguide)及一第二波導，其中，第一波導入射光線，以及第二波導接收返回的光線；一間隔件(spacer)31，係將尾纖30貼附於間隔件31之一平面上；一透鏡32，係貼附於間隔件31之另一平面上；以及一封蓋(cap)33，係包括一中空部331、一第一連接部332及一第二連接部333，其中，透鏡32設置於封蓋33的中空部331內，以及間隔件31連接至封蓋33的第一連接部332。因此，依據本發明的第一實施例，本發明的VOA結構中之透鏡32的徑向因無接觸應力而達到降低PDL的目的。

在上述實施例中，該間隔件31與該封蓋33為不同的構件，組裝過程兩者再黏貼固定，但並不以此為限。該間隔件31亦可與封蓋33為一體成型的構件，如此能在加工或組裝上較為方便。依據本發明的第二實施例，如圖4所示，本發明的VOA包括一尾纖40，係包括一第一波導及一第二波導，其中，第一波導入射光線，以及第二波導接收返回的光線；一間隔件41，係將尾纖40貼附於間隔件41之一平面上；一透鏡42，係貼附於間隔件之另一平面上；以及一第一封蓋43，係包括一第一中空部431、一第一連接部432及一第二連接部433，且其第一連接部432連接至一玻璃視窗47；以及一第二封蓋44，係包括一第二中空部441、一第三連接部442及一第四連接部443，其中，透鏡42設置於第二封蓋44的第二中空部441內，且未與第二封蓋44接觸，以及尾纖40連接至第二封蓋44的第三連接部442。所以，依據本發明的第二實施例，本發明的VOA結構中之透鏡42的徑向因無接觸應力而達到降低PDL的目的。

依據本發明的第三實施例，如圖5所示，本發明的VOA包括一尾纖50，係包括一第一波導及一第二波導，其中，第一波導入射光線，以及第二波導接收返回的光線；一間隔件51，係將尾纖50貼附於間隔件51之一平面上；一透鏡52，貼附於間隔件51之另一平面上，該透鏡52係包括一光學部522及其外圍的一凸緣521，該光學部522為光線通過的區域，；以及一封蓋53，係包括一中空部531、一第一連接部532及一第二連接部533，其中，該光學部522設置於該封蓋53的該中空部531內且未與該封蓋53接觸，係由凸緣521連接至封蓋53的第一連接部532。因而，依據本發明的第三實施例，本發明的VOA結構中之透鏡52的徑向因無接觸應力而達到降低PDL的目的。

依據本發明的上述實施例，透鏡32、42、52為一凸透鏡，包括一第一端面及一第二端面，其中，第一端面及第二端面之至少一端面為一曲面，光線藉由曲面聚焦。

依據本發明的上述實施例，透鏡32、42、52為一漸變折射率透鏡(GRIN lens)，具有一光軸，其中，折射率以光軸為中心呈徑向變化，光線藉由徑向的折射率變化聚焦。

依據本發明的上述實施例，間隔件31、41、51作為尾纖30、40、50與透鏡32、42、52的接合介面。

依據本發明的第四實施例，如圖6所示，本發明的VOA包括一尾纖(pigtail)60，係包括一第一波導(waveguide)及一第二波導，其中，第一波導入射光線，以及第二波導接收返回的光線；一間隔件(spacer)61，將尾纖60貼附於間隔件61之一平面上；一透鏡62，係貼附於間隔件61之另一平面上；以及一封蓋(cap)63，係包括一中空部631、一第一連接部632及一第二連接部633，其中，透鏡62設置於封蓋63的中空部631內，以及間隔件61連接至封蓋63的第一連接部632，尾纖60的中心軸與透鏡62的光軸具有一角度θ，以增加或減少波長相關損失(wavelength dependent loss,WDL)。當角度θ調整後，是於尾纖60與間隔件61之間填入黏膠固定(圖6中並未畫出)。據此本發明的VOA，透鏡62未與封蓋接觸，進而達到降低極化相關損失。

依據本發明的上述實施例，本發明的VOA復包括一承載件 (header)34、54、64、45，係包括一凸緣(flange)(未顯示於圖式中)，連接至封蓋33、53、63、第一封蓋43的第二連接部333、533、633、433，其中，一具有反射鏡之晶片35、46、55、65直接或間接地設置於承載件34、45、54、64上。

由於在可調光衰減器的實際應用上也存在波長相關損失(wavelength dependent loss,WDL)的問題：當反射鏡旋轉導致反射光相對於光纖產生位移時，在一個小的波長範圍內(例如C波段或L波段)與波長具有線性關係，而導致WDL的原因是因為不同的波長(λ)具有不同的ω(或MFD)，因而產生不同的衰減值。本專利提出一種可即時調整的WDL補償方式，此方法可以在組裝時即時補償WDL以克服材料的公差及組裝上的差異，主要是利用在組裝時將尾纖的中心軸與透鏡的光軸調整一個角度即可增加或減少WDL，若定義WDL為長波長的衰減值減去短波長的衰減值，則將尾纖傾角往上調整可使WDL增加；反之，將尾纖傾角往下調整可使WDL減少，因此可經由調整尾纖的傾角來進行WDL的優化。如圖7所示，在實際實施上，20dB衰減時每調整1°的傾角，WDL可變化0.23dB，在0~25dB對衰減範圍內，每度WDL的變化量(△WDL/degree)隨衰減的變化。

儘管已參考本申請的許多說明性實施例描述了實施方式，但應瞭解的是，本領域技術人員能夠想到多種其他改變及實施例，這些改變及實施例將落入本公開原理的精神與範圍內。尤其是，在本公開、圖式以及所附申請專利範圍的範圍內，對主題結合配置的組成部分及/或配置可作出各種變化與修飾。除對組成部分及/或配置做出的變化與修飾之外，可替代的用途對本領域技術人員而言將是顯而易見的。