專利名稱：帶有波長(zhǎng)相關(guān)損耗補(bǔ)償?shù)目烧{(diào)式光衰減器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于傾斜鏡(tilting mirror)的可調(diào)式光衰減器(Variable OpticalAttenuator，VOA)系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有用于光學(xué)通訊系統(tǒng)和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的輸入和輸出光波導(dǎo)，本發(fā)明特別涉及其中包含波長(zhǎng)相關(guān)損耗補(bǔ)償?shù)腣OA。
背景技術(shù)：
圖1a圖解表示了基于傾斜鏡的VOA的基本結(jié)構(gòu)，其包括透鏡1、反射鏡2、輸入光波導(dǎo)，例如輸入光纖3、以及輸出光波導(dǎo)，例如輸出光纖4。來(lái)自于輸入光纖3的輸入光5，包含多種波長(zhǎng)組分，例如紅色光和藍(lán)色光波長(zhǎng)，它由透鏡1校準(zhǔn)，并通過(guò)反射鏡2發(fā)生發(fā)射后形成反射光束6a。然后反射光束6a通過(guò)透鏡1被重新聚焦進(jìn)入輸出光纖4內(nèi)。當(dāng)反射鏡2以某一定角度放置時(shí)，反射光束6a聚焦到輸出光纖4的纖芯8，也就是最佳位置處，此耦合系統(tǒng)的插入損耗(insertion loss，IL)達(dá)到最小(參見(jiàn)圖1a和1b)。當(dāng)反射鏡2被斜置時(shí)，如圖2a和2b所示，反射光束，圖中標(biāo)記為6b，它偏移到輸出光纖4的纖芯8之外導(dǎo)致IL增大，因而被衰減。所以，IL的數(shù)量和衰減的大小將由偏離纖芯8的偏移量來(lái)確定，也就是反射鏡2偏離最佳位置的傾斜角度，如圖1a所示。然而，這樣的結(jié)構(gòu)帶有一種被稱作波長(zhǎng)相關(guān)損耗(wavelength dependant loss，WDL)的固有的損耗，它是一個(gè)衰減函數(shù)，并且與在不同波長(zhǎng)組分的模場(chǎng)直徑(MFD)的差異相關(guān)。更具體地講，光纖的MFD或模式光斑寬度(mode spot size)是波長(zhǎng)的函數(shù)，且在光纖中，具有較短波長(zhǎng)組分的光(藍(lán)色光)要比具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)組分的光(紅色光)更加緊密地被限制在光纖的中心內(nèi)，也就是說(shuō)，藍(lán)色光斑21的寬度要比紅色光斑22的寬度小，如圖1b和2b所示。如圖2b所示，現(xiàn)有的VOAs所存在的問(wèn)題是當(dāng)反射鏡2斜置時(shí)，反射光束6b的中心偏離輸出光纖纖芯8的偏移量對(duì)所有波長(zhǎng)而言是相同的，并且光耦合進(jìn)入輸出光纖4的效率由光斑寬度與光纖纖芯8的重疊程度決定。對(duì)于具有相同偏移量的光束來(lái)說(shuō)，與具有較大光斑寬度的較長(zhǎng)波長(zhǎng)組分相比，較短波長(zhǎng)組分具有更小的光斑寬度，并且經(jīng)歷更大的耦合損耗，原因是與較小的光斑寬度相比，較大的光斑寬度顯然疊加到光纖纖芯8之上的部分要大得多。
圖1b所示是帶有纖芯8的輸出光纖4的橫截面視圖，其中當(dāng)VOA處于最小衰減狀態(tài)時(shí)，藍(lán)色光斑21和紅色光斑22與纖芯8同心；圖2b所示是一種典型的衰減狀態(tài)光斑的位置非同心，與紅色光斑22相比，藍(lán)色光斑21與纖芯重疊的百分比較小，因此導(dǎo)致對(duì)藍(lán)色光產(chǎn)生較大的IL損耗，這被稱作波長(zhǎng)相關(guān)損耗，WDL。
眾所周知，IL可以表示成光纖內(nèi)光束偏移量和MFD(Mode Field Diameter)的函數(shù)，如下列方程式(1)所示IL=4.34·(xω)2---(1)]]>式中x是聚焦光束偏離光纖纖芯的偏移量，ω是MFD的一半。在方程(1)中，ω是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，而且當(dāng)波長(zhǎng)在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)(例如，C波段或L波段)時(shí)，它們之間是線性關(guān)系，可用下面的方程式(2)來(lái)表示ω＝a+b·λ(2)式中a是常數(shù)，b是線性色散系數(shù)。則WDL可以用方程式(3)來(lái)計(jì)算WDL=-2·b·ILω·Δλ---(3)]]> 對(duì)于康寧SMF28(Corning SMF28)光纖，在C波段和L波段范圍內(nèi)，b大約為3.11。由方程(3)可以清楚地看到當(dāng)IL增加時(shí)，WDL也增加，并且與波長(zhǎng)較短的光(例如藍(lán)色光)相比，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光(例如紅色光)具有更小的IL。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已有許多VOA系統(tǒng)試圖解決WDL問(wèn)題。其中之一如美國(guó)專利公布號(hào)為2004/0008967所公開(kāi)的它試著通過(guò)使用包括各種不同的光學(xué)元件的準(zhǔn)直器來(lái)解決WDL和PDL(偏振相關(guān)損耗，polarization dependent loss)的問(wèn)題，所述各種不同的光學(xué)元件包含容納至少2個(gè)波導(dǎo)管的金屬環(huán)和透鏡。選擇金屬環(huán)和透鏡使得含有金屬環(huán)末端和波導(dǎo)管末端的平面不平行于透鏡的末端表面，以便有可能確定金屬環(huán)相對(duì)于透鏡的位置和軸向方位，以得到最小的WDL。然而，這里沒(méi)有考慮MFD以及有可能用來(lái)補(bǔ)償WDL的位置調(diào)整。
美國(guó)專利號(hào)為6,915,061中所公開(kāi)的VOA系統(tǒng)利用放置于兩個(gè)透鏡之間的光楔，以便有助于調(diào)焦并減小微型反射鏡的尺寸。
美國(guó)專利號(hào)為6,782,153公開(kāi)了一種帶有濾波器的裝置，該裝置執(zhí)行波分復(fù)用或解復(fù)用、衰減、轉(zhuǎn)換、濾波、導(dǎo)出功能中的兩個(gè)或多個(gè)功能。為了防止出現(xiàn)由濾波元件的兩個(gè)表面所導(dǎo)致的不同基準(zhǔn)，濾波元件最好帶有楔形的橫截面，但是這里沒(méi)有考慮如何減小WDL。
美國(guó)專利公布號(hào)為2004/0316680公開(kāi)了一種帶有半透明折射型光閘的VOA，該光閘包括形如光楔的硅光閘，其能夠?yàn)檩敵龉馐峁┛勺兊膬A斜角度，所以出現(xiàn)可變的衰減。其它參數(shù)，例如PDL、光反射損耗(ORL)以及WDL也都是光閘幾何形狀的函數(shù)，但是沒(méi)有考慮如何減小WDL。
美國(guó)專利公布號(hào)為2002/0061179介紹了一種采用帶有V型凹口的光閘的VOA，這是一種適用于減小光衰減率與波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)的形式。該系統(tǒng)有光閘作用，使得由于不同波長(zhǎng)所導(dǎo)致的MFD的改變而造成光衰減率的關(guān)聯(lián)性被降低。
美國(guó)專利號(hào)為7,034,979公開(kāi)了一種在偏振光調(diào)制中采用晶體楔的VOA，其中晶體楔被用來(lái)在空間上再結(jié)合偏振光束，但是沒(méi)有考慮如何減小WDL。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)調(diào)整波長(zhǎng)相關(guān)MFD的差異，來(lái)補(bǔ)償基于傾斜鏡的VOA的固有的WDL，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明涉及一種可調(diào)式光衰減器，其包括第一光學(xué)波導(dǎo)，用于發(fā)射包含第一和第二波長(zhǎng)組分的光束，與第二波長(zhǎng)組分相比，第一波長(zhǎng)組分具有更短的波長(zhǎng)；第二光學(xué)波導(dǎo)，用于接收所述光束；透鏡，具有光軸，用于校準(zhǔn)來(lái)自所述第一光學(xué)波導(dǎo)的光束，并將所述光束聚焦到所述第二光學(xué)波導(dǎo)；可傾斜的反射鏡，用于接收來(lái)自所述透鏡的光束，并將所述光束穿過(guò)所述透鏡反射到所述第二光學(xué)波導(dǎo)，所述反射鏡的不同角位置導(dǎo)致不同程度的衰減，并導(dǎo)致固有的WDL；和放置在所述透鏡和所述反射鏡之間的色散光楔，所述光楔的折射系數(shù)為n，楔角為α，設(shè)置所述色散光楔，使得其對(duì)第一波長(zhǎng)組分的偏移量不同于對(duì)第二波長(zhǎng)組分的偏移量，來(lái)至少部分地補(bǔ)償固有的WDL。


下面將結(jié)合描述優(yōu)選實(shí)施例的附圖來(lái)更加詳細(xì)地介紹本發(fā)明，其中 圖1a是傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)傾斜鏡VOA的示意圖。
圖1b是圖1a的VOA輸出光纖的橫截面圖。
圖2a是傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)傾斜鏡VOA處于衰減位置時(shí)的示意圖。
圖2b是圖2a的VOA輸出光纖的橫截面圖。
圖3a舉例說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的帶有補(bǔ)償光楔的VOA。
圖3b是圖3a的VOA輸出光纖的橫截面圖。
圖3c所示是圖3a所描述的VOA處于衰減位置時(shí)的情形。
圖3d是圖3c的VOA輸出光纖的橫截面圖。
圖3e示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。
圖4是IL對(duì)WDL的曲線圖，圖中示出了帶有和不帶補(bǔ)償光楔的兩種情況下的WDL。
具體實(shí)施例方式如圖3a-3d所示，根據(jù)本發(fā)明的VOA，包含輸入光纖13、具有光軸OA的透鏡11、可傾斜的反射鏡12，以及帶有纖芯16和覆層17的輸出光纖14。在理想情況下，輸入光纖13和輸出光纖14實(shí)際上分別被放置在離光軸OA相同距離的地方，這樣反射鏡12可以被放置成與光軸垂直以提供接近于最佳的耦合。為了對(duì)WDL進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)本發(fā)明，在反射鏡12和透鏡11之間插入色散光楔15(WDL補(bǔ)償器)。入射光束包含各種不同波長(zhǎng)的光組分，例如紅色光和藍(lán)色光，此入射光束從輸入光纖13射出，由透鏡11校準(zhǔn)并定向，穿過(guò)WDL補(bǔ)償器15到達(dá)可傾斜的反射鏡12。反射鏡12使輸入光束改變方向，穿過(guò)WDL補(bǔ)償器15和透鏡11到達(dá)輸出光纖14。根據(jù)本發(fā)明，圖3a和3c分別描述了最小衰減狀態(tài)和典型衰減狀態(tài)下的VOA。
圖3b和3d也分別描述了帶有纖芯16的輸出光纖14的截面圖，圖中示出由于插入了色散光楔或WDL補(bǔ)償器15而對(duì)藍(lán)色光斑21和紅色光斑22所分別產(chǎn)生的效果。因此，光楔15根據(jù)色彩來(lái)將入射光在角度上進(jìn)行分離，從而導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的波陣面以不同角度偏離，變成非同心。因此，較長(zhǎng)波長(zhǎng)組分(例如紅色光)和較短波長(zhǎng)組分(例如藍(lán)色光)的中心點(diǎn)(例如聚焦點(diǎn))落到輸出光纖14的纖芯16的不同位置。具體來(lái)說(shuō)，在圖3a中，光楔15包含入射表面15a和出射表面15b，其中入射表面15a與出射表面15b成銳角，也就是楔角α。設(shè)置楔角α使得入射表面15a朝向斜置的反射鏡12，即傾斜鏡12的樞軸與入射表面15a和所述楔角垂直，使得如圖3d所描述的那樣，與較長(zhǎng)波長(zhǎng)組分的中心點(diǎn)(例如紅色光斑22)相比，較短波長(zhǎng)組分的中心點(diǎn)(例如藍(lán)色光斑21)通過(guò)透鏡11的聚焦之后，更靠近輸出光纖14的纖芯16。因此，較短波長(zhǎng)組分(例如藍(lán)色光)現(xiàn)在具有比圖2b中更高的與纖芯16重疊的百分比，并且相比以前的情況，由于波長(zhǎng)所導(dǎo)致的IL更小，從而與固有WDL的影響相反。因此，與較長(zhǎng)波長(zhǎng)組分(例如紅色光)的較大MFD相比，較短波長(zhǎng)組分(例如藍(lán)色光)的較小的MFD被偏移到更為靠近纖芯16，從而至少部分地補(bǔ)償了固有的WDL。
通常，在插入色散光楔15后，殘余WDL(WDL)r表示為[0029](WDL)r=2·IL·(px-bω)·Δλ---(4)]]> 式中p是與色散材料相關(guān)的參數(shù)，定義為[0031]p=2α·f·ΔnΔλ---(5)]]> 式中α是楔角，f是透鏡11的焦距，n是光楔15的折射系數(shù)。雖然，對(duì)于所有的IL，WDL都不會(huì)降至零，但是，當(dāng)適當(dāng)?shù)剡x擇楔角α?xí)r，對(duì)于大范圍衰減(例如0～20dB)，WDL能夠降至很小。圖4所示是本發(fā)明中帶有5°楔角的光楔補(bǔ)償器15的優(yōu)選實(shí)施例的WDL。在圖4中，為了進(jìn)行比較，也顯示了未加補(bǔ)償?shù)腤DL，可以看出，色散光楔15的補(bǔ)償效果是顯著的。
在優(yōu)選實(shí)施例中，光楔15包括“薄棱鏡”，例如楔角α在0°至10°之間，以便穿透過(guò)光楔15的光線的偏離角能夠簡(jiǎn)單地被定義為(n-1)α，假設(shè)棱鏡周圍的介質(zhì)(例如空氣)指數(shù)是1，而且楔角和偏離角足夠小，使得楔角和偏離角的正弦大約等于其角度本身。理想地，反射鏡12的傾斜度由任何適合的安裝在MEMS芯片上的微機(jī)電驅(qū)動(dòng)器(MEMS actuator)24來(lái)控制，正如本技術(shù)領(lǐng)域人員所周知的。如果MEMS芯片實(shí)際上被預(yù)先設(shè)定與透鏡11的光軸OA之間所成角度為(n-1)α，如圖3e所示，當(dāng)反射鏡12與MEMS芯片平行時(shí)，即不受驅(qū)動(dòng)時(shí)，入射光束將垂直入射到反射鏡12上。因此，使用MEMS芯片的附加微量校準(zhǔn)，雙孔纖尾25可以被用在光軸OA的一側(cè)來(lái)收容輸入光纖13和輸出光纖14，由此當(dāng)反射鏡12處在靜止位置或不受驅(qū)動(dòng)時(shí)，例如與MEMS芯片平行，輸出光纖14具有最小的插入損耗。
依據(jù)本發(fā)明，用于可調(diào)式光衰減器的另一種方式是在如圖3a和3c所示的色散光楔15的前表面15a和后表面15b上涂上抗反射(AR)涂層。此外，色散光楔15的傾斜角度是一個(gè)較小的銳角(例如1°至5°)，這樣前表面15a和后表面15b與光束不垂直，使得來(lái)自于色散光楔15的兩個(gè)AR涂層表面15a和15b的殘余反射不會(huì)耦合進(jìn)入上述的輸入光波導(dǎo)13和輸出光波導(dǎo)14中。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)式光衰減器，包括第一光學(xué)波導(dǎo)，用于發(fā)射包含第一和第二波長(zhǎng)組分的光束，與第二波長(zhǎng)組分相比，第一波長(zhǎng)組分具有更短的波長(zhǎng)；第二光學(xué)波導(dǎo)，用于接收所述光束；透鏡，具有光軸，用于校準(zhǔn)來(lái)自所述第一光學(xué)波導(dǎo)的光束，并將所述光束聚焦到所述第二光學(xué)波導(dǎo)；可傾斜的反射鏡，用于接收來(lái)自所述透鏡的光束，并將所述光束穿過(guò)所述透鏡反射到所述第二光學(xué)波導(dǎo)，所述可傾斜反射鏡的不同角位置導(dǎo)致不同程度的衰減，并導(dǎo)致固有的WDL；和放置在所述透鏡和所述可傾斜反射鏡之間的色散光楔，所述光楔的折射系數(shù)為n，楔角為α，設(shè)置所述色散光楔，使得其對(duì)第一波長(zhǎng)組分的偏移量不同于對(duì)第二波長(zhǎng)組分的偏移量，來(lái)至少部分地補(bǔ)償固有的WDL。
2.依照權(quán)利要求1所述的可調(diào)式光衰減器，還包含位于MEMS芯片上的用于傾斜所述可傾斜反射鏡的微機(jī)電驅(qū)動(dòng)器。
3.依照權(quán)利要求1所述的可調(diào)式光衰減器，其中，所述色散光楔的入射面與所述可傾斜反射鏡的樞軸垂直。
4.依照權(quán)利要求2所述的可調(diào)式光衰減器，進(jìn)一步包括雙孔纖尾，用于容納所述第一和第二波導(dǎo)；其中，將所述的MEMS芯片與所述透鏡的光軸所成的角度預(yù)先設(shè)定為(n-1)α。由此當(dāng)所述可傾斜反射鏡不受驅(qū)動(dòng)時(shí)，光束可以從所述第一波導(dǎo)反射到所述第二波導(dǎo)。
5.依照權(quán)利要求1所述的可調(diào)式光衰減器，其中，所述第二光學(xué)波導(dǎo)包含有纖芯，和其中所述色散光楔分離所述第一和第二波長(zhǎng)組分，使得所述第一波長(zhǎng)組分的聚焦點(diǎn)比所述第二波長(zhǎng)組分的聚焦點(diǎn)更加靠近所述第二光學(xué)波導(dǎo)的纖芯，以補(bǔ)償所述固有WDL。
6.依照權(quán)利要求1所述的可調(diào)式光衰減器，其中，所述第二光學(xué)波導(dǎo)包括纖芯，其中所述色散光楔使得較短波長(zhǎng)組分相對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)組分發(fā)生偏移，這樣所述較短波長(zhǎng)組分的聚焦點(diǎn)比所述較長(zhǎng)波長(zhǎng)組分的聚焦點(diǎn)更加靠近所述第二光學(xué)波導(dǎo)的纖芯，以補(bǔ)償所述固有WDL。
7.依照權(quán)利要求1所述的可調(diào)式光衰減器，其中，所述第二光學(xué)波導(dǎo)包括纖芯；其中所述第一波長(zhǎng)組分的模場(chǎng)直徑(MFD)要比所述第二波長(zhǎng)組分的MFD更小，以及其中，所述色散光楔以不同的角度對(duì)所述第一和第二波長(zhǎng)組分進(jìn)行重新定向，使得具有較小MFD的波長(zhǎng)組分要比具有較大MFD的波長(zhǎng)組分更加向所述光學(xué)波導(dǎo)管的纖芯偏移，以補(bǔ)償所述固有WDL。
8.依照權(quán)利要求1所述的可調(diào)式光衰減器，其中，所述色散光楔包含涂有AR涂層的前表面和后表面；和其中所述色散光楔相對(duì)于所述光束是傾斜放置的，使得來(lái)自于所述色散光楔的所述前和后AR涂層表面的殘余反射不會(huì)耦合進(jìn)入所述第一和第二光學(xué)波導(dǎo)。
9.依照權(quán)利要求1所述的可調(diào)式光衰減器，其中，所述楔角在0°至10°之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及在可調(diào)式光衰減器(VOA)系統(tǒng)中，通過(guò)采用在反射鏡和透鏡之間插入色散光楔的來(lái)補(bǔ)償波長(zhǎng)相關(guān)損耗(WDL)。不同的波長(zhǎng)組分，例如波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光和波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅色光，經(jīng)由色散光楔以不同的角度改變方向，并抵達(dá)輸出光纖的不同位置。這樣，較小的模場(chǎng)直徑(MED)或藍(lán)色光的模式光斑寬度(mode spot size)由于更加靠近輸出光纖的纖芯而與輸出光纖的纖芯重疊較多，而且與未加WDL補(bǔ)償器的VOA相比，此時(shí)具有更小的插入損耗(IL)。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1936633SQ200610104318
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者陳波, 劉錫社, 楊亞濤, 蔡博 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司