多模可变光衰减器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
多模可变光衰减器
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术提供的多模可变光衰减器有透射式和反射式两种类型。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，许辉杰，
申请(专利权)人：徐州旭海光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32