CN101539672B - 一种高速可调的电光衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速可调的电光衰减器。在同一的水平光路方向上依次放置第一光纤准直器、第一双折射晶体、第一45度半波片、电光角度偏折片、偏折棱镜、第二45度半波片、第二双折射晶体和第二光纤准直器，并使得第一光纤准直器出射的光信号准直耦合第二光纤准直器，通过控制电光角度偏折片的外加电压来改变光信号耦合进第二光纤准直器的光功率大小，从而实现高速可调的电光衰减器。本发明与传统技术相比，具有结构简单紧凑、速度高、价格低和易实现等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种高速可调的电光衰减器。
背景技术
可调光衰减器(VOA)是一种用于实现衰减光功率的器件。由于***中光接收机有一定的功率范围，当输入光功率过大，就必须用光衰减器对其进行衰减。更重要的是能精确主动平衡通信***中的光能量，特别是DWDM和EDFA在光通信中的广泛应用，增益平坦化或信道功率均衡等这些使得VOA成为光通信***中不可或缺的关键器件。
目前，VOA可调光衰减器技术大致分为：分立微光元件技术、MEMS技术及光波导技术。而分立微光技术又可分为机械、磁光效应、热光效应和电光效应等诸多形式。而传统的机械式VOA或基于MEMS的VOA技术，由于自身结构设计因素的限制，VOA的调节精度和响应速度都不能很好的满足光通信快速发展的要求。而且传统机械式VOA和基于MEMS的VOA由于制作工艺相对复杂增加了它们的成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种对光衰减的快速精确控制，同时提高可靠性，简化构造和降低成本的高速可调的电光衰减器。
高速可调的电光衰减器是在同一的水平光路方向上依次放置第一光纤准直器、第一双折射晶体、第一45度半波片、电光角度偏折片、偏折棱镜、第二45度半波片、第二双折射晶体和第二光纤准直器，并使得第一光纤准直器出射的光信号准直耦合第二光纤准直器，通过控制电光角度偏折片的外加电压来改变光信号耦合进第二光纤准直器的光功率大小，从而实现高速可调的电光衰减器。
所述的电光角度偏折片的材料是透明铁电陶瓷。透明铁电陶瓷是锆钛酸铅镧陶瓷或铌镁酸铅陶瓷。电光角度偏折片是直角三角形晶片，直角三角形晶片的两侧面上镀有金属电极，在直角三角形晶片的垂直端面和直角三角形晶片的斜端面上镀有光学增透膜。
本发明通过改变加在电光角度偏折片上的电压来调节电光角度偏折片折射率的变化，进而控制光通过电光角度偏折片时偏折角度的大小，从而提供对输入光纤准直器耦合到输出光纤准直器光量的精确控制，有效实现电光衰减器衰减量的高速动态调节。
采用透明铁电陶瓷作为电光角度偏折片材料，比传统的LiNbO3晶体有更高的透光性和电光系数，特别是铌镁酸铅晶体PMN-PT，它的电光系是LiNbO3的100倍，而且没有很明显的迟滞效应，使得可调光衰减器的可靠性大大增加。
另外，基于透明电光陶瓷的可调光衰减器响应速度可达到亚微秒级，远远优于传统的设计方案。
附图说明
图1为高速可调光衰减器的结构示意图；
图2为本发明在电光角度偏折片上施加一定电压时的光路示意图；
图3为本发明中双折射晶体及半波片端面上的光偏振态变化示意图；
图4为本发明中电光角度偏折片的结构及工作示意图；
图中：第一光纤准直器1、双折射晶体2、第一45度半波片3、电光角度偏折片4、偏折棱镜5、第二45度半波片6、第二双折射晶体7、第二光纤准直器8。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明：
如图1所示，一种高速可调的电光衰减器是在同一的光路方向上依次放置光纤准直器1，第一双折射晶体2，第一半波片3，电光角度偏折片4，偏折棱镜5，第二半波片6，第二双折射晶体7，第二光纤准直器8，并使得第一光纤准直器出射的光信号准直耦合第二光纤准直器。通过控制电光角度偏折片的外加电压来改变光信号耦合进第二光纤准直器的光功率大小，从而实现高速可调的电光衰减器。
所述的电光角度偏折片4的材料是透明铁电陶瓷。透明铁电陶瓷可以是锆钛酸铅镧陶瓷或铌镁酸铅陶瓷。电光角度偏折片4是直角三角形晶片，直角三角晶片的长为L，宽为W，厚度为d。直角三角形晶片的两侧面上镀有金属电极，在直角三角形晶片的垂直端面和直角三角形晶片的斜端面上镀有光学增透膜。
在电光角度偏折片4电极上加不同的电压，在外电场的作用下由于二次电光效应(Kerr效应)电光角度偏折片4的折射率发生变化，光路通过电光角度偏折片4的偏折角度与外加电场的强度、电光角度偏折片4的楔角，即三角形晶片的长/宽比成比例。此时通过电光角度偏折片4的光路发生角度偏折θ，具体为： 
透明铁电陶瓷材料的电光效应具有亚微秒的响应速度。通过调节透明铁电陶瓷材料的施加电压，使电光角度偏折片4输出光的偏折角度产生快速变化，从而能够实现电光衰减器衰减量的高速动态调节。
如图4所示，实线为电光角度偏折片4不外加电压时的光传播路径，而虚线表示的是电光角度偏折片4外加一定电压时出射的光路，在外加电场的作用下光路偏折角度为θ。
所述的偏折棱镜5是由石英玻璃或K9玻璃材料制成。偏折棱镜5的摆放的位置及楔角大小与电光角度偏折片4相匹配，在电光角度偏折片4上不加电压时，出射电光偏折片4的光路会发生一定角度的偏折，在光路的调试准直过程中，要不断地拨动调整偏折棱镜的位置，使得经偏折棱镜5的偏折修正，光路耦合准直在水平方向上。
所述第一双折射晶体2和第二双折射晶体7是有由钒酸钇(YVO4)等材料制成，并在其通光面上镀有光学增透膜，增强透光性。一束光正入射到该双折射晶体，分为两束偏振方向相互垂直的O光和E光，O光沿原方向前进，而E光发生偏折与晶体的光轴相关。
所述的45°半波片6使得线偏振光的偏振方向旋转90度。因为是45度半波片，可以不考虑波片的光轴方向，都可以使得通过的偏振光的偏振方向旋转90度。同时为了使结构更加紧凑，可以把厚度很薄的半波片粘在双折射晶体的通光端面上，如图3所示。
在图3中，表示了光通过双折射晶体及半波片时光偏振态的变化过程。“+”表示任意偏振态的光，“—”表示水平偏振态的光，“|”表示垂直偏振态的光。O偏折光和E偏振光对于双折射晶体的光轴方向有很大的相关性，仅对于第一双折射2和第二双折射晶体7而言，水平偏振光即为O偏振光，垂直偏振光即为E偏振光。
相对于图1，图2中标示了在电光角度偏折片外加一定电场时，光路在整个高速可调的电光衰减器的各个晶体中的传播路径。
信号光从输入光纤由光纤准直器1进入，经第一双折射晶体2，分成两两束偏振方向互相垂直的光，即O光和E光。其中垂直偏振光E光经第一45度半波片之后偏振态发生变化，成为水平偏振光O偏振光。
在电光角度偏折片4上没有加电压时，水平偏振光“—”经过的电光角度偏折片有一定的楔角，且电光角度偏折片4不加电压时的折射率为n0与空气的折射率大小不一，则由折射定律可知光路会发生偏折。不断调整偏折棱镜5相对电光角度偏折片4的摆放位置，使得经偏折棱镜5的偏折修正，光路耦合准直 在水平方向上。
再由第二45度半波片6，改变其中一路水平偏振光“—”的偏振态，使其成为垂直偏振光“|”。最后第二双折射晶体7把二个偏振态相互垂直的水平偏振光O光和垂直偏振光E光合成一路光，再经第二准直器8耦合进输出光纤。
当在电光角度偏折片4上施加电压时，电光角度偏折片4发生电光效应，折射率发生变化：即，Δn＝no-ne＝RλE2，其中R为电光材料的电光系数，E为外加电场强度，λ为光波长。则，外加电压时经电光角度偏折片4出射的光路发生偏折与电光角度偏折片4没加电压光路偏折的角度差θ，如图4。
由上可知，外加电场使得经过电光角度偏折片4的光路偏离原来的光路方向，再由偏折棱镜5的微小偏折，出射光通过第二45度半波片6，改变其中一路水平偏振光“—”的偏振态，使其成为垂直偏振光“|”。最后第二双折射晶体7把二个偏振态相互垂直的水平偏振光O光和垂直偏振光E光合成一路光，而此时从第二双折射晶体7出射的光路相对电光角度偏折片没有施加电压时已经有了一定程度的偏折，与第二准直器8已不再匹配，则只有部分光量耦合进输出光纤，即造成了光功率的衰减。
通过控制电光角度偏折片4外加电压的大小，调整光路偏折角度的大小，从而控制了出射光功率耦合到第二准直器的大小，实现了可调光衰减器。透明铁电陶瓷材料为电光角度偏折片4所采用的材料，比传统的LiNbO3等电光晶体有更高的透光性和电光系数，例如PMN-PT的电光系是LiNbO3的100倍，而且没有很明显的迟滞效应，这使得相对其他有很强烈的迟滞效应的电光晶体来说，它可以更加精确的控制调节衰减器的损耗。透明铁电陶瓷材料的基本响应时间为几百纳秒，可以快速对外加电场的改变做出反应。而且***损耗可以控制在0.6dB左右，可以很好的满足比较高端的应用需求。
Claims (4)
1.一种高速可调的电光衰减器，其特征在于：在同一的水平光路方向上依次放置第一光纤准直器(1)、第一双折射晶体(2)、第一45度半波片(3)、电光角度偏折片(4)、偏折棱镜(5)、第二45度半波片(6)、第二双折射晶体(7)和第二光纤准直器(8)，并使得第一光纤准直器(1)出射的光信号准直耦合第二光纤准直器(8)，通过控制电光角度偏折片(4)的外加电压来改变光信号耦合进第二光纤准直器(8)的光功率大小，从而实现高速可调的电光衰减器，所述的电光角度偏折片(4)的材料是透明铁电陶瓷；信号光从输入光纤由第一光纤准直器(1)进入，经第一双折射晶体(2)，分成两束偏振方向互相垂直的光，即O光和E光，其中垂直偏振光E光经第一45度半波片(3)后偏振态发生变化，成为水平偏振光O偏振光；在由第二45度半波片(6)，改变其中一路水平偏振光的偏振态，使其成为垂直偏振光，最后第二双折射晶体(7)把二个偏振态相互垂直的水平偏振光O光和垂直偏振光E光合成一路光，再经第二光纤准直器(8)耦合进输出光纤。
2.根据权利要求1所述的一种高速可调的电光衰减器，其特征在于：所述的透明铁电陶瓷是锆钛酸铅镧陶瓷或铌镁酸铅陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种高速可调的电光衰减器，其特征在于：所述的电光角度偏折片(4)是直角三角形晶片，在直角三角形晶片的两侧面上镀有金属电极，在直角三角形晶片的垂直端面和直角三角形晶片的斜端面上镀有光学增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种高速可调的电光衰减器，其特征在于：所述的偏折棱镜(5)的材料是石英玻璃或K9玻璃。
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