CN1299139C - 波导式可调光衰减器及其偏振相关损耗的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及解决波导可调光衰减器中偏振相关损耗和***损耗的技术。利用偏振相关补偿器将光学信号进行偏振旋转，使其具有把经过偏振相关补偿器的光束的偏振方向以50%±5%的效率旋转90°±15°，则完成对偏振相关损耗的补偿。本发明可调光衰减器包括：输出入信号(1)、偏振相关补偿器(2)和(7)、耦合器(3)和(6)、相位调制器(4)、导光臂(5a)和(5b)、保护层(8)、基底(9)、输出光信号(10)。解决传统机械式可调光衰减器是分立的，使用不方便，偏振相关损耗的问题，本发明体积小且可实现阵列化，操作速度快，成本低，容易与其它器件和***相匹配。可用于军事武器装备的传感***、光通信***、光通信测试仪器和其它光仪器的检测中来保护探测器或分析仪器。

Description

波导式可调光衰减器及其偏振相关损耗的补偿方法

技术领域：

本发明属于可调光衰减器，特别涉及一种解决波导可调光衰减器中偏振相关损耗和***损耗的技术。

背景技术：

可调光衰减器是一种把经过它的光学信号的强度按给定的要求进行衰减以保护任何条件下的光学信号探测器件和***。工业产品中最大的衰减深度一般为20dB或大于20dB。可调光衰减器主要用在光纤通信***、光学仪器测试***及光纤传感***中。

可调光衰减器件最早在北美产生，并被广泛应用，但在技术上几乎都是机械式的分立器件。在北美光通信的高峰时期，波导式的可调光衰减器受到了极大的重视，一些新公司作为一个重要的产品开发，并且已经开发出了产品，并在市场上有了销售。首先在性能上，阵列式的结构给一些从事新型光学网络研发的用户带来了极大的方便，从根本上克服了机械式的器件在网络中所造成的不便，因为在这些新的网络中，所用的其它器件如波分复用/解复用器件AWG，光学取加器和矩阵光开关等也是波导结构。在实际应用中，波导式可调光衰减器所暴露出的主要问题是偏振相关损耗，而当此问题被一些公司，用电子学反馈技术解决后，其较高的成本限制了波导式可调光衰减器的推广和应用。

目前国内外所广泛应用的机械式可调光衰减器有体积大，操作速度慢，成本高，不易与其它光纤通信器件和***相匹配等缺点。另外，近年来，光纤传感技术在军事武器装备中的应用对可调光衰减器有了新的需求，所以基于机械技术的可调光衰减器无法满足这一新的应用领域的抗振动要求。

为从根本上解决机械技术中体积大，操作速度慢，成本高，不易与其它光纤通信器件和***相匹配等缺点，基于物理过程的小型或微型的无移动部件的技术或方法是一个必然的选择。利用波导技术研究与开发光通信***中的绝大多数无源器件一直是试图大幅度提高光纤通信***的信息容量、效率和性能价格比的重要着眼点。尤其是在同时克服机械式可调光衰减器中体积大，操作速度慢，成本高，不易与其它器件相匹配或集成以及抗振动性差等缺点中具有独特的优越性。因而，基于波导技术的各种光通信无源器件在过去的十几年中得到了充分的研究与发展。比如说，波分复用/解复用器件，矩阵光开关，滤波器等器件的研究与开发都取得了实质性的进展。然而，波导技术中偏振相关损耗和光学***损耗却一直是波导式可调光衰减器在***中广泛应用的主要限制。

本发明的内容：为从根本上解决机械技术中体积大，操作速度慢，成本高，不易与其它光纤通信器件和***相匹配等缺点；波导技术中偏振相关损耗和光学***损耗的问题，本发明的目的是将要提供一种体积小且可阵列化、操作速度快、成本低、易与其它光纤通信器件和***相匹配的波导式可调光衰减器及其偏振相关损耗的补偿方法。

本发明的方法：偏振相关损耗的补偿方法：利用偏振相关补偿器将光学信号进行偏振旋转，使其具有把经过偏振相关补偿器的光束以50％±5％的效率旋转90°±15°，使偏振相关损耗

$\mathrm{PDL}=10\left|{\log }_{10}\left(\frac{P^{\mathrm{TE}}}{P^{\mathrm{TM}}}\right)\right|\≈0,$ 最后完成对偏振相关损耗的补偿。采用曲线形波导、阶梯形波导来设计偏振相关补偿器，曲线形或阶梯形的周期数取决于波导材料的光学折射率、波导通道的大小。

可调光衰减器在光学***测试及光通信的网络中，都是用来保护光学信号探测器。本发明提出一种低偏振相关损耗、低光学***损耗的波导式可调光衰减器，它包括偏振相关补偿器2、耦合器3、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6、偏振相关补偿器7和这些部件周围的保护层8，相位调制器4，保护层8的下表面与基底9的上表面固定连接，偏振相关补偿器2的输出端与耦合器3的输入端连接，耦合器3的两个输出端分别与导光臂5a和导光臂5b的前端连接，耦合器6的两个输入端分别与导光臂5a和导光臂5b的后端连接，耦合器6的输出端与偏振相关补偿器7的输入端连接，相位调制器4与保护层8的上表面固定连接。本发明的相位调制器4采用热光调制或电光调制。

本发明工作时：如图3所示，第一个耦合器3a使光信号按50％的比率分为两束强度相等的光束，然后经过两个导光臂5a和5b后再由第二个耦合器3a将两束光结合成一束，并在与光信号输入***叉的输出口输出。这两个50％效率的耦合器的共同效果原理上可以看成一个完整的定向耦合器。事实上，用于可调光衰减器的耦合器3和耦合器6可以采用两个Y型分岔，如图4所示：第一个Y型分岔使光信号分为两束相位和强度都相等的光束，然后经过两个导光臂后再由第二个Y型分岔将两束光按光学叠加的方法组成一束。如果不考虑***的光学损耗，且相位调制器在两个导光臂之间产生一个光学相位差Δφ，则有在光***输出端的输出为：

$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{in}}{\cos }^2\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2},$ 或 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{out}}={10\log }_{10}\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)---\left(1\right)$

(1)式中的前一个方程是功率表示，后一个方程是dB表示。其中，P_in和P_out分别代表光学输入和输出功率。光学损耗(用η_loss表示)包括光学的传输损耗(用η_pr表示)和Y分岔结构引起的额外损耗(用η_ex表示)，显然有η_loss＝η_pr+2η_ex。如果本发明没有任何相位调制，即静态时，η_out′＝η_out-η_loss，而这个η_loss就是本发明器件上的光学损耗。

如图1所示，输入光信号1经过偏振相关补偿器2后其偏振方向按50％的比率旋转90°，然后进入耦合器3被等分为两束分别进入两个导光臂。经过这两个等长的导光臂后，由耦合器6结合为一束，再经过偏振相关补偿器7后使其剩余的偏振相关差异得到较正。最后由输出端输出变成光信号10。如果相位调制器4产生相位变化为0，输出光信号10为最大。随着相位调制器4产生的相位变化的增大，输出光信号10会逐渐减小。本发明利用偏振相关补偿器2和偏振相关补偿器7使输出光信号10在任何情况下偏振相关损耗都会很小。

图2给出了两种常用的相位调制器的结构，相位调制器对一个光信号产生一个相位变化，图2(a)是一种热光调制方式，其相位调制器是一个加热器；图2(b)是电光调制方式，其相位调制器是一对电极。

在波导加工过程中，由于波导通道加工后在不同方向的最后应力有所不同，这就导致了双折射效应，即材料对TE光和TM光所反应的光学折射率有所不同(即n^TE和n^TM不同)。所以，耦合器的耦合效率不可能同时为50％，一般用k^TE和k^TM表示。同时，由于双折射效应，器件在操作过程中，其调制效果对两个偏振方向的光波也是不同的，即Δn^TE和Δn^TM不同)，所以相对应的调制相位也有所不同，我们用ΔΦ^TE和ΔΦ^TM表示，显然有

ΔΦ^TE＝2πLΔn^TE/λ和ΔΦ^TM＝2πLΔn ^TM/λ    (2)

其中L是被调制波导几何长度，λ是光波在空气中的波长。如果相位调制采用热光调制方式如图2(a)，则相位调制量由加热器引起的温度变化和材料热光(TO)系数dn^TE/dT和dn^TM/dT来确定。于是，在TE和TM两上偏振方向上的光学折射率变化量为

$\mathrm{\Δ}{n}^{\mathrm{TE}}=\frac{{\mathrm{dn}}^{\mathrm{TE}}}{\mathrm{dT}}\·\mathrm{\ΔT},{\mathrm{\Δn}}^{\mathrm{TM}}=\frac{{\mathrm{dn}}^{\mathrm{TM}}}{\mathrm{dT}}\·\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

如果相位调制采用电光方法如图2(b)，则相位调制量由电光波导材料的电光(EO)系数(r^TE和r^TM)和所加的电场强度(E)来确定。于是，在TE和TM两上偏振方向上的光学折射率变化量为

${\mathrm{\Δn}}^{\mathrm{TE}}=-\frac{1}{2}{r}^{\mathrm{TE}}{n}_{\mathrm{TE}}^3\·E,{\mathrm{\Δn}}^{\mathrm{TM}}=-\frac{1}{2}{r}^{\mathrm{TM}}{n}_{\mathrm{TM}}^3\·E---\left(4\right)$

假设P^TE和P^TM分别代表TE光和TM光的归一化输出效率，则有

$P^{\mathrm{TE}}={4k}^{\mathrm{TE}}(1-k^{\mathrm{TE}}){\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}^{\mathrm{TE}}}{2}\right)\mathrm{and}$

$P^{\mathrm{TM}}={4k}^{\mathrm{TM}}(1-k^{\mathrm{TM}}){\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}^{\mathrm{TM}}}{2}\right)$ (5)

根据偏振相关损耗(PDL)的定义，我们有

$\mathrm{PDL}=10\left|{\log }_{10}\left(\frac{P^{\mathrm{TE}}}{P^{\mathrm{TM}}}\right)\right|---\left(6\right)$

可见，偏振相关损耗(PDL)在任何状态都是存在的。根据公式(6)，偏振相关损耗的消除方法如下：

我们在由耦合器3a、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6a来构成的Mach-Zehnder干涉仪两端分别加一个偏振相关补偿器，如图1所示。其中，在输入端的称为前偏振相关补偿器2，而在输出端的称为后偏振相关补偿器7。偏振相关补偿器可直接通过波导设计，使其具有把经过它的光束以50％的效率旋转90°。因此，借助于这个前偏振相关补偿器，Mach-Zehnder干涉仪的新输出可以写成以下新的形式：

$P_{\mathrm{New}}^{\mathrm{TE}}=2[k^{\mathrm{TE}}(1-k^{\mathrm{TE}}){\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}^{\mathrm{TE}}}{2}\right)+k^{\mathrm{TE}}(1-k^{\mathrm{TE}}){\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}^{\mathrm{TE}}}{2}\right)]$

$P_{\mathrm{New}}^{\mathrm{TM}}=2[k^{\mathrm{TE}}(1-k^{\mathrm{TE}}){\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}^{\mathrm{TE}}}{2}\right)+k^{\mathrm{TE}}(1-k^{\mathrm{TE}}){\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}^{\mathrm{TE}}}{2}\right)]$ (7)

显然P_New ^TE和P_New ^TM是相等的，故有新的偏振相关损耗表达式为：

${\mathrm{PDL}}_{\mathrm{New}}=10\left|{\log }_{10}\left(\frac{P_{\mathrm{New}}^{\mathrm{TE}}}{P_{\mathrm{New}}^{\mathrm{TM}}}\right)\right|=0---\left(8\right)$

则本发明消除了偏振相关损耗。

事实上，后偏振相关补偿器是没有实际作用的或者说作用是不重要的。如果器件的输入端口和输出端口给定，只需要一个偏振相关补偿器放在Mach-Zehnder干涉仪的输入端即可，而后补偿器是可以省去的。如果两者都用，输入和输出端是可以通用的。

本发明的优点：

在背景技术的波导器件中，耦合器的分束效果仍然依赖于材料的双折射现象，使得分束比可以偏离50％，而最终导致偏振相关损耗比基于Y分岔的Mach-Zehnder干涉仪结构更大一些。所以，通常Mach-Zehnder干涉仪一般用Y分岔结构。但它们都存在偏振相关损耗的问题。本发明利用偏振相关补偿方法设计的偏振相关补偿器解决了可调光衰减器件的偏振相关损耗问题。

传统的可调光衰减器绝大多数是机械式的，无论其性能如何，目前可调光衰减器件本身都是分立的，给使用带来不方便，而采用本发明及利用波导技术解决了传统技术中的问题，可实现可调光衰减器件的阵列化，使可调光衰减器件的体积小，容易与其它光纤通信器件和***相匹配。

如前所述，波导技术是光通信器件进一步革新与发展的必然趋势。而对于可调光衰减器这样一个光通信中普遍应用的器件，偏振相关损耗是走向波导技术的一个重要障碍。虽然这个问题可以通过电子学的反馈技术得到解决，但这种方法使器件的成本提高几倍，以至于无法广泛应用。因此，本发明的作用为可调光衰减器走向波导阵列化提供了技术保证，同时大幅度降低了成本。

本发明的主要用途：可用于光通信***中各信息通道的接收器之前来保护接收器，尤其在宽带通信的多通道信息传输中能得到大量应用。其次，在光通信和其它光学仪器的研制和批量生产中用于在线或抽样检测中来保护探测器或分析仪器。另外，随着军事武器装备的高科技化发展，多通道的光纤传感***会对本发明产品有较大的需求。随着信息量的增加，***的小型化和器件操作的高速化是一个必然的趋势，本发明的优越性和竞争能力会更加明显。

随着光通信技术在我国的迅速发展，多通道传输可满足越来越大的信息量的要求。因此，对集成无源器件会有更大的需求量，而对于可调光衰减器的要求则自然是更快速响应的阵列化器件。如前所述，随着军事武器的高科技化，多通道的光纤传感***发展迅速，因此与之相配套的象矩阵光开关和可调光衰减器的应用是必不可少的。

附图说明：

图1a是本发明加入偏振相关补偿器的结构平面图，

图1b是图1a在A-A位置的剖视图

图2a是本发明中热光相位调制器的结构图

图2b是本发明中电光相位调制器的结构图

图3是本发明利用耦合器的结构图

图4是本发明利用Y分岔的结构图

图5和图6是采用耦合器的可调光衰减器的性能模拟曲线

具体实施方式：本发明它包括偏振相关补偿器2、耦合器3、相位调制器4、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6、偏振相关补偿器7、保护层8、基底9。图2给出了两种常用的相位调制器的结构，相位调制器对一个光信号产生一个相位变化，是一种热光调制方式，其相位调制器是一个加热片；是电光调制方式，其相位调制器是一对电极。

(1)如图2(a)所示：当本发明采用热光调制方式时，偏振相关补偿器2、耦合器3、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6、偏振相关补偿器7和保护层8所用的材料可以是二氧化硅，也可以是聚合物。本发明首先采用在基底9上做保护层8的下半部分，然后用模板和光刻技术制作波导通道来构成偏振相关补偿器2、在耦合器3、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6、偏振相关补偿器7，之后，将保护层8的上半部分做在它们之上。最后，用光刻的方法制作相位调制器4，即加热器。

(2)图2(b)所示：当本发明采用电光调制方式时，基底9可以采用块状电光材料，利用模板和金属淀积技术(或离子交换技术)制作波导通道来构成偏振相关补偿器2、耦合器3、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6、偏振相关补偿器7，然后，将上述部件镀制保护层8或不镀制。最后，用光刻的方法制作相位调制器4，即电极。用作波导的电光材料也可以采用薄膜制作在光学基底9上，利用模板和光刻技术制作波导通道来构成偏振相关补偿器2、耦合器3、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6、偏振相关补偿器7，然后，将上述部件镀制保护层8或不镀制。

(3)采用曲线形波导、阶梯形波导来设计偏振相关补偿器，曲线形或阶梯形的周期数取决于波导光学折射率、波导通道的大小。当本发明采用热光调制方式中的二氧化硅材料时，光学折射率大约为1.5，波导通道的大小大约为5×5μm，曲线形的半径大约为10-20μm，曲线形的周期数大约为2-4；阶梯形的阶梯高度大约为0.5-1.5μm，宽度大约为5-20μm，阶梯形的周期数大约为2-4。

光学***损耗实例分析：

当偏振相关补偿器2、耦合器3、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6、偏振相关补偿器7、保护层8采用二氧化硅波导材料和相位调制器4采用热光调制器时，这种二氧化硅波导材料的传输损耗极小，一般可达0.1-0.15dB/cm。

当选用Y分岔时，利用二氧化硅波导材料所产生的Y分岔额外损耗可达到0.25～0.30dB。本发明器件的总长度一般为2cm，所以在本发明器件上的损耗一般为η_loss＝0.7-0.9dB。而每个光纤—波导耦合中最少要产生2-3dB损耗，所以用这种结构想获得小于1dB器件***损耗是很困难的。

当选用耦合器时，如果耦合率是50％，也仍对输入光有50％的等分效果，二氧化硅材料的波导耦合器的额外损耗为0.10-0.15dB。这样如图3所示，由耦合器3a、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6a来构成的Mach-Zehnder干涉仪比如图4所示：由Y分岔3b、导光臂5a、导光臂5b、耦合器6b构成的Mach-Zehnder干涉仪具有较小的器件上的光学损耗。如果本发明器件长度也是2cm，则在本发明器件上的光学损耗一般为η_loss＝0.4-0.6dB。因而，采用同样材料的耦合器时，本发明器件的***损耗便可以小于1dB。作为一个Mach-Zehnder干涉仪，无论是Y分岔型，还是耦合器型。其输出关系都是方程(1)。

偏振相关损耗实例分析：

我们仍以热光调制方法为例。假定耦合器的耦合效果是理想的，即k^TE＝k^TM＝0.5，取加热器长度L＝2mm，波长λ＝1550nm，二氧化硅波导材料TE和TM光的热光系数分别为

和

利用公式(2)-(4)和公式(6)，我们获得的光学输出(η^TE和η^TM)与调制温度的关系和偏振相关损耗(PDL)与衰减深度的关系分别如图5曲线和图6曲线。从中可以看出，偏振相关损耗随器件的衰减深度而逐渐增大。当引入如图1所示的偏振相关补偿器2后，输入光信号1的偏振方向会被以50％的比率旋转90°，然后本发明的光学输出信号10则符合公式(8)的情况。随着偏振相关补偿器2工作误差的产生，偏振相关损耗会出现。研究表明，当比率在50±5％，转角在90±15°时，偏振相关损耗一般小于0.1dB。

下面的曲线是采用耦合器的可调光衰减器的性能模拟曲线：图5光学输出和所应用功率的关系曲线，图6光学偏振相关损耗和衰减深度的关系曲线。

Claims (3)

1、波导式可调光衰减器，它包括耦合器(3)、相位调制器(4)、导光臂(5a)、导光臂(5b)、耦合器(6)、保护层(8)、基底(9)，耦合器(3)的两个输出端分别与导光臂(5a)和导光臂(5b)的前端连接，耦合器(6)的两个输入端分别与导光臂(5a)和导光臂(5b)的后端连接，相位调制器(4)与保护层(8)连接，其特征在于还包括有：偏振相关补偿器(2)、偏振相关补偿器(7)，偏振相关补偿器(2)的输出端与耦合器(3)的输入端连接，耦合器(6)的输出端与偏振相关补偿器(7)的输入端连接，偏振相关补偿器(7)作输出端输出光信号(10)，输入光信号经过偏振相关补偿器(2)后其偏振方向以50％的比率旋转90°以及采用曲线形波导、阶梯形波导来设计偏振相关补偿器(2)，曲线形或阶梯形的周期数取决于波导光学折射率、波导通道的大小。

2、波导式可调光衰减器，它包括Y分岔(3)、相位调制器(4)、导光臂(5a)、导光臂(5b)、Y分岔(6)、保护层(8)、基底(9)，Y分岔(3)的两个输出端分别与导光臂(5a)和导光臂(5b)的前端连接，耦合器(6)的两个输入端分别与导光臂(5a)和导光臂(5b)的后端连接，相位调制器(4)与保护层(8)连接，其特征在于还包括有：偏振相关补偿器(2)，偏振相关补偿器(2)的输出端与Y分岔(3)的输入端连接，Y分岔(6)的作输出端输出光信号(10)，输入光信号经过偏振相关补偿器(2)后其偏振方向以50％的比率旋转90°以及采用曲线形波导、阶梯形波导来设计偏振相关补偿器(2)，曲线形或阶梯形的周期数取决于波导光学折射率、波导通道的大小。

3、根据权利要求1或2所述的波导式可调光衰减器，其特征在于：相位调制器(4)采用热光调制或电光调制。

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