CN1860391A - 可变光衰减器 - Google Patents

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Abstract

所描述的可调光衰减器(VOA)装置(20、40、50、90)包含第一光波导(24、52、80、94、120、140)和第二光波导(26、42、54、82、96、122、142)。所述装置设有可移动反射元件(28、84、106、124、144)(比如基于微电子机械***(MEMS)的元件)，具有相对于一个所述第一和第二光波导中至少一个的可控取向。所述第一和第二波导形成为空芯光波导。

Description

可变光衰减器
本发明涉及可变光衰减器(VOA)装置，具体涉及加入了在半导体衬底上形成的空芯光波导的VOA。
越来越多的电信和数据网络在采用光学元件加以实现。为了使光束的功率能够以可控的方式减少，已经开发了各种类型的可变光衰减器(VOA)。更具体地说，在光纤网络及类似结构中，VOA被用作一种提供功率均衡的便利方法。
WO01/75503描述了已知的VOA装置，在该VOA装置中，光束从输入波导经由光路被耦合至输出波导，所述光路包括光束传过自由空间的区域。遮断光束的MEMS遮光器位于自由空间间隙附近，并且遮光板进出光束路径的线性移动提供了可控的光束衰减。众所周知，在VOA装置中表面微制造的遮光器设在实芯波导之间的自由空间区域。这种装置的不利之处是需要提供相对大量的遮光器行程以提供所需的衰减。这种类型的装置因此要求相对较大的功率，并且与自由空间传播区域关联的色散效应会增加光损耗。
例如，参见US4516827、US5915063和US6137941，在VOA中光束由输入光纤经反射表面的反射被耦合至输出光纤也已公知。在这样的装置中，反射表面的移动(如倾侧)提供了对从输入光纤耦合至输出光纤的光量控制。使用实芯或“脊形”输入和输出波导形成的同样装置也是公知的。
尽管如在US4516827、US5915063和US6137941中描述的反射VOA装置通常比基于WO01/75503的装置的遮光器要求较低的功率，但是其光纤须相对于反射表面以较高的精度对准。为了确保对光衰减的精确控制，也必须对反射元件移动作精确控制。此外，这种装置的强度可能比较低且任何机械振动均可导致反射元件与光线的未对准从而降低装置的性能。
本发明的目标是减少至少某些上述不利之处以提供改进的VOA装置。
按照本发明的第一方面，可变光衰减器装置包含第一光波导、第二光波导和至少一个可移动反射元件，所述的可移动反射元件带有相对于所述第一和第二光波导中至少一个的可变取向，其中所述装置配置成使得在使用过程中第一光波导的光束输出从至少一个可移动反射元件反射且至少一个可移动反射元件的取向决定了光束耦合进第二光波导的效率，其特征在于，第一和第二光波导是空芯光波导。
因此，本发明的装置利用可移动反射元件的取向(即，位置或角度对准)来控制光束从第一光波导耦合至第二光波导的效率。正如下面所详细描述，所述装置可因此提供对从第一光波导耦合进第二光波导的基模的光量控制，以使光衰减被改变。
本发明的VOA装置可以是独立部分或者可以形成在PCT专利申请GB2003/000331中所描述类型的空芯平面光波导光路(PLC)的一部分。在PLC配置中，利用空芯光波导引导光束来往于耦合单元将去掉通常与现有技术的光纤或脊形波导装置关联的光纤端反射。因此，在第一和第二波导表面不需要折射率匹配的凝胶或环氧树脂或者减反射涂层，所以这种装置的造价低廉。此外，空芯光波导的使用使这种装置可处理更高的光功率。
应当注意的是：当空芯光波导结构生成时其空芯可能充满了空气。然而，这无论如何也不应当被看成是对本发明范围的限制。空芯可包含任何流体(例如液体或如氮等的惰性气体)或者是真空的。术语空芯仅仅意味着芯部缺少任何固体材料。此外，术语“光”和“光学的”在这里被用来指任何波长范围从深紫外到远红外变化的电磁辐射。事实上，本领域技术人员当会了解到：本发明可用于几乎任意波长的辐射(如微波或x-射线辐射)。
其优点在于，至少一个可移动反射元件具有相对于所述的第一和第二光波导中至少一个的可控角对准。换句话说，所提供的VOA包含第一光波导、第二光波导和用于可控制地将来自第一光波导的光束耦合至第二光波导的耦合单元，耦合单元包含可移动反射元件，所述的可移动反射元件具有相对于所述第一和第二光波导中至少一个的可控角取向，其中第一和第二波导是空芯光波导。本发明的装置可因此利用可移动反射元件的旋转来控制光束从第一光波导耦合至第二光波导。
其优点在于，所述装置配置成使得在使用过程中可移动反射元件的角取向变化基本上不产生反射光束相对于第二空芯光波导的横向位移。换句话说，在工作期间，反射光束基本上持续集中于第二空芯光波导的芯孔上。在这样的配置中，基本上所有的光将耦合进第二空芯光波导，并且反射元件的角取向被用来控制光束相对于第二空芯光波导的入射角，从而控制光束耦合进光束的第二空芯光波导的光学模式。另外，还可便利地使所述装置配置成使得光束相对于第二空芯光波导的输入孔中心横向位移。例如通过孔径形态效应，任何这样的横向位移将控制被耦合进第二空芯光波导的总光量。
至少一个可移动反射元件还可(或备选地)具有相对于所述第一和第二光波导中至少一个的可控位置。换句话说，可移动反射元件位置的变化(如元件的线性平移)可用来引导光束从不同的角度和/或不同的横向位置朝向第二光纤的入口。
其优点在于，第一和第二光波导在共同的衬底上形成。在共同的衬底上形成第一和第二光波导使得光波导彼此能够精确对准。
可移动反射元件也可便利地在共同衬底上形成或者对准。例如，可移动反射元件可有利地包含整体在共同衬底上形成的微电子机械***(MEMS)元件。如此，可移动反射元件的MEMS元件可在与空芯波导相同的工序中形成，从而提供了无需额外的工序或装置组件就可生成VOA的简单方法。另外，可移动反射元件也可有利地包含混合地附在共同衬底上的MEMS元件。更具体地说，可移动反射元件可有利地在共同衬底上形成的对准槽内保持对准。
如此，本发明减少了在US4516827、US5915063和US6137941所描述的现有技术的VOA装置类型中发现的、“必须将光纤精确对准可移动反射元件”的问题。本发明因此使第一和第二光波导以一种确保它们与可移动反射元件保持对准的方式而形成。
其便利在于，可移动反射元件包含反射涂层。提供反射涂层的材料可以是金属层(如金、银或铜)。金属将在由金属的物理性质所规定的波长范围内表现出适当的低折射率；比如由伦敦E.D.PalikAcademic Press1998年出版的“光学常数手册”(“the handbook ofoptical constants”by E.D.Palik，Academic Press，London，1998)这样的标准教科书提供了有关各种材料的波长相关折射率的精确数据。更具体地说，在大约500nm至2.2μm的波长范围内，金的折射率小于空气的折射率；这包含了1400nm至1600nm的重要的远程通信波段范围内的波长。在560nm至2200nm的波长范围内，铜表现为折射率小于1；而在320nm至2480nm的波长范围内，银具有相似的折射率。
可利用本领域技术人员已知的各种技术进行金属层的淀积。这些技术包括溅射、蒸发、化学汽相淀积(CVD)以及电镀或非电镀覆。CVD和镀覆技术使金属层在不明显与方向相关厚度变化的情形下被淀积。将试样和/或源旋转的溅射还可提供更平坦的涂层。当允许采用批(即多衬底并行)处理时，镀覆技术尤其有利。更具体地说，优选非电镀覆以达到良好的一致性。
本领域技术人员将认识到：可在金属层淀积之前先淀积黏附层和/或扩散阻挡层。例如，在金的淀积之前先提供铬或钛金属层作为黏附层。扩散阻挡层(如铂)还可在金淀积之前先被淀积。另外，也可使用组合的黏附与扩散层(如氮化钛、钛钨合金或绝缘层)。
反射涂层还可由包含任何一层或多层的金属、电介质或半导体的叠层(例如电介质叠层或金属-电介质叠层)提供。任何多重叠层的反射特性也可在某种程度上依赖于在其上淀积的材料的特性。因此，衬底材料也可形成衬底层并且成为任何这种多重叠层的一部分。
在电介质叠层的场合，本领域技术人员会认识到：电介质层的光学厚度提供了确定涂层反射特性的干涉作用。可通过CVD或溅射或反应溅射来淀积电介质材料。另外，也可通过与已淀积的金属层的化学反应来形成电介质层。例如，银金属层可经过化学反应生成卤化银表面薄层。
如果设置反射涂层，则可用来形成衬底的材料种类就大大增加。例如，可通过包括热模压印浮雕图案或热压铸的技术来制作塑料波导装置。这些技术包括形成原版(master)。原版可用深度干法蚀刻在半导体材料(如硅)中形成。另外，原版可用LIGA或UV LIGA技术由电淀积层构成。一旦原版形成，则空芯波导可通过压印(即压制)或热印在塑料衬底内形成。原版还可制成适合于构成副原版，所述副原版可用来在塑料衬底内形成空芯波导。空芯塑料波导可如此制成并被涂敷反射涂层。具有反射涂层的塑料空芯波导还可由塑料或聚合物构成。例如，可利用在“自旋”聚合物涂层(例如Microchem.公司可提供的SU8)上进行光刻来形成空芯波导。
其优点在于，反射元件可包含至少一个可变形反射镜。反射镜的变形可被用来改变反射镜表面相对于第一和第二空芯光波导中至少一个的角取向。反射镜的变形可被用来改变其焦距和/或用来相对于第二空芯光波导横向移动反射光束。
其优点在于，设有至少一个具有固定角取向的附加反射元件；光束于是从至少一个可移动反射元件和附加反射元件这二者反射。附加反射元件的设置使各种光路得以实现。例如，在下面图2中所描述类型的光路可得以实现，其中并行的第一和第二光波导在共同的衬底上形成。耦合单元还可包含附加的光学元件(如透镜、光纤等)。
其便利之处在于，进一步设置空芯光波导以使光(即光束)基本上从第一光波导引导至第二光波导。换句话说，该装置配置成使得光束基本上被引导穿过整个VOA装置。这一点优于现有技术的、具有自由空间间隙的装置，因为在空芯波导内的第一和第二光波导之间引导光束减少了来自自由空间色散的不必要的光束衰减。当与色散效应相应较大的小直径光束一起使用时，该装置尤其有利。
最好将第一光波导布置成将以基模传播的辐射引导至耦合单元。例如，可为第一光波导设定尺寸以此优先以基模传播辐射(即高次模被波导高度衰减)。另外，第一光波导也可支持多模，但是光束以只激励基模的方式耦合到第一光波导。
其优点在于，为第二光波导设定尺寸以优选地支持基模传播；换句话说，波导配置成对高次模具有高衰减系数。在一种这样的装置中，射向第二光波导的光束将(i)耦合进波导的基模；(ii)被耦合进波导的高次模因此被衰减；或者(iii)被从波导反射掉。通过改变光束入射到第二光波导的进入孔上的角度(即通过改变可移动反射元件的角取向)来控制耦合进波导的基模的光量。
另外，也可有利地为第二光波导设定尺寸以支持多重光学模式的传播(即配置成对于两个或多个光学模式具有低衰减系数)。在这种场合，反射元件的角取向还是控制了耦合进第二光波导的基模的光量。未被耦合进第二光波导的基模的光束，不是被耦合进波导的高次模就是被从波导反射掉。通过将第二(多模)光波导耦合进单模波导(如单模光纤)可实现衰减。只有以基模传播的辐射随后将在单模光纤中无明显衰减地进行传播。任何高次模中的功率或者将在第二光波导中被耗散(即未进入单模光纤)，或者在单模光纤中被衰减。
本发明的VOA装置也可配置成可在多模光纤***中工作。在一种这样的布置中，第二光波导配置成能够传播比所耦合的输出多模光纤更高次的模。例如，第二空芯光波导可配置成以N重模式传播光束，而相关的输出多模光纤配置成以M重模式传播光束。如果M小于N，则在第二空芯光波导内、以比M高的模式传播的任何光功率将不被耦合进输出多模光纤(和/或将被输出多模光纤高度衰减)，并且那里所包含的功率将因此被耗散。
这样，可移动反射元件的角取向变化使包含在比M高的模式中的光功率可控，从而控制由该装置所给予的衰减。如果M小于或等于N，则衰减还可通过使反射元件的角取向改变至足以控制被耦合进第二光波导的总光量来完成。这个所谓的孔径效应使不进入第二空芯光波导的光量可得到控制。
第一光波导和/或第二光波导可有利地包含楔形波导部分。换句话说，空芯光波导的截面尺寸沿波导长度变化。这将使比如第二光波导的入口孔的截面尺寸不同于将辐射耦合进输出光纤的第二光波导的部分。正如下面所描述的，波导的尺寸改变了具有已知的横向或角失准的光束的耦合效率。因此，楔形波导可针对给定的角失准对装置的衰减进行控制。
其优点在于，所述装置的空芯光波导(例如第一光波导和/或第二光波导)具有基本为矩形(这里包括正方形)的截面。正方形、或几乎正方形截面的空芯波导提供了其中的损耗基本上与偏振无关的波导并且当光束的偏振状态是未知或变化时被优选。其深度大于宽度的波导的尺寸设定会增加偏振相关损耗，但是当在波导中传播的光束的偏振状态已知时这可能是有利的。尽管矩形截面波导是有利的，但是还有许多可选的波导形状可供利用。例如，可设置圆形的、椭圆形的、菱形的或V型的波导。
空芯波导(例如第一光波导和/或第二光波导)的内部表面可便利地包含反射涂层。涂敷在空芯波导内部表面的反射涂层可以是金属或者电介质和/或金属和/或上述类型半导体的叠层。涂敷在空芯波导内部表面的任何涂层与涂敷在反射元件上的任何涂层可以是相同的或者是不同的。
其优点在于，设有第一光纤接合部件来使输入光纤保持对准，输入光纤配置成可将光束耦合进第一光波导。也可便利地设置第二光纤接合部件来使输出光纤保持对准，输出光纤配置成可从第二光波导接收光束。
光纤接合部件可包含在所述装置中形成的对准槽，该对准槽配置成可将光纤固定在适当的位置，从而可实现至所述装置的第一和/或第二光波导的光连接。在实芯光纤的场合，可设置阶梯式光纤对准槽来保持缓冲层或包层。比如也可通过用弹簧夹或微型夹将光纤包层固定在对准槽上，实现具有VOA空芯波导的空芯光纤芯部的对准。当空气芯到空气芯的连接不含任何不必要的反射时，空芯光纤的使用将是特别便利。
为了在光纤的芯部和第一和/或第二光波导之间提供有效的耦合，空芯波导截面应当是适合于光纤芯部的截面。在实芯光纤的场合，泄漏进包层意味着由光纤传送的模式宽度实际上大于芯部直径；例如，通常单模玻璃光纤的10μm实芯具有约为14μm直径的总场宽(field width)。如果光纤的模式宽度不同于空芯波导，则可使用带有透镜的光纤以使光场适当扩张或缩减，以使光束被耦合进/出具有芯部尺寸不同于空芯波导的光纤。另外，也可在衬底内设置分立透镜(如球形或GRIN棒形等)，用来根据需要从光纤端开始缩减/扩张光场。实芯光纤的光纤端还可以涂有减反射层，以减少光学损耗。
其优点在于，第二光纤接合部件配置成可接收单模光纤。这样，如上所述，如果第二光波导的设定尺寸可支持多模传播，则可移动反射元件的角移动改变光束被耦合的模式。基模的光束被有效地耦合进单模光纤的基模；高次模在第二光波导中和/或在单模光纤内耗散。
所述装置可有利地包含光束收集单元。例如，圆形或螺旋形空芯波导结构可用来处理未被耦合进第二光波导的废光。这减少了因废光的多重反射引入噪声的可能性。
其优点在于，所述装置在包含半导体材料的衬底上构成。可采用微制造技术蚀刻半导体衬底(如硅)以提供高精度的空芯波导。所述衬底可有利地包含多层晶片；如SiGe或绝缘体基硅(SOI)或玻璃基硅。本领域技术人员会认识到：微制造技术通常包括确定图案的光刻，随后是蚀刻步骤以将图案迁移至衬底材料上/内的一层或多层。光刻步骤可包括光蚀刻、x-射线或电子束光刻。光刻步骤可利用离子束加工、化学蚀刻、等离子干法蚀刻或干法深蚀刻(还被称作硅深蚀刻)进行。这类微制造技术还可与各种层淀积技术(如溅射、CVD和电镀)相配合。
尽管包含半导体材料的衬底可有利地使用，所述装置还可在各种可选用的衬底上形成。例如，可使用石英、硅或玻璃。其便利之处在于，本发明使用的衬底可以很容易使半导体处理技术得以应用。应当注意的是：尽管按定义半导体处理技术被开发用于半导体衬底，但是这些技术也可有利地用于不需要衬底的半导体特性的某些非半导体衬底。
该装置最好是在绝缘体基硅(SOI)晶片上形成。应当注意的是：在某些半导体材料(包括硅)的场合，光束可以从与定义晶片表面的平面平行或垂直(即穿过晶片)的方向上的VOA光波导输入和/或输出。
其便利之处在于，设有底部和盖部以形成装置的空芯波导结构。这种配置提供了形成空芯波导的便利手段，并在PCT专利申请GB2003/000331中有详细描述。其优点在于，通过微制造技术(如深度反应离子蚀刻)制成该装置。空芯光波导最好在衬底平面上形成，即它们配置成可在基本与衬底平面平行的平面上引导光束。
现在，仅通过举例的方式并参考下列附图对本发明进行描述，其中：
图1表示现有技术的基于光纤的VOA；
图2表示本发明的VOA，
图3表示作为偏斜角的函数的、光束进入多模波导的耦合效率；
图4表示本发明的另一个带有光束收集器的VOA；
图5表示本发明的另一个带有楔形输入和输出波导的VOA；
图6表示本发明的另一个包含单个反射镜的VOA；
图7是表示本发明的另一个VOA，其中空芯波导引导光束穿过装置；
图8是表示在VOA的全空芯波导装置中的反射元件的放大图；
图9说明本发明如何利用所谓的再次成像效应；以及
图10是表示本发明的另一种光学配置。
参看图1，其中示出了现有技术的VOA2。VOA2包含输入光纤4、输出光纤6和安装在机械执行单元10上的反射表面8。在使用过程中，来自输入光线4的辐射入射到反射表面8上，经反射后被输出光纤6接收。通过将适当的控制信号加到执行单元8使反射表面8倾斜，可改变被耦合进输出光纤6的反射光量。这样，就实现了可变的光衰减。
正如上面所描述的，这种类型的配置要求光纤和反射表面的精确对准。获得这种对准并确保其在VOA的使用寿命期间被维持是复杂而昂贵的。
图2表示本发明的VOA20。VOA20包含绝缘体基硅(SOI)衬底22，第一空芯光波导24和第二空芯光波导26在该衬底上形成。还提供了盖部(图中未示出)，并且在第一和第二空芯光波导的通道在其中形成后将盖部附在SOI衬底22上。
为第一和第二空芯光波导24、26设定尺寸以支持多模传播，并且第一和第二空芯光波导24、26配置成沿着衬底彼此平行。第一实芯基模光纤(图中未示出)可连同球形或GRIN透镜一起用来使光束耦合进第一空芯光波导24的基模。该光束接着离开第一空芯光波导24并从旋转反射镜28和固定反射镜30反射后又被耦合进第二空芯光波导26。
反射镜28的旋转(即所谓的偏斜角变化)改变了被耦合进可在第二(多模)空芯光波导中被激励的各模式的相对功率。反射镜28的适当的角对准允许所有的光功率被耦合进基模，然而任何角失准将导致光功率被耦合进各种高次模。
第二实芯基模光纤(图中未示出)用来接收在第二光波导中传播的光束。然而，光束将只是有效地从第二光波导的基模耦合进基模光纤；高次模或是未被耦合进基模光纤，或是在光纤中被高度衰减，以使其中包含的光功率在装置内耗散。这样，可以看出：控制耦合进第二空芯光波导的基模的光量提供了对在第二基模光纤中传播的光功率的控制。换句话说，反射镜28的角取向变化控制了由所述装置给予的光束衰减。
包含有交叉指型电极元件29的弯曲梳齿形静电配置，提供了反射镜28围绕支点31的旋转。尽管示出了中心支点，但是该支点可位于沿反射镜上的任意点。同样地，所放置的执行机构可在沿反射镜上的任意点起作用。本领域技术人员会认识到：大量可选类型的微电子机械加工***(MEMS)元件可用来提供必需的移动。例如，MEMS执行元件可以是电磁的、双压电晶片的、压电的或电热的MEMS执行机构(例如弯曲光束配置)。有关MEMS装置执行机构的细节和相关的制作技术可在由CRC Press(Boca Raton)在1997年出版的MarcMadou的“微制造基础”(ISBN0-8493-9451-1)中找到。
在图3中，耦合进多模空芯波导的各种模式的功率耦合效率作为角失准(θ)的函数示出。曲线32表示被耦合进基模的功率，而曲线34表示被耦合进高次模的光功率。因此可以看到：改变角失准(如通过旋转反射镜28)使耦合进波导基模的光束比例被精确控制。进一步增加角失准或者引入光束的横向位移还将使耦合进光纤所有模式的总的光功率减少(即光束的反射偏离第二空芯光波导)。
图4表示本发明的可选用VOA装置40。使用共同的附图标记表示与图2所描述的相似的特征。VOA 40包含第一空芯光波导24，来自第一空芯光波导24的光束由可旋转反射镜28和固定反射镜30反射后耦合进第二空芯光波导42。第二空芯光波导42包含直线空芯波导部分44和空芯光束收集波导部分46。
在使用中，可旋转反射镜28的旋转被用来改变光束至第二空芯光波导直线部分44的角失准。在装置40中，未被耦合进第二空芯光波导直线部分44的基模的大部分光功率，被耦合进光束收集波导部分46。
图5表示本发明另一个可选用VOA装置50，使用共同的附图标记表示与参考图2和4所描述的相似的特征。VOA 50包含第一楔形空芯光波导52，来自第一楔形空芯光波导52的光束从可旋转反射镜28和固定反射镜30反射后，被耦合进第二楔形空芯光波导54。
减少的第二楔形空芯光波导54入口的截面尺寸降低了角失准灵敏度，但是增加了横向对准灵敏度。换句话说，采用较小的波导入口，可提供对于因反射镜28的旋转导致的角失准的给定改变具有减少的光束衰减量的VOA。因此可以看到：可通过空芯波导尺寸的选择来选定对于给定反射镜旋转产生的衰减量。
应当注意：尽管上面图2和5所描述的光学配置表示利用两个反射镜(其中之一固定)使光束路径改变180°，但是使用单个旋转反射镜或附加反射镜可获得类似的效果。换句话说，本领域技术人员会了解到：许多光学配置可被用来实现本发明。
图6说明了通过唯一的可旋转反射镜82的反射、光束如何能从第一空芯光波导80耦合至第二空芯光波导82。此例中，第一和第二空芯光波导彼此垂直放置。还应当注意：约90°的反射不是必要的，光束可用任何所需的入射角射向反射镜。
图7示出了硅衬底92上形成的另一个VOA装置90。VOA 90包含第一和第二空芯光波导94、96。来自输入光纤98的光束经由球形透镜100耦合至第一光波导94的基模。该光束接着由固定的单体反射镜102反射并沿空芯光波导104的另一部分射向可旋转反射镜106。以上述方式，反射镜106的旋转被用来控制耦合进第二空芯光波导96的基模的光量。来自第二空芯光波导的基模的光束接着经由第二球形透镜110耦合进单模输出光纤108。
空芯光波导的另一部分104的加入确保了与光束的自由空间传播相关联的任何光损耗的减少。此外，在单个衬底上形成的波导和反射镜，增加了能获得的对准精度。VOA 90还可在单个衬底上结合其它光学元件(如激光器、波长滤波器等)，以形成更高复杂度的平面光波导光路。
应当注意：需要用来改变光衰减的实际反射镜移动实际上非常小。参考图8对移动量进行说明。
图8表示第一光波导120通过可移动反射镜124连接到垂直方向的第二波导122。如图3所示，断开角(即当无光束被耦合进第二波导的基模时的角度)由2λ/W给出。因此，针对W＝100μm的波导宽度和1μm光束波长，只需要将反射镜的角度改变20毫弧度以提供全衰减。
简单的几何关系允许将所要求的反射镜长度(L)估计为波导宽度(W)的至少倍。因此，对于全衰减光束所必需的反射镜末端的必要位移量仅通过xλ给出。这假定了反射镜为乘以波导宽度(W)并且配置成在其中心安装支点。因此，对于波长为1μm的光束来说，反射镜末端只需要移动大约1.4μm。
VOA也可配置成使得从输入光纤注入空芯波导的输入光束的“再次成像”在输出光纤的入口附近发生。再次成像现象在别处(如PCT专利申请GB2003/000331)被详细描述。简而言之，可形成其上连接了光纤的空芯光波导结构，以作为多模波导。通过适当设定多模波导的尺寸，可产生各种光束分离和组合功能，其中可产生成为输入光束图像的光束。
更具体地说，通过将波导的长度设计成与其宽度和深度具有适当的关系，所设计的矩形或正方形截面的空芯多模波导可提供对称、反对称或不对称光场的再次成像。换句话说，输入光束的高斯输入轮廓在沿已知波导传播一定距离之后被再次成像(即重现)。这种效果还产生了光束复制(beam replication)，即在比再次成像的长度短的距离上形成光束的多重图像。这种效果在US5410625中有过描述，它提供了多模干涉(MMI)光分离器的基础。
作为一例，在正方形截面波导中的对称视场的再次成像长度由“传播辐射的波长分之波导宽度的平方”给出。对称视场的再次成像在再次成像长度和再次成像长度的若干倍处发生。在再次成像点中间，可找到光束复制点和最大视场扩张点。
针对50.0μm宽的空芯波导和1.55μm辐射的情形，再次成像长度因此为1.613mm。对称视场在这个长度并且还在这个长度的整数倍处(即3.23mm、4.84mm等)被再次成像。例如，来自单模光纤的TEM00高斯输入光束在1.613mm的距离处可被再次成像。
另一方面，对于非对称视场的情形，再次成像发生在8倍于对称视场再次成像所需的长度处(即对于50μm宽的空芯波导为12.09mm)。非对称视场的反射镜图像在该长度的一半处(即6.05mm)形成。更具体地说，将输入偏离多模区的中心线即可提供这样的非对称输入，该输入沿导向装置中心线两侧以相等的偏移量在预定距离处再次成像。
在波导的深度和宽度基本不同的矩形波导的例中，与两个波导截面尺寸(如深度和宽度)关联的再次成像长度本身是不同的。然而，通过将矩形空芯波导尺寸之间的关系配置成使得对于特定宽度和深度在同一长度处产生再次成像，任何视场都可被再次成像。于是，通过将与宽度w1和w2的轴线关联的再次成像长度配置成相同的，对称视场可在空芯矩形波导内被再次成像。
图8示出了第一点126通过某个光路长度与第二点128分离。如果选择的该光路长度是再次成像距离的倍数(比如说N倍于再次成像距离，其中的N为整数)，则在第一点126的对称视场将在第二点128处被复制。这使得来自光纤端在第一点126处的单模光纤的TEM00高斯输入光束在第二点128处被复制。如果输出单模光纤的末端位于第二点，则复制高斯光束将被有效地耦合进输出光纤。这种配置因此消除了用透镜光纤或分离透镜使光纤和空芯波导匹配的需求。
图9表示再次成像效应如何也可被用于本发明的VOA，其中光束通过自由空间区域传送。图9的VOA包含第一空芯光波导140和第二空芯光波导142。所提供的可移动反射镜144和固定位置反射镜146使来自第一空芯波导的光束耦合进第二空芯波导。
已经发现：虽然再次成像效应是以多重导模的干涉为基础，但是所述装置可配置成可得益于再次成像效应，尽管在穿过装置的光路内含有小的自由空间。图9显示了具有这样的光路的装置，在该光路的第一点d1处TEM00高斯光束在第一空芯波导140内形成。光纤端可位于d1或者可被放置到远离d1的、多倍于再次成像距离处，以致再次成像光束在d1处形成。第三点d3和第一点d1之间的光路长度配置成等于再次成像距离。
当光束收敛于或发散自再成像点时，有一段短距离上没有同波导壁的相互作用(即没有从波导壁的反射)。换句话说，在再次成像点的两侧一定距离内不必有引导。可以证明：再次成像点两侧的这种“无引导”长度(zc)近似由下式给出：
Z c = π ( 0.7 w ) 2 4 λ · · · ( 1 )
其中λ为光束的波长，w是多模波导宽度(即第一和第二空芯光波导的宽度)。
第二点d2位于无引导长度(zc)上并远离第三(再次成像)点d3。因此，如此配置以从第一空芯光波导到第二空芯光波导的自由空间传播对再次成像现象没有任何不良影响。多个再次成像点将因此还沿第二波导、在离开点d3为多倍的再次成像长度处形成。光束可以在这些再次成像点的任意点上以最小的光损耗很容易地耦合进光纤。
参见图10，说明另一个VOA。该VOA包含衬底198，其中第一光波导200借助于可平移反射镜204光耦合进第二光波导202。反射镜204配置成可在箭头206表示的方向上从所显示的无偏移位置移至全偏移位置204′。
第一再次成像点位于位置208，并且反射镜表面(当反射镜位于无偏移位置时)位于远离位置208的1倍于再次成像距离处。因此，光束按照上述的方式从第一光波导200被有效地耦合至第二光波导202。
反射镜204从无偏移位置移向位置204′造成入射到第二光波导202的光束的横向位移。此外，与再次成像效应关联的增加的耦合效率也被降低，也就是说，在入口孔径附近光束也被加宽了。当反射镜在方向206上被移动时，光学耦合效率被降低。因此可以看到：反射元件的横向位移可提供与上述的反射元件角位移所提供的相类似的VOA功能。总之，反射元件的角度和/或横向移动可提供具有上述各种优点的VOA。

Claims (29)

1.一种可调光衰减器装置，包含第一光波导、第二光波导和至少一个可移动反射元件，所述可移动反射元件具有相对于所述第一和第二光波导中至少一个的可调取向，其中：所述装置配置成在使用中第一光波导的光束输出从所述至少一个可移动反射元件反射、且所述至少一个可移动反射元件的取向确定了光束耦合进第二光波导的效率，其特征在于，所述第一和第二光波导是空芯光波导。
2.如权利要求1所述的装置，其中：所述至少一个可移动反射元件具有一个相对于所述第一和第二光波导中至少一个的可控角对准。
3.如权利要求2所述的装置，配置成在使用中所述可移动反射元件角取向的改变基本上不产生所述光束相对于所述第二空芯光波导的横向位移。
4.如权利要求1所述的装置，其中：所述至少一个可移动反射元件具有一个相对于所述第一和第二光波导中至少一个的可控位置。
5.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述第一和第二空芯光波导在共用衬底上形成。
6.如权利要求5所述的装置，其中：所述可移动反射元件包括在所述共用衬底上形成的微电子机械***(MEMS)元件。
7.如权利要求5所述的装置，其中：所述可移动反射元件包括接合在所述共用衬底上的混合MEMS元件。
8.如权利要求7所述的装置，其中：所述可移动反射元件在所述共用衬底上形成的对准槽内被保持对准。
9.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述可移动反射元件包含反射涂层。
10.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述可移动反射元件具有弯曲的反射表面。
11.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述可移动反射元件包含至少一个可变形反射镜。
12.如前面任一权利要求所述的装置，还包含至少一个具有固定取向的附加反射元件，其中：在使用中光束从所述至少一个附加反射元件和所述至少一个可移动反射元件这二者反射。
13.如前面任一权利要求所述的装置，其中：还设有一些空芯光波导，将光束从所述第一光波导基本上引导到所述第二光波导。
14.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述第一光波导配置成优先引导以基模传播的辐射。
15.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述第二光波导尺寸设定成优先支持以基模进行的辐射传播。
16.如权利要求1至14中任一项所述的装置，其中：所述第二光波导的尺寸设定成支持多重光学模式传播。
17.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述第一光波导和/或所述第二光波导包含楔形部分。
18.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述第一光波导和/或所述第二光波导基本上为矩形截面。
19.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述第一光波导和/或所述第二光波导的内表面有反射涂层。
20.如前面任一权利要求所述的装置，其中：设有第一光纤接合部件来保持输入光纤的对准，所述输入光纤配置成将光束耦合进所述第一光波导。
21.如前面任一权利要求所述的装置，其中：设有第二光纤接合部件来保持输出光纤的对准，所述输出光纤配置成接收来自所述第二光波导的光束。
22.如权利要求21所述的装置，其中：所述第二光纤接合部件配置成可接纳单模光纤。
23.如前面任一权利要求所述的装置，还包含一个光束收集器。
24.如前面任一权利要求所述的装置，所述装置在包含半导体材料的衬底上形成。
25.如权利要求22所述的装置，其中：所述衬底包括绝缘体基硅(SOI)晶片。
26.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述第一和第二光波导的空芯由底部和盖部构成。
27.如前面任一权利要求所述的装置，通过微制造技术形成。
28.如权利要求27所述的装置，其中：所述微制造技术包括深度反应性离子蚀刻。
29.如前面任一权利要求所述的装置，其中：所述空芯光波导配置成可在与所述衬底平面基本上平行的平面上引导光束。
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