[发明专利]多模可变光衰减器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。