專利名稱：抗偏振相關損耗光束交換的制作方法
技術領域：
本發明涉及光通信系統領域，尤其涉及用于抗偏振相關損耗(PDL)光束交換的方法和光學器件。
背景技術：
在光波分復用(WDM)通信系統中，單個光波導根據不同波長同時傳遞許多不同的通信信道。一般說來，每一個通信信道都有一個標準的中心波長，并且為網絡定義信道間隔或間距。信道的間隔越窄，就有越多的信道數能夠在網絡的一根光纖中傳輸。國際電信聯盟提出的密集波分復用(DWDM)網絡標準的光信道的頻率間隔為25、50和100GHz(分別相當于約為0.2、0.4和0.8納米的波長間隔)，甚至更窄的頻率間隔。因此，對密集波分復用網絡的性能要求(如帶寬、串話、偏振相關損耗、偏振模式色散和插損)就變得更為苛刻。
遺憾的是，用于密集波分復用通信系統中的許多光學元件都具有偏振敏感性。例如，用于美國專利申請20020067887和2002009257號(專利律師文件號10-510)中所述的動態增益均衡器(DGE)、可配置光上/下路復用器(COADM)及波長阻截器(WB)的衍射光柵通常都有偏振敏感性。因此，在這些和其它設計中，都包括一個提供帶有預定偏振光的前端單元。一般來說，前端單元包括一個或多個偏振分束器及一塊或多塊半波片。偏振分束器將一束輸入光信號分成兩束具有相互垂直偏振的子光束，而半波片改變子光束中至少一束光的偏振，以使兩束子光束具有相同的偏振態。偏振分束器的一個不足之處是，它們通常在兩個空間分離的子光束之間引入光路長度差，從而引起偏振模式色散(PMD)。
除了前端單元，這些設計還包括液晶(LC)陣列或微電機系統(MEMS)陣列。由于液晶和微電機系統陣列能夠同時相互獨立地改變/交換空間分離的光信號，而且因為這些陣列體積小、功耗低、可以低成本地批量生產，所以在光通信系統中起著重要作用。遺憾的是，液晶和微電機系統元件通常會出現局部空間依賴性。例如，由液晶調制器的可尋址區域提供的延遲在整個區域并不均勻，而每個反射微電機系統元件常會在其外部區域產生不必要的彎曲。由于上述陣列的每一個元件對每一束發射到陣列上的子光束均呈現性能差異，每束子光束通常就會在不同程度上受到改變。這就會引起偏振相關損耗。
本發明的一個目的就是要提供一種可以同時減少或避免偏振模式色散和偏振相關損耗的方法和器件。
本發明的另一個目的就是要提供一種對傳播通過其中的兩束分離子光束具有相同光路長度的光學器件。
本發明的另一個目的是要提供一種光學器件，該器件針對傳播通過其中的兩束分離子光束使用微電機系統、液晶或其它調制器的相同區域。
發明內容
本發明涉及一種方法和設備，這種方法和設備可以減少或消除用散極化單元產生兩束具有相同偏振態的空間分離光束的光學元件中的偏振相關損耗和偏振模式色散。尤其是本發明涉及一種采用一個用來接收兩束子光束并將這兩束光導向一個調制器的一個相同重疊區域，使其被調節并被反射回散極化單元的光束交換元件的方法和設備。這種光束交換元件的設計和位置使兩束子光束在從調制器反射后交換位置。
根據本發明，提供了一種光束交換的方法，其包括以下步驟提供一個輸入光信號；將該輸入光信號空間分離成具有正交偏振態的第一和第二子光束；旋轉第一和第二子光束中至少一個的偏振態，以使第一和第二子光束具有相同的偏振態；將第一子光束導入光束交換元件的第一個表面，將第二子光束導入光束交換元件的第二個表面，第一和第二個表面用來分別將第一和第二子光束指向同一個位置；幾乎在同一個位置改變第一和第二子光束并使它們反向反射，以使第一子光束傳輸到光束交換元件的第二個表面而第二子光束傳輸到光束交換元件的第一個表面；及旋轉傳輸后的第一和第二子光束中至少一束的偏振態，使它們有正交的偏振態并被重新組合起來形成一個輸出光信號。
根據本發明，還提供一個光束交換器件，包括一個用來接收輸入光信號并產生具有相同偏振態的第一和第二子光束的散極化單元；一個用來接收第一和第二子光束并將這兩束光束指向同一點的光束交換元件；一個幾乎位于同一點、用來改變第一和第二束子光束的調制器；及一個用來將兩束改變了的光束反射回散極化單元的反射表面，在散極化單元處，這兩束光束被結合起來形成輸出光信號，其中第一和第二光束沿著對方的光路對向傳播。
根據本發明，還提供一個光交換元件，包括一個用來接收輸入光信號并生成第一和第二子光束的散極化單元；一個用來接收第一和第二束光并將這兩束光導向同一點的光交換元件；一個幾乎置于同一點上、對光學性質具有局部空間依賴性的光學元件；及一個用來接收指向同一點的兩束子光束并將其反射回散極化單元的反射表面。該兩束子光束在散極化單元處被結合起來以形成輸出光信號，其中第一和第二子光束被反射回對方的原光路反向傳播。
根據本發明，還提供了一個光學器件，包括用來從單個輸入光束提供第一和第二空間分離的光束的散極化單元；用來接收第一和第二光束及將它們導回到散極化元件的反射元件，在散極化元件處這兩束光被重新結合成單個輸出信號；及光路上置于散極化元件和反射元件之間、用來使第一和第二子光束在被反射元件反射時進行光路交換的光束交換元件。
提供一種光束交換元件的優點是使每束由雙折射晶體生成的子光束在模塊中沿著對方的光路輸出，以將每一束光經歷的延遲差和/或光程差減到最小。
本發明的具體實施例將結合下面所附的圖示來說明，圖中相同的數字代表相應的元件，其中圖1為現有技術的可調光學衰減器的示意圖；圖2為現有技術中減少了偏振模式色散的可調光學衰減器的示意圖；圖3是一種根據本發明的使用一個屋脊棱鏡的可調光學衰減器的示意圖；圖4是一種根據本發明的使用另一個屋脊棱鏡的可調光學衰減器的示意圖；圖5是一種根據本發明的使用一個分束鏡的可調光學衰減器的示意圖；圖6是根據本發明使用一個光交換透鏡的可調光學衰減器的示意圖；圖7是根據本發明使用一個光束交換凹透鏡的可調光學衰減器的示意圖；圖8是根據本發明的另一個使用分束鏡的可調光學衰減器的示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種用于光束交換的方法和光學器件，以使從偏振分束器傳輸的兩束子光束在被從一個反射面反射后“交換”位置(如交換光路)，這樣它們在偏振分束器處被再次結合之前經過的光路長和光學環境都相同。
圖1所示的是現有技術中一種折疊的可調光學衰減器的示意圖。衰減器10包括一個散極化單元20，一個液晶調制器30和一個反射器40。散極化單元20包括一個微型透鏡22，一個雙折射晶體24，如金紅石，和一個半波片26。液晶調制器30是一種螺旋向列，向列或其它液晶透射陣列。通常，一個光環行器(沒有圖示)被耦合到光纖5以將輸入和輸出信號分開。
在工作時，發射自光纖5的光信號被微型透鏡22準直并被發射到雙折射晶體24，在此正交分量被分開。尤其是，雙折射晶體24偏離其中一個分量，以產生具有正交偏振態的兩個子光束。半波片26旋轉其中一束光(如非常光)的偏振，以確保這兩束子光束具有相同的偏振態。這兩束子光束都沿著平行的光路傳播，直到到達液晶調制器30，在調制器30處，這兩束光通過相同或不同的可尋址區域(或單元)，并被反射離開反射器40。特別是，每一束子光束均被回射離開反射器，這樣這些光束就沿著相同的光路回到散極化單元20。當一個電壓加到液晶調制器30上，使單元的凈功能為一個零波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態平行，這兩束子光束在散極化單元20處被再結合后通過光纖5被輸出。當一個電壓加到液晶調制器30上，使單元的凈功能為一個半波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態正交，使這兩束子光束被有效地阻止經過光纖5。如果將一個電壓加到液晶調制器30上，使單元的凈功能介于零波片和半波片之間，就能得到光信號的可變衰減。
值得注意的是，這種光學衰減器將會有很大的偏振相關損耗和偏振模式色散。關于后者，很明顯異常子光束經過雙折射晶體26要比正常子光束花更多的時間，因此，在兩束子光束間將會產生一個光程長差。關于前者，很顯然即使兩子光束通過調制器中相同的可尋址區域(如單元)，每一束子光束將通過可尋址區域中的不同地方。由于每個可尋址區域一般會有性能波動和/或非均一性，兩束子光束的偏振態并不會被變得完全相同，這就引起了偏振相關損耗。
圖2所示的是現有技術中另一個折疊的可調光學衰減器的示意圖。衰減器50包括一個準直/聚焦透鏡60，一個散極化單元70，和一個液晶調制器80。散極化單元70包括第一個雙折射晶體72，如金紅石，第一個半波片74，第二個雙折射晶體76，如金紅石，和第二個半波片78。如果需要還可以配上一個玻璃片79。液晶調制器80包括一個透明基片82，一模式可導層84，一種液晶85，如一種向列型，一個反射電極86，和一個背向基片88。最好是，準直層(沒有圖示)被置于電極84、86之上，如果需要可在這兩者之間加一層隔離層(沒有圖示)。也可以將一個環行器(沒有圖示)耦合到光纖55以便將輸入和輸出信號分開。
在工作中，來自光纖55的光信號被透鏡60準直，并被發射到第一個雙折射晶體72，在72處正交的分量被分開。特別是，雙折射晶體72偏離其中的一個分量，以生成具有正交偏振態的兩束子光束。這兩束子光束都被發射透過第一個半波片74，在74處兩束子光束的偏振態都被改變并被發射進入第二個雙折射晶體76。由于兩束子光束都經過半波片74，它們互換了軸離特性。因此，直線穿過第一個雙折射晶體72的子光束將會在第二個雙折射晶體76中被軸離，而在第一個雙折射晶體72中被軸離的子光束將會直線穿過第二個雙折射晶體76。第二個半波片78旋轉其中一束光(如異常光)的偏振態以確保兩束子光束具有相同的偏振態。這兩束子光沿著平行的光路傳播直到它們到達液晶調制器80，在調制器80處這兩束光通過相同或不同的可尋址區域(或單元)，并被向后反射離開反射電極86。特別是，每一束子光束被后向反射離開電極86，這樣這些光束就沿著與到調制器80相同的光路回到散極化單元70。當單元的凈功能是一個零波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態平行，使兩束子光束在散極化單元70處被再結合后通過光纖55被輸出。如果給液晶調制器80通入一個電壓，使單元的凈功能為一個半波片，從單元出射的被反射的子光束的偏振態則與入射光的偏振態正交，使兩束子光束被有效地阻止通過光纖55。如果給液晶調制器80通入一個電壓，使單元的凈功能介于零波片與半波片之間，就得到了光信號的可變衰減。
由于這種排列使得兩束子光束經過雙折射材料的光路幾乎相同，與圖1中的衰減器相比，這里的偏振模式色散被減少了。不過，由于這兩束子光束仍然經過液晶單元的不同區域，所以偏振相關損耗仍然是一個問題。
圖3所示的是根據本發明的一個實施例的一種折疊可調光學衰減器的示意圖。衰減器350包括一個準直/聚焦透鏡360，一個散極化單元370，一個液晶調制器380和一個透明棱鏡390。散極化單元370和液晶調制器380與圖2中所示的散極化單元70和液晶調制器80分別相同。本實施例中所示的棱鏡390是一種屋脊棱鏡，棱鏡390經過設計和放置，使兩束子光束被導入液晶調制器380中相同的重疊的區域，并使每一束子光束被向后反射到另一個子光束向前傳播的光路。如果需要，可以將一個環行器(沒有圖示)耦合到光纖355以便將輸入和輸出信號分開。
在工作中，來自光纖355的一個發散光信號被透鏡360準直并被發射到散極化單元370。如圖2所示，散極化單元生成具有相同偏振態的兩束子光束。這兩束子光束沿著平行的光路傳播直到到達棱鏡390。子光束A傳播經過棱鏡390的一半并被改變方向進入液晶單元380的一個中心區域，而子光束B傳播經過棱鏡390的另一半并被改變方向進入液晶單元380的同一個中心區域。每一束子光束被液晶單元380的反射電極向后反射，使得該光束沿著與另一束子光束到達液晶單元380時相同的光路回到散極化單元370。當單元的凈功能是一個零波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態平行，因此這兩束子光束在散極化單元370處被再結合后通過光纖355被輸出。當給液晶調制器390通入一個電壓，單元的凈功能是一個半波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態正交，時這兩束子光束被有效地阻止通過光纖355。如果給液晶調制器380通入一個電壓，單元的凈功能介于一個零波片和半波片之間時，就得到了光信號的可變衰減。
由于這種排列使得兩束子光束經過雙折射晶體的光路相同(即兩束子光束通過相同的光路)，偏振模式色散就被消除。而且，由于兩束子光束經過液晶單元的相同區域，這樣偏振相關損耗也被消除。實際上，系統的缺陷在沒有棱鏡390時產生偏振相關損耗，而在有棱鏡390時僅僅會產生插損，因為兩束子光束都經歷相同的缺陷。
雖然圖3所示的實施例在散極化單元370中包括了兩個金紅石，但這對于本發明來說并不一定是必需的。圖4所示的是根據本發明的一個實施例的一種折疊可調光學衰減器的示意圖。衰減器410包括一個散極化單元420，一個液晶調制器430，和一個透明棱鏡490。散極化單元420包括一個準直透鏡422，一個雙折射晶體424，如金紅石，和一個半波片426。液晶調制器430與圖2所示的液晶調制器80相似。棱鏡490經過設計和放置，使兩束子光束被導入液晶調制器430中相同的重疊區域，并使每一束子光束被向后反射，使其折回到另一子光束向前傳播時的光路。如果需要，可以將一個光環行器(沒有圖示)耦合到光纖405以便將輸入和輸出信號分開。
在工作中，來自光纖405的光信號被透鏡422準直，并被發射到雙折射晶體424，在424處正交的分量被分開。即，雙折射晶體424偏離其中的一個分量，以生成具有正交偏振態的兩束子光束。半波片426旋轉其中一束光(如異常光)的偏振態以確保兩束子光束具有相同的偏振態。這兩束子光束沿著平行的光路傳播，直到它們到達棱鏡490。一束子光束傳播經過棱鏡490的一半并被改變方向進入液晶單元430的一個中心區域，而另一束子光束傳播經過棱鏡490的另一半并被改變方向進入液晶單元430的同一個中心區域。每一束子光束均被液晶單元430的反射電極向后反射，使該光束沿著與另一束子光束到達液晶單元430時相同的光路回到散極化單元420。當單元的凈功能是一個零波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態平行，使兩束子光束在散極化單元420處被再結合后通過光纖405被輸出。當給液晶調制器430通入一個電壓，是單元的凈功能是一個半波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態正交，使這兩束子光束被有效地阻止通過光纖405。如果給液晶調制器430通入一個電壓，使單元的凈功能介于一個零波片和半波片之間，就得到了光信號的可變衰減。
注意，圖4所示的實施例比圖3所示的實施例所需的部件更少而且更簡單。
圖5所示的是根據本發明一個實施例的一種折疊可調光學衰減器示意圖。衰減器510包括一個散極化單元520，一個液晶調制器530，和一個分束鏡590。散極化單元520包括一個準直透鏡522，一個雙折射晶體524，如金紅石，和一個半波片526。液晶調制器530與圖2所示的液晶調制器80相似。分束鏡590經過設計并放置使兩束子光束被導入液晶調制器530中相同的重疊區域，并使每一束子光束被向后反射，折回到另一個子光束向前傳播時的光路。尤其是，分束鏡590包括一個與第二個反射表面594不相互平行的第一個反射表面592。如果需要，可以將一個光環行器(沒有圖示)耦合到光纖505以便將輸入和輸出信號分開。
在工作中，來自光纖505的光信號被透鏡522準直，并被發射到雙折射晶體524，在524處正交的分量被分開。即，雙折射晶體524偏離其中的一個分量，以生成具有正交偏振態的兩束子光束。半波片526旋轉其中一束光(如非常光)的偏振態以確保兩束子光束具有相同的偏振態。這兩束子光束沿著平行的光路傳播直到到達分束鏡590。一束射到反射表面592的子光束被改變方向進入液晶單元530的一個中心區域，而另一束子光束被發射到另一個反射表面594并被改變方向進入液晶單元530的同一個中心區域。每一束子光束在液晶單元530的反射電極被向后反射，使得該光束沿著與另一束子光束到達液晶單元530時相同的光路回到散極化單元520。當單元的凈功能是一個零波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態平行，使這兩束子光束在散極化單元520處被再結合后通過光纖505被輸出。當給液晶調制器530通入一個電壓，使單元的凈功能是一個半波片時，從單元出射的被反射的子光束的偏振態與入射光的偏振態正交，使這兩束子光束被有效地阻止通過光纖505。如果給液晶調制器530通入一個電壓，使單元的凈功能介于一個零波片和半波片之間，就得到了光信號的可變衰減。
圖6所示的是根據本發明一個實施例的一種折疊可調光學衰減器示意圖。衰減器610包括一個散極化單元620，一個液晶調制器630，和一個透鏡690。散極化單元620包括一個準直透鏡622，一個雙折射晶體624，如金紅石，和一個半波片626。液晶調制器630與圖2所示的液晶調制器80相似。透鏡690經過設計和放置，使兩束子光束被導入液晶調制器630中相同的重疊區域，并使每一束子光束被向后反射，并從另一個子光束向前傳播時的光路折回。例如，在一個實施例中，透鏡690是一個球形透鏡。在另一個實施例中，透鏡690是一個柱形透鏡。除了透鏡690具有光功率而屋脊棱鏡490沒有以外，衰減器610的工作原理與圖4中所述的衰減器410的工作原理相同。
圖7所示的是根據本發明一個實施例的一種折疊可調光學衰減器示意圖。衰減器710包括一個散極化單元720，一個液晶調制器730，和一個球形鏡790。散極化單元720包括一個準直透鏡722，一個雙折射晶體724，如金紅石，和一個半波片726。液晶調制器730與圖2所示的液晶調制器80相似。鏡子790經過設計和放置，使兩束子光束被導入液晶調制器730中相同的重疊區域，并使每一束子光束被向后反射，折回到另一個子光束向前傳播使的光路。例如，在一個實施例中，鏡子790是一個球形鏡。在另一個實施例中，鏡子790是一個柱形鏡。除了鏡子790具有光功率而分束鏡590具有特殊的平面反射表面以外，衰減器710的工作原理與圖5中所述的衰減器510的工作原理相同，。
圖8所示的是根據本發明一個實施例的一種折疊可調光學衰減器示意圖。衰減器810包括一個散極化單元820，一個液晶調制器830，和一個分束鏡890。散極化單元820包括一個自聚焦透鏡822，一個偏振分束器824，一個直角棱鏡825，和一個半波片826。液晶調制器830與圖2所示的液晶調制器80相似。鏡子890經過設計和放置，使兩束子光束被導入液晶調制器830中相同的重疊區域，并使每一束子光束被向后反射，折回到另一個子光束向前傳播時的光路。除了偏振分束器824以直角的方式將兩束正交偏振光束分開，而直角棱鏡825使它們相互平行以外，衰減器810的工作原理與圖5中所述的衰減器510的工作原理相同。
本發明以一種可調光學衰減器的描述只是為了用來說明本發明。根據本發明，在許多光學器件中除了其它準直/聚焦/改變光的方向的器件，還包括一個衍射光柵，用來根據波長將每一束子光束分開。例如，可以用一個球形鏡來在散極化單元，衍射光柵和調制器間中繼光信號。因此，本發明也包括其它的光學器件，如動態增益均衡器，可配置光上/下路復用器，波長選擇波長阻截器等。同樣，本發明對液晶調制器的描述也只是為了說明本發明。本發明包括其它的調制陣列，如其它的液晶陣列或微電機系統陣列，還包括其它的散極化單元。更有優勢的是，根據本發明的光束交換鏡、透鏡、棱鏡等可用在多端口光學器件中。
值得注意的是，在圖3、4、5和8所示的實施例中，減小偏振相關損耗的棱鏡/鏡子并不會對器件中其它光學元件提供的準直/聚焦作用產生負面的影響，這也正是這些裝置的優勢所在。
前面對本發明的一些實施例的討論只是本發明的舉例說明。在不脫離下述權利要求書的本發明的精神和范圍內，可以對本發明的實施例進行各種改動、修改及應用。
權利要求
1.一種光束交換的方法，包括以下步驟提供一個輸入光信號；將該輸入光信號空間分離成具有正交偏振態的第一和第二子光束；旋轉第一和第二子光束中至少一個的偏振態，以使第一和第二子光束具有相同的偏振態；將第一子光束導入光束交換元件的第一個表面，將第二子光束導入光束交換元件的第二個表面，第一和第二個表面用來分別將第一和第二子光束指向同一個位置；幾乎在同一個位置改變第一和第二子光束并使它們反向反射，以使第一子光束傳輸到光束交換元件的第二個表面而第二子光束傳輸到光束交換元件的第一個表面；及旋轉傳輸后的第一和第二子光束中至少一束的偏振態，使它們有正交的偏振態并被重新結合起來形成一個輸出光信號。
2.一個光束交換器件，包括一個用來接收輸入光信號并產生具有相同偏振態的第一和第二子光束的散極化單元；一個用來接收第一和第二子光束并將這兩束光束指向同一點的光束交換元件；一個幾乎位于同一點、用來改變第一和第二束子光束的調制器；及一個用來將兩束改變了的光束反射回散極化單元的反射表面，在散極化單元處，這兩束光束被結合起來形成一個輸出光信號，其中第一和第二光束沿著對方的光路對向傳播。
3.根據權利要求2所述的光學器件，其中光束交換元件包括一個透鏡，一個屋脊棱鏡，一個凹鏡和一個分束鏡中的一種。
4.根據權利要求2所述的光學器件，其中散極化單元包括一個透鏡，一個雙折射晶體，一個偏振分束器和一個半波片中的至少一種。
5.根據權利要求2所述的光學器件，其中調制器包括一個微電機系統調制器和一個液晶調制器中的一個。
6.根據權利要求5所述的光學器件，其中反射表面包括一個置于液晶調制器后面的平面鏡，一個液晶調制器的反射電極，一個置于微電機系統調制器后面的平面鏡和一個反射微電機系統元件中的一個。
7.根據權利要求2到6中任意上個所述的光學器件，其中光束交換元件包括一個用來接收第一子光束的第一平面和用來接收第二子光束的第二平面，第一和第二平面相互不平行。
8.根據權利要求7所述的光學器件，其中第一和第二平面是一個透射屋脊棱鏡的角度平面。
9.根據權利要求7所述的光學器件，其中第一和第二平面是一個分束鏡的反射表面。
10.一個光學器件，包括用來從一個單一輸入光束提供第一和第二空間分離的光束的散極化單元；用來接收第一和第二光束及將它們導回到散極化元件的反射元件，在散極化元件處這兩束光被重新結合成單個輸出信號；及光路上置于散極化元件和反射元件間、用來使第一和第二子光束在被反射元件反射時進行光路交換的光束交換元件。
全文摘要
本發明提供了一種光學器件，包括一個用來接收輸入光信號并生成兩束具有相同的偏振態的子光束的散極化單元，一個用來接收第一和第二子光束并將兩束子光束導入一個調制器的相同重疊區域的光束交換元件，和一個用來將兩束子光束反射回散極化單元的反射表面，這兩束子光束在散極化單元被結合起來形成一個輸出光信號。光束交換元件的設計及位置使第一和第二子光束在被反射表面反射后交換位置，并沿著另一束光束的光路輸出。這種光學排列的特點是基本上消除了偏振相關損耗和偏振模式色散。
文檔編號G02B6/34GK1437037SQ02150480
公開日2003年8月20日 申請日期2002年11月14日 優先權日2001年11月14日
發明者約翰·P·莫根, 喬舒亞·菲利普森 申請人:Jds尤尼費斯公司