專利名稱：動態光增益均衡器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖通信領域，具體涉及一種用于補償密集波分復用光纖通信系統中的功率不均衡的動態光增益均衡器。
因特網(Internet)的發展對通信系統的傳輸容量提出了很高的要求，采用時分復用技術來提高通信系統的容量，當傳輸速率達到40Gb/s時，已基本接近了電子器件的速率極限，再進一步提高就很困難。密集波分復用(DWDM-Dense Wavelength Division Multiplexing)成為Tb/s光傳輸的唯一出路，目前新建的干線光纖通信系統都采用了DWDM技術。
在DWDM光傳輸系統中，由于摻鉺光纖放大器(EDFA)、傳輸光纖、光濾波器、色散補償元件等器件的增益或損耗與波長相關，因此通常情況下光傳輸鏈路中各波長信道的功率是不均衡的。盡管在光纖放大器中多采用靜態濾波器來實現增益的平坦化，但殘留的不均衡將隨著級聯鏈路的增加而不斷積累放大；另一方面，隨著DWDM向動態可配置的網絡化方向發展，光網絡中的上下話路、重新配置或網絡恢復等原因，也會使通道之間出現嚴重的不均衡。
光網絡中通道功率的不均衡性會嚴重惡化網絡性能，因此迫切需要發展一種能夠適應光纖鏈路中功率動態變化的增益均衡器——動態增益均衡器(DGE-Dynamic Gain Equalizer)來滿足DWDM光網絡的要求。
經文獻檢索發現美國專利6493502(Dec.10，2002)提出了一種利用波導來實現光功率均衡的技術，即利用波導形成一系列非對稱馬赫澤德干涉器，通過波導的熱光效應改變波導的傳輸常數，使每個馬赫澤德干涉器產生所需的光干涉，經合成后產生所需的衰減譜，從而實現增益均衡。這種方案需要對多個波導同時進行精確控制，技術復雜。由于采用的是熱光效應，所以響應速度較慢，為20-100ms。
美國專利6498872(Dec.24，2002)提出了一種液晶反射光柵技術，其基本工作原理是利用體光柵將輸入光按照一定的光譜分辨率解復用，再運用電控液晶的每個像素旋轉來改變輸入光的衰減量，產生與光波長相關的衰減，從而實現功率均衡。這種方案由于液晶性能受環境溫度的影響較大，所以一般要有溫度控制裝置，并且液晶的響應速度較慢，達100ms。
實現上述目的的技術解決方案如下動態增益均衡器由光環行器、光合分波單元、光纖準直器、雙折射晶體、磁光偏振控制單元、光纖全反射端構成。
進入動態增益均衡器的光首先經過光環行器，再進入光合分波單元。光合分波單元采用光柵等色散元件或多層介質膜方法使各個波長信道解復用，再使各波長信道的光進入第一雙折射晶體。由于晶體的雙折射作用，各個波長的光被分成傳播方向分離的、偏振方向相互垂直的o光和e光。第一雙折射晶體出來的光進入磁光偏振控制單元，磁光偏振控制單元利用法拉第效應來旋轉光的偏振方向。根據各波長所對應的磁光偏振控制單元上所加電壓的不同，各波長光的偏振方向的旋轉量不同。磁光偏振控制單元出來的光進入第二雙折射晶體，兩個雙折射晶體的材料、厚度、切割方向均相同，但安裝時使其光軸正交。磁光偏振控制單元不加電壓時，第一雙折射晶體出射的o光和e光的偏振方向不變，第一雙折射晶體的o光成為第二雙折射晶體的e光，第一雙折射晶體的e光成為第二雙折射晶體的o光，在第一雙折射晶體中分開傳輸的o光和e光經過第二雙折射晶體的雙折射后匯聚成一束光。磁光偏振控制單元加電壓時，因為磁光晶體的法拉第效應而使第一雙折射晶體出來的光的偏振方向旋轉一定角度，則其中和第二雙折射晶體的o光和e光偏振方向一致的光分量經過第二雙折射晶體后匯聚成一束光，可以有效地耦合進光纖準直器中。其余的光分量經過第二雙折射晶體后傳播方向分開的距離更大，無法耦合進光纖準直器中，這部分光能量會損耗掉。根據各波長信道對應的磁光偏振控制單元所加電壓的不同，光偏振方向的旋轉量不同，各波長信道的光能量損耗也不同。
第二雙折射晶體的出射光進入的光纖準直器尾纖的端部鍍有全反射膜，進入光纖準直器的光會全部反射回來開始逆向傳輸，逆向傳輸光和正向傳輸光發生同樣的光束分離、偏振方向旋轉、匯聚和損耗過程，只是第一雙折射晶體和第二雙折射晶體的功能互換逆向傳輸光在第二雙折射晶體處分開，在第一雙折射晶體處一部分光被損耗掉，另一部分光匯聚成一束光耦合進光纖準直器。逆向返回的各波長信道的光被光合分波單元復用在一起進入光環行器，由光環行器的出口離開動態增益均衡器，進入DWDM系統中傳輸。
根據DWDM系統對各波長信道功率的要求對相應的各磁光偏振控制單元施加不同的動態電壓，使各波長信道產生不同的衰減，就可以實現系統的動態增益均衡功能。
本發明的動態光增益均衡器，采用全電磁控制，所以功率調整很快，可以達到微秒級，甚至亞微秒級。并且光功率動態調節范圍大、穩定性好。同時，本發明所采用的元件均可以采用簡單的常規工藝制造，生產成本較低。
圖6是磁光偏振控制單元不加電壓時光通過第二雙折射晶體的示意圖；圖7是磁光偏振控制單元加電壓時光通過第二雙折射晶體的示意圖；圖8是磁光偏振控制單元改變光偏振方向的示意圖。
如
圖1所示，依照本發明的技術方案，動態增益均衡器整體結構主要包括光環行器1、光合分波單元2、第一雙折射晶體的光纖準直器3、第一雙折射晶體4、磁光偏振控制單元5、第二雙折射晶體6、第二雙折射晶體的光纖準直器7、光纖準直器的尾纖8、光纖的全反射端9。
對每一個波長信道都有相應的光纖準直器3、7和磁光偏振控制單元5。第一雙折射晶體4、第二雙折射晶體6、磁光偏振控制單元中的磁光晶體15(參看圖4)的兩側均鍍有增透膜，以減小動態增益均衡器的插入損耗。第一雙折射晶體4和第二雙折射晶體6的材料、厚度、切割方向均相同，但安裝時使兩個雙折射晶體的光軸成90°。
圖1中示出了光在動態增益均衡器中正向傳輸的光路，即光從動態增益均衡器的入口光纖活動連接器10進入光環行器1，光環行器1的出射光進入光合分波單元2，光合分波單元2對復用在一起的光波長信道λ1，λ2，…λn進行解復用，各波長的光進入各自對應的光纖準直器3，光纖準直器將光纖的出射光變成準平行光后進入第一雙折射晶體4，由于晶體4的雙折射作用，各個波長的光被分成傳播方向分離的、偏振方向垂直的o光12和e光13(參看圖3)。第一雙折射晶體4的出射光進入磁光偏振控制單元5，在磁光偏振控制單元5的激磁線圈16上施加一定的電壓，由于磁光晶體的法拉第效應，光束12、13的偏振方向會旋轉一定角度。磁光偏振控制單元5的出射光進入第二雙折射晶體6，光束12、13經過第二雙折射晶體6的雙折射作用，一部分光匯聚成一束光，耦合進光纖準直器7，經光纖8到達光纖的全反射端9。光纖中的光在全反射端9被全部反射回來，開始在增益均衡器中逆向傳輸。另一部分光的傳輸方向的間距進一步變大，不能進入光纖準直器7而損耗掉。根據各波長信道所對應的磁光偏振控制單元5所加電壓不同，光偏振方向的旋轉量不同，各波長信道的光衰減量也不同。
圖2示出了由光纖全反射端9反射回來的逆向傳輸光在動態增益均衡器中傳輸的情況。逆向傳輸光和正向傳輸光發生同樣的光束分離、偏振方向旋轉、匯聚和損耗過程，只是第一雙折射晶體4和第二雙折射晶體6的功能互換在逆向傳輸光中第二雙折射晶體6使光束分離，第一雙折射晶體4使部分光耦合進光纖準直器3，另一部分光損耗掉。耦合進光纖準直器3的各個波長λ1，λ2，…λn的逆向傳輸光進入光合分波單元2，光合分波單元2將各波長信道進行復用，復用后的光進入光環行器1，由光環行器1的出口到達動態增益均衡器的出口光纖活動連接器11，進入DWDM系統傳輸。
圖3示出了一個波長信道的正向傳輸光在第一雙折射晶體4中發生雙折射時的情況。雙折射晶體可以選用釩酸釔(YVO4)、方解石(CaCO3)或金紅石(TiO2)單軸雙折射晶體，從綜合性能來看釩酸釔晶體更合適。晶體的光軸14和晶體表面成θ角。垂直晶體表面的入射光由于在晶體中發生雙折射現象，會分成兩束分開傳輸的o光12和e光13，o光12和e光13是完全偏振光，且偏振方向互相垂直。o光的偏振方向垂直紙面，e光的偏振方向在紙面內。
圖4、5示出了一個磁光偏振控制單元5的結構。15是磁光晶體，可以選用釔鐵石榴石晶體(YIG)、鉍鈣釩鐵石榴石晶體(BCVIG)或鉍摻雜的石榴石單晶薄膜，BCVIG和鉍摻雜石榴石單晶薄膜的法拉第效應大于YIG晶體，應優先選用。16是激磁線圈，17是線圈骨架。圖4是激磁線圈16沒有加電壓時的情況，此時通過磁光偏振控制單元的光束12、13的偏振方向不變。圖5是激磁線圈16加電壓時的情況，在激磁線圈16上施加一定的電壓，在線圈芯部產生相應的磁場，磁光晶體在磁場的作用下使光束12、13的偏振方向旋轉一定的角度，所以從磁光偏振控制單元出來的兩束光中，每一束都既含有垂直紙面的偏振分量，又含有紙面內的偏振分量。
圖6示出了磁光偏振控制單元5不加電壓時光在第二雙折射晶體6中的傳輸情況。由于兩個雙折射晶體在材料、厚度、晶體切割方向上均相同，只是在安裝時使二者的光軸成90°，所以第一雙折射晶體的o光成為第二雙折射晶體的e光，第一雙折射晶體的e光成為第二雙折射晶體的o光。被第一雙折射晶體分開的光束12、13經過第二雙折射晶體的雙折射后又匯聚成一束光，可以耦合進光纖準直器7中進行傳輸。
圖7示出了磁光偏振控制單元5加電壓時，光束12、13在第二雙折射晶體6中發生雙折射的情況。由于磁光偏振控制單元5的法拉第效應，光束12、13的偏振方向發生旋轉，入射到晶體6的兩束光中每一束都既含有垂直紙面的偏振分量，又含有紙面內的偏振分量。如圖7所示，光束13中的紙面內偏振分量19和光束12中的垂直紙面偏振分量21因晶體6的雙折射作用而匯聚成一束光22，光束22耦合進光纖準直器7中傳輸。光束13中的垂直紙面偏振分量18和光束12中的紙面內偏振分量20因晶體6的雙折射作用，傳輸方向分開的距離更大，無法進入光纖準直器7而損耗掉。
圖8示出了迎著正向傳輸光方向所繪出的光偏振方向的變化情況。光經過第一雙折射晶體4后被分解成垂直偏振和水平偏振的兩束光A、B，在磁光偏振控制單元5上施加一定的電壓，光束A、B經過磁光偏振控制單元5后偏振方面旋轉了β角度，成為光束A’、B’，則光束A’在Y軸方向的分量Ay’和光束B’在X軸方向的分量Bx’被第二雙折射晶體6匯聚成一束光，并進入光纖準直器7中傳輸(參看圖7)；光束A’在X軸方向的分量Ax’和光束B’在Y軸方向的分量By’被損耗掉。
權利要求
1.一種動態增益均衡器，其特征在于，該動態增益均衡器包括光環行器1、光合分波單元2、第一雙折射晶體的入射光纖準直器3、第一雙折射晶體4、磁光偏振控制單元5、第二雙折射晶體6、第二雙折射晶體的入射光纖準直器7、光纖準直器的尾纖8、光纖的全反射端9；光從動態增益均衡器的入口光纖活動連接器10進入光環行器1，光環行器1的出射光進入光合分波單元2，光合分波單元2對復用在一起的光波長信道λ1，λ2，…λn進行解復用，各波長的光進入各自對應的光纖準直器3，光纖準直器將光纖的出射光變成準平行光后進入第一雙折射晶體4，第一雙折射晶體4的出射光進入磁光偏振控制單元5，在磁光偏振控制單元5的激磁線圈16上施加電壓來改變光的偏振方向，磁光偏振控制單元5的出射光進入第二雙折射晶體6，經過第二雙折射晶體6的雙折射作用，一部分光匯聚成一束光，耦合進光纖準直器7，經光纖8到達光纖的全反射端9；光纖中的光在全反射端9被全部反射回來，開始在增益均衡器中逆向傳輸。
2.根據權利要求1所述的動態增益均衡器，其特征在于，所述兩個雙折射晶體4和6均為單軸晶體，且晶體的材料、厚度、切割方向一樣，但安裝時使兩個晶體的光軸成90°；光正向傳輸時，第一雙折射晶體4將每個波長信道的光都分成偏振方向垂直的、分開一定距離傳輸的兩束光，第二雙折射晶體6將一部分光耦合進光纖準直器7，另一部分光損耗掉；對逆向傳輸光，第一雙折射晶體4和第二雙折射晶體6的功能互換。
3.根據權利要求1所述的動態增益均衡器，其特征在于，所述磁光偏振控制單元5采用磁光晶體15和激磁線圈16旋轉光的偏振方向；不同波長光所對應的激磁線圈16所加電壓不同，光偏振方向的旋轉量不同，從而各波長的光能衰減量也不同。
4.根據權利要求1所述的動態增益均衡器，其特征在于，所述光環行器1和光纖的全反射端9使光在動態增益均衡器中正向和逆向兩次傳輸。
5.根據權利要求1所述的這種動態增益均衡器，其特征在于，所述全反射端9是在光纖準直器尾纖的端部鍍全反射膜構成，使光纖中的光在全反射端9全部反射回去。
6.根據權利要求1所述的動態增益均衡器，其特征在于，所述第一雙折射晶體4、第二雙折射晶體6的兩側均鍍有增透膜。
7.根據權利要求3所述的動態增益均衡器，其特征在于，所述磁光晶體15的兩側均鍍有增透膜。
全文摘要
本發明公開了一種動態光增益均衡器，由光環行器、光合分波單元、光纖準直器、雙折射晶體、磁光偏振控制單元、光纖全反射端構成。兩個單軸雙折射晶體的材料、厚度、切割方向一樣，安裝時使兩個雙折射晶體的光軸成90°。經光合分波單元解復用的各波長的光被第一雙折射晶體分成傳輸方向分離的o光和e光，磁光偏振控制單元利用法拉第效應使光的偏振方向旋轉，第二雙折射晶體將部分光耦合進光纖準直器中傳輸，另一部分光損耗掉。在光纖末端鍍全反射膜使光逆向傳輸，逆向光和正向光發生同樣的光學過程，并由光環行器的出口輸出。不同波長對應的磁光偏振控制單元施加不同的電壓，使不同的波長產生不同的衰減，從而實現增益均衡的功能。
文檔編號G02B6/26GK1479122SQ0313436
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月7日 優先權日2003年7月7日
發明者賈書海, 趙軍武, 黃麗清 申請人:西安交通大學