專利名稱：用于可變光衰減器的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及可變光衰減器(VOA)的設(shè)備、方法以及它們的使用，尤其是用于利用光通信系統(tǒng)中的可調(diào)動(dòng)態(tài)光柵來(lái)控制光纖中的光強(qiáng)度。
背景技術(shù)：
對(duì)于用于通信和信息交換的帶寬的需求已經(jīng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。通過(guò)引入波分復(fù)用(WDM)技術(shù)而使這種增長(zhǎng)顯著地加速，波分復(fù)用技術(shù)通過(guò)使用窄波段中具有最小色散的不同波長(zhǎng)，沿相同光纖對(duì)光信號(hào)進(jìn)行復(fù)用。為了產(chǎn)生、放大、路由和過(guò)濾信號(hào)，除無(wú)源的光纖之外還需要有源的部件。這已經(jīng)導(dǎo)致了大范圍的技術(shù)發(fā)展來(lái)控制光纖中的光，這樣的光學(xué)部件包括濾波器、開關(guān)、放大器和衰減器。但是，部件的高成本，尤其是對(duì)于包括許多子部分的更先進(jìn)的部件，限制了光通信系統(tǒng)的發(fā)展速度和全光網(wǎng)絡(luò)的引入。因此，需要發(fā)展擁有必要的規(guī)格、但允許使用低成本裝配和生產(chǎn)方法生產(chǎn)的成本有效部件。光通信系統(tǒng)被應(yīng)用于電信系統(tǒng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、電視網(wǎng)、測(cè)試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)等中，還可應(yīng)用于優(yōu)選地由光學(xué)裝置提供通信符號(hào)、消息和信號(hào)及其類似物的所有其它類型的通信系統(tǒng)中。
光纖通信系統(tǒng)中特別需要的部件是可變光衰減器。衰減器被用作單獨(dú)的部件，例如用于補(bǔ)償其它部件中的老化效應(yīng)和用于避免檢測(cè)器的飽和。但是，對(duì)于更動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如在全光網(wǎng)絡(luò)中，在該系統(tǒng)中來(lái)自不同源或不同路徑的信號(hào)強(qiáng)度將在很大范圍內(nèi)變化，因此出現(xiàn)了對(duì)于可重新配置的或動(dòng)態(tài)可變的光衰減器的需求?？勺児馑p器還是諸如均衡器和光插分復(fù)用器等模塊的重要子部件。對(duì)于這樣的應(yīng)用，技術(shù)的可伸縮性將突出地決定模塊的最終價(jià)格。
下面的公開文件的列表構(gòu)成了本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)GB2265024-Geoffry Martland Proudly-15.09.1993-空間光調(diào)制器組件(Aspatial light modulator assembly)，US3835346-Fred Mast等-10.09.1974-陰極射線管(Cathode Ray Tube)，US5867301-GraigD.Engle-02.02.1999-相位調(diào)制設(shè)備(Phase Modulating Device)，US4879602-07.11.1989-William E.Glenn等-用于固態(tài)光調(diào)制器的電極圖案(Electrode Patterns for Solid State Light Modulator)，US5116674-26.05.1992-Beat Schmidhalter等-合成結(jié)構(gòu)(Composite Structure)，US5221747-22.06.1993-Gerald R.Goe等-用于準(zhǔn)備2，2’Bipyrdilys的改進(jìn)處理過(guò)程和催化劑(ImprovedProcess and Catalyst for the Preparation of 2，2’Bipyrdilys)，US4529620-16.07.1985-William E.Glenn-制造可變形光調(diào)制器結(jié)構(gòu)的方法(Method of Making Deformable Light ModulatorStructure)，US4857978-15.08.89-Efim Goldburt等-含有金屬化凝膠的固態(tài)光調(diào)制器和金屬化的方法(Solid State Light ModulatorIncorporating Metallized Gel and Method of Metallization)，US4900136-13.02.1990-Efim Goldburt等-金屬化包含硅石的凝膠的方法和含有經(jīng)過(guò)金屬化的凝膠的固態(tài)光調(diào)制器(Method ofMetallizing Silica-Containing Gel and Solid State LightModulator Incorporating the Metallized Gel)，WO99/09440-25.02.1999-Foster Miller公司-可切換的光學(xué)部件(SwitchableOptical Components)，WO01/48531-05.07.01-Yury Guscho-光學(xué)系統(tǒng)(Optical Systems)。
已經(jīng)建議了一些應(yīng)用于光纖光學(xué)部件的可調(diào)衍射光柵的實(shí)施例。一種已知的方法是衍射MEMS(D-MEMS)。這種技術(shù)可以從例如光連接和硅光機(jī)器中獲得。這些設(shè)備基于由至少兩個(gè)分離部分組成的可移動(dòng)的衍射光柵。一個(gè)靜止的反射底表面和一個(gè)可移動(dòng)的薄片組(光柵)是由刻蝕的硅制成的。通過(guò)施加合適的電場(chǎng)，可以使片上下移動(dòng)。這樣得到的是衍射光柵，其中該光柵的有效相移由片和下面的反射表面的相對(duì)位置給出。這允許光柵以僅為幾毫秒的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行開關(guān)。然而，使片移位所需的電壓仍然很高，其數(shù)量級(jí)在幾十至幾百伏。這種裝置可以用于制造有效的可變光衰減器，但片組必須用硅制出。這是非常昂貴的處理過(guò)程，而且該處理過(guò)程的產(chǎn)率隨著系統(tǒng)尺寸的增加而大幅下降。因此，由D-MEMS制成的部件是高效但非常昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
可調(diào)的衍射光柵技術(shù)本發(fā)明旨在與LCD或LCOS生產(chǎn)方法中一樣容易地制造具有D-MEMS解決方案的性能的產(chǎn)品。本發(fā)明基于可調(diào)表面衍射光柵。這樣的光柵已經(jīng)在文獻(xiàn)和專利中公開。例如，我們的優(yōu)選實(shí)施例是基于Guscho在俄羅斯出版的文章和書(Guscho凸紋圖的物理學(xué)(Physics ofreliefography)，1992 Nauka莫斯科)以及Yuri Guscho的國(guó)際專利申請(qǐng)WO 01/48531中描述的裝置。這些光學(xué)系統(tǒng)的例子主要是涉及投影技術(shù)的應(yīng)用。但是，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例也可以基于具有表面涂層的調(diào)制器，如Engle(US5867301)所描述的。這些調(diào)制器的基本原理是公知的，并且自約50年前引入艾度福投影(Eidophor project)以來(lái)就一直應(yīng)用于投影。但是，對(duì)于投影應(yīng)用，屏幕上光的對(duì)比度十分重要。因此，這些應(yīng)用依靠使用第1和第2衍射級(jí)的光。但對(duì)于光纖光學(xué)部件中的應(yīng)用，則使用第0衍射級(jí)的光。
英國(guó)專利申請(qǐng)GB2265024描述了由包括可以響應(yīng)于靜電場(chǎng)溫度或電壓差的變化而變形的可變形材料層的組件提供的空間光調(diào)制器組件。在該專利申請(qǐng)中描述的解決方案是基于來(lái)自從未經(jīng)過(guò)調(diào)制并因此始終是完全平坦的表面的失敗的(frustrated)全內(nèi)反射的物理現(xiàn)象，參見第11頁(yè)(下部)和第12頁(yè)(上部)“圖1和圖2的組件的優(yōu)點(diǎn)在于光束的讀取只看到平坦表面，該平坦表面是界面7，并且不像在傳統(tǒng)的使用可變形層的調(diào)制器組件中那樣穿過(guò)物理變形的表面或從物理變形的表面上反射。”入射讀取光束具有可以實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射(TIR)的、至平面表面7的入射角。TIR的特征在于在與入射光束相對(duì)的反射表面?zhèn)却嬖谒^的漸逝場(chǎng)。這個(gè)場(chǎng)不表示任何的能量轉(zhuǎn)移，但是與表達(dá)式e(-2π·z/λ)成正比，其中z表示到反射表面4的距離，λ為氣體介質(zhì)6中的光波長(zhǎng)(參見劍橋大學(xué)出版社的Max Born和Emil Wolf的“光學(xué)原理”(Principlesof Optics)第7版第50頁(yè))。穿入氣體介質(zhì)6的有效深度為λ/2π的量級(jí)，小于光波長(zhǎng)。
經(jīng)過(guò)調(diào)制的表面位于反射表面附近，但是對(duì)于入射讀取光束來(lái)說(shuō)，該調(diào)制表面是處于反射表面的相對(duì)側(cè)。由于氣體介質(zhì)6被描述為存在于7和10之間，所以可變形材料5和/或?qū)?0僅與讀取光束的漸逝場(chǎng)接觸。讀取光束的漸逝場(chǎng)經(jīng)歷了折射率的局部空間調(diào)制，并由此經(jīng)歷了局部折射率的局部空間調(diào)制。參照第8頁(yè)最后一段和第9頁(yè)第一段“光束2中的讀取的幅度調(diào)制通過(guò)局部破壞正在經(jīng)歷第一層1與間隙中的氣體介質(zhì)6之間的界面7上的全內(nèi)反射的光束的全內(nèi)反射(TIR)條件而產(chǎn)生，這種對(duì)全內(nèi)反射條件的破壞導(dǎo)致失敗的全內(nèi)反射條件和那個(gè)點(diǎn)處激光束反射系數(shù)的局部變化。
由于失敗的TIR而沒有被反射出來(lái)的部分入射光束傳輸通過(guò)層7并且被隨后的層和/或涂層吸收(參見第3頁(yè)中間部分)。
本發(fā)明的一個(gè)方面是基于從一種表面反射的入射光，該表面自身被空間調(diào)制，并且因此僅對(duì)于希望完全TIR的情況才完全平坦。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是空間調(diào)制的表面和/或它的表面涂層(如果存在的話)因此始終與入射光的非漸逝場(chǎng)接觸。
本發(fā)明的又一個(gè)方面是在該部件中沒有吸收入射光的部分所有的光強(qiáng)度均傳播出該部件，但是方向由凝膠的表面調(diào)制進(jìn)行控制。
本發(fā)明的再一個(gè)方面是它允許第0級(jí)中的光從全強(qiáng)度到20dB衰減(對(duì)于多通道配置則更多)連續(xù)調(diào)整。使用驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和將光發(fā)進(jìn)調(diào)制器及從調(diào)制器收集光的光學(xué)解決方案，本發(fā)明提供可調(diào)表面衍射光柵方法和設(shè)備，以便應(yīng)用于例如光纖電信系統(tǒng)中的可變光衰減器。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備；圖2表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)例的硅基片的布局示例；圖3表示衍射級(jí)強(qiáng)度的理論計(jì)算；圖4公開了根據(jù)圖1中實(shí)施例的幅度凸紋(relief)調(diào)制器的側(cè)視圖；圖5表示作為凝膠凸紋幅度的函數(shù)的不同衍射級(jí)中的強(qiáng)度；圖6表示作為凝膠凸紋幅度的函數(shù)的不同衍射級(jí)中的強(qiáng)度；圖7表示作為炫耀光柵厚度的函數(shù)的每個(gè)衍射級(jí)中的強(qiáng)度；圖8表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖9表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖10表示用夫瑯和費(fèi)近似的雙通配置，其中使用光纖來(lái)連接雙-準(zhǔn)直器的對(duì)；圖11表示安裝有準(zhǔn)直器的菲涅耳多通配置，光束為0.4mm，準(zhǔn)直器直徑為2.8mm，多通道處的玻璃厚度為0.7mm；圖12表示根據(jù)本發(fā)明的雙通道設(shè)備的布局；
圖13表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的反饋；圖14表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的反饋系統(tǒng)中的典型操作時(shí)序；圖15表示一個(gè)1×2開關(guān)；圖16表示集成了VOA元件的DGE元件的示例；圖17表示VOA和開關(guān)作用；圖18表示根據(jù)本發(fā)明的鋸齒形輪廓的形成。
具體實(shí)施例方式
調(diào)制器的設(shè)計(jì)本發(fā)明基于由于具有相等光學(xué)及功能特性的薄凝膠層或膜中的表面調(diào)制產(chǎn)生的光衍射?；菊{(diào)制器的設(shè)計(jì)和原理如圖1所示。該調(diào)制器由附在透明棱鏡上的凝膠薄層(或膜)組成。凝膠(膜)具有匹配于棱鏡玻璃的折射率，并且凝膠(膜)在可見和紅外范圍都具有較低的光吸收率(對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，小2％)。典型地，凝膠層為15～30微米厚。電極在一個(gè)與凝膠表面相隔一個(gè)薄空氣間隙(5～10微米厚)的平坦基片層(圖2)上被處理。該間隔可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的多種方式來(lái)設(shè)置。
跨越凝膠和空氣間隙施加偏置電壓。作為結(jié)果，由于電場(chǎng)作用，一個(gè)凈力作用于凝膠表面。此外，每個(gè)信號(hào)電極可以單獨(dú)尋址。通過(guò)施加局部信號(hào)電壓，將力加到凝膠表面，從而產(chǎn)生表面調(diào)制。彈性表面響應(yīng)迅速，響應(yīng)時(shí)間為幾十微秒。然而，在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，在凝膠中還會(huì)發(fā)生不同的充電和松弛(relaxation)過(guò)程，導(dǎo)致表面調(diào)制在數(shù)微秒到數(shù)分鐘范圍內(nèi)緩慢漂移。本發(fā)明提供了用于穩(wěn)定操作的反饋裝置(稍后描述)。
如圖2所示的調(diào)制器實(shí)例的有效面積(電極)的典型尺寸為3mm×6mm。在該本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，電極呈交錯(cuò)梳狀排列，最大分辨率125線對(duì)/毫米。該分辨率限制歸因于表面調(diào)制的高密度所需的小凝膠厚度和窄空氣間隙所需的高精度。
驅(qū)動(dòng)電壓的周期性變化產(chǎn)生了與電壓同周期的近似正弦調(diào)制。偏置電壓和施加在電極上的驅(qū)動(dòng)電壓的典型值為100V。
當(dāng)光從經(jīng)調(diào)制的表面反射時(shí)，該調(diào)制器起衍射光柵的作用。為減小偏振影響和傳輸損耗，必須采用圓錐衍射的設(shè)置來(lái)獲得高的線密度。光束的入射方向平行于電極線和相應(yīng)的表面調(diào)制槽。其結(jié)果是光被衍射到更高衍射級(jí)。
圖3所示為基于理論計(jì)算的第0、第1和第2衍射級(jí)的強(qiáng)度。強(qiáng)度取決于波長(zhǎng)，對(duì)于第一級(jí)，相移與a/λ成正比，其中a為表面調(diào)制的幅度，λ為光波長(zhǎng)。C波段的不同波長(zhǎng)將典型地給出1％的不同衰減。這意味著在整個(gè)C波段上對(duì)于斷開開關(guān)的最佳零級(jí)將比1％還要差。通過(guò)改變表面調(diào)制的幅度，第0級(jí)衰減可以連續(xù)變化。對(duì)于1550nm的光，需要300nm的表面調(diào)制的幅度，以達(dá)到第0級(jí)全衰減。如圖3所示，在第0級(jí)中全衰減處的第1級(jí)最大強(qiáng)度近似為30％(對(duì)于最大值之一)。
如果棱鏡高為5mm、寬為10mm，采用1554mn的光，棱鏡折射率為1.45，在棱鏡面上測(cè)出下述距離第0級(jí)和第1級(jí)間的距離為0.67mm。
第1級(jí)和第2級(jí)間的距離為0.70mm。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，這些距離限定了光纖與棱鏡表面耦合的位置。
VOA的不同設(shè)置設(shè)置了凝膠的調(diào)制器是可編程的衍射光柵。該光柵可被設(shè)置為包括具有可變幅度的正弦凝膠凸紋。由電極產(chǎn)生的電場(chǎng)控制凝膠的幅度，電極之間的間隔給出光柵的周期。該調(diào)制器是反射光柵，并具有45 °的入射角(見圖4)。
取決于入射光束的方向，衍射可以是圓錐或平面內(nèi)衍射。
配置1圓錐衍射當(dāng)棱鏡頂部垂直于電極線時(shí)發(fā)生圓錐衍射。圖5顯示了作為凝膠凸紋幅度的函數(shù)的不同衍射級(jí)的強(qiáng)度。光柵的周期為8微米，這對(duì)應(yīng)于125線/毫米。
圓錐衍射的優(yōu)點(diǎn)■所有的光將被光柵反射，并且沒有光將透過(guò)凝膠。
■該配置對(duì)輸入光偏振態(tài)的依賴性較小。
■第0級(jí)可以被減小到非常接近于零。
配置2傾斜的平面內(nèi)衍射*當(dāng)棱鏡頂部平行于電極線時(shí)發(fā)生傾斜的平面內(nèi)衍射。圖6示出作為凝膠凸紋幅度的函數(shù)的不同衍射級(jí)的強(qiáng)度。光柵的周期為8微米，這對(duì)應(yīng)于125線/毫米。
平面內(nèi)衍射的優(yōu)點(diǎn)■衍射級(jí)的方向在一條直線上。使具有平面內(nèi)衍射的調(diào)制器易于設(shè)計(jì)和裝配。
■正負(fù)衍射級(jí)不對(duì)稱。不對(duì)稱性將在某些級(jí)中提供更高的強(qiáng)度，這對(duì)于開關(guān)設(shè)備是更有效的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，凝膠凸紋由正弦形狀變?yōu)樾比切?，產(chǎn)生新的衍射特性。
具有斜三角形狀的光柵被稱為炫耀光柵。在炫耀光柵中，幾乎所有光都將分布在第0級(jí)和特定衍射級(jí)之間。由于具有這些特性，所以調(diào)制器可被用作開關(guān)。圖7示出本發(fā)明這種實(shí)施例的實(shí)例中的、作為凝膠凸紋厚度的函數(shù)的每個(gè)衍射級(jí)的強(qiáng)度。
對(duì)于可調(diào)表面衍射光柵在電信區(qū)域中的某些應(yīng)用，希望將盡可能多的衍射光導(dǎo)入輸入光纖。但是實(shí)際上，在衍射級(jí)中輸出光功率存在對(duì)稱分布。例如，±1衍射級(jí)的最大強(qiáng)度等于+1級(jí)中33.9％和-1級(jí)中33.9％(對(duì)于凝膠層表面上的單色光和諧波(harmonic)凸紋)。為獲得光在衍射級(jí)中的不對(duì)稱分布，可以使用不對(duì)稱凸紋。這種凸紋的一種可能形狀是鋸齒輪廓。本發(fā)明提供形成鋸齒輪廓的一種簡(jiǎn)單的方法和設(shè)備。
數(shù)學(xué)方法最原始的鋸齒輪廓可被獲得為兩個(gè)諧波的和，因?yàn)樗裱?1)～(3)和圖18。
P∑(x)＝F1(x)+F2(x)， (1)F1(x)=100cos(2·π16x),----(2)]]>F2(x)=25cos(2·π8x-π2).----(3)]]>如果第二項(xiàng)F2(x)的幅度小于20或者大于30，將導(dǎo)致一個(gè)與圖18相比不是很好的鋸齒形狀。對(duì)于第二項(xiàng)的相移也有效值π/2提供最好看的鋸齒輪廓。
實(shí)際實(shí)施可以用圖18中曲線下面的電極結(jié)構(gòu)獲得電極平面內(nèi)的電壓分布的鋸齒輪廓(圖18)。線性電極用粗劃線表示，每一劃線上的數(shù)值為施加在該電極上的電壓。上面一行對(duì)應(yīng)于F1(x)項(xiàng)，中間一行表示F2(x)，下面一行為總和F∑(x)。
應(yīng)當(dāng)考慮的是，圖18所示的電極平面內(nèi)的電壓分布的鋸齒輪廓將不會(huì)形成同樣形狀的凸紋。電壓分布的空間諧波的幅度從電極平面減小到凝膠層表面。其減小的速率比諧波項(xiàng)F2(x)高大約兩倍，因?yàn)樗哂写髢杀兜目臻g頻率(小兩倍的空間周期)。同樣，對(duì)于力的恒定幅度，由諧波分布的衡量原動(dòng)力(ponder motive force)引起的諧波凸紋幅度隨空間頻率的增加(或者，同樣的，隨空間周期減小)而減小。
因?yàn)檫@個(gè)原因，凸紋的第一空間諧波幅度A1(x)(由電壓的第一空間諧波F1(x)引起)不會(huì)是第二空間諧波幅度A2(x)(由F2(x)引起)的100/25＝4倍，而是例如比它大6-8倍。與總和F1(x)+F2(x)相比，總和A1(x)+A2(x)不會(huì)有那么好的鋸齒形狀。
為補(bǔ)償F2(x)幅度的高速率減小，應(yīng)當(dāng)采用F2(x)的更大幅度。這不對(duì)應(yīng)于電極平面內(nèi)電壓分布的不太好的鋸齒形狀，只對(duì)應(yīng)于凸紋的“一般的”(圖18)鋸齒形狀。
驅(qū)動(dòng)模式當(dāng)驅(qū)動(dòng)按照本發(fā)明實(shí)施例的公開示例時(shí)，產(chǎn)生了記憶效應(yīng)的問(wèn)題。如果凝膠長(zhǎng)時(shí)間保持一個(gè)形狀，它將保持該形狀。為去除記憶效應(yīng)，可以使用多種方法●交替模式將電極配置為使這些電極每隔一個(gè)帶有電壓，并且每隔一個(gè)接地。正弦光柵周期由一個(gè)接地電極和一個(gè)帶電壓的電極產(chǎn)生。通過(guò)周期地顛倒該配置，就有可能去除記憶效應(yīng)。然而，在切換時(shí)間過(guò)程中，不能控制穿過(guò)調(diào)制器發(fā)送的光，并且，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，該方法的裝置必須在路徑中提供一個(gè)開/關(guān)光閘設(shè)備，限制在電信應(yīng)用中不想要的光。
●滾動(dòng)交替模式滾動(dòng)交替模式每一次僅在一些位置在兩個(gè)不同驅(qū)動(dòng)電壓之間切換。信息可以連續(xù)地穿過(guò)調(diào)制器發(fā)送。相移問(wèn)題可以在路徑中隨后的設(shè)備中補(bǔ)償。
●具有反饋的靜態(tài)模式在靜態(tài)驅(qū)動(dòng)模式中將發(fā)生記憶效應(yīng)。但是通過(guò)反饋控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以補(bǔ)償記憶效應(yīng)。
當(dāng)凝膠調(diào)制器受到激勵(lì)電壓時(shí)，在凝膠表面上形成波形圖案，該波形圖案用于偏轉(zhuǎn)或衰減光信號(hào)。當(dāng)激勵(lì)電壓被除去時(shí)，凝膠不會(huì)立即恢復(fù)到初始狀態(tài)。
記憶效應(yīng)的結(jié)果是在凝膠調(diào)制器的VOA應(yīng)用中，衰減獲得的和外加的激勵(lì)電壓之間的關(guān)系不可預(yù)測(cè)。
因此，用所測(cè)量的VOA的衰減水平作為反饋信號(hào)來(lái)控制調(diào)制器的激勵(lì)電壓。反饋系統(tǒng)如圖13所示。
主控單元給反饋控制單元提供衰減目標(biāo)值。測(cè)量光輸入和輸出，并且反饋回路控制單元測(cè)量調(diào)制器的衰減。該衰減值與目標(biāo)值相比較，給出一個(gè)校正信號(hào)。根據(jù)這個(gè)校正信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器電壓。典型的操作時(shí)序如圖14所示。
左側(cè)軸表示激勵(lì)電極間的電壓差E＝V1-V2。右側(cè)軸表示凝膠衰減水平A。最初，衰減為A1，具有穩(wěn)定態(tài)的激勵(lì)電壓E1。在t1時(shí)刻，主控單元接收到新的目標(biāo)值A(chǔ)2。反饋控制單元將激勵(lì)電壓調(diào)節(jié)到E2以達(dá)到新目標(biāo)值。由于凝膠中的記憶效應(yīng)，激勵(lì)電壓將經(jīng)歷一段時(shí)間降到穩(wěn)定態(tài)電平E3。在t2時(shí)刻，主控單元將目標(biāo)值切換回A1。由于記憶效應(yīng)，反饋減小激勵(lì)電壓至E4。E4可以是負(fù)的，表示相對(duì)于V1電極，V2電極為正。一段時(shí)間后，激勵(lì)電壓將接近穩(wěn)定態(tài)值E5。
本發(fā)明提供凝膠技術(shù)作為一個(gè)先進(jìn)材料的平臺(tái)，該平臺(tái)具有產(chǎn)生許多電可調(diào)電信產(chǎn)品的潛力。為滿足電信應(yīng)用的需求，圓錐衍射(低插入損耗、取決于偏振的低損耗)和具有反饋的靜驅(qū)動(dòng)模式(高精度、無(wú)數(shù)據(jù)丟失)是優(yōu)選的操作模式。
根據(jù)本發(fā)明的這些方法可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)核心功能光調(diào)制、光譜濾波和光開關(guān)。下述的實(shí)施倒演示了這些功能。
所示為兩個(gè)基本類型的VOA實(shí)施例。下面描述兩個(gè)應(yīng)用。
基于125線/毫米(1/mm)基片的VOA在本發(fā)明實(shí)施例的這個(gè)例子中實(shí)現(xiàn)了下述功能■可變衰減
■可變耦合器/電鍵(開關(guān))■光譜選擇性/濾波器■監(jiān)控(反饋)該實(shí)施例的例子包括一個(gè)具有芯片上的監(jiān)控功能的2個(gè)衰減器的陣列。它包括2個(gè)輸入光纖和4個(gè)輸出光纖(參見圖8)。+1級(jí)和-1級(jí)可被用作圓錐以便偏轉(zhuǎn)有限部分的能量來(lái)監(jiān)控每個(gè)輸入通道中的功率。還可以利用準(zhǔn)直光學(xué)裝置的角度選擇性來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜選擇性。
來(lái)自+1級(jí)和-1級(jí)的反饋被用于增加衰減范圍并優(yōu)化精確度。
基于33線/毫米(1/mm)基片的實(shí)施例生產(chǎn)33線/毫米(1/mm)基片更簡(jiǎn)單、更便宜，因此應(yīng)當(dāng)考慮。在這種情況下，衍射光束非常小的角度間隔使4光纖耦合輸出的實(shí)際生產(chǎn)非常困難。因此，本發(fā)明具有“33線/毫米(1/mm)”調(diào)制器的實(shí)施例基于兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出通道，其中忽略了更高的衍射級(jí)。該設(shè)備包括●調(diào)制器，具有為兩個(gè)通道控制凝膠凸紋的可能性。
●可編程控制的電子設(shè)備板，用于利用反饋回路來(lái)控制兩個(gè)通道的衰減控制。
圖9給出該實(shí)施例的功能性草圖，圖12所示為該基片的布局。
每個(gè)通道兩個(gè)光檢測(cè)器提供關(guān)于調(diào)制器的輸入和輸出端的光功率水平的信息?？刂齐娮釉O(shè)備利用這個(gè)信息來(lái)優(yōu)化施加給凝膠的電壓電平，以便根據(jù)標(biāo)稱值精確地衰減兩個(gè)通道中的信號(hào)。
兩個(gè)主要實(shí)施例是可能的1.可變光衰減器需要兩個(gè)主要功能■用戶定義每個(gè)通道的光功率的輸出值，并且輸入裝置傳輸該值至控制電子設(shè)備，該電子設(shè)備優(yōu)化電壓電平以衰減信號(hào)，直到獲得所需的光功率的水平。
實(shí)例Pin(通道1)＝12mW，Pin(通道2)＝10mW用戶設(shè)置Pout(通道1)＝6mW，Pout(通道2)＝0.1mW調(diào)制器和控制電子設(shè)備衰減這兩個(gè)信號(hào)，直到達(dá)到用戶設(shè)置，即在第1通道為6mW并且第2通道為0.1mW。使用來(lái)自兩個(gè)輸出光電二極管的值以便在反饋回路中進(jìn)行優(yōu)化。
■用戶定義了對(duì)于每個(gè)通道的衰減的輸出值?？刂齐娮釉O(shè)備優(yōu)化電壓電平以衰減信號(hào)，直到獲得所需的衰減程度。
實(shí)例Pin(通道1)＝12mW，Pin(通道2)＝10mW用戶設(shè)置衰減(通道1)＝3dB，衰減(通道1)＝20dB調(diào)制器和控制電子設(shè)備衰減這兩個(gè)信號(hào)，直到達(dá)到用戶設(shè)置，即在第1通道中為6mW并且在第2通道中為0.1mW。使用在每個(gè)通道中的輸入和輸出光電二極管給出的值的比以便在反饋回路中進(jìn)行優(yōu)化。
本發(fā)明實(shí)施例的該實(shí)例提供動(dòng)態(tài)通道均衡。
隨著強(qiáng)度在時(shí)間上的變化，兩個(gè)通道被發(fā)送至該設(shè)備。該設(shè)備動(dòng)態(tài)地識(shí)別并衰減具有最高光功率的通道，直到兩個(gè)通道得到均衡。均衡在1ms內(nèi)執(zhí)行。
最終，在另一個(gè)實(shí)施例中，串聯(lián)兩個(gè)通道以獲得更高的衰減范圍也許是有用的。
取決于偏振的損耗對(duì)于某些前面描述的實(shí)施例，取決于偏振的損耗(PLD)的測(cè)量值稍微有些高。作為結(jié)果，可使用許多雙通道或多通道配置來(lái)抵消PDL。
有兩種為調(diào)制器使用多通道配置的概念上的方法。第一種方法是在第一次衍射后獲取第0級(jí)，然后使這個(gè)級(jí)再衍射一次。輸出將是第0級(jí)強(qiáng)度的平方。這樣將有機(jī)會(huì)獲得非常高的衰減。為了能夠只獲取第0級(jí)，必須使用透鏡或準(zhǔn)直器以獲得夫瑯和費(fèi)近似。圖11所示為雙通道配置。
另一種多通道配置的方法是將衍射光束向后反射并再次衍射。在這種情況下，兩次衍射之間的距離非常近，并且使用菲涅耳近似。采用這種裝置，總相移為當(dāng)光束擊中衍射圖案時(shí)發(fā)生的所有相移的總和。如果光束擊中衍射圖案n次，則凝膠幅度必須低n倍，并且近似地，電場(chǎng)必須小n倍。
其它應(yīng)用1×2開關(guān)一個(gè)簡(jiǎn)單的1×2開關(guān)可以通過(guò)在第0級(jí)和第1級(jí)之一的位置固定準(zhǔn)直器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)切換光柵開和關(guān)，光將從一個(gè)位置切換到另一個(gè)位置。(通過(guò)調(diào)整幅度，也可以用作可變分支頭(tap))。圖15所示為一個(gè)可能實(shí)施例的草圖。
然而，基于正弦光柵不同衍射級(jí)的強(qiáng)度分布，圓錐幾何形狀的調(diào)制器將具有第一級(jí)之一的最大強(qiáng)度約30％，并且在第0級(jí)為最小時(shí)不是這樣。
形成一個(gè)炫耀光柵(如前面所描述)提供了大幅提高這些特性的的可能性，在所選擇的第1級(jí)中的效率高達(dá)90％(參見圖15)。
動(dòng)態(tài)增益均衡器可將通道均衡器或增益平坦化設(shè)備制成自由空間解復(fù)用器和VOA陣列的組合。通道均衡器包括與解復(fù)用元件組合在一起的VOA元件，例如衍射光柵或薄膜濾波器，該解復(fù)用元件分散光信號(hào)，使單獨(dú)的波長(zhǎng)在空間上分離。一個(gè)集成了VOA元件的DGE元件的實(shí)例示于圖16中。
R-OADM-可重新配置的光插分復(fù)用器由于凝膠調(diào)制器的性質(zhì)是自由空間的，所以可以混合集成多個(gè)光學(xué)功能(復(fù)用/解復(fù)用、開關(guān)陣列和VOA陣列)而建立R-OADM。
一個(gè)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的R-OADM混合設(shè)備示于圖17中。
監(jiān)控設(shè)備衍射原理適于監(jiān)控應(yīng)用，例如，通過(guò)采用第1級(jí)之一作為監(jiān)控輸出，同時(shí)，調(diào)制器也傳送一些其它的光學(xué)功能。光學(xué)通道監(jiān)控器(OCM’s)也可以通過(guò)使用反饋系統(tǒng)中的分支頭上的校準(zhǔn)檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.用于提供在光通信系統(tǒng)中的光調(diào)制的方法，其特征在于該方法包括步驟提供鄰接附著到透明棱鏡的凝膠層或膜，該透明棱鏡發(fā)送光到所述光通信系統(tǒng)和/或接收來(lái)自所述光通信系統(tǒng)的光，提供一個(gè)基片，該基片具有與所述凝膠或膜的表面相隔適當(dāng)?shù)木嚯x、并面朝離開所述棱鏡的方向的一組可單獨(dú)尋址的電極，提供用于在每個(gè)電極上施加激勵(lì)電壓，從而在所述凝膠或膜層表面提供一個(gè)疊加在所述凝膠或膜層初始狀態(tài)上的波形圖案的裝置，和調(diào)整電極上的激勵(lì)電壓，以便使所述凝膠或膜層在除去所述激勵(lì)電壓時(shí)恢復(fù)到所述初始狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，連接到所述棱鏡的至少一條光纖提供去往/來(lái)自所述光通信系統(tǒng)的光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述棱鏡在所述基片上定向，使得所述棱鏡頂部的方向垂直于所述基片上的電極線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述棱鏡在所述基片上定向，使得所述棱鏡頂部的方向平行于所述基片上的電極線。
5.用于在光通信系統(tǒng)中調(diào)制光的設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括一凝膠或膜層，一棱鏡，該棱鏡發(fā)送光到所述光通信系統(tǒng)或接收來(lái)自所述光通信系統(tǒng)的光，所述凝膠或膜層鄰接附著在所述棱鏡的表面上，一基片，該基片具有多個(gè)與所述凝膠或膜層相隔一段距離、并面朝離開所述棱鏡表面的方向的可單獨(dú)尋址的電極，驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置向所述多個(gè)電極中的每一個(gè)提供經(jīng)過(guò)調(diào)整的激勵(lì)電壓，在所述凝膠或膜的表面上提供一個(gè)疊加在所述凝膠或膜層初始狀態(tài)上的波形圖案，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括使所述凝膠或膜層在除去所述激勵(lì)電壓時(shí)恢復(fù)到所述初始狀態(tài)的補(bǔ)償裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，至少一條光纖連接到所述棱鏡，提供去往/來(lái)自所述光通信系統(tǒng)的光。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述棱鏡在所述基片上定向，使得所述棱鏡頂部的方向垂直于所述基片上的電極線。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述棱鏡在所述基片上定向，使得所述棱鏡頂部的方向平行于所述基片上的電極線。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置在所述每個(gè)多個(gè)電極上提供不同的電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置在所述每個(gè)多個(gè)電極上提供單獨(dú)的電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，將電極排列成包括相等數(shù)量的可尋址電極的至少三個(gè)相鄰平行的行，從而在凝膠層的表面同時(shí)提供至少三個(gè)波形圖案，從而提供一種光學(xué)地將來(lái)自凝膠層上的至少三個(gè)波形圖案的反射或衰減的光加到一起的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，在所述基片上每隔一個(gè)電極接地，其它電極帶有電壓，并且周期性地顛倒該設(shè)置，使所述接地電極具有電壓，同時(shí)其它電極接地。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括測(cè)量從所述棱鏡輸出的光的水平的光電二極管或光電晶體管，將校正信號(hào)發(fā)送至所述補(bǔ)償裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括用于所述多個(gè)電極的目標(biāo)電壓的存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器與所述補(bǔ)償裝置進(jìn)行通信。
全文摘要
本發(fā)明提供用于光通信系統(tǒng)的采用可調(diào)動(dòng)態(tài)光柵的可變光調(diào)制器。該可變光調(diào)制器包括鄰接附著在棱鏡上的凝膠或膜層，該棱鏡發(fā)送光至所述光通信系統(tǒng)或接收來(lái)自所述光通信系統(tǒng)的光；具有多個(gè)可單獨(dú)尋址電極的基片；以及用于向所述多個(gè)電極中每一個(gè)電極提供經(jīng)過(guò)調(diào)整的激勵(lì)電壓，在所述凝膠或膜的表面上提供疊加在所述凝膠或膜層的初始狀態(tài)上的波形圖案的驅(qū)動(dòng)裝置。
文檔編號(hào)G02B26/00GK1495454SQ0312555
公開日2004年5月12日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者A·馬爾特-索倫森, 齊默 E, T·納特斯塔, B·雅各布森, A 馬爾特-索倫森, 廝顧, 韃忌 申請(qǐng)人:福托尼克斯公司