专利名称：可变光衰减器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于衰减光的光学装置，尤其是涉及具有测量光的光功率的附加功能的
紧凑型可变光衰减器。
背景技术：
在光通信网络中，采用二进制数据流对光信号进行调制并将其从一个位置经光纤段 传输到另一个位置。在从源到目的地的路径上，光信号可以被放大，复用、路由，以及 可在不同的光纤段之间通过。除了放大操作(其将功率增强回可接受水平的)之外，所 有这些操作均减小了信号的光功率。总之，为了将信号适当放大并最终在目的该信号可 被探测到，必须将信号的光功率保持在一定的范围内。为了测量在光纤中传播的信号的光功率，光学分接头(tap)经光纤将信号的一小 部分分出并将此部分与光电探测器耦合，该光电探测器产生的电流代表光纤所载的信号 的总光功率。为了使光学分接头可以可靠地工作，将与光电探测器耦合的光功率的部分 保持为常数是很重要的。不容易满足此要求，因为光学分接头通常使用总功率的一小部 分(例如，5%)来测量代表总的光功率。对于以例如1%的精确性测量总的光功率的光 学分接头，在装置的寿命期间，在温度和湿度值的宽范围内分束信号的光功率的部分必 须在传播光信号的总功率的5°/" 1% = 0.05%内保持稳定。此外，在单一光网络系统中 使用很多光学分接头是很普遍的；所以分接头紧凑并且不昂贵也是很重要的。
当光学分接头所测量的光功率被发现处于系统需要所强加的范围之外时，需要对功 率进行调节。 一般来说有两种调节光信号的光功率的方法。第一种方法是改变光学放大 器的放大设置，例如，通过调节泵浦激光二极管的驱动电流；第二种方法是通过调节4皮 称为可变光衰减器或VOA的部件的设置来调节光信号的衰减。在实践中，第二种方法 要经济的多，因为VOA是仅包含几个元件的无源部件，而一般光学放大器为相当复杂 的模块，其包含很多无源和有源的部件，诸如有源和无源的特种光纤、泵浦激光二极管、 复用器、隔离器以及其他部件。不仅如此，而且很频繁的，VOA是这些部件中的一种， 调节这种光学放大器的操作点包括调节泵浦电流和VOA设置。因为调节光通信网络中的信号的光功率通常涉及测量调节点之前和之后的光功率， 将这两种功能组合到一个装置中是有利的。将光学分接头和VOA结合的最直接的方法 是将VOA的输出光纤和光学分接头的输入光纤熔接，或反之亦然。参考图1A,示出的现有技术VOA-光学分接装置100包括波导衰减器103、集成入封装104的光学分接头 (未示出)、连接光纤106、输入光纤108和输出光纤110。波导衰减器103具有平面波 导112,该平面波导112根据注入波导112的载光区域(light-carrying region)的自由栽 流子的浓度吸收经过其的光。未示出的光电探测器具有用于输出代表分出的光功率的电 信号的接触114。
为了执行光纤熔接，在两个熔接端需要至少几个厘米的光纤长度；熔接以后，该光纤将 在封装内必须被盘绕。应注意，光纤的盘绕与例如电线的盘绕不同，因为光纤的弯曲半 径应保持大于某一特定的最小弯曲半径，因为巻绕太紧的光纤会失去其导光的性质和， 或只会使其折断。对于目前应用于光纤通信系统的大多数光纤来说，最小弯曲半径必须 满足达到几个厘米。因此，现在参考图IB,示出了装置100的另一个图，其中，示出了封装104内的 部件，包括光学分接头105、两个光纤环106-1和106-2,以及光纤熔接保护器107。如 上面所述，为了使用熔接连接两个光纤耦合的光学装置，应在熔接的两端提供一定长度 的光纤。当熔接波导衰减器103和光学分接头105时，熔接保护器107两端的光纤被盘 绕成光纤环106-1和106-2。不得不适应光纤环106-1和106-2的结果是，封装104的尺 寸往往是被封装或集成入封装104的光学分接头105的尺寸的好几倍。
解决上述问题的一个方案如美国专利7,346,240中由He等建议的，在此通过参考 将其合并入本申请中。He等描述了一种混合VOA-光学分接头装置，其中，小机械光闸 (shutter)是磁电致动的以衰减光。现在转到图2,示出了 He等的现有技术VOA-光分接头混合装置的VOA部分420 的截面图，其包括输入光纤101和输出光纤102、双光纤尾纤或插针421、电线422、光 闸423、具有角度端面426和相对的涂覆有高反射(HR)涂层427的直面(straightfacet) 的渐变折射率(GRIN)透镜424、磁性透镜夹具425和磁铁430。 GRIN透镜424具有 双重功能。第一，透镜424将由输入光纤101发射的输入光束准直；第二，透镜424将 从HR涂层427反射的光束的输出光束聚焦到输出光纤102上。在GRIN透镜上的HR 涂层427的功能是将输入光的一小部分分离以将其耦合到未示出的光电探测器。在操作 中，电流通过电线422,该电线422可使光闸422转动从而部分屏蔽输入和输出光束。 光闸423屏蔽的光束越多，VOA 420衰减的光就越多。将可移动的光闸423置于接近双光纤尾纤或插针421中的光纤101和102的尖端有 很多严重的缺陷。特别是， 一个缺陷是将物体放置接近光纤尖端产生背向反射(backreflection)回该光纤的可能性。即使当光闸423的端部被涂黑，仍有明显的大部 分由光闸423散射的光可以输入光纤101。如上面提到的，VOA经常被用于光学放大器 的内部。因为光纤放大器可以提供40dB和更高的放大，甚至大约-40(18的小背向反射 也会在EDFA中产生反馈，这会致使EDFA不可操作或至少引入噪声。进一步，不利的， 散射光的一小部分可以通过GRIN透镜424和涂层427并到达未示出的光电探测器，这 将会改变由光电探测器所观察到的输入信号的 一小部分。尽管在光电探测器的这部分的 光的光功率是很小的，例如可能是输入光的光功率的1%-5%,但是即使微量的散射光到 达光电探测器，例如输入光的光功率的0.5%,也会引起通过VOA420的光的光功率的 测量误差。例如，对于1%分接，误差是50%;对于5%分接，误差是10%。 [11]进一步，不利的，当光闸用于衰减与光纤101和102有关的自由空间传输的光束时， 在光功率测量中的另一个潜在的误差源由于存在下面的原因。光闸423被置于光纤101 和102之间，当光闸423的位置变化即使很小时，例如，由于震动、振动或只不过是光 闸423所挂的电线422的疲劳，由于屏蔽光纤101的尖端发射的输入光束而引起的衰减 与由于屏蔽入射到光纤102的尖端的反射光束的衰减的比率将发生变化，这将显著地改 变未示出的光电探测器所观察到的光功率的部分。
发明内容
本发明克服了图1A、 1B和图2所示的方法的缺点。本发明的目的是提供一种具有 高保真度的光功率测量、高可靠性、低背向反射和紧凑尺寸的VOA-分接头混合装置。 优选的，该装置的尺寸应足够紧凑使得标准小型可插拔(SFP)封装可以被用作该装置 的外壳。根据本发明提供了可变光衰减器，其包括 输入光端口和llr出光端口 ；
平面波导衰减器，其用于根据施加到其上的控制信号来衰减光，其中，所述平面波 导衰减器具有第一端面和第二端面，其中，所述平面波导衰减器的所述第一端面被光学 耦合到所述输入端口 ，以及所述平面波导衰减器的所述第二端面被配置来产生发散光 束；
透镜，其用于将所述发散光束准直成准直光束；
分束器，其被光学耦合到所述透镜，用于将所述准直光束分成反射光束和透射光束； 光电探测器，其被配置来接收所述透射光束，用于根据所述透射光束的功率产生电 信号；以及输出波导，其用于将所述反射光束导向所述输出端口；
其中，在操作中，所述透镜将所述反射光束聚焦到所迷输出端口。根据本发明的另一方面进一步提供了可变光衰减器，其包括 第一光端口和第二光端口 ，其每一个被配置来接收光和输出光； 平面波导衰减器，其用于根据施加到其上的控制信号来衰减光，其中，所述平面波
导衰减器具有第一端面和第二端面，其中，所述波导衰减器的所述第一端面被光学耦合
到所述第一光端口；
连接波导，其具有第一端面和第二端面，其中，所述连接波导的所述第一端面被光 学耦合到所述第二光端口；
透镜，其用于在所述平面波导衰减器的所迷第二端面和所述连接波导的所述第二端 面之间提供光学耦合；
分接头，其与所述透镜光学耦合，用于测量通过其的光的光功率，其中，所述分接 头包括
分束器，其用于分出入射到其上的光的一小部分，以及 光电探测器，其用于接收所述部分并根据其光功率产生电信号。
现在结合附图详细地描述示范性实施例，其中图1A是现有技术中通过将VOA熔接到光分接头而获得的可变光衰减器(VOA)-光分接头组合图；图1B是现有技术中通过将VOA熔接到光分接头而获得的可变光衰减器(VOA)-光分接头组合中的光纤环的详细图；图2是现有技术VOA-光分接头混合装置的核心部分的横截面图。图3A是本发明的VOA-光分接头装置的一个优选实施例的平面图；图3B是图3A的VOA-光分接头装置的侧视图；图4A是本发明的VOA-光分接头装置的另一个优选实施例的平面图；图4B是图4A的VOA-光分接头装置的侧视图；图5也是本发明的VOA-光分接头装置的另一个优选实施例的平面图；图6是图3A和图3B的VOA-光分接头装置被封装到标准小型可插拔(SFP)封装
的平面图；图7是本发明的VOA-光分接头装置被封装到SFP封装的等轴侧视图。
具体实施例方式虽然结合不同的实施例和举例描述了本发明所教导的，但并不意味着本发明所教导 的限于这些实施例。相反，本发明所教导的包括本领域的技术人员应意识到的各种替代、 改变和等同实施例。在本申请中，相同的标号代表相同的元件。现在参考图3A,示出了本发明的VOA-光分接装置300的一个优选实施例的平面 图，其包括具有平面波导312的波导光衰减器303、具有分束器涂层317的GRIN透镜 316,以及具有电接触314的光电探测器318。波导光衰减器303通过自由载流子吸收机 理衰减光，其中，自由载流子通过施加电流到波导303而被注入到波导312的区域。输 入光纤308被对接耦合入平面波导312,输出光纤310紧靠GRIN透镜316。在图3B中， 更详细的示出了输出光纤310的布置。输出光纤310被置于波导衰减器303上，紧靠平 面波导312。在操作中，从输入光纤308被耦合入平面波导312的导光束沿平面波导312 传输，并且该导光束+艮据施加到波导衰减器303上的电流量衰减。当到达波导衰减器303 的右端面时，光束被发射入自由空间并被透镜316准直。准直光束从分束器涂层317反 射并通过透镜316往回传输，透镜316将光束聚焦到输出光纤310的尖端。透镜316的 光轴319被置于波导衰减器303的上表面的略上方，如图3B所示，光束从波导312的 平面导出并以例如0.1-5度的小角度入射到分束器涂层317上。因此，准直光束以某一 与入射角相同的角度反射，并且聚焦光束被耦合入输出光纤310。图3A和图3B的VOA-光分接头装置300有4艮多优点，这些优点属于不包含任一 基于波导VOA元件303而实施的光分接头的VOA的优点。这些优点如下第一，图 3A和图3B的装置没有任何可动部分，这使其对震动和振动不敏感；第二，装置300没 有使用任何磁铁，因此由于波导衰減部件303的紧凑结构而可将装置300制作得很紧凑； 第三，装置300的光背向反射是低的。装置300的其它优点不属于波导VOA自身的优点，而是当装置300使用光学分接
头时出乎意料地带来的优点，如图3A和3B所示。也就是，VOA 303通过自由栽流子
光吸收而工作，这意味着不存在可以到达光电探测器318并致使光功率测量不可靠的散
射光。进一步，有利的，可以将平面波导312和输出光纤310彼此紧靠放置并紧靠光轴
319,这方便地减小了透镜316的像差并改进了装置300的总的插入损耗。不仅如此，而且有利的是输入光纤308和输出光纤310被配置在装置300的同一侧，
这使装置300集成入光网络系统简单化了 ，因为不需要光纤巻绕或弯曲。现在转到图4A,示出了本发明的VOA-光分接头装置400的另 一个优选实施例的平
面图，其包括具有平面波导412的波导光衰减器403、透镜416,以及具有电接触414的光电探测器418。装置400和图3A的装置300的区别是存在位于透镜416后面的 独立的分束器元件417。优选的，分束器元件417或图3A和图3B的分束器涂层具有范 围是90%-99%的反射系数，最优值接近95%。当透镜416没有平坦的表面时，例如当 透镜416是通过成型工艺或其它适合的工艺生产的球面透镜时，独立的分束器元件417 是方便的。球面透镜能够进一步减小像差并进一步减小光学插入损耗。 [32]在图4B中更详细的示出了输出光纤410的布置。类似于图3B的输出光纤310的 布置。此外，将波导412和光纤410的尖端彼此靠近放置可进一步减小像差并改进光学 插入损耗，因为输入光束和输出光束位于靠近透镜416的光轴419的位置。 [33]现在转到图5,示出了本发明的VOA-光分接头装置500的另 一个优选实施例的平 面图，其包括具有两个平面波导512-1和512-2的波导光衰减器503、具有分束器涂层 517的GRIN透镜516,以及具有电接触514的光电探测器518。波导光衰减器503通过 自由载流子吸收或任何其他适合的机理衰减由平面波导512-1引导的光。输入光纤508 被对接耦合到平面波导512-1，并且输出光纤510被对接耦合到平面波导512-2。除了类 似于图3A和图4A的装置300和400的优点，图5的装置500的优点是平面波导512-1 和512-2被单片集成到波导衰减器503,这使装置500的光学机械组装简单化了 。 [34]在图3A,图3B ，图4A,图4B和图5中的VOA-光分接头装置，输入和输出光纤 可以交换，或换言之，光纤310, 410和510可以被用作输入光纤，而光纤308， 408和 508可以被用作输出光纤。当光纤被交换时，光分接头将测量衰减之前而不是衰减之后 的光功率。这对于那些不仅将所测量的光功率值用来设置衰减值而且将其用来例如调节 光纤放大器中的泵浦功率的应用来说，可能是有利的。现在转到图6，示出了本发明的VOA-光分接头装置600的的平面图，其包括波导 光衰减器603、具有分束器涂层617的GRIN透镜616、光电探测器618、两根光纤608 和610'以及封装有元件603, 608， 610, 616和618的标准小型可插拔(SFP)封装620。 光纤连接器622和624可以方便的置于SFP封装620的外面以连接外部光纤。将波导 603和GRIN透镜616分别连接到光纤连接器624和622的光纤608和610被略微弯曲 以消除封装620内的拉伸应力。电学终端对614被用于将光电探测器618连接到电放大 器。现在参考图7,示出了图6的装置600的等轴侧视图，其包括波导衰减器703、输 入光纤708和输出光纤710、 GRIN透镜716、光电探测器718,以及尺寸大约为 55mmxl2mmxl0mm的SFP封装720。
权利要求
1、一种可变光衰减器，其包括输入光端口和输出光端口；平面波导衰减器，其用于根据施加到其上的控制信号来衰减光，其中，所述平面波导衰减器具有第一端面和第二端面，其中，所述平面波导衰减器的所述第一端面被光学耦合到所述输入光端口，以及所述平面波导衰减器的所述第二端面被配置来产生发散光束；透镜，其用于将所述发散光束准直成准直光束；分束器，其被光学耦合到所述透镜，用于将所述准直光束分成反射光束和透射光束；光电探测器，其被配置来接收所述透射光束，用于根据所述透射光束的功率产生电信号；以及输出波导，其用于将所述反射光束导向所述输出端口；其中，在操作中，所述透镜将所述反射光束聚焦到所述输出光端口。
2、 如权利要求1所述的光衰减器，其中，所述输出波导是光纤，以及其中，所述 透镜的光轴平行于包含所述平面波导衰减器的所述第一端面和所述第二端面的平面，其 中，将所述轴偏离所述平面，以使所述准直光束入射到所述分束器上的角度在O.l度和 5度之间。
3、 如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所述输出波导是在所述平面波导衰 减器中形成的平面波导。
4、 如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所迷透镜是具有第一端面和第二端 面的GRIN透镜，其中，所述GRIN透镜的所述第一端面净皮耦合到所述平面波导衰减器 的所述第二端面，以及其中，所述分束器是应用于所述GRIN透^:的所述第二端面的薄 膜涂层。
5、 如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所述平面波导衰减器具有由于自由 栽流子吸收现象而吸收光的结构。
6、 如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所述分束器的反射率在90°/。和99% 之间。
7、 如权利要求1所述的可变光衰减器，其中，所述分束器的反射率是95%±1%。
8、 如权利要求1所述的可变光衰减器，还包括支撑所述平面波导衰减器、所述透 镜、所述光电探测器、所述输入光端口和所述输出光端口的小型可插拔SFP封装。
9、 一种可变光衰减器，其包括第一光端口和第二光端口 ，其每一个被配置来接收光和输出光；平面波导衰减器，其用于根据施加到其上的控制信号来衰减所述光，其中，所述 平面波导衰减器具有第一端面和第二端面，其中，所述波导衰减器的所述第一端面被光学耦合到所述第一光端口；连接波导，其具有第一端面和第二端面，其中，所述连接波导的所述第一端面被 光学耦合到所述第二光端口 ；透镜，其用于在所述平面波导衰减器的所述第二端面和所述连接波导的所述第二 端面之间提供光学耦合；分接头，其与所述透镜光学耦合，用于测量通过其的光的光功率，其中，所述分 接头包括分束器，其用于分出入射到其上的一小部分光，以及 光电探测器，其用于接收所述部分光并根据其光功率产生电信号。
10、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述连接波导是光纤，以及其中， 所述透镜的光轴平行于包含所述平面波导衰减器的所述第 一端面和所述第二端面的平 面，其中，将所述轴偏离所述平面，以使得入射到所述分束器的准直光束的角度在0.1 度和5度之间。
11、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述连接波导是在所述平面波导衰 减器中形成的平面波导。
12、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述第一光端口是输入光端口，而 所述第二光端口是输出光端口 。
13、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述第一光端口是输出光端口，而 所述第二光端口是输入光端口 。
14、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述透镜是具有第一端面和第二端 面的GRIN透镜，其中，所述GRIN透镜的所述第一端面被耦合到所述平面波导衰减器 的第二端面，以及其中，所述分束器是应用于所述GRIN透镜的所述第二端面的薄膜涂 层。
15、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述平面波导衰减器具有由于自由 载流子吸收现象而吸收光的结构。
16、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述分束器的反射率在90%和99%之间。
17、 如权利要求9所述的可变光衰减器，其中，所述分束器的反射率是95%±1%。
18、 如权利要求9所述的可变光衰减器，还包括支撑所述平面波导衰减器、所述透 镜、所述光电探测器、所述连接波导、所述第一光端口和所述述第二光端口的小型可插 拔SFP封装。
19、 如权利要求18所述的可变光衰减器，其中，所述SFP封装包括分别被光学耦合 到所述第一光端口和所述第二光端口的第一光纤连接器和第二光纤连接器，和被耦合到 所述探测器的第一电学终端和第二电学终端，所第一电学终端和所述第二电学终端用于 输出所述电信号。
20、 如权利要求18所述的可变光衰减器，其中，所述SFP封装的尺寸约为55士2mm x 12±2mm x 10士2mm。
全文摘要
本发明描述了一种具有光分接功能的紧凑的可变光衰减器，其包括平面波导衰减器、透镜和光电探测器。输入波导和输出波导位于靠近透镜光轴的位置，这减小了像差和插入损耗。波导衰减器通过光吸收来工作，几乎不存在散射光，这改进了由光电探测器所测量的分出的光功率的保真度。整个分接-衰减器组件被封装入具有两个光连接器的小型可插拔(SFP)封装中。
文档编号G02B6/26GK101419310SQ20081016768
公开日2009年4月29日 申请日期2008年10月21日 优先权日2007年10月22日
发明者杨亚涛, 昌 肖, 陈小林, 清 黄 申请人:Jds尤尼弗思公司