[发明专利]波长相关损耗补偿的光衰减器和补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及光通信用的光衰减器，尤其涉及一种波长相关损耗补偿的可变光衰减器以及补偿方法。

背景技术

可变光衰减器(以下简称光衰减器)可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。基于微电子机械转镜式光衰减器，由于其简洁的光学设计、紧凑的结构和方便的电学控制，在现代光通信网络中已被广泛采用。在大多数的光衰减器应用场合，如波分和密集波分光网络，光纤中传输有很多波长的光信号，需要对所有这些波长的光信号同时进行衰减。

微电子机械转镜式光衰减器采用微机械驱动的微小反射镜，改变反射光线的角度，通过准直透镜的作用，转化为输出光斑位置相对于输出波导的偏离，从而起到光衰减的作用。这种光衰减器有一个固有的缺点，表现为光衰减值随波长的不同而不同，即通常所说的波长相关损耗(WDL)。

波长相关损耗来源于光波导模场半径是波长相关的，针对基模而言，波长越长，在光波导中的模场半径就越大。输出光斑偏离输出光波导造成的损耗由下式给出：

其中，IL(λ)是插入损耗(即光衰减值)，Δx是输出光斑偏离输出光波导的位置，ω(λ)是模场半径。在一定波长范围内，有如下关系成立：

ω(λ)＝a+b·λ (2)

其中a和b是色散相关常数。可以看到，波长越长，模场半径越大，在同样的偏离量Δx下，短波长相对长波长将具有更大的衰减量，产生固有的波长相关损耗，即WDL。根据(1)式和(2)式，可以推导出波长相关损耗WDL为：

可以看到，随着衰减值IL的增大，波长相关损耗WDL也随之增大。对于常用的康宁公司的SMF28光纤，在40纳米C波段通信波长范围内，b值约为3.11，因此可以推算出在衰减值为20dB的情况下，波长相关损耗WDL可达到1dB，不能满足光通信系统的要求。

现有的技术方案中，如图1a和图1b所示的美国专利(US7295748)采用了一个在准直透镜(103)和反射镜(105)之间的色散棱镜(104)，使得在光线从输入波导(101)经准直透镜、反射镜、准直透镜，最后聚焦到输出波导(102)上时，不同波长的输出光斑位置有所分开，并使得短波长输出光斑(107)相对长波长输出光斑(108)更靠近输出波导模场光斑(106)，在所需要的衰减范围内，产生的波长相关损耗与固有的WDL符号相反，从而大大降低了波长相关损耗的大小。

上述方案补偿后的波长相关损耗可由下式描述：

(4)式中，IL指光衰减值，Δx是达到该衰减值所需要的光斑偏离量(110)，p是色散相关参量，由下式定义：

(5)式中，α是色散棱镜(104)的契角，f为准直透镜(103)的焦距，Δn/Δλ为色散棱镜的色散系数。从(4)可以看到，在色散棱镜契角α、准直透镜焦距f、色散系数固定的情况下，除去光衰减值为零的情况下(即IL＝0)，只有在某个特殊的衰减值所对应的Δx满足(6)式的情况下，WDL才会达到零点(以下称为WDL的第二零点)：

在设计时可以通过取不同的p值来优化第二零点所对应的光衰减值的位置，从而平衡总体的WDL水平。图2a表示固有的WDL水平(未加补偿色散棱镜)；图2b表示取较小的p值所对应的WDL水平，WDL第二零点所对应的光衰减值为10dB，WDL在0-10dB范围内较小，但15dB以上变大；图2c表示取较大p值所对应的WDL水平，WDL第二零点所对应的光衰减值为20dB，WDL在20dB附近较小，但在1-15dB范围内较大。

可以看到，上述波长相关损耗补偿方案有一个固有的缺点，即很难在一个大的衰减范围(如0到20dB)得到普遍低的波长相关损耗，这是由于采用棱镜型色散元件带来的特征：如图1b所示，色散产生的短波长位置(107)与长波长位置(108)的偏离量(109)不随光衰减的大小而变化，即(4)中的p是固定的，因此不能提供不同衰减情况下所需要的不同补偿量。

发明内容

针对目前光通信系统对光衰减器需求的现状，特别是对具有极低波长相关损耗的光衰减器的需求，本发明提供了一种随着光衰减值的增加或减少，补偿量相应增加或减少，从而在大的衰减范围内(0-20dB)具有极低WDL的光衰减器，以及相应的补偿方法。

本发明提供的光衰减器，如图3a所示，包含有：

一个输入光波导(301)，用于输入光信号；

一个输出光波导(302)，用于输出光信号；