TW201610496A

TW201610496A - 波長相關損失補償的可調光衰減器

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Publication number: TW201610496A
Application number: TW103131373A
Authority: TW
Inventors: 周榮宗; 洪國軒; 黃裕文
Original assignee: 波若威科技股份有限公司
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-16
Also published as: CN105403953A

Abstract

本發明為一種波長相關損失補償的可調光衰減器，包括：一光纖引線，一透鏡和一反射鏡，其中光纖引線為一個柱狀體，其一端為錐狀並連接外部光纖，以及另一端為具傾斜角的平面並與透鏡相對，還至少包含一第一波導(Waveguide)用於出射光線，以及一第二波導用於接收返回光線；透鏡為一個柱狀體並具有前後兩個端面，置於光纖引線與反射鏡之間，用於將光纖引線的第一波導射出的光線聚焦並使反射後的光線回到光纖引線的第二波導；反射鏡置於透鏡的焦距上，用以反射從第一波導射出並經過透鏡的入射光，光線反射後再經透鏡回到第二波導，此反射鏡初始位置的法線與透鏡的軸心線形成一個傾斜角且在兩個軸定義的入射平面上，當衰減值大時，反射鏡沿加大傾斜角的方向傾斜。

Description

波長相關損失補償的可調光衰減器

本揭露係關於一種波長相關損失補償的可調光衰減器。

隨著不斷增長的通信需求推動了廣泛的通信技術的快速發展。其中光通信一直是二十多年來的焦點，除了光纖的佈建，也開發了各種技術，以增加光纖的使用和效率。例如，波長多工(Wavelength Division Multiplexing,WDM)傳輸多個不同波長的光信號，來提高傳輸容量。

當可調光衰減器應用於光纖WDM系統時，一個共同的要求是對所使用不同波長的信號提供一致的衰減。目前結合微機電系統(Micro-electro-mechanical-systems,MEMS)晶片和光纖光學所製作的可調光衰減器(Variable optical attenuator,VOA)非常普遍。多數MEMS VOA使用傾斜反射鏡技術，來達成光能量衰減的目的。亦即有一出射光纖透過小反射鏡將光引導到另一入射光纖上。當小反射鏡傾斜時，部分的光無法耦合到入射光纖，因而產生光衰減。

雖然平面鏡反射型的MEMS VOA已經在市場上相當普遍，但其技術特性並非完美。隨著衰減值的增加，不同波長在同一傾斜角度具有不同的衰減值，亦即衰減值是與波長相關的。稱為波長相關損失(Wavelength dependent loss,WDL)的一指標是不同波長的光在某一衰減值的衰減均勻程度的一測量。WDL是用以呈現在某一衰減值不同波長的衰減值的最大差異，例如，預計衰減值為20dB，但實際上最大衰減值在1525nm的20.6dB且最小衰減在1575nm的19.4dB，則稱20dB衰減值的WDL為1.2dB(=20.6-19.4)。在常用未有WDL補償的平面鏡反射型MEMS VOA在20dB衰減值下，1525nm-1575nm波長範圍的WDL約為0.8-1.4dB。這是因為單模光纖(Single mode fiber,SMF)中長波長的模場直徑(Mode field diameter,MFD)大於較短波長的MFD，因此在光點的相同位移下，較長波長的衰減值小於較短波長的衰減值。

幾種發展的技術是用於WDL補償，並且其中大多數的技術是基於材料的色散特性，在一個固定的衰減值，較短波長光點相對於光纖的位移小於較長波長的位移來補償MFD影響。例如，美國專利7574096和美國專利8280218使用高色散透鏡材料和改變雙光纖引線的研磨角度來補償WDL。美國專利7295748採用一楔型片以調節不同的波長的光路徑。當反射鏡被起動以增加衰減時，以較短波長的光點相對於光纖的位移小於較長波長的位移來補償MFD的差異所造成的WDL。

本揭露實施例可提供關於一種波長相關損失補償的可調光衰減器。

所揭露的一實施例是關於一種波長相關損失補償的可調光衰減器，包括：一光纖引線，一透鏡和一反射鏡，其中光纖引線為一個柱狀體，其一端為錐狀並連接外部光纖，以及令一端為具傾斜角的平面並與透鏡相對，還至少包含一第一波導(Waveguide)用於出射光線，以及一第二波導用於接收返回光線；透鏡為一個柱狀體並具有前後兩個端面，置於光纖引線與反射鏡之間，用於將光纖引線的第一波導射出的光線聚焦並使反射後的光線回到光纖引線的第二波導；反射鏡置於透鏡的焦距上，用以反射從第一波導射出並經過透鏡的入射光，光線反射後再經透鏡回到第二波導，此反射鏡初始位置的法線與透鏡的軸心線形成一個傾斜角且在兩個軸定義的入射平面上，當衰減值大時，反射鏡沿加大傾斜角的方向傾斜。

所揭露的另一實施例是關於一種波長相關損失補償的可調光衰減器，包括一光準值器(Collimator)和一反射鏡，其中光準值器包含一光纖引線及一透鏡；光纖引線與透鏡由一個管狀外殼(Housing)固定，並且光纖引線至少包含一第一波導和一第二波導；透鏡用於將光纖引線的第一波導射出的光線聚焦並使反射後的光線回到光纖引線的第二波導；反射鏡置於透鏡的焦距上，以反射從第一波導射出並經透鏡的入射光，光線反射後再經透鏡回到第二波導，反射鏡初始位置的法線與透鏡的軸心線形成一個傾斜角且在兩個軸定義的入射平面上，並且當衰減值大時，反射鏡沿加大傾斜角的方向傾斜。

茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本揭露之其他優點詳述於後。

21‧‧‧反射鏡

22‧‧‧透鏡

23‧‧‧光纖引線

24‧‧‧入射光纖

25‧‧‧入射光纖芯

26‧‧‧出射光纖芯

27‧‧‧出射光纖

28‧‧‧較長波長的光點

29‧‧‧較短波長的光點

第一A圖和第一B圖是與所揭露的一實施範例一致的一示意圖，說明一種波長相關損失補償的可調光衰減器。

第二A圖和第二B圖是與所揭露的一實施範例一致的一示意圖，說明第一A圖和第一B圖的可調光衰減器，當衰減值大時，反射鏡沿加大傾斜角的方向傾斜。

第三圖~第七圖是與所揭露的一實施範例一致的一示意圖，說明針對不同透鏡材料和焦距，模擬在不同預傾斜角θ的條件下，WDL隨衰減值的變化。

第一A圖和第一B圖是與所揭露的一實施範例一致的一示意圖，說明一種波長相關損失補償的可調光衰減器。如第一B圖所示，波長相關損失補償的可調光衰減器包括一光纖引線23，一透鏡22，以及一反射鏡21，其中反射鏡21是由一個MEMS致動器驅動的(未顯示)。光纖引線23包括至少一出射光纖27和一入射光纖24，其中出射光纖27還包括一出射光纖芯26，入射光纖24還包括一入射光纖芯25，當光從出射光纖27穿過透鏡22，光被MEMS驅動的反射鏡21反射。透鏡22的軸心線與透鏡21的法線形成一預傾斜角θ且在兩個軸定義的入射平面上。該反射光通過透鏡22進入入射光纖24。如所示的最小衰減狀態，反射的光被聚焦，在靠近入射光纖芯25形成一個較長波長的光點28，和一個較短波長的光點29，如第一A圖所示。參考第一A圖，預傾斜角θ使得較長波長的光點28和較短波長的光點29偏心，以補償MFD的差異所引起的WDL。如第一B圖所示，透鏡22設置在光纖引線23和反射板21之間。

應當指出的是，光纖引線23至少包括一第一波導(入射光纖)和一第二波導(出射光纖)。面對透鏡22的光纖引線23的一端是一個傾斜面以形成與透鏡22的相對應傾斜面的一間隙。透鏡22的另一端有朝向反射鏡21的一圓頂形狀。反射鏡21設置於一初始位置在透鏡21的法線與透鏡22的軸心線所形成一預傾斜角θ且在兩個軸定義的入射平面上。在操作中，當衰減值增加時，MEMS致動器以驅動反射鏡21傾斜朝向一更大的傾斜角度，如第二B圖中所示，其中反射鏡21的法線與透鏡22的軸心線形成一傾斜角θ+Δθ且在兩個軸定義的入射平面上。

正如前面提到的，當反射鏡被驅動以導致一給定的衰減。如第二B圖所示，反射鏡21朝向一更大的角度傾斜使透鏡22的軸心線與透鏡21的法線形成一預傾斜角θ+Δθ且在兩個軸定義的入射平面上。此角度使得較長波長的光點28和較短波長的光點29更為偏心，以補償較大的衰減值時MFD的差異所引起的較大WDL，如第二A圖所示。

還應當指出的是，透鏡22可以各種形式來體現。例如，透鏡22可以是一凸透鏡，其具有一第一表面和一第二表面，並且此兩個表面的至少一個表面是用於聚焦光的一曲線表面。透鏡22也可以是C-透鏡，具有一第一端面和一第二端面的一柱狀形狀，此第一端面是一傾斜面和此第二端部表面是一曲面，並且此第二端面可以聚焦光。透鏡22也可以是一個Grin透鏡，具有一光軸且折射率沿徑向方向變化，並且光可以經由折射率變化來聚焦。

根據該光纖的MFD特點和材料的色散特性以及透鏡的聚焦規範，在給定的衰減範圍內WDL可以經由調整θ的值進行優化。

光點尺寸w是MFD的一半，並且在一個小的波長範圍內(例如C波段或L波段)與波長具有線性關係，此光點尺寸w可以表示如下：w=a+b*λ其中λ是波長，a是一常數，b是線性色散係數。最具有代表性的光纖是SMF-28e XB，符合單模光纖ITU G657A標準，其b值為2.5um/um。光從光纖射出後，光的能量是以高斯(Gaussian)分佈。為了最佳耦合(未衰減)，在光纖引線23的傾斜表面的纖芯25是位於透鏡22的後焦距。當反射鏡21旋轉以導致反射光相對於光纖芯25產生位移時，插入損耗變化ΔIL可以表示如下：ΔIL(λ)=4.34*[x/w(λ)]²其中x是反射光的位移。導致WDL的原因是因為不同的波長λ具有不同的w(或MFD)，並且產生不同的ΔIL。並且WDL可以表示如下：

其中Δλ是用於估計WDL的一個給定的帶寬，n是中心波長的鏡片折射率。此外，dn/d λ表示靠近中心波長的折射率的色散，並且針對一般的材料是一負值。如上面的等式中，括號中第二項代表由不同波長的MFD差異所造成的WDL，並且括號中第一項是不同波長的反射光的偏移所造成的補償項。在現實中，較短波長光點相對於光纖的位移會比較長波長光點的位移更小，即較長波長和較短波長的光點相對偏心，以補償MFD差異所造成的WDL。因此，只要該透鏡材料顯示出色散特性以及在一個給定的衰減範圍內選擇反射鏡21適當的預傾斜角θ，可以通過補償本質WDL(第二項)的補償項(第一項)來優化WDL。此外，透鏡材料的色散(|dn/d λ|)越大，則WDL優化所需要的預傾斜角θ越小。

大多數透鏡材料顯示出較長波長的色散特性和折射率比較短波長(dn/d λ<0)的更小，例如，用在C-透鏡的NSF11具有折射率n(1550nm)=1.743，dn/d λ(1550nm)=-0.0180um^-1，以及NPH2具有折射率n(1550nm)=1.861，dn/d λ(1550nm)=-0.0247um^-1，以及較不常見的Si具有折射率n(1550nm)=3.478，dn/d λ(1550nm)=-0.0823um^-1。

根據該預傾斜角的限制和MEMS反射鏡的大小，透鏡的合適焦距可以被確定。而使用不同材料的透鏡曲率也可以被確定。無論鏡片材料和焦距，在給定衰減範圍，可經由預傾斜角θ的調整以補償相對於波長的MFD變化來優化WDL。

第三圖~第七圖是與所揭露的一實施範例一致的一示意圖，說明針對不同透鏡材料和焦距，模擬在不同預傾斜角θ的條件下，WDL隨衰減值的變化。第三圖說明當使用NSF11做透鏡材料且焦距(Focus length,FL)為2.0mm時，在不同傾斜角θ的條件下，WDL隨衰減值的變化。如第三圖所示，當設定衰減值範圍從0至20dB，並且WDL(1575nm差損-1525nm差損)要求小於±0.2dB時，傾斜角θ的最佳值約為3.8°。當WDL要求小於±0.3dB時，傾斜角θ的範圍約為3.0°到5.4°。下面的圖示顯示出不同的透鏡材料和焦距長度，WDL隨衰減值的變化因不同預傾斜角θ(範圍從0至到30dB)的影響。

第四圖說明當使用NSF11做透鏡材料且FL=2.4mm時，在不同θ的條件下，WDL隨衰減值的變化。當設定衰減值範圍從0至20dB，並且WDL要求小於±0.2dB時，θ約為3.5°。

第五圖說明當使用NSF11做透鏡材料且FL=1.6mm時，在不同θ的條件下，WDL隨衰減值的變化。當設定衰減值範圍從0至20dB，並且WDL要求小於±0.2dB時，θ約為4.8°。

第六圖說明當使用Si做透鏡材料且FL=2.0mm時，在不同θ的條件下，WDL隨衰減值的變化。當設定衰減值範圍從0至20dB，並且WDL要求小於±0.2dB時，θ約為2.4°。

第六圖說明當使用NPH2做透鏡材料且FL=2.0mm時，在不同θ的條件下，WDL隨衰減值的變化。當設定衰減值範圍從0至20dB，並且WDL要求小於±0.2dB時，θ約為3.0°。

如上述圖中所示，對於相同的透鏡材料，FL越長，則需要越小的預傾斜角θ來優化WDL。同樣的，對於相同的FL，透鏡材料的色散(|dn/d λ|)越大，則需要越小的預傾斜角θ來優化WDL。

因此，在實際應用中，只要透鏡材料和FL是已知的，所需的WDL優化的預傾斜角θ可以被確定。此外，可以使用兩種方法使準直器(透鏡和光纖引線組成)的光發射方向與透鏡的軸線形成一預傾斜角θ來實現。第一種方法是定位光纖在後焦點上，然後將光纖引線在徑向方向上移位以達到所需的預傾斜角θ。第二種方法是調整透鏡的長度或光纖引線和透鏡的傾斜面的傾斜角度，以達到所需的發射角θ，並放置光纖引線和透鏡於玻璃管中。

在實際應用中，本發明可以實現在兩種模式。第一模式被稱為常開，或明亮的模式；第二模式通常稱為常閉，或暗黑模式。常開模式定義如下：當反射鏡沒有被驅動，衰減值是最小的，並且在反射鏡的法線與透鏡的軸心線形成一傾斜角θ。當需要增加衰減值時，反射鏡被驅動向形成θ+Δθ傾斜角的方向傾斜。另一方面，在常閉模式定義如下：當反射鏡沒有被驅動，衰減值是最大的，並且在反射鏡的法線與透鏡的軸心線形成一傾斜角θ+Δθ。當需要減少衰減量時，反射鏡被驅動向形成θ傾斜角的方向傾斜。無論是明亮或暗黑模式，只要反射鏡的衰減，是使得在入射平面上透鏡的軸線與反射鏡的法線形成較大的角度，則上述做法可以補償波長相關損失。但是此入射平面並不限於特定的方向，只要反射鏡的預傾斜角θ和衰減傾斜角Δθ都是在同一入射平面傾斜。

以上所述者皆僅為本揭露實施例，不能依此限定本揭露實施之範圍。大凡本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍。