专利名称：动态光增益均衡器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤通信领域，具体涉及一种用于补偿密集波分复用光纤通信系统中的功率不均衡的动态光增益均衡器。
因特网(Internet)的发展对通信系统的传输容量提出了很高的要求，采用时分复用技术来提高通信系统的容量，当传输速率达到40Gb/s时，已基本接近了电子器件的速率极限，再进一步提高就很困难。密集波分复用(DWDM-Dense Wavelength Division Multiplexing)成为Tb/s光传输的唯一出路，目前新建的干线光纤通信系统都采用了DWDM技术。
在DWDM光传输系统中，由于掺铒光纤放大器(EDFA)、传输光纤、光滤波器、色散补偿元件等器件的增益或损耗与波长相关，因此通常情况下光传输链路中各波长信道的功率是不均衡的。尽管在光纤放大器中多采用静态滤波器来实现增益的平坦化，但残留的不均衡将随着级联链路的增加而不断积累放大；另一方面，随着DWDM向动态可配置的网络化方向发展，光网络中的上下话路、重新配置或网络恢复等原因，也会使通道之间出现严重的不均衡。
光网络中通道功率的不均衡性会严重恶化网络性能，因此迫切需要发展一种能够适应光纤链路中功率动态变化的增益均衡器——动态增益均衡器(DGE-Dynamic Gain Equalizer)来满足DWDM光网络的要求。
经文献检索发现美国专利6493502(Dec.10，2002)提出了一种利用波导来实现光功率均衡的技术，即利用波导形成一系列非对称马赫泽德干涉器，通过波导的热光效应改变波导的传输常数，使每个马赫泽德干涉器产生所需的光干涉，经合成后产生所需的衰减谱，从而实现增益均衡。这种方案需要对多个波导同时进行精确控制，技术复杂。由于采用的是热光效应，所以响应速度较慢，为20-100ms。
美国专利6498872(Dec.24，2002)提出了一种液晶反射光栅技术，其基本工作原理是利用体光栅将输入光按照一定的光谱分辨率解复用，再运用电控液晶的每个像素旋转来改变输入光的衰减量，产生与光波长相关的衰减，从而实现功率均衡。这种方案由于液晶性能受环境温度的影响较大，所以一般要有温度控制装置，并且液晶的响应速度较慢，达100ms。
实现上述目的的技术解决方案如下动态增益均衡器由光环行器、光合分波单元、光纤准直器、双折射晶体、磁光偏振控制单元、光纤全反射端构成。
进入动态增益均衡器的光首先经过光环行器，再进入光合分波单元。光合分波单元采用光栅等色散元件或多层介质膜方法使各个波长信道解复用，再使各波长信道的光进入第一双折射晶体。由于晶体的双折射作用，各个波长的光被分成传播方向分离的、偏振方向相互垂直的o光和e光。第一双折射晶体出来的光进入磁光偏振控制单元，磁光偏振控制单元利用法拉第效应来旋转光的偏振方向。根据各波长所对应的磁光偏振控制单元上所加电压的不同，各波长光的偏振方向的旋转量不同。磁光偏振控制单元出来的光进入第二双折射晶体，两个双折射晶体的材料、厚度、切割方向均相同，但安装时使其光轴正交。磁光偏振控制单元不加电压时，第一双折射晶体出射的o光和e光的偏振方向不变，第一双折射晶体的o光成为第二双折射晶体的e光，第一双折射晶体的e光成为第二双折射晶体的o光，在第一双折射晶体中分开传输的o光和e光经过第二双折射晶体的双折射后汇聚成一束光。磁光偏振控制单元加电压时，因为磁光晶体的法拉第效应而使第一双折射晶体出来的光的偏振方向旋转一定角度，则其中和第二双折射晶体的o光和e光偏振方向一致的光分量经过第二双折射晶体后汇聚成一束光，可以有效地耦合进光纤准直器中。其余的光分量经过第二双折射晶体后传播方向分开的距离更大，无法耦合进光纤准直器中，这部分光能量会损耗掉。根据各波长信道对应的磁光偏振控制单元所加电压的不同，光偏振方向的旋转量不同，各波长信道的光能量损耗也不同。
第二双折射晶体的出射光进入的光纤准直器尾纤的端部镀有全反射膜，进入光纤准直器的光会全部反射回来开始逆向传输，逆向传输光和正向传输光发生同样的光束分离、偏振方向旋转、汇聚和损耗过程，只是第一双折射晶体和第二双折射晶体的功能互换逆向传输光在第二双折射晶体处分开，在第一双折射晶体处一部分光被损耗掉，另一部分光汇聚成一束光耦合进光纤准直器。逆向返回的各波长信道的光被光合分波单元复用在一起进入光环行器，由光环行器的出口离开动态增益均衡器，进入DWDM系统中传输。
根据DWDM系统对各波长信道功率的要求对相应的各磁光偏振控制单元施加不同的动态电压，使各波长信道产生不同的衰减，就可以实现系统的动态增益均衡功能。
本发明的动态光增益均衡器，采用全电磁控制，所以功率调整很快，可以达到微秒级，甚至亚微秒级。并且光功率动态调节范围大、稳定性好。同时，本发明所采用的元件均可以采用简单的常规工艺制造，生产成本较低。
图6是磁光偏振控制单元不加电压时光通过第二双折射晶体的示意图；图7是磁光偏振控制单元加电压时光通过第二双折射晶体的示意图；图8是磁光偏振控制单元改变光偏振方向的示意图。
如
图1所示，依照本发明的技术方案，动态增益均衡器整体结构主要包括光环行器1、光合分波单元2、第一双折射晶体的光纤准直器3、第一双折射晶体4、磁光偏振控制单元5、第二双折射晶体6、第二双折射晶体的光纤准直器7、光纤准直器的尾纤8、光纤的全反射端9。
对每一个波长信道都有相应的光纤准直器3、7和磁光偏振控制单元5。第一双折射晶体4、第二双折射晶体6、磁光偏振控制单元中的磁光晶体15(参看图4)的两侧均镀有增透膜，以减小动态增益均衡器的插入损耗。第一双折射晶体4和第二双折射晶体6的材料、厚度、切割方向均相同，但安装时使两个双折射晶体的光轴成90°。
图1中示出了光在动态增益均衡器中正向传输的光路，即光从动态增益均衡器的入口光纤活动连接器10进入光环行器1，光环行器1的出射光进入光合分波单元2，光合分波单元2对复用在一起的光波长信道λ1，λ2，…λn进行解复用，各波长的光进入各自对应的光纤准直器3，光纤准直器将光纤的出射光变成准平行光后进入第一双折射晶体4，由于晶体4的双折射作用，各个波长的光被分成传播方向分离的、偏振方向垂直的o光12和e光13(参看图3)。第一双折射晶体4的出射光进入磁光偏振控制单元5，在磁光偏振控制单元5的激磁线圈16上施加一定的电压，由于磁光晶体的法拉第效应，光束12、13的偏振方向会旋转一定角度。磁光偏振控制单元5的出射光进入第二双折射晶体6，光束12、13经过第二双折射晶体6的双折射作用，一部分光汇聚成一束光，耦合进光纤准直器7，经光纤8到达光纤的全反射端9。光纤中的光在全反射端9被全部反射回来，开始在增益均衡器中逆向传输。另一部分光的传输方向的间距进一步变大，不能进入光纤准直器7而损耗掉。根据各波长信道所对应的磁光偏振控制单元5所加电压不同，光偏振方向的旋转量不同，各波长信道的光衰减量也不同。
图2示出了由光纤全反射端9反射回来的逆向传输光在动态增益均衡器中传输的情况。逆向传输光和正向传输光发生同样的光束分离、偏振方向旋转、汇聚和损耗过程，只是第一双折射晶体4和第二双折射晶体6的功能互换在逆向传输光中第二双折射晶体6使光束分离，第一双折射晶体4使部分光耦合进光纤准直器3，另一部分光损耗掉。耦合进光纤准直器3的各个波长λ1，λ2，…λn的逆向传输光进入光合分波单元2，光合分波单元2将各波长信道进行复用，复用后的光进入光环行器1，由光环行器1的出口到达动态增益均衡器的出口光纤活动连接器11，进入DWDM系统传输。
图3示出了一个波长信道的正向传输光在第一双折射晶体4中发生双折射时的情况。双折射晶体可以选用钒酸钇(YVO4)、方解石(CaCO3)或金红石(TiO2)单轴双折射晶体，从综合性能来看钒酸钇晶体更合适。晶体的光轴14和晶体表面成θ角。垂直晶体表面的入射光由于在晶体中发生双折射现象，会分成两束分开传输的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光的偏振方向垂直纸面，e光的偏振方向在纸面内。
图4、5示出了一个磁光偏振控制单元5的结构。15是磁光晶体，可以选用钇铁石榴石晶体(YIG)、铋钙钒铁石榴石晶体(BCVIG)或铋掺杂的石榴石单晶薄膜，BCVIG和铋掺杂石榴石单晶薄膜的法拉第效应大于YIG晶体，应优先选用。16是激磁线圈，17是线圈骨架。图4是激磁线圈16没有加电压时的情况，此时通过磁光偏振控制单元的光束12、13的偏振方向不变。图5是激磁线圈16加电压时的情况，在激磁线圈16上施加一定的电压，在线圈芯部产生相应的磁场，磁光晶体在磁场的作用下使光束12、13的偏振方向旋转一定的角度，所以从磁光偏振控制单元出来的两束光中，每一束都既含有垂直纸面的偏振分量，又含有纸面内的偏振分量。
图6示出了磁光偏振控制单元5不加电压时光在第二双折射晶体6中的传输情况。由于两个双折射晶体在材料、厚度、晶体切割方向上均相同，只是在安装时使二者的光轴成90°，所以第一双折射晶体的o光成为第二双折射晶体的e光，第一双折射晶体的e光成为第二双折射晶体的o光。被第一双折射晶体分开的光束12、13经过第二双折射晶体的双折射后又汇聚成一束光，可以耦合进光纤准直器7中进行传输。
图7示出了磁光偏振控制单元5加电压时，光束12、13在第二双折射晶体6中发生双折射的情况。由于磁光偏振控制单元5的法拉第效应，光束12、13的偏振方向发生旋转，入射到晶体6的两束光中每一束都既含有垂直纸面的偏振分量，又含有纸面内的偏振分量。如图7所示，光束13中的纸面内偏振分量19和光束12中的垂直纸面偏振分量21因晶体6的双折射作用而汇聚成一束光22，光束22耦合进光纤准直器7中传输。光束13中的垂直纸面偏振分量18和光束12中的纸面内偏振分量20因晶体6的双折射作用，传输方向分开的距离更大，无法进入光纤准直器7而损耗掉。
图8示出了迎着正向传输光方向所绘出的光偏振方向的变化情况。光经过第一双折射晶体4后被分解成垂直偏振和水平偏振的两束光A、B，在磁光偏振控制单元5上施加一定的电压，光束A、B经过磁光偏振控制单元5后偏振方面旋转了β角度，成为光束A’、B’，则光束A’在Y轴方向的分量Ay’和光束B’在X轴方向的分量Bx’被第二双折射晶体6汇聚成一束光，并进入光纤准直器7中传输(参看图7)；光束A’在X轴方向的分量Ax’和光束B’在Y轴方向的分量By’被损耗掉。
权利要求
1.一种动态增益均衡器，其特征在于，该动态增益均衡器包括光环行器1、光合分波单元2、第一双折射晶体的入射光纤准直器3、第一双折射晶体4、磁光偏振控制单元5、第二双折射晶体6、第二双折射晶体的入射光纤准直器7、光纤准直器的尾纤8、光纤的全反射端9；光从动态增益均衡器的入口光纤活动连接器10进入光环行器1，光环行器1的出射光进入光合分波单元2，光合分波单元2对复用在一起的光波长信道λ1，λ2，…λn进行解复用，各波长的光进入各自对应的光纤准直器3，光纤准直器将光纤的出射光变成准平行光后进入第一双折射晶体4，第一双折射晶体4的出射光进入磁光偏振控制单元5，在磁光偏振控制单元5的激磁线圈16上施加电压来改变光的偏振方向，磁光偏振控制单元5的出射光进入第二双折射晶体6，经过第二双折射晶体6的双折射作用，一部分光汇聚成一束光，耦合进光纤准直器7，经光纤8到达光纤的全反射端9；光纤中的光在全反射端9被全部反射回来，开始在增益均衡器中逆向传输。
2.根据权利要求1所述的动态增益均衡器，其特征在于，所述两个双折射晶体4和6均为单轴晶体，且晶体的材料、厚度、切割方向一样，但安装时使两个晶体的光轴成90°；光正向传输时，第一双折射晶体4将每个波长信道的光都分成偏振方向垂直的、分开一定距离传输的两束光，第二双折射晶体6将一部分光耦合进光纤准直器7，另一部分光损耗掉；对逆向传输光，第一双折射晶体4和第二双折射晶体6的功能互换。
3.根据权利要求1所述的动态增益均衡器，其特征在于，所述磁光偏振控制单元5采用磁光晶体15和激磁线圈16旋转光的偏振方向；不同波长光所对应的激磁线圈16所加电压不同，光偏振方向的旋转量不同，从而各波长的光能衰减量也不同。
4.根据权利要求1所述的动态增益均衡器，其特征在于，所述光环行器1和光纤的全反射端9使光在动态增益均衡器中正向和逆向两次传输。
5.根据权利要求1所述的这种动态增益均衡器，其特征在于，所述全反射端9是在光纤准直器尾纤的端部镀全反射膜构成，使光纤中的光在全反射端9全部反射回去。
6.根据权利要求1所述的动态增益均衡器，其特征在于，所述第一双折射晶体4、第二双折射晶体6的两侧均镀有增透膜。
7.根据权利要求3所述的动态增益均衡器，其特征在于，所述磁光晶体15的两侧均镀有增透膜。
全文摘要
本发明公开了一种动态光增益均衡器，由光环行器、光合分波单元、光纤准直器、双折射晶体、磁光偏振控制单元、光纤全反射端构成。两个单轴双折射晶体的材料、厚度、切割方向一样，安装时使两个双折射晶体的光轴成90°。经光合分波单元解复用的各波长的光被第一双折射晶体分成传输方向分离的o光和e光，磁光偏振控制单元利用法拉第效应使光的偏振方向旋转，第二双折射晶体将部分光耦合进光纤准直器中传输，另一部分光损耗掉。在光纤末端镀全反射膜使光逆向传输，逆向光和正向光发生同样的光学过程，并由光环行器的出口输出。不同波长对应的磁光偏振控制单元施加不同的电压，使不同的波长产生不同的衰减，从而实现增益均衡的功能。
文档编号G02B6/26GK1479122SQ0313436
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月7日 优先权日2003年7月7日
发明者贾书海, 赵军武, 黄丽清 申请人:西安交通大学