动态增益均衡器的制作方法

专利名称：动态增益均衡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在光放大过程中对增益与波长的依赖性进行补偿的增益均衡器，尤其涉及可动态地进行增益补偿的动态增益均衡器。
背景技术：
在光通信领域，波分多路复用(WDMWavelength Divosion Multiplexing)方式已为公知。这种波分多路复用方式以光纤传输多个波长的光，在接收部分频为每个波长。因此，其它波长的光则作为杂波起作用。尤其是对信号光进行放大的光纤放大器的增益具有波长依赖性时，则放大后的信号光强度产生很大的离散。因此，必须对这种离散进行补偿。
为了对这样的光强度的离散进行补偿，公知的有在光纤放大器的输出侧设置光纤放大器用增益均衡器。这种增益均衡器通过衰减滤波装置来降低放大后的信号光强度的波长依赖性，从而使波长依赖性均衡化。
过去的衰减滤波装置在利用稀土类元素掺杂光纤等放大介质对光进行放大之后，再对这种放大光进行滤光。这种衰减滤波装置的滤光特性根据整个放大介质的最终增益特性决定。整个放大介质的增益特性具有例如图11(a)的曲线A所示的波长依赖性时，衰减滤波装置的滤光特性设定为具有图11(b)的曲线B所示的波长依赖性。曲线B相对于曲线A中增益相对较高的部分设定为使其具有较大衰减分布曲线。由放大介质放大的光的光强度具有如曲线A所示的波长依赖性。衰减滤波装置由于局部地降低了光强度相对较高的部分，因而可获得具有图11(C)的曲线c所示的特性的光。
这样，过去的衰减滤波装置的滤光特性根据整个放大介质显示的增益与波长的依赖性决定并做成这种波长依赖性没有变化的静态装置。
但是，光纤及放大介质与波长的依赖性是随时间发生变化的。因此，使用滤光特性固定的衰减滤波装置对波长依赖性进行补偿时，随着时间变化将产生光强度的偏差。另外，为了构成光纤网络，必须利用光纤形成环形构造成或网状构造。这样的光纤网络由于光通过的路径的切换等有时使路径长度产生变化。在这样的情况下，使光强度产生偏差。
因此，要求能够选择性地控制光的特定波长的增益均衡器。这种增益均衡器尤其是对于高速、大容量、长距离的光纤网络是不可或缺的。
作为这样的使每个波长离散的光强度均衡的可变增益控制器提出了动态增益均衡器的方案。这种方案的动态均衡器利用MEMS(Micro-electromechanical systems-微电子机械系统)通过衍射效应及反射方向实现动态的增益均衡。该MEMS中，就利用衍射效应的结构而言，驱动配置成阵列状的微小的平面反射镜而形成矩形波状的凹凸，利用这种凹凸构造形成衍射光栅以动态地控制光强度。另外，就利用反射方向的结构而言，通过改变配置成阵列状的微小的平面反射镜以对每个波长动态地控制光强度。
图12是用于说明使用现有技术方案的MEMS的动态增益均衡器的结构简图。
动态增益均衡器101中由光纤102出射的光经透镜103入射到衍射光栅104。由衍射光栅104衍射的衍射光的每个波长都经透镜103入射到MEMS 105。MEMS 105通过使配置成阵列状的微小的平面反射镜移动或者倾斜使每个波长的反射光的光强度改变。利用MEMS 105使每个波长光强度改变的反射光经透镜103、衍射光栅104再返回光纤102。在MEMS 105中，通过根据光纤及放大介质对波长的依赖性控制反射光的光强度，从而使返回光纤102的光的光强度对波长的依赖性实现均衡。
在使用MEMS的动态增益均衡器中，MEMS的微小的平面反射镜必须有与控制的波长数相同的个数，并且还必须做成与用衍射光栅及透镜进行衍射的分辨能力相应的大小。因此，存在需要有复杂结构的问题。另外，由于有机械活动部分，因而有可能产生称为“胶着”的部分反射镜的活动不能良好地进行的现象。因此，在良好的控制性和可靠性方面存在问题。
此外，MEMS在用微小的平面反射镜进行反射的光程以外没有光的出口。因而，存在的问题是利用MEMS控制光强度后剩余光(入射光和出射光之差的部分光)在MEMS内散射而成为杂波成分，或者转换为热而使内部温度上升。这种散射光及发热的问题随着动态增益均衡器的小型化及光信号的大容量化而成为更大的问题。另外，在动态增益均衡器中，为了使光强度与波长的依赖性实现均衡，对光强度与波长依赖性的变化进行监控，当出现变化时，就必须控制动态增益均衡器使其对这种变化进行补偿。在过去使用了MEMS的动态增益均衡器中，为了对光强度与波长依赖性的变化进行监控，在动态增益均衡器的装置外部设置有与动态增益均衡器具有同样结构的光谱分析器，必须将入射到动态增益均衡器的光进行分支的光导入该光谱分析器进行测定。作为光谱分析器的一个例子，例如具有以光电二极管阵列代替MEMS的结构。
这种光谱分析器是可以做成与动态增益均衡器具有同样结构的装置，但不能与动态增益均衡器共用。因此，与动态增益均衡器具有相同的结构的部件必须两个，从而使装置大型化。另外，光谱分析器用分支的剩余光入射到动态增益均衡器。因此，从动态增益均衡器出射的光强度还存在仅有分支到光谱分析器的部分减少的问题。

发明内容
因此，本发明的目的就在于解决这些现有技术存在的问题，提供一种动态增益均衡器，它不使用具有MEMS等机械活动部分的机构，可以有选择地控制特定波长，使每个波长的光强度实现均衡，并提高其控制性和可靠性。另外，本发明的目的还在于通过补偿消除因剩余光引起的散射光及发热问题，而且为了实现光的监控不需要另外的光谱分析器，不需要用于光监控的光分支。
本发明的动态增益均衡器在有选择地控制光的特定波长，在放大光的放大介质的增益随波长变化时可用于补偿其增益对波长的依赖性。在本发明的动态增益均衡器中，通过使用液晶光开关对各波长的光强度进行变更，可做成无需驱动配置成阵列状的微小的平面反射镜的MEMS等机械部分的结构。由于去除了这些机械部分，因而能提高控制性及可靠性。
另外，本发明的动态增益均衡器可以将通过变更光强度进行补偿剩余光取出传送到液晶开关的外部。因此，由于没有滞留在液晶光开关内的光成分，可防止液晶光开关内的杂散光及发热的发生。
此外，在本发明的动态增益均衡器中，可将通过使用了液晶光开关的补偿剩余光取出传送到外部。通过检测该取出后的光，可监控光的光强度。通常，为了监控光强度，采取减少将入射光进行光分支为目的的光的光强度，与此相反，采用本发明，用于该监控的光由于是补偿之后剩余光，因而不必对入射光进行光分支，可防止由于对入射光进行光分支而使光强度降低。
本发明的动态增益均衡器为具有将从入射端入射的光进行分光的分光器、入射被分光器分光而成的分光成分的液晶光开关和配置在入射端和分光器之间及/或分光器和液晶光开关之间的透镜系统的结构。液晶光开关对各波长变更入射的分光成分的光强度并出射。这样，有选择地变更光的特定波长。此外，也可以使入射光从光纤入射，而出射光则出射到光纤。在这种情况下，可通过平行光管等在动态增益均衡器和各光纤之间进行。
液晶光开关可由多个液晶光开关元件构成。该液晶光开关元件的配置可以是一维配置或二维配置。
第一种配置方式是一维配置，沿着由分光器分光而成的光成分呈线状配置。利用这种一维配置，可对各波长变更由分光器分光而成的光成分的光强度。
液晶光开关元件的第二种配置方式是二维配置，将液晶光开关元件配置在沿着由分光器分光而成的光成分的线方向及与该线方向垂直的方向上。在这种二元配置中，通过线方向的配置对各波长变更由分光器分光而成的光成分的光强度的同时，通过与线方向垂直方向的配置可更细致地变更各波长的光强度。
用于本发明的液晶光开关元件可以按出射光的方向采用两种出射形式。
第一种出射形式为循环反射型，变更了光强度的光向着入射方向反射并出射。循环反射型的形式可将变更并补偿了光强度的光返回到与入射光相同的方向。
第二种出射形式为透射型，将变更了光强度的光向着与入射方向不同的方向出射。透射型的形式可以将变更并补偿了光强度的光出射到与入射光不同的方向上，与入射光的分离变得容易。
另外，用于本发明的动态增益均衡的液晶光开关的结构可以做成各种形式。
第一种结构形式将组合了液晶盒和反射板的光学元件配置在偏振光束分离器直交的两个侧部，将偏振光束分离器的另一侧部作为光的入射端和反射端。
第二种结构形式中，液晶光开关元件具有偏振光束分离器、至少2个反射板和控制偏振方向的液晶盒，为了使被偏振光束分离器分离而成的2个偏振光成沿同一光路行进但相互行进方向不同并再次入射到偏振光束分离器进行合成，在配置偏振光束分离器及反射板的同时，将液晶盒配置在光路上。
在第一种及第二种结构形式中，通过利用液晶盒变更各偏振光成分的偏振方向以变更光强度。液晶盒对各偏振光成分的偏振方向的控制可采用2种控制形式。
第一种控制形式将液晶盒控制在使入射直线偏振光的方位角回转0度和回转90度2个角度位置或者任意的角度位置。通过控制在回转0度和回转90度2个角度位置从而控制出射光的通(ON)、断(OFF)，藉此变更光强度。
第二种控制形式将液晶盒控制在使入射直线偏振光的方位角为任意的角度位置。通过以任意的角度位置进行控制，从而可将出射光的光强度控制在中间状态，藉此，可将液晶盒作为可变衰减器使用以变更光强度。
另外，本发明的动态增益均衡器可具有监控光强度的结构。在具有该监控器的结构中，在液晶光开关中没有光检测元件，藉此可检测变更光强度并出射的出射光的剩余光的光强度。这样，光检测元件就构成了对各波长检测出射光的光强度和互补的光强度的光谱分析器。更具体地说，在液晶光开关元件中，在偏振光束分离器的出射端的一端设置检测光强度的光电二级管阵列，则构成利用该光电二极管阵列对各波长检测与出射光的光强度互补的光强度的光谱分析器。
另外，本发明的动态增益均衡器根据光谱分析器的检测输出控制各液晶光开关元件。本发明的光谱分析器检测的光强度是与各液晶光开关元件出射的光的光强度互补的，例如，为了使出射的光的光强度达到预定的大小，根据光谱分析器检测的光强度控制各液晶光开关元件。


图1是用于说明本发明的动态增益均衡器的简要结构图。
图2是用于说明液晶光开关的结构及利用液晶光开关控制光的波长特性图。
图3是用于说明具有光电二极管阵列的液晶光开关的结构及利用液晶光开关控制光的波长特性图。
图4是用于说明本发明的液晶光开关元件的第1结构形式图。
图5是用于说明本发明的液晶光开关元件的第2结构形式图。
图6是用于说明本发明的液晶光开关元件的第2结构形式图。
图7是用于说明本发明的动态增益均衡器的其它例子的简要结构图。
图8是说明将变更了光强度的光出射到与入射方向不同方向的透射型动态增益均衡器图。
图9是表示将出射光导入到与入射光不同方向的透射型液晶光开关的结构例子图。
图10是表示只用单偏振光构成液晶光开关的例子图。
图11是用于说明过去的衰减滤波装置的滤光特性图。
图12是用于说明使用了现有技术方案的MEMS的动态增益均衡器的结构简图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1是用于说明本发明的动态增益均衡器的简要结构图。图1所示的结构例子表示递归反射型，通过将变更了光强度的光向着入射方向反射并出射光。并且，图1(a)、(b)为没有光强度监控功能的结构例子，图1(c)为具有光强度监控功能的结构例子。
图1(a)所示的结构例子中，本发明的动态增益均衡器1A包括以下部件对入射光进行分光的分支器4，入射被分光器4分光的分光成分的液晶光开关5A，在入射端和分光器4之间、分光器4和液晶光开关5之间配置的光学零件3(透镜3a、3b)。
入射光可从光纤2a入射、通过了光纤2a的光经光纤2a端部所连接的平行光管6a通过透镜3a导入分光器4。利用分光器4分光成各个波长的光成分通过透镜3b导入液晶光开关5A。
递归反射型的液晶光开关5A对所导入的各波长成分的光强度进行变更，并反射强度已变更的光。由液晶光开关5A反射的光逆光程行进，通过透镜3b、分光器4、透镜3a及平行光管6a返回到光纤2a。液晶光开关5A通过对每个波长改变光强度，可使返回到光纤2a的光的光强度具有预定的波长特性。
例如，由于对光进行放大的放大介质的增益依赖波长而变化等，从光纤2a入射的光变化时，利用液晶光开关5a对增益与波长的依赖性进行补偿使入射的光强度变更之后再出射。此外，在单芯平行光管6a与光纤2a连接时，用循环器7分离来自动态增益均衡器的光并出射到光纤2b。
图1(b)是使用双芯平行光管6b的结构例子。该结构例子中，不需要图1(a)具有的循环器7，并使用双芯平行光管6b代替图1(a)的单芯平行光管6a。这样，来自光纤2a的入射光经双芯平行光管6b入射到动态增益均衡器1b。光强度由动态增益均衡1b变更的光不通过循环器7而直接从双芯平行光管6b出射到光纤2b。
另外，图1(c)为具有光强度的监控功能、并使用经监控了的光强度控制液晶光开关5a的结构例子。此外，在图1(c)中，虽表示适用于使用了图1(a)的循环器7及单芯平行光管6a的结构例子的情况，但也能适用于使用了图1(b)的双芯平行光管6b的结构例子。
图1(c)中，液晶光开关5A具有光电二极管阵列(PDA)8等光强度检测器。液晶光开关5A在反射入射光的一部分使其返回入射侧的同时，将入射光的剩余部分导入与反射方向不同的方向。光电二极管阵列8吸取除反射光之外的出射光并检测每个波长的光强度。
由光电二极管阵列8检测到的检测信号由监控装置9监控。控制装置10根据监控器的输出控制液晶光开关5A。此外，监控器的输出也可以显示在未图示的显示装置中。另外，也可以不设控制装置10而只显示监控器的输出。此外，光纤2a、2b采用单模光纤。
下面，使用图2对液晶光开关的结构及利用液晶光开关控制光的波长特性进行说明。此外，液晶光开头也适用于将出射光反射到与入射光相同方向的递归反射型和将出射光导入与入射光不同方向的透射型中任何一种。
图2(a)表示构成液晶光开关的多个液晶光开关元件的一维配置。将多个液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n沿分光器分光而成的分光成分配置成线状，使其与各波长λ1、λ2、λ3、……、λn对应。这样，各液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n变更各个波长λ1、λ2、λ3、……、λn的光强度。
同样，图2(b)表示构成液晶光开关的多个液晶光开关元件的二维配置。将多个液晶光开关元件5-1a、5-1b、5-1c、……、5-1m，5-2a、5-2b、5-2c、……、5-2m，5-na、5-nb、5-nc、……、5-nm沿着分光器分光成的分光成分的线方向及与该线方向垂直的方向配置，例如，使液晶光开关元件5-1a、5-1b、5-1c、……、5-1m与波长λ1对应，使液晶光开关元件5-2a、5-2b、5-2c、……、5-2m与波长λ2对应，关于其它液晶光开关元件也是同样的。
若采用这种二维配置，通过以多个液晶光开关元件来变更各波长中与相同波长对应的光强度，则能更细微地变更各波长的光强度。
图2(c)表示入射到各液晶光开关元件的光的光强度(图中的实线A)和改变光强度后出射的光的光强度(图中的虚线B)的简要例子。
如图2(c)的实线A所示，强度特性根据放大介质的增益与波长的依赖性等，其增益随波长而变化。与各波长相对应配置的液晶光开关元件使各波长的光强度降低，例如，获得如图2(c)的虚线B所示的强度特性。这种强度特性做成对于任何波长都有基本相同的光强度。此外，还可以根据需要决定要什么样的波长特性。
下面，使用图3对具有光电二极管阵列的液晶光开关的结构及利用这种液晶光开关控制光的波长特性进行说明。此外，在此，作为液晶光开关可以应用将出射光反射到与入射光相同方向的递归反射型或将出射光导入与入射光不同方向的透射型的任一种。
图3(a)表示构成液晶光开关的多个液晶光开关元件的一维配置。这种液晶光开关具有与图2所示的结构相同的一维配置的液晶光开关相同的光电二极管阵列8。光电二极管阵列8并列设置于液晶光开关元件的一个输出端。
将多个液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n沿分光器分光的线配置，这些液晶光开关元件并排着，并列设置成光电二极管阵列8-1、8-2、8-3、……、8-n。光电二极管阵列8-1、8-2、8-3、……、8-n对每个波长λ1、λ2、λ3、……、λn检测液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n变更光强度并反射光后剩余光的光强度。
同样，图3(b)表示构成液晶光开关的多个液晶光开关元件及光电二极管阵列的二维配置。液晶光开关在与图2所示的结构相同的二维配置的液晶光开关中具有光电二极管阵列8。光电二极管阵列8并列设置在液晶光开关的一输出端。
将多个液晶光开关元件5-1a、5-1b、5-1c、……、5-1m，5-2a、5-2b、5-2c、……、5-2m沿着分光器4分光而成的线及与该线垂直的方向配置，与这些液晶光开关元件并列、并并排设置光电二极管阵列8-1a、8-1b、8-1c、……、8-1m，8-2a、8-2b、8-2c、……、8-2m，8-na、8-nb、8-nc、……、8-nm。光电二极管8-1a、8-1b、8-1c、……、8-1m，8-2a、8-2b、8-2c、……、8-2m，8-na、8-nb、8-nc、……、8-nm对每个波长λ1、λ2、λ3、……、λn检测相对光强度变更后反射的光剩余光的光强度。
例如，当使液晶光开关元件5-1a、5-1b、5-1c、……、5-1m与λ1对应时，则光电二极管阵列8-1a、8-1b、8-1c、……、8-1m对波长λ1的光检测光强度变更后的剩余光的光强度。对于其它的液晶光开关元件也相同。
采用这样的二维配置，通过以多个光电二极管阵列检测在各波长中与相同波长对应的光强度，则可更精细地检测各波长的光强度，进而更精细地进行变更。
图3(c)与图2(c)相同，表示入射到各液晶光开关元件的光的光强度(图中的实线A)和变更光强度后出射的光的光强度(图中的虚线B)的简要例子。
如图3(c)的实线A所示，根据放大介质的增益与波长的依赖性，增益随波长而变动。相对于该增益变动，通过利用与各波长相对应的液晶光开关元件降低每个波长的光强度，例如，如图3(c)的虚线B所示，则可使任何波长都具有大致相同的强度特性。
图3(d)表示光电二极管阵列的输出例子。光电二极管的检测输出是指液晶光开关变更光强度并出射后的剩余光的光强度，相当于图3(c)中的实线A和虚线B之差的部分。
例如，利用液晶光开关设定光强度变更使其具有如图3(c)的虚线B所示的波长特性时，则无增益变动。若入射光的光强度无变化，则可获得如图3(d)所示特性的光电二极管阵列的输出。相反，当光电二极管的输出特性与图3(d)所示的特性偏离的情况下，则表示入射光的光强度有所变化。这时，为了使光的波长特性与设定的特性相吻合，则用液晶光开关控制光强度的变更，使光电二极管阵列的输出特性成为设定时的特性。
下面，就本发明的液晶光开关用的液晶光开关元件说明二种结构形式。
第1种结构形式的结构是将液晶盒与反射板予以组合的光学元件配置在与偏振光束分离器垂直的任意二个侧部，而将偏振光束分离器的另一侧部作为光的入射端及反射端。下面，使用图4对第1种结构形式进行说明。
图4(a)中，液晶光开关5将组合了液晶盒13和反射板15的光学元件以及组合了液晶盒14和反射板16的光学元件配置在与偏振光束分离器11垂直的二个侧边，而将夹持住偏振光束分离器11并与液晶盒13对置的一侧作为入射端及出射端通过平行光管17与光纤19连接。另一方面，夹持住偏振光束分离器11并与液晶盒14对置的一侧作为变更光强度后剩余光的出射端。监控器除了通过未图示的平行光管与光纤连接外，可以配置光电二极管阵列构成。
为了将光纤19一侧兼用作入射端和出射端，通过与循环器18连接将入射光和出射光分离。液晶盒13、14通过施加电压使入射的光的偏振光状态的λ/4波长变化。在该结构中，通过与反射板组合，则因入射和出射相一致，使偏振光状态λ/2波长变化。此外，偏振光束分离器11具有偏振光束分离合成膜12。
在这种结构的液晶光开关中，作为开关动作可采取以下2个动作，即光不出射到入射端一侧的状态(变换状态-Exchanging state)和光出射到入射光一侧的状态(直接状态-Straight state)。
图4(b)是用于说明Exchanging state的图。在这种动作状态下，电压不加到液晶盒13及液晶盒14上。从光纤19入射了的光由偏光面直交的2个偏振光成分P和偏振光成分S构成。入射光经平行光管17变成平行光束后，入射到偏振光束分离器11，分离成由偏振光分离合成膜直行的偏振光成分P和反射的偏振光成分S。
在电压未施加到液晶盒13及液晶盒14的情况下，利用液晶盒13及液晶盒14实施偏振光状态的改变。此外，在图4(b)中，以ON表示偏振光状态进行变换的状态。直行的偏振光成分P中，仅λ/4波长的偏振光状态变化通过了液晶盒13后，由反射板15反射再次通过液晶盒13。这时，偏振光状态中λ/4波长再次变化。藉此，入射的偏振光成分P变换为偏振光成分S。所变换的偏振光成分S由偏振光分离合成膜12反射，从与入射端不同的端部出射。另一方面，由偏振光分离合成膜12反射的偏振光成分S中，仅λ/4波长的偏振光状态变化通过了液晶盒14后，由反射板16反射并再次通过液晶盒14。这时，偏振光状态的λ/4波长再次变化。藉此，入射的偏振光成分S变换为偏振光成分P。所变换的偏振光成分P通过偏振光分离合成膜12，从与入射端不同的端部出射。这样，入射的光就从与入射端不同的端部出射。
另外。图4(c)是用于说明Straight state的图。在这种动作状态下，电压施加到液晶盒13和液晶盒14上。在电压施加到液晶盒13和液晶盒14的情况下，不利用液晶盒13和液晶盒14进行偏振光状态的变换。此外，在图4(c)中，以OFF表示不进行偏振光状态变换的状态。
直行的偏振光成分P只有λ/4波长以原来的偏振光状态通过液晶盒13后，由反射板15反射再以原来的偏振光状态通过液晶盒13。反射后，通过了液晶盒13的偏振光成分P直行通过偏振光分离合成膜12，经平行光管17出射到光纤19。另一方面，由偏振光分离合成膜12反射的偏振光成分S以原来的偏振光状态通过液晶盒14后，由反射板16反射再次以原来的偏振光状态通过液晶盒14。反射后，通过了液晶盒14的偏振光成分S由偏振光分离合成膜12反射，再次通过平行光管17出射到光纤19。这样，已入射的光从与入射端相同的端部出射。
此外，由与上述结构的液晶光开关相同结构构成的2×2光切换开关的结构和使用2×2光切换开关的分插式多路复用器(アドドロツプマルチプレクサ)的结构记载在例如，《光学工程》(Optical Engineering)40卷、8期、1521-1528页，2001年8月(Sarun Sumriddetchkajorn，Nabbel A、Riza，Deepak K Sengupta)。
在第2种结构形式中，液晶光开关元件具有偏振光束分离器，至少2个反射板和控制偏振光方向的液晶盒。偏振光束分离器及反射板的配置使得以偏振光束分离器分离了的2个偏振光成分相互沿着同一光路以不同的行进方向再次入射到偏振光分离器中并予以合成，同时在光路上配置液晶盒。
图5中，液晶光开关具有偏振光分离合成装置21，至少2个反射装置22和控制偏振光方向的偏振光控制装置23。偏振光分离合成装置21分离出包含在入射光中的偏振光成分P和偏振光成分S，使偏振光成分P沿原方向前进，而使偏振光成分S反射。
反射装置22(22A、22B)的配置使得用餐偏振光分离合成装置21分离的2个偏振光成分相互沿着同一光路以不同的行进方向再次入射到偏振光分离合成装置21。以图中所示的T示出的三角形表示由偏振光分离合成装置21及反射装置22A、22B形成的光路。当由以图中的a所示的方向看入射的光时，形成光在偏振光分离合成装置21中直行，按反射装置22A和反射装置22B的顺序反射后，再次返回到偏振光分离合成装置21的路径c和由偏振光分离合成装置21进行反射，按反射装置22B和反射装置22A的顺序反射后，再次返回到偏振光分离合成装置21的路径d。2个路径c、d为同一光路。此外，即使由以图中的b所示的方向看入射的光，由于偏振光分离合成装置21、反射装置22A、22B的配置呈光学对称，因而2个路径c、d同样地为同一光路。
另外，在该光路上配置有控制偏振光状态的偏振光控制装置23。而偏振光控制装置23的配置位置在光路上则可有种种方式。
采用这种结构，即使为不同的路径，由于具有相同的光路长，因而可将在光路上通过的反射装置及偏振光控制装置等光学元件做得相同。
此外，偏振光分离合成装置21可由偏振光分离合成膜形成。另外，偏振光控制装置23可由液晶盒形成。
下面，使用图5(b)、图5(c)对根据上述第2种结构形式的结构例子及该结构例子的动作状态进行说明。
结构例子中，将2个反射板22A、22B配置在与偏振光分离合成装置21呈对称的位置上并使偏振光成分的入射角和出射角为22.5度。而入射角和出射角在图中以θ表示。在这个结构例子中，将进行λ/4波长的偏振光控制的偏振光控制装置23配置在2个反射板22a、22b中的1个反射板(图中虽表示为反射板22a的例子，但也可以是反射板22b)的光路上的前方位置。
图5(b)是用于说明与上述“变换状态”对应的动作的说明图。在这种动作状态下，不利用偏振光控制装置进行偏振光的转换。作为控制装置在使用液晶盒的情况下，通过对液晶盒施加电压则可达到这种动作状态。图中以“OFF”表示这种动作状态。
从入射端(图中的IN)入射的光由偏振光面垂直的2个偏振光成分P和偏振光成分S构成。入射光由未图示的平行光管变成平行光束后，被偏振光分离合成装置21分离成直行的偏振光成分P和反射的偏振光的成分S。
在这种状态下，偏振光控制装置23a由于不进行偏振光转换，因而直线行进的偏振光成分P以其原状的偏振光状态通过偏振光控制装置23a后，被反射板22a反射而再次通过偏振光控制装置23a。此时，偏振光状态无变化而仍为偏振光成分P的原状。偏振光成分P再由反射板22b反射而到达偏振光分离合成装置21。这时的偏振光成分P的行进方向为与入射方向垂直的方向。该偏振光成分P在偏振光分离合成装置21中直线行进，由与入射端不同的端部出射。
另一方面，被偏振光分离合成装置21反射了的偏振光成分S由反射板22b反射，以原有的偏振光状态通过偏振光控制装置23a后，被反射板22a反射并再次通过偏振光控制装置23a。此时，偏振光状态无变化而仍为偏振光成分S的原状。偏振光成分S再次到达偏振光分离合成装置21并被反射。这时的反射方向为与入射方向垂直的方向，并从与入射端不同的端部出射。这样，入射了的光就从与入射端不同的端部出射。
图5(c)是用于说明与上述的“Straight state”相对应的动作的图。在这种动作状态下，利用偏振光控制装置进行偏振光变换。使用液晶盒作为偏振光控制装置时，通过不对液晶盒施加电压达到这种动作状态。图中以“ON”表示这种动作状态。
从入射端(图中的IN)入射的光由未图示的平行光管变成平行光束后，利用偏振光分离合成装置21分离成直线行进的偏振光成分P和反射的偏振光成分S。
在这种动作状态下，偏振光控制装置23a进行偏振光变换，直线行进的偏振光成分P因通过偏振光控制装置23a进行λ/4波长变换后由反射板22a反射，因再次通过偏振光控制装置23a进行λ/4波长变换而变换成偏振光成分S。偏振光成分S进而由反射板22b反射而再次到达偏振光分离合成装置21。这时的偏振光成分S的行进方向为与入射方向垂直的方向。该偏振光成分S由偏振光分离合成装置21反射，经未图示的平行光管由与入射端相同的出射端OUT入射。
另一方面，由偏振光分离合成装置21反射的偏振光成分S由反射板22b反射，随后通过偏振光控制装置23a进行λ/4波长变换后由反射板22a反射，再次通过偏振光控制装置23a进行λ/4波长变换而变换成偏振光成分P。偏振光成分P再次到达偏振光分离合成装置21并直线行进。这时的行进方向变成与入射方向相反的方向，经未图示的平行光管从与入射端相同的出射端OUT出射。这样，入射了的光就从与入射端相同的端部出射。
采用第2种结构形式的结构例子，除了图5所示的结构外，还可以做成图6所示的结构。
图6(a)所示的结构例子将2个反射板22a、22b配置在相对于偏振光分离合成装置21对称的位置并使其偏振光成分的入射角和出射角为22.5度。并且，入射角和出射角在图中以θ表示。在该结构例子中，将进行λ/8波长偏振光控制的偏振光控制装置23b、23c配置在2个反射板22a、22b的光路上的前方位置。
图6(b)所示的结构例子将2个反射板22a、22b配置在相对于偏振光分离合成装置对称的位置上并使偏振光成分的入射角和出射角为45度；进而，还将1个反射板22c配置在连接2个反射板22a、22b的光路上，即与这些反射板22a、22b的垂直方向上。在该结构例子中，将进行λ/4波长偏振光控制的偏振光控制装置23d配置在反射板22c的光路上的前方位置。
图6(c)所示的结构例子将2个反射板配置在相对于偏振光分离合成装置对称的位置上并使偏振光成分的入射角及出射角为45度；进而，还将1个反射板配置在连接2个反射板的光路上，即与这些反射板的垂直方向上。偏振光控制装置的其它配置方式将进行λ/12波长偏振光控制的偏振光控制装置配置在3个反射板的各光路上的前方位置上。在该结构例子中，将进行λ/12波长偏振光控制的偏振光控制装置23e、23f、23g配置在各反射板22a、22b、22c处。
图6(d)所示的结构例子与图6(b)、(c)的结构例子相同，是将3个反射板配置成相互垂直的结构，将与偏振光分离合成装置21邻接的任何一个反射板作为棱镜等全反射镜，将进行λ/8波长偏振光控制的偏振光控制装置配置在其余的2个反射板的光路上的前方位置上。在这种结构的例子中表示的结构是，反射板22b作成棱镜，在反射板22a、22c的光路上的前方位置配置有进行λ/8波长偏振光控制的偏振光控制装置。此外，偏振光分离合成装置21由以一组棱镜21b、21c夹住偏振光合成分离膜21a构成。
图6(e)所示的结构例子将2个反射板配置在相对于偏振光分离合成装置21对称的位置上，并使偏振光成分的入射角和出射角为22.5度，将进行λ/2波长偏振光控制的偏振光控制装置配置在2个反射板间的光路上。在该结构例子中将进行λ/2波长偏振光控制的偏振光控制装置23h配置在反射板22a、22b之间的光路上。
图6(f)所示的结构例子将2个反射板配置在相对于偏振光分离合成装置21对称的位置上并使偏振光成分的入射角和出射角为22.5度，将进行λ/10波长偏振光控制的偏振光控制装置配置在2个反射板的光路上的前方位置和2个反射板之间的光路上。在该结构例子中，将进行λ/10波长偏振光控制的偏振光控制装置23i、23j配置在反射板22a、22b上，将进行λ/10波长偏振光控制的偏振光控制装置23k配置在反射板22a和反射板22b之间的光路上。
通常，使用液晶盒的结构存在的问题是因PDL(偏振依赖性损失Polarization Dependent Loss)及PMD(偏振模式分散Polarization ModeDisperation)导致的光损失。例如，PDL存在的问题是伴随着光透射液晶盒具有的电极，其信号强度降低。另外，在通过液晶盒的次数较多的结构中，当相对于各偏振光的光路有些不同时，该偏振依赖性损失有增大的情况。另外就PDM而言，由于因直交的偏振模式导致的光脉冲的分散程度不同，因而光路长的差异越大，这种光分散引起的信号劣化越大。
对于这样的光损失，利用本发明的用于动态增益均衡器的液晶光开关元件，可以使偏振光成分通过相同的光路，结果可使光路长及光学特性成为相同。从而，可达到低PDL化、低PMD化。
图7是可适用于本发明的液晶光开关所用的偏振光控制装置的液晶盒的结构例子。
下面，对将液晶盒和反射板予以组合的结构进行说明。在液晶盒和反射板的组合方式中，从光入射一边看去时，有反射板配置在液晶盒外侧的结构和反射板配置在液晶盒内侧的结构。图7(a)表示的是反射板配置在液晶盒外侧的结构例子，图7(b)、图7(c)表示的是反射板配置在液晶盒内侧的结构例子。
图7(a)中，液晶盒30从光入射一边开始依次由玻璃等基板31a、ITO等透明电极膜32a、定向膜33a、液晶层34、定向膜33b、透明电极膜32b、基板31b、外部反射板35构成。此处，外部反射板35可以为由电介质多层膜、铝或金等高反射性材料构成的金属膜。
另外，图7(b)中，液晶盒30从光入射一边起依次由玻璃等基板31a、ITO等透明电极膜32a、定向膜33a、液晶层34、定向膜33b、内在反射板36、导电膜37、基板31b构成。此处，内在反射板36为用于利用导电膜37施加电场的电介质多层膜。另外，导电膜37可以使用由ITO形成的透明电极膜，基板31b不限于玻璃等透明材料，也可以使用不透明材料。
另外，图7(c)中，液晶盒30从光入射一边起依次由玻璃等基板31a、ITO等透明电极膜32a、定向膜33a、液晶层34、定向膜33b、内在反射板38、基板31b构成。此处，内在反射板38为兼作下部电极用的金属膜。基板31b不限于玻璃等透明材料，也可以使用不透明材料。
在上述各种结构的液晶盒中，在定向膜的下部(或电极的上部)也可以形成防止上下基板短路用的绝缘膜。另外，在液晶盒和棱镜之间夹有空气层的结构中，为了防止在液晶盒表面不必要的反射，最好用电介质多层膜形成防反射膜(ARAntireflection Coating)。
另外，液晶元件的定向可以为不平行定向或平行定向。而液晶可以使用强电介质液晶或扭型向列液晶等。
在上述液晶盒中，本发明的液晶光开关可以以两种状态进行控制开关的动作，即以入射直线偏振光的方位角旋转90度的状态和以原来的状态即旋转0度的状态。另外，通过使用可进行色调控制的液晶，可利用中间状态的偏振光构成可变光衰减器。
另外，在利用液晶盒的开关动作进行光的切换时，该液晶盒的响应速度取决于液晶盒的厚度。在本发明的液晶开关中，为进行λ/2波长的偏振光变换通过采用使用多个液晶盒的结构，可将各液晶盒的厚度减薄而提高响应速度。
另外，由于响应速度以二次方速度提高，例如，以同一反射型的液晶盒比较时，通过将各液晶盒的厚度减到1/2，则响应速度为4倍，各液晶盒的厚度减到1/3，则响应速度为9倍。
下面，使用图8对使变更了光强度的光在与入射方向不同的方向出射的透射型的动态增益均衡器进行说明。并且，图8(a)是没有光强度监控功能的结构例子，图8(b)是具有光强度监控功能的结构例子。
在图8(a)所示的结构例子中，本发明的动态增益均衡器ID包括将入射的光予以分光的分光器4、入射已被分光器4分光而成的分光成分的液晶光开关5b、以液晶光开关5b变更光强度并将已通过的光的各波长予以合波的合波器20及配置在入射端和分光器4之间、分光器4和液晶光开关5b之间的光学零件3(透镜3a、3b)。合波器20可以采用具有在分波之后使各分波合波功能的例如使用薄膜滤波器的结构，或者可采用配置透镜3b、分光器4、透镜3a、平行光管6a，使已分波的光成像在光纤2b上的结构。
入射光可以从光纤2a入射。通过了光纤2a的光经连接在光纤2a的端部的平行光管6a、通过透镜3a导入分光器4。利用分光器4分光而成各波长的光成分通过透镜3B导入液晶光开关5B。
透射型的液晶光开关5B变更已被导入的各波长成分的光强度并使强度已变更的光通过。通过了液晶光开关5B的光由合波器20聚集并导入光纤2b。液晶光开关5B通过对各波长的光变更其光强度，可使已导入光纤2b的光的光强度达到规定的波长特性。例如，从光纤2a入射的光在对光进行放大的放大介质的增益随着波长而变化的情况下，为了利用液晶光开关5B补偿该增益的波长依赖性，可变更已入射的光的光强度后再出射。
采用透射型的液晶光开关5B，由于可使入射端和出射端不同，因而可不需要分离光的循环器及双芯平行光管。
另外，图8(b)是具有光强度监控功能、使用该监测的光强度来控制液晶光开关5B的结构例子。
图8(b)中，液晶光开关5B具有光电二极管阵列(PDA)8等光强度检测器。液晶光开关5B在变更入射的光强度并在与入射方向不同的方向出射的同时，还将光强度已变更的剩余光导入与入射方向和出射方向不同的方向上。光电二极管阵列8接收出射光以外的光并检测各波长的光强度。由光电二极管阵列8检测出的检测信号由监控器装置9监控，监控器输出利用控制装置10控制液晶光开关5B。此外，监控器材输出可以显示在未图示的显示装置上；另外，也可以做成没有控制装置10也还能显示监控器输出。此外，光纤2a、2b采用单模光纤。
下面，使用图9对将出射光导入与入射光不同的方向上的透射型的液晶光开关的结构进行说明。对于透射型的液晶光开关也与上述反射型的液晶光开关同样，可采用一维配置和二维配置。下面，以一维配置为例予以说明而省略对二维配置的说明。
图9(a)表示构成液晶光开关的多个液晶光开关元件的一维配置。多个液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n沿分光器分光的线配置，使其与各波长λ1、λ2、λ3、……、λn相对应。这样，各液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n分别变更波长λ1、λ2、λ3、……、λn的光强度，将光强度已变更的光出射到与入射方向不同的规定方向上(例如，图9中的箭头P的方向)。另外，剩余光导入到与入射方向和出射方向不同的方向上(例如，图9中的箭头Q的方向)。此外，图9所示的箭头P的方向和Q的方向的位置关系只不过是为说明的方便所示，实际上不受该位置关系的限制。另外，虽可以将多个液晶光开关元件二维配置而构成液晶光开关，但在此省略其说明。
下面，使用图9(b)对具有光电二极管阵列的透射型的液晶光开关的结构进行说明。此处表示的是多个液晶光开关元件一维配置的例子。该液晶光开关与图9(a)所示的结构同样在一维配置的各液晶光开关中具有光电二极管阵列8。光电二极管阵列8并列设置在液晶光开关元件的一个输出端。
沿着分光器分光的线并列配置多个液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n；在这些液晶光开关元件上并列设置有光电二极管阵列8-1、8-2、8-3、……、8-n。液晶光开关元件5-1、5-2、5-3、……、5-n分别变更波长λ1、λ2、λ3、……、λn的光强度，将光强度已变更的光出射到与入射方向不同的规定方向上(例如，图9中的箭头P的方向)。剩余光导入到与入射方向和出射方向不同的方向上，对每个波长λ1、λ2、λ3、……、λn检测这些剩余光的光强度并输出检测信号(例如，图9中的箭头R)。
下面，使用图10对将出射光导入与入射光不同方向上的透射型的液晶光开关所用的液晶光开关元件的结构形式进行说明。
图10是只用单偏振光构成液晶光开关的例子。图10所示的液晶光开关如图6(d)所示，将偏振光分离合成装置21-2配置在液晶光开关元件5具有的偏振光分离合成装置21-1的一端，将偏振光分离合成装置21-2的一端作为输入端(IN)，而将偏振光分离合成装置21-1的另一端及偏振光分离合成装置21-2的另一端作为输出端(分别为OUT2、OUT1)。采用这种结构，例如从输入端IN输入的情况下，则以不由液晶光开关5进行偏振光变换的状态从输出端OUT1输出，而以由液晶光开关5进行偏振光变换的状态从输出端OUT2输出。将该输出端OUT1或输出端OTU2的任何一个作为出射端，而将另一个作为监控用端部。
本发明的动态增益均衡器可适用于例如用于远程传输用的1.55μm频带及地下区域(メトロエリア)等的EDFA(掺铒光纤放大器)的放大介质的增益随波长变化时的增益对波长依赖性的补偿。
另外，本发明通过使用液晶光开关以代替在变更光强度中使用的MEMS等的机械结构部分，可减少零部件数量及调整处所，从而可降低成本。
另外，本发明的动态增益均衡器所用的液晶光开关元件中，通过使以偏振光束分离器分离的2个偏振光成分通过同一光路，从而可实现低PDL化、低PMD化。
此外，采用本发明的动态增益均衡器所用的液晶光开关，通过将光电二极管阵列只设置在输出一侧，可具有光谱分析器功能。
如以上说明可知，本发明的动态增益均衡器可以不使用具有MEMS等的机械活动部分的机构，可以有选择地控制特定波长，从而使每个波长具有相同的光强度。由于没有机械活动部分，因而可提高控制性及可靠性。
另外，本发明的动态增益均衡器由于可通过补偿将剩余光传递到外部，从而可消除杂散光及发热问题。
此外，本发明的动态增益均衡器由于可监控通过补偿的剩余光，因而不必另外单独设置用于监控光的光谱分析器。而且，由于无需为监控光而将光分支，因而可防止因光分支而降低光强度。
本发明的动态增益均衡器在波分多路复用中，对于光纤及放大介质的波长依赖性因随时间的变化导致的光强度的离散进行补偿的增益均衡器是很有用的。
权利要求
1.一种动态增益均衡器，具有将入射的光予以分光的分光器、入射被上述分光器分光而成的分光成分的液晶光开关和配置在入射端和上述分光器之间及/或上述分光器和上述液晶光开关之间的透镜系统，其特征在于上述液晶光开关通过对各波长变更上述入射的分光成分的光强度并出射，可选择性地变更光的特定波长。
2.根据权利要求1所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关具有多个液晶光开关元件，该液晶光开关元件沿着由上述分光器分光而成的光成分呈线状配置。
3.根据权利要求2所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关元件呈二维配置在上述线方向及与上述线垂直的方向上。
4.根据权利要求2或3所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关元件将变更了光强度的光向着入射方向反射并出射。
5.根据权利要求2或3所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关元件将变更了光强度的光向着与入射方向不同的方向出射。
6.根据权利要求4或5所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关元件将组合了液晶盒和反射板的光学元件配置在与偏振光束分离器相垂直的任何2个侧部，将上述偏振光束分离器的另一侧部作为光的入射端和反射端，利用该液晶盒控制各偏振光成分的偏振方向。
7.根据权利要求4或5所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关元件具有偏振光束分离器、至少2个反射板和控制偏振光方向的液晶盒，为了使被偏振光束分离器分离而成的2个偏振光成分沿同一方向行进但相互行进方向不同并再次入射到偏振光束分离器予以合成，在配置上述偏振光束分离器及反射板的同时，在该光路上配置上述液晶盒，利用该液晶盒控制各偏振光成分的偏振方向。
8.根据权利要求6或7所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶盒控制入射直线偏振光的方位角回转0度和90度2个角度位置或任意角度位置。
9.根据权利要求1至3中任何一项所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关元件具有检测变更上述光强度并出射的出射光的剩余光的光强度的光检测元件，该光检测元件构成对各波长检测与上述出射光的光强度互补的光强度的光谱分析器。
10.根据权利要求6至8中任何一项所述的动态增益均衡器，其特征在于上述液晶光开关元件在偏振光束分离器的出射端的一端具有检测光强度的光电二极管阵列，该光电二极管阵列构成对各波长检测与上述出射光的光强度互补的光强度的光谱分析器。
11.根据权利要求9至10中任何一项所述的动态增益均衡器，其特征在于根据上述光谱分析器的检测输出控制上述各液晶光开关元件。
全文摘要
本发明涉及在光放大过程中对增益与波长的依赖性进行补偿的增益均衡器。尤其涉及可动态地进行增益补偿的动态增益均衡器。该动态增益均衡器(1)的结构为，具有将从入射端入射的光予以分光的分光器(4)，入射被分光器(4)分光而成的分光成分的液晶光开关(5)和配置在入射端和分光器(4)之间及/或分光器(4)和液晶光开关(5)之间的透镜系统(3)；液晶光开关(5)对每个波长变更入射的分光成分的光强度并出射。本发明可不使用具有MEMS等机械活动部分的机构，可有选择地控制特定波长，从而可使各波长的光强度均衡。
文档编号G02B6/26GK1653376SQ0381067
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月12日 优先权日2002年5月15日
发明者井出昌史 申请人:西铁城时计株式会社