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CN1338654A - 向法拉第元件施加磁场旋转光信号偏振的可变光衰减器 - Google Patents

向法拉第元件施加磁场旋转光信号偏振的可变光衰减器 Download PDF

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CN1338654A
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Abstract

对沿第一方向偏振的光信号进行衰减的设备,该设备包括一个偏振旋转单元,旋转光信号的偏振,产生具有第一方向偏振分量和相对于第一方向相差大体为90度的第二方向偏振分量的偏振旋转的光信号,以及一个输出单元,通过偏振旋转的光信号的第二方向的偏振分量,阻挡偏振旋转的光信号的第一方向的偏振分量。偏振旋转单元还包括一个电磁铁和一个永久磁铁并提供了各种结构的磁轭。一个控制电路将输出信号的输出功率保持为恒定值。

Description

向法拉第元件施加磁场旋转光信号偏振的可变光衰减器
本发明涉及一种可变光衰减器，通过当光信号通过法拉第元件时旋转光信号的偏振来衰减光信号。更具体地说，本发明涉及光信号的偏振的旋转角，用于旋转光信号的偏振的电磁铁和永久磁铁的结构，以及从可变光衰减器输出的光信号的功率电平或光的功率电平的控制。
图28是使用波分多路复用的传统的光通信系统的示意图。参见图28，多个光发送器(OS1...OSn)200以对应的波长(λ1...λn)发送光信号。该光信号是从光发送器200内部的一个光源产生的，典型的为一个激光二极管(LD)。由光发送器200发送的光信号由一个多个复用器(MUX)210结合成为一个波分多路复用的信号，通过光纤维220传播。光放大器230放大该波分多路复用信号。一个去多路复用器(DEMUX)240对波分的多路复用信号去多路复用，成为多个波长为λ1...λn的单独的光信号。多个光接收器，或单个可调谐光接收机250，可用于检测各光信号。光频率控制器260和光频率标准装置270可用来控制光发送器200的发送频率。
在光通信系统中，经常需要调整光信号的强度(光功率)。例如，信号的质量是由光信号的强度和光信号中的噪声的强度之间的比来决定的。该比通常称为光信噪比(光SNR)。因此，有必要经常调整光信号的强度以将光SNR增加到预定的水平之上。
此外，为了增加图28中所示的光通信系统中的波分多路复用信号的光SNR，对各个光信号通常需要具有相同的光强度。但是，每个光信号的电平随着产生光信号的光源的输出功率中的变化以及随着光通信系统中的光学元件的插入损失而发生不希望的改变。而且，光放大器比较典型地具有取决于波长的增益，由此，使得各个光信号具有不同的光强度。
可变光衰减器是典型地用来控制每个光信号的强度的，从而保持每个光信号为相同的光强度。一般来说，可变光衰减器衰减，或减小某些光信号的强度，使得所有的光信号保持为相同的强度。
在传统的光衰减器中，一个适当的物质被加到玻璃基板上，使得在基板上的透光度连续地变化。通过机械地改变光信号经过玻璃基板的位置即可以改变光信号的衰减。但是，光信号的位置的这种机械地改变，使得光衰减器相对较慢并具有不希望的较大的体积。因此，要在光发送器中提供这种机械改变的可变衰减器是很困难的。
日本延迟公开专利申请No.6-51255，名称“光衰减器”公开了一种可变光衰减器，它无需机械的改变操作。图29公开了这种可变光衰减器9。参见图29，该可变光衰减器包括一个磁光晶体1，偏振器2，永久磁铁3和电磁铁4。光信号由一个偏振器线性偏振(未示出)，从而提供一个线性偏振的光信号5。线性偏振的光信号5沿着光通路通过磁光晶体1。永久磁铁3施加一个与光通路平行的磁场。电磁铁4施加一个与光通路垂直的可变磁场。该可变磁场通过控制加到电磁铁4中的电流可得到控制。由永久磁铁3提供的磁场和由电磁铁4提供的磁场结合起来形成一个最终的，或复合的磁场，当线性偏振的光信号5经过磁光晶体1通过光通路时，旋转其偏振。磁光晶体1，永久磁铁3和电磁铁4一起形成一个法拉第元件9。
当磁光晶体1具有较大数目的光畴时，就会产生较大的光损失。但是，如果有永久磁铁3施加的磁场大于饱和程度时，复合的磁场变为大于饱和磁场。在这种情况下，在磁光晶体1内部的磁畴基本结合为一个大的畴，从而减少了光损失。
由于由电磁铁4产生的磁场的强度随着电磁铁4中的电流的电平而改变，复合磁场的的方向随着电流的电平而改变。光信号5的偏振方向，按着称为“法拉第现象”物理原理，被复合磁场旋转。其旋转角(即，“法拉第旋转”)与平行于光通路的复合磁场的分量(磁化矢量)的强度有关。
法拉第旋转θ由下述公式(1)给出。
公式(1)：
θ＝V·L·H
其中V为根据形成磁光晶体1的物质确定的Verdet常数,L为光通路，H为磁场强度。
参见图29，偏振方向被旋转的光信号5传播到偏振器2。如果偏振器2偏振方向与光束5的偏振方向相同，则整个光束5通过偏振器2。如果偏振方向不相符，则只有光束5中的与偏振器2的偏振方向相同的分量通过偏振器2。如果偏振方向相互之间具有90度的差，则光束5不能通过偏振器2，从而，提供光束5的最大的衰减。这样，可以通过控制法拉第旋转θ来确定光束5的那一部分通过偏振器2。
日本延迟公开专利申请No.6-51255还公开了另一种光衰减器。这种光衰减器被示于图30。现在参见图30，由光纤6a提供的光信号的一部分通过由双折射晶体8a和8b的双折射效果被引导到光纤6b。透镜7a和7b被用于对光信号聚焦。法拉第旋光器9，例如如图29所示的法拉第旋光器9被置于双折射晶体8a和8b之间。被引导到光纤6b的光信号与整个光信号的比可以通过调整法拉第旋光器9的法拉第旋转角而得到控制。因此，光信号的功率可以被可变地衰减。
图29中所示的可变光衰减器需要对光束线性偏振，而图30所示的可变光衰减器不需要对光束在任何方向上偏振。
图29和30所示的可变光衰减器不需要任何机械改变操作，因此不需要任何移动部件。因此，这种可变光衰减器与需要机械改变的部件的传统的可变光衰减器相比提供了改进的可靠性。
但是，利用图29所示的可变光衰减器，法拉第元件1通常是可提供法拉第效应的钇-铁-柘榴石(YIG)板或者一个柘榴石厚膜。但是，由这种法拉第元件提供的法拉第旋转通常依赖于波长和温度。
表1列出了由法拉第元件提供的法拉第旋转的波长依赖性和温度依赖性，以及相对于波长或温度的变化法拉第旋转产生的变化。测量是根据在1550nm产生45度法拉第旋转的法拉第旋光器得出的。当柘榴石厚膜的成分改变时，柘榴石厚膜的特性也发生改变。表1显示了相对地较大的改变。表1中的负号表示法拉第旋转随着波长或温度的增加而减小。
图31为显示磁场强度H和法拉第旋转之间的关系的示意图。参见图31，随着磁场强度H的增加，法拉第旋转增加了一个梯度V*L。在磁场强度的一定程度之外，法拉第旋转饱和。该饱和显示在磁光晶体内部的磁畴被结合成为一个磁畴。图31显示了梯度V*L随着温度或者波长的变化的变化。结果，Verdet常数具有不希望的波长依赖性和温度依赖性。
因此，图29和30所示的可变光衰减器依赖于波长和温度，这是所不希望的。此外，图30所示的可变光衰减器具有轻微的偏振损失。
因此，本发明的目的是提供一种可变光衰减器，它不依赖于温度和波长。
本发明的另一个目的是提供一种相对紧凑的，需要较小的驱动电流并有效地提供磁场的可变光衰减器。
本发明的进一步的目的是提供一种具有较小的偏振损失的可变光衰减器。
本发明的其他目的和优点将通过下述的描述说明，以及通过描述或者本发明的实践变得更为明显。
本发明的前述目地是通过这样一种设备完成的，它对沿第一方向偏振的光信号进行衰减。该设备包括一个偏振旋转单元和一个输出单元。该偏振旋转单元旋转光信号的偏振，产生具有第一方向偏振分量和相对于第一方向80度±30度的第二方向偏振分量的偏振旋转的光信号。输出单元通过偏振旋转的光信号的第二方向的偏振分量，阻止偏振旋转的第一方向的偏振分量。
本发明的目的也通过提供这样一种设备取得，该设备包括，一个磁光元件，一个磁路(例如电磁铁)，一个永久磁铁。光信号沿着光路传播通过磁光元件。磁路向磁光元件提供一个可变磁场。永久磁铁向磁光元件提供一个永久磁场。可变磁场和永久磁场结合一起形成一个最终的，或复合的磁场，当光信号通过磁光元件时旋转光信号的偏振。永久磁铁具有一个平行于光路的方向的分量，使得，当没有可变磁场通过磁路被加到磁光元件时，永久磁场使光信号的偏振被旋转。
此外，本发明的目的还通过提供下面的设备取得，该设备包括一个磁光元件和一个磁路。光信号传播通过磁光元件。磁路用于向磁光元件提供磁场，当光信号传播通过磁光元件时，旋转光信号的偏振。磁路包括一个具有一个第一端和一个第二端以及第一端和第二端之间有一个间隙的磁轭。磁场从磁轭的第一端传播到第二端，磁光元件位于所述间隙之间。
此外，本发明的目的还通过提供下面的设备取得，该设备包括一个偏振旋转单元和一个控制装置。偏振单元接收光信号并旋转光信号的偏振产生一个偏振旋转的光信号。输出单元通过偏振旋转的光信号的至少一部分作为输出信号。控制装置确定输出信号的功率电平以及控制偏振旋转单元的旋转量，保持输出信号的功率电平为恒定值。或者，控制装置用来确定接收的光信号的功率电平和输出信号的功率电平并控制偏振旋转单元的旋转量，保持输出信号的功率电平和接收的光信号的功率电平的比值为恒定值。
此外，本发明的目的还通过提供下面的设备取得，该设备包括一个光放大器和一个光衰减器。光放大器放大光信号并具有一个依赖波长的增益。光衰减器衰减光信号。光衰减器具有一个与光放大器的依赖波长的增益相反的依赖波长的衰减特性。
下面，通过结合附图对本发明的最佳实施例的描述，本发明的其他目的和优点将变得更为明显。
图1是根据本发明的一个实施例的可变光衰减器的示意图。
图2(A)显示了0度设置的偏振器(P)，法拉第元件(FR)和一个检偏器(A)，其中偏振器的偏振方向与检偏器的偏振方向相同。
图2(B)为45度设置的偏振器(P)，法拉第元件(FR)和一个检偏器(A)，其中偏振器的偏振方向相对于检偏器的偏振方向为45度。
图2(C)为90度设置的偏振器(P)，法拉第元件(FR)和一个检偏器(A)，其中偏振器的偏振方向相对于检偏器的偏振方向为90度。
图3显示了相对于图2(A)所示的0度设置的法拉第旋转的衰减的示意图。
图4显示了相对于图2(B)所示的45度设置的法拉第旋转的衰减的示意图。
图5显示了相对于图2(C)所示的90度设置的法拉第旋转的衰减的示意图。
图6显示了法拉第旋转的变化相对于波长变化和温度变化之间的关系的示意图。
图7(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为0度时相对于波长的任意衰减的示意图。
图7(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为0度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。
图8(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为45度时相对于波长的任意衰减的示意图。
图8(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为45度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。
图9(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为70度时相对于波长的任意衰减的示意图。
图9(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为70度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。
图10(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为80度时相对于波长的任意衰减的示意图。
图10(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为80度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。
图11(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为90度时相对于波长的任意衰减的示意图。
图11(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为90度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。
图12是根据本发明的一个实施例的可变光衰减器的示意图。
图13是根据本发明的另一个实施例的可变光衰减器的示意图。
图14是根据本发明的一个实施例，对图13所示的可变光衰减器进行的改进的示意图。
图15是根据本发明的一个实施例，对图14所示的的可变光衰减器进行的改进的示意图。
图16是根据本发明的一个实施例的可变光衰减器的磁路示意图。
图17(A)和17(B)分别是根据本发明的一个实施例，对图16所示的可变光衰减器进行的改进的顶部剖视图和侧面剖视图的示意图。
图18是根据本发明的另外的一个实施例的可变光衰减器的示意图。
图19为显示一个掺杂铒的光纤放大器(EDFA)的典型的放大特性的示意图。
图20为显示根据本发明的实施例的，具有可变光衰减器的光传输单元的示意图。
图21为显示根据本发明的实施例的，被调整消除光放大器的波长依赖性的可变光衰减器的衰减特性的示意图。
图22是根据本发明的另一个实施例的可变光衰减器的示意图。
图23是根据本发明的一个实施例，对图22所示的的可变光衰减器进行的改进的示意图。
图24(A)，24(B)和24(C)分别为根据本发明的另一个实施例的可变光衰减器的整体透视图，顶视图和正视图。
图25为根据本发明的实施例的，可变光衰减器的电磁铁的示意图。
图26(A)和26(B)分别是根据本发明的一个实施例的可变光衰减器的顶视图和侧视图。
图27(A)和27(B)是显示根据本发明的实施例的可变光衰减器的偏置磁场的方向模式的示意图。
图28(现有技术)为显示传统的利用波分多路复用的光通信系统的示意图。
图29(现有技术)为显示传统的可变光衰减器的示意图。
图30(现有技术)为显示传统的可变光衰减器的示意图。
图31为显示磁场H和法拉第旋转之间的关系的示意图。
下面参照附图中的例子，详细描述本发明的实施例，其中相同的标号表是相同的部件。
图1是根据本发明的一个实施例的可变光衰减器的示意图。现在参见图1，可变光衰减器包括一个偏振器(P)10，一个法拉第元件(FR)20，一个检偏器(A)30。法拉第元件20为一个磁光元件，例如磁光晶体。光束5由偏振器10接收和偏振。被偏振的光束5经过法拉第元件20然后通过检偏器30。
电磁铁50包括一个磁轭52和线圈54，并向法拉第元件20施加一个可变磁场。由电磁铁50施加的磁场的幅度可以通过改变加到线圈54的电流“i”而得到改变。该可变磁场平行于当光束5传播通过法拉第元件20时光束5的光通路。
永久磁铁40向法拉第元件20施加一个永久磁场。由永久磁铁40施加的可变磁场垂直于当光束5传播通过法拉第元件20时光束5的光通路。偏振器10具有一个相应的偏振方向。因此，偏振器10沿着其偏振方向线性地偏振光束5。被线性偏振的光束5传播通过法拉第元件20，这里，线性偏振的光束5的偏振方向被按照由永久磁铁40和电磁铁50产生的复合磁场被法拉第元件20旋转。更具体地说，该复合磁场具有一个平行于光束5通过法拉第元件20时光束5的传播方向的矢量分量，或“磁化矢量”。光束5的偏振方向被按照磁化矢量的强度旋转。通过法拉第元件的光束按照所施加的磁场的这种旋转被称为“法拉第效应”。由电磁铁50施加的磁场的幅度以及复合磁场的方向可通过改变施加到线圈54的电流而得到改变。因此，光束5的旋转量可通过控制施加到线圈54的电流而得到控制。
由永久磁铁40施加的磁场应该足够的大，以便将法拉第元件20内部的磁畴结合成为一个单一的磁畴。结果，由永久磁铁40和电磁铁50产生的复合磁场是如此之大，以至光束5在法拉第元件20内部的损失相对地较小。
检偏器30具有一个相对的偏振方向，并接收来自法拉第元件20的偏振旋转的光束5。当偏振旋转的光束5的偏振方向与检偏器30的偏振方向不一致时，光束5的一部分或者总体都被检偏器30阻挡，从而衰减光束5。偏振器10和检偏器30是这样设置的，使得当法拉第元件20不产生法拉第旋转时(即，在施加到法拉第元件20的复合磁场中基本没有磁化矢量分量)由偏振器10线性偏振的光束5的偏振方向基本垂直于检偏器30的偏振方向。结果，减小由可变光衰减器产生的衰减的温度依赖性和波长依赖性是有可能的。
线性偏振的光束5的偏振方向和检偏器的偏振方向之间的垂直关系也可以通过设置一个能够在光路中旋转偏振光的波片，并调整偏振器10和检偏器30来实现。例如，既使当偏振器10和检偏器30之间没有角分离时(即，当偏振器10和检偏器30之间为0度角设置时)，所需的垂直设置基本上可以通过设置一个波片并旋转偏振光90度来取得。
在序列号为08/704,946，1996年8月29日递交的美国专利申请，名称为“在磁光元件中产生均匀磁场的法拉第旋转器”中公开了一种可变光衰减器，这里引用作为参考。
此外，在图1中所示的可变衰减器中(包括在上述的名称为“在磁光元件中产生均匀磁场的法拉第旋转器”的美国专利申请的可变光衰减器中)，偏振器10的偏振方向和检偏器30的偏振方向之间的角度差可通过物理的方法被设置为所需的值。但是，为了描述方便，下面只是以举例的方式描述三个角度差(设置)。
图2(A)显示了0度设置的偏振器(P)，法拉第元件(FR)和一个检偏器(A)，其中偏振器的偏振方向与检偏器的偏振方向平行。图2(B)为45度设置的偏振器(P)，法拉第元件(FR)和一个检偏器(A)，其中偏振器的偏振方向相对于检偏器的偏振方向为45度。图2(C)为90度设置的偏振器(P)，法拉第元件(FR)和一个检偏器(A)，其中偏振器的偏振方向相对于检偏器的偏振方向为90度。图2(C)所示的布置被用于本发明的可变光衰减器。
由可变光衰减器提供的衰减A有下列公式(2)给出，其中θ表示由法拉第元件旋转的光的偏振方向和检偏器的偏振方向之间的相对角度，E表示构成可变光衰减器的光元件的消光比，L0表示光元件的内部损失。
公式(2)：
A＝10log(cos2(90-θ+E))+L0
参照上述的公式(2)，由可变光衰减器提供的衰减A随着cos2θ的增加而增加。
图3显示了相对于图2(A)所示的0度设置的法拉第旋转的衰减的示意图。图4显示了相对于图2(B)所示的45度设置的法拉第旋转的衰减的示意图。图5显示了相对于图2(C)所示的90度设置的法拉第旋转的衰减的示意图。在图3，4，5中，法拉第旋转被称作为控制角(度(deg))  。
在图2(A)中所示的0度设置中，当法拉第旋转为0度(没有施加磁场)时，衰减为最小。随着法拉第衰减的增加，衰减也增加。在法拉第旋转为90度时，衰减为最大。随着法拉第旋转接近20度，衰减逐渐变化，在接近90度的法拉第旋转时，衰减急剧地变化。为了以所需的方式控制衰减，需要法拉第元件的长度L足够的长，以允许90法拉第旋转。
在图2(B)中所示的45度设置中，当法拉第旋转为0度(没有施加磁场)时，衰减为3db。在法拉第旋转为-45度时，衰减为最小。在法拉第旋转为+45度时，衰减为最大。在法拉第旋转接近45度时，相对于法拉第旋转衰减急剧地变化。通过施加一个反向电流，即可获得一个反向的法拉第旋转。因此，需要法拉第元件的长度要允许45度法拉第旋转。所以，在图2(B)中所示的设置中的法拉第元件的长度可以为图2(A)中所示的设置的法拉第元件的长度的一半。
在图2(C)中所示的90度设置中，当法拉第旋转为0度(没有施加磁场)时，衰减为最大。随着法拉第衰减的增加，衰减也增加。在法拉第旋转为90度时，衰减为最小。应当注意的是在0度的法拉第旋转附近，衰减急剧地变化，在接近90度的法拉第旋转时，衰减逐渐地变化。为了以所需的方式控制衰减，需要法拉第元件的长度L足够的长，以允许90法拉第旋转。
如上所述，随着衰减达到其最大值，衰减随着法拉第旋转中的小的改变急剧变化。
申请人已经确定法拉第旋转相对于波长或者温度的变化的变化依赖于法拉地旋转的幅度。
更具体地说，图6显示了法拉第旋转的变化相对于波长变化和温度变化之间的关系的示意图。参见图6，法拉第旋转的变化与法拉第旋转的幅度成正比。当法拉第旋转为0度(没有施加磁场)时，法拉第旋转相对于波长或温度的变化为0度。随着法拉第旋转的增加，法拉第旋转中的变化也增加。
因此，当不发生法拉第旋转(当由永久磁铁和电磁铁产生的复合磁场不具有平行于光束的磁化分量时)，由于波长或者温度的变化而造成的法拉第旋转中的变化为最小。通过设置偏振器和检偏器，使得在不存在法拉第旋转的情况下，得到最大的衰减，相对于法拉地旋转中的变化的衰减的变化变为最小。因此，可以减小衰减的温度依赖性和波长依赖性。在这方面，图2(C)所示的90度设置是所希望的。
图2(C)所示的设置保证了在0度法拉第旋转时可以得到最大的衰减，并且特征在于由于波长或者温度的变化的法拉第旋转中的变化最小，所述衰减在接近0度法拉第旋转时急剧变化。而且，根据该设置，当法拉第旋转较大时可获得较小的衰减，且特征在于由于波长或者温度的变化而产生的法拉第旋转中的变化较大，当法拉第旋转较大时衰减逐渐地变化。
更具体地说，偏振器和检偏器的偏振方向被相互90度设置，使得在法拉第旋转为0度时可以获得最大的衰减。当光的透射率为最大时(即，当法拉第旋转为90度时)，由于波长或者温度的变化，法拉第旋转变化极大。但是，当光透射率为最大时，相对于法拉第旋转的衰减只是适当地变化。
表2显示了偏振器和检偏器的0度设置，45度设置和90度设置的特性。现在参见表2，在0度设置和90度设置中的输入端和输出端没有区别。相反，45度的设置是没有互换性的，输入侧和输出侧的互换会产生不同的操作。当没有施加电流时，该设置在两个方向上提供3db的衰减。当光束通过一个方向未经受任何衰减时，从另一端输入的光束经受到最大的衰减。换句话说，45度设置起到一个隔离器的作用。
图7-11为显示相对于波长的衰减特性的示意图。更具体地说，图7(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为0度时相对于波长的任意衰减的示意图。图7(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为0度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。在图7(B)中，所述的偏差被相对于1545nm的波长规一化。
图8(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为45度时相对于波长的任意衰减的示意图。图8(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为45度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。在图8(B)中，所述的偏差被相对于1545nm的波长规一化。
图9(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为70度时相对于波长的任意衰减的示意图。图9(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为70度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。在图9(B)中，所述的偏差被相对于1545nm的波长规一化。
图10(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为80度时相对于波长的任意衰减的示意图。图10(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为80度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。在图10(B)中，所述的偏差被相对于1545nm的波长规一化。
图11(A)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为90度时相对于波长的任意衰减的示意图。图11(B)为显示当偏振器和检偏器的偏振方向相互为90度时相对于波长的任意衰减的偏差的示意图。在图11(B)中，所述的偏差被相对于1545nm的波长规一化。
在具有图7(A)和7(B)所示的特性的0度设置中，当目标衰减大于20db时，衰减相对于波长偏差较大。相反，按照图11(A)和11(B)所示的90度设置，既使目标衰减大于35db，相对于波长，在衰减中只发生较小的偏差。对于1db的衰减法拉第衰减相对较大。例如，对于波长中的±15nm的变化，法拉第旋转表现出±2.5度的变化。但是，如图11(B)所示，在衰减中的偏差低于±0.01db。因此，光传输操作未受到影响。
当可变光衰减器被应用于光传输单元时，要频繁地使用0-20db的级别的衰减。计算表明，在80度设置中-其特性被示于图10(A)和10(B)，在0-20db的级别的衰减的偏差为最小。此外，考虑到可变光衰减器被通常使用的情况，通过设置偏振器和检偏器使得它们的偏振方向相互分开80±30度，波长依赖性即可被减小到对实际使用不产生任何问题的程度。
因此，利用图1所示的可变光衰减器，当法拉第元件20不提供法拉第旋转时，偏振器10和检偏器30被设置使得光束5的偏振方向(由偏振器10偏振)与检偏器30的偏振方向呈直角。但是，偏振方向可被设置得相差80±30度。
上面所述的偏振器和检偏器的偏振方向之间的关系不限于图1所示的可变光衰减器，也可适用于按照其他方式构造的可变光衰减器。
因此，根据本发明的上述实施例，可变光衰减器衰减以第一方向偏振的光信号。可变光衰减器包括一个永久磁铁，一个电磁铁和一个法拉第元件，它们共同被称为“偏振旋转单元”。可变光衰减器还包括一个检偏器，它可被称为“输出单元”。偏振旋转单元旋转光信号的偏振方向，产生一个具有第一方向的偏振分量的偏振旋转光信号，和一个具有与第一方向相差80±30度的第二方向的偏振分量的偏振旋转光信号。输出单元通过偏振旋转的光信号的第二方向的偏振分量，阻止偏振旋转光信号的第一方向的偏振分量。这种“输出单元”并不限于检偏器，其它可以通过一个偏振分量并阻止其他偏振分量的装置也用来作为输出单元。
图12是根据本发明的另一个实施例的可变光衰减器的示意图。象图1所示的可变光衰减器那样，图12所示的可变光衰减器包括偏振器10，法拉第元件20和检偏器30。偏振器10和检偏器30的偏振方向被设置得基本上互相垂直。因此，为了描述方便，假定他们的偏振方向分开90度。电磁铁55包括一个磁轭57和线圈59，并沿着垂直于光束5的行进，或者光路的方向向法拉第元件施加磁场。一对永久磁铁42向法拉第元件20施加磁场。永久磁铁42的每个都是环形的并且中间有通孔。由永久磁铁42产生的磁场被沿着光束5的行进，或者光路的方向施加到法拉第元件20。
因此，偏振器10线性偏振光束5。线性偏振的光束5经过永久磁铁42中的一个的通孔通过法拉第元件。当光束5通过法拉第元件20时，光束5的偏振按照由永久磁铁42施加的磁场和电磁铁55施加的磁场结合形成的复合磁场旋转。偏振旋转的光束5通过永久磁铁42的另一个的通孔被施加到检偏器30。由永久磁铁42产生的磁场最好足够强，使得法拉第元件20中的磁畴被结合在一起。因此，由永久磁铁42和电磁铁55产生的复合磁场也较大，使得光束5在法拉第元件的内部产生较小的损失。
当加到线圈59的电流为0 A时，只有永久磁铁42产生的磁场被施加到法拉第元件20。在这种情况下，根据法拉第旋转的原理，光束5的偏振方向被极大地旋转。当法拉第旋转为90度时，光束5将完全通过检偏器30，使得光束5的衰减最小。当加到线圈59的电流增加时，复合磁场的磁化矢量(即，在光束5的行进方向的矢量分量)减小，从而减小了法拉第旋转量。当法拉第旋转大体为0度时(即，当由永久磁铁42和电磁铁55产生的复合磁场大体垂直于光束5的行进方向时)，光束5将不被旋转并不通过检偏器30，从而光束5的衰减最大。图12所示的法拉第旋转和可变光衰减器的衰减之间的关系与图5中所示的相同。
当法拉第旋转相对较大时，相对于波长中的变化的法拉第旋转中的变化也较大。但是，根据图12中所示的设置，相对于法拉第旋转中的变化的衰减的变化较小，如图5所示。因此，相对于波长变化的衰减的变化被减小。
当法拉第旋转较小时，相对于波长变化的法拉第旋转的变化也较小，因此，相对于法拉第旋转的变化的相对较大的衰减的变化被消除。因此，相对于波长的变化的衰减的变化被减小。
在图12所示的可变光衰减器中，相对于温度变化的衰减的变化可以被减小。当图12中所示的可变光衰减器被应用于光传输单元时(即，光发送器)，偏振器10和检偏器30的偏振方向最好相差80±30度，与图1中所示的可变光衰减器的情况相似。
此外，许多种类型的磁路可被构造成具有如本发明的上述实施例那样偏振器和检偏器之间的关系。
下面描述根据本发明的实施例的可变光衰减器的另一个原理，其中，当加到电磁铁的电流为0A时，可变光衰减器提供完全的透光率。
根据本发明的上述的实施例所述的偏振器和检偏器的90度的设置，将可变光衰减器的波长依赖性和温度依赖性减小到一个相当小的程度。在图1所示的可变光衰减器中，当加到电磁铁50的线圈54的电流(驱动电流)为0A时光束5的衰减最大。因此，提供了一种“故障保护”功能，当控制电路出现故障或者向电磁铁50提供驱动电流的其它机构出现故障驱动电路被切断时，衰减自动地变为最大。
但是，切断提供到电磁铁50的电流不允许光束5通过可变光衰减器。更具体地说，光束5的偏振方向不被旋转，因此，光束5不能通过检偏器30。结果，提供到电磁铁50的电流的不希望的切断，在利用可变光衰减器的光传输单元或者光通信系统中造成不希望的效果。这种不希望的效果可在效果上抵消具有“故障保护”功能的优越性。
图13是根据本发明的另一个实施例的可变光衰减器的示意图。图13中所示的可变光衰减器与图1中所示的可变光衰减器类似，只是图13所示的可变光衰减器包括一个电磁铁60取代电磁铁50(见图1)。电磁铁60包括一个线圈64和一个磁轭62。磁轭62内部有一个永久磁铁(PM)66。为了简化图13，永久磁铁40(见图1)仍然存在，但在图13中未示出。图13中所示的可变光衰减器的结构的其它方面与图1中所示的可变光衰减器的对应方面相同。
参见图13，偏振器10和检偏器30的设置要使得它们的偏振方向相互分开90度。电磁铁60中的永久磁铁66在光束5的行进方向上施加一个偏置磁场。偏置磁场的强度被设置使得法拉第元件20产生的法拉第旋转为90度。当电流被加到线圈64时由电磁铁60产生的磁场起消除永久磁铁66的偏置磁场的作用。
当加到线圈64的电流为0A时，只有光束5的行进方向上的由永久磁铁66产生的偏置磁场被施加到法拉第元件20。结果，光束5的偏振方向被法拉第元件20旋转90度。因此，光束5的偏振方向与检偏器30的偏振方向一致，使得可变光衰减器的光透射率最大。当加到线圈64的电流增加时，偏置磁场被削减使得法拉第旋转减小并且衰减增加。因此，即使没有电流被加到电磁铁60时光束5也可被传送，并且波长依赖性和温度依赖性可被减小。
图14是根据本发明的一个实施例，对图13所示的可变光衰减器进行的改进的示意图。现在参见图14，法拉第元件22大约为前面所述的本发明的实施例的法拉第元件20的长度的一半(例如，图1中所示的法拉第元件20)。法拉第元件22的设置使得由电磁铁60中的永久磁铁66产生的偏置磁场提供一个-45度法拉第旋转。偏振器10和检偏器30被设置使得它们的偏振方向相互分开90度。图14中所示的可变光衰减器的结构的其它方面与图13中所示的可变光衰减器的对应方面相同。
参见图14，当没有电流被加到电磁铁60时，只有永久磁铁66产生的偏置磁场被施加到法拉第元件22，使得产生-45度法拉第旋转。在这种情况下，光透射率为50％。
当电流以正向被加到电磁铁60时，偏置磁场的强度由于电磁铁60产生的磁场而被减小，因此，使法拉第旋转减小。当法拉第旋转为0度时，衰减为最大。
当电流以反向被加到电磁铁60时，由电磁铁60产生的磁场被叠加到偏置磁场上，使得法拉第旋转在反方向上增加。当法拉第旋转达到-90度时，光透射率为最大。
当例如由于故障，没有电路被加到电磁铁60时，光束5的50％可被发送通过检偏器30。波长依赖性和温度依赖性也可被减小。由于40度的法拉第旋转保证最大的光透射率，加到电磁铁的电能可相对较小。因此，图14所示的可变光衰减器具有较低的功耗。
在图13和14所示的可变光衰减器中，永久磁铁被镶嵌在电磁铁的磁轭中。但是，形成磁轭的材料的导磁性非常高，使得靠近磁轭定位永久磁铁可取得与在磁轭中镶嵌永久磁铁取得的效果相同的效果。
图15是根据本发明的一个实施例，对图14所示的的可变光衰减器进行的改进的示意图。图15所示的可变光衰减器与图14所示的可变光衰减器的不同之处在于提供了一个电磁铁50(其中不包括永久磁铁)来代替电磁铁60，一对永久磁铁70被用来向法拉第元件22以倾斜于光束5的光路的方向施加偏置磁场。
在图14中所示的可变光衰减器中，由提供在磁轭62中永久磁铁66产生的偏置磁场被沿着光束5的行进方向施加。但是，为了结合法拉第元件22中的磁畴，可利用另外的永久磁铁(如同图1中所示的可变光衰减器中那样)以垂直于光束5的行进方向的方向施加一个偏置磁场。在这种情况下，法拉第元件22经受一个包括偏置磁场总和的复合磁场。在图15中所示的可变光衰减器中，复合磁场可以只由永久磁铁70形成。
因此，图15所示的可变光衰减器可取的与图14中所示的可变光衰减器相同的效果，但具有更简单的结构。图15中所示的结构不仅适用于图14中所示的可变光衰减器，而且也适用于包括图13中所示的可变光衰减器的其它的结构。
因此，根据本发明的实施例，一种可变光衰减器，包括一个磁光元件和一个磁路。一个光信号沿着一个光路行进到该磁光元件。该磁路(例如，电磁铁)向磁光元件施加一个可变磁场。一个永久磁铁向磁光元件施加一个永久磁场。可变磁场和永久磁场结合一起形成一个最终的，或者“复合的”磁场，被施加到磁光元件用于当光信号通过磁光元件时旋转光信号的偏振。永久磁场具有一个平行于光路的方向的分量，使得当没有磁路产生的可变磁场被施加到磁光元件时，永久磁场使得光信号的偏振被旋转。
下面描述根据本发明的实施例的可变光衰减器的进一步的原理。当可变光衰减器被安装到光传输单元(即，光发送器)时，施加到磁路的线圈的用于控制由可变光衰减器提供的衰减的驱动电能最好较小，以便具有低功耗。由于这个目的，有必要向法拉第元件有效地施加一个由磁路产生的磁场。
图16是根据本发明的一个实施例的可变光衰减器的磁路示意图。参见图16，电磁铁80包括一个磁轭82和线圈84。磁轭82具有端82a和82b，在82a和82b之间有一个间隙。法拉第元件20位于端82a和82b之间的间隙中。在端82a和法拉第元件20，82b和法拉第元件20之间基本没有间隙存在。因此，法拉第元件20完全填充了端82a和82b之间的间隙。利用这种结构，在磁轭82中产生的磁场基本没有损失地被有效地施加到法拉第元件20。结果，法拉第元件20经受了相对较强的均匀的磁场。与在法拉第元件和磁轭的端之间存在间隙的可变光衰减器相比，被施加到线圈的电流可被减小。换句话说，与在磁轭的端与法拉第元件之间存在间隙的情况相比，用于电磁铁80的驱动电能相对较小。
如上所述，基本上没有空隙存在于端82a和法拉第元件20之间，和端82b和法拉第元件20之间。一般来说，如果实际空隙小于或等于0.05mm，则认为“基本上没有空隙”存在于磁轭的端和法拉第元件之间。但是，根据磁路的尺寸和应用，术语“基本没有空隙”指间隙与法拉第元件和磁轭相比，不能大到产生明显的影响。例如，在本发明的最佳实施例中，法拉第元件的尺寸典型地为1mm，磁轭的长度典型地为30mm。假定磁轭(例如，由硅钢形成)的导磁率为空气的300倍而法拉第元件的导磁率为空气的3倍，如果间隙(在法拉第元件两侧的间隙之一)的宽度为0.2mm，则间隙的影响是极为明显的。这种间隙被认为是不希望的大。因此，如上所述，如果间隙小于或等于0.05mm是较好的。
图17(A)和17(B)分别是根据本发明的一个实施例，对图16所示的可变光衰减器进行的改进的顶部剖视图和侧面剖视图的示意图。图17(A)和17(B)所示的可变光衰减器与图16中所示的可变光衰减器的不同之处在于形成电磁铁80的一部分的两个线圈86-1和86-2被提供在法拉第元件20的相邻的位置，取代单一的线圈例如图16的线圈84。更具体地说，线圈86-1被绕在磁轭82的端82a，而线圈86-2被绕在磁轭82的端82b。
利用在法拉第元件20附近提供线圈86-1和86-2，由磁轭82中的磁阻产生的影响被减小，使得在磁轭82中产生的磁场被有效地提供到法拉第元件20。这种设置也保证了用于电磁铁80的驱动能量得以减小。由于由磁轭82形成的环路的高度被减小，可变光衰减器的高度也被减小。因此，可变光衰减器可以被容易地安装在光传输单元中。
在图17(B)中，楔形的双折射晶体被用作偏振器10和检偏器30，使得偏振依赖性被消除。根据这种结构的操作的描述被公开在日本延迟公开专利申请No.6-51255，名称为“光衰减器”中，这里作为参考。
图17(A)和17(B)也示出了一个透镜87，用于将来自光纤88的光束5导向到发拉第元件20，透镜89用于将来自法拉第元件20的光束5导向到光纤91。
下面描述将在磁轭中产生的磁场施加到法拉第元件的另一种方法。参见图16，图17(A)和17(B)，在插入法拉第元件20的磁轭82的端82a和82b之间的间隙越窄被施加到法拉第元件20的磁场就越有效率。由于法拉第元件20的相应的导磁性没有磁轭82的大，由于法拉第元件20，在间隙会产生漏磁场。
由于这种原因，在磁轭82的端82a和82b之间的间隙越小越好。由于间隙变窄传送光束5所要通过的区域被减小，需要平行的光束5的直径被减小。这种要求可以通过缩短透镜87的焦距来满足。例如，透镜87的焦距被减小为0.7mm，平行光束5的直径大约为140μm。应当注意，考虑到安装过程中的容差，将磁轭82的端82a和82b之间的间隙设置为例如300μm(大约为光束5的直径的两倍)或更少是相对容易的。
因此，根据本发明的上述实施例，一个磁光元件和一个磁路形成一个用于旋转光信号的偏振的偏振旋转单元。更具体地说，光信号沿着光路传播通过磁光元件。磁路向磁光元件施加一个磁场以旋转光信号的偏振。磁路包括一个具有第一端和第二端并且第一端和第二端之间有一个间隙的磁轭。磁场从磁轭的第一端传递到第二端，磁光元件位于所述间隙当中。此外，磁光元件填充于所述间隙使得在磁光元件和磁轭的第一端之间基本没有空隙，在磁光元件和磁轭的第二端之间也基本没有空隙。此外，磁路也可包括一个第一线圈绕在磁轭的第一端，和一个第二线圈绕在磁轭的第二端。一个第一电流通过第一线圈和一个第二电流通过第二线圈产生磁场，其中磁场可通过控制第一和第二电流而得到控制。
图18是根据本发明的另外的一个实施例的可变光衰减器的示意图。为了简化叙述，磁路未被示于图18中。现在参见图18，入射光束5通过透镜87被聚焦在法拉第元件20上。由于光束5的直径变为100μm，因此，可以将磁轭82(在图18中未示出)的端82a(在图18中未示出)和端82b(在图18中未示出)之间的间隙做得更窄。利用图18中所示的光学系统，所述间隙可以做到200μm窄。因此，可以将磁轭82中产生的磁场有效地施加到法拉第元件20使得用于电磁铁80的驱动能量被进一步减少。
因此，根据本发明的上述实施例，透镜87将光束5聚焦到法拉第元件20上。然后，磁轭82的端82a和82b之间的间隙的尺寸按照被聚焦到法拉第元件20上的光束5的直径确定。
下面描述根据本发明的可变光衰减器的另外的原理。更具体地说，如下面所详述，光纤放大器具有依赖于要放大的光信号的波长的的增益。因此，可以利用可变光衰减器的衰减的波长依赖性来补偿增益的波长依赖性。
首先，描述光纤放大器。铒掺杂的光纤放大器(EDFA)是一种已知类型的光纤放大器。在EDFA中，表示光信号的光束通过铒掺杂的光纤，当光束通过光纤时，光纤利用来自激光二极管的激励光被激励。激励光与光纤相互作用使得当光束通过光纤时被放大。
图19为显示一个掺杂铒的光纤放大器(EDFA)的典型的放大特性的示意图。更具体地说，图19显示了当向EDFA提供激励光的激光二极管的激励电源变化时典型的增益特性。现在参见图19，四波多路复用的信号被放大，每个信道的波长位于1550nm附近。从图19中可以看出，EDFA的峰值增益在1550nm附近，在那里增益特性是不平坦的。因此，在1540-1560nm的相邻的具有平坦增益特性的波长带宽被采用。
但是，既使在该波长带宽中，根据光纤放大器的工作条件波长依赖性可能会增加。如图19所示，当输出功率保持恒定值而输入功率增加时，或者当输入功率保持恒定值而输出功率增加时(如图19中所示的图的底部的曲线所示)，在1540nm侧到1560nm侧产生上升的增益特性斜率。
在光通信系统中，光纤的长度随着其安装位置的不同而不同。结果，输入到光纤的功率随着位置的不同而不同。因为输入功率随着位置的不同而不同，产生了增益的波长依赖性。为了防止发生波长依赖性，有必要将光纤放大器的增益保持为恒定值。如果增益保持为恒定值，在EDFA中的铒(Er)离子的反向填充恒定，因此，减小了波长依赖性的变化。在这种情况下，产生了另外的两个问题。
第一个问题是，如果光纤放大器的增益被保持为恒定值，输出功率按照输入功率变化。由于在长距离光传输中使用的光束被包含在光纤中的相当小的区域中，非线性的光学效应变为明显。为了消除该非线性光学效应，有必要控制光纤的输入功率。
图20为显示根据本发明的实施例的，具有可变光衰减器的光传输单元的示意图。更具体地说，图20显示了连接有可变光衰减器的两级光放大器以便将光输出保持为恒定值。这种两级光放大器被公开在例如，序列号为08/655,0271996年5月28日名称为“多波长光放大器”的美国专利申请中，这里引用作为参考。
第二个问题是当光纤放大器的增益被控制为恒定值并且增益的波长依赖性被减小时激励功率必须较大。通过将反向填充设置为一个预定值，有可能在1540-1560nm的波长范围获得平坦的增益斜率。但是，对于该平坦的斜率，有必要提供较大的激励功率。如果激励功率低的话，则形成不完全的反向填充使得趋向于长波长侧增益斜率上升。在解决这个问题的传统的方法中，使用了在长波长范围具有较大损失的光纤以便利用相对低的激励功率时减小增益的波长依赖性。但是，使用这种光纤使得光传输单元的相对复杂。
根据本发明的实施例的可变光衰减器可以用来解决上述的有关光放大器的增益的波长依赖性的问题。
更具体地说，现在参见图20，光束由EDFA92放大，通过隔离器93，排除滤波器94和EDFA95。可变光衰减器(ATT)位于EDFA92和EDFA95之间。因此，光束分两级放大，EDFA92代表第一级EDFA，EDFA95代表第二级EDFA。结果，EDFA92和EDFA95一起形成两级光放大器。
例如，EDFA92是高掺杂矾土的铒掺杂光纤(EDF)的EDFA，在EDFA92的输入和输出端之间提供自动增益控制(AGC)。例如，EDFA95也是高掺杂矾土的铒掺杂光纤(EDF)的EDFA，在EDFA95的输入和输出端之间提供自动增益控制(AGC)，并且使用1480nm激励光。但是，用于各种EDFA的激励光的频率和掺杂光纤的类型可以根据传输频率和光通信系统的所需的特性由本领域技术人员容易地确定。
可变光衰减器96可以是上述的本发明的实施例的可变光衰减器的任何一种。例如，可变光衰减器96可以是图1，12，13，14，15，16，17(A)，17(B)或18中所示的可变光衰减器。
偏振器(图20中未示出)，检偏器(图20中未示出)的角设置，法拉第元件(图20中未示出)，可变光衰减器96的长度，等参数被调整，使得波长依赖性与图19中的底部的曲线所示的光放大器的波长依赖性(当输出功率较大时造成的波长依赖性)相反。
这种利用可变光衰减器来补偿光放大器的特性并不是只限于使用两级光放大器。相反，可变光衰减器亦可用于其它类型的光放大器，例如，单级光放大器，来补偿光放大器的特性。
图21为显示根据本发明的实施例的，被调整消除光放大器的波长依赖性的可变光衰减器的衰减特性的示意图。如图21所示，趋向于长波长侧衰减增加。
通过在传输单元中使用根据本发明的上述实施例的可变光衰减器，无需使用消除波长依赖性的光纤。
此外，由于根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中的波长依赖性当衰减较大时可以被设置的较大，光纤放大器的增益的波长依赖性可以被成功地消除。更具体地说，假定有一个理想的光纤放大器，能够在不管输入功率的情况下将增益控制为恒定值，则没有必要消除任何增益的波长依赖性。但是，实际的光纤放大器的激励功率是有限的。因此，当输入功率增加时，有必要提升激励功率以便将增益控制为恒定值。由于光输出保持在恒定值，可变光衰减器的衰减增加。
当输入功率进一步增加使得激励功率达到最大值时，要保持恒定的反向填充是很困难的，造成光纤放大器的增益趋向于长波长侧时上升。在激励功率的上限相对较低的情况下，上述的增加则更容易发生。因此，如果可变光衰减器具有波长依赖性随着衰减的增加而增加的特性，则即使激励功率的上限较低增益的波长依赖性也能被有效地消除。因此，可以将用于光放大器的激励功率设置为较低程度，使得可以制造出具有较小的尺寸和较低的功耗的光纤放大器。
具有较大波长依赖性的可变光衰减器提供的衰减的温度依赖性将会自然地很大。因此，这种可变光衰减器需要具有一个控制电路，用于控制法拉第元件的温度为恒定值。
因此，根据本发明的上述实施例，设备包括光放大器和光衰减器。光放大器放大光信号并具有依赖波长的增益。光衰减器衰减光信号，并具有与光放大器的依赖温度的增益相反的依赖波长的衰减。该光衰减器包括一个偏振器，一个偏振旋转单元，和一个输出单元。偏振器以第一方向偏振光信号。偏振旋转单元旋转偏振的光信号，产生具有在第一方向的偏振分量和第二方向的偏振分量的偏振旋转的光信号。输出单元通过偏振旋转的光信号的第二方向的偏振分量并阻挡偏振旋转的光信号的第一方向的偏振分量。光衰减器的依赖波长的衰减可以由第一和第二方向之间的关系确定。
下面将描述根据本发明的实施例的可变光衰减器的进一步的原理。在根据磁光效应运作的可变光衰减器中，提供到电磁铁增加衰减并保持衰减在恒定值的驱动电流与用来减小衰减并将衰减保持为恒定值的驱动电流不同。这种不同是由法拉第旋转和磁路的磁滞产生的。
图22是根据本发明的另一个实施例的可变光衰减器98和用于控制可变光衰减器98的控制电路99的示意图。利用可变光衰减器98，可以抑制可变光衰减器的输入功率的变化，并且可变光衰减器输出功率可被保持在恒定值。
现在参见图22，可变光衰减器98利用了图30中所示的结构。更具体地说，由光纤6a提供的光束通过由双折射晶体8a和8b提供的双折射作用被引导到光纤6b。因此，双折射晶体8a和8b分别形成一个偏振器和检偏器。透镜7a和7b用于对光束聚焦。法拉第元件9，例如图29中所示的或者本发明上述实施例中的可变光衰减器处于双折射晶体8a和8b之间。光束的全部或一部分可以通过调整法拉第元件9的法拉第旋转而被引导到光纤6b。因此，光信号的功率可以被可变地衰减。
双折射晶体8a和8b每个都为楔形的光材料，例如，金红石(TiO2∶二氧化钛)或者方解石，具有双折射性，以便减小衰减的偏振的依赖性。当由光纤6a发送的空间射束(space beam)，而不是光束在光纤6b的输入侧或法拉第元件9的输出侧被衰减，或者当偏振保存光纤被用作为输入光纤或输出光纤时，线性偏振的射束被送到可变光衰减器98。在这种情况下，包括正交棱镜或多层介电膜的偏振隔离器被用来形成偏振器和检偏器。为了简化说明，用于提供偏置磁场的永久磁铁在图22中未被示出。
可变光衰减器98包括一个光耦合器100用于将光束分为两个分离的光束(经受双折射)，一个透镜102，一个孔阑104用于通过分离的光束之一，一个光感受器106，用于监视通过孔阑104的光束的光功率。可变光衰减器98的衰减被控制，使得光功率保持在预定值。
光耦合器100的分支比被设置使得用于提供到光纤6b的主信号的衰减相对较小并且被分支的光束可通过光感受器106适当地监视。例如，分支比被设置为10∶1-20∶1的范围。
如果双折射楔形板被用来形成偏振器和检偏器，光束的偏振方向被法拉第旋转器9旋转，使得在光纤6b中的光束的耦合位置发生位移。结果，衰减操作被执行使得光束的一部分不能被提供到光纤6b。
当衰减为0时，光束在光纤6b的核心处耦合。当光束的偏振方向经受法拉第旋转以提供衰减时，光束在偏离核心的位置耦合使得光功率被衰减。
在这种结构中，除非光感受器106的光传感区足够小，光束的全部不能被送到光感受器106并且光功率不能被正确地测量。即使耦合位置被偏离，如果光传感直径大于耦合位置的偏离，衰减也不能被测量。通过将光感受器106附近的透镜102的焦距设置为适当的值，即可保证光感受器106的光传感区大于光纤6b的核心区。由于这个原因，孔阑104被提供于光感受器106的前面。如果光感受器106的光传感区足够小的话，孔阑104是不必要的。
下面描述控制电路99。更具体地说，通过光感受器106的光电转换，得到电信号。电信号由放大器(AMP)108放大到适当的电平。放大的电信号被送到检错电路110。控制电压产生电路112产生对应于所需光功率的电压。线性化电路114用来校正提供到可变光衰减器98的线圈的电功率和衰减之间的关系。法拉地旋转与提供的功率成正比，而衰减与cos2 θ成正比(θ为法拉第旋转角)。因此，设置电压被校正使得在设置电压和输出光功率之间存在对数或线性关系。设置电压连同来自放大器108的放大的电信号被送到检错电路110。电信号和设置电压之间的差被输出作为控制目标的误差信号。
利用由检错电路110输出的误差信号，相位补偿电路116调整用于控制法拉第旋转器9的时间常数。由于形成法拉第旋转器9的线圈具有电感，响应特性可能变差，造成振铃现象。由于这个缘故，相位补偿电路116调整控制电路99的频率特性以防止发生振铃。驱动电路118为用于驱动线圈的功率放大器。
利用上述的控制，对应于由控制电压产生电路112产生的设置电压的输出功率可以总被得到。控制电压产生电路112能够通过外部提供的控制电压遥控。
因此，利用图22所示的可变光衰减器98和控制电路99，可以校正偏振损失中的温度依赖性，依赖时间的劣化和变化。
因此，根据本发明的上述实施例，设备包括一个偏振旋转单元(例如，法拉第旋转器9和双折射晶体8a)，输出单元(例如，双折射晶体8b)，和控制装置(例如，控制电路99)。偏振旋转单元接收光信号并旋转光信号的偏振以产生偏振的旋转光信号。输出单元通过偏振旋转光信号的至少一部分作为输出信号。控制装置确定输出信号的功率电平并控制偏振旋转的旋转量保持输出信号的功率电平为恒定值。
图23是根据本发明的一个实施例，对图22所示的的可变光衰减器进行的改进的示意图。图23所示的可变光衰减器与图22中所示的不同之处在于在法拉第旋转器9的输入端提供了用于分支光束的机构。结果，不管输入光功率如何可以获得预定的衰减。
现在参见图23，可变光衰减器101由控制电路103控制。在法拉第旋转器9的输入侧提供了光感受器100a和光感受器106a。输入光功率的一部份(例如，1/10-1/20)被分支并由光感受器106a监视。由于输入光功率的一部分在通过偏振器(包括双折射楔形片的偏振器(双折射晶体8a)之前被分支，不需要孔阑(例如孔阑104)限制光传感直径。
在可变光衰减器101中，在法拉第旋转器9的输入侧的光感受器106a获得的电信号由放大器108a放大到适当的电平。类似地，在法拉第旋转器9的输出侧的光感受器106b获得的电信号由放大器108b放大到适当的电平。来自放大器108a和108b的放大的信号被送到除法电路120。除法电路120计算输出功率和输入功率之间的比。计算结果被送到检错电路110。同时，对应于衰减的设置电压被送到检错电路110。检错电路110检测作为相位补偿的控制误差信号，控值误差信号被提供到驱动电路119驱动法拉第旋转器9的线圈。因此，控制电路103控制输入功率和输出功率的比为恒定值使得可变光衰减器101的衰减保持在恒定值。
因此，根据本发明的上述实施例，设备包括一个偏振旋转单元(例如，法拉第旋转器9和双折射晶体8a)，输出单元(例如，双折射晶体8b)，和控制装置(例如，控制电路103)。偏振旋转单元接收光信号并旋转光信号的偏振以产生偏振的旋转光信号。输出单元通过偏振旋转光信号的至少一部分作为输出信号。控制装置确定接收的光信号和输出信号的功率电平并控制偏振旋转的旋转量并保持输出信号的功率电平与接收的光信号的功率电平的比为恒定值。
下面描述根据本发明的实施例的进一步的原理。更具体地说，可变光衰减器最好足够的小以便可以安装在光传输单元中。在某些情况下，光传输单元可以制成使得多个上面安装有元件的印刷版被层叠在一起。这样，可变光衰减器最好具有较低的高度。此外，为了在光传输单元中减小功耗，减小光传输单元的功耗是很重要的。
图24(A)，24(B)和24(C)分别为根据本发明的另一个实施例的可变光衰减器的整体透视图，顶视图和正视图。更具体地说，图24(B)是沿着图24(A)中所示的方向“a”所取的视图，图24(C)是沿着图24(A)中所示的方向“b”所取的视图。为了简化说明，图24(A)，24(B)和24(C)显示了一个法拉第旋转器但没有示出偏振器或检偏器。
图24(A)，24(B)和24(C)中所示的法拉第旋转器包括一个法拉第元件130，一个包括磁轭134和线圈136的电磁铁132。电磁铁132的磁轭134和永久磁铁138每个被环形或马蹄形设置。法拉第元件130被提供在磁轭134的端之间的间隙中。电磁铁132向法拉第元件130以垂直于光束140的行进方向的方向施加磁场，永久磁铁138以光束140的行进方向向法拉第元件130施加磁场。
图24(C)显示了可变光衰减器是如何被安装在壳142中的。现在参见图24(C)，在电磁铁132中的间隙沿着壳142的高度方向延伸。因此，光束140被发送大体通过壳142的高度的中心。
最好光器件具有较低的高度以便能够被正确地安装。图24(A)，24(B)和24(C)所示的可变光衰减器的高度在较大程度上取决于电磁铁132的环形磁轭134的直径。对于与外部设备的最佳的接口，在可变光衰减器中传送到光束最好通过其中心。在图29所示的可变光衰减器中，如果光束要通过可变光衰减器的高度的中心传播，需要有足够的空间在光束的上面和下面来封装环形的磁轭的直径，因此，使得可变光衰减器具有相对较高的高度。相反，在图24所示可变光衰减器中，只需有足够的空间在光束140的上面和下面封装环形磁轭134的半径即可。这样，可变光衰减器的高度可以减小。
因此，根据本发明的上述的实施例，可变光衰减器的磁轭被安装在一个安装板上使得磁轭的端部之间的间隙的整个长度相邻安装板延伸。现在参见图24(B)，永久磁铁138为马蹄形的并邻近法拉第元件130以便将法拉第元件130夹在中间并不阻挡光束140的通路。图24(B)也显示出永久磁铁138的磁轭在其端部变窄。与图29中所示的可变光衰减器相比，上述的结构保证永久磁铁138的磁场被有效地施加到法拉第元件130，并且有永久磁铁138产生的磁场不会泄漏到法拉第元件130的外部。利用这种结构，可以防止电磁铁132的控制过于复杂。另一个优点是永久磁铁138的磁力相对较小。
此外，永久磁铁138的磁轭的端部可以比电磁铁132的磁轭134的端部更接近于法拉第元件130。
现在参见图24(A)，电磁铁132的磁轭134在靠近间隙包括一个半硬磁材料144。在图29所示的可变光衰减器中，磁轭的整体是由软磁材料形成的使得有必要保持向电磁铁提供电流以便保持磁场。如果半硬磁材料(例如半硬材料144)被用作电磁铁的磁轭，如图24(A)所示，通过施加脉冲电流，磁轭受到磁场的作用。即，既使当电流被切断，磁化仍被保持。因此可以减小可变光衰减器的功耗。没有必要将磁轭的整体都由半硬磁材料制成。只是如图24(A)所示，磁轭的一部分由半硬磁材料制成即可。
半硬磁材料在饱和区呈现了相对稳定的磁化特性，但在非饱和区具有明显的磁滞特性。因此，在半硬磁化中获得稳定的磁化是困难的。因此，控制中级磁化是困难的。解决该困难的结构示于图25。
更具体地说，图25为根据本发明的实施例的，可变光衰减器的电磁铁的示意图。现在参见图25，多个半硬磁材料144a-144e，在饱和区每个都具有不同的磁力，被用于形成电磁铁的磁轭134的部份。每个半硬磁材料144a-144e连同相关的线圈被提供，使得可以在饱和区各自地驱动半硬磁材料144a-144e。因此，通过接通和断开提供到线圈的电流，可以只驱动所需的半硬磁材料，通过有效地分级控制稳定在电磁铁中产生的磁场。
此外，每个半硬磁材料144a-144e可具有不同的磁化特性，由电磁铁产生的磁场强度可以通过控制每个半硬磁材料144a-144e中的磁化而分级地改变。
半硬磁材料是众所周知的。更具体地说，永久磁铁被典型地静态地使用(即，在初始磁化后不改变其特性)。但是近来，许多永久磁铁是被动态地使用的使得其磁化可通过施加外部磁场而得到改变。动态永久磁铁通常被用于继电器，半静态存储器和磁滞电动机等中。使用动态永久磁铁的继电器的例子为用于电子交换机的闩锁继电器，封闭在玻璃当中的铁簧继电器和通常的舌簧继电器。所有这些继电器都是自锁继电器。半静态存储器，例如，扭转存储器，是能够存储固定的信息内容并允许其能够被重复地读出的存储器。磁滞电动机是利用构成电动机的材料的磁滞产生扭矩的同步电动机。磁滞电动机通常被用作微电机。在动态永久磁铁的各种应用中，具有较大的饱和磁通量密度Bs和具有较高的方环(square-loop)特性Br/Bs。在半静态存储器的情况下动态永久磁铁的所需的矫顽力为，例如，10-30Oe，在磁滞电动机的情况下为100-200Oe。即，所需的矫顽力为永久磁铁的矫顽力和高导磁材料的矫顽力之间的范围的中点。具有方环磁滞和这种级别的矫顽力的磁材料被称为半硬磁材料。
对于本发明的上述实施例，在磁轭中使用的较好的半硬磁材料为Nibcoloy(85Co，12Fe，3Nb)和Co-Cr钢(15Co，4.5Cr，0.82C，0.5Mn，剩余Fe)。
下面描述根据本发明的实施例的可变光衰减器的进一步的原理。更具体地说，如参照图30所示的可变光衰减器所作的描述，在使用楔形双折射晶体的可变光衰减器中产生了轻微的依赖于偏振的损失。但是，根据本发明的下述实施例，依赖于偏振的损失可被减小。
图26(A)和26(B)分别是根据本发明的一个实施例的可变光衰减器的顶视图和侧视图。更具体地说，图26(A)和26(B)显示了偏置磁场154，它未被示于图30中的可变光衰减器中，用于在法拉第元件150中结合磁畴。偏置磁场154被沿着垂直于光束的方向施加到法拉第元件150。用于产生偏置磁场154的磁铁152被示于图26(A)并在图26(B)中被省略。在实际当中，一个平行于光束的磁场也被施加到法拉第元件150以便产生法拉第旋转。为了简化说明，与光束平行的磁场未被示于图24(A)和24(B)中。图26(A)和26(B)中所示的可变光衰减器的其它部件与图30中所示的可变光衰减器的相同。
在图26(A)和26(B)中所示的可变光衰减器中，光束由双折射晶体8a双折射并转换成包括正常光156和非常光158的光束，并具有不同的折射角。正常光156和非常光158经受法拉第元件150的偏置磁场154。偏置磁场154被沿着垂直于由正常光156和非常光158形成的平面(称为折射界面)的方向施加。
图27(A)和27(B)是显示根据本发明的实施例的示于图26(A)和26(B)的可变光衰减器的偏置磁场154的方向模式的示意图。图27(A)显示了偏置磁场154被沿着垂直于折射界面的方向施加的情况，图27(B)显示了偏置磁场154被沿着平行于折射界面的方向施加的情况。因此，正常光156和非常光158二者都受到相同强度的偏置磁场154。
如图27(B)所示，偏置磁场154可被沿着平行于折射界面的方向施加。但是，偏置磁场154是沿着基本垂直于光束的方向施加的。由于正常光156和非常光158具有不同的折射角，具有不同强度的磁场被施加到所述光线。施加的磁场强度的差据认为是引起依赖偏振的损失的原因。如图27(A)所示，通过将偏置磁场154被沿着基本垂直于折射界面的方向施加，依赖偏振的损失可以被较小。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，两个磁路被用来控制衰减。例如，电磁铁形成一个磁路，永久磁铁形成另一个磁路。因此，磁路的磁场可能泄漏到可变光衰减器的外部。特别是，永久磁铁的磁场是非常强的以至它在可变光衰减器的外部具有较大范围的效应。减小这种效应的有效方法包括提供一个与电磁铁相似的磁轭，或提供一个用作外壳的磁屏蔽。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，由永久磁铁产生的磁场或者其一部分被沿着平行于光束传播方向施加到磁光晶体。结果，即使被提供到电磁铁的电流被切断，光束也能被发送。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，一个磁光晶体(法拉第元件)被紧密地填充到磁轭的间隙中。因此，在磁轭中产生的磁场被有效地提供到磁光晶体而没有泄漏发生。结果，均匀强度的磁场被提供到磁光晶体。与在磁光晶体和磁轭之间存在间隙的结构相比，被提供到磁路的电流被减小使得磁路的驱动功率被降低。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，通过在磁光晶体相邻的位置提供一个线圈，可以防止在磁轭中的磁阻产生的影响。这样，在磁轭中产生的磁场可以被有效地提供到磁光晶体。因此，磁路的驱动功率被降低。此外，由于有磁轭形成的环路的高度被降低，可变光衰减器的高度被降低，使得可以容易地在衰减器中安装元件。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，磁轭之间的间隙可被减小至200μm。因此，在磁轭中产生的磁场被有效地提供到法拉第元件，从而降低所需的驱动功率。
利用根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中使用的光放大器，通过调整检偏器的方向，光信号的偏振方向，和磁光晶体的特性(例如高度)，可变光衰减器的衰减的波长依赖性可被任意设置。因此，可以不用用于均衡增益的光滤波器，光放大器的波长依赖性即可被减小。此外，可变光衰减器可被配置，使得具有随衰减增加的较大的波长依赖性。因此，当激励功率的上限较小时光放大器的增益的波长依赖性可被有效地消除。因此，用于光放大器的激励功率可被设置到较小的程度，使得光放大器具有相对较小的体积和较低的功耗。
利用根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中使用的光放大器，可变光衰减器的输出功率可被一个输出光感受器监示并控制在预定值。而且，光束的输入功率由一个输入光感受器监示。由输入光感受器监示的光束的功率和由输出光感受器监示的可变衰减器的输出功率之间的比可被控制为一个预定值。因此，可变光衰减器的温度依赖性，依赖时间的劣化，依赖偏振的损失的变化可以被补偿。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，只需足够的空间围住通过可变光衰减器的光束的上，下的环形的磁轭的半径即可。因此，可以降低可变光衰减器的高度。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，在电磁铁中产生的磁场通过具体地驱动多个具有不同的磁化性能的半硬磁材料而被分级地稳定地控制。
在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，偏振旋转单元接收沿第一方向偏振的光信号，旋转光信号的偏振，产生具有相对于第一方向相差80度±30度的第二方向的偏振分量的偏振旋转光信号。最好，第二方向相对于第一方向为90度。一个输出单元通过偏振旋转光信号的第二方向的偏振分量阻挡第一方向的偏振分量。
在偏振旋转的光信号被输出单元接收之前，一个反射镜可被放在偏振旋转的光信号的光路中。该反射镜将改变偏振旋转的光信号的偏振方向。但是，在这种情况下，偏振旋转单元仍然旋转光信号的偏振，产生具有相对于第一方向相差80度±30度的第二方向的偏振分量的偏振旋转光信号。换句话说，在任何反射镜或者其他装置被用来旋转偏振之前，第二方向被视为偏振旋转单元的输出。因此，输出单元将通过被确定为偏振旋转单元的输出的第二方向的分量。在光路中放置反射镜不应视为改变第一和第二方向，或输出单元和偏振旋转单元之间的关系。
此外，在根据本发明的上述实施例的可变光衰减器中，一个偏移装置可被包括在偏振旋转单元和输出单元之间。偏移装置可向从偏振旋转单元输出的偏振旋转光信号加上一个固定的旋转偏移。在这种情况下，输出单元应该视为包括偏移装置。因此，在偏振旋转单元和输出单元之间放置偏移装置不应被视为改变了第一和第二方向，或者输出单元和偏振旋转单元之间的关系。
尽管已经描述和显示了几个本发明的几个实施例，应当理解，本领域的技术人员可以对这些实施例进行修改而并不脱离由权利要求书和其等同物所限定的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种设备，包括：
一个偏振旋转单元，接收光信号并旋转光信号的偏振产生一个偏振旋转的光信号；
输出单元通过偏振旋转的光信号的至少一部分作为输出信号；以及
控制装置，确定输出信号的功率电平以及控制偏振旋转单元的旋转量，保持输出信号的功率电平为恒定值。
2.根据权利要求1的设备，其中的输出单元为一个检偏器。
3.根据权利要求1的设备，其中的控制装置包括：
一个分支装置，将输出光信号分为一个第一信号和一个第二信号；以及
一个检测器，用于检测第二信号的功率电平，输出信号的功率电平根据检测的第二信号的功率电平确定。
4.根据权利要求3的设备，其中的分支装置为双折射元件。
5.一种设备，包括：
一个偏振旋转单元，接收光信号并旋转光信号的偏振产生一个偏振旋转的光信号；
一个输出单元，通过偏振旋转的光信号的至少一部分作为输出信号；以及
一个控制装置，确定接收的光信号的功率电平和输出信号的功率电平，以及控制偏振旋转单元的旋转量，保持输出信号的功率电平和接收的光信号的功率电平的比为恒定值。
6.根据权利要求5的设备，其中的输出单元为一个检偏器。
7.根据权利要求5的设备，其中的控制装置包括：
一个第一分支装置，用于将接收的光信号分成第一信号和第二信号，偏振旋转单元接收第一信号作为接收的光信号；
一个第一检测器，检测由第一分支装置所分的第二信号的功率电平；
第二分支装置，将输出信号分成第一信号和第二信号；以及
第二检测器，检测由第二分支装置所分的第二信号的功率电平，其中控制装置根据由第一检测器检测的功率电平确定接收的光信号的功率电平，并根据由第二检测器检测的功率电平确定输出信号的功率电平。
8.根据权利要求7的设备，其中的输出单元为一个包括双折射晶体的检偏器，该设备还包括：
其中具有孔阑装置，孔阑将由第二分支装置分开的第二信号引导到第二检测器。
9.根据权利要求7的设备，其中第一和第二分支装置为双折射元件。
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