CN1299472A - 高速电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种控制透射或反射光强度的光调制器。在透射模式中,分束器把任意偏振光分成两个偏振光束,并且使其中一束与另一束从不同单独的路径传输。复合器致使两光束在输出端复合,除非电光相位延迟器改变两束光的偏振,在这种情况下,错过输出端的光量是延迟器上电压的函数。通过改变复合器的取向得到低偏振模式散射的常断型调制器。通过被动的偏振方向旋转得到低偏振模式的常合型调制器。在反射模式中输入和输出处于调制器的同一侧的地方可以得到类似地结果。使用GRIN透镜的调制器特别适合于调制光输出或输入光缆。该装置可以做为一个可变光衰减器、光学开关、或高速调制器工作,并且对入射光的偏振态不敏感。对于相位延迟器的优选材料是一种热压陶瓷铅镧锆钛酸盐复合物。

Description

高速电光调制器
相关申请
本申请是1998年9月22提交的美国专利申请号为No.09/158,224的系列申请的部分继续申请，它要求以1998年4月8日提交的美国专利申请No.60/081,011享有优先权，此外，还要求以1999年1月27日提交的美国专利申请No.60/117,386享有优先权，以上所有申请的内容通过在此引证合并于本文。
本发明的背景技术
近三十年来在光学开关或调制器方面有了很大的进展，但目前的器件还不能很好地满足许多需要。用在目前一些系统中的大多数有源光纤器件，例如光纤光强衰减器是基于电-机械操作。在一种类型中，光线首尾连结成行并且在一条线上或不在一条线上机械地移动。在另一种类型中，旋转反射镜、从而把光束导入或导离接收光线。这可以通过机械的方式实现，也可以利用压电或静电驱动器实现。机械装置本征地缺乏速度和长期耐用性。光纤通信系统需要固态光控制装置(没有移动的部分)。发展这些光纤元件的一个关键问题是实现速度和耐用性，以及需要低插入损耗和偏振不敏感的基本的光纤系统。对于用在规律的光纤之间的装置，低插入损耗和偏振不敏感的工作是基本的性能要求。
本文还提出了一种利用液晶盒的光学开关/衰减器，液晶盒作为位于入射和出射双折射元件之间的调制元件，入射和出射均由光纤提供。当打开液晶盒时，从出射双折射元件射出的光被反射并且没有被随后的准直器聚焦到相应的光纤上。虽然基于液晶它有低插入损耗和需要较低的工作电压等理想的特点，但有机材料的长期耐用性和较低的转换速度不适合于许多应用。
本文还提出了一种利用电光晶体的快速(短于1μs)光学开关，其中，电光晶体可以通过施加电场诱致双折射。操作基于光的偏振面关于后继的无源偏振器的取向旋转，后继的无源偏振器根据角度阻挡或透射光。基本装置与在特定的方向偏振的入射光有效地工作。随机偏振光遭受损耗。这可以通过利用附加元件来克服，附加元件把入射光分成两个正交偏振的成份，被动旋转一个正交成份以与另一个正交成份匹配，并将两个成份合并成一束光发送到基础调制器。但是建议使用的电光晶体需要kV以上的电压进行工作。
本文还描述了一种具有楔形片、法拉第旋转器或电光晶体以及第二楔形片的调制器。法拉第旋转器通过改变外线圈中的电流、即改变磁场得以控制。提出的电光晶体需要kV的高驱动电压。电极形状还影响偏振依从性和调制效率。
本发明的概述
因此，本发明的主要目的在于提供一种可以电学控制的固态光调制器、衰减器或开关，对入射光的偏振不敏感，有较低的插入损耗，并有较快的响应时间(等于或小于100ns)。本发明的另一个目的在于提供用于针对环境变化、如温度变化而补偿固态器件的系统。本发明的还有一个目的在于提供一种利用粗糙氧化的材料并利用简易的组装和校准过程的装置。
本发明的上述目的和优点以及其它特点以两种基本的模式实现。在透射模式中，任意偏振光从一侧(入射面)进入，并从另一侧(出射面)射出。在一个实施方案中，调制器包括在入射端和出射端之间有偏振分束器，如随c轴取向的双折射片，后跟着带电极的电光相位延迟器，当被施与电压时产生一个内电场，再后跟着偏振复合器。分束器把光束分成两个偏振光束，一个是具有垂直于c轴的偏振方向(相对分束器c轴的角度取向)的正常光，另一个是具有平行于c轴的偏振方向的非常光。另外，非常光在包含c轴的平面上被偏移而正常光直线穿过该平面。这两条路径确定一个分离面。复合器不影响正常光，但使得非常光被偏移相同量，而且与分束器偏移方向相反地与非反射的正常光在出射端复合。调制器是常合的。相位延迟器有一个以一定角度延伸过光路的电场，该角度是相位延迟器与和非常光及正常光方向成45°的分离面的夹角，最好也是45°。当向相位延迟器施加电压时，非常光的一部分变成正常光，并且不被偏移到出射端。另外，正常光的一部分变成非常光，并且不是穿过复合器到出射端，而是被偏移掉。利用足够的电压完全互换两种光束，以致于它们的成份中没有到达出射端的部分。
常断调制器可简单通过把复合器的偏移方向定向到与分束器相同的方向而得到。如果出射端设置成与非偏移的普通光和二次偏移的非常光之间相等的距离处，则通常将没有光到达出射端。但是，如果给相位延迟器施加电压，则部分的正常光将被偏移一次，部分的非常光将不被偏移，并且二者将到达出射端。利用充足的电压，所有的光都将到达出射端。90°偏振方向的旋转器，例如偏振方向互换器与常断调制器相加产生一个具有低偏振模式发散的常合调制器。两个45°偏振方向的旋转器相加使得相位延迟器中的场与分离面成90°，产生一个相位延迟器的电极之间间隔最小的调制器，从而减小控制电压。
在反射模式中，最简单的构形包括一个覆盖入射区的分束器和一个覆盖出射区的反向放置的复合器，二者之后是一个电光相位延迟器，再之后是一个反射器，该反射器将通过分束器和延迟器的光束返回来二次穿过延迟器并再通过复合器到达出射端。在某些应用中将入射端和出射端置于一侧是有用的。还有一个优点在于两次穿过相位延迟器意味着每次通过都增加相位，使得对于全调制只需要很小的电压。在全调制中，偏振方向与电场成45°角的线性偏振的非常光和正常光一次通过后变成圆偏振光，并且二次通过后旋转90°，即互换。
在透射模式中，可以把复合器的偏移布置成提供常合或常断调制。控制电压可以通过在分束器/复合器和相位延迟器之间增加一个45°偏振方向的旋转器而得以减小，该旋转器例如是一个c轴处于22.5°+Nx45°(N是整数)的半波片，它使得电场可以与分束面成90°。圆偏振器如c轴处于22.5°+Nx45°(N是整数)的半波片的插入将把任何结构从常合状态转变成常断状态，反之依然。
以上所述的调制器/衰减器可以有益地制成控制例如光纤通信系统中的功率水平。在这些应用中，I/O接口由光纤制成并且可以组装在透射型或反射型模式中。特别是，透射型和反射型模式的组装可以有利地利用分级指数透镜(GRIN透镜)进行。对于一个反射系统，透镜的一面可以通过例如涂敷透镜面或粘贴反射镜来制成反射性的。透镜的另一面接收入射光并发射出射光。两个入射/出射光纤必须对称地位于GRIN透镜光轴的两侧。为了易于对齐，光纤可以安置在单个光纤块上，并且同时排列成最佳位置。这种排列类型消除了全部的自由度并使得光纤的连结更加便利。
相位延迟器可以由特殊类型的铁电复合氧化物制成，这种特殊类型的铁电复合氧化物是光学各项同性、但沿着施加电场的方向上是各向异性的多晶陶瓷的形式。换句话说，在沿着电场而非垂直于电场的方向，电场使得该种材料发生较高折射率的双折射。一个例子是铅镧锆钛酸盐(PLZT)。用于全调制的电场大于用于液晶相位延迟的电场，但响应时间更短。
根据本发明的另一个方面，提供作为控制电压函数的透射而没有滞后的系统包括一个对于电光装置的补偿器，其中电光装置特征在于有光入射口，光出射口和连结到电光相位延迟器的电控制口，电光相位延迟器控制光经过装置的透射。
在这样一个实施方案中，提供了一种稳定的光源，光源具有指向第二基准衰减器的选定的幅值，第二基准衰减器包括一个第一偏振器，一个可以由与主光衰减器中的第一相位延迟的材料相同的材料构成的第二电光相位延迟器，和与作为检偏器的第一偏振器对齐的第二偏振器。另外，光传感器探测检偏器的输出并向放大器的反向入射端施加电压。放大器的输出端连结到形成电光反馈回路的第二相位延迟器，并连结到电光装置中的第一相位延迟器。当把一个电压连结到放大器的反向输入端时，在光传感器处产生光放大，其中光传感器对从环境稳定的稳定光源发出的光具有一个理想的衰减。如果针对基准衰减器校正光电装置，则匹配的相位延迟器产生一个环境稳定的电光装置。特别是，如果电光装置是一个衰减器，则它的透射率通过输入电压控制到基准值。另外，如果相位延迟材料是一种有滞后的铁电材料，则这种效应将会减轻。如果用衰减器代替电光装置，只要针对基准衰减器中的衰减校准衰减器的运动，则本实施方案可以用于控制电-机械(压电)衰减器。
在本发明的另一个实施方案中，附加的设备包括用于偏移指向入射口的一部分光束的第一分束器，用于测量入射光束偏移部分的幅值的第一光传感器，用于衰减第一光传感器输出的可控电衰减器，用于偏移指向出射口的一部分光束的第二分束器，用于测量出射光束反射部分的幅值的第二光传感器，和放大电衰减器的输出和第二传感器的输出之差的放大器。放大器的输出端连结到形成反馈回路的光学衰减器的控制端口，以致于光学衰减器的输出通过电衰减器的设置来控制。
同样的方法可以用于控制绝对的透射，通过在出射端和稳定的光传感器上设置分束器并且放大相对输入信号的差来达到控制。
根据本发明的另一实施方案，与铁电装置一起使用，尤其是与有滞后的铁电装置一起使用，提供了一种具有选定值的电容，该电容连结到电控制端口的一端，并且反转放大器的入射端，放大器的输出端连结到电控制端口的另一端，由此形成反馈回路。当向放大器的非反向输入端施加电压时，电容和反馈回路的作用是在电光材料上产生可以控制的电荷，该电荷在变化的环境中保持相对恒定。
下面将通过参考附图对本发明的上述和其它优点、包括结构上以及其部件的组合上的各种新颖的细节进行更具体、详细的描述，并提出权利要求书。可以理解，实施本发明的特定系统和方法仅仅是作为对本发明的一种例证，并未构成对本发明的限制。在不背离本发明的实质和范围的前提下本发明的原理和特点可以用于各种
实施方案。
附图的简要说明
图1A-1D表示本发明不施与电压时处于常断状态的透射光调制器实施方案中的结构、光束踪迹和偏振方向；
图2A-2C表示不施与电压时常合状态的实施方案；
图3A-3D表示不施与电压和低偏振模式发散时常合状态的实施方案；
图4A-4D表示不施与电压并具有低偏振模式发散以及需要最小的操作电压时常合状态的实施方案；
图5A-5D表示本发明不施与电压时处于常断状态的反射光调制器的实施方案；
图6A-6D表示不施与电压时处于常合状态的实施方案；
图7A-7D表示不施与电压并具有低偏振模式发散时常合状态的
实施方案；
图8A-8D表示常断并具有低偏振模式发散以及需要最小的操作电压的实施方案；
图9A-9D表示常合并具有低偏振模式发散以及需要最小的操作电压的实施方案；
图10A-10E表示常断并具有低偏振模式发散以及需要最小的操作电压和最少数量的组件的实施方案；
图11A-11D表示常合并具有低偏振模式发散以及需要最小的操作电压，而且特别适于与单模光纤一起使用的实施方案；其中单模光纤有一个基于GRIN透镜的反射器和光纤安置块；
图12A和12B表示电光相位延迟器的电极几何形状；
图13表示根据本发明反射系统的另一个优选实施方案；
图14表示作为控制电压函数的光束强度的衰减；
图15表示控制电压脉冲的光调制器的全信号响应时间；
图16例举本发明利用一个积分电容补偿环境变化的优选实施方案；
图17例举图16中所示实施方案的变形；
图18例举用在根据本发明另一个优选实施方案中的基准衰减器；
图19表示图18中所示实施方案的附加的细节；
图20表示根据本发明的常合衰减器的透射率-输入电压关系；
图21表示根据本发明的常端衰减器的透射率-输入电压关系；
图22表示利用分束器的本发明的另一个优选实施方案；
图23A和23B表示根据本发明带有补偿器的可变衰减器的详细
实施方案；
图24表示根据本发明带有补偿器的可变衰减器的实施方案；
图25A和25B表示根据本发明带有输出旋塞的可变衰减器的实施方案；
图26例举了本发明在DWDM系统中与光纤放大器一起的使用；
图27例举了本发明用于DWDM系统中的功率平衡。
本发明的详细描述
为了实现本发明在不同应用中的目的，提供了数个实施方案。每个实施方案包括光学元件的一种结构，而光学元件包含一种电光相位延迟器。
偏振方向是偏振面相对一些外基准面的角度取向，不是光的传播的方向。电相位移可以表示成度或弧度。这里用度，但不应与角度取向混淆。
图1A-1D表示本发明的一个优选实施方案，它表示有小间隔的三个光学元件的横截面，在某些情况下这些小间隔可以为零。在图中，光束从左至右穿过，并且第一次穿过偏振分束器101，偏振分束器101后面跟着电光相位延迟器102和偏振复合器103。分束器和复合器可以以几种方式制定。图1A表示具有光轴的双折射材料片，通常光轴指定为c轴。图1A中每个材料片的c轴与光的传播方向成45°。c轴和传播方向确定一个分束面，在图中表示成纸平面。图1B中相位延迟器的底视图表示两个电极，电极布置成提供一个与分束面成45°的电场，电极之间的间隔允许光束通过。当相位延迟器不工作(不施与电压)时光束的路径用实线表示，导管相位延迟器工作时光束的路径用虚线表示。(通常，光源发出的光有一个有限的光束直径并且不准直。在很多应用中，可以使用相干光源，如一种发射光波长处于可见或红外区域谱段的激光器。为了便于理解，图中表示的是不带光束发散的中心光束的路径。)图1C和1D表示光束和光学元件之间的点处光束的偏振方向的底视图。
任意偏振光在标有IN(入射)的点处进入分束器101并且被分成两部分，一部分的偏振方向平行于分束器(纸面)平面，另一部分的偏振方向垂直于分束器平面。垂直部分还垂直于c轴并且无偏移地穿过分束器。此部分被称作正常光并且标以“o”。平行于分束面的部分被以一定的角度偏移(表示的非常夸大)。这部分光被称作非常光并且标以“e”。如果相位延迟器不工作，即没有施与电压，则这两种光束无变化地通过并进入复合器103。初始的o光束相对于复合器仍然是一个正常光并且无偏移地通过。初始的e光二次偏移。两种光束在标有OUT(出射)的点处错过出射端。
为了使光透过到出射端，向相位延迟器施加电压V。这样产生一个大约45°角的电场，该电场改变延迟器中对平行于电场的偏振部分的折射指数，产生一个与垂直部分相比的电相位差。与电场成45°角的o光和e光每个都有相同的平行成份和垂直成份。然后，这些分成处于有垂直成份的相位，而且带有负号，以致于线性偏振光导致o光和e光偏振方向90°的旋转，如图1C和1D中的下部所示。因而，初始的正常光变为非常光，标有e’的初始非常光变成标有o’的正常光。o’光穿过复合器到达出射端，e’光被偏移并且到达出射端。因而，从入射端进入的全部光到达出射端。较小的电压产生较少的透射，这在下面将有进一步地解释，但偏振不是线性的并且难于用图表示出来。注意到，入射光可以相对于o光或e光的方向线性偏振。在这种情况下，入射光为一半但透射强度的结构却是相同的。换句话说，入射光束可以是任意的偏振。
分离两种偏振光有几种方式。适用于本发明的一种方式是利用双折射晶体，如图所示。对于沿c轴传播的光的折射率不同于沿其它两个方向传播的光的折射率。已知的一种效果是垂直入射到此材料的平片上并且在垂直于c轴的平面中偏振的光(o光)透射，而平行偏振的光(e光)被偏移。而且e光出射后在平行于o光的方向上传播。利用通常的标记法，令ne为c轴折射率值，no为其它两个轴的折射率值，e光与o光的平行分割、通常称作偏离距离d由下式给出：
d=tsinθ                                     (1)
tanθ=(1-(no/ne)2)tanγ/(1+(no/ne)2tan2γ)    (2)
此处，t是光束传播方向上的片厚度，θ是偏离角，γ是c轴与光束在包含c轴和传播方向的平面中与传播的方向的夹角。当γ=ne/no时d是最大值，γ接近但不精确为45°。利用γ=45°通常很方便并且可以调节t。除非ne-no不总是很大，θ至多为几度，并且d=t(ne-no)/no。两个偏振成份的分束要求d大于光束直径D。光束没有尖锐的边缘但在几个波长之内高斯分布下降。因为衍射，光束扩展一个额定的半角，该角度由1.22λ/D给出。这对于从10μm直径的单模光纤中发出的1.55μm波长的光来说非常严重，达到大约11°。所以，如果入射端和出射端之间的距离为1mm，则光束扩展大约375μm。可以用准直器来产生小发散度的较大的光束。在光束大小和发散度之间有一种折中，这依赖于调制器的长度。但是，长度受相位延迟器的厚度影响，这依赖于光束的大小。
有多种材料和机制可用于制作相位延迟器，这在下面将做详细的讨论。在图1A-1D中理解的装置的操作可以通过假设没有施加电压的理想材料对于所有的偏振方向有相同的折射率。当施加电压时，内部电场导致折射率的变化(也认做场致双折射)，在完全理想的条件下，只对于平行于电场的偏振方向出现这种现象。这导致相位延迟器中平行于电场和垂直于电场的光束在电磁场中有相对相移。光束出射后分别可以用sin(ωt-φ)和sin(ωt)表示，此处ω=2πc/λ。o光和e光的每个平行成份中折射率的变化产生相位的变化。这意味着出射的e光将有正常光成份，二者均在出射端汇合。
利用公知的检偏器可以知道透射量。在更一般的情况下，材料中电场的角度是α，不限于45°，o光和e光每个的透射量T由T(V)=sin2(2α)sin2(φ/2)给出，其中φ是场致电相位滞后，是V的函数。当V=O，并且φ=0，T(0)=0时，α值是独立的。定义V=0为“标准”，这是一种常断调制器。当V=Vπ时，Vπ是足以满足φ=π弧度或180°，并且T(Vπ)=sin2(2α)的电压。通常希望T(Vπ)=1。如果α=45°+Nx90°，其中N是一个包括0的整数时，可以实现此愿望。换句话说，方向α=45°、135°、215°和305°。某些误差可以忽略，这主要依赖于应用的情况。如α=44°，T(Vπ)小于整数0.1％或-30dB，这样通常更精确。假设α=45°，则T(Vπ)=sin2(φ/2)。
标准的调制器可以如图2A-2C所示的构造。此处，图1A中的复合器103被复合器104取代，复合器104的c轴取向与分束器的取向成90°。如果这样，则e光偏移离开o光并且再偏移回到o光，在出射端汇聚。当V=Vπ时，偏振旋转器互换两种光束，并且初始的e光将变成o’光，不被二次偏移，同时，初始的o光将变成e’光，偏移离开出射端。在两种极端的情况之间，T(V)=cos2(2α)+sin2(2α)cos2(φ/2)。当φ=0时，T(0)=1，与α无关。当φ=180°时，T(Vπ)=cos2(2α)。当α=45°+Nx90°时，T(V)值减为最小。假设偏离理想的α值1°，则T(Vπ)=0.1％=-30dB。这通常是适当的，但并不是在每种应用中都是如此，它使得校准对于常合调制器更加重要。假设α是一种理想值，则T(V)=cos2(φ/2)。
图2A-2C中所示调制器的一个优点在于它有一种被称作偏振模式扩散(PMD)。透射的e光被偏移两次而o光不被偏移。这意味着在两种光之间有一个光程差和相等的时间延迟。不仅在光程上有一个小的差值，而且e光经历不同的折射率，并且以与o光相比有附加相位延迟的出射。可以看出，近似的相位差为Δφ=(360°(ne-no)/π)(d/λ)。因为偏离距离d处于最小值，所以对于许多波长的相位差是多次循环的。既使循环的次数是整数，相应的时间延迟在某些应用中也是不理想的。在常断调制器中，不会发生这种情况，因为光程是相同的。
常合低PMD调制器可以通过在图1A中所示的常断结构中以45°取向插入半波片105而得到，如图3A所示。半波片用做无源地互换o-光和e-光，把常断调制器转变成常合调制器，此常合调制器的分束器的c轴和复合器的c轴方向相同。如图所示，每种光束经过一次反射。假设分束器101和复合器103严格匹配，则没有扩散发生。
对于分束器和复合器，半波片可以用相同的材料制成。在这种情况下，c轴垂直于光束传播的方向。平行于c轴的偏振光比垂直于c轴的偏振光在相位延迟上有一个差值。差值由Δφ=2π(ne-no)t/λ给出，其中t为厚度。通过调节t，可以使Δφ值保持在π弧度，即180°。这意味着穿过半波片后，一个偏振成分的电场与另一个偏振成分进入半波片时的电场有相反的符号。小的几何结构图表示，如果入射偏振光相对于c轴的方向为β，则对于(ne-no)为正的出射方向将是180°-β，对于(ne-no)为负的出射方向将为-β。在第二种情况下，偏振方向对如同一个反射镜的c轴反射。但是，第一种倾向的偏振方向与第二种倾向的相同，所以此反射可以用于使两种情形的结果具体化。c轴以β°+Nx45°角取向产生相同的结果。所以，c轴对于o光和e光处于45°取向的半波片使o光和e光转向45°。换句话说，方向旋转90°并互换。会有一点偏振模式的发散，但很小(半个周期)，可以用调制器之后的相对于第一个半波片90°取向的第二半波片校正。
常断调制器可以通过利用一个与分束器的反射相反的复合器而得到，但这种结构的调制器与先前的常合调制器一样，有同样大的偏振模式的发散。去掉半波片就更简单一些。
以上描述的四种结构有45°的相位延迟。如图1所示，电极必需分开得足以环绕两个光束。即D(1+21/2)。希望减小分开的距离，使得为产生所需电场而所需要的电压也能被减小。允许此设想的结构示于图4A-4D。此处，第一和第二半波片106和108显示出22.5°的c轴取向(或22.5°+Nx45°)。半波片106使o光和e光的方向绕其c轴转动，转动的方向为45°。如果相位延迟不起作用，则半波片108将其回转，以致于没有净变化。常断状态与图1中的相同。
如图4B所示，相位延迟器107中电场的方向与偏离方向成90°，并且电极间隔减小到D。因为o光和e光旋转了45°，所以又获得α=45°的状态。由此可知，检偏器与图1C-1D中的相同。电场可以分布成与偏离方向平行，但这样使电极间隔增大到2D。
具有高PMD的常合调制器可以通过如图2所示的布置反向偏离而得到。低PMD的调制器通过在图4A中以45°插入一个半波片而获得，如图3A所示，但分束器和复合器有相同的偏振方向。或者，较低部分的计数改变到图4A中半波片第二个22.5°到-22.5°的取向，并且省去附加片。最后一种情况通过利用相反的偏离变回到常断调制器，又具有高PMD。
在另一个最佳实施方案中，最简单的反射模式的结构是示于图5A-5D中的常断调制器。分束器和复合器由单一片201做成，使得未更换的o光和e光在通过两个通过片201之后被分开两个偏离的距离。如图5B所示，相位延迟器202相对于包含o光和被反射的e光的平面(分束面)以45°取向。用于一个简单的90°反射镜203把入射光经调制器反射回到出射端。
当相位延迟器202不工作时，光被分成两个偏振部分，这两个偏振部分被反射并在第二次通过片201时被分开。当相位延迟器上的电压增大时，垂直于和平行于延迟器中电场的初始的o光和e光成份获得相对相移。这与透射模式的不同之处在于光束两侧通过延迟器，在每条光路上获得相等的相移。因此，在平行和垂直成份之间产生180°相移所需的电压可以很小，即V=Vπ/2，代替V=Vπ。在结束的状态中，反射后进入片201的o光和e光互换。但是，在第一次通过延迟器之后，只有相移大到90°的成份不提取成为圆偏振光，如图所示，而在第二次通过时提取剩余的90°的成份。
常合调制器可以通过布置相反的入射和出射光束的反射而制成。例如，假设片201是双折射片，它可以被分成两半，一半覆盖入射光束，另一半覆盖出射光束。然后二者光束的c轴相反，如+45°和-45°。在这种情况下，入射的e光被偏移离开o光到中心，并且出射的e光被偏移离开中心，在出射端与出射的o光相遇，如图6A-6D所示。但是，这种结构有较高的PMD并且有其它的方式制造低PMD的常合调制器。但是，通常具有单一反射片的结构可以被分开，并对入射光和出射光提供相反的反射，以便改变调制器从常合到常断的正常透射，反之依然。
可以通过给前述结构中相位延迟器之前或之后插入一个四分之一波片204来得到常合调制器，而无需PMD，如图7A-7D所示。从底视图中可以看到，其c轴处于分束面的45°。四分之一波片在平行于c轴的偏振成份和垂直于c轴的偏振成份之间产生90°的相位移。因为o光和e光和c轴夹45°角，所以每个光束都有相等的平行成份和垂直成份，使得在第一次通过之后变为圆偏振光。光束被反射镜203反射之后，第二次通过产生附加的90°相对相移。总体180°的相位移产生偏振方向关于c轴反射。因为处于45°，所以o光和e光偏振方向互换。偏移器201偏移新的e光与新的o光在出射端合并。
为了使调制器断开，给延迟器202施加电压Vπ/2，这样还在平行于电场和垂直于电场的成份之间产生90°的相对相移，其中电场方向与分束面成45°角。光束第一次通过四分之一波片和延迟器之后，o光和e光的偏振方向互换。反射并第二次通过之后，这些光束再一次互换。因而，起始的e光仍然为e光，并且被第二次偏移，如同未偏移的o光一样错过出射端。
可以通过省去四分之一波片、并且对延迟器施加DC电压V=Vπ/2来达到相同的效果，产生一个常合的状态。电压增大到V=Vπ/2驱动调制器断开。但是，利用可得到的延迟器材料，所需的电压很高，高到这可能是一种不理想的方式。
如前所述，偏离距离应至少是一个极小的光束直径D。但是，通常不希望让光束返回到入射区域。因此，入射端和出射端之间的分离应该至少为2D。这意味着图5B和7B中所示的结构中电极间隔必须至少为D(1+2x21/2)。如果在偏移器201和反射镜203之间插入一个半波片，无论是在相位延迟器202之前或之后，间隔可以缩窄到D。此结构示于图8A-8D，该图表示相位延迟器206的电极处于90°，电极间隔为D。半波片205可以由一个双折射片制成，其中具有180°的光学相位延迟，并且c轴相对于分束面以22.5°取向。
如前所述，入射光束的非常光成份与正常光成份分离并被偏移。在第一次通过半波片205之后，e光和o光的方向旋转45°角。如果相位延迟器不工作，则这些光被反射并第二次穿过半波片并被旋转反射到它们的初始方向。新的o光穿过反射器201并反射e光，使得两光束错过出射端。调制器为常断。
给延迟器202施加电压Vπ/2，使得平行于电场的o光和e光成份的相位延迟增加90°。这导致两个光束变成圆偏振光。被反射镜203反射后，相位延迟器给在第一次通过时被延迟的相同的o光和e光成份另增加一个90°的相位延迟，产生线性偏振光，但与第一次通过之前的偏振方向相比旋转45°。然后，半波片205再提供另一个45°，以致于o光和e光互换。初始的e光、即现在的o光不被偏移，初始的o光、即现在的e光被偏移并且二者均到达出射端，如图7A所示。
低PMD的常合调制器通过加入一个四分之一波片而制备。此操作类似于图7A中的结构，与没有四分之一波片的结构相比互换偏振方向。另一种实现此结果但不加入波片的方法是把最后一种结果的半波片分成两半，一半覆盖入射光束区域，另一半覆盖反射的出射光束区域，如图9A-9D所示。如图9B的底视图所示，出射光束的一半205B其c轴相对于入射光束的一半205a的c轴取向旋转45°(或等于135°、225°或315°)。当相位延迟器不工作时，由半波片205A导致的入射光束偏振方向45°的变化被半波片205B对出射光束进一步增大。所以，出射的o光和e光互换，以致于它们在出射端汇集。调制器是常合的。代替半波片205A和半波片205b的45°法拉第旋转器应该有相同的效果。当向相位延迟器施加足够的电压时，光束在两次穿过延迟器之后旋转90°。在这种情况下，当光束穿过半波片205B时，另外的45°的旋转导致总体旋转180°，以致于o光和e光重新回到它们的初始偏振方向。
上述结构中的光束都在一个指定为分束面的平面上传播。从物理上说，该平面是一个当光束从第一分束器或偏移器出射时包含o光和e光的平面。所有其它的成分以此平面为基准，无论是必须的还是设计上的规定。没有按此设计的反射模式在某些情况下有益。在这种模式中，假设它是一个双折射片，偏移器的c轴不在纸平面内，而是倾斜到纸平面内。如果是一个立方块(通常有很厚的厚度)，则c轴将沿着从左前上部到右后下部延伸的对角线。
图10A表示反射器208的横截面，但底视图10B表示与纸平面成45°、与光束的传播方向成45°的c轴。这有两个效果。首先，相对波片208为o光和e光的光束分别不再是水平或垂直，而是以45°的c轴平行或垂直，如图所示。e光此时被以45°角偏移。在这种情况下，分束面相对纸平面旋转45°。底视图还表示具有其偏振方向和位移的两束光。此种设计的优点在于它使用最少的元件使电场有90°的取向。此种设计的缺点在于电极间隔是D(1+2-1/2)而不是D，但这仍然是D(1+2×21/2)的改进。
如图10A-10E所示，操作与其它没有PMD的反射模式的常断调制器类似。与其它没有PMD的反射模式的常断调制器类似，没有PMD的常合调制器可以通过以45°或等价的角度插入波片而得到，无论是在延迟器209之前还是在延迟器209之后，都是如此。
当光束大部分为最小发散度时，前面的结构可以不需要附加元件。但是，当需要把光传递到小直径的接收器如光纤、透镜或等同物时，需要聚焦传递的光束。即使是从相同直径的光纤入射，当光束穿过调制器时光束仍然会发散。一种办法是准直入射光以减小其发散度，并用统一的透镜聚焦出射光。
反射模式有一个类似的问题。另外，为了与光纤通行设备一起使用，通常希望调制器做得尽可能小。这意味着在准直器的入射端和出射端之间没有太大的空间。在图11A-11D中示出了一种方法，该方法加入了几个元件。采用图9A是为了举例说明，可以对任何其它反射模式的结构作同样的添加。
首先，通过光纤301提供入射并通过光纤302出射。通过光纤安装块303将入射和出射保持在精确相隔的位置(图中夸大表示)。偏移器304、分束半波片305A和305B、相位延迟器306的功能示于图9A，分别用做元件201、205A和205B、206。延迟器后面是一个圆柱棒形GRIN透镜307，在该透镜远离光纤的一端涂敷反射面308。端视图表示了半波片305A和305B的c轴取向，其中重叠了延迟器306视场。在此种应用中，希望保持元件之间的纵向间隔尽可能地小，以便减小光束发散的影响。
GRIN透镜307用做一个准直器或数个准直器。当入射光束以一定角度传播入射到反射镜308时扩展并变得更加准直。光束被反射镜反射之后再回到出射端时被重新聚焦。光束的中心在与中心轴等距离的共轭点入射并出射。其它方面的操作与通过图11C-11D的相同的偏振取向图例举的图9C-9D中描述的一样。在开通状态，出射光纤把来自入射光纤301的全部光束理想地汇集起来，光线没有受到插入损耗。因为工作在1.3μm和1.55μm的通信波长的典型单模光线有10μm量级的芯，光纤301和302的准直非常重要。光纤的准直问题和各种解决方法是已知的公知技术，利用块303把光纤保持在调制器同一侧相隔固定的间隔如2D，使得此问题变得更简单。消除一个自由度并把块移动到开通状态最大的透射位置。
对电光相位延迟器的一般要求是当施加电压时，在不同的偏振方向之间产生对于反射模式有π/2的相移、对于透射模式有π的相移。材料最好具有较高的电光系数以便将工作电压减小到500V以下。另外，材料各向同性的折射率足以达到与偏振无关的工作。材料的特性最好使得能够形成条或片。当然，材料在1200nm～1600nm之间的波长必须是透明的。
这些需要通过铁电氧化物类来满足，它们是光学各项同性的；具有小于300℃的居里温度，以便电光系数较高，接近室温；具有一种扩散的相位平移，使得电光系数的温度依赖性减弱；并且通过适中的电场使得没有永久的极性，因为变为永久极性的低居里温度的材料不太稳定。这种材料体系的例子有：铅锆钛酸盐(PZT)，镧改进的PZT(PLZT)，铅锰铌酸盐(PMN)和铅锰铌酸盐及铅钽酸盐的固体溶液(PMN-PT)。未来将会发现更多的这类元素。
具有额定的9/65/35La/Pb/Zr成份的PLZT是优选的一种材料。这种材料已知在450nm～7μm的范围内是透明的，见Lionel M.Levinson,Electronic Ceramics,Chapter 7(《电子陶瓷》第7章，MarcelDekker,New York,1987)。在热压陶瓷的形式中，它是光学各项同性的，并且在施与零电压时显示很小的双折射。有较高的电光系数并且与电压的二次方成正比。
拥有这种材料优点的电极形状在图12A和12B中以施加反向电场示出。电场的方向与光束成90°角，以致于可以实现依赖于偏振的操作。因为效果基于材料中的电场(用ε表示并在图中用虚线标出)，所以希望把电极布置得尽可能地紧密以便减小控制电压。图12A表示一个实施方案，其中半波片用于旋转偏振方向45°，使得电极间隔g可以尽可能地小。在这些当中，g可以小到如同光束直径。对于单模光纤，因为光束发散，所以g的典型值为100μm或更大，此g值大于典型值为10μm的光纤芯直径。
为了获得均匀的电场，最好把电极放在棒的一侧上。另一种办法是把电极放在片的前后并连结。实现均匀的电场需要大于最小值的电极间隔。但是，可以通过利用图12B所示的槽结构来减小。图中表明沟槽深度为e、宽度为w的电光片位于透光区域的两侧。电极设置在两侧上并连结。通过这种结构，即使电极没有宽泛地被分开也能获得适当的电场均匀度。
另一个优选实施方案采用单件双折射片304在1550nm下工作，如图11A-11D所示。双折射片304是0.5mm厚的YVO4。根据在1550nm处ne-no=0.2(见CASIX公司，Monrovia,California的Crystal Guide(《晶体指南》)1996,51页中“Crystal&Materials,LaserAccessories”《晶体与材料—激光附件》)，对o光和e光产生50μm的分离距离。半波片305为0.28mm厚。GRIN透镜307为3mm直径的Nippon Sheet Glass Co.,Ltd.,(日本薄片玻璃公司)出品的商标SELFOC的型号SLW 300-025-156。此波片名义上有四分之一间距7.89mm长，并且为了补偿其它元件中额外的光程，截去1.1mm。反射镜308蒸镀金。相位延迟器306由一种市场上可以得到的375μm厚的9/65/35 PLZT热压体陶瓷[Aura Ceramics，(Aura陶瓷公司)，New Hope,Minnesota]。电极结构示于图12A，具有例如200μm的间隔g。包有一层金的无电镍用作电极。
光纤301和302是一种芯直径为10μm、总直径为125μm的单模光纤，型号为SWF-29由Coming公司(Corning,New York)制造。这些光纤以150μm安置在块303中蚀刻于硅板坯中的V形槽内(小的光纤间隔减小GRIN透镜中的畸变，这可以通过除去包层达到，但如果希望在断开状态避免光束透射回到入射光纤，间隔应大于偏离距离d的大约两倍)。块303通过增大在开通状态从光纤301到光纤302的透射来与组件的其余部分对齐。采用在同一侧有两光纤的上述块以致于间隔固定使得上述对齐相对容易。光学元件的全表面被涂敷抗反射涂层。片保持接近但有一个空气间隔，在光束透射区域的外侧有一层黏附层。或者，如果采用低功率的光束，则可以使用与黏附层匹配的指数并且消除空气间隔。
本发明的另一个实施方案示于图13。入射光纤402延伸通过光纤固定衬底406并且光学耦合到1/4间距GRIN透镜408。元件410是一个双折射楔形物，把光束分束，分束的光束如前所述地耦合到延迟器412上。反射器414如反射镜把光信号导回穿过延迟器412、用作复合器的元件410、透镜408，并且耦合调制的光束进入出射光纤404。
图14表示带有DC电压驱动器的装置的调制特性。InGaAsP/InP二极管激光器用作一个进入光纤301的1550nm光源，并且从光纤302的输出用InGaAs光电探测器探测。在此实施方案中调制器为常合调制器，但是，当控制电压达到Vπ/2、在此情形中为150V时，光的透射率减小为0。0电压时的实际透射率不是100％，而是表现出一个0.8dB的插入损耗，比前面描述的高速装置仍有超过3dB损耗的较大的改进。在Vπ/2处的实际透射率不是0，而是30dB的衰减。应注意到这是千分之一。需要光学元件中瑕疵所致的非常小的散射促使这更多的光被反射到光纤302中。还发现对入射光不同的偏振方向的敏感度为0.07dB。
利用1550nm的InGaAsP/InP光源测量调制器的响应时间，但是用Analog Modules公司出品(Longwood,Florida)的828A型号的高压高速驱动器代替DC驱动器，用小面积、高速度的Ge光探测器代替InGaAs光探测器。虽然应该对响应时间没有影响，但还是用利用单件半波片205构成的常断调制器测量，如图8A中所示。以1kHz的重复频率施加Vπ/2(幅值大约为170V)的快上升时间的电压脉冲。图15表示一种示波器显示，其上轨迹正比于在光纤302中探测的光，下轨迹表现为一个电压脉冲的抽样。光幅度的10-90％的上升时间约为40ns。还发现，由于外壳加热，调制器在室温以上6℃左右工作，该温度降低响应时间并轻微地增大Vπ/2电压。当保持在室温时，100ns的上升时间和150V的Vπ/2更为典型。当速度处于为临界值时，可以根据意愿设置加热器。
除了原钒酸钇(YVO4)外，可以用其它的双折射材料制作双折射反射器片，如方解石、铌酸锂或金红石。优选金红石，因为它有较大的ne和no差，以致于片的厚度可以很小。其结果是，光束在很小的距离内发散，并且可以使用较小的电极间隔和驱动电压。用金红石做四分之一波片和半波片有相同的原理，但是这些波片已非常薄，以致于供应商在制造上很困难。制造半波片和四分之一波片的等同物的另一种已知的方法是利用光学活泼的材料，如石英。
还有一种制造偏振分束器的不同方法是利用双折射材料，但是是以楔形或锥形片的形式。这种形状的波片产生一个与横向分束相对的角度偏移。虽然制造和组装比起平面波片来更困难，但在经过反射面处于45°角的第一偏移器之后提供偏振方向。这意味着可以以最小的间隔使用横向场，不必用半波片旋转偏振。
在反射模式中，除了处于90°的平面反射镜和带有反射器的GRIN透镜外，可以用多个光学元件产生反射功能，这些元件包括角棱镜、聚焦在平面横向反射镜上的透镜、平凸透镜等，其中平凸透镜的平面侧涂敷反射镜，凸侧朝向入射和出射端。
工作使用的窄带波长为1550nm，但对波长的限定既不是这么具体，也不是很窄。对特定波长的主要限定是因为需要材料的透明度。另外，因为波片是固定的厚度，所以相位延迟将随着波长变化，并且作为次级效应，折射率随着波长变化。所以，当采用与所需的波长不同的波长时调制器的性能将逐渐下降。还应理解，应按理想地给出各种取向角。例如，当取向角误差小于5°，调制器性能将不理想，但将仍然起作用。
对于在反射模式中与光波导一起使用，这是一个小直径的发散光源，它特别有利地利用一种条形分级指数(GRIN)透镜，该透镜与衰减器其余部分相对的一端上有一个反射镜。此处对低频率没有限制，衰减器与调制器同步使用。GRIN透镜准直入射光将光束从反射镜反射，并且将光束重新聚焦到出射光纤上。光纤必须与透镜的中心及其它元件有特定的关系。这些光纤的单模形式有10μm的直径，以致于很难准直。但是，如果光纤固定在一种精确安装块，如带有光刻蚀刻的平行V形槽的硅板坯上，则准直将容易得多。折射因为可以消除一个自由度并且可以简单地移动块，直到在开通状态获得最大的透射率。
电光相位延迟器的材料的选自依据于这样的事实：光波长为λ的光穿过光学厚度为φ的材料，相位θ的变化为：
(1)    Δθ=2πΔφ/λ(弧度)
一般地，对于光程为D的任何材料，折射率为n，并且施加的电压产生电场ξ，则有：
(2)    Δφ=nΔD+DΔn=nD[dξ+γξ2-0.5n3(rξ+Rξ2)]
右面的四项分别表示压电效应、电致伸缩效应、线性电光效应(泡克尔效应)、准电光效应等的系数d、γ、r和ξ。所有的材料都表现出对ξ在某种程度上二次方关系依赖的效应。还有20类没有对称中心的压电晶体，它们也表现出对ξ的线性依赖。在很多装置中，所需的Δθ角的范围在0～π弧度。在π弧度，Δφ有半个波长的变化。材料的特点在于需要这样的电压，即半波电压Vπ。
有很多材料中可以得到，但其中很多需要千伏的量级以获得合适的相变。成分为PbxLal-x(ZryTiz)1-x/4(x=9,y=65,z=35)的铁电(PLZT)没有显示出很大的线性效应(d=r=0)，但是有很高的二次系数γ和R。市场上可以得到Aura Ceramics公司(New Hope,Minnesota)产的热压陶瓷片。用于全调制的电场比用于液晶相位延迟器的电场高很多，但是相移时间要短很多。
有一个问题是，虽然上述成分的滞后现象减为最小，但是没有消除它。这表示Δθ显示的滞后是控制电压的函数，依赖于施加电压随时间变化的关系。另一个问题在于，虽然没有象其它一些材料那样的温度敏感性，但是依然严重受不欢迎的外部温度受控的环境的影响。
再看图14所示的实施方案，由T(V)=cos2[(V/Vπ)2]理论上给出常合衰减器的透射率，如基于PLZT的衰减器，其中V是相位延迟器的电压。当V=Vπ时，T=0。当V＞Vπ时，T开始增大。对于常断衰减器，此理论公式为T(V)=sin2[(V/Vπ)n]。
在此种衰减器的情形中，完全置于室温以后，当加入到75℃时衰减器可达到15dB。很明显，这是不理想的。一种可能的办法是用固定的已知光源测量隔开的统一标准的衰减器的输出并利用反馈控制透射。然后，在假设以相同的方式相应的情况下施加相同的电压控制主衰减器。但是，提供复制的标准衰减器的花费又是不吸引人的。
方程(2)所表达成的形式是因为它便于描述外部电压产生的电场所致的相位滞后。这对于不显示滞后现象的非铁电材料是适合的。但是当R是ξ的函数时不太有利。一段时间以前，M.DiDomenico等在1969年的J.Appl.Phys.,vol.40,p.720的"Oxygen OxyhedralFerroelectrics I:Theory of Electro-optic Non-linear Optical Effects"(氧氧氦双铁氧体I：电光非线性光学效应理论)发现该方程可以写成电介质偏振的形式。物理上，电光效应依据于内电场，这是已经考虑到了材料中的偶极子外部感应的电场。理论上推出方程Δn=0.5n3gp2,Δn和P之间的关系表明很小的滞后，并且受温度变化的影响很小。
因此，在一个实施方案中，通过利用图16所示的电路避免滞后。这表明衰减器60具有一个光学输入IN(入射)和一个光学输出OUT(出射)。纤维光缆可以用于提供与衰减器60的耦合。衰减器60有两个标有CONTROLS(控制)的电连接，它实际上连接控制衰减器内部材料的双折射的电极。从电学上来讲，双折射材料可以做成一个电容，有一些漏电流，与控制连接串联。对于一种基于PLZT陶瓷的衰减器，电容大约为400pF。既使电容器电极面积较小，并且电极之间的距离较大，电容也较大，因为PLZT材料的电介质常数ε较大。
PLZT电容器的一端连接到放大器A61的非反转入口以及电容器C61的一端。放大器A61是一个低漏电流的电压缓冲器。它的输出端连接到放大器A62的反转入射端。对于基于PLZT的衰减器，放大器应该是一个高压放大器，具有大于半波电压Vπ的输出，在本实施方案中感兴趣的温度范围内为350V。放大器的非反向输入端连结到一个可变电压V62，它的输出端连结到PLZT电容器的另一端。
当电流接通时，放大器A62将经过衰减器60驱动电流直到电容器C61上的电压V61等于控制电压V62。此点处的V63值由V63=V61[(C61+Cp)/Cp]给出，其中Cp是PLZT’s的电容值。V61的最大值是V63最大值的Cp/(C61+Cp)倍。因为V63大约可以大于A61的最大输入电压值的两个量级，所以C61应该远大于Cp。例如，如果Vπ=350V，则C61应该是15,000pF，把V61限定在小于10V。但是，C61的值大一些是理想的，大到40,000pF以减小由于经PLZT材料的漏电流所致的误差。另一方面，如果C61太大，则由于放大器偏移电压所致的误差将变得非常严重，这是因为最大控制电压变得太小。
在衰减器60经历温度变化、例如以致于PLZT的介电常数变化的情况中，电流保持C61的恒定电压。这意味着电荷C61·V61不改变，即没有电流流过C61。因此，PLZT材料上的电荷Cp·Vp保持恒定，其中Vp是PLZT两端的电压。所以，εξ量值保持恒定，以致于偏振成分P几乎恒定(在几个百分点之内)，由P=(ε-ε0)ξ≈εξ给出，其中ξ是PLZT材料中的电场。其结果是通过P控制的经过衰减器的透射实际上保持恒定。并且也几乎消除了对于这些陶瓷材料共同的滞后，因为通过施加电压V63中的变化电路实际上控制的偏振。
利用National Semiconductor公司(Santa Clara,California)的LM6042静电计工作放大器构成图16中所示的电路，其中LM6042静电计工作放大器具有在室温下对于A61有2-4fA的漏电流。虽然偶极子输出放大器不是必须的，但利用Apex Microtech公司(Tucson,Arizona)的model PA42a型号为PA42的高压(350V)工作放大器很方便。电容器C61是15,000pF的低漏电聚苯乙烯介质型。没有电路，甚至保持在标准室温下样本衰减器的透射率也漂移的很厉害。利用连结的电路，在16小时内没有显著地漂移，从质量上来讲它是对温度不敏感的。
图17表示图16所示实施方案的电路改型。衰减器60放出的电荷被电容器C61集合。A61的输出是-Q/C61，其中Q是衰减器上的电荷。利用反馈回路，Q=C61·V61，其中V61是输入控制电压。
不巧的是，在两个电路中，即使C61是低漏电聚苯乙烯型，从PLZT材料产生的漏电流、估计达1pA量级将对C61充电，达到控制电压V61的一个相当大的部分。一种可能性是将V63周期性地设置为0并使电容放电。可以接收的正是这些电路的简单性。
对于上述实施方案的另一种应用是控制压电机械制动器。用于在电压上有小的移动。控制通常需要利用激光干涉仪和计数干涉条纹。
在另一个实施方案中，简洁价廉的标准衰减器用于控制主衰减器。干涉衰减器有一个几乎与主衰减器相同的电光片，但是图18中所示的衰减器结构更简单且更优惠。主衰减器由一个具有光入射端、光出射端和电控制端的块10表示。标准衰减器、块20包含电光组件，电光组件包括光源D21，如发光二极管或激光，线性偏振器22，电光相位延迟器23，第二线性偏振器24和一个光电二极管探测器D22。电光相位延迟器有两个被分开间隔G的电极和一个光程D。
从物理上讲，偏振器胶合到电光片的侧面和两个二极管彼此面对的一侧。对齐通常不重要，因为光束相当大且光路简单。但是该系统对于温度是稳定的。
再参见图18，标准衰减器20和主衰减器10有相同的施加电压。它们处于物理上的紧密接触，以致于它们经历类似的环境变化。第一偏振器与所示的电光片23上的电压V13产生的电场方向大约成45°角。如果第二偏振器与第一偏振器成90°角，则结构处于常断状态，即在电光片上没有电压(假设没有自然的双折射)、没有光到达探测器。电光片23中的电场转向到光束传播的方向，并且电极被分开G间隔。当向电光片施加电压时，场致双折射旋转光偏振方向，以致于一部分光可以穿过十字交叉的偏振器并到达探测器。
激励在于光源D21被偏振器22线性偏振。偏振光对于45°角方向有相同的平行分量和垂直分量。通过施加的电压，平行分量在穿过片的厚度D时相位延迟。当旋转光束的偏振方向时可以看到这种效果。当施加半波电压时，平行于光束的成分与垂直于光束的成分相位相差180°，以致于平行分量的方向反转。净结果是所有光束在与初始方向成90°角的方向上偏振并通过第二偏振器。45°角不是决定性的，但偏移需要较高的V13以产生相同的调制。常合形式可以通过对齐两个偏振器获得。两种形式有与上述关于更复杂的衰减器给出的公式相同的理论公式T(V)。
不需要标准衰减器和衰减器30功能一致，只要它们有相同的环境依从性。主要的要求在于主电光片和标准电光片必须有相同的偏振(P)和相同的施加电场。这可通过利用电极之间相同的间隔和电连结电光片而获得。然而，如果它们有相同的D，则可能会出现问题。如图1所示，对于V＞Vπ，调制变为值加倍。因此，应该调制标准的D，以致于在达到标准之前可以达到主衰减器的Vπ。否则，正反馈将产生标准衰减器。
从方程1和2看出，对于纯粹的二次电光效应，(3)Vπ=(λG2/n3RDm)1/2和(4)Dd=λG2/n3R(Vπ+ΔV)2可以用主衰减器计算Vπ，对标准衰减器计算路径长度Dd。ΔV提供一个安全的界限。应该使ΔV尽可能小以保持两项严格地匹配。R用于代替g，因为它的值更易于得到，并且该值更接近滞后值的平均值。对于n和R未知的材料，可以用方程(3)和方程(4)衡量不同波长处的Vπ值。特别是，对于PLZT陶瓷，在R上有批与批之间的差异，并且必须衡量精确的结果。
主要衰减器和标准衰减器之间的其它差距不太重要。例如，标准中的第一偏振器22阻挡光源D21从发出的一般的光。这不是个问题，因为可以找到光源D21和产生足够高的信噪比的探测器D22。做为第二个实例，在此简单的结构中，光只通过一次电光片22，而衰减器可以用在反射模式中，光两次通过衰减器30中的电光片。在这种情况下，Dm大约是物理厚度的两倍。
如果放大器A13的增益足够大，则施与其正入射端的电压V11将导致输出端压V13增大，直到光电探测器D22和互阻抗放大器发出的信号V12等于V11。环境参数的改变首先将改变V12，但放大器改变V13进行补偿。如果标准衰减器20和受控的衰减器30处于相同的环境，则补偿将适于二者。因为光电探测器电压V12与滞后无关，所以V13将自动调节到对其进行补偿。换句话说，通过测量依从于偏振的效果，就不需要向第一实施方案中的那样测量电荷和偏振。
工作的原理还可以通过考虑工作原形样本进一步理解。本实施方案的电路通过图19示意性的表示。装置的稳定性依据于标准光源的稳定性。标准衰减器20调整成包括一个部分反射镜21，该反射镜把光源D21发出的小部分光反射到第二光电二极管探测器D23。与放大器A11连结形成一个反馈回路，以致于从D21的输出保持在一个由电位计P11决定的恒定值。用一个电流源馈送D21是可能的，但是发现，光输出对温度变化太敏感，既使有一个电流源的温度补偿也是如此。通过举例的方法，主衰减器的要求在于光源D22和D23对温度变化不敏感。(光电晶体管可以是温度敏感性的；优选光电二极管)。
电光片23由400μm厚的9/65/35PLZT热压体陶瓷制成，与主衰减器中的电光片一样。对于标准衰减器和主衰减器，截取接收的片并抛光以实现所需的尺度。D21是一个0.88μm的GaAs发光二极管。光电探测器D22和D23是硅光电二极管。利用1.33μm的发射及探测光电二极管产生类似地结果，但是更昂贵。放大器A12用做互阻抗放大器，并且把D22达成的光电流转变成电压V12(实际上，互阻抗放大器对于D23也是必须的)。电容C13与电阻R13连结摆脱了增益，使得整个反馈回路稳定。
衰减器受馈送到电位计P13一端的外部电压V14的控制。另一端连结到非常小的值的电位计P14，该电位计可以用于调节回路中各种小的偏移。滑线电阻触头P13的电压V11连结到供电电压为V15的高压放大器A13的非转向输入端。这是做为一个积分器工作，以致于只要在V11和v12之间有差异电压V13就连续变化。
用在样本中的元件值是：R12=200kΩ,R33=100kΩ,C13=22pf。C13必须做得足够大，或者采用一些其它的补偿方案以保持反馈回路稳定。V15必须比衰减器30所需的全调制电压大(150V或更大)。在此电路中采用型号为PA42a的高压放大器。
对于常断衰减器，为了增大零输入处的透射率，把V14设置为零，并且在正电压和负电压V15和V16之间调节P14，直到衰减器中的衰减为零，即透射变为最大。施加V14值并调节P13直到达到目的，其中希望V14值对应于经衰减器30的零透射，如5V。然后在零和5V的电压之间设置V14以控制衰减。
制造工作在0.88μm的常合标准衰减器以控制常合和常断主衰减器二者均工作在1.55μm光。对于常合和常断主衰减器，典型的尺寸和测量的Vπ电压列于下表：标准状态    衰减器    λ(μm)    G(μm)    D(μm)    Vπ(V)合上         主要       1.55       260       600       235标准       0.88       250       200       270断开         主要       1.55       400       1,280     272标准       0.88       385       540       279
希望主衰减器和标准衰减器遵从相同的实际限制。在测量了主衰减器并用方程(3)和(4)换算之后计算标准衰减器的理想的光程。对于标准衰减器，PLZT额定值为在0.88μm处n=2.45,R=2.53×10-16m/V2,在1.55μm处，n=2.3,R=2.4×10-16m/V2。
图20表示关于常合衰减器，作为输入电压V14的函数的主衰减器的衰减。在起始，V13=0V并且增加，直到完成衰减。当衰减接近零时曲线有一些弯曲并且透射又开始上升。折射因为反馈控制标准衰减器的透射Td，其中Td=cos2(V13/Vπd)。对于主衰减器，把V13替换到类似的方程中，理论上，Tm=cos2(Vπd/Vπm)2cos-1(Td1/2)。当半波电压相等时，Tm=Td。
图21表示常断衰减器与常合衰减器的衰减比较，其中该常断衰减器具有调整过的电位计P13和P14。此处，当透射率为零并且增大到左侧时，V13=0V。
两个图都表示从0到100％并且再返回的轨迹。滞后小于界限轨迹中的噪音。不做任何补偿，滞后非常显著。
通过在一个小时的周期内从25℃到75℃加热并冷却来测量温度稳定性。把衰减设置为1dB(以便保证电路有效)和在测量的衰减中的变化。对于常断衰减器的衰减改变是0.15dB，对于常合衰减器的衰减改变是0.05dB。当把衰减设置为20dB时，常断衰减器改变0.6dB，常合衰减器改变1.5dB。后者代表30％的变化，但它仅是输入的0.3％。
应该注意到，电光片尽可能匹配是非常重要的。它们可以从相同的陶瓷片上制得并以同样的方式截取和抛光。另外，还注意到在主衰减器中使用较大直径的光束产生更好的效果。这可以与在标准衰减器中使用大直径光束有关。使用不同的波长，如0.88μm和1.33μm似乎不会产生差别。但是这并不是对所有的电光材料都是如此。
在利用线性效应的电光相位延迟器情形中，方程3和4的调制适用相同的原理。但是，如果如同在基于液晶的相位延迟器，电场平行于光束，则电极之间的间隔G以及光程D相同。然后，可以不改变标准衰减器的光程，同时也不改变电场。但是，施加给标准衰减器的电压可以稍小于施加给主衰减器的电压，以便不达到标准衰减器的双倍值区域。
用PZT代替PLZT用于其压电效应，其中场致应变有二次方的依从关系。还有一个二次电光效应，但是不用在光学应用中，因为光的透射率很差。但是它是不透明的。所以，如果PZT机械致动器代替主衰减器，并且PZT电光片代替标准衰减器中的片，则可以以相同的方式控制致动器上的电压。如果对控制光学透射率的输入电压校正致动器的运动，则可以补偿随温度的机械漂移。这种应用不局限在PZT，而是可以应用到具有压电效应和实际的电光效应的材料。
本发明的另一个不局限于衰减器特定类型的实施方案示于图22。光束31入射到光学分束器41上，光的大部分透光成为光束32，但转向一个固定的部分F31作为光束33。光束32穿过电压可控衰减器50，把光束衰减出射为光束34，然后再入射到第二分束器42。类似于第一分束器41，大部分光通过出射光束35，而小部分光F32转变成光束36。
分束器41和42可以由一个分色反射镜制成，或是透镜基底上的部分反射金属膜制成。如果通过表面波导载运光束，则可以使用抽出小部分光转换到相邻的波导中并通过纤维光缆输出耦合。
从第一分束器41发出的光入射到光传感器如光电二极管D31上。这样产生光电流I1，该电流正比于通过互阻抗放大器A31转换成的电压的光的幅度。电压为V1=I1·R31。置于输出功率Pi，即V34=K31·F31·Pi·R31，此处K3是光电二极管D31的转换因子(安培/瓦，amps/watt)。类似地，光电二极管D32把光缆36的光转变成电流，因放大器A32和电子R32产生电压V32，V32=K32·F32·P0·R32，此处P0为输出功率。
电位计P33提供一个衰减的值V34，即V31=αV34，此处，α是P33的衰减。V31连结到放大器A33的非转换输入端，V32连结到转换输入端，输出端V33连结到光学衰减器51的控制口。假设A33有足够的增益，则将产生一个控制电压V33，足以使V32=V31。如图所示，光学衰减器51正常地是非衰减的，并且增大的负控制电压增大衰减。总衰减P0/Pi由α(K31·F31·R31)/(k32·F32·R32)给出。如果调节R31或R32使得K31·F31·R31=k32·F32·R32，则P0=αPj。P33可以省略，R31单独用于控制衰减。但是，这样可能导致要求设置P0大于Pi，但这是不可能的。与前述实施方案一样，C33在反馈回路稳定之前一直增大。P33可以通过模拟乘法器替换以便得到电压受控的输入。
在本实施方案中，控制的精确性还依赖于光传感器D31和D32对于温度变化的匹配。
在另一个实施方案中，可以通过去掉第一分束器41、二极管D31、放大器A31和相关的电路并利用V31来获得绝对透射控制器，以便控制绝对强度。在这种情况下，D32和相关电路必须关于绝对基准稳定。
参见图23A和23B，该图提供了根据本发明的具有补偿系统的可变衰减器的详细情况。本实施方案例证了与标准衰减器(VOA’)120并联的可变衰减器(VOA)50的工作原理。本实施方案的电路通过示意图23A和23B表示。装置的稳定性依赖于标准光源的稳定性。把标准衰减器120变更成包括一个部分反射镜20，该反射镜把光源D21的小部分光反射到第二光电探测器D23。由100区代表的发光二极管驱动器是反馈回路的一部分，用于将D21的输出保持为恒定。
光源D21是一个0.88μm的GaAs发光二极管。光电探测器D22和D23为硅发光二极管。偏离电压补偿器区130用于调整补偿器电路中不同的小电压偏离。高压驱动器电路区150与补偿器120和VOA50耦合，使得同样的电压和相同的电场分布提供给VOA和补偿器。对于补偿器和VOA的环境变化随将导致相同的偏振变化并使通过补偿器的光传输产生变化。从电路中的反馈然后驱动通过补偿器的光传输并通过VOA回到其期望值，如前所述。
参见图24，该图表示本发明提供的带有补偿器系统的可变衰减器的另一个实施方案。把标准衰减器210变更成包括一个部分反射镜20，该反射镜把光源D21的小部分光反射到反馈回路，其中反馈回路包括发光二极管驱动区200。反馈回路将D21的输出保持为恒定。
光源D21是一个0.88μm的GaAs发光二极管。互阻抗放大器220把探测器230发出的光电流转换成一个电压。高压驱动器240耦合到互阻抗放大器220。
参见图25A和25B，该图表示本发明可变衰减器的另一个实施方案，其中衰减装置的输出功率并且将反馈电路保持在恒定的输出水平。在此功率控制模式中，衰减可以变化，但是输出功率保持恒定。具有输出抽头的本实施方案可用作一个功率限制器。
本实施方案包括一个耦结到高压驱动器310的互阻抗放大器300。互阻抗放大器300把探测器320(LED)发出而光电流转变成一个电压。可变衰减器50耦结到高压驱动器310。从衰减器发出的光束入射到分束器20上，分束器20把光束的一个固定部分转移到探测器320以形成反馈回路，而光束的大部分传到出射光束。
参见图26，该图表示利用本发明优选实施方案的波分多路复用器(WDM)光纤电话通信系统。本发明的可变衰减器将功率衰减进入光纤放大器。光纤电话通信系统600包括输入波分多路复用器(WDM)602、一个激光模块605、光纤耦合器610、滤波器620、本发明的可控衰减器630、耦合到光纤耦合器650的光纤放大器640、激光模块655、滤波器660和一个输出WDM。激光模块605的输出端与光纤耦合器610中WDM耦结。滤波后在形成进入光纤放大器的入射之前光信号在可变衰减器630中衰减。一旦被放大后，信号与激光模块655的输出端耦合并被滤波器660滤波。该信号提供一个载运到远距离用户位置的波分多路复用光信号。
参见图27，该图表示DWDM系统中本发明的可变衰减器。可控衰减器平衡具有不同波长的通道中的功率。一个工作在间隔稠密的波长处的稠密的WDM系统包括一个入射光纤702，该光纤把来自入射端的不同波长的光信号运载到解复用器710，该解复用器710多路分解合并的输入信号。然后，多路分解的光信号和加入的通道λI-λN形成输入信号以分解开关720。然后，开关的输出形成对本发明衰减器740的输入。这些衰减器可以用于DWDM系统中的功率平衡。通过调制单独波长的此方法，可以从一个激光源经单根光纤向用户地点提供多项服务。然后，从衰减器740输出的信号在多路复用器760中多路传输并输出到光纤770。如果需要，可以利用监视器抽头790分接到衰减器的输出端。
虽然是针对衰减器和致动器对本发明做了描述，但也可以制造其它类型的装置。例如，可以通过把实施方案#2和#3的光传感器D22的输出转换成对数形式来制作控制强度对数的功率较平器。作为另一个实例，主衰减器可以通过一个受标准调制器控制的简单相位延迟器替换。可以针对标准调制器中的透射率校正延迟器中的相位移量并且滞后进行控制。在此应用中，因为透射率-相位曲线是非线性的，所以利用模拟-数字信号和数字-模拟信号转换器以及数字处理器是有用的。后一方法还可以用于压电致动器实施方案。
除PLZT和PZT以外，还可以利用下列材料：Pb(Zr,Ti)O3,Pb(Mg,Nb)O3和Pb(Mg,Nb)O3与PbTaO3的固体溶液。另外，本发明的实施方案可以用在光纤通信系统，尤其用于密集的波分多路复用(DWDM)系统。本发明的实施方案可以衰减对光纤放大器的功率输入。另外，在另一种DWDM应用中，本发明的实施方案平衡不同波长通道中的功率。
虽然为了使得本领域的技术人员能够理解和制造本发明而在以上对本发明的优选实施方案进行了详细描述，但还应该理解的是，还有一些对于电光领域的技术人员为显而易见的改型、变化或等同替换。特别是，即使不施加电压，强烈的外电场将影响相位延迟器并因而能够将本装置用作一个电场传感器。

Claims (45)

1．一种光调制器，包括：
入射光纤；
偏振分束器，把从入射光纤入射的光分成沿调制器中的分束路径的两个偏振分量，所述的路径确定分束面；
固态电光相位延迟器，具有提供穿过路径的电场的电极，相位延迟器中的电场产生相对于分束器中出来的两个偏振分量的相位延迟；
偏振复合器，把从延迟器出来的偏振分量合并成调制的光信号；和
光学耦合到复合器的出射光纤，用于接收调制的光信号。
2．如权利要求1所述的调制器，其特征在于延迟器选自一类铁电氧化物材料，这类材料的特点在于具有小于600℃的居里温度。
3．如权利要求2所述的调制器，其特征在于延迟器包括晶状陶瓷材料。
4．如权利要求1所述的调制器，其特征在于分束器和复合器包括双折射材料片，该材料片的c轴取向横向彼此相对移动两个偏振光束传播方向。
5．如权利要求1所述的调制器，其特征在于分束器和复合器包括楔形的双折射材料，该楔形双折射材料具有横向移动光束的c轴，并且具有与光束的传播方向成一定角度取向的面，以致于一个偏振光束相对于另一个偏振光束以一定角度反射。
6．如权利要求1所述的调制器，还包括设置在偏振分束器和偏振复合器之间以提供常合型调制器的固定的90°偏振方向的旋转器。
7．如权利要求6所述的调制器，其特征在于固定的90°偏振方向的旋转器由双折射材料片组成，该双折射材料片的c轴垂直于光束的传播方向取向，并与分束面成45°+Nx90°(N是整数)角。
8．如权利要求6所述的调制器，其特征在于固定的90°偏振方向的旋转器由光学活性材料组成，该材料具有提供90°旋转的光程。
9．如权利要求1所述的调制器，其特征在于延迟器包括铅镧锆钛酸盐(PLZT)材料。
10．如权利要求1所述的调制器，还包括：
设置在分束器和相位延迟器之间的第一固定的45°偏振方向的旋转器；
设置在相位延迟器和复合器之间的第二固定的45°偏振方向的旋转器；
相位延迟器电极提供与分束面成90°的横向电场。
11．如权利要求10所述的调制器，其特征在于第一和第二固定的45°偏振方向的旋转器包括半波片，该半波片的c轴垂直于光路的传播方向取向，并与分束面成22.5°+Nx45°(N是整数)角。
12．如权利要求1所述的调制器，调制器在500V或更小的电压下工作。
13．如权利要求1所述的调制器，其特征在于在出射区域接收光的偏振复合器相对于偏振分束器取向，产生一个常合型调制器或常断型调制器；
固态电光相位延迟器，具有布置成提供横向电场的电极，提供的电场产生相对于偏振分束器产生的两个偏振分量中每一个分量的相对相位延迟，并对两个分量有实质上相同的影响，以致于两个分量在向前和倒转的方向平移后互换；和反射器，把光束朝前导向分束器和延迟器，再在反方向穿过延迟器和复合器到达出射区域。
14．如权利要求1所述的调制器，还包括设置在分束器和横向放置的复合器及反射器之间的线-圆偏振器，常断型调制器由此变为常合型调制器或反之，以致于对两种类型的调制器都可以得到低偏振模式的扩散。
15．如权利要求14所述的调制器，其特征在于线-圆偏振器由四分之一波片组成，该波片的c轴垂直于光束的传播方向取向，并与分束面成45°+Nx90°(N是整数)。
16．如权利要求13所述的调制器，还包括设置在分束器和横向放置的复合器及反射器之间的固定的45°偏振方向旋转器，以致于相位延迟器电极可以放置成提供与分束面成90°的横向电场，使得电极之间的间隔最小。
17．如权利要求16所述的调制器，其特征在于固定的45°偏振方向的旋转器由四分之一波片组成，该波片的c轴垂直于光束的传播方向取向，并与分束面成22.5°+Nx45°(N是整数)的角。
18．如权利要求16所述的调制器，其特征在于固定的90°偏振方向的旋转器由光学活性材料组成，该材料具有选择提供90°旋转的长度。
19．如权利要求1所述的调制器，其特征在于分束器和复合器由同种材料制成。
20．如权利要求13所述的调制器，其特征在于反射镜包括GRIN透镜，该透镜在与入射和出射区域相对的一端上有反射镜。
21．如权利要求13所述的调制器，还包括一个材料区，该区具有间隔的V形槽，用于排列光纤。
22．一种调制光信号的方法，包括：
把来自入射光纤的光耦合到偏振分束器上，把光分成多个偏振分量；
用固态电光相位延迟器沿横跨偏振分量的光路方向施加电场，以便在各偏振分量之间提供相对的相位延迟；
合并偏振分量以形成调制的输出信号。
23．如权利要求22所述的方法，还包括把输出信号耦合到光纤。
24．如权利要求22所述的方法，还包括提供一种包含晶状陶瓷材料的相位延迟器。
25．如权利要求22所述的方法，还包括提供一对平行于光路的电极。
26．如权利要求22所述的方法，还包括把来自第一光路的光经延迟器沿第二光路反射。
27．如权利要求22所述的方法，还包括提供一种包含PLZT材料的相位延迟器。
28．如权利要求22所述的方法，还包括提供一种由双折射材料形成的分束器。
29．如权利要求22所述的方法，还包括衰减透过调制器的光。
30．如权利要求22所述的方法，在开通和断开之间转换调制器。
31．如权利要求22所述的方法，还包括利用透镜进行光纤和分束器之间的光耦合。
32．如权利要求31所述的方法，其特征在于透镜包括一种指数分级的透镜。
33．如权利要求22所述的方法，还包括向延迟器施加500V或更小的电压。
34．如权利要求22所述的方法，其特征在于调制的信号不依赖于入射到分束器上的光的偏振。
35．如权利要求22所述的方法，还包括提供一对电极，向延迟器提供正交于光路的电场。
36．如权利要求22所述的方法，还包括提供一种由双折射材料形成的光合成器。
37．一种光调制器，包括：
入射光纤；
偏振分束器，把从入射光纤入射的光分成沿调制器中的分束路径的两个偏振分量；
固态电光相位延迟器，具有提供穿过路径的电场的电极，相位延迟器中的电场产生相对于分束器中出来的两个偏振分量的相关的相位延迟；
偏振复合器，把从延迟器出来的偏振分量合并成一个调制的光信号；和
光学耦合到复合器的出射光纤，用于接收调制的光信号；和
光学耦合的光传感器，传感器至少接收调制光信号的一部分，传感器提供控制调制器的反馈信号。
38．如权利要求37所述的调制器，还包括第二光传感器，用于至少接收入射光的一部分。
39．如权利要求37所述的调制器，其特征在于延迟器包括一种晶状陶瓷材料。
40．如权利要求37所述的调制器，还包括一个反馈电路。
41．如权利要求37所述的调制器，其特征在于调制器包括衰减器。
42．如权利要求37所述的调制器，其特征在于调制器包括补偿器。
43．如权利要求37所述的调制器，还包括第二电光相位延迟器。
44．如权利要求37所述的调制器，还包括一种与包含激光源的光通信系统的耦合。
45．如权利要求44所述的调制器，还包括与具有多种波长的光源的耦合器。
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