CN103163642A - 采用数字微镜器件(dmd)并具有降低的波长相关损失的光学处理设备 - Google Patents
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Abstract
涉及采用数字微镜器件(DMD)并具有降低的波长相关损失的光学处理设备。一种光学装置，包括可致动光学元件和补偿光学元件。可致动光学元件用于接收具有多个空间上分离的波长组分的光束并将多个波长组分以波长相关方式进行衍射。补偿光学元件将光束导引到可致动光学元件，补偿光学元件补偿其中波长组分被可致动光学元件衍射的波长相关方式。
Description
背景技术
传统的，光学处理设备包括用于色散光束的色散元件(例如光栅)和允许每个色散光束中的每个波长被入射到多个输出路径中的任意一个的可致动光学元件。
可致动光学元件的一个示例为DMD(数字微镜器件)，它包括微镜元件的阵列，其中每个都是独立可致动的。DMD通过调节反射镜元件的位置可选择性地将反射波长组分中的光路径切换到多个输出路径中的任一个以控制被反射的波长组分的方向。这样的光学处理设备可用于以多种不同的方式处理光束中的波长以用于多种不同的目的，包括开关，波长衰减和波长阻断。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种光学装置，其包括可致动光学元件和补偿光学元件。可致动光学元件用于接收具有多个在空间上分离的波长组分的光束并以波长相关方式衍射多个波长组分。补偿光学元件将光束导引到可致动光学元件。补偿光学元件补偿其中波长组分被可致动光学元件衍射的波长相关方式。
根据本发明的另一个方面，光学处理设备包括至少两个用于接收光束的光学输入/输出端口以及用于接收来自端口之一端口的光束并在空间上将光束分离为多个波长组分的色散元件。该设备还包括用于准直多个波长组分的准直透镜以及可致动光学元件。可致动光学元件用于接收来自准直元件的被准直的波长组分并以波长相关方式衍射多个波长组分。补偿光学元件设置在色散元件和可致动光学元件之间的光 路径上，补偿光学元件补偿其中波长组分被可致动光学元件衍射的波长相关方式。
附图说明
图1示出了基于例如DMD的MEM反射镜阵列的波长阻断器的简化示例。
图2示出了光学处理设备的另一个示例。
图3a图3b分别是光学处理设备另一个示例的侧视图和顶视图。
图4示出了光学处理设备中补偿棱镜与DMD之间的关系。
图5示出了当两个光束穿过补偿棱镜以及衍射离开DMD时的衍射。
图6a示出了短波长光束从DMD衍射的图像以及图6b示出了长波长光束从DMD衍射的图像。
图7示出了补偿棱镜的一个示例。
图8示出了可用于图7中补偿棱镜的表面的形状的一个示例。
图9a和9b分别示出了在没有关于从DMD的衍射角的波长相关补偿以及在具有关于衍射角的波长相关补偿的情况下，对于说明的光学处理设备的在C波段部分上的插入损耗。
具体实施方式
很多光学处理设备将入射光束和出射光束沿着相同的光路径进行导引。这样的设备包括光开关，光波阻断器和光学衰减器。图1示出了基于例如DMD的MEM反射镜阵列的波长阻断器的简化示例。在1×1的波长阻断器中，光纤阵列是单根光纤，用作为输入和输出端口。通常还会具有环行器(未示出)或其他装置用于分离入射光束和出射光束。如果光纤阵列包括N根光纤，那么每根光纤用作为输入和输出端口。这样的设备提供了N个1×1波长阻断器，其使用共同的光纤并称为波长阻断器阵列。在这样的设备中，发射光学(1aunch optics)通常都需要光纤阵列以及用于将N个入射光束和N个出射光束的每一个进行分离的一系列环行器等。
图2示出了光学处理设备的另一个示例。在这个特定的示例中，使用耦合镜形成了N个(例如15个)1×1开关。在这个示例中，采用了更简单，更低成本的发射光学装置，其省去了环行器等。发射光学装置260包括结合有小透镜阵列200的光纤阵列250。光纤阵列250通常包括两个固定输入/输出光纤的V沟槽板。图2示出了两个光纤对；一对光纤包括光纤1和2，另外一对包括光纤3和4。
应当注意，虽然出于说明的目的图2中示出的发射光学装置260的示例包括光纤阵列，但是更一般地，发射光学装置260可包括任意类型的波导阵列，例如平面波导阵列。另外，阵列中采用的波导可以全部具有相同的类型，也可以是不同类型的组合(例如光纤和平面波导)。
小透镜阵列200包括内部和外部相对的表面220和230，其由二氧化硅或其他合适的光学透明材料形成。一系列的准直透镜对2101，2102，2103……设置在小透镜阵列200的内表面220上。每个准直透镜对210包括两个准直透镜212。同样的，一系列耦合透镜2141，2142，2143……形成在小透镜阵列200的外表面230上。每个准直透镜对210是与耦合透镜214之一相配准的。例如在图2中，准直透镜对2101是与耦合透镜2141配准的，而准直透镜对2102是与耦合透镜2142配准的。这样，准直透镜212的数量是耦合透镜214的两倍。
准直透镜212的节距与光纤阵列250中光纤的节距相等。相应的，设置光纤阵列250和小透镜阵列200使得小透镜阵列200的每个准直透镜212配准光纤阵列250中的光纤输出之一。在一些特定的实现方式中，准直透镜212与耦合透镜214之间的分离可约等于它们各自的焦距之和。
图2中发射光学装置260的操作如下。来自每对光纤对中的输入 光纤的光束从光纤阵列250通过与之配准的准直透镜212传输到小透镜阵列200。例如，在图2中示出了，来自光纤1的光入射到准直透镜对2101中的与其相应的准直透镜212中。准直透镜212将准直后的光束导引到与准直透镜212配准的耦合透镜214上。在图2中，来自光纤1的准直光束被准直透镜对2101中的准直透镜212准直，准直透镜212将准直光束导引到耦合透镜2141。
接下来，耦合透镜214将光束聚焦到发射平面(1aunch plane)上，其中在图2示出的示例中，该发射平面上设置有耦合反射镜240。耦合反射镜240对光束进行反射，使得光束通过从其接收的相同的耦合透镜(例如图2中的耦合透镜2141)被向回导引。耦合透镜214将反射的光进行准直并通过小透镜阵列200向回导引。由于耦合反射镜240反射光束通过的角度，被反射的准直光束是与入射的准直光束平行并且在空间上偏移的。被反射的准直光束被导引到最初从光纤阵列250接收光束的准直透镜对的输出准直透镜。例如，如图2示出的，通过准直透镜对2101的输入准直透镜212导引进入小透镜阵列200的光束被导引到准直透镜对2101中相邻的输出准直透镜212上。输出准直透镜212将反射光束聚焦到与输出准直透镜212配准的光纤的输入端上，在图2示出的示例中为光纤2。通过这种方式，图2中的光学处理设备将从光纤对中的一个光纤(例如光纤1)所接收的输入光束导引到相同光纤对中的另一根光纤(例如光纤2)内，从而提供了切换功能。
图3a(侧视)和图3b(顶视)示出了光学处理设备的另一个示例。这个示例采用了与图2相同的光学发射装置，但是使用比率DMD550的光学系统替代了耦合反射镜240。在这个特定的示例中，形成了N个1×1波长阻断器。例如，如果光学处理设备包括15个1×1波长阻断器(图3中只示出了三个)，则光纤阵列505会包括30根输入/输出光纤。
如图所示，光学发射装置570后面是准直透镜516，衍射光栅522， 扫描透镜530，补偿棱镜540和DMD550。图3b的顶视图中看得最清楚，DMD550在发射光学装置570的光纤延伸的平面中相对于扫描透镜530的光轴是倾斜的。
在操作中，从光纤502进入到光学发射装置570的光束从相应的准直透镜514出射并入射到发射平面511中的虚焦点。然后光束由准直透镜516进行准直。接下来衍射光栅522对准直光束进行衍射，以及扫描透镜530在光束穿过补偿棱镜540之后将在光谱上色散的光束聚焦到DMD550上。当设置为通过状态时，DMD550的每个反射镜都倾斜以将光束几乎反射回到其自身(接近利特罗：near Littrow)使得它通过设备向回行进并通过发射光学装置570的相应波导504出射。作为选择，当设置为阻挡状态时，DMD550的每个反射镜被致动使得它们倾斜为角度导致光束射出器件(参见图3b中的光束560)的角度。虽然图3仅仅示出了耦合的光纤对502和504的操作，但是上述的耦合对于所有的光纤对都是同样的。
由于DMD550是倾斜的，所以从扫描透镜530到DMD550之间的距离是随着光纤变化的。补偿棱镜540的作用就是用于纠正这个路径长度差以使得来自所有光纤的光束都聚焦到DMD550上。补偿棱镜540的操作从图4中可更加容易的看到，其中示出了补偿棱镜540和DMD550之间的关系，其中可包括透明窗420。
图3中示出的设备本身具有与波长相关的损耗，这限制了其性能。为了理解产生波长相关的损耗的根源，我们将DMD550考虑为是由微反射镜阵列组成的并表现为衍射光栅，而非反射镜。严格来说，光束是被衍射离开DMD的，而非反射。在光纤阵列505的平面内，从DMD550的衍射角由光栅方程给出：
θdiffracted＝sin-1[sinθincident+n/λd]
其中n是衍射级次，d是DMD的像素间距，λ是波长。因此，光束从DMD的衍射角是与波长相关的。结果，输入和输出光纤之间的耦 合仅能对单个波长进行优化，这样，当光束被导引通过设备时光束就会具有与波长相关的损耗。
图5示出了两个光束，短波长光束370和长波长光束380，穿过补偿棱镜540和衍射离开DMD550。长波长光束380比短波长光束370衍射通过较大的角度。图6a和6b更加清楚的示出了波长与衍射角的关系。图6a示出了被从DMD550衍射的短波长光束370(实线)。图6a还示出了光束370被衍射的衍射角θd。图6b类似地示出了被从DMD550衍射的长波长光束380(实线)。图6b还示出了光束380被衍射的衍射角θd。比较图6a和图6b，可以发现较长波长光束380的衍射通过较大角度。
与波长相关的损耗可通过提供合适的光学元件来最小化或消除，该合适的光学元件用来补偿由从DMD的衍射所引入的与波长相关的衍射角。一般地，这个光学元件应当位于图3中衍射光栅522的下游，通常在DMD550附近。也即是，光学元件可位于衍射光栅522和DMD550之间。在一个实现方式中，作为增加补偿波长相关的衍射角的额外光学元件的替代方式，也可以对现有的光学元件进行修改以实现这个功能。例如，可修改图3中补偿棱镜540的形状以纠正这个损耗。在这种情况中，补偿棱镜540既用于调节由来自每个光纤的光束经历的路径长度差，也用于补偿从DMD衍射产生的与波长相关的损失。
在一个特定的实现方式中，可以向补偿棱镜540的一个或两个表面添加轻微扭转。图7示出了这样的棱镜的一个示例，用于补偿棱镜385的入射表面394。如图示出的，表面394使得长波长光束392比短波长光束390以较大的折射角度折射。在这个示例中，表面394为z＝mx y(泽尼克多项式中的第5项)的形式，其可以被认为是两个相交的圆柱的和。图8中示出了这样一个表面的形状。结果，通过在补偿棱镜385的每个表面上增加圆柱表面也可实现对波长相关损耗的纠正。这种方式的一个优点是圆柱形的表面可使用传统的光学抛光方法生 成。
再次参考图4，在一些实现方式中，DMD550，窗420和补偿棱镜540(或其他合适的补偿光学元件)可封装在单个单元中，以提供能够以与波长无关的方式衍射光束的DMD装置。这样的DMD装置可用于一系列不同的光学处理设备。
图9a和9b分别示出了在没有关于从DMD的衍射角的波长相关补偿以及在具有关于衍射角的波长相关补偿的情况下，对于说明的光学处理设备的在C波段部分上的插入损耗。如图示出的，当波长相关降低后，损耗总量和损耗变化都变小了。
Claims (23)
1.一种光学装置，包括：
用于接收具有多个空间上分离的波长组分的光束并将所述多个波长组分以波长相关方式进行衍射的可致动光学元件；以及
将所述光束导引到所述可致动光学元件上的补偿光学元件，所述补偿光学元件补偿其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式。
2.权利要求1的光学装置，还包括用于接收所述光束的至少两个光学输入/输出端口，其中所述可致动光学元件选择性地将衍射的波长组分中的至少一个导引到所述光学输入/输出端口之一，所述补偿光学元件降低由其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式所导致的衍射的波长组分中的光学耦合损耗。
3.权利要求1的光学装置，还包括用于准直所述多个波长组分的准直光学元件，所述可致动光学元件包括数字微镜器件(DMD)，所述数字微镜器件具有用于选择性地反射所述波长组分的独立可致动反射镜元件阵列，所述反射镜阵列的取向使得没有所述补偿光学元件的情况下，所述准直光学元件与所述DMD之间的光路径长度从一个波长组分到另一个波长组分是不同的，所述补偿光学元件调节所述光路径长度使得每个波长组分具有长度上相等的光路径长度。
4.权利要求1的光学装置，其中所述补偿光学元件包括至少一个被配置为补偿其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式的表面。
5.权利要求4的光学装置，其中所述表面的形状为圆柱形。
6.权利要求4的光学装置，其中所述表面具有符合泽尼克多项式中的第5项的形状。
7.权利要求4的光学装置，还包括用于准直所述多个波长组分的准直光学元件，其中所述补偿光学元件包括至少一个折射和/或反射表面并进一步被配置为调节由在所述准直光学元件和所述可致动光学元件之间的所述波长组分经历的光路径长度使得所述波长组分被聚焦到所述可致动光学元件上。
8.权利要求7的光学装置，其中所述补偿光学元件包括棱镜。
9.权利要求2的光学装置，其中所述至少两个输入/输出端口包括光学发射装置，该光学发射装置被配置为接收至少一个输入光束并输出被聚焦在虚焦点上的空间重叠的、角度复用的光束。
10.权利要求9的光学装置，其中所述光学发射装置包括用于固定光纤阵列的光纤组件和非对称的小透镜阵列，所述非对称的小透镜阵列具有第一表面和第二表面，所述第一表面具有与所述阵列中的每个光纤配准的准直透镜对，所述第二表面具有与每个准直透镜对配准的耦合透镜。
11.一种光学处理设备，包括：
用于接收光束的至少两个输入/输出端口；
接收来自所述端口之一的所述光束并将所述光束空间分离为多个波长组分的色散元件；
用于准直所述多个波长组分的准直透镜；以及
用于从所述准直元件接收被准直的波长组分并以波长相关方式衍射所述多个波长组分的可致动光学元件；以及
位于在所述色散元件和所述可致动光学元件之间的光路径上的补偿光学元件，所述补偿光学元件补偿其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式。
12.权利要求11的光学处理设备，其中所述可致动光学元件选择性地将衍射的波长组分中的至少一个导引到所述光学输入/输出端口之一；所述补偿光学元件降低由其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式所导致的衍射的波长组分中的光学耦合损耗。
13.权利要求11的光学处理设备，其中所述可致动光学元件包括数字微镜器件(DMD)，所述数字微镜器件具有用于选择性地反射所述波长组分的独立可致动反射镜元件阵列，所述反射镜阵列的取向使得没有所述补偿光学元件的情况下，在所述准直透镜与所述DMD之间的光路径长度从一个波长组分到另一个波长组分是不同的，所述补偿光学元件调节所述光路径长度使得每个波长组分具有长度上相等的光路径长度。
14.权利要求11的光学处理设备，其中所述补偿光学元件包括至少一个被配置为补偿其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式的表面。
15.权利要求14的光学处理设备，其中所述表面的形状为圆柱形。
16.权利要求14的光学处理设备，其中所述表面具有符合泽尼克多项式中的第5项的形状。
17.权利要求14的光学处理设备，其中所述补偿光学元件包括至少一个折射和/或反射表面并进一步被配置为调节由在所述准直透镜和所述可致动光学元件之间的所述波长组分经历的光路径长度使得所述波长组分被聚焦到所述可致动光学元件上。
18.权利要求17的光学处理设备，其中所述补偿光学元件包括棱镜。
19.权利要求11的光学处理设备，其中所述至少两个输入/输出端口包括光学发射装置，该光学发射装置被配置为接收至少一个输入光束并输出被聚焦在虚焦点上的空间重叠的、角度复用的光束。
20.权利要求19的光学处理设备，其中所述光学发射装置包括用于固定光纤阵列的光纤组件和非对称的小透镜阵列，所述非对称的小透镜阵列具有第一表面和第二表面，所述第一表面具有与所述阵列中的每个光纤配准的准直透镜对，所述第二表面具有与每个准直透镜对配准的耦合透镜。
21.一种处理光学信号的方法，包括：
以波长相关方式利用可致动光学元件衍射多个空间上分离的波长组分；以及
补偿其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式。
22.权利要求21的方法，还包括：
准直所述多个波长组分；以及
在被衍射之前调节由被准直的波长组分经历的光路径长度使得所有被准直的波长组分都通过共同的光路径长度。
23.权利要求22的方法，其中对于其中所述波长组分被所述可致动光学元件衍射的所述波长相关方式的补偿和所述光路径长度的调节是由共同的光学元件执行的。
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