CN103257403A - 一种波分复用光器件及波分解复用光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波分复用光器件及波分解复用光器件，对于波分复用光器件，半导体激光器分为上下两层放置，上层发射的光信号通过聚焦透镜耦合到位于玻璃本体的相应光波分滤光片上，然后进入到玻璃本体中形成光弹射传输，最终上层光路中的全部通道光信号复用在一起，透过玻璃本体的窗口出射到一个反射镜上，而后整个上层光路被压向位于下层的一个光波分滤光片上，这个光波分滤光片对上层光路信号全反射。同样下层半导体激光器发射的光信号在玻璃本体内实现复用；从而实现上下两层光信号的复用。对于波分解复用光器件，类似于上述波分复用的工作原理，入射进来的一路波分光信号被分到上下两层光路传输，最终被解复用后出射到相对应的半导体探测器上。
Description
技术领域
本发明涉及光器件、光纤通信领域、波分光通信（WDM）网络，尤其涉及一种应用于高速光通信器件、模块以及系统中的紧凑结构的波分复用光器件及波分解复用光器件。
背景技术
来自云计算、数据中心、移动互联网等的建设导致了全球市场对宽带的强劲需求，光通信网络采用了有着巨大带宽资源和优异传输性能的光纤介质，可以满足不断增长的数据业务、网络资源等的要求。作为高速光纤通信的关键核心器件和技术，发展能够支撑40Gb/s、100Gb/s及其更快传输速率的光器件成为了全球研发和投资的重点。目前业界采用的解决方案是利用平行光学的方法，将多路相对较低传输速率的光信号复用到一根光纤里，例如40Gb/s就是将4路10Gb/s传输速率、具有不同波长的光信号复用到一根光纤里传输，或者是将40Gb/s速率的光信号解复用成4路具有不同波长的并行传输的10Gb/s光信号。因此，如何实现小型化、低成本的40Gb/s、100Gb/s以及更快传输速率的并行传输光器件成为了重中之重，在这些光器件中，设计紧凑结构的波分复用解复用光器件是其中的关键技术之一。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述的市场需求，提出了一种新型的紧凑结构波分复用光器件及波分解复用光器件，本发明的成本低廉，工艺简单，无需高精度光对准设备，易于大批量生产。
本发明的技术方案为：
一种波分复用光器件，包括玻璃本体、反射镜、光波分滤光片、透镜、合光组件、半导体激光器、耦合透镜、耦合光纤，其特征在于：反射镜和光波分滤光片分别附着在玻璃本体上，在半导体激光器与玻璃本体之间放置透镜；玻璃本体与半导体激光器发射光信号的光轴成一个固定角度β，且该固定角度的形成确保入射到玻璃本体内的光信号形成光弹射传输；每两个半导体激光器、两个透镜、两个光波分滤光片、一个反射镜为一组，且每组中每个半导体激光器对应一个透镜和一个光波分滤光片，并且每组中附着在玻璃本体上的反射镜与其中的一个光波分滤光片相对应，反射镜将通过该对应的光波分滤光片的光信号反射到附着在玻璃本体上的另一个光波分滤光片上；合光组件放置在玻璃本体的玻璃窗口处，各组半导体激光器发出的光信号经过玻璃本体后通过玻璃窗口射出，再通过合光组件将上下层的光合光后，依次通过耦合透镜、耦合光纤输出。
所述的合光组件为分立的一个反射镜和一个光波分滤波片的组合而立，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和带通滤光膜，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和光学半透膜。
所述的每组中附着在玻璃本体上的反射镜为分立的反射镜粘结在玻璃本体上或者玻璃本体上的一个面上镀有反射膜。
所述的半导体激光器为阵列激光器或分立的激光器；所述的透镜为阵列透镜组或分立的透镜。
所述的每组中的光波分滤光片为带通滤光片。
所述的波分复用光器件的用途，其特征在于：将波分复用光器件级联多路使用。
一种波分解复用光器件，包括玻璃本体、反射镜Ⅲ、光波分滤光片Ⅲ、透镜Ⅱ、分光组件、半导体探测器、耦合透镜Ⅱ、耦合光纤Ⅱ，其特征在于：反射镜Ⅲ和光波分滤光片Ⅲ分别附着在玻璃本体上，在半导体探测器与玻璃本体之间放置透镜Ⅱ；玻璃本体与半导体探测器发射光信号的光轴成一个固定角度β，且该固定角度的形成确保入射到玻璃本体内的光信号形成光弹射传输；每两个半导体探测器、两个透镜Ⅱ、两个光波分滤光片Ⅲ、一个反射镜Ⅲ为一组，且每组中每个半导体探测器对应一个透镜Ⅱ和一个光波分滤光片Ⅲ，并且每组中附着在玻璃本体上的反射镜Ⅲ与其中的一个光波分滤光片Ⅲ相对应，反射镜Ⅲ将通过附着在玻璃本体上的另一个光波分滤光片Ⅲ上的光信号反射到与之对应的光波分滤光片Ⅲ上；分光组件放置在玻璃本体的玻璃窗口处，输入的合光信号依次通过耦合光纤Ⅱ、耦合透镜Ⅱ入射到分光组件，分光组件将入射的合光分成上下层的光，再分别从玻璃窗口入射到玻璃本体，经过玻璃本体后再输入各组的半导体探测器中。
所述的合光组件为分立的一个反射镜Ⅳ和一个光波分滤波片Ⅳ的组合而立，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和带通滤光膜，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和光学半透膜。
所述的每组中附着在玻璃本体上的反射镜为分立的反射镜粘结在玻璃本体上或者玻璃本体上的一个面上镀有反射膜。
所述的半导体探测器为阵列探测器或分立的探测器；所述的透镜Ⅱ为阵列透镜组或分立的透镜。
所述的每组中的光波分滤光片为带通滤光片。
所述的波分解复用光器件的用途，将波分解复用光器件级联多路使用。
本发明的波分复用及解复用光器件的结构紧凑，可应用于小型化、低成本的高速并行传输光器件。本发明提出的波分复用及解复用将多路波分光信号分开到上下两层光路进行复用及解复用，结构上紧凑，工艺设备精度要求低：对于波分复用光器件，半导体激光器分为上下两层放置，上层发射的光信号通过聚焦透镜耦合到位于玻璃本体的相应光波分滤光片上，然后进入到玻璃本体中形成光弹射传输，最终上层光路中的全部通道光信号复用在一起，透过玻璃本体的窗口出射到一个反射镜上，而后整个上层光路被压向位于下层的一个光波分滤光片上，这个光波分滤光片对上层光路信号全反射。同样，下层半导体激光器发射的光信号在玻璃本体内实现复用后，也透过玻璃本体的窗口出射到同一个光波分滤光片上，这个光波分滤光片对下层光路信号全透射，从而实现了上下两层光信号的复用。对于波分解复用光器件，类似于上述波分复用的工作原理，入射进来的一路波分光信号被分到上下两层光路传输，最终被解复用后出射到相对应的半导体探测器上。
附图说明
图1为本发明的波分复用光器件结构图。
图2为本发明波分复用光器件光路原理图。
图3为本发明的波分解复用光器件结构图。
图4为本发明波分解复用光器件光路原理图。
图5为本发明的采用左右结构合光的波分复用光器件图。
图6为本发明级联多路波分复用光器件图。
图7为本发明的空间维数扩展的多路波分复用光器件图。
图8a为本发明具体实施方式俯视图。
图8b为本发明具体实施方式侧视图。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明提出的紧凑结构波分复用光器件，图1为波分复用光器件结构设计，包括：四个半导体激光器104、两个反射镜Ⅰ、四个透镜103、玻璃本体101、四个光波分滤光片102（包含1号、2号、3号、4号共计4个光波分滤光片）,一个耦合光纤105，一个耦合透镜106，以及位于玻璃本体外部的合光组件；分光组件由分立的一个反射镜Ⅱ100和一个光波分滤波片Ⅱ107的组合，采用的半导体激光器104是分立的激光器，所发出的不同波长光信号λ1、λ2、λ3、λ4，分别通过透镜103入射到附着在玻璃本体101上的光波分滤光片102，透镜103是分立的透镜。具有波长λ1的光信号入射到上层1号光波分滤光片上后进入到玻璃本体101内，经过附着在玻璃本体101上的一个反射镜Ⅰ反射到达上层2号光波分滤光片，与入射到2号光波分滤光片上的光信号λ2合光后出射到反射镜Ⅱ100上，上层合光信号λ1+λ2被反射镜Ⅱ100反射90o后向下到达光波分滤光片Ⅱ107。同样，另二个半导体激光器104发出的光信号λ3、λ4分别经过3号波分滤光片和4号光波分滤光片合光后形成下层合光信号λ3+λ4，再入射到光波分滤光片Ⅱ107上，最终从玻璃本体的玻璃窗口出射的上层和下层合光信号λ1+λ2+λ3+λ4通过耦合透镜106耦合到耦合光纤105输出。
针对图1所示的波分复用光器件结构，图2说明了上层部分的波分复用光路具体实现工作原理，下层部分的波分复用光路工作原理与之相同。从半导体激光器204发射的光信号λ1、λ2经过透镜203后入射到光波分滤光片202上，光信号λ1经过1号光波分滤光片进入到玻璃本体200内，然后被附着在200上的反射镜201反射到2号光波分滤光片上，从而光信号λ1在玻璃本体200内实现了光弹射传输。反射镜201可以是在玻璃本体200上直接镀高反膜，反射镜201也可以是采用反射镜粘结在玻璃本体200上。玻璃本体200是方形玻璃块倾斜放置、并与来自半导体激光器204发射光信号的光轴成一个固定角度β，或者是一个菱形玻璃块、其放置会与来自半导体激光器204发射光信号的光轴成一个固定角度β，该固定角度的形成确保了入射到玻璃本体200内的光信号可以形成光弹射传输，即经过反射镜201后可以反射到相应的光波分滤光片上。这样，光信号λ1经过上述光路会与光信号λ2进行合光，最终透过位于玻璃本体200的玻璃窗口205出射，该玻璃窗口205是玻璃本体200的一个镀增透膜的端面。
图3为波分解复用光器件结构，包括：耦合光纤Ⅱ305、耦合透镜Ⅱ306、玻璃本体301、两个反射镜Ⅲ、四个光波分滤光片Ⅲ302（包含1号、2号、3号、4号共计4个光波分滤光片）、四个透镜Ⅱ303、四个半导体探测器304、以及位于玻璃本体外部的分光组件，分光组件是分立的一个反射镜Ⅳ300和一个光波分滤波片Ⅳ307的组合，波分解复用的工作原理与上述的波分复用工作原理类似，只是光路逆向传输，即入射合光信号通过耦合光纤Ⅱ305进来的波分复用光信号λ1+λ2+λ3+λ4通过耦合透镜Ⅱ306入射到光波分滤光片Ⅳ307上，分为两路光信号“λ1+λ2”和“λ3+λ4”：上层光信号“λ1+λ2”被光波分滤光片Ⅳ307形成90o反射向上到达反射镜Ⅳ300后，再被90o反射进入到玻璃本体301中一个反射镜Ⅲ形成光弹射传输，再经1号和2号光波分滤光片Ⅲ302最终将上层光信号解复用后分别到达半导体探测器304上。类似地，下层光信号“λ3+λ4”经过3号和4号光波分滤光片302解复用后分别到达半导体探测器304上。采用的半导体探测器304是分立的探测器，透镜Ⅱ303是分立的透镜。
图4说明了图3所示的波分解复用光器件的光路原理。类似于波分复用光器件的光路原理，玻璃本体400可以是方形玻璃块倾斜一个固定角度β放置，或者是一个具有固定角度β菱形玻璃块。入射进来的光信号“λ1+λ2”通过玻璃本体400上的玻璃窗口到达2号光波分滤光片Ⅲ上，λ2光信号通过透镜Ⅱ403到达半导体探测器404上。光信号λ1被2号光波分滤光片Ⅲ反射到反射面401上后形成光弹射传输，被进一步反射到1号光波分滤光片Ⅲ，而后进入到半导体探测器404上，从而实现对光信号“λ1+λ2”的解复用功能。
本发明提出的波分复用解复用光器件结构除了可以采用上述的分为上下两层光复用器件结构之外，还可以采用左右两层的结构：入射光λ1和λ3到达1号和3号光波分滤光片502后，类似于上述波分复用光器件结构原理，通过玻璃本体501及其反射镜和玻璃窗口到达反射镜500。入射光λ2和λ4到达2号和4号光波分滤光片502，并通过玻璃本体501及其反射镜和玻璃窗口到达光波分滤光片507，最终合光复用成光信号λ1+λ2+λ3+λ4通过透镜506耦合输出到耦合光纤505上。
本发明提出的紧凑结构波分解复用光器件，可以通过级联方式实现更多通道光信号的波分复用解复用功能，如图6所示的级联多通道光信号复用结构图：由半导体激光器发出的16路光信号，每四路光信号通过一个本发明提出的波分复用光器件603合光后，再通过反射镜602和光波分滤光片604后到达第二级波分复用光器件600上进行合光复用，从而实现一级级的级联，最终将多路光信号合光复用在一起。同理波分解复用光器件也可以实现一级级的级联，最终将多路合光信号实现解复用后出射到相对应的半导体探测器上。
类似的，本发明提出的波分解复用光器件设计，也可以通过在空间维数上扩展，通过在每一列或每一行上分别进行合光复用，最终实现多通道光信号的波分复用解复用功能，如图7所示的多通道光信号复用结构图：由半导体激光器发出的多路光信号，每四路光信号通过相应附着在玻璃本体700上的光波分滤光片704后，进入玻璃本体700内进行合光复用，每一层合光复用的光信号输出再在玻璃本体700外部合光，最终将多路光信号合光复用在一起。同理波分解复用光器件也可以实现一级级的级联，最终将多路合光信号实现解复用后出射到相对应的半导体探测器上。
下面将结合附图和具体实施对本发明做进一步说明。本发明提出的新型紧凑结构的波分复用解复用光器件，将4路10Gb/s并行传输的波分光信号复用到一根光纤中，形成40Gb/s的光传输应用。类似的，基于光互易原理，本发明提出的新型设计也可将波分复用的40Gb/s的光信号解复用成4路10Gb/s并行传输的波分光信号，这里将重点说明将4路10Gb/s并行传输的波分光信号复用成40Gb/s的光传输，如图8a、8b所示的俯视图和侧视图，包括壳体802，光出射口801，反射镜803，玻璃本体804，光波分滤光片805，激光器透镜806，半导体激光器807，附着在玻璃本体上的反射镜800，光隔离器808，光口透镜809。玻璃本体804倾斜一个角度β放置在壳体中。
1号和2号半导体激光器807放置在壳体的上层，3号和4号半导体激光器807放置在壳体的下层。1号、2号、3号和4号光波分滤光片805相对应于1号、2号、3号和4号半导体激光器807的位置：1号和2号光波分滤光片805胶粘在玻璃本体804的上层，3号和4号光波分滤光片805胶粘放置在玻璃本体804的下层。这样，1号半导体激光器807发出的光通过激光器透镜806耦合到1号光波分滤光片805上，相应地，2号、3号和4号半导体激光器807发出的光分别通过激光器透镜806耦合到2号、3号和4号光波分滤光片805上。半导体激光器807和激光器透镜806可以是阵列组，也可以是分立的元件。
分别来自1号和2号半导体激光器807的1号光信号和2号光信号分别通过1号和2号光波分滤光片805入射到玻璃本体804的上层，其中2号光波分滤光片805具有全反射1号光信号和全透射2号光信号的特性：1号光信号入射到具有倾斜角度β放置的反射镜800上，该角度确保了反射光到达2号光波分滤光片上。反射镜800是在玻璃本体804的一个侧面镀全反膜形成的。透射进入到玻璃本体804的2号光信号与1号光信号合光复用后，通过玻璃本体804的窗口出射到反射镜803上，并弯折90o把光路压向放置在壳体下层空间的光波分滤光片810上，最终实现了上层光路1号光信号和2号光信号的合光复用。类似工作原理的，下层光路3号光信号和4号光信号合光复用到光波分滤光片810上。光波分滤光片810具有全反射1号和2号光信号、但全透射3号和4号光信号的特性：来自上层光路的1号和2号光信号合光复用后被光波分滤光片810反射到光口透镜809，来自下层光路的3号和4号光信号合光复用后透过光波分滤光片810入射到光口透镜809，再一起透射过光隔离器808输出，最终实现了4路光信号的合光复用出射。
根据上文所述原理及实施例，将需要波分复用或者波分解复用的光信号分成上下两层光路分别加以实现，然后再将来自上下两层光路的光信号波分复用或者波分解复用，既能保证波分复用解复用的性能，又能保证光对准精度和耦合效率，整个工艺流程简单，对工艺设备精度要求低，易于实际生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种波分复用光器件，包括玻璃本体、反射镜、光波分滤光片、透镜、合光组件、半导体激光器、耦合透镜、耦合光纤，其特征在于：反射镜和光波分滤光片分别附着在玻璃本体上，在半导体激光器与玻璃本体之间放置透镜；玻璃本体与半导体激光器发射光信号的光轴成一个固定角度β，且该固定角度的形成确保入射到玻璃本体内的光信号形成光弹射传输；每两个半导体激光器、两个透镜、两个光波分滤光片、一个反射镜为一组，且每组中每个半导体激光器对应一个透镜和一个光波分滤光片，并且每组中附着在玻璃本体上的反射镜与其中的一个光波分滤光片相对应，反射镜将通过该对应的光波分滤光片的光信号反射到附着在玻璃本体上的另一个光波分滤光片上；合光组件放置在玻璃本体的玻璃窗口处，各组半导体激光器发出的光信号经过玻璃本体后通过玻璃窗口射出，再通过合光组件将上下层的光合光后，依次通过耦合透镜、耦合光纤输出。
2.根据权利要求1所述的波分复用光器件，其特征在于：所述的合光组件为分立的一个反射镜和一个光波分滤波片的组合而立，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和带通滤光膜，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和光学半透膜。
3.根据权利要求1所述的波分复用光器件，其特征在于：所述的每组中附着在玻璃本体上的反射镜为分立的反射镜粘结在玻璃本体上或者玻璃本体上的一个面上镀有反射膜。
4.根据权利要求1所述的波分复用光器件，其特征在于：所述的半导体激光器为阵列激光器或分立的激光器；所述的透镜为阵列透镜组或分立的透镜。
5.根据权利要求1所述的波分复用光器件，其特征在于：所述的每组中的光波分滤光片为带通滤光片。
6.根据权利要求1-5之一所述的波分复用光器件的用途，其特征在于：将波分复用光器件级联多路使用。
7.一种波分解复用光器件，包括玻璃本体、反射镜Ⅲ、光波分滤光片Ⅲ、透镜Ⅱ、分光组件、半导体探测器、耦合透镜Ⅱ、耦合光纤Ⅱ，其特征在于：反射镜Ⅲ和光波分滤光片Ⅲ分别附着在玻璃本体上，在半导体探测器与玻璃本体之间放置透镜Ⅱ；玻璃本体与半导体探测器接收的光信号的光轴成一个固定角度β，且该固定角度的形成确保入射到玻璃本体内的光信号形成光弹射传输；每两个半导体探测器、两个透镜Ⅱ、两个光波分滤光片Ⅲ、一个反射镜Ⅲ为一组，且每组中每个半导体探测器对应一个透镜Ⅱ和一个光波分滤光片Ⅲ，并且每组中附着在玻璃本体上的反射镜Ⅲ与其中的一个光波分滤光片Ⅲ相对应，反射镜Ⅲ将通过附着在玻璃本体上的另一个光波分滤光片Ⅲ上的光信号反射到与之对应的光波分滤光片Ⅲ上；分光组件放置在玻璃本体的玻璃窗口处，输入的合光信号依次通过耦合光纤Ⅱ、耦合透镜Ⅱ入射到分光组件，分光组件将入射的合光分成上下层的光，再分别从玻璃窗口入射到玻璃本体，经过玻璃本体后再输入各组的半导体探测器中。
8.根据权利要求7所述的波分解复用光器件，其特征在于：所述的合光组件为分立的一个反射镜Ⅳ和一个光波分滤波片Ⅳ的组合而立，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和带通滤光膜，或为一个棱镜相对的两个面，分别镀有高反射膜和光学半透膜。
9.根据权利要求7所述的波分解复用光器件，其特征在于：所述的每组中附着在玻璃本体上的反射镜为分立的反射镜粘结在玻璃本体上或者玻璃本体上的一个面上镀有反射膜。
10.根据权利要求7所述的波分解复用光器件，其特征在于：所述的半导体探测器为阵列探测器或分立的探测器；所述的透镜Ⅱ为阵列透镜组或分立的透镜。
11.根据权利要求7所述的波分解复用光器件，其特征在于：所述的每组中的光波分滤光片Ⅲ为带通滤光片。
12.根据权利要求7-11之一所述的波分解复用光器件，其特征在于：将波分解复用光器件级联多路使用。
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