CN103608708B

CN103608708B - 光学装置

Info

Publication number: CN103608708B
Application number: CN201280029842.9A
Authority: CN
Inventors: 高桥健郎; 高桥健一郎; 井上享; 蟹江智彦; 春本道子
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: KR20140037922A; KR101858306B1; CN103608708A

Abstract

本发明提供一种在提高实用性的同时减少耦合损耗的光学装置。多芯光纤耦合装置（100）是用于将多芯光纤（10）连接到单芯光纤（20）的光学装置，并且包括：第一光学系统（S1），其位于从多芯光纤（10）射出的多条光束的光轴上，第一光学系统使得多条光束的光轴彼此不平行，从而使得这些光束的光轴彼此分开；以及第二光学系统（S2），其使得在第一光学系统（S1）处彼此不平行的多条光束的光轴彼此大致平行。

Description

光学装置

技术领域

本发明涉及一种光学装置，该光学装置使例如多根单芯光纤等光学部件与例如多芯光纤等光学元件耦合。

背景技术

常规上，已知使多根单芯光纤与多芯光纤耦合的多芯光纤耦合装置。例如，日本未审查的专利公开No.60-212710披露了如下装置：其中在具有两个芯部区域的多芯光纤与两根单芯光纤之间设置透镜，以从多芯光纤形成分支。该装置中的透镜使从多芯光纤射出的多条光束偏转，从而使得这些光束在相对于多芯光纤的光轴倾斜的方向上彼此分开。

根据上述现有技术，由于透镜使来自多芯光纤的光束倾斜，所以单芯光纤需要根据光束的倾斜度而倾斜。在这种情况下，难以执行多芯光纤与单芯光纤之间的角度调节及对准，因而不实用。

因此，本发明的发明人对图1所示的更为实用的装置进行了研究。图1所示的装置包括：透镜L1（焦距f1），其使来自多芯光纤10的多条光束彼此分开；以及透镜L2（焦距f2），其使被透镜L1彼此分开的多条光束偏转到与多芯光纤10的光轴平行的方向上。因此，由于不需要使单芯光纤20相对于多芯光纤10倾斜，所以不必进行角度调节，而且能够实现高实用性。

这里，透镜L1使来自多芯光纤10的多条光束之间的间距扩大，间距扩大因数m为f2/f1。相反地，根据光学领域中使用的拉格朗日定律，光束分散角θ与间距扩大因数的倒数成正比。也就是说，在图1所示的装置中，假设多芯光纤的端面上的光束分散角为θ_出射，则单芯光纤的端面上的分散角（会聚角）θ_入射变为θ_出射/m。

在从多芯光纤射出的光束是高斯光束的情况下，假设多芯光纤的端面上的光束半径为w_出射并且波长为λ，则分散角θ_出射满足下面的等式。

θ=λ/(π·w)

同时，π是圆周率。上述等式也适用于入射到单芯光纤上的光束。根据拉格朗日定律，入射到单芯光纤上的光束的分散角θ_入射变为θ_入射/m。在这种情况下，根据上述等式，单芯光纤的端面上的光束半径w_入射等于w_出射乘以m，从而为m·w_出射。因此，存在与单芯光纤的光耦合损耗变大的问题。

为了解决上述问题而做出了本发明，本发明的目的是提供一种在提高实用性的同时减少耦合损耗的光学装置。

发明内容

根据本发明的一个方面光学装置是如下光学装置：其使光学元件与另一光学部件耦合，所述光学元件包括多个光输入输出部，所述多个光输入输出部的光轴彼此平行。所述光学装置包括：第一光学系统，其位于如下多条光束的光轴上：所述光束入射到所述光学元件的多个光输入输出部以及从所述多个光输入输出部射出，并且所述第一光学系统使得所述多条光束各自的光轴彼此不平行，从而使得所述多条光束处于彼此分开的状态；以及第二光学系统，其使得在所述第一光学系统侧处于彼此不平行状态的所述多条光束的光轴进入彼此大致平行的状态。

在所述光学装置中，所述第二光学系统使得被所述第一光学系统彼此分开的所述多条光束彼此大致平行。因此，由于不需要另一光学部件相对于所述光学元件倾斜，并且不需要角度调节，所以能够实现高实用性。此外，能够减少耦合损耗。

所述第二光学系统可以具有使多条光束聚焦到所述另一光学部件上的模式。

所述光学元件可以是多芯光纤，所述另一光学部件可以是多根单芯光纤，并且所述第一光学系统的焦距可以与所述第二光学系统的焦距相等。这样使光到所述单芯光纤的耦合损耗减少。

根据本发明的一个方面的一种光学装置是如下光纤装置：其利用波长分散元件使光学元件与另一光学部件耦合，所述光学元件包括多个光输入输出部，所述多个光输入输出部各自的光轴彼此平行。所述光学装置包括：第一光学系统，其位于如下多条光束的光轴上：所述光束入射到所述光学元件的多个光输入输出部以及从所述多个光输入输出部射出，并且所述第一光学系统使得所述多条光束各自的光轴彼此不平行，从而使得所述多条光束在所述波长分散元件侧处于彼此分开的状态；以及第二光学系统，其位于所述第一光学系统与所述波长分散元件之间，并且使得在所述第一光学系统侧处于彼此不平行状态的所述多条光束的光轴进入在所述波长分散元件侧彼此大致平行的状态。在所述光学装置中，使得穿过所述第二光学系统的光束进入所述波长分散元件，和/或使得来自所述波长分散元件的光束入射到所述第二光学系统。

在这种光学装置中，所述第一光学系统使得所述光束的光路在所述光学系统的所述波长分散元件侧处于彼此分开的状态，所述第二光学系统使得所述光束的光轴在所述光学系统的所述波长分散元件侧处于彼此大致平行的状态。然后，使得光轴大致平行的所述光束进入所述波长分散元件，并使来自所述波长分散元件的光束入射到所述第二光学系统上。在这种情况下，由于所述光束的光轴在所述第二光学系统的所述波长分散元件侧彼此大致平行，所以能够利用在所述光路上设置单个波长分散元件这种简便的方法来容易地执行波长多路复用和多路分解。此外，在使得所述第二光学系统的所述波长分散元件侧的光束的光路大致平行于所述多芯光纤的光轴的情况下，例如单芯光纤等所述另一光学部件不必相对于例如多芯光纤等所述光学元件倾斜，因而提高了对准和定位的简易性，这有利于减小整个光学装置的尺寸。

在上述光学器件中，多条光束穿过所述第二光学系统，所述多条光束中的至少两条光束可以具有进入所述波长分散元件的模式。

在上述光学装置中，所述第二光学系统可以具有如下模式：使得处于被所述第一光学系统彼此分开的状态下的所述多条光束均在空间上分离，并使分离的光束入射到所述波长分散元件。

在上述光学装置中，入射到所述光学元件的多个光输入输出部或者从所述多个光输入输出部射出的所述多条光束的光轴的对准方向可以与所述波长分散元件使光束分散的光分散方向不同。在这种情况下，即使当光束的波长被所述波长分散元件分散时，仍然能够防止分散的光束之间发生串扰等。

如上所述，为了使所述对准方向与所述光分散方向不同，可以将所述第一光学系统与所述光学元件耦合，使得所述光学元件的多个光输入输出部设置成与所述波长分散元件的光分散方向不平行。此外，所述光学装置还可以包括：反射镜，其使入射到所述波长分散元件或从所述波长分散元件射出的多条光束的空间坐标弯曲，从而使入射到所述光学元件的多个光输入输出部或从所述多个光输入输出部射出的所述多条光束的光轴的对准方向与所述波长分散元件使光束分散的光分散方向不同，并且所述反射镜可以设置在所述多条光束的光路上。

在上述光学装置中，所述光学元件的多个光输入输出部的光轴之间的间距可以为100μm以下，并且所述光学元件可以是多芯光纤，所述多芯光纤的多个光输入输出部的光轴之间的间距为50μm以下。此外，所述第一光学系统可以是单眼透镜，并且所述第二光学系统可以是由多个光学元件形成的复眼透镜。另外，所述第二光学系统可以包括如下的透镜：所述透镜将被所述第一光学系统彼此分开的所述多条光束准直，并且入射到所述波长分散元件的多条光束可以均为大致准直的光束。

在上述光学装置中，所述第二光学系统的像差能得到校正。在这种情况下，例如，所述第二光学系统的一部分和另一部分相对于所述另一光学部件的位置可以不同，并且可以校正所述第二光学系统的像差。另外，所述第一光学系统和所述第二光学系统可以一体地形成一个光学部件。此外，所述第一光学系统和所述第二光学系统中的至少一者可以是GRIN透镜。

上述任意一种光学装置均可以应用于光多路复用器或光多路分解器，或者应用于波长选择开关和波长阻断器。此外，关于所述波长选择开关，在包括上述任意一种光学装置的波长选择开关中，所述多个光输入输出部包括至少一个输入口和输出口，所述另一光学部件可以是使预定波长成分信号光朝预定的输出口偏转并组合的空间调制元件。关于所述波长阻断器，在包括上述任意一种光学装置的波长阻断器中，所述多个光输入输出部包括至少一个输入口和/或输出口，并且所述另一光学部件可以是屏蔽预定波长成分信号光的屏蔽元件。

根据本发明，能够在提高实用性的同时减少耦合损耗。

附图说明

图1是示出根据现有技术的多芯光纤耦合装置的示意性构造图。

图2是示出根据第一实施例的多芯光纤耦合装置的示意性构造图。

图3中的（a）部分和（b）部分是示出将多芯光纤的端面上的光束间隔放大的模式的示意图。

图4是示出根据第二实施例的多芯光纤耦合装置的示意性构造图。

图5中的（a）部分和（b）部分是示出图4所示的多芯光纤耦合装置中的第二光学系统的透镜的位移的示意图。

图6是示出根据第三实施例的多芯光纤耦合装置的示意性构造图。

图7是图6所示的多芯光纤耦合装置中的第二光学系统的局部放大剖视图。

图8是示出图7所示的第二光学系统的另一种模式的示意图。

图9是示出根据第四实施例的多芯光纤耦合装置的示意性构造图。

图10是根据第五实施例的第一光学系统的放大图。

图11是图10所示的第一光学系统的局部放大图。

图12是示出根据第六实施例的多芯光纤耦合装置的示意性构造图。

图13是示出根据第七实施例的光学装置的示意性构造图。

图14是示出多芯光纤（光学元件）的端面的构造的端面图。

图15是示出根据第八实施例的光学装置的示意性构造图。

图16是示出根据第九实施例的光学装置的示意性构造图。

图17是示出根据第十实施例的光学装置的示意性构造图。

图18是示出根据第十一实施例的光学装置的示意性构造图。

图19是示出将光学装置应用于波长阻断器的实例的示意图。

图20是示出另一种多芯光纤（光学元件）的端面的构造的端面图。

图21是示出根据其它实施例的光学装置的示意性构造图。

具体实施方式

下面参考附图来详细描述本发明的优选实施例。同时，在以下描述中，用相同的附图标记表示相同的元件或具有相同功能的元件，并省略重复的描述。

<第一实施例>

首先，参考图2来描述根据第一实施例的光学装置100。

如图2所示，光学装置100是如下装置：该装置使多芯光纤10（光学元件）与单芯光纤20（另一光学部件）耦合以便传输单模光信号（波长多路复用信号），并且构造成包括第一光学系统S1和第二光学系统S2。在下文中，把使用多芯光纤作为光学元件并被包括在本发明中的光学装置称为多芯光纤耦合装置。

本实施例中所使用的多芯光纤10是一种如下的光学元件：其包括多个光输出部，这些光输出部具有彼此平行的光轴；具体地说，多芯光纤10具有7个芯部区域，并且从射出端面10a发射7条光束（图2的剖视图中仅示出3条光束）。更具体地说，这7个芯部区域位于端面10a上的正六边形的顶点和中心处，并且相邻的芯部区域之间的间距（即，射出端面10a上的光束之间的间距）是常量，例如，大约为0.045mm。同时，多芯光纤10的包层直径大约为0.15mmφ。

相反地，准备与多芯光纤10的芯部区域相同数量的单芯光纤20（即，7根），并且光接收端面20a设置在与多芯光纤10的射出端面10a平行的同一平面上。也就是说，这7根单芯光纤20（图2的剖视图中仅示出3根单芯光纤20A、20B和20C）至少在它们的端部处不相对于多芯光纤10倾斜，并且设置成平行于多芯光纤10的延伸方向，结果导致如下事实：多芯光纤10的光轴平行于各根单芯光纤20的光轴。为了增大安装时的裕量，可以适当地将单芯光纤20改变成TEC光纤（Thermally-diffused Expanded Core Fiber，热扩芯光纤），各根TEC光纤的端部均具有局部扩大的模场直径（MFD）。

第一光学系统S1位于入射到多芯光纤10的多个光输入输出部上或从多芯光纤10的多个光输入输出部射出的多条光束的光轴上，并使得这些光束的光轴彼此不平行，由此使得这些光束处于彼此分开的状态。第一光学系统S1位于多芯光纤10侧并且由1个聚光透镜L1构成。聚光透镜L1设置成在多芯光纤10的射出端的轴线上面向多芯光纤10的端面10a。如图2所示，聚光透镜L1设置成到多芯光纤10的端面10a的距离为聚光透镜L1的焦距f1。然后，穿过聚光透镜L1的多条光束之间的间距一度减小，此后这些光束又彼此分开，并且这些光束之间的间距随着远离第一光学系统S1而扩大。

第二光学系统S2使在第一光学系统S1侧处于光轴彼此不平行状态的多条光束的光轴变成彼此大致平行的状态。第二光学系统S2位于单芯光纤20侧，并且由1个聚光透镜L2和7个聚光透镜L3构成。尽管图2所示的聚光透镜L3在空间上彼此分离，但这些透镜可以一体地构造成透镜阵列。

与聚光透镜L1类似，聚光透镜L2设置成在多芯光纤10的射出端的轴线上面向多芯光纤10的端面10a。如图2所示，聚光透镜L2设置成到聚光透镜L1的距离为聚光透镜L1的焦距f1与聚光透镜L2的焦距f2之和（f1+f2）。然后，被聚光透镜L1彼此分开的多条光束穿过聚光透镜L2，并且偏转到与多芯光纤10的光轴平行的方向（也就是与多芯光纤10的端面10a正交的轴向，也就是在该方向上，多芯光纤10的端面10a面向单芯光纤20的端面20a）上。

7个聚光透镜L3设置成在偏转光束的光轴上面向聚光透镜L2，以使多条偏转光束均会聚。如图2所示，各个聚光透镜L3到聚光透镜L2的距离为预定距离d。基于聚光透镜L3的焦距f3来确定该距离d。也就是说，将距离d和焦距f3设置成使得聚光透镜L1的焦距f1等于聚光透镜L2和聚光透镜L3的组合焦距f。

根据下面的等式来获得聚光透镜L2和聚光透镜L3的组合焦距f。

1/f=1/f2+1/f3-d/(f2·f3)

然后，通过使聚光透镜L1的焦距f1等于聚光透镜L2和聚光透镜L3的组合焦距f，来使穿过聚光透镜L3后入射到单芯光纤20上的光束的分散角（会聚角）θ_入射变成等于这些光束从多芯光纤10发射时的光束分散角θ_出射。结果，当多芯光纤10和单芯光纤20耦合时，能够实现非常低的耦合损耗（例如0.5dB）。

如上所述，在多芯光纤耦合装置100中，来自多芯光纤10的多条光束被第一光学系统S1的聚光透镜L1彼此分开，并被第二光纤系统S2的聚光透镜L2、L3偏转到与多芯光纤10的光轴平行的方向（与端面10a正交的轴向）上。因此，由于不需要使单芯光纤20相对于多芯光纤10倾斜，所以不需要进行角度调节，由此实现了高实用性。

另外，利用本实施例中的构造（即，采用了作为光学元件的多芯光纤10以及作为另一光学部件的多条单芯光纤20），第二光学系统S2的聚光透镜L2和L3使得来自多芯光纤10并被第一光学系统S1的聚光透镜L1彼此分开的多条光束会聚到与这些光束相对应的单芯光纤20各自的芯部区域上，第二光学系统S2的聚光透镜L2和L3的组合焦距f等于第一光学系统S1的透镜L1的焦距f1。因此，光到单芯光纤20的耦合损耗减少。

尽管在上述实施例中，第一光学系统S1的透镜L1使来自多芯光纤10的多条光束彼此分开，但这些光束也可以以图3中的（a）部分和（b）部分所示的模式彼此分开。在图3中的（a）部分中，通过对端面10a进行端面处理（未示出），由此调节光束的光束发射方向（即，光束彼此分开的方向）。更具体地说，通过使端面10a弯曲或对端面10a进行倒角，由此使得中心芯部区域的端面周围的芯部区域的端面相对于中心芯部区域的端面倾斜，以便调节光束发射方向。此时，当将各个芯部区域的端面的倾斜角设置成光束分散角的两倍以上时，相邻的光束彼此不交叉。

可选地，如图3中的（b）部分所示，与周围的芯部区域相关联地设置6个玻璃块（图3中的（b）部分的剖视图仅示出两个玻璃块G1、G2），玻璃块能够折射来自周围的芯部区域的光束，从而使得来自多芯光纤10的多条光束彼此分开。当假设光束间距为0.045mm并且数值孔径（NA）为0.1时，可以将玻璃块G1、G2设置成：倾斜角θ为30度，玻璃块的长度D为10μm。

<第二实施例>

然后，参考图4来描述根据第二实施例的多芯光纤耦合装置100A。

如图4所示，多芯光纤耦合装置100A与根据第一实施例的多芯光纤耦合装置100的不同之处仅在于第二光学系统S2的构造。

多芯光纤耦合装置100A的第二光学系统S2由透镜阵列L4至L6构成。该透镜阵列由7个透镜（图4的剖视图仅示出3个透镜L4至L6）构成，以便分别与7条光束相对应。第二光学系统S2的7个透镜L4至L6各自的焦距均为f1，等于第一光学系统S1的聚光透镜L1的焦距。

因此，与第一实施例中类似，多芯光纤10的端面10a上的分散角θ_出射等于单芯光纤20的端面上的分散角θ_入射，因而当多芯光纤10和单芯光纤20耦合时，能够实现非常低的耦合损耗。

还应该注意的是，在第二实施例中，与第一实施例中的聚光透镜L2类似，透镜使光束偏转。更具体地说，在第二实施例中，如图5中的（a）部分和（b）部分所示，通过移动透镜L来使光束偏转。也就是说，如图5中的（a）部分所示，当光束的中心线（图5中的（a）部分和（b）部分中的中间线）穿过透镜L的中心点C时，光束不偏转。然而，如图5中的（b）部分所示，使光束的中心线偏离透镜L的中心点C，这样如同使穿过聚光透镜L2的光束偏转到与多芯光纤10的光轴平行的方向上。朝使中心点C更靠近中心光束的主光束的方向（即，朝使中心点C更靠近中心透镜L5的方向）移动透镜L。当透镜彼此接触并因此不能移动透镜时，可以使用通过切除透镜的一部分而获得的透镜片。

因此，根据第二实施例的多芯光纤耦合装置100A能够获得与根据上述第一实施例的多芯光纤耦合装置100相同或相似的效果。

<第三实施例>

下面参考图6至图8来描述根据第三实施例的多芯光纤耦合装置100B。

如图6所示，多芯光纤耦合装置100B与根据上述第二实施例的多芯光纤耦合装置100A的不同之处仅在于第二光学系统S2的构造。也就是说，多芯光纤耦合装置100B的第二光学系统S2由一个透镜阵列构成；在该透镜阵列中，7个透镜片L7至L9代替7个透镜L4至L6相组合。

这种多芯光纤耦合装置100B也可以获得与根据第一实施例的多芯光纤耦合装置100相同或相似的效果。

这里，在采用更实际的透镜而不是理想透镜的情况下，需要考虑透镜的像差。

如图7所示，穿过第二光学系统S2的透镜阵列L7至L9的多条光束不在同一平面（即，单芯光纤20的端面20a）上形成焦点F。具体地说，在将透镜阵列L7至L9设置成使得穿过中心透镜片L8的光束在单芯光纤20的端面20a上形成焦点的情况下，周围的透镜片L7和L9均在单芯光纤20的端面20a的前方形成焦点F。

在这种情况下，为了校正像差，优选的是具有图8所示的透镜构造。

也就是说，中心透镜片L8’与周围的透镜片L7及L9沿多芯光纤10的光轴方向相对地移位。因此，穿过第二光学系统S2的透镜阵列L7、L8’和L9的全部光束均在同一平面上形成焦点F。应该注意的是，可以通过如下方式来校正像差：在上述第二光学系统S2中使由透镜L7至L9形成的透镜阵列的一部分和另一部分相对于单芯光纤20的相对位置不同，或者改变一体化透镜的平面形状。可选地，可以通过改变一体化透镜的中心区域的折射率以及位于中心区域外侧的外侧区域的折射率来校正像差。

<第四实施例>

下面参考图9来描述根据第四实施例的多芯光纤耦合装置100C。

如图9所示，多芯光纤耦合装置100C与根据第三实施例的多芯光纤耦合装置100B的不同之处在于，多芯光纤耦合装置100C包括一体化部件30。一体化部件30是如下部件：其将第一光学系统S1和第二光学系统S2一体地构造成一个光学部件，并保持第一光学系统S1与第二光学系统S2之间的相对位置不变。一体化部件30可以是在第一光学系统S1与第二光学系统S2之间设置有空气的空心壳体；一体化部件30还可以是在第一光学系统S1与第二光学系统S2之间设置有透明材料的实心部件。在实心部件的情况下，一体化部件30和第二光学系统S2可以一体地成型。

<第五实施例>

上述第一实施例至第四实施例中的第一光学系统S1可以适当地由图10所示的GRIN透镜（渐变折射率透镜）L10代替。

从图10和图11的光路图中可以看出，与第一实施例至第四实施例中的第一光学系统S1类似，GRIN透镜L10使来自多芯光纤10的多条光束彼此分开。

在使用GRIN透镜L10的情况下，与上述第一光学系统S1类似，由于光束不在空气中传播，所以玻璃与空气之间的界面处的反射损耗显著地降低。此外，通过预先将多芯光纤10的端面10a和GRIN透镜L10的端面抛光成与光轴垂直，获得如下益处：不需要对多芯光纤10和GRIN透镜L10进行角度调节，而仅需要调节光轴的位移。

应该注意的是，GRIN透镜不但可以应用于第一光学系统S1，而且可以应用于第二光学系统S2。

<第六实施例>

在根据图12的第六实施例的多芯光纤耦合装置100D中，可以设置玻璃块40，从而不在第一光学系统S1与第二光学系统S2之间设置空气。

这样，在使用上述位于第一光学系统S1与第二光学系统S2之间的玻璃块40的情况下，由于光束不在空气中传播，所以玻璃与空气之间的界面处的反射损耗显著地降低。

下面，在多芯光纤耦合装置之中以根据第六实施例的多芯光纤耦合装置100D作为实例，对各个部件的具体尺寸进行描述。下面将描述如下模式：多条光束以0.045mm的光束间距从多芯光纤10的端面10a射出，并以0.25mm的光束间距入射到单芯光纤20的端面20a上。

第一光学系统S1（GRIN透镜）、玻璃块40和第二光学系统S2的长度分别为1.5mm、3.9mm和1mm，并且总长度为大约6.4mm。

从多芯光纤10的端面10a射出的光束（入射到耦合装置上的光束）各自的光束间距为0.045mm，NA为0.1。

第一光学系统S1的GRIN透镜的n(r)为1.5-0.8×r2，L为1.5mm，直径为0.66mm。

玻璃块40由SiO₂制成，其长度L为3.9mm，直径为0.66mm。

第二光学系统S2的透镜由SiO₂或类似的材料制成，其焦距为0.7mm，曲率半径为0.312mm，L为1mm。

入射到单芯光纤20的端面20a上的光束（从耦合装置射出的光束）的光束间距为0.25mm，NA为0.1。

<第七实施例>

下面参考图13来描述根据第七实施例的光学装置300。

如图13所示，光学装置300使多芯光纤10（光学元件）与单芯光纤20（另一光学部件）耦合，以传输波长多路复用信号；光学装置300包括第一光学系统S1和第二光学系统S2。在下文中，把使用多芯光纤作为光学元件并被包括在本发明中的光学装置称为多芯光纤耦合装置。多芯光纤耦合装置300使得多芯光纤10与单芯光纤20经由波长分散元件50及聚光透镜60相耦合。

具体地说，入射到多芯光纤10的芯部上或从多芯光纤10的芯部射出的光束是波长多路复用光束，入射到单芯光纤20的芯部上或从单芯光纤20的芯部射出的光束是预定波长组分信号光束。在使用多芯光纤耦合装置300作为多路分解器的情况下，从多芯光纤10的各个芯部射出的波长多路复用光束被波长分散元件50分散成预定波长组分信号，预定波长组分信号与相应的单芯光纤20光学地耦合。另外，在使用多芯光纤耦合装置300作为多路复用器的情况下，从单芯光纤20的各个芯部射出的光束被波长分散元件50组合成波长多路复用信号光束，预定波长多路复用信号光束与多芯光纤10的相应的芯部光学地耦合。

本实施例中所使用的多芯光纤10具有3个芯部10b、10c和10d，从射出端面10a发射3条光轴彼此平行的光束。更具体地说，如图14所示，3个芯部10b、10c和10d位于端面10a的中心点处以及该中心点的上方和下方，并沿着图14中的Z方向设置。在多芯光纤10中，相邻的芯部之间的间距（即，射出端面10a上的光束间距）是常量，例如，大约为0.045mm。同时，多芯光纤10的包层直径大约为φ0.15mm。

第一光学系统S1位于多芯光纤10侧并构造成包括一个透镜L1。透镜L1设置成在多芯光纤10的射出端的轴线上面向多芯光纤10的端面10a。如图13所示，透镜L1设置成到多芯光纤10的端面10a的距离为透镜L1的焦距。从多芯光纤10的芯部射出的光轴彼此平行的光束被透镜L1设置成光轴彼此不平行。在穿过透镜L1与第二光学系统S2之间的预定距离传播的过程中，穿过透镜L1的多条光束的间距一度减小，然后随着这些光束远离第一光学系统S1，这些光束在Z方向（排布方向）的间距上增大。

透镜L1可以是施加如下作用的任意透镜：把从多芯光纤10的相应的芯部射出的光轴彼此平行的光束变成光轴彼此不平行的光束，透镜L1例如是聚光透镜。然而，在穿过透镜L1与第二光学系统S2之间的预定距离传播的过程中，优选的是，穿过透镜L1的多条光束彼此大致平行以便不引起串扰，并且透镜L1是准直透镜。

第二光学系统S2比第一光学系统S1更靠近单芯光纤20侧和波长分散元件50侧，并且包括透镜L2。与透镜L1类似，透镜L2设置成在多芯光纤10的射出端的轴线上面向多芯光纤10的端面10a。如图1所示，透镜L2设置成到透镜L1的距离为透镜L1的焦距与透镜L2的焦距之和。

被透镜L1分开的多条光束全部穿过透镜L2，并偏转到光束彼此平行的方向上（即，在图13中，与多芯光纤10的端面10a正交的Y轴的方向，在该方向上，多芯光纤10的端面10a面向单芯光纤20的端面20a）。第二光学系统S2使偏转的光束在空间上分开，并将光束引入波长分散元件50中。

透镜L2可以是施加如下作用的任意透镜：把在第一光学系统S1中被转换成的光轴彼此不平行的光束转换成光轴彼此平行的光束。相反地，由于从第二光学系统S2射出的光束被引入波长分散元件50中，所以优选的是，从第二光学系统S2射出的光束是平行的光束。也就是说，当透镜L1是聚光透镜时，透镜L2优选的是准直透镜；当透镜L1是准直透镜时，透镜L2优选的是由多个（典型的是两个）准直透镜形成的透镜系统，或者是使光束传播方向偏转而不改变光束分散角的棱镜。

波长分散元件50位于多芯光纤耦合装置300与单芯光纤20之间并且由例如衍射光栅构成。与透镜L1及透镜L2类似，波长分散元件50设置成在多芯光纤10的射出端的轴线上面向多芯光纤10的端面10a。波长分散元件50是用于将入射波长多路复用光分散成预定波长组分（例如λ1、λ2、λ3）的元件，并且相对于多芯光纤耦合装置300来设置，从而使波长分散方向沿图1中的X方向延伸（例如，在衍射光栅中沿Z方向形成凹槽）。应该注意的是，多芯光纤耦合装置300的第一光学系统S1与多芯光纤10耦合，从而使多芯光纤10的多个芯部10b至10d沿与波长分散元件50的光分散方向不平行的方向（即，沿与光分散方向垂直的Z轴方向）设置。

如上所述，在本实施例中，从多芯光纤10的多个芯部10b至10d射出的多条光束的光轴的排布方向（Z方向）与波长分散元件50使输入光束分散的方向（X方向）不同。然后，当穿过透镜L2的多条光束入射到波长分散元件50上时，波长分散元件50将各条波长多路复用光束沿X轴方向分成各种预定波长组分。得各种波长的光束经由光波长分散元件50入射到聚光透镜60上。

聚光透镜60位于波长分散元件50与单芯光纤20之间并且设置成面向波长分散元件50，以便将各条入射的预定波长组分光束会聚到预定的焦点上。聚光透镜60设置成到单芯光纤20A-1～3、20B-1～3及20C-1～3的端面20a-1～3、20b-1～3和20c-1～3的距离为聚光透镜60的焦距。然后，穿过聚光透镜60的光束入射到单芯光纤20A-1～3、20B-1～3及20C-1～3上。

单芯光纤20设置成借助聚光透镜60与从波长分散元件50射出的预定波长组分信号光束光学地耦合。也就是说，所准备的光纤20A-1～3、20B-1～3及20C-1～3的数目是多芯光纤10的芯部10b、10c及10d的数目和预定波长组分信号的预定波长组分信号光束的数目的乘积。这9根单芯光纤20A-1～3、20B-1～3及20C-1～3设置成各自具有彼此大致平行的光轴。可以使用TEC光纤（Thermally-diffused Expanded Core Fiber）作为单芯光纤20，该TEC光纤具有局部扩大的模场直径（MFD），以增大安装时的裕量。

在图13所示的典型实例中，光接收端面20a-1～3、20b-1～3及20c-1～3设置在与多芯光纤10的射出端面10a平行的同一平面内。另外，它们的端部相对于多芯光纤10不倾斜，并且设置成与多芯光纤10的延伸方向平行。尽管多芯光纤10的光轴平行于单芯光纤20A-1～3、20B-1～3及20C-1～3的光轴，但可以根据光学系统的设计来适当地改变该构造。

如上所述，在多芯光纤耦合装置300中，从多芯光纤10的芯部10b至10d（具有彼此大致平行的光轴）发射出光轴大致彼此平行的光束（波长多路复用光束），第一光学系统S1使得这些光束的光轴在光学系统S1的波长分散元件50侧彼此不平行，从而使得这些光束处于彼此分开的状态；并且，第二光学系统S2使得这些光束的光轴在光学系统S2的波长分散元件50侧彼此大致平行。然后，将光轴处于彼此大致平行的状态的光束引入波长分散元件50中。这样，由于使得光束的光轴在第二光学系统S2的波长分散元件50侧处于彼此大致平行的状态，所以能够利用在光路上设置单个波长分散元件50这种简便的方法来容易地执行波长多路复用和多路分解。在这种情况下，由于单芯光纤20A-1～3、20B-1～3及20C-1～3不必相对于多芯光纤10倾斜，所以不必进行角度调节并且能够实现高实用性。

此外，在多芯光纤耦合装置300中，从多芯光纤10的多个芯部10b至10d射出的多条光束的光轴的排布方向（Z轴）与波长分散元件50使各条光束分散的光分散方向（X轴）不同。因此，即使当波长分散元件50使各条光束的波长分散时，多芯光纤耦合装置300仍然能够抑制分散的波长之间发生串扰等。在多芯光纤10中，特别是当芯部10b至10d之间的间距较小时（典型地，当光轴之间的间距为100μm以下，更优选的是50μm以下时，是特别有效的。本实施例中大约为0.045mm），容易发生这种串扰。因此，本实施例能够优选地防止发生串扰。

同时，光多路分解器由上述多芯光纤耦合装置300和波长分散元件50构成。当从单芯光纤20A-1～3、20B-1～3和20C-1～3向多芯光纤10传输光信号时，光多路复用器由多芯光纤耦合装置300和波长分散元件50等构成。

在上述实施例中，尽管第一光学系统S1的透镜L1使来自多芯光纤10的多条光束彼此分开，但这些光束也可以以图3中的（a）部分和（b）部分所示的方式彼此分开。在图3中的（a）部分中，通过对端面10a进行端面处理（未示出），由此在彼此分开的光束发射方向上调节光束。更具体地说，使端面10a弯曲或对端面10a进行倒角，由此使得中心芯部区域的端面周围的芯部区域的端面相对于中心芯部区域的端面倾斜，以便调节光束发射方向。此时，当将各个芯部区域的端面的倾斜角设置成光束分散角的两倍以上时，相邻的光束彼此不交叉。通过采用准直透镜作为透镜L2，可以将光轴彼此平行的平行光束引入波长分散元件50中。

可选地，如图3中的（b）部分所示，与周围的芯部相关联地设置两个玻璃块G1和G2，来自周围的芯部的光束可以在玻璃块处折射，从而使得来自多芯光纤10的多条光束彼此分开。例如，当光束间距为0.045mm并且数值孔径（NA）为0.1时，可以将玻璃块G1和G2的倾斜角θ设置为30度，并将玻璃块的长度D设置为大约10μm。同时，在图3中的（a）部分和（b）部分所示的变型例中，端面10a和玻璃块G1、G2构成第一光学系统S1。

<第八实施例>

下面参考图15来描述作为根据第八实施例的光学装置的多芯光纤耦合装置300A。尽管图15中未示出波长分散元件50、聚光透镜60和单芯光纤20，但这些部件与第七实施例中的部件相同。

如图15所示，作为根据第八实施例的光学装置的多芯光纤耦合装置300A与根据第七实施例的多芯光纤耦合装置300的不同之处在于第一光学系统S1及第二光学系统S2的构造。也就是说，多芯光纤耦合装置300A的第一光学系统S1由作为单眼透镜的GRIN透镜（渐变折射率透镜）构成。在使用GRIN透镜L1作为第一光学系统S1的情况下，通过预先将多芯光纤10的端面10a和GRIN透镜L1的端面抛光成垂直于光轴，不需要对多芯光纤10和GRIN透镜L1进行角度调节，而仅需要调节光轴的位移。此外，通过使多芯光纤10的端面10a与GRIN透镜L1的端面接触或者使这些端面成一体，能够抑制多芯光纤的端面和GRIN透镜L1的位于多芯光纤侧的端面上的反射。

此外，多芯光纤耦合装置300A的第二光学系统S2由复眼透镜L2构成。与第七实施例中类似，复眼透镜L2使得在第一光学系统S1侧彼此分开的多条光束变成在波长分散元件50侧与多芯光纤的光轴大致平行的光束。

这种多芯光纤耦合装置300A也能获得与根据第七实施例的多芯光纤耦合装置300相同或相似的效果。

<第九实施例>

下面参考图16来描述作为根据第九实施例的光学装置的多芯光纤耦合装置300B。

如图16所示，多芯光纤耦合装置300B与根据第八实施例的多芯光纤耦合装置300A的不同之处仅在于第二光学系统S2。

多芯光纤耦合装置300B的第二光学系统S2由透镜阵列L2构成。透镜阵列L2由与3条光束相对应的3个透镜L4至L6构成。与上述实施例中类似，透镜阵列L2使用3个透镜L4至L6而使在第一光学系统S1侧彼此分开的多条光束变成在波长分散元件50侧与多芯光纤的光轴大致平行的光束。

这种多芯光纤耦合装置300B也能获得与根据第七实施例的多芯光纤耦合装置300相同或相似的效果。另外，在具有这种构造的透镜阵列L2中，在相对于单芯光纤20的位置方面，透镜阵列L2的一部分与其余部分是不同的，并且可以校正第二光学系统S2的像差。也就是说，由于在构成透镜阵列L2的各个透镜之中，位于中心外侧的透镜朝单芯光纤20突起而使光束会聚在单芯光纤20（设置成端面对齐）的前方，优选的是，穿过位于外侧的透镜的光束形成为聚焦在单芯光纤20的端面上。应该注意的是，可以通过如下方式来校正像差：在上述第二光学系统S2中，使得透镜阵列的一部分和另一部分在相对于单芯光纤20的相对位置方面不同，或者改变一体化透镜的平面形状。此外，可以通过改变一体化透镜的中心区域的折射率以及位于中心区域外侧的外侧区域的折射率来校正像差。

<第十实施例>

下面参考图17来描述根据第十实施例的光学装置300C。

图17示出包括根据本发明的光学装置的波长选择开关400。波长选择开关400包括多芯光纤10、光学装置300C、波长分散元件50、聚光透镜60和空间调制元件70，多芯光纤10具有各自的光轴彼此平行的多个光输入输出部。利用图17所示的构造，光学装置300C与波长分散元件50、聚光透镜60及空间调制元件70光学地耦合。

光学装置300C可以是具有与第七实施例中的构造相同的构造的多芯光纤耦合装置；在图17中，将多芯光纤耦合装置300C应用作波长选择开关。也就是说，波长选择开关400包括具有多个光输入输出部的多芯光纤10，作为所述多个光输入输出部的芯部10b至10d形成有：输入口In1，其接收波长多路复用光的输入；以及多个输出口Out1、Out2，其输出预定波长组分信号光。

从多芯光纤10的芯部10c（图17中的In1）入射以及从多芯光纤耦合装置300C射出的光束（波长多路复用光）被波长分散元件50分散，并经由聚光透镜60以预定波长组分信号照射空间调制元件70。响应所述预定波长组分信号光来提供空间调制元件70，并且空间调制元件70具有能够向预定的输出口切换各种波长组分的光路转换功能。作为空间调制元件70，可以使用MEMS反射镜和液晶空间调制元件（例如LCoS），其中，MEMS反射镜能够通过电气驱动来机械地切换预定波长组分信号光的光路，液晶空间调制元件能够通过施加电压来改变折射率以改变光路。

图17所示的空间调制元件70是MEMS反射镜，并包括位于波长分散元件50的波长多路复用光的光分散方向上的多个MEMS反射镜70A、70B。MEMS反射镜70A、70B是如下的反射镜：其在XZ平面中的两个轴方向上旋转以改变倾斜角，由此切换反射光的光路；光束照射到MEMS反射镜70A、70B的端面70a、70b并以预定角度反射，并经由聚光透镜60和波长分散元件50而再次返回到第二光学系统S2。

然后，返回到第二光学系统S2的两条光束聚焦在第一光学系统S1上并入射到多芯光纤10的芯部10b、10d上（图17中的Out1、Out2）。这样，在本实施例中，能够从入射光中提取预定的选择波长。

如上所述，在多芯光纤耦合装置300C中，与第七实施例中类似，第一光学系统S1使得光束的光路在第一光学系统S1的波长分散元件50侧处于彼此分开的状态，并且第二光学系统S2使得这些光束的光轴在第二光学系统S2的波长分散元件50侧处于彼此大致平行的状态。然后，将光轴大致彼此平行的光束引入波长分散元件50中，或者使来自波长分散元件50的光束入射到第二光学系统S2上。这样，由于使得光束的光路在第二光学系统S2的波长分散元件50侧大致平行于多芯光纤10的光轴，所以能够利用在光路上设置单个波长分散元件50这种简便的方法来容易地执行波长多路复用或多路分解。

此外，在多芯光纤耦合装置300C中，从多芯光纤10的多个芯部10b至10d射出的或者入射到多芯光纤10的多个芯部10b至10d上的多条光束的光轴的排布方向（Z轴）与波长分散元件50使各条光束分散的光分散方向（X轴）不同。因此，即使当波长分散元件50使各条光束的波长分散时，多芯光纤耦合装置300C仍然能够抑制分散的波长之间发生串扰等。

<第十一实施例>

下面参考图18来描述根据第十一实施例的多芯光纤耦合装置。

如图18所示，根据本实施例的多芯光纤耦合装置与根据上述实施例的多芯光纤耦合装置300等的不同之处在于，本实施例的多芯光纤耦合装置包括一体化部件L20。一体化部件L20是如下部件：使得构成第一光学系统S1的透镜L1和构成第二光学系统S2的透镜L2一体地构成一个光学部件，并保持第一光学系统S1与第二光学系统S2之间的相对位置。一体化部件L20具有：一个端面L1a，其与多芯光纤10光学地耦合；以及另一个端面L2a，其与波长分散元件50光学地耦合。

同时，一体化部件L20可以变型，从而在第一光学系统S1（L1）与第二光学系统S2（L2）之间设置空气，或者在第一光学系统S1（L1）与第二光学系统S2（L2）之间设置其它透明材料。在第一光学系统S1与第二光学系统S2之间设置有由透明材料制成的实心部件的情况下，可以使第一光学系统S1、第二光学系统S2和由透明材料制成的实心部件一体化。

此外，本发明不限于上述实施例，而且可以进行多种变型。例如，在上述实施例中，描述了使得从多芯光纤射出的光入射到单芯光纤上的耦合装置，但相反地，也可以用作使得从单芯光纤射出的光入射到多芯光纤上的耦合装置。

另外，在上述实施例中，在使本发明的光学装置与单芯光纤耦合以及将该光学装置用作波长选择开关的情况下，如图19所示，可以将光学装置300用作波长阻断器。在图19所示的反射型波长阻断器410中，设置二维分散屏蔽元件阵列80来代替波长选择开关400中的空间调制元件70，以使二维分散屏蔽元件阵列80面向波长分散元件50。波长阻断器410包括作为光学元件的多芯光纤10，多芯光纤10具有光轴彼此平行的多个光输入输出部，作为所述多个光输入输出部的芯部10b至10d形成In/Out1至3，In/Out1至3输入和输出波长多路复用光。

从多芯光纤10的各个芯部10b至10d入射以及从多芯光纤耦合装置300射出的光束（波长多路复用光）被波长分散元件50分散，预定波长组分信号照射至屏蔽元件阵列80。屏蔽元件阵列80起到如下作用：通过电气驱动而在预定位置将光学组分移除，未被移除的波长组分信号在屏蔽元件阵列80上发生规则反射，并再次入射到多芯光纤10上。这种光学系统是通过将偏振器、液晶元件和反射镜相组合而实现的。

尽管在上述实例中使用了反射型波长阻断器410，但也可以构造透射型波长阻断器。在这种情况下，反射型波长阻断器410可以关于屏蔽元件阵列80对称地形成。此时，窗口80a至80c的后部没有设置反射镜。与要从输入侧光学系统（多芯光纤10（芯部10b至10d（In1至3）））、多芯光纤耦合装置300及波长分散元件50输入的波长多路复用光束中移除的预定波长组分光束相对应的窗口的屏蔽因数增大至阻断设置在左侧的预定波长组分光束。通过使得窗口80a至80c的液晶处于能够传输光束的偏振状态，所传输的光束入射到具有与输入侧光学系统的构造相同的构造的输出侧光学系统上，并被位于输出侧的波长分散元件50组合起来，然后经由第一光学系统S1入射到多芯光纤10中相应的芯部10b至10d上（Out1至3）。这样，可以获得移除了预定波长组分光束的波长多路复用光束。

尽管上述实施例中的多芯光纤10的芯部10b至10d的数量和单芯光纤20的数量均为3个，但该数量不限于3个，在必要时可以增加或减少。例如，在如图20所示的上述实例中使用了具有一维地设置的芯部的多芯光纤。然而，可以使用具有二维地设置的7个芯部10e至10k的多芯光纤10A以及与这些芯部相对应的7根单芯光纤。此时，可以使用本实施例中的多芯光纤10。在这种情况下，优选的是，各个芯部均设置成不平行于波长分散元件的光分散方向，例如图中所示，在光分散方向（X1方向和X2方向）上仅存在一个芯部。

此外，在必要时可以在设计中改变上述部件各自的具体尺寸和材料。另外，尽管使用均包括多个芯部的多芯光纤作为包括光轴彼此平行的多个光输入输出部的光学元件，但也可以使用光纤阵列、光纤束或光学元件作为上述实施例中的多芯光纤10的等同物，其中，光纤阵列通过将分别具有单个芯部的多根光纤一维地设置成阵列来构造，光纤束通过将分别具有单个芯部的多根光纤二维地捆扎来构造，光学元件通过二维地设置光发射部和光接收部（例如，VCSEL阵列、PD阵列）来构造。可以将GRIN透镜用作第二光学系统S2。可以采用阵列波导衍射光栅（AWG）作为波长分散元件。

此外，在上述实施例中，为了使入射到多芯光纤10的多个芯部10b至10d上或从多芯光纤10的多个芯部10b至10d射出的多条光束的光轴的对准方向与波长分散元件50使光束分散的光分散方向不同，第一光学系统S1与多芯光纤10耦合，从而将多芯光纤10的多个芯部10b至10d设置在不与波长分散元件50的光分散方向平行的方向上。然而，以上任意一种耦合装置均可以设置有反射镜，反射镜使入射到波长分散元件50上或从波长分散元件50射出的多条光束的空间坐标弯曲，从而使入射到多芯光纤10的多个芯部10b至10d上或从多芯光纤10的多个芯部10b至10d射出的多条光束的光轴的对准方向与波长分散元件50使光束分散的光分散方向不同。下面参考图21来描述这种构造。

图21是示出根据另一实施例的光学装置的示意性构造图。如图21所示，反射镜90a、90b设置在光学装置300C中的第二光学系统S与波长分散元件50之间的多条光束的光路上。在图21所示的光学装置300C中，沿着图21中的深度方向从多芯光纤10的3个芯部10b、10c和10d发射光束。也就是说，当沿图21中的Z方向看去时，该构造与如图17所示的光学装置300C类似。

反射镜90a使从第二光学系统S2射出的多条光束（（x:y:z）=（0°:90°:90°））的空间坐标弯曲而产生光束（（x:y:z）=（45°:45°:45°））。反射镜90b使由反射镜90a弯曲的光束的空间坐标弯曲，从而产生光束（（x:y:z）=（90°:0°:0°））。也就是说，反射镜90a和90b使沿图21中的深度方向（X方向）从第二光学系统S2（光学装置300C）射出的3条光束的空间坐标弯曲，从而使这3条光束沿着图21中的竖直方向（Z方向）入射到波长分散元件50上。

附图标记说明

10：多芯光纤；10b、10c、10d：芯部；20、20A、20B、20C：单芯光纤；50：波长分散元件；70、70A、70B：反射镜；80：屏蔽元件阵列；90a、90b：反射镜；100、100A、100B、100C、100D、200、300、300A、300B、300C：多芯光纤耦合装置；S1：第一光学系统；S2：第二光学系统。

Claims

1.一种光学装置，其使光学元件与另一光学部件耦合，所述光学元件包括多个光输入输出部，所述多个光输入输出部的光轴彼此平行，所述光学装置包括：

第一光学系统，其位于如下多条光束的光轴上：所述光束入射到所述光学元件的多个光输入输出部以及从所述多个光输入输出部射出，并且所述第一光学系统使得所述多条光束各自的光轴彼此不平行，从而使得所述多条光束处于彼此分开的状态；以及

第二光学系统，其使得在所述第一光学系统侧处于彼此不平行状态的所述多条光束的光轴进入彼此大致平行的状态，

其中，所述第二光学系统是设置在所述多条光束各自的光轴上的多个透镜，并且

所述多个透镜各自的中心点设置在偏离相应光束的光轴的位置。

2.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：

一体化部件，其保持所述第一光学系统和所述第二光学系统在大致平行的所述多条光束的光轴的方向上的相对位置。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，

所述一体化部件是玻璃块。

4.根据权利要求3所述的光学装置，其中，

所述第一光学系统和所述第二光学系统中的至少一者是GRIN透镜。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述多个透镜是通过切除透镜的一部分而获得的透镜片组合成的透镜阵列。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述多个透镜设置成沿大致平行的所述多条光束的光轴的方向相对地移位，以使所述多条光束在同一平面上形成焦点。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学装置，其中，

所述光学元件的多个光输入输出部的光轴之间的间距为100μm以下。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的光学装置，其中，

所述光学元件是多芯光纤，所述多芯光纤的多个光输入输出部的光轴之间的间距为50μm以下。