CN103676008B - 一种光梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光梳状滤波器，包括至少一个输入端口、至少两个输出端口、使输入端口进入的入射信号不同频率分量之间发生分离的色散装置、将色散装置分离的不同频率信号光各自聚焦的聚焦装置、由多组与入射光成不同角度的反射单元阵列组成的反射装置，每组反射单元阵列间隔设置以引导来自同一个输入端口的一组梳状频率信号至一个输出端口输出；每组反射单元阵列内包含多个与入射光角度设置相同反射单元，单个反射单元位于本组反射单元阵列对应的梳状频率信号之一聚焦处；本发明装置光学元件少、结构简单、紧凑；具有可扩展性；成本低的优点。

Description

一种光梳状滤波器

技术领域

本发明涉及一种波长路由管理装置，尤其涉及一种光梳状滤波器，本发明属于光纤通信领域。

背景技术

随着通信行业的迅猛发展，人们对带宽提出了越来越高的要求。为实现这一目的，波分复用技术（WDM）广泛的应用于光纤通信领域。波分复用技术可以使不同波长的信号在同一光纤中传输，提高了信道数量，成倍的扩大了通信容量。但是，随着信道间隔越来越窄，WDM面临的技术难度越来越高。为便于在更窄的波长间隔下进行信号的复用/解服用，交叉复用技术应运而生。

光梳状滤波器(Interleaver)从奇偶信道交叉复用的角度解决了压缩信道间隔，提高通信容量的问题。光梳状滤波器作为一种复用/解复用器件，它可以将一组信道间隔密集的信号解复用为奇、偶两组信道间隔更为稀疏的信号；也可以将奇、偶两组信道间隔稀疏的信号，复用为一组更为密集的信号。

目前广泛商用的双折射晶体偏振干涉型的梳状滤波器，由于其光学晶体元件较多，温度稳定性差、光路复杂、调试难度大、成本高是其主要问题。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种光学元件少，结构简单、紧凑的梳状滤波装置。

本发明技术方案是:

一种光梳状滤波器，包括至少一个输入端口、至少两个输出端口、使输入端口进入的入射信号不同频率分量之间发生分离的色散装置、将色散装置分离的不同频率信号光各自聚焦的聚焦装置、由多组与入射光成不同角度的反射单元阵列组成的反射装置，每组反射单元阵列间隔设置以引导来自同一个输入端口的一组梳状频率信号至一个输出端口输出；每组反射单元阵列内包含多个与入射光角度设置相同的反射单元，单个反射单元位于本组反射单元阵列对应的梳状频率信号之一聚焦处。

所述色散装置采用透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅。

所述反射单元阵列采用由多块独立且相互平行的反射镜组成的反射镜阵列。

所述反射单元阵列采用在整体材料表面上切割设置且相互平行的多个切面，所述反射单元为单个切面。

所述反射装置材料采用玻璃或硅。

所述切面上镀有高反射膜。

在输入端口与色散装置之间，以及输出端口和色散装置之间，设置有偏振控制装置、扩束装置。

所述偏振控制装置由起偏分束器和半波片依次排列组成。

所述扩束装置由焦距不同的第一柱面透镜和第二柱面透镜组成，第一柱面透镜和第二柱面透镜焦距为f₁、f₂，且f₂>f₁，第一柱面透镜的后焦面与第二柱面透镜的前焦面重合，光束放大比为f₂/f₁。

所述扩束装置由一块或一块以上直方柱棱镜排列组成。

本发明的优点是：

本发明装置光学元件较少，结构简单，紧凑，并且可同时对多个输入端口的信号光进行梳状滤波，降低了单个方向信号的复用/解复用成本。改进方案中采用偏振控制装置解决了装置中光学器件带来的PDL、PMD的问题。

附图说明

图1a为本发明的第一实施例整体示意图；

图1b为第一实施例的俯视图；

图1c为第一实施例的侧视图；

图2a为本发明的第二实施例整体示意图；

图2b为第二实施例的侧视图；

图3为本发明的第三实施例整体示意图；

图4a为本发明的另一种反射装置示意图；

图4b为本发明的另一种反射装置侧视图；

图5a为本发明的第四实施例整体示意图；

图5b为第四实施例的俯视图；

图6为本发明的第五实施例整体示意图；

图7a为本发明的第六实施例整体示意图；

图7b为第六实施例的侧视图；

图7c为第六实施例的俯视图；

其中：

11：第一输入端口；12：第一输出端口；

13：第二输出端口；14：第二输入端口；

15：第三输出端口；16：第四输出端口；

20：衍射光栅；

30：聚焦透镜；31：柱面反射镜；

40：反射装置

41：第一反射阵列42：第二反射阵列

43：第三反射阵列44：第四反射阵列

50：偏振控制装置；60：扩束装置；

51：起偏分束器；52：半波片；

61：第一柱面透镜；62：第二柱面透镜；

63：第一直方棱镜；64：第二直方柱棱镜；

70：第一柱透镜；80：第二柱透镜；

41-1、41-2、42-1、42-2、42-N、43-1、44-1：反射阵列中的反射镜

具体实施方式

为实现本发明目的，本发明装置包括有至少一个输入端口，至少两个输出端口；一套色散装置，使得入射信号不同频率分量发生分离；一套聚焦装置，将不同频率的信号光各自聚焦至不同的位置，便于对光束进行角度切换；一套反射装置，反射装置包括多组与入射光成不同角度的反射单元阵列，每组反射单元阵列间隔设置以引导来自同一个输入端口的一组梳状频率信号至一个输出端口输出，实现梳状滤波功能。所述的梳状滤波装置中，色散装置可以为反射式光栅或透射式光栅。所述的梳状滤波装置中，聚焦装置可以为透镜或柱面反射镜。所述的梳状滤波装置中，反射装置可以由若干独立的反射镜组合实现，也可以由表面按要求加工的玻璃或者硅反射块实现。

下面结合实施例对本发明装置做出详细说明。

图1a为本发明的第一实施例示意图。如图1所示的装置具有一个输入端口11、第一输出端口12、第二输出端口13，此处设定输入端口、输出端口的信号光为准直光。色散装置为反射式衍射光栅20，聚焦装置为聚焦透镜30，反射装置40由第一反射阵列41、第二反射阵列42构成。每组反射阵列内包含多个反射镜，隶属同组反射阵列的各反射镜相互平行，不同组反射镜互不平行。为便于描述，在图1实施例中示意第一反射阵列41包含两块相互平行的反射镜41-1、41-2，第二反射阵列42包含两块相互平行的反射镜42-1、42-2。需要说明的是，在实践中每组反射镜包含的反射镜的数目可以远大于示意图中的2块，例如24或48等等。

从输入端口11输入的一束包含频率间隔相等，中心波长依次为λ1~λ2n的准直信号光经过反射式衍射光栅20衍射后，不同频率分量之间产生一定的角度分离，并以各自的衍射角入射至聚焦透镜30。各频率分量的信号光将被聚焦至聚焦透镜30的像方焦平面的不同位置上。同时，反射装置40中，隶属各组反射阵列的反射镜依次交替设置于中心为λ₁~λ_2n的各信号光聚焦处，单个反射镜对应于单个中心波长的信号通道。图1b的俯视图中示意中心波长为λ₁、λ₃的信号光依次聚焦于隶属第一反射阵列的反射镜41-1、41-2上，而中心波长为λ₂、λ₄的信号光依次聚焦于隶属第二反射阵列的反射镜42-1、42-2上。反射镜的尺寸与光斑大小、色散装置的角分辨率、聚焦装置的焦距以及对应信号的波长相关，在实践中通常要求滤波后各信号通道的带宽相似相等，因此各反射镜在信号色散方向的尺寸往往不一致。

第一反射阵列41、第二反射阵列42与入射信号光成不同的角度，从而将对应波长分量的信号引导至各个输出端口，如图1c的侧视图所示。其中波长为λ₁、λ₃…λ_2n-1的信号光聚焦至第一反射阵列41的各反射镜上，形成第一组信号，从第一输出端口12输出；同理，由第二反射阵列42的各反射镜反射的波长为λ₂、λ₄…λ_2n的信号光将形成第二组信号，从第二输出端口13输出。两组反射阵列与入射信号所成的角度应至少使得各组输出信号之间以及输出信号与输入信号之间相互分离。前者可以减小由于在接收端口光斑重叠导致的信号串扰，提高隔离度；后者防止输出信号耦合至输入端口导致的方向性问题，且便于输出信号的接收。

经反射装置40反射的各组信号光反向经过聚焦装置30、色散装置20，同组在空间分离的梳状频率各信号光将重新汇聚成一束输出信号从对应的输出端口输出。

第一实施例所示的梳状滤波装置可以将从一个输入端口输入的信号光分成两路梳状信号分别从两个输出端口输出。

本装置的输入端口、输出端口的数目可以根据需要适当增加。在下文中本发明的第二实施例给出了具有两个输入端口、四个输出端口的梳状滤波装置的结构概略图。其中，每个输入端口对应着两个输出端口。

另外的，为了能够对一路输入信号实现两路以上的梳状滤波，可以通过设置更多的具有不同角度的反射阵列实现。下文中本发明的第三实施例给出了具有将一路信号光进行四路梳状滤波功能的装置结构示意图，该示意图中反射装置由四组反射阵列构成。

图2a为本发明的第二实施例整体结构图，该结构装置可以接收两路输入信号，并对每一路输入信号进行梳状滤波，从对应的两个输出端口输出。如图所示的装置具有第一输入端口11，第二输入端口14，第一输出端口12，第二输出端口13，第三输出端口15，第四输出端口16，色散元件为透射式衍射光栅20，聚焦装置为聚焦透镜30，反射装置40由第一反射阵列41、第二反射阵列42构成。第二实施例的反射装置与第一实施例的反射装置完全一致，各输入信号的分组原理也与第一实施例一致，在此不再细述。

如图2b的侧视图所示，从第一输入端口11输入的中心波长为λ₁~λ_2n信号光经由本套装置，其中波长为λ₁、λ₃…λ_2n-1的信号由第一反射阵列41的各反射镜反射，从第一输出端口12输出；波长为λ₂、λ₄…λ_2n的信号由第二反射阵列42的各反射镜反射，从第二输出端口13输出。同理，从第二输入端口14输入的中心波长为λ1~λ2n信号光，经反射装置分组反射后，波长为λ₁、λ₃…λ_2n-1的信号将由第三输出端口15输出，波长为λ₂、λ₄…λ_2n的信号将从第四输出端口16输出。

本实施例中第一输入端口11、第二输入端口14、第一输出端口12、第二输出端口13、第三输出端口15、第四输出端口16的信号光共用衍射光栅20、聚焦透镜30及反射装置40。

图3为本发明第三实施例，该结构装置具有将一路信号光进行四路梳状滤波的功能。如图所示的装置具有一个输入端口11、第一输出端口12、第二输出端口13、第三输出端口15、第四输出端口16，色散元件为反射式衍射光栅20，聚焦装置为聚焦透镜30，反射装置40由第一反射阵列41、第二反射阵列42、第三组反射阵列43、第四组反射阵列44构成。每组反射阵列包含多块相互平行的反射镜，不同组的反射镜互不平行。同样，为便于描述，在图3中各反射阵列只示意了一块反射镜，分别为41-1、42-1、43-1、44-1。

与第一实施例类似，第一反射阵列41的各反射镜依次设置于波长为λ₁、λ₅…λ_4n-3信号光聚焦处，且单个反射镜对应单个中心波长的信号通道；同理，第二反射阵列42的各反射镜依次位于波长为λ₂、λ₆…λ_4n-2信号光聚焦处；第三反射阵列43的各反射镜依次位于波长为λ₃、λ₇…λ_4n-1信号光聚焦处；第四反射阵列44的各反射镜依次位于波长为λ₄、λ₈…λ_4n信号光聚焦处。本实施例中反射阵列中的反射镜就是反射单元阵列中的单个反射单元。

经本实施例所示的梳状滤波装置后，中心波长为λ₁、λ₅…λ_4n-3的信号光被第一反射阵列41反射，从第一输出端口12输出；中心波长为λ₂、λ₆…λ_4n-2的信号光被第二反射阵列42反射，从第二输出端口13输出；中心波长为λ₃、λ₇…λ_4n-1的信号光被第三组反射阵列43反射，从第三输出端口15输出；中心波长为λ₄、λ₈…λ_4n的信号光被第四组反射阵列44反射，从第四输出端口16输出。

图4为本发明的另一种反射装置示意图。反射装置40为一块经特殊加工的玻璃或硅反射块，在此玻璃或硅片的表面上切割出与入射光成不同角度的多组切面，且在切面上镀有高反射膜。每组切面形成一组反射单元阵列，引导一组梳状频率信号至一个输出端口输出。单个切面为反射单元阵列中的反射单元。图中示意了具有四种角度的切面401~412，其中切面401、405、409相互平行，形成第一组反射单元阵列；切面402、406、410相互平行，形成第二组反射单元阵列；切面403、407、411相互平行，形成第三组反射单元阵列；404、408、412相互平行，形成第四组反射单元阵列，反射单元阵列的各切面如图4(a)所示交替分布。所述的玻璃或硅片上的切面数目可以远大于示意图中的12个，如48或96等等，单个切面处于本组反射单元阵列对应的梳状频率信号之一的聚焦处。如图4b示意的反射装置侧视图中，λ₁、λ₂…λ₁₂依次聚焦于切面401~412上。反射装置采用图4a示意的整体反射结构，相对于多反射镜组合的结构，调试更为简便。

图5a为本发明的第四实施例。为提高系统系能，在图1所示第一实施例的基础上，在第一输入端口11与衍射光栅20之间，以及第一输出端口12、第二输出端口13与衍射光栅20之间，加入偏振控制装置50及扩束装置60。图中，偏振控制装置50由起偏分束器51及半波片52构成，扩束装置60由第一柱面透镜61与第二柱面透镜62构成。

来自第一输入端口11的任意偏振态的信号光经过偏振控制装置50，将分为两束相互平行且偏振态相同的线偏振光，随后经由扩束装置60进行扩束。扩束装置60由第一柱面透镜61、第二柱面透镜62构成，且第一柱面透镜的后焦平面与第二柱面透镜的前焦平面重合。扩束后的信号光经衍射光栅20，聚焦透镜30，不同频率分量的信号光将被依次聚焦至反射装置40的各个反射镜上，并由反射装置以不同的角度反射，分成两组信号。各组信号依次反向经过聚焦透镜30、衍射光栅20、扩束装置60、偏振控制装置50，由对应的输出接口输出。

偏振控制装置50可将任意偏振态的输入信号变为线性偏振光，以消除光栅等光学元件带来的偏振相关差异。扩束装置60可对输入信号光进行扩束，增加光栅干涉级次，提高分辨率。

图5b为第四实施例的俯视图。来自第一输入端口11的任意偏振态的入射光经过起偏分束器51及半波片52后，分为两束偏振状态相同的平行线偏光。第一柱面透镜61、第二柱面透镜62的焦距分别为f₁、f₂，f₂>f₁，且第一柱面透镜61的后焦面与第二柱面透镜62的前焦面重合，光束放大比为f₂/f₁。经过扩束后的系统可利用衍射光栅20更大的衍射区域，增加光栅干涉级次。

图6为本发明的第五实施例，在第四实施例的基础上改变了扩束装置。图中扩束装置由第一直方柱棱镜63、第二直方柱棱镜64组成。两块直方棱镜配合可在扩束的同时保持光束传播方向不变。在本发明的其他实施例中，扩束装置由一块或一块以上直方柱棱镜组成，光束经扩束装置后传播方向可能发生改变。入射信号光由第一直方柱棱镜63、第二直方柱棱镜64的斜面入射，直角面出射，达到扩束效果。扩束倍数由光束入射角和棱镜角度决定。由于直方棱镜对入射光偏振状态较为敏感，利用偏振控制结构还可以减小棱镜扩束装置的损耗。采用直方柱棱镜实现的扩束结构相比于柱透镜结构，不需要焦面对准，调试更为简便。

图7a为本发明的第六实施例。如图所示的装置具有第一输入端口11、第一输出端口12、第二输出端口13，色散装置为反射式衍射光栅20，聚焦装置为柱面反射镜31，反射装置40由第一反射阵列41、第二反射阵列42构成，其结构与第一实施例完全一致。此外装置中还包括第一柱透镜70、第二柱透镜80。从输入端口11输入的含有多频率分量的信号光经过第一柱面透镜70入射至柱面反射镜31。第一柱面透镜70的后焦平面与柱面反射镜31的焦平面重合，因此信号光经柱面反射镜31反射后，将平行入射至衍射光栅20。衍射光栅20将不同频率分量的信号分开，以不同角度返回柱面反射镜31，并由柱面反射镜31聚焦至其焦平面上。不同频率分量的信号光，将被汇聚至柱面反射镜31焦平面的不同位置上。柱面反射镜31的焦平面与第二柱面透镜80的焦平面重合。经反射装置40反射的信号光，以不同角度返回第二柱面透镜80，形成两组信号，并再次回到柱面反射镜31、衍射光栅20，第一柱面透镜70，由相应的输出端口输出。

图7b为第六实施例侧视图。其中第一输入端口11、第一输出端口12、第二输出端口13的排列方向与本图所示平面相互垂直，第一反射阵列41、第二反射阵列42的反射面与本图所示的平面成不同角度。

从第一输入端口11输入的含有多种频率分量的信号光经第一柱面棱镜70，入射至柱面反射镜31。柱面棱镜70的焦平面与柱面反射镜31的焦平面重合，因此，反射光线将平行入射至衍射光栅20。各频率的信号经衍射光栅20后被分离开一定的角度，不同的衍射方向对应着不同的频率分量。衍射光栅20也位于柱面反射镜焦平面处。被分离后的信号光再次回到柱面反射镜31，不同频率的信号光将被聚焦至其焦平面的不同位置上。反射装置40中隶属各组反射阵列的反射镜依次交替设置于中心为λ₁~λ_2n的各信号光聚焦处，单个反射镜对应于单个中心波长的信号通道。图7b示意中心波长为λ₁的信号光聚焦于隶属第一反射阵列的反射镜41-1上，而中心波长为λ_2n的信号光聚焦于隶属第二反射阵列的反射镜42-N上。这样，第一组梳状频率信号光将由第一反射阵列41的各反射镜反射，第二组梳状频率信号光将由第二反射阵列42的各反射镜反射。

图7c为第六实施例正视图。来自第一输入端口11的频率间隔相等，中心波长为λ1~λ2n的入射信号光,其中波长为λ₁、λ₃…λ_2n-1的信号被第一反射阵列41的各反射镜反射，从第一输出端口12输出；波长为λ₂、λ₄…λ_2n的信号被第二反射阵列42的各反射镜反射，从第二输出端口13输出。

本发明梳状滤波装置的输入端口与输出端口数目比通常为1：2或是1：4，比例跟反射装置的不同角度的反射单元阵列组数相关。来自同一个输入端口的梳状频率信号光，由一组反射单元阵列中相互平行的各反射单元反射，将形成一组输出信号。例如，从N个输入端口输入频率间隔为50GHz的信号，当反射装置具有两组不同角度的反射单元阵列时，经本套光梳状滤波装置，任意一个输入端口的信号光，将被分成两组频率间隔为100GHz的信号。因此，来自N个输入端口的信号光，将被分成2N组频率间隔为100GHz的信号，最终从2N个输出端口输出。同理，当反射装置具有四组不同角度的反射单元阵列时，从N个输入端口输入频率间隔为50GHz的信号，经本套光梳状滤波装置，将被分成4N路频率间隔为200GHz的信号，分别从4N个输出端口输出。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光梳状滤波器，其特征在于：包括至少一个输入端口、至少两个输出端口、使输入端口进入的入射信号不同频率分量之间发生分离的色散装置、将色散装置分离的不同频率信号光各自聚焦的聚焦装置、由多组与入射光成不同角度的反射单元阵列组成的反射装置，每组反射单元阵列间隔设置以引导来自同一个输入端口的一组梳状频率信号至一个输出端口输出；每组反射单元阵列内包含多个与入射光角度设置相同的反射单元，单个反射单元位于本组反射单元阵列对应的梳状频率信号之一聚焦处。

2.根据权利要求1所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述色散装置采用透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅。

3.根据权利要求1所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述反射单元阵列采用由多块独立且相互平行的反射镜组成的反射镜阵列。

4.根据权利要求1所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述反射单元阵列采用在整体材料表面上切割设置且相互平行的多个切面，所述反射单元为单个切面。

5.根据权利要求4所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述反射装置材料采用玻璃或硅。

6.根据权利要求4或5所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述切面上镀有高反射膜。

7.根据权利要求1-5之一所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：在输入端口与色散装置之间，以及输出端口和色散装置之间，设置有偏振控制装置（50）、扩束装置（60）。

8.根据权利要求7所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述偏振控制装置（50）由起偏分束器（51）和半波片（52）依次排列组成。

9.根据权利要求8所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述扩束装置（60）由焦距不同的第一柱面透镜（61）和第二柱面透镜（62）组成，第一柱面透镜（61）和第二柱面透镜（62）焦距为f₁、f₂，且f₂>f₁，第一柱面透镜（61）的后焦面与第二柱面透镜（62）的前焦面重合，光束放大比为f₂/f₁。

10.根据权利要求8所述的一种光梳状滤波器，其特征在于：所述扩束装置（60）由一块或一块以上直方柱棱镜排列组成。