CN106291822A - 一种波长选择开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波长选择开关，包括依次排列的准直输入输出装置（101）、起偏分束装置（102）、扩束分光棱镜组（103）、反射式光栅（104）、聚焦装置（105）、衰减切换装置（106）；其中，所述扩束分光棱镜组（103）包括多组成对设置的棱镜对，对所述线偏振光进行扩束；所述反射式光栅（104）对扩束后的线偏振光进行分光，并再次经过所述扩束分光棱镜组（103）中的部分棱镜对以进一步扩大分光能力，从而将输入光信号中各个波长对应的光信号均匀散开；所述聚焦装置(105)将均匀散开的各个波长对应的光信号聚焦到所述衰减切换装置(106)；所述衰减切换装置(106)进行衰减量调节以及选择输出端口。本发明波长选择开关光路结构紧凑，封装元件数量减少。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信器件,具体涉及一种结构紧凑的波长选择开关，本发明属于光通信领域。
背景技术
根据其需达到的功能和指标要求，目前所有波长选择开关的光路结构均包含如下几个基本部件：准直输入输出装置、扩束装置、分光装置、聚焦装置以及衰减切换装置。准直输入输出装置可以由光纤阵列+微透镜阵列组成，也可以直接由多个单准直器拼装而成；扩束装置可以由一组棱镜组成，也可以由焦距成一定比例的透镜组成；分光装置一般为光栅，可以是透射光栅，也可以是反射光栅；聚焦装置可以是一组透镜，也可以是凹面镜，用来将各个端口、各个波长的光聚焦到最后的焦平面上；衰减切换装置位于聚焦装置的焦平面或其附近，实现商用的有如下三种形式：基于MEMS、基于LCOS和基于液晶+双折射楔角片型式，其作用是对各个波长分别进行光功率调节以及输出端口的选择。
此外，若上述光学部件中有要求线偏光入射的，则还需要增加一个部件——起偏分束装置。
鉴于波长选择开关必须要包含上述这些基本部件，制作波长选择开关时常常会面临光路结构尺寸大、封装元件多等难题。此外，为了改善带宽指标，会要求提高光栅的分光能力，但这会加大衰减切换装置中各个波长单元的宽度尺寸差异，从而增加了衰减切换部件的工艺难度以及造成各个波长单元的性能差异。
发明内容
本发明提出一种结构紧凑的波长选择开关，通过对扩束装置和分光装置进行复用，压缩了光路尺寸，减少了封装元件数量，而且降低了对光栅分光能力的要求，并能实现整个波段范围内均匀分光。
本发明技术方案实现的原理具体如下：若光束经过棱镜可以实现扩束，则当光束改从棱镜出射面入射时光束夹角能够以相同倍数被放大。本发明的技术方案采用反射式光栅，从而在光栅处入射光束和衍射光束位于光栅同侧，即可以实现光束来回两次经过扩束棱镜。当经过光栅分光以后的光束从棱镜另一侧重新进入棱镜时，分光角度会被该棱镜放大。光栅分光时，各个波长并非均匀分光，长波分光能力大于短波分光能力；而棱镜的分光特性恰恰相反，短波经棱镜时折射率大，故短波的分光能力大于长波。于是，将光栅与棱镜组合起来实现分光，在增加分光能力的同时，还能使整个波段分光均匀。
本发明采用的技术方案是：
一种波长选择开关，包括依次排列的准直输入输出装置、起偏分束装置、扩束分光棱镜组、反射式光栅、聚焦装置、衰减切换装置；其中，所述准直输入输出装置将输入光信号准直后输入到所述起偏分束装置；所述起偏分束装置将准直后的输入光信号转换成线偏振光；所述扩束分光棱镜组包括多组成对设置的棱镜对，对所述线偏振光进行扩束；所述反射式光栅对扩束后的线偏振光进行分光，并再次经过所述扩束分光棱镜组中的部分棱镜对以进一步扩大分光能力，从而将输入光信号中各个波长对应的光信号均匀散开；所述聚焦装置将均匀散开的各个波长对应的光信号聚焦到所述衰减切换装置；所述衰减切换装置进行衰减量调节以及选择输出端口。
所述扩束分光棱镜组中的每个棱镜的截面均为直角三角形，所述扩束分光棱镜组中的每个棱镜在扩束时均以斜边入射、直角边出射，其中每个棱镜直角边出射角度近似为0度。
所述扩束分光棱镜组由两组成对设置的棱镜对组成；所述线偏振光经过所述扩束分光棱镜组的第一组棱镜对和第二组棱镜对进行扩束，经所述反射式光栅分光后的各个波长对应的光信号再次经过所述扩束分光棱镜组的第二组棱镜对进行进一步扩大分光。
所述扩束分光棱镜组的第一组棱镜对的扩束倍数与所述反射式光栅的扩束倍数的乘积确定所述波长选择开关的扩束倍数，所述反射式光栅的分光能力与所述扩束分光棱镜组的第二组棱镜对的扩束倍数的乘积确定所述波长选择开关的分光能力。
所述反射式光栅的扩束倍数为cosθ2/cosθ1，分光能力为m·Γ/cosθ2，其中θ1、θ2、Γ、m分别为所述反射式光栅的入射角、衍射角、线数、衍射级次。
所述扩束分光棱镜组的第二组棱镜对的口径由扩束后的光斑大小和所有波长分开的角度共同决定，需满足两次进入第二组棱镜对的光在其光学作用范围内。
所述反射式光栅的入射角和衍射角分开的角度需使两次进入所述扩束分光棱镜组的第二组棱镜对的光以不产生交叠的方式分开。
所述聚焦装置由一组透镜组成，采用球透镜或者柱透镜或者二者的组合。
所述衰减切换装置采用MEMS微反射镜阵列或者LCOS像素单元阵列或者液晶单元阵列。
本发明具有如下优点：
1、本发明波长选择开关光路结构紧凑，封装元件数量减少；
2、本发明波长选择开关在整个波段范围实现了均匀分光，衰减切换装置中各个波长单元的尺寸一致性好。
附图说明
图1、本发明的波长选择开关光路结构图；
图2、本发明棱镜扩束比计算示意图；
其中：
101：准直输入输出装置； 102：起偏分束装置；
103：扩束分光棱镜组； 104：反射式光栅；
105：聚焦装置； 106：衰减切换装置；
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明所提供的波长选择开关在波长分布平面即光栅分光平面的光路结构图如图1所示，其中准直输入输出装置101、起偏分束装置102、扩束分光棱镜组103、反射式光栅104、聚焦装置105、衰减切换装置106依次排列，其光路过程具体如下：输入光信号经过准直输入输出装置101准直后，由起偏分束器102转换成线偏光，再经过扩束分光棱镜组103中的多个棱镜组进行扩束，扩束后的光束经过反射式光栅104分光并再次经过扩束分光棱镜组103中的部分棱镜组扩大分光能力，经扩束分光棱镜组103进一步分光后，各个波长对应的单通道光信号均匀散开，再由聚焦装置105聚焦到衰减切换装置106进行衰减量调节以及输出端口选择。
所述扩束分光棱镜组103可由多组成对设置的棱镜对组成，优选地由两组成对设置的棱镜组成，棱镜成对使用是为了保证光线从棱镜对出射后方向与入射时基本一致，没有偏折。如图1所示，每个棱镜的截面均为直角三角形，每组成对的棱镜中，每个棱镜都是从斜边入射、直角边出射，且直角边出射角度约等于0度。
棱镜材料和顶角一定时，每个棱镜的扩束倍数由斜边入射角决定，如图2所示，该棱镜的入射角为θ，折射角等于棱镜顶角，为α，则该棱镜的扩束倍数为cosα/cosθ，此公式可以推及任何斜面对光束的整形作用。此处，为了使两次进入第二对棱镜对的光能够分得足够开，不产生交叠，反射式光栅104的入射角和衍射角分开的角度应足够大，但分开角度太大，一方面光路不够紧凑，另一方面反射式光栅104的分光能力减小，故反射式光栅104的入射角有一个最佳值，能够使得两次进入第二组棱镜对的光刚好分开。假设反射式光栅104的入射角和衍射角分别为θ1、θ2，反射式光栅的104线数为Γ，衍射级次为m，则反射式光栅104对光束的扩束倍数为cosθ2/cosθ1，对某一波长λ而言，其分光能力为m·Γ/cosθ2。光路系统的带宽要求决定了光路中扩束倍数和分光能力的选取，而此光路中扩束倍数等于第一组棱镜对的扩束倍数与光栅扩束倍数的乘积，分光能力等于光栅分光能力与第二组棱镜对的扩束倍数的乘积。第二组棱镜对的口径应满足两次进入该棱镜对的光不会超出棱镜，口径的选取由扩束后的光斑大小(准直输入光斑大小乘以光路的扩束倍数)和波长分开的角度(波长范围乘以光路的分光能力)共同决定。
所述聚焦装置105由一组透镜组成，可以是球透镜也可以是柱透镜，也可以是二者的组合，主要依据分光平面(图1中Y-Z平面)和切换平面(图1中X-Z平面)所需的焦距以及光路总长的考虑。
所述衰减切换装置106中核心部件可以是MEMS微反射镜阵列，也可以是LCOS像素单元阵列，或是液晶单元阵列，通过设置衰减切换装置106来改变反射回光路的光线角度，从而选择从不同端口输出。
虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种波长选择开关，其特征在于：包括依次排列的准直输入输出装置(101)、起偏分束装置(102)、扩束分光棱镜组(103)、反射式光栅(104)、聚焦装置(105)、衰减切换装置(106)；其中，
所述准直输入输出装置(101)将输入光信号准直后输入到所述起偏分束装置(102)；
所述起偏分束装置(102)将准直后的输入光信号转换成线偏振光；
所述扩束分光棱镜组(103)包括多组成对设置的棱镜对，对所述线偏振光进行扩束；
所述反射式光栅(104)对扩束后的线偏振光进行分光，并再次经过所述扩束分光棱镜组(103)中的部分棱镜对以进一步扩大分光能力，从而将输入光信号中各个波长对应的光信号均匀散开；
所述聚焦装置(105)将均匀散开的各个波长对应的光信号聚焦到所述衰减切换装置(106)；所述衰减切换装置(106)进行衰减量调节以及选择输出端口。
2.根据权利要求1所述一种波长选择开关，其特征在于：所述扩束分光棱镜组(103)中的每个棱镜的截面均为直角三角形，所述扩束分光棱镜组(103)中的每个棱镜在扩束时均以斜边入射、直角边出射，其中每个棱镜直角边出射角度近似为0度。
3.根据权利要求2所述一种波长选择开关，其特征在于：所述扩束分光棱镜组(103)由两组成对设置的棱镜对组成；所述线偏振光经过所述扩束分光棱镜组(103)的第一组棱镜对和第二组棱镜对进行扩束，经所述反射式光栅(104)分光后的各个波长对应的光信号再次经过所述扩束分光棱镜组(103)的第二组棱镜对进行进一步扩大分光。
4.根据权利要求3所述的一种波长选择开关，其特征在于：所述扩束分光棱镜组(103)的第一组棱镜对的扩束倍数与所述反射式光栅(104)的扩束倍数的乘积确定所述波长选择开关的扩束倍数，所述反射式光栅(104)的分光能力与所述扩束分光棱镜组(103)的第二组棱镜对的扩束倍数的乘积确定所述波长选择开关的分光能力。
5.根据权利要求4所述的一种波长选择开关，其特征在于：所述反射式光栅(104)的扩束倍数为cosθ2/cosθ1，分光能力为m·Γ/cosθ2，其中θ1、θ2、Γ、m分别为所述反射式光栅(104)的入射角、衍射角、线数、衍射级次。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的一种波长选择开关，其特征在于：所述扩束分光棱镜组(103)的第二组棱镜对的口径由扩束后的光斑大小和所有波长分开的角度共同决定，需满足两次进入第二组棱镜对的光在其光学作用范围内。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的一种波长选择开关，其特征在于：所述反射式光栅(104)的入射角和衍射角分开的角度需使两次进入所述扩束分光棱镜组(103)的第二组棱镜对的光以不产生交叠的方式分开。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种波长选择开关，其特征在于：所述聚焦装置(105)由一组透镜组成，采用球透镜或者柱透镜或者二者的组合。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种波长选择开关，其特征在于：所述衰减切换装置(106)采用MEMS微反射镜阵列或者LCOS像素单元阵列或者液晶单元阵列。
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