CN107611761A - 多通道激光器合波光学组件及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开多通道激光器合波光学组件，其包括产生至少三个产生光信号的激光器，还包括将全部光信号合成为两路光信号的第一偏振光合束器组件及将两路光信号合成为一路光信号的第二偏振光合束器组件，还包括将合成的两路光信号分别转换成圆偏振光的四分之一波片或四分之一的奇数倍波片。本发明提出了一种新型的合波器。它利用了激光器光源的偏振特性，通过光学偏振元件改变光束的偏振态，再利用PBC将来自不同激光器的光汇聚成一束光，进而增加了单路光纤的传输容量，可作为高速高容量光传输激光器设计的优选方案。

Description

多通道激光器合波光学组件及装置

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及多通道激光器合波光学组件及装置，该发明可用于光通讯和光显示领域。

背景技术

将多通道激光器出光汇合成一路光信号进行传输的合波器，可以增加单路光纤的传输容量，满足高速高容量光传输激光器的设计要求。

当前，上述合波器可实现的技术方案包括：

1、基于薄膜滤光片方案的合波器，如图2所示。缺点是：与波长相关，成本较高，体积大，光路不等。

2、基于阵列波导光栅（AWG）方案或平面波导（PLC）的合波器，如图3所示。其缺点是：加工工艺复杂，与波长相关，成本高，光学指标较差。

3、如专利文件（申请号CN103261935）所述方案，其缺点在于：每次合波后都会产生光信号能量损耗，最终每路光信号的能量损耗均在3dB以上。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供易大批量生产、成本低的多通道激光器合波光学组件及装置。

本发明的技术方案是提供一种多通道激光器合波光学组件，其包括产生至少三个产生光信号的激光器，所述激光器产生的光信号均为偏振光，其特征在于：还包括至少一个将所述激光器产生的光信号合成为两路光信号的第一偏振光合束器组件及将所述第一偏振光合束器组件合成的两路光信号合成为一路光信号的第二偏振光合束器组件，所述第一偏振光合束器组件和第二偏振光合束器组件之间设置有将所述第一偏振光合束器组件合成的两路光信号分别转换成圆偏振光的四分之一波片或四分之一的奇数倍波片。

优选的，所述第一偏振光合束器组件合成的两路光信号分别为第一合成光和第二合成光，所述第一合成光和第二合成光均包括一个或多个所述激光器产生的光信号，所述第二偏振光合束器组件包括一个第二PBS膜；所述第二偏振光合束器组件被配置成将所述第一合成光在所述第二PBS膜上的反射光与所述第二合成光在所述第二PBS膜上的透射光组合成包括全部所述激光器产生的光信号的第三合成光。

优选的，其包括三个所述激光器：产生第一光信号的第一激光器、产生第二光信号的第二激光器和产生第三光信号的第三激光器；所述第一激光器与第一偏振光合束器组件之间、所述第二激光器与第一偏振光合束器组件之间均设置一将所述第一光信号和第二光信号的偏振态旋转90度的半波片。

优选的，还包括产生第四光信号的第四激光器。

优选的，所述第一偏振光合束器组件包括一个第一PBS膜和一个将所述第一光信号和第二光信号向所述第一PBS膜反射的第一反射面；所述第一PBS膜被配置成将所述第一光信号和第二光信号反射并将所述第三光信号和第四光信号透射，并将被所述第一PBS膜反射的第一光信号和被所述第一PBS膜透射的第三光信号组合成所述第一合成光，以及将被所述第一PBS膜反射的第二光信号和被所述第一PBS膜透射的第四光信号组合成所述第二合成光；所述第一反射面为全反射面或偏振反射面。

优选的，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器与所述第一偏振光合束器组件之间均设置一准直透镜；还包括一接收所述第三合成光并向光纤传送的聚焦透镜。

优选的，所述第二偏振光合束器组件和所述聚焦透镜之间设置一隔离器或所述第一偏振光合束器组件和所述第二偏振光合束器组件之间设置至少一个隔离器；所述第一光信号、第二光信号、第三光信号和第四光信号分别具有不同的波长。

优选的，所述第二偏振光合束器组件被配置成将所述第一合成光在所述第二PBS膜上的透射光与所述第二合成光在所述第二PBS膜上的反射光组合成包括所述第一光信号、第二光信号、第三光信号和第四光信号的第四合成光。

优选的，所述第二偏振光合束器组件包括一个将所述第一合成光反射的第二反射面；所述第二反射面为全反射面或偏振反射面。

本发明还提供一种多通道激光器合波光学装置，其包括2N个所述的多通道激光器合波光学组件，其中N为自然数，其特征在于：其还包括将全部所述多通道激光器合波光学组件产生的第三合成光组合成一束光的偏振光合束器组。

本发明提出了一种新型的合波器。该合波器用于将多通道激光器出光汇合成一路光信号进行传输。它利用了激光器光源的偏振特性，通过光学偏振元件改变光束的偏振态，使之成为圆偏振光，再利用PBC（偏振光合束器）将来自不同激光器的光汇聚成一束光，进而增加了单路光纤的传输容量，可作为高速高容量光传输激光器设计的优选方案。

附图说明

图1A：本发明的多通道激光器合波光学组件的第一实施例的结构示意图；

图1B：本发明的多通道激光器合波光学组件的第二实施例的结构示意图；

图1C：本发明的多通道激光器合波光学组件的第三实施例的结构示意图；

图1D：本发明的多通道激光器合波光学组件的第四实施例的结构示意图；

图1E：本发明的多通道激光器合波光学组件的第五实施例的结构示意图。

图1F：本发明的一种多通道激光器合波光学装置的一实施例的结构示意图;

图2为现有技术1；

图3为现有技术2。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1A所示，本发明的多通道激光器合波光学组件第一实施例中公开了一种4通道激光器的合波光路结构图，用于展示了本发明的基本原理和实施案例之一。

4个激光器10分别发出波长为λ1、λ2、λ3、λ4的偏振光，即第一光信号、第二光信号、第三光信号和第四光信号。其中，λ1、λ2、λ3、λ4可以根据需要设置成不同波长或相同波长。本实施例中，λ1、λ2、λ3、λ4的偏振态相同，为叙述方便，本实施例中设定它们均为P光（图1中的竖直线表示），实际上它们也可以同为S光（图中的黑色圆点表示）。波长λ1和λ2的光经过准直透镜12整形后的光，入射到一个半波片14（二分之一波片、二分之三波片或其他二分之一奇数倍波片均可），使得偏振态旋转90度，变为S光，再进入到第一偏振光合束器组件16内；波长为λ3和λ4的光为P光经过准直透镜12整形后直接入射到第一偏振光合束器组件16内。本实施例并不限定本发明的λ1、λ2、λ3、λ4偏振态一定要一致，本领域普通技术人员可以根据本发明的设计思路，将λ1、λ2直接设置为S光，从而不需要半波片14。

S偏振态的λ1光和P偏振态的λ3光通过第一偏振光合束器组件16的第一PBS膜18上的透射光和反射光合并成一束光，即第一合成光20。S偏振态的λ2光和P偏振态的λ4光通过第一偏振光合束器组件16的第一PBS膜18上的的透射光和反射光也合并成一束光，即第二合成光22。

第一合成光20和第二合成光22，进入一个四分之一波片24（或使用其他四分之三波片、四分之五波片等四分之一奇数倍波片也可实现）。该四分之一波片24的光轴被设计成与第一合成光20、第二合成光22的偏振方向成约45度角，这样波长为λ1、λ2、λ3、λ4的偏振光在通过该波片后，由线偏振光转变为圆偏振光（图中椭圆符号表示），然后进入第二偏振光合束器组件26内。

圆偏振光经过第二偏振光合束器组件26后，圆偏振光中的P分量和S分量将分别在第二PBS膜28（PBS：polarization beam splitter）上被透射和反射，因此第一合成光20经过第二偏振光合束器组件26后形成新的透射光和反射光，透射光和反射光中均包含λ1和λ3波长的光。第二合成光22经过第二偏振光合束器组件26后也会形成新的透射光和反射光，透射光和反射光中均包含λ2和λ4波长的光。最终第一合成光20在第二偏振光合束器组件26中第二PBS膜28上的反射光与第二合成光22在第二偏振光合束器组件26中第二PBS膜28上的透射光，重新合成新的光束，称为第三合成光30，第三合成光30中包含了λ1、λ2、λ3、λ4的光，经过聚焦透镜32后进入了同一根光纤36内，完成了合波功能，提高了单根光纤36的传输容量。

第一合成光20在第二偏振光合束器组件26中第二PBS膜28上的透射光与第二合成光22在第二偏振光合束器组件26中第二PBS膜28上的反射光，重新合成新的光束，称为第四合成光38。第四合成光38中包含了波长为λ1、λ2、λ3、λ4的光，可作为其他功能使用。例如，将第四合成光38通过聚焦透镜接收，耦合进入另一根光纤作为信号传输使用。又或者将第四合成光38通过PD接收，作为监控使用等扩展功能。

本实施例并不限定一定需要四个激光器10产生四通道光信号：λ1、λ2、λ3、λ4。本领域普通技术人员可以根据本发明的设计思路，采用三路光信号，即λ1、λ2、λ3，其中λ1、λ3合成第一合成光20，λ2经过第一偏振光合束器组件16后，直接出来称为第二合成光22，实际上其并未与其他光信号合并；同样可以实现上述功能；其应该为本发明的其他实施例，但未详细图示。

如图1B所示，其展示了另一个4通道激光器合波的实施案例。

其在图1A所示案例基础上，增加了隔离器40，以减少反射光对各路激光器10的影响。该隔离器40既可以是偏振相关的隔离器40亦可以是偏振无关的隔离器40。该隔离器40不限于案例中所示位置，既可以像该案例中位于第二偏振光合束器组件26与聚焦透镜32之间，也可以位于第一偏振光合束器组件16和第二偏振光合束器组件26之间，或位于聚焦透镜32与光纤36之间。

如图1C所示，其展示了另一个4通道激光器合波的实施案例。

4个激光器10分别发出波长为λ1、λ2、λ3、λ4的偏振光，其中波长λ1和λ4的光经过透镜整形后的光，入射到一个半波片14，偏振态旋转90度，变为S光，再分别进入到第一偏振光合束器组件16内，波长为λ2和λ3的光为P光经过准直透镜12整形后分别进入到第一偏振光合束器组件16内。如图所示，第一偏振光合束器组件16由多个光学器件构成，其中形成多个反射和透射光线的通道。

S偏振态的λ1光和P偏振态的λ2光通过第一偏振光合束器组件16后合并成一束光，称为第一合成光20。S偏振态的λ4光和P偏振态的λ3光通过第一偏振光合束器组件16后也合并成一束光，称为第二合成光22。

第一合成光20和第二合成光22，进入一个四分之一波片24。该波片光轴被设计成与两束光的偏振方向成约45度角，因此波长为λ1、λ2、λ3、λ4的偏振光在通过该波片后，由线偏振光转变为圆偏振光，然后进入第二偏振光合束器组件26内。

与图1A所述设计类似，第二偏振光合束器组件26将两束的光分别合成为第三合成光30和第四合成光38的功能，最终第三合成光30进入光纤36，提高了光纤36的传输容量。第四合成光38可作为其他功能使用。

如图1D所示：其展示了另一种4通道激光器合波的实施例。

其与图1C所公开的实施例相比，将第一偏振光合束器组件16中的第一反射面44采取偏振镀膜的设计，以使得λ1和λ4的光折返约90度。

如图1E所示，其展示了另一个4通道激光器合波的实施例。

该实施例与图1D所公开的实施例相比，可选择地将第三偏振光合束器48中的第二反射面46采取偏振镀膜的设计。因此第一合成光20（包含λ1和λ2的圆偏振光）在通过第二反射面46后，将分割成P方向的偏振光（包含λ1和λ2）和S方向的偏振光（包含λ1和λ2）。可选择地设计成P方向偏振光近乎100%穿透出第三偏振光合束器48，称为第五合成光50，S方向的偏振光通过反射90度角后近乎100%的能量与第二合成光22的透射光合成第三合成光30。第三合成光30包含所有4个通道波长的光，完成了合波功能。

如图1F所示，展示了一个采用两个多通道激光器合波光学组件组成一个多通道激光器合波光学装置，实现8通道激光器合波的实施案例。

两个多通道激光器合波光学组件的8个激光器10分别发出波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8的偏振光，其中波长λ1、λ3、λ5、λ7的光经过准直透镜12整形后的光，分别入射到第一、第二、第三、第四半波片14上，偏振态旋转90度，变为S光，再分别进入到四个第一偏振光合束器组件16内，波长为λ2、λ4、λ6、λ8的光为P光经过准直透镜12整形后分别进入到四个第一偏振光合束器组件16内。

S偏振态的λ1光和P偏振态的λ2光通过第一偏振光合束器组件16后合并成第一合成光。S偏振态的λ3光和P偏振态的λ4光通过另一个第一偏振光合束器组件16后合并成第二合成光。S偏振态的λ5光和P偏振态的λ6光通过另一个第一偏振光合束器组件16后合并成第一合成光。S偏振态的λ7光和P偏振态的λ8光通过另一个第一偏振光合束器组件16后也合并成第二合成光。每个第一合成光、第二合成光分别在一个四分之一波片24（或四分之三、四分之五波片等）和一个第二偏振光合束器组件26共同作用下，将同时包含有P偏振态和S偏振态的两束不同波长的光合成一束合成光，即每个多通道激光器合波光学组件均将四通道光信号合成为一束合成光：第三合成光。然后通过偏振光合束器组46，将两个多通道激光器合波光学组件合并后的第三合成光30合成为一束合成光，完成合波功能，从而完成8通道光信号的合成，完成合波功能。偏振光合束器组46中也包括一四分之一波片48（或四分之一奇数倍波片）。本领域普通技术人员还可以在此思路上实现16通道、32通道和更多通道的扩展实施，以此类推，增加偏振光合束器组46中的偏振光合束器，最终将包含任意多个波长的光合成一束光进入光纤36内，完成合波功能。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，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.多通道激光器合波光学组件，其包括产生至少三个产生光信号的激光器，所述激光器产生的光信号均为偏振光，其特征在于：还包括至少一个将全部所述激光器产生的光信号合成为两路光信号的第一偏振光合束器组件，及将所述第一偏振光合束器组件合成的两路光信号合成为一路光信号的第二偏振光合束器组件，所述第一偏振光合束器组件和第二偏振光合束器组件之间设置有将所述第一偏振光合束器组件合成的两路光信号分别转换成圆偏振光的四分之一波片或四分之一的奇数倍波片。

2.根据权利要求1所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：所述第一偏振光合束器组件合成的两路光信号分别为第一合成光和第二合成光，所述第一合成光和第二合成光均包括一个或多个所述激光器产生的光信号；所述第二偏振光合束器包括一个第二PBS膜；所述第二偏振光合束器被配置成将所述第一合成光在所述第二PBS膜上的反射光与所述第二合成光在所述第二PBS膜上的透射光组合成包括全部所述激光器产生的光信号的第三合成光。

3.根据权利要求2所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：其包括三个所述激光器：产生第一光信号的第一激光器、产生第二光信号的第二激光器和产生第三光信号的第三激光器；所述第一激光器与第一偏振光合束器组件之间设置一个将所述第一光信号的偏振态旋转90度的半波片，所述第一偏振光合束器组件被配置成将所述第一光信号和第三光信号合并为所述第一合成光。

4.根据权利要求3所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：还包括产生第四光信号的第四激光器，所述第二激光器与第一偏振光合束器组件之间设置一个将所述第二光信号的偏振态旋转90度的半波片，所述第一偏振光合束器组件被配置成将所述第二光信号和第四光信号合并为所述第二合成光。

5.根据权利要求4所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：所述第一偏振光合束器组件包括一个第一PBS膜和一个将所述第一光信号和第二光信号向所述第一PBS膜反射的第一反射面；所述第一PBS膜被配置成将所述第一光信号和第二光信号反射并将所述第三光信号和第四光信号透射，并将被所述第一PBS膜反射的第一光信号和被所述第一PBS膜透射的第三光信号组合成所述第一合成光，以及将被所述第一PBS膜反射的第二光信号和被所述第一PBS膜透射的第四光信号组合成所述第二合成光；所述第一反射面为全反射面或偏振反射面。

6.根据权利要求5所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器与所述第一偏振光合束器组件之间均设置一准直透镜；还包括一接收所述第三合成光并向光纤传送的聚焦透镜。

7.根据权利要求6所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：所述第二偏振光合束器组件和所述聚焦透镜之间设置一隔离器或所述第一偏振光合束器组件和所述第二偏振光合束器组件之间设置至少一个隔离器。

8.根据权利要求7所述的一种多通道激光器合波光学组件，其特征在于：所述第二偏振光合束器组件被配置成将所述第一合成光在所述第二PBS膜上的透射光与所述第二合成光在所述第二PBS膜上的反射光组合成包括所述第一光信号、第二光信号、第三光信号和第四光信号的第四合成光。

9.根据权利要求2所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：所述第二偏振光合束器组件包括一个将所述第一合成光反射的第二反射面，所述第二反射面为全反射面或偏振反射面。

10.一种多通道激光器合波光学装置，其包括至少一个根据权利要求3至8其中之一所述的多通道激光器合波光学组件，其特征在于：其还包括将全部所述多通道激光器合波光学组件产生的第三合成光组合成一束光的偏振光合束器组。