CN107870444A - 利用多波长波片的多通道激光器合波光学组件及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开利用多波长波片的多通道激光器合波光学组件，其包括至少三个光信号，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，及将两路光信号合成为一路光信号的第二偏振光合束器组件，第一、第二偏振光合束器组件之间设置有将两路光信号分别转换成一路P光和一路S光的多波长波片组。本发明提出了一种新型的合波器。它将三或四通道光信号合成为两路光信号，其中一路为P光，另一路为S光，再利用PBC将来P光和S光汇聚成一束光，进而增加了单路光纤的传输容量，全程几乎无能量损耗。

Description

利用多波长波片的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，具体涉及利用多波长波片的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，可以增加了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、且能量损耗小的利用多波长波片的多通道激光器合波光学组件。

本发明的技术方案是提供利用多波长波片的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一路P光和一路S光的多波长波片组，该P光和S光相互垂直。

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；所述多波长波片组被配置成将所述第一合成光中的全部S光的偏振态转换成P光后连同原有的P光一同送入所述第二偏振光合束器组件，并将所述第二合成光中全部的P光的偏振态转换成S光后连同原有的S光一同送入所述第二偏振光合束器组件；所述第二偏振光合束器组件包括一个第二PBS膜，所述第二PBS膜被配置成将所述多波长波片组过来的S光全部反射、将P光全部透射并将反射的S光和透射的P光合成一束合成光。

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。

优选的，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。

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，其包括至少一个所述的利用多波长波片的多通道激光器合波光学组件，其还包括将全部所述利用多波长波片的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。它利用了多波长波片的特性，将三或四通道光信号合成为两路光信号，其中一路为P光，另一路为S光，再利用PBC（偏振光合束器）将来P光和S光汇聚成一束光，进而增加了单路光纤的传输容量，全程几乎无能量损耗，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：本发明的利用多波长波片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：本发明的利用多波长波片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：本发明的利用多波长波片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：本发明的利用多波长波片的多通道激光器合波光学组件的第四实施例的结构

图1E：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，本发明的利用多波长波片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。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上的反射光和透射光合并成一束光，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上的的反射光和透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，通过一个多波长波片组24后进入第二偏振光合束器组件26内。多波长波片组24可以是一个波片，也可以是多个单独的波片组合而成，，通过设计多波长波片组的光学厚度和光轴，多波长波片组24被设计成对于λ1、λ4为全波片，λ2、λ3为半波片，线偏振光在经过多波长波片组24后，半波片波长的光对应的偏振态将被旋转90°，而全波片对应的光对应的偏振态不变这样第一合成光20和第二合成光22在通过这些波片后，λ2和λ3偏振态方向将旋转90°，即λ2的S光被转换成了P光，λ3的P光被转换成了S光。经过多波长波片组以后，第一合成光变成包含λ1和λ3的S光，第二合成光包含λ2和λ4的P光。然后进入第二偏振光合束器组件26内，在第二偏振光合束器组件26内，经过第二PBS膜28（PBS：polarization beam splitter）合成成为同时具有P光和S光的第三合成光30，第三合成光30包括了几乎全部的λ1、λ2、λ3、λ4，损耗极小。第二PBS膜28被设计成S光全反射，P光全透射。第三合成光30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。

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的光经过准直透镜整形后的光，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，进入一个多波长波片组24。通过设计多波长波片组的光学厚度和光轴，多波长波片组24被设计成相对于λ1和λ3为全波片，对λ2和λ4为半波片的波片组，线偏振光在经过多波长波片组24后，半波片波长的光对应的偏振态将被旋转90°，而全波片对应的光对应的偏振态不变。第一合成光20经过多波长波片组24后λ2的偏振态旋转了90°被转换成了S光，偏振态为S光的λ1偏振态维持不变，第二合成光22经过多波长波片组24后λ4的偏振态旋转了90°被转换成了P光，而偏振态为P光的λ3偏振态维持不变，这样第一合成光20和第二合成光22分别转换成S光和P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，最终第三合成光30进入光纤36，提高了光纤36的传输容量。

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和1F所示，展示了采用两个多波长波片的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通道激光器合波的两个实施案例。

两个利用多波长波片的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。每个第一合成光分别在一个多波长波片组24作用下，转换成S光；每个第二合成光分别在一个多波长波片组24作用下，转换成P光；一个P光和一个S光在一个第二偏振光合束器组件26共同作用下，合成一束同时包含有P偏振态和S偏振态的合成光：第三合成光。然后通过偏振光合束器组46，将两个利用多波长波片的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，从而完成8通道光信号的合成，完成合波功能。

图1E中，偏振光合束器组46中包括多波长波片48，将一路第三合成光30转换为P光，将另一路第三合成光30转换为S光，全程通过全透射和全反射，使得能量损耗较小。

图1F中，偏振光合束器组46中包括一四分之一波片48（或四分之一奇数倍波片），将多路第三合成光30转换为圆偏振光。

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 (9)

1.利用多波长波片的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一路P光和一路S光的多波长波片组，该P光和S光相互垂直。

2.根据权利要求1所述的利用多波长波片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；所述多波长波片组被配置成将所述第一合成光中的全部S光的偏振态转换成P光后连同原有的P光一同送入所述第二偏振光合束器组件，并将所述第二合成光中全部的P光的偏振态转换成S光后连同原有的S光一同送入所述第二偏振光合束器组件；所述第二偏振光合束器组件包括一个第二PBS膜，所述第二PBS膜被配置成将所述多波长波片组过来的S光全部反射、将P光全部透射并将反射的S光和透射的P光合成一束合成光。

3.根据权利要求2所述的利用多波长波片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所述的利用多波长波片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所述的利用多波长波片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所述的利用多波长波片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所述的利用多波长波片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；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。

8.根据权利要求2所述的利用多波长波片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。

9.一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7其中之一所述的利用多波长波片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利用多波长波片的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。