CN109212766A - 一种分光装置、波长选择开关和分光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种分光装置、波长选择开关和分光方法，通过设置光栅和反射元件组，其中，光栅的第一区域位于入射光路路径上，光栅的第二区域位于出射光路路径上，反射元件组位于衍射光路路径上，衍射光路路径为经入射光路路径入射的复合光束被光栅衍射后形成的若干条衍射光谱束所在的光路路径，并且反射元件组中的每一反射元件与光栅保持对应的预设角度，以使若干条衍射光谱束被反射元件组反射至光栅的第二区域，并被衍射后从出射光路路径出射。该分光装置将衍射后的光谱束通过反射元件组再次反射至光栅上，实现光栅对衍射后的光谱束的再次衍射，以提高各光谱束之间的散射角，该分光装置可大幅提升分光能力且结构和制作工艺简单、成本低廉。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光通信技术领域，更具体地，涉及一种分光装置、波长选择开关和分光方法。
背景技术
分光装置是一种利用色散现象将复合光按波长分散成为多条单色光的装置，目前分光装置中的主要器件是光栅，通过光栅对复合光的衍射来实现对复合光的色散，达到分光的目的，分光装置可应用到波长选择开关中。
对于波长选择开关，为了获得更好的带宽指标，要求波长选择开关中的分光装置具有较强的分光能力，目前的分光装置主要通过以下几种方式来提高分光能力：(1)通过提升光栅的刻线数来提升分光装置的分光能力；(2)使用光栅加棱镜的组合，光线经过光栅衍射后经过棱镜，由于不同波长入射到棱镜角度不同，棱镜会在一定程度上提升光线之间的分散角。
上述对于通过提升光栅的刻线数来提升分光装置的分光能力的方式，对光栅的制作工艺有较高的要求，成本高；通过使用光栅加棱镜的组合的方式，光栅与棱镜的组合工艺有较高的要求，制作工艺比较复杂。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种分光装置、波长选择开关和分光方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种分光装置，包括：光栅和反射元件组；光栅的第一区域位于入射光路路径上，光栅的第二区域位于出射光路路径上；反射元件组位于衍射光路路径上，衍射光路路径为经入射光路路径入射的复合光束被光栅的第一区域衍射后形成的若干条衍射光谱束所在的光路路径，并且反射元件组中的每一反射元件与光栅保持对应的预设角度，以使若干条衍射光谱束被反射元件组反射至光栅的第二区域，并被光栅的第二区域衍射后从出射光路路径出射。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种波长选择开关，包括：在光路路径上依次设置的准直输入输出装置、扩束装置、上述第一方面所提供的分光装置、聚焦装置和衰减切换装置；复合光束经准直输入输出装置准直后输入到扩束装置，扩束装置将圆形的复合光束扩束成椭圆形的复合光束，并输入到分光装置，分光装置将复合光束通过光栅按波长衍射成若干条衍射光谱束，并通过反射元件组将若干条衍射光谱束反射至光栅再次衍射成若干分光光束，若干分光光束输入至聚焦装置聚焦后输入到衰减切换装置进行波长选择，并将所选择的波长对应的光束按光路路径的逆方向传递至准直输入输出装置进行输出。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种分光方法，包括：将复合光束入射到光栅的第一区域进行衍射以形成若干条衍射光谱束；将若干条衍射光谱束通过反射元件组反射至光栅的第二区域，以使光栅的第二区域对若干条衍射光谱束进行衍射以获得若干条分光光束。
本发明实施例提供的一种分光装置、波长选择开关和分光方法，通过设置光栅和反射元件组，其中，光栅的第一区域位于入射光路路径上，光栅的第二区域位于出射光路路径上，反射元件组位于衍射光路路径上，衍射光路路径为经入射光路路径入射的复合光束被光栅的第一区域衍射后形成的若干条衍射光谱束所在的光路路径，并且反射元件组中的每一反射元件与光栅保持对应的预设角度，以使若干条衍射光谱束被反射元件组反射至光栅的第二区域，并被光栅的第二区域衍射后从出射光路路径出射。该分光装置将衍射后的光谱束通过反射元件组再次反射至光栅上，实现光栅对衍射后的光谱束的再次衍射，以提高各光谱束之间的散射角，该分光装置可大幅提升分光能力且结构和制作工艺简单、成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明一实施例提供的分光装置的示意图；
图2为根据本发明另一实施例提供的分光装置的示意图；
图3为根据本发明又一实施例提供的分光装置的示意图；
图4为根据本发明实施例提供的波长选择开关的示意图；
图5为根据本发明实施例提供的分光方法的流程图；
附图标记：
11，21，31-光栅； 12，22，32-反射元件组；
111-第一区域； 112-第二区域；
41-准直输入输出装置； 42-扩束装置；
43-分光装置； 44-聚焦装置；
45-衰减切换装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的分光装置的示意图，如图1所示，一种分光装置，包括：光栅11和反射元件组12；光栅11的第一区域111位于入射光路路径上，光栅11的第二区域112位于出射光路路径上，反射元件组12位于衍射光路路径上，衍射光路路径为经入射光路路径入射的复合光束被光栅11的第一区域111衍射后形成的若干条衍射光谱束所在的光路路径，并且反射元件组12中的每一反射元件与光栅11保持对应的预设角度，以使若干条衍射光谱束被反射元件组12反射至光栅11的第二区域112，并被光栅12的第二区域112衍射后从出射光路路径出射。
具体地，由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅，对于波长为λ的光束入射至光栅后发生衍射，入射光束与衍射光束之间满足光栅方程：
d(sinθ1+sinθ2)＝nλ；
其中，d为光栅常数，θ1为入射光束的入射角，θ2为衍射光束的出射角，n为衍射级次，λ为入射光束的波长。
当复合光束作为入射光束时，复合光束包含多种波长的光波，经光栅衍射后会按波长衍射出多束光束，由光栅方程可知，入射光束的波长λ越大，对应的衍射光束的出射角θ2越大，然而，由于光栅器件的参数的限制，复合光经光栅衍射后获得的光束之间的散射角度有限，导致分光效果不佳。
本实施例中，对于分光装置的入射光路路径和出射光路路径，分光装置中的光栅11的第一区域111设于入射光路路径上，光栅11的第二区域112设于出射光路路径上，入射光束为复合光束时，复合光束从入射光路路径入射到光栅11的第一区域111，复合光束会发生衍射现象，从而按波长被分散成若干条衍射光谱束，将若干条衍射光谱束所在的光路路径作为衍射光路路径，分光装置中的反射元件组12设于衍射光路路径上，并且反射元件组12中的每一反射元件与光栅11保持对应的预设角度，可使得若干条衍射光谱束被反射元件组12反射至光栅11的第二区域112，并被光栅12的第二区域112衍射后从出射光路路径出射。本实施例的分光装置中通过设置有反射元件组，复合光束经光栅11的第一区域111衍射后获得若干条衍射光谱束，经衍射光路路径入射到反射元件组12，反射元件组12将若干条衍射光谱束反射至光栅11的第二区域112，若干条衍射光谱束在光栅11的第二区域112分别发生衍射，分别得到各自对应的分光光束从出射光路路径出射，若干条分光光束相当于将复合光束中各波长的光波进行了两次衍射，由于两次衍射过程同样满足光栅方程，相当于通过光栅11的两次衍射来增加不同波长对应的光谱束之间的散射角，达到了提升分光能力的效果。
本实施例中，如果若干条衍射光谱束之间的散射角经过二次衍射后仍不满足分光要求，还可将若干条衍射光谱束再次反射至光栅11并再次进行衍射，并重复以上过程直至最终获得的分光光束之间的散射角满足分光要求。
本实施例的分光装置将衍射后的光谱束通过反射元件组再次反射至光栅上，实现光栅对衍射后的光谱束的再次衍射，以提高各光谱束之间的散射角，该分光装置可大幅提升分光能力且结构和制作工艺简单、成本低廉。
基于以上实施例，进一步地，光栅的类型为透射式光栅或者反射式光栅。
具体地，分光装置的光栅可选择反射式光栅或者透射式光栅，例如，图1的分光装置的示意图中光栅11为反射式光栅，入射光束为包含三种波长(λ1、λ2和λ3)的复合光，入射光束经光栅11衍射后，形成三束光谱束，经反射元件组12反射后入射至光栅11后再次衍射，最后形成波长分别为λ1、λ2和λ3的分光光束；图2的分光装置的示意图中光栅21为透射式光栅，入射光束为包含三种波长(λ1、λ2和λ3)的复合光，入射光束经光栅21衍射后，形成三束光谱束，经反射元件组22反射后入射至光栅21后再次衍射，最后形成波长分别为λ1、λ2和λ3的分光光束。
基于以上实施例，进一步地，反射元件组包括至少一个反射元件，反射元件的类型包括平面反射镜、凹面反射镜和全反射棱镜。
具体地，反射元件组包括至少一个反射元件，反射元件的类型包括平面反射镜、凹面反射镜和全反射棱镜。例如，图1和图2中的反射元件组包括一个反射元件，其中，反射元件为平面反射镜；图3的分光装置的示意图中，光栅31为反射式光栅，入射光束为包含三种波长(λ1、λ2和λ3)的复合光，入射光束经光栅31衍射后，形成三束光谱束，经反射元件组32反射后入射至光栅31后再次衍射，该反射元件组32包括两个反射元件，反射元件为平面反射镜，最后形成波长分别为λ1、λ2和λ3的分光光束。
图4为本发明实施例提供的波长选择开关的示意图，如图4所示，一种波长选择开关，包括：在光路路径上依次设置的准直输入输出装置41、扩束装置42、上述任一实施例所提供的分光装置43、聚焦装置44和衰减切换装置45；复合光束经准直输入输出装置41准直后输入到扩束装置42，扩束装置42将圆形的复合光束扩束成椭圆形的复合光束，并输入到分光装置43，分光装置43将复合光束通过光栅按波长衍射成若干条衍射光谱束，并通过反射元件组将若干条衍射光谱束反射至光栅再次衍射成若干分光光束，若干分光光束输入至聚焦装置44聚焦后输入到衰减切换装置45进行波长选择，并将所选择的波长对应的光束按光路路径的逆方向传递至准直输入输出装置41后输出。
具体地，通常光线在空间的传播是发散的，对于波长选择开关，作为输入的复合光束，需要进行准直处理，使发散的光变成准直的光；本实施例提供准直输入输出装置41，分别实现对输入光束和输出光束的准直和会聚处理，准直输入输出装置41可选用阵列准直器，该阵列准直器包括至少一个入射端口和多个出射端口，输入光束从入射端口入射以对输入光束进行准直处理，并接收不同波长的出射光束，每一波长的出射光束经一个出射端口会聚处理。本实施例的波长选择开关中的扩束装置42用于将圆形的入射光束扩束成椭圆形的光束，以使入射光束能够覆盖更多的光栅单元，通常入射光束为包含多个波长的复合光束；同时，本实施例的分光装置43为上述任一实施例所提供的分光装置，以获得不同波长的多条分光光束，并保证分光效果；本实施例的聚焦装置44用于将每一分光光束进行聚焦压缩处理，然后通过衰减切换装置45对每一波长的分光光束进行调节来实现对波长信号的路由选择，并将选择的光波原路返回至准直输入输出装置41进行选择性输出。
基于以上实施例，进一步地，扩束装置包括若干棱镜和/或若干透镜。
具体地，扩束装置的作用是将圆形的入射光束扩束成椭圆形的光束，可通过设置多个棱镜来实现，将多个棱镜按特定的方式组合，可将圆形光束在某个方向上拉伸，以形成椭圆形光束；同样的，通过多个柱面透镜或者球面透镜按特定的方式组合，也可将圆形光束变成椭圆形光束。
基于以上实施例，进一步地，聚焦装置包括若干球面透镜和/或若干柱面透镜。
具体地，聚焦装置的作用是对光束进行聚焦压缩，球面透镜和柱面透镜均具有对光束的聚焦作用，可将若干球面透镜和/或若干柱面透镜按特定的方式组合成聚焦装置。
基于以上实施例，进一步地，衰减切换装置包括MEMS微反射镜阵列、LCOS像素单元阵列或者液晶单元阵列。
具体地，MEMS微反射镜阵列中每一个反射镜对应一个波长，通过静电力或者电磁力的作用，使MEMS微反射镜阵列中的反射镜产生升降、旋转或者移动，以改变每一波长的光束的传播方向以实现光路通断，从而实现对波长的选择；LCOS像素单元阵列上覆盖有许多液晶单元，对每个液晶单元的反射光相位进行单独控制，相当于对反射光进行波前调节，从而实现对发射光的方向的控制，使被选择的某一波长的反射光输出至指定通道；液晶单元阵列可控制对应的光束的偏振态是否改变90°，并配合偏振分束棱镜使偏振光线在传播方向间有一定的位移或者角度，使被选择的某一波长的光束从出射通道出射。
图5为本发明实施例提供的分光方法的流程图，如图5所示，一种分光方法，包括：S51，将复合光束入射到光栅的第一区域进行衍射以形成若干条衍射光谱束；S52，将若干条衍射光谱束反射至光栅的第二区域，以使光栅的第二区域对若干条衍射光谱束进行衍射，以获得若干条分光光束。
具体地，将待分光的复合光束入射到光栅，经光栅衍射后获得若干条衍射光谱束，然后，将若干条衍射光谱束经反射元件组反射至光栅，若干条衍射光谱束在光栅上发生衍射后，分别得到各自对应的分光光束，相当于将复合光束中各波长的光波进行了两次衍射，增加了不同波长对应的光谱束之间的散射角，达到了提升分光能力的效果。
基于以上实施例，进一步地，将若干条衍射光谱束反射至光栅的第二区域，以使光栅的第二区域对若干条衍射光谱束进行衍射之后，还包括：若光栅的第二区域对若干条衍射光谱束进行衍射后获得若干条衍射光谱束之间的散射角未满足预设条件，则将光栅的第二区域对若干条衍射光谱束进行衍射后获得若干条衍射光谱束再次反射至光栅的第三区域，以使光栅的第三区域对若干条衍射光谱束进行衍射。
具体的，如果若干条衍射光谱束之间的散射角经过二次衍射后仍不满足分光要求，还可将若干条衍射光谱束再次反射至光栅并再次进行衍射，并重复以上过程直至最终获得的分光光束之间的散射角满足分光要求。
本发明实施例的分光方法，可通过上述各实施例提供的分光装置来实现，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种分光装置，其特征在于，包括：光栅和反射元件组；
所述光栅的第一区域位于入射光路路径上，所述光栅的第二区域位于出射光路路径上；
所述反射元件组位于衍射光路路径上，所述衍射光路路径为经所述入射光路路径入射的复合光束被所述光栅的第一区域衍射后形成的若干条衍射光谱束所在的光路路径，并且所述反射元件组中的每一反射元件与所述光栅保持对应的预设角度，以使所述若干条衍射光谱束被所述反射元件组反射至所述光栅的第二区域，并被所述光栅的第二区域衍射后从所述出射光路路径出射。
2.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述光栅的类型为透射式光栅或者反射式光栅。
3.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述反射元件组包括至少一个反射元件，所述反射元件的类型包括平面反射镜、凹面反射镜和全反射棱镜。
4.一种波长选择开关，其特征在于，包括：在光路路径上依次设置的准直输入输出装置、扩束装置、权利要求1-3任一所述的分光装置、聚焦装置和衰减切换装置；
复合光束经所述准直输入输出装置准直后输入到所述扩束装置，所述扩束装置将圆形的复合光束扩束成椭圆形的复合光束，并输入到所述分光装置，所述分光装置将复合光束通过光栅按波长衍射成若干条衍射光谱束，并通过反射元件组将所述若干条衍射光谱束反射至所述光栅再次衍射成若干分光光束，所述若干分光光束输入至所述聚焦装置聚焦后输入到所述衰减切换装置进行波长选择，并将所选择的波长对应的光束按所述光路路径的逆方向传递至所述准直输入输出装置进行输出。
5.根据权利要求4所述的波长选择开关，其特征在于，所述扩束装置包括若干棱镜和/或若干透镜。
6.根据权利要求4所述的波长选择开关，其特征在于，所述聚焦装置包括若干球面透镜和/或若干柱面透镜。
7.根据权利要求4所述的波长选择开关，其特征在于，所述衰减切换装置包括MEMS微反射镜阵列、LCOS像素单元阵列或者液晶单元阵列。
8.一种分光方法，其特征在于，包括：
将复合光束入射到光栅的第一区域进行衍射以形成若干条衍射光谱束；
将所述若干条衍射光谱束反射至所述光栅的第二区域，以使所述光栅的第二区域对所述若干条衍射光谱束进行衍射，以获得若干条分光光束。
9.根据权利要求8所述的分光方法，其特征在于，所述将所述若干条衍射光谱束反射至所述光栅的第二区域，以使所述光栅的第二区域对所述若干条衍射光谱束进行衍射之后，还包括：
若所述光栅的第二区域对所述若干条衍射光谱束进行衍射后获得若干条衍射光谱束之间的散射角未满足预设条件，则将所述光栅的第二区域对所述若干条衍射光谱束进行衍射后获得若干条衍射光谱束再次反射至所述光栅的第三区域，以使所述光栅的第三区域对所述若干条衍射光谱束进行衍射。
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