CN1164961C - 基于中阶梯光栅的密集波分复用器/分用器 - Google Patents

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Abstract

一种在光学通信系统中使用的密集波分复用器/分用器(“DWDM”)(10)，包括一个传播多个具有选择信道间隔的在选择近红外波长区中复用为单个光信号的光学信道(λiest；1-n)的复用光波导(14)，一个在选择焦距光学耦合到复用光波导的准直/聚焦光学部件(18)，一个光学耦合到准直/聚焦光学部件(18)的反射中阶梯光栅(20)，此中阶梯光栅(20)具有凹槽间隔(d)和炫耀角(θb)可在选择焦距对选择衍射级提供复用光学信号(λ1-n)的信道间隔(d)。每一个都传播近红外波长区内的单信道的单信道波导(16)的线性阵列光学耦合到准直/聚焦光学部件，每一个单信道波导(16)具有一个中心和一个传播终端，并且传播终端与准直/聚焦光学部件之间的距离等于焦距，而相邻分用波导的中心之间的距离为选择信道间隔(D)。光纤线束被用于连接工作在利特罗配置下的复用器。

Description

基于中阶梯光栅的密集波分复用器/分用器
技术领域
本发明涉及光通信，并且更具体说是涉及体光学中阶梯光栅密集波分复用器/分用器(bulk optical echelle grating multiplexer/demultiplexer)。
背景技术
在光纤通信初期，一般一根光纤只用来承载单波长的单数据信道。密集波分复用(DWDM)可使给定波长带中的不同波长的多个信道通过一根单模光纤发送，从而大大扩展每根光纤传输的数据量。选择每个信道波长使信道不能相互干扰并使光纤的传输损耗最小。典型的DWDM容许多达40个信道同时通过一根光纤传输。
通过光纤传输的数据量正在以指数方式增加，并且数据传输的容量消耗迅速。再增加埋设光纤成本效益差。增加光传输率受到系统周围的电子设备的速度和经济方面以及光纤中的色散的限制。于是，增加数据承载容量的最有希望的解决方案是通过DWDM(密集波分复用)增加每一给定带宽的信道数目。
DWDM要求有两个概念上对称的器件：复用器和分用器。复用器接收多个光束或光信道，每一个的波长都不同并且来自不同的来源，将这些信道合成为单一的多信道或多色光束。典型的输入为波导线性阵列，如光纤线性阵列，激光二极管线性阵列或某些其他光源。典型的输出为单波导，如一根光纤。分用器根据波长将多色光束在空间上分离为分离的信道。典型的输入为单输入光纤，而典型的输出为波导线性阵列，如光纤，或光检测器线性阵列。
为满足DWDM的要求，复用器和分用器要求具有某些固有的特性。首先，这些器件必须能够提供空间间隔紧密信道的高度角色散以使各信道可经过相对短距离就得到足够的间距而可与线性阵列，如输出光纤，耦合。另外，复用器/分用器必须能适应与光纤通信带宽相匹配的自由频谱区的信道。此外，这些器件必须提供高分辨率以使串扰最小，并且还需要效率高以减少信号损失。理想的器件还应该小、耐用、热稳定、价廉和可扩缩。
密集波分复用器件的主要注意力专注于阵列波导。阵列波导具有一组中间通路，比如长度逐级变化以使自由频谱区内的不同波长信号的波前倾斜的波导。共焦耦合器将公共和专用通路与中间通路的相对端连接。一个例子公开于Lee的美国专利No.5,706,377中。阵列波导的缺点是设计和制造费用高，不能在密集波分复用所需要的宽广的波长区内提供高信道密度，热敏感，缺乏扩缩性，具有偏振依赖性，介入损耗高。
另外一族密集波分复用器件使用滤波器网络和/或光纤布喇格光栅来进行信道分离。Pan的美国专利No.5,748,350就是例子。然而，这些器件的信道间隔约为0.8或1.6毫微米(nm)，限制了光纤的耦合输入或输出的波长的数目。另外，这些器件在光损耗、串扰、定位困难和热敏感方面问题很大。
在现有技术中曾经研究过各种体光学密集波分复用器件。Fu等人的美国专利No.5,970,190中提出一种利用布喇格衍射光栅的标准光栅波分复用器件。Fu要求一个倾斜机构或者制造一个标准波导(etalon waveguide)，该波导具有将布喇格光栅写入到波导中的反射露光面。此器件的信道分隔能力有限，并且要求一个倾斜机构，而控制该倾斜机构很困难，并且不可靠。
Dueck的美国专利No.6,011,884提出一种具有准直光学部件和体光栅(近利特罗配置)的波分复用器件。Dueck关心使用一种均匀短透镜(bootlens)来创造一种单件集成器件。此器件想要做成紧凑、牢固和对环境及热稳定的器件。然而，Dueck提出的这种器件未能照顾到为密集波分复用提供多信道的需要，和提供紧凑器件所要求的高效和短焦距。
Lundgren的美国专利No.6,018,603，与Dueck类似，提出将体衍射光栅应用于波分复用。特别是，Lundgren提出将小阶梯光栅(红外光栅)与类棒状分级折射率透镜或成像透镜组合起来用于校正聚焦透镜焦距的任何偏移。Lundgren也未能提出一种能够适应高信道密度并提供高度信道角色散的密集波分复用器件以减小焦距和设备尺寸。
用于光学信号复用和分用技术的其他例子包括使用双折射元件(briefinfringment element)，使用光带通滤波器，使用干涉滤波器，使用棱镜和使用级联光栅序列。然而，这些系统都不能提供满足密集波分复用日益增长的需要所必需的有益属性组合。
本发明意欲克服上述问题中的某些问题并提供一种具备成本效益良好的密集波分复用所需要的许多属性的体光学中阶梯光栅密集波分复用器/分用器。
发明概述
本发明的第一个方面是在光学通信系统中使用的密集波分复用器/分用器(“DWDM”)。DWDM包含一个传播多个信道间的间隔为0.4nm或以下的在选择近红外波长区中复用为单个光学信号的光学信道的复用光波导。一准直/聚焦光学部件在选择焦距处光学耦合到复用光波导。一个反射中阶梯光栅光学耦合到准直/聚焦光学部件。此中阶梯光栅具有的凹槽间隔和炫耀角可在选择焦距处对选择衍射级提供复用光学信号的选择信道间隔。每一个都传播近红外波长区内的单信道的单信道波导的线性阵列光学耦合到此准直/聚焦光学部件。每一个单信道波导具有一个中心和一个传播终端，并且传播终端与准直/聚焦光学部件之间的距离等于焦距，而相邻分用波导的中心之间的距离为选择信道间隔。最好是凹槽间隔在大约50和300凹槽/每毫米之间，而炫耀角为51-53°。近红外波长区最好是在1520和1610nm，中阶梯光栅最好是具有至少与近红外波长区同样大小的自由频谱区。选择信道间隔最好是0.4nm或更小，优选信道间隔为至少40微米(μ)，而焦距最好是小于152.4毫米。光栅的分辨率最好是至少为20000，而光栅效率至少为75％。复用和单信道波导最好是光纤。
本发明的第二个方面是一种在光学通信系统中使用的设备，该设备用于对由在选择波长区内具有选择信道间隔的波长相异的光信道构成的光信号进行复用或分用。此设备包括多个一般沿着同一光轴定位并具有一个传播终端的光波导。一个反射中阶梯光栅光学耦合到沿着光轴的多个光波导并接收光波导中至少一个发射的光信号。光信号衍射进入至少另一个光波导。光栅最好是具有凹槽间隔在大约50和300凹槽/每毫米之间，而炫耀角为51-53°的中阶梯光栅。中阶梯光栅可以是具有焦距小于152.4毫米的凹面基底。最好是波长区在1520-1610nm，信道间隔为0.4nm或更小，而中阶梯光栅具有凹槽间隔和炫耀角可在焦距为152.4nm或更小时对选择衍射级提供40微米或以上信道间隔和至少75％的效率。此设备还包括一个光学耦合到多个光波导和中阶梯光栅之间的准直/聚焦光学部件。准直/聚焦透镜的焦距为152.4毫米，而传播单信道的光纤每一个的纤芯中心与相邻光纤的纤芯中心之间相隔一选择距离，此选择距离小于125微米。
本发明的第三个方面是一种在光学通信系统中使用的复用或分用的方法。光信号包括在选择波长区内的选择信道间隔和不同波长的光信道。提供多个光波导并且它们一般沿着同一光轴定位。一个光信号由至少一个光波导指向光学耦合到沿着光轴的多个光波导的反射中阶梯光栅。光信号衍射大致沿着光轴至少进入至少另一个光波导。光波导最好是光纤。最好是多个复用信道在一根光纤中传播并且单信道在其他光纤中传播，而且其他光纤在线性阵列中定位。最好是信道带宽在1520-1610nm，信道间隔为0.4nm或更小，而光栅具有的凹槽间隔和炫耀角可在效率至少为75％时在选择焦距对选择衍射级提供等于线性阵列中的相邻光纤的纤芯中心之间的距离的信道间隔。
本发明的最后一个方面是一种在工作在近红外波长区和信道间隔为0.4nm或更小的光学通信系统中用于复用和分用光信号的体光学光栅。此光栅包括凹槽间隔和炫耀角可对选择衍射级提供0.091和0.11度/nm的角色散和至少为75％的效率。光栅最好是凹槽间隔在大约50和300凹槽/每毫米之间，而炫耀角为51-53°。近红外波长区最好是在1520-1610nm，并且体光学光栅最好是具有至少与近红外波长区同样大小的自由频谱区。选择衍射级最好是在4与7之间。
根据本发明的密集波分复用器/分用器利用一个体光学中阶梯光栅使得在相对宽的带宽上实现密集信道间隔(0.4nm或更小)的复用/分用，从而使在给定带宽时单根光纤所能承载的信道数为最大。利用体光学中阶梯光栅的密集波分复用器件容许以高分辨率和高效率进行信道复用/分用。中阶梯光栅的高角色散容许在相对短的焦距上得到足够的信道间隔，提供较之现有的复用器/分用器更小的波形因数。使用体光学元件可提供一种易于制造、高度可靠、可扩缩和制造安装相对便宜的系统。
附图简述
图1为利用本发明的体中阶梯光栅的复用器/分用器的平面示意图；
图2为示出相关尺寸的中阶梯光栅凹槽的放大横截面图；
图3为在可生成工作中阶梯光栅的不同级的可能的阶梯宽度和竖板的高度的示图；
图4为采用本发明的体中阶梯光栅的复用器/分用器示例的示意图；
图5为引出线模板的部分横截面图；
图6为图1的采用体中阶梯光栅的复用器/分用器的透视图，示出部件的可能调节；
图7为采用包括一对准直/聚焦凹面镜的体光学中阶梯光栅的复用器/分用器的第一种可能实施方式的示意图；
图8为图7的复用器/分用器还包括有一个提供水平方向上的波长色散的棱镜的第二种可能实施方式的示意图；
图9为采用单准直/聚焦镜的复用器/分用器的第三种可能实施方式的示意图；
图10为采用离轴抛物面反射镜作为准直/聚焦光学部件的本发明的复用器/分用器的第四种可能实施方式的示意图；
图11为采用凹面中阶梯光栅本发明的复用器/分用器的第五种可能实施方式的示意图；
图12为用于将宽带宽分割为复用/分用用的带宽段的设备的示意图；
图13为采用三波带分割元件的图12的实施方式的示意图；
图14为具有一维光纤输入阵列和二维单信道光纤阵列的引出线束的示意剖视图；
图15为具有多层复用光纤和二维单信道光纤阵列的复用器/分用器的示意图；
图16为图4的复用器/分用器的系统响应与波长的关系图。
实施发明的具体方式
图1示出应用于本发明的光学通信系统10中的复用器/分用器的平面示意图。此复用器/分用器的构成包括一引出线束12，引出线束12的构成包括输入波导14、邻接输入光纤排列形成线性阵列的多个输出波导16；准直/聚焦透镜18及中阶梯光栅20，其中每一个都是光耦合。在此讨论中，复用器/分用器将就分用器进行讨论。该描述对复用器同样适用，只不过输入和输出波导14，16的功能对调而已。另外，为清楚起见，图中示出的只有七个输出波导(中心输出波导位于图1的输入光纤的下面，这可以通过图14中的元件142和148看出)。另外，输入波导14，16最好是单模光纤。下面将详细讨论，在优选实施方式中，90或更多的输出波导可与一个单输入波导相结合，这取决于带宽信道，间隔和许多其他因素。
此处使用的“光耦合”或“光通信”指的是使一个光学元件承载的光学信号赋予“耦合的”或“通信的”元件的任何连接、耦合、链接等等。此种“光通信”器件不一定要互相直接连接，而可以隔着一段光信号通过的空间或是隔着中间的光学部件或器件。
如图1所示，光学通信系统10是“近利特罗配置”，就是说入射光束λ1-n和由光栅的表面衍射(diffract)出去的信道(λ1，λ2λ3，λ4，λ5，λ6，λ7)大致是沿着同一光轴(即经过非常靠近的通路)并且透镜既对输入光束λ1-n准直也将衍射信道λ1-λ7聚焦到输出光纤16。
中阶梯光栅20，与其他光栅如小阶梯光栅类似，利用从其刻划表面的不同部分或阶梯22反射的光波前之间的干涉，将由多个具有在选择波长区中的选择信道间隔的信道组成的入射光λ1-n分割为经过光栅角色散进入不远处的输出波导的波长束λ1-λ7的分离信道。参照图1，器件(D)的信道间隔(是准直/聚焦光学部件的焦距，角色散和增加的信道间隔的乘积)等于相邻输出波导的中心间的距离S。中阶梯光栅20特别适用于光通信系统，因为具有如下特性的组合：1)它可提供清楚的信道间隔，尽管信道间隔很小(0.4nm或更小)；2)它可在相对短的距离上提供信道的巨大空间间隔；3)在光通信波长区中其效率高。
参照图2，为本说明书之用，中阶梯光栅是一个特殊光栅结构，具有凹槽密度(1/d)为300凹槽/每毫米以下，而炫耀角(blaze angle)θb大于45°，通常工作于大于1的衍射级的条件下。经过组合，这些特点可以实现一种通过相对小的焦距(比如5英寸)高效分离间隔很小的信道并使波形因数很小(大约长度为10英寸或以下)的复用器/分用器。
考虑对密集波分复用理想的中阶梯光栅某些外部因素和性能的限制。外部限制包括以下各项：
1)  使焦距最小，焦距最好在6英寸以下。
2)  中心波长在近红外区，大约在C波段的中心，1550nm。
3)  信道间隔最小(比如0.4nm或更小)。
4)  自由频谱区大，150nm。
5)  系统f数在4-8范围内。
6)  系统结实，成本最低。
性能限制包括：
1)  分辨率大于20000(虽然分辨率＞15000对某些应用是合适的)。
2)  高色散。
3)  频谱区内响应平坦。
4)  高效率或低损耗(＞75％)。
5)  偏振损耗最小。
外部限制中的结实程度和成本的降低以及性能限制中的易于定位和高效率使得必须采用利特罗配置，它可简化系统优化分析。
图2示出中阶梯光栅的几何形状和下面设定的变量。
    θb＝炫耀角
    α＝入射角
    β＝衍射角
在利特罗配置中， θ b = α ≅ β
    b＝阶梯(step)(反射面)尺寸
    d＝1/凹槽密度
    a＝竖板(riser)尺寸
对大量上述限制因素数目的检查表明中阶梯光栅对密集波分复用有效。
1.限制因素：f数(f)在4-8范围内，分辨率(“R”)＞20000。
结果：对利特罗配置的光栅，
R > 2 ( w λ ) ,
其中W是光栅照明宽度。于是，或是W＝(20000/2)(1550nm)，或是W≈1.55cm。
    Wxf＝fl(焦距)，或
    fl≈1.55cm×8≈124
2.限制因素：fl＞124mm和信道间隔至少为80μ。
结果：对利特罗配置的光栅，色散 ( dθ b dλ ) = m b · fl , 其中m＝衍射级。于是，假设信道间隔至少为80μ，Δλ＝4×10-4μ和fl＝1.2×104μ，m＞1.5b。
3.限制因素：FSR(自由频谱区)＞150
结果：FSR＝λ/m，它表示m＝1550/150，或m≤10。
4.限制因素：希望提供带宽内的平坦响应。
结果：衍射包络必须具有足够宽的最大值以使在波长区极端处损耗最小。这要求b＜8.5μ。超过级7使得过多的光通过衍射峰，结果效率就低得令人无法接受。于是：b＜8.5μ和m≤7。
5.限制因素：高效率(＞85°)。
结果：效率是阶梯尺寸的函数。阶梯尺寸的选择要可以在选择级提供捕获90％信号的信道宽度。
b＜3μ可产生适宜的效率。
6.限制因素：从上面的2.和4.得出对m的限制。
结果：1.5＜m＜7。
7.限制因素：对利特罗模式中的中阶梯光栅：a＝mλ/2。
结果：a＝3.88μ(m＝5时)
         4.65μ(m＝6时)
         5.43μ(m＝6时)
图3示出在给定的适宜的级(m)的范围内这些限制和结果会提供给a和b的值的范围。旨在使效率最大化和衍射损耗最小化的模拟可使在中阶梯光栅区内的炫耀角和凹槽频率，即45＜θb＜78°和d＜300，最优化。另外，制造的限制进一步使得只有中阶梯光栅能够在外部和性能限制下提供必需的结果。
在设计运行的复用器/分用器时，要对由上面设定的外部限制和性能限制中的很多个限制所要求的大量的设计参数进行选择。图4为示出一个配置示例的示意图，其中与图1中的类似的元件采用同样的标号。提出要求的限制及其对例示的体中阶梯光栅密集波分复用的作用如下：
1.信道特性
当前光通信使用称为“C”频带的近红外波长，波长带为1528-1565毫微米(nm)。这可提供37nm的带宽或自由频谱区用于信道分离。现有技术的复用器/分用器要求信道间隔为0.8nm或甚至1.6nm，结果可能的信道数目在48和24之间。因为中阶梯光栅可提供明显优越的信道色散，可选择小得多的信道间隔0.4nm，结果在C频带中可以有93C信道。随着半导体激光器的调谐范围的增加和光通信扩展到“C”频带之外包含“L”频带(1566-1610nm)和“S”频带(≈1490-1527nm)，可预见的总带宽大约为120nm或更多，可能制造出能够在一根输入光纤容纳300信道的复用器/分用器。
当前的光通信主要工作于称为OC48的2.5GHz信道频率。在OC48，信道宽度λ48＝0.02nm。现在光通信正在开始采用称为OC192的10GHz频率。在OC192信道宽度λ192＝0.08nm。
2.光纤尺寸
在光通信中使用的标准的单模光纤通常的外径为125微米(μ)，而纤芯直径为10μ。现在可得到外径80μ纤芯直径8.3μ的光纤，型号为SM-1250，由Fibercore制造的。在此示例中，输入光纤14和输出光纤16都是单模光纤并且共用80μ的外径。假设输出光纤16如图4所示平行邻接，这将导致纤芯中心之间的间隔为80μ，或在选择焦距处所要求的信道间距为D为80μ。因为可以获得不同外径的光纤，并且光纤包层可蚀刻掉，所以80μ的间隔可以减小，可以预期纤芯间隔可做到40μ或更小，这将可以使得焦距更短或设计具有更小角色散的不同的中阶梯光栅。从光纤中发射出去的光束的分布在e-折叠点处为10°，尽管后来发现在1％点是14°。
3.波形因数
此设计的目标是以与现在的复用器/分用器器件中使用的波形因数一致或更小的波形因数来提供高信道密度。设计的目标是总长度在10-12英寸之间。为适应所有的光学部件和线束，选择的最大焦距为5英寸(127mm)。如上所述，由于限制因素中的f数在4-8之间和分辨率(R)＞20000，最终选择的焦距为124。
4.色散限制
为防止数据丢失，过去必须使中阶梯光栅的色散受到限制。在中阶梯光栅中要求初始的0.4nm的信道间隔以求在输出光纤得到80μ的间隔(相应于纤芯间隔)。另一方面，OC192频率的0.08nm的信道宽度在焦距上不能发生比纤芯孔径大得多的色散。于是：
而
Figure C0081352500152
5.光栅设计
影响光栅设计的变量为：
1)波长范围
2)效率
3)色散(D)
4)要求的分辨率(λ/Δλ)
图3为示出中阶梯光栅主要尺寸的横截面图，这些尺寸包括炫耀角(θb)，波长区和凹槽密度(d)。
为了设计光栅，选择中心在1550nm的150个信道。这导致光谱图像的物理尺寸为(信道数目)×(最大间隔)，或150×80μ＝12000μ。这种要将90％的强度包含于12000μ中的要求限制b的尺寸。衍射光栅的远场图形为
I = I 0 ( sin β β ) 2 ( sin N α α ) 2
N＝照明的线数，β＝(πb/λ)sinθb和α＝(πd/λ)sinθb。电子表格计算表明b≤5.5λ(或b≤8.5μ)是使在其90％强度点频谱图像＞12000μ所必需的。
为将损耗减少到最小，即保持适当的效率，b＞2λ。于是，2λ＜b＜5.5λ。(条件A)。
在利特罗模式中，角色散为：
( dθ dλ ) = m d cos θb 或 dθ dλ = m b
80 &mu; < m b ( 4 &times; 10 - 4 &mu; ) ( 1.2 &times; 10 5 &mu; )
m > 1.6 b&mu; 0.6 &mu; > 1.6 b&mu;
然而，对OC192，色散必须受到限制以便在10μ纤芯中包含0.08nm的信道宽度，以使m＜3.34bμ。
这样，1.67b＜m＜3.34b(条件B)。
所要求的分辨率(R)＝λ/Δλ＝N·m。
其中λ＝1550nm，而Δλ＝0.08nm，可以产生所要求的分辨率R＝19375或大致为20000。假设在光栅处光束的大小为2.1cm(根据fl＝124cm和10°发散)：
N = P ( 2.1 ) COS &theta; b ,
Figure C0081352500168
这样， 20000 < 2.1 &times; 10 - 2 cm d cos &theta; &CenterDot; m = 2.1 - 2 cm b m 或
b＜1.05m(条件C)。
为了在利特罗模式中将级m与衍射峰对齐，我们知道a＝(mλ)/2，或a必须具有的值为：
        a＝3.88μ(m＝5时)
           4.65μ(m＝6时)    (条件D)
           5.43μ(m＝6时)
只有当θb增加到大于45°时条件A和B才能满足。
假设θb＝60°，而m＝5，a＝3.88μ
                       b＝2.2μ
                       d＝4.48μ
所有的条件A-D均满足。
精确的凹槽密度和炫耀角的选择还受到偏振损耗和制造限制的影响。对图4所示的实施方式，使用干涉计量控制的刻线机来加工线光栅可使线密度的选择能够被3600等分。考虑到这些各种因素选择了凹槽密度d＝171.4凹槽/mm和m＝5。这导致在此示例中a＝3.88μ，b＝3.55μ和相应的炫耀角等于52.6°。然而，这一方法表明，对于焦距在30-125mm之间和级为5-7的场合，可能的炫耀角范围在51°至53°之间，并且凹槽密度承载50至300凹槽/mm以便提供直线信道间隔40-125微米和中阶梯光栅的角色散在0.091-0.11度/nm之间。
在图4的示例中，中阶梯光栅的凹槽密度为171.4凹槽/mm和炫耀角为52.6°。中阶梯光栅可藉助数种已知方法中的一种形成。比如，可利用淀积于玻璃基底上的环氧树脂层形成，在其中压入确定阶梯的母模。之后在阶梯上涂覆高反射性的材料，如金。阶梯也可以精确加工直接进入玻璃或硅基底，然后利用反射材料涂覆。还有一种选择是利用在McMahon的美国专利NO.4,736,360中描述的光刻法，该专利的整个内容在本说明书中清楚地援引作为参考文献。
透镜18可以是一个具有球形表面的渐变折射率(GRIN)光学部件或具有一个或多个可能不是球形(非球面)表面的复合透镜。使用数个透镜或单个透镜来准直光束和聚焦色散光可限制由使用要求光线以离轴几何形状通过系统的前表面反射器造成的球面像差或彗差(coma)。第一种可能类型的透镜是使用径向渐变折射率以取得离轴光线的近衍射限制成像。第二类透镜实际上是由至少两个独立的镜片胶合在一起(双合透镜)。另一种选择是使用三个独立的透镜片(三合透镜)。这些镜片可分别独立地具有球形表面，或者是在需要校正某种像差时也可以利用非球形表面。在此场合，透镜将被称为非球面双合透镜或三合透镜。
在图4示出的示例中，透镜18是一个非球面单透镜，球面26直径25.4mm，曲率半径373.94mm，非球面表面28的曲率半径75mm，锥形常数～0.875。在1520-1580nm波长区平均焦距为125.01nm。这样，从球形表面的中心到输入和输出光纤14，16的发射端的距离A约为125mm。非球面表面28和光栅20的表面中心的平均距离约为43.2mm。
在图1的引出线束12中，输入和输出光纤中止于同一平面。图4的示例也一样。然而，在某些配置中，引入和引出光纤16是处于略微不同的轴线上而不在一个平面上终止。引出线束的光纤14，16精确定位于图5示意示出的模板34之内。模板34具有多个平行V形凹槽36。此模板和V形凹槽36是通过将凹槽36刻蚀到硅基底而精确形成的。在图4中模板凹槽之间的间隔为80μ。
在图6中示出的是图4的配置示例的透视图。为便于对准定位，引出线束12、透镜18和光栅20在多方向上具有有限的移动自由度。它们一旦移动就位，就由夹具或适当的胶合物在原位固定。透镜18是固定不动的。引出线束12可沿x，y和z轴移动。输入和输出光纤独立地沿x轴移动。除了沿z轴之外，中阶梯光栅20固定不能平移。它可绕x，y和z轴各轴转动。元件移动的其他的可能组合也可以产生合适的定位。
图4的DWDN器件10的尺寸和性能标准总结如下：
光纤：SM-1250(Fibercore)
·  外径80μ
·纤芯直径8.3μ
·f数4-8
透镜：非球面单透镜
·平均焦距(fl)＝125
光信号：λ＝1528-1565nm
        信道间隔＝0.4nm
光栅：
·d＝5.83μ
·θb＝52.6°
·级＝6
系统性能：
·D(直线间距)＝80μ
·分辨率(R)＝20000
·效率＝75％
图16为平均介入损耗为7.5db在1528-1565nm带宽上100GHz(0.8nm)信道间隔的上述光栅的系统响应(y轴)与波长(x轴)的关系图。此图示出在整个带宽中介入损耗是平坦的。
作为使用利特罗配置以及使用准直透镜的一种替代方案，可以使用凹面镜来准直和聚焦入射光。图7示出采用凹面镜的密集波分复用器/分用器40的第一种可能实施方式。单模输入光纤42发射出由复用信道组成的发散入射光束44入射到准直/聚焦凹面镜46的表面。之后准直光束48以离轴方式指向中阶梯光栅50的表面。中阶梯光栅以图1及图4讨论的方式根据波长对各信道实施色散，并且色散信道52由准直/聚焦凹面镜54的前表面离轴反射。之后准直/聚焦凹面镜54将各信道聚焦并反射到输出光纤阵列56的相应的光纤中。正如上面在讨论图1和图4的实施方式时提及的，使用像准直凹面镜46和聚焦凹面镜54这样的表面反射光学部件要求光束以离轴几何形状通过系统，这将造成明显的像差(球面像差和彗差)，显著限制系统的性能。然而，使用前表面反射光学部件具有提供较之使用单光学透镜的利特罗配置更为紧凑的波形因数的潜力。显而易见，在必须平衡波形因数最小化要求和光学像差的场合在非利特罗配置中可以使用前表面反射光学部件和透镜的组合。
图8中示出第二种可能实施方式60，图中概略地示出采用棱镜与前表面光学反射镜的组合的中阶梯光栅复用器/分用器。在此实施方式中，发自单模输入光纤62的光指向准直/聚集镜64并且准直光束66通过棱镜68。棱镜68提供在水平平面上的波长色散，如光束70所示。这些水平色散光束70被导向中阶梯光栅72，而中阶梯光栅72使得光束70以正交维数衍射并使这些衍射光束指向准直/聚集凹面镜74的前表面。一个二维输出光纤阵列76接受发自准直/聚集凹面镜74的聚焦光束。采用棱镜68和中阶梯光栅72的组合可提供波长色散的二维阵列并由此可以易于获得长度更短的检测器阵列，这在某些应用中可能需要。
图9为采用单凹面镜作为沿光轴的准直/聚焦光学部件的第三种可能实施方式80的示意图。在此实施方式中，输入光纤82将复用信道组成的光束指向凹面镜84的表面。准直光束86由中阶梯光栅88反射，中阶梯光栅88使复用信号以上面讨论过的方式衍射。之后分用信道由凹面镜84的表面反射并指向进入输出光纤92的阵列。实施方式80认为凹面镜84为球面并因而具有固定的直径，比如25cm，如需要，也可以使用近似抛物面或非球面的反射镜以改进成像的质量。
图10为采用离轴抛物面反射镜作为准直/聚焦光学部件的第四种可能实施方式100的示意图。在此实施方式中，发自输入光纤102的复用光线指向离轴抛物面镜104的前表面，而离轴抛物面镜104又将准直光束106指向中阶梯光栅108的表面。复用光由中阶梯光栅108的表面反射回到离轴抛物面镜104的表面并色散到相应的各个输出光纤106中。在此实施方式中，中阶梯光栅是近利特罗配置，从而可将光线反射回到输出光纤106。
图11示出的第五种可能实施方式采用配置成为一种可以对进入光束准直和聚焦的光学部件的凹面中阶梯光栅107。此实施方式不需要可能的实施方式一至四的准直/聚焦透镜或凹面镜。
对图1-11中示意地示出的基本中阶梯光栅分用器结构可提供多种变形以进一步增加单模光纤的信道承载容量。如上所述，可以预期将来光学放大器技术的进展将可使带宽超过现在在光通信中使用的60-80nm带宽。此种宽带宽将要求中阶梯光栅DWDM的性能可以对整个带宽进行高效率的复用/分用，特别是对此宽频带的边缘处的频率。因此，使用每一个器件被优化以在宽频带区的一部分对光进行复用/分用的中阶梯光栅DWDM器件网络将很有用和理想的。比如，假设将来的放大器技术可应用120-180nm的带宽，各中阶梯光栅DWDM将可以优化为可利用带宽的一部分，比如1/2，60-90nm，工作。
图12示出将宽带宽进行分割用于复用/分用的设备110的示意图。设备110的组成包括输入光纤112，高通薄膜滤波器114，第一聚焦透镜116，第二聚焦透镜118，第一中阶梯光栅DWDM器件120和第二中阶梯光栅DWDM器件122。
下面通过示例就分用器对分割宽带宽信号的设备110的操作予以说明。与本发明的其他实施方式一样，此设备也可以简单地通过反转光的传播方向而同样作为复用器工作。由输入光纤112发出的复用光束124指向高通薄膜滤波器114。此高通薄膜滤波器具有一设计截止波长，可将波长区中的下半段反射到第一中阶梯光栅DWDM器件120。波长区中的上半段通过滤波器114进入第二中阶梯光栅DWDM器件122。在此示例中，输入波长是在1460-1580区中。此高通薄膜滤波器设计成为在频带1520nm截止。于是，波长区1460-1520nm指向第一中阶梯光栅DWDM，而波长区1520-1580nm指向第二中阶梯光栅DWDM器件。指向第一中阶梯光栅DWDM的信号光学耦合到第一聚焦透镜116，第一聚焦透镜116又将较低波长的光束输入到第一中阶梯光栅DWDM。与此类似，较高波长的光束128光学耦合到第二聚焦透镜118，第二聚焦透镜118又将较高波长的光束128输入到第二中阶梯光栅DWDM器件122。
本示例考虑使用高通薄膜滤波器114。然而，可以代之以其他的波带分割元件，包括使用光纤布喇格光栅。
本发明的第一和第二中阶梯光栅DWDM器件120，122可具有利用图1-11说明的任何一种配置。使用中阶梯光栅DWDM器件来分用分割的波长带可提供前面结合图1-11中示出的实施方式的很多优点。然而，本发明也可以使用其他的DWDM器件，如光纤布喇格光栅器件，集成波导阵列等等。采用允许波长间隔达0.4nm的中阶梯光栅摄谱仪，一种可以提供总波长区为120nm的器件将容许由单根光纤分用达到300信道。另外，此系统使是可扩缩的。图13示意地示出一个1460-1700nm的输入带宽如何利用三波带分割元件将其分割为四个60nm的带宽光束，每一个都可输入到一个优化中阶梯光栅DWDM器件中。此种器件能够适应240nm的总波带，并假设波长间隔为0.4nm，总信道数为600。
本发明的体光学中阶梯光栅DWDM能够同时分用来自多根光纤的信号。在图1-7和9-11中示出的每一个中阶梯光栅DWDM中，光只在一维(垂直于横过色散方向的方向)中进行空间分解。结果，输入光纤可在垂直方向上叠排形成线性阵列并可提供相应的输出光纤二维阵列用来接受来自不同的输入光纤的分用信号。这一概念示意地示于图14中。图14为从准直/聚焦光学部件的方向上观察到的引出线束140的示意剖视图。垂直阵列中的第一、第二和第三输入光纤142、144、146分别光学耦合到第一、第二和第三水平输出行148、150、152。于是，一个一维输入阵列生成一个二维输出阵列。本示例局限于3根输入光纤142、144、146和在输出的第一、第二和第三输出行148、150、152中只有9根输出光纤，但实际的输出光纤数目将对应于输入光纤数并且是信道间隔和输入带宽的函数，可以很容易地超过每一个输出光纤行90根输出光纤。每一根输出光纤有一个纤芯中心，而输出光纤的纤芯中心之间的间隔等于在器件焦距处的光栅的直线间距。另外，相应的输入和输出阵列的数目可大于3，而且在很大程度上是外部因素，如可应用于引出线束140的空间的函数。显然，此配置容许单个分用器分用多个输出光纤的信道，从而可将多输入光纤光学系统所要求的中阶梯光栅DWDM器件的数目最小化。这进一步示出根据本发明的中阶梯光栅DWDM器件的灵活性行可扩缩性。
图15为具有多层输入体光学中阶梯光栅DWDM器件160的优选实施方式的示意图。发自输入光纤142的输入光束λ1 1-10指向准直/聚焦光学部件162，并且之后准直光束指向反射中阶梯光栅164的反射面。之后衍射信道λ1 1，λ1 2通过准直/聚焦光学部件162返回并色散到包含第一输出行148的光纤中，如λ1 1所示。准直/聚焦光学部件具有光轴166，并且输入光纤142和输出光纤148在垂直方向上与准直/聚焦光学部件的光轴166的距离相等。与此类似，复用输入光束λ2 1-n由输入光纤144发出，并且其不同信道λ2 1，λ2 2衍射到第二水平输出行150。对输出行148和150中的每一个，行中光纤的中心与行中邻接光纤中心的距离都等于在准直/聚焦光学部件162的焦距处的中阶梯光栅164的信道间隔。输出光纤的传播终端以及输入光纤的传播终端都位于距准直/聚焦光学部件的距离为准直/聚焦光学部件的焦距的一个平面上。
根据本发明的中阶梯光栅DWDM器件可在给定带宽上提供密集信道间隔(0.4nm)，从而可以对给定带宽使单根光纤所能够承载的信道数最大化。通过仔细选择中阶梯光栅炫耀角和阶梯间隔，信道可以以高分辨率和高效率进行复用/分用。另外，使用中阶梯光栅可以使波形因数更小，因为角衍射容许在聚焦透镜和输入/输出光纤之间焦距更短。使用体光学元件可提供一种易于制造、高度可靠、可扩缩的系统。本发明的另外的实施方式包含使用波带分割元件，如薄膜高通滤波器，这容许将极宽的信号带宽进行分割并同时平行地复用或分用。因为此器件可使单个线性维数中的光发生色散，多个输入光纤可叠排而使每个体光学中阶梯光栅DWDM器件可适应多个输入光纤。

Claims (26)

1.一种在光学通信系统中使用的设备，该设备用于对由在选择波长区内具有选择信道间隔的波长相异的光信道构成的光信号进行复用或分用，包括：
多个一般沿着同一光轴定位并分别具有一个传播终端的光波导；以及
一个具有凹槽间隔在50和300凹槽/每毫米之间，而炫耀角为51-53°，光学耦合到沿着光轴的多个光波导，接收光波导中至少一个发射的光信号和将光信号衍射进入至少另一个光波导的反射中阶梯光栅。
2.如权利要求1的设备，其中炫耀角可在离光栅152.4毫米或更小的距离处对选择衍射级5-7提供至少40微米的信道间隔。
3.如权利要求1的设备，其中多个光波导包括至少一个传播多个复用信道的光波导和其余的传播单信道的光波导，传播单信道的光波导位于线性阵列之中并具有一个纤芯中心，相邻波导的纤芯中心之间的间隔为125微米或以下。
4.如权利要求1的设备，其中选择波长区在1520-1610nm之间，选择信道间隔为0.8nm或以下。
5.如权利要求1的设备，还包括一个光学耦合到多个光波导和反射中阶梯光栅之间的准直/聚焦透镜，该准直/聚焦透镜与多个光波导的间隔为152.4毫米的选定焦距。
6.如权利要求1的设备，其中凹槽间隔为171.4凹槽/每毫米和炫耀角为52.6°。
7.如权利要求1的设备，还包括：
至少两个每个都传播包括多个信道的不同的复用光波导，复用光波导配置于线性阵列中；以及
其余的光波导为单信道波导，配置于二维阵列中，直线行垂直复用线性阵列，每个直线行相应于一个复用光波导。
8.如权利要求7的设备，其中每行中的单信道波导数至少等于复用光信号中的多个信道数。
9.一种在光学通信系统中使用的密集波分复用器/分用器，包括：
一个传播多个具有选择信道间隔的在选择近红外波长区中复用为单个光信号的光学信道的复用光波导；
一个光学耦合到复用光波导的准直/聚焦光学部件，该准直/部件具有选定焦距，该准直/聚焦光学部件与复用光波导间隔选定焦距的距离；
一个光学耦合到准直/聚焦光学部件的反射中阶梯光栅，此中阶梯光栅具有50-300凹槽/每毫米的凹槽间隔和炫耀角，可在选定焦距处对选择衍射级5-7提供复用光学信号的相邻信道之间的信道间隔；以及
每一个都传播近红外波长区内的单信道的光分用波导的线性阵列，每一个光学分用波导都具有一个中心和一个传播终端，它光学耦合到准直/聚焦光学部件，并且传播终端与准直/聚焦光学部件之间的距离等于焦距，而相邻分用波导的中心之间的距离对应于相应的相邻信道之间的信道间隔。
10.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中炫耀角为51-53°。
11.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中凹槽间隔为171.4凹槽/每毫米和炫耀角为52.6°。
12.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中近红外波长区是在1520和1610nm之间。
13.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中中阶梯光栅具有至少与近红外波长区同样大小的自由频谱区。
14.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中选择衍射级为5或6。
15.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中准直/聚焦光学部件是单透镜组。
16.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中复用光波导、单透镜组和光栅都沿着同一光轴定位。
17.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中反射中阶梯光栅在一凹面基底中形成，并且反射中阶梯光栅包含准直/聚焦光学部件。
18.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，其中选择信道间隔是0.8nm或更小，信道间隔为至少40微米。
19.如权利要求9的密集波分复用器/分用器，还包括：
至少两个复用光波导每个都传播不同的复用光信号，复用光波导配置于线性阵列中；以及
对应于至少两个复用光波导的每一个的光分用波导的线性阵列，光分用波导的线性阵列垂直于复用光波导线性阵列。
20.如权利要求19的密集波分复用器/分用器，其中每个光分用波导的线性阵列中的分用波导数至少等于复用光信号中的多个光信道数。
21.一种在光学通信系统中使用的复用或分用的方法，光信号包括0.8nm或以下的信道间隔的光信道和在1520和1610nm之间的波长区中的不同波长，此方法包括：
a)提供一般沿着同一光轴定位的多个光波导，至少一个传播多个复用信道的光波导和其余的传播单信道的光波导；
b)将其余的光波导定位于线性阵列中；
c)将至少一个光波导的一个光信号指向光学耦合到沿着光轴的多个光波导的反射中阶梯光栅，此中阶梯光栅包括50-300凹槽/每毫米的凹槽间隔和炫耀角，可在152.4毫米或更小的选定焦距处对选择衍射级5-7提供等于相邻光波导的纤芯中心之间的距离的信道间隔；
d)使光信号大致沿着光轴衍射；
e)使光信号在152.4毫米或更小的选定焦距处聚焦到至少另外一个光波导。
22.一种在工作在近红外波长区的光学通信系统中用于复用和分用光信号的体光学中阶梯光栅，包括50-300凹槽/每毫米的凹槽间隔和炫耀角可对5-7的选择衍射级提供0.091和0.11度/nm的角色散。
23.如权利要求22的体光学光栅，其中炫耀角在51-53°之间。
24.如权利要求22的体光学光栅，其中其中凹槽间隔为171.4凹槽/每毫米和炫耀角为52.74°。
25.如权利要求22的体光学光栅，其中凹槽是形成于平面基底之中。
26.如权利要求22的体光学光栅，其中凹槽是形成于具有小于152.4毫米的焦距的凹面基底之中。
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