CN1372648A - 利用衍射光学透镜的波分复用/去复用装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种改进波分复用装置(10)。改进波分复用装置(10)有衍射光栅(18),用于把多个单色光束(24)组合成一个复用多色光束。改进波分复用装置(10)中的改进是利用衍射光学准直/聚焦透镜(16),用于准直沿第一方向(24′)传播的多个单色光束(24)到衍射光栅(18),和用于会聚来自衍射光栅(18)沿第二方向(26′)传播的复用多色光束(26),其中第二方向(26′)与第一方向(24′)大致相反。

Description

利用衍射光学透镜的波分复用/去复用装置
技术领域
本发明一般涉及波分复用/去复用技术，具体涉及利用衍射光学透镜的波分复用/去复用装置。
背景技术
波分复用(WDM)是一种快速增长的技术，便于极大地增加通过光纤可以传输的集合数据量。在利用WDM技术之前，大多数光纤在一个波长上单向仅传送单个数据信道。WDM的基本概念是从一个光纤中分别发射和检索多个数据信道。每个数据信道是以唯一波长传输的，以及恰当选取这些波长，使各个信道之间互不干扰，且光纤的光传输损耗很低。今天，商业性的WDM系统允许同时传输2至100个数据信道。
WDM是增大通过光纤转移数据量(通常称之为带宽)的经济方法。增大带宽的其他有效技术包括敷设增加的光纤光缆或增大通过光纤的光传输速率。敷设增加的光纤光缆是相当昂贵的，目前的代价是每公里15,000至40,000美元。增大光传输速率受到光纤系统中电子技术本身的速率和经济的限制。一种使用电子方法增大带宽的主要对策是利用时分复用(TDM)技术，它把多个低速率电子数据信道组合或复用成单个高速率信道。这种技术已经有20年的历史，对于增大带宽是非常有效的。然而，从技术和经济的观点考虑，提高传输速率现在是越来越困难了。从经济和技术两方面考虑，WDM是利用许多并行信道增大带宽的潜在解决方法。此外，WDM是与TDM互补的。就是说，WDM可以同时允许通过单个光纤传输多个高传输速率TDM信道。
利用WDM增大带宽需要两种基本的装置，这两种装置在概念上是对称的。第一种装置是波分复用器。这种装置输入多个光束，每个光束有离散的波长，这些光束最初在空间上是分开的，并提供一种装置，把所有不同波长的光束空间组合成适合于进入光纤的单个多色光束。复用器可以是完全无源的光学器件，或可以包含控制或监测复用器性能的电子线路。复用器的输入通常是由光纤完成的，当然也可以采用激光二极管或其他的光源。如上所述，复用器的输出通常是被引向光纤的单个多色光束。
第二种WDM装置是波分去复用器，这种装置的功能与波分复用器的功能相反。就是说，波分去复用器从光纤接收一个多色光束，并提供一种空间分割不同波长多色光束的手段。去复用器的输出是多个单色光束，这些光束通常是被引向对应多个光纤或光电检测器的多个单色光束。
在过去的20年中，已经提出并展示各种类型的WDM装置。例如，(1)W.J.Tomlinson，Applied Optics，Vol.16，No.8，pp.2180-2194(Aug.1977)；(2)A.C.Livanos et al.，Applied Physics Letters，Vol.30，No.10，pp.519-521(15 May 1977)；(3)M.Ishio et al.，Journal of LightwaveTechnology，Vol.2，No.4，pp.448-463(Aug.1984)；(4)H.Obara etal.，Electronics Letters，Vol.28，No.13，pp.1268-1270(18 June 1992)；(5)A.E.Willner et al.，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.5，No.7，pp.838-841(July 1993)；和(6)Y.T.Huang et al.，Optical Letters，Vol.17，No.22，pp.1629-1631(15 Nov.1992)，所有这些文献中公开了某种形式的WDM装置和/或方法。然而，上述这些文献中公开的装置和/或方法都是经典光学基的WDM方法，它们使用非常基本的透镜，且仅适用于多模光纤而不适用于单模光纤，这是因为单模光纤的纤芯直径(即，通常为8μm)远远小于多模光纤的纤芯直径(即，通常为62.5μm)。就是说，由于其中使用非常基本的透镜，其原理是根据上述文献公开的经典光学基WDM方法的WDM装置与单模光纤之间不能接收和传输光束，因为其中存在不可接受的插入损耗和信道串音量。这些不可接受的插入损耗和信道串音量的原因主要是由于这些非常基本透镜的不合适成像能力，基本透镜通常是由标准的光学玻璃制成。
解决上述光学成像问题的一种方法是把标准光学玻璃制成的附加透镜添加到WDM装置中，从而导致WDM装置中有双重，三重，甚至多重的透镜配置。通过添加这些附加的透镜到WDM装置，其中添加的透镜通常有高低不同的折射率，从而有效地抵消主要由透镜球面性质引起的像差。然而，添加这些附加的透镜使成本上升，其中包括附加透镜的直接成本和间接成本，间接成本是因为有多个透镜的WDM装置使复杂性增大和生产率下降。
另一种解决上述光学成像问题的方法是在WDM装置中使用渐变型折射率透镜(例如，Gradium透镜)。使用这些渐变型折射率透镜使WDM装置内成像系统质量有极大的提高。然而，制造这些渐变型折射率透镜的成本远远高于制造标准的均匀折射率透镜的成本，尽管这两种透镜通常都是由标准光学玻璃材料制成的。
鉴于上述的情况，实际需要的WDM装置具有或允许以下的所有特性：低成本，元件集成，环境和热稳定性，低信道串音，低信道信号损耗，容易连接，大量信道，和窄信道间隔。因此，需要提供这样一种WDM装置，它能够克服上述的不足和缺点，而同时具有或允许所有上述的特性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种波分复用/去复用装置，该装置利用衍射光学透镜获得增多的装置性能，以及降低的装置成本，复杂性和制造风险。
根据以下的详细描述并结合附图，上述本发明主要目的以及其他的目的，特征和优点是显而易见的。
按照本发明，提供一种改进的波分复用装置。在一个优选实施例中，改进的波分复用装置有衍射光栅，用于把多个单色光束组合成一个复用多色光束。改进波分复用装置中的这种改进源于使用衍射光学准直/聚焦透镜，用于准直沿第一方向传播的多个单色光束到衍射光栅，和用于会聚来自衍射光栅沿第二方向传播的复用多色光束。第二方向与第一方向大致相反。衍射光栅通常是反射式衍射光栅，该衍射光栅以相对于第一方向和第二方向的利特罗衍射角取向。
衍射光学准直/聚焦透镜有基本平整的前表面和后表面，而与衍射光学相关的微观图形可以形成在基本平整的前表面或基本平整的后表面。衍射光学准直/聚焦透镜可以是几种类型透镜中的一种透镜，例如，二元衍射光学透镜或菲涅耳衍射光学透镜。
衍射光学准直/聚焦透镜通常工作在电磁波频谱的红外(IR)区，因为这是石英基光纤的功率损耗(衰减)和色散非常低的区域。因此，衍射光学准直/聚焦透镜通常形成在选自玻璃，晶体和塑料的材料以及其他一些合适的材料，这些材料在电磁波频谱的红外(IR)区有效地传输光束。
按照本发明的其他方面，改进波分复用装置中的这种改进是可以使用衍射光学准直透镜，用于准直沿第一方向传播的多个单色光束到衍射光栅；和衍射光学聚焦透镜，用于会聚来自衍射光栅沿第二方向传播的复用多色光束。在此情况下，第二方向不同于第一方向，但不是与第一方向相反。
按照本发明的其他方面，可以提供一种集成波分复用装置。就是说，提供的集成波分复用装置包括：衍射光学准直/聚焦透镜，用于准直沿第一方向传播的多个单色光束，和用于会聚沿第二方向传播的复用多色光束。在此情况下，第二方向仍与第一方向大致相反。
集成波分复用装置还包括：粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜上的第一均匀折射率引导透镜，用于沿第一方向传输来自衍射光学准直/聚焦透镜的多个单色光束，和用于沿第二方向传输复用多色光束到衍射光学准直/聚焦透镜。第一均匀折射率引导透镜有平整的连接面。
集成波分复用装置还包括：形成在第一均匀折射率引导透镜平整连接面上的衍射光栅，用于把多个单色光束组合成复用多色光束；并反射该复用多色光束回到第一均匀折射率引导透镜。衍射光栅通常是反射式衍射光栅，该衍射光栅以相对于第一方向和第二方向的利特罗衍射角取向。
按照本发明的其他方面，均匀折射率引导透镜可以合并到衍射光学准直/聚焦透镜，因此，该衍射光学准直/聚焦透镜有形成衍射光栅的平整连接面。
按照本发明的其他方面，衍射光学准直/聚焦透镜可以有平整的连接面，用于从至少一个光源(例如，光纤，光电二极管)接收多个单色光束，和用于输出复用多色光束到至少一个光接收器(例如，光纤，光电检测器)。
按照本发明的其他方面，集成波分复用装置还包括：粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜上的第二均匀折射率引导透镜，用于沿第一方向传输多个单色光束到衍射光学准直/聚焦透镜；和用于沿第二方向传输来自衍射光学准直/聚焦透镜的复用多色光束。第二均匀折射率引导透镜最好有平整的连接面，用于从至少一个光源接收多个单色光束，和用于输出复用多色光束到至少一个光接收器。
按照本发明的其他方面，可以提供一种波分复用装置。就是说，提供的波分复用装置包括：衍射光学准直透镜，用于准直多个单色光束；和衍射光栅，用于把多个准直的单色光束组合成一个复用多色光束，并反射该复用多色光束。该波分复用装置还包括：衍射光学聚焦透镜，用于会聚反射的复用多色光束。
按照本发明的其他方面，波分复用装置还可以包括：至少一个反射元件，用于反射多个准直的单色光束到衍射光栅；和/或至少一个反射元件，用于反射反射的复用多色光束到衍射光学聚焦透镜。
此时应当注意，上述改进的波分复用装置，集成波分复用装置，和波分复用装置都是双向装置。因此，改进的波分复用装置也可以是改进的波分去复用装置，集成波分复用装置也可以是集成波分去复用装置，而波分复用装置也可以是波分去复用装置。
附图说明
为了便于充分地理解本发明，现在参照附图给予描述。不应当把这些附图解释成对本发明的限制，而仅仅作为典型的例子。
图1a是按照本发明的波分复用装置的侧视图，该装置有衍射光学准直/聚焦透镜和反射式衍射光栅。
图1b是图1a所示波分复用装置的顶视图。
图1c是图1a所示波分复用装置的部分端部透视图。
图2a是二元衍射光学透镜的端部剖面图，该透镜有围绕透镜材料中刻蚀的中央凸区的同心圆阶梯图形。
图2b是菲涅耳衍射光学透镜的端部剖面图，该透镜有围绕透镜材料上叠加的中央凸区的同心圆峰值图形。
图3a是图1a所示复用装置中包含多个激光二极管的耦合器件透视图，这些激光二极管代替多个输入光纤。
图3b是图4a所示去复用装置中包含多个光电检测器的耦合器件透视图，这些光电检测器代替多个输入光纤。
图4a是按照本发明的波分去复用装置的侧视图，该装置有衍射光学准直/聚焦透镜和反射式衍射光栅。
图4b是图4a所示波分复用装置的顶视图。
图5a是按照本发明的集成波分复用装置的侧视图，该装置有衍射光学准直/聚焦透镜和反射式衍射光栅。
图5b是图5a所示集成波分复用装置的顶视图。
图6a是按照本发明的集成波分复用装置的侧视图，该装置有前向延伸的衍射光学准直/聚焦透镜和反射式衍射光栅。
图6b是图6a所示集成波分复用装置的顶视图。
图7a是按照本发明的集成波分复用装置的侧视图，该装置有后向延伸的衍射光学准直/聚焦透镜和反射式衍射光栅。
图7b是图7a所示集成波分复用装置的顶视图。
图8是按照本发明的波分复用装置的侧视图，该装置利用衍射光学准直透镜，衍射光学聚焦透镜和反射式衍射光栅。
具体实施方式
参照图1a和1b，它们分别表示按照本发明一个优选实施例中波分复用装置的侧视图和顶视图。复用装置10包括：多个输入光纤12，输入光纤耦合器14，衍射光学准直/聚焦透镜16，反射式衍射光栅18，输出光纤耦合器20，和单个输出光纤22。复用装置10中所有以上标识的元件是沿复用装置10的光轴X-X布置的，以下要更详细地给以描述。
此时应当注意，输入光纤12和输出光纤22以及任何与按照本发明的WDM装置结合使用所描述的其他光纤都是单模光纤。然而，这不应当限制本发明的WDM装置仅仅使用单模光纤。例如，本发明的WDM装置也可以使用多模光纤。
还应当注意，复用装置10以及任何按照本发明WDM装置的其他WDM装置工作在电磁波频谱的红外(IR)区，作为密集波分复用(DWDM)装置(即，工作数据信道的信道间隔为小于或等于1nm)。然而，这不应当限制本发明的WDM装置仅仅是DWDM装置。例如，本发明的WDM装置也可以是标准的WDM装置(即，工作数据信道的信道间隔大于1nm)。
回到图1a和1b，多个输入光纤12是由输入光纤耦合器14组合成一维输入光纤阵列(即，1×4阵列)，而单个输出光纤22固定到输出光纤耦合器20。输入光纤耦合器14和输出光纤耦合器20的用途是便于光纤的操作和精确定位，例如，它们都可以是由硅基V型槽部件构成。参照图1c，它表示复用装置10的部分透视端图，展示多个输入光纤12是如何由输入光纤耦合器14组合成一维输入光纤阵列，以及单个输出光纤22是如何固定到输出光纤耦合器20。图1c还展示单色输入光束24是从多个输入光纤12中的每个光纤中传输，而单个复用多色光束26传输到单个输出光纤22。
从多个输入光纤12传输的每个单色输入光束24在唯一波长上携带单个数据信道，该波长最好是，但不必是，在电磁波频谱的红外(IR)区内。例如，每个单色输入光束24携带的单个数据信道借助于连接到多个输入光纤12的激光二极管叠加到每个对应的唯一波长，此处没有画出这些激光二极管，它们也不构成本发明的一部分，但本领域专业人员都熟知的。合适地预选单色输入光束24的唯一波长，使各个数据信道互不干扰(即，有足够的信道间隔)，且通过输入光纤12和输出光纤22的光传输损耗是低的，这也是本领域专业人员都熟知的。
传输到单个输出光纤22的单个复用多色输出光束26在多个输入光束中每个光束的唯一波长上携带多个数据信道。通过衍射光学准直/聚焦透镜16和反射式衍射光栅18的组合操作，把多个单色输入光束24组合成单个复用多色输出光束26，以下要更详细地给以描述。
此时应当注意，输入光纤耦合器14和输出光纤耦合器20是偏离复用装置10的光轴X-X布置的，但它们是对称地互相紧靠，以保证单个复用多色输出光束26被引向固定在输出光纤耦合器20的单个输出光纤22，而不是被引向固定在输入光纤耦合器14的多个输入光纤12中的任何光纤或任何其他地方。确定输入光纤耦合器14与输出光纤耦合器20之间的这种偏离间隔是基于衍射光学准直/聚焦透镜16的聚焦本领以及衍射光栅18的特性和每个单色输入光束24的波长。
再参照图1a和1b，多个单色输入光束24中的每个光束是从它们对应的输入光纤12传输到输入光纤耦合器14与衍射光学准直/聚焦透镜16之间的空气间隔。在这个空气间隔内，在它们入射到衍射光学准直/聚焦透镜16之前，多个单色输入光束24的直径不断扩大。衍射光学准直/聚焦透镜16准直多个单色输入光束24中的每个光束，然后传输每个准直的单色输入光束24′到反射式衍射光栅18。
此时应当注意，衍射光学准直/聚焦透镜16的光轴是与复用装置10的光轴X-X一致，为的是保证单个复用多色输出光束26被引向固定在输出光纤耦合器20的单个输出光纤22，而不是被引向固定在输入光纤耦合器14的多个输入光纤12中的任何光纤或任何其他地方，以下要更详细地给以描述。
反射式衍射光栅18的作用是角扩散多个准直单色输入光束24′，角扩散量取决于多个准直的单色输入光束24′中每个光束的波长。此外，反射式衍射光栅18以相对于复用装置10中光轴X-X的特殊角(即，利特罗衍射角α1)取向，为的是得到光束的利特罗衍射条件，该光束的波长是在多个准直单色输入光束24′的波长范围内或附近。利特罗衍射条件要求，光束入射到反射式衍射光栅的入射角与从衍射光栅反射的反射角正好相等。所以，本领域专业人员容易知道，反射式衍射光栅18用于得到多个准直单色输入光束24′中每个光束的近利特罗衍射。
利特罗衍射角α1是由熟知的衍射光栅公式所确定，
            mλ＝2d(sinα1)
其中m是衍射级次，λ是波长，d是衍射光栅槽间隔，α1是入射角和反射角的共同角。本领域专业人员容易知道，利特罗衍射角α1取决于各种变量，它们可以根据需要进行变化以优化复用装置10的性能。例如，影响利特罗衍射角α1的变量包括理想的光栅衍射级次，光栅闪耀角，数据信道数目，数据信道间隔和复用装置10的波长范围。
此时应当注意，反射式衍射光栅18可以利用各种材料和各种方法制成。例如，反射式衍射光栅18可以是由聚合物介质的三维全息图制成，或利用聚合物材料复制机刻的母光栅。在以上两种情况下，在聚合物上涂敷薄的高反射金属层，例如，金或铝。或者，反射式衍射光栅18可以利用化学方法刻蚀平整的材料，例如，玻璃或硅，在它上面也涂敷薄的高反射金属层，例如，金或铝。
如上所述，反射式衍射光栅18的作用是角扩散多个准直单色输入光束24′。因此，反射式衍射光栅18去掉多个准直单色输入光束24′的角分离，并反射单个准直多色输出光束26′回到衍射光学准直/聚焦透镜16。单个准直多色输出光束26′包含多个准直单色输入光束24′中中每个光束的唯一波长。因此，单个准直多色输出光束26′是单个准直复用多色输出光束26′。衍射光学准直/聚焦透镜16会聚单个准直复用多色输出光束26′，然后传输形成的单个复用多色输出光束26到输出光纤耦合器20，该光束入射到单个输出光纤22。然后，单个复用多色输出光束26耦合到单个输出光纤22进行传输。
此时还应当注意，输入光纤耦合器14和输出光纤耦合器20是偏离复用装置10的光轴X-X布置的，但它们是对称地互相紧靠，以保证单个复用多色输出光束26被引向固定在输出光纤耦合器20的单个输出光纤22。然而，除了输入光纤耦合器14与输出光纤耦合器2之间的这种偏离间隔以外，通过利用衍射光学准直/聚焦透镜16，借助于复用装置10内输入光束24和输出光束26的增强成像，还保证单个复用多色输出光束26以非常有效的方式(即，非常低的插入损耗和可忽略的信道串音)被引向单个输出光纤22。这种在复用装置10内输入光束24和输出光束26的增强成像是准直/聚焦透镜16是衍射光学型透镜而不是折射光学型透镜的直接结果，以下要更详细地给以描述。
有两种基本类型的传输光学：折射光学和衍射光学。在此之前，大多数透镜是折射光学透镜，例如，它们应用于眼镜，显微镜和望远镜。折射光学透镜通常是这样制成的，使透镜材料(例如，玻璃，晶体，或塑料)有变化的厚度和球形弯曲表面。入射光的弯曲或折射是基于入射光的入射角和每个透镜表面处的折射率变化。透镜材料厚度的差别也略微影响入射光的弯折程度。为了使入射光以大的角度弯折，要求透镜表面处有陡峭的曲率和大的折射率变化。通常，需要多个折射光学透镜使光束弯折以达到准直或会聚光束所要求的程度。然而，使用球面透镜导致的像差往往使透镜的实际性能远远低于严格光学设计的理想性能，包括此处描述的WDM装置的基本设计。为了解决这个问题，透镜制造商通常制作昂贵和难于加工的非球面透镜。
另一方面，衍射光学透镜的作用是把输入光波分割成大量的子波，这些子波在衍射光学透镜的出射面上重新组合成完全新的波。新波可以沿着与输入光波相同或不同的方向运动，它取决于衍射光学透镜的外形。衍射光学透镜还可以把单个输入光束转变成多个输出光束，把输入光束会聚成一个点或一个图形，使输入光束均匀分布，或把输入光束扩散到受控的区域。
迫使输入光波通过形成在透镜材料(例如，玻璃，晶体或塑料)上的微观图形，衍射光学透镜分割该输入光波。利用光刻蚀方法，微观图形通常形成在透镜材料的表面。应当注意，利用光胶合剂或其他一些透光粘合技术，微观图形也可以叠加，转移或复制到透镜或衬底的表面上。微观图形可以有任何的形状，但为了按照本发明使光束准直或会聚，微观图形可以是围绕中央凸区的同心圆阶梯或峰值图形，它们都是以光轴为中心。一种类型衍射光学透镜是二元衍射光学透镜，它一般有块状的阶梯。另一种类型衍射光学透镜是菲涅耳衍射光学透镜，它一般有弯曲的峰值。参照图2a，它表示二元衍射光学透镜116的端部剖面图，该透镜有围绕中央凸区120的同心圆阶梯图形118。在图2a中，微观图形刻蚀到透镜材料上。参照图2b，它表示菲涅耳衍射光学透镜216的端部剖面图，该透镜有围绕中央凸区220的同心圆峰值图形218。在图2b中，微观图形叠加到透镜材料上。阶梯，峰值，和中央凸区的尺寸和间隔决定输入光是如何受到影响，这是本领域专业人员都知道的。一般地说，特征的尺寸是入射到透镜上光波长的数量级。
此时应当注意，微观图形只需要形成在衍射光学透镜的一个表面上。就是说，微观图形只需要形成在衍射光学透镜的前表面或后表面，就可以使该透镜起作用。此外，形成在衍射光学透镜上的微观图形确实是微观的，因此，有这种微观图形的表面通常是基本平整的。没有这种微观图形的表面通常也是基本平整的。当利用一个或多个衍射光学透镜制成集成器件时，衍射光学透镜的两个表面(即，有图形的前表面和没有图形的后表面，或相反)通常是基本平整的，这个事实是本发明的一个重要方面，以下要更详细地给以描述。
衍射光学透镜通常可以获得90％以上的会聚或准直效率，而常规的折射光学透镜通常要求一个或多个透镜来使光束弯折，衍射光学透镜完成相同功能的透镜厚度为千分之一毫米。而且，通过选择阶梯或峰值的合适陡坡和间隔，可以避免或消除诸如球差或其他类型的像差。此外，在大批量生产时，衍射光学透镜的成本比折射光学透镜低得多且一致性更好，用于完成诸如准直和会聚作用的较简单光学功能。此外，一旦制作成原始的衍射光学透镜，可以通过模压，塑料注模或成批光刻蚀处理技术制作复制品，从而降低多个衍射光学透镜的成本。
此时应当注意，复用装置10中的多个输入光纤12可以用对应的多个激光二极管28代替，这些激光二极管固定在耦合器件30内，如图3a所示。耦合器件30完成类似于输入光纤耦合器14的功能，把多个激光二极管28精密地组合成一维输入阵列。多个激光二极管28代替多个输入光纤12，用于传输多个单色输入光束24到复用装置10。激光二极管阵列28可以单独工作，或可以与合适的聚焦透镜一起使用，提供最佳的耦合和最低的信号损耗量和信道串音量。
此时应当注意，复用装置10以及此处描述的所有复用装置，可以工作在相反的配置中作为去复用装置40，如图4a和4b所示。去复用装置40的物理结构与复用装置10的完全相同，所以，数字标识也是相同的。然而，去复用装置40的功能与复用装置10相反。就是说，单个复用多色输入光束42从单个光纤26传输，而多个单色输出光束44传输到多个光纤12，其中多个单色输出光束44中的每个光束传输到多个光纤12中对应的一个光纤。单个复用多色输入光束42同时携带多个数据信道，每个数据信道是在电磁波频谱的红外(IR)区内的波长上，最好是唯一的波长，但不必是唯一的波长。多个单色输出光束44中的每个光束在单个复用多色输入光束42中对应的唯一波长上携带单个数据信道。通过衍射光学准直/聚焦透镜16和反射式衍射光栅18的组合操作，单个复用多色输入光束42被分割成多个单色输出光束44。因此，衍射光学准直/聚焦透镜16和反射式衍射光栅18完成去复用功能。
此时应当注意，在去复用装置40中，多个光纤12可以用多个对应的多个光电检测器48代替，这些光电检测器固定在耦合器件50内，如图3b所示。耦合器件50完成类似于光纤耦合器14的功能，把多个光电检测器48精密组合成一维输入阵列。多个光电检测器48代替多个光纤12，用于从去复用装置40接收多个单色输出光束44。光电检测器阵列48可以单独工作，或可以与合适的聚焦透镜一起使用，提供最佳的耦合和最低的信号损耗量和信道串音量。
参照图5a和5b，它们分别表示按照本发明另一个实施例中波分复用装置60的侧视图和顶视图。复用装置60的物理结构与复用装置10的相同，不同的是，在光纤耦合器14，20与衍射光学准直/聚焦透镜16之间增加了第一均匀折射率引导透镜62，以及在衍射光学准直/聚焦透镜16与反射式衍射光栅18之间增加了第二均匀折射率引导透镜64。第一均匀折射率引导透镜62和第二均匀折射率引导透镜64最好是用熔凝石英(n＝1.444)制成的，虽然也可以利用众多其他的光学玻璃材料。
第一均匀折射率引导透镜62有平整的前表面62a，用于分别与光纤耦合器14和20和相关的固定光纤12和22匹配。光纤耦合器14和20和固定光纤12和22可以紧靠平整的前表面62a，或者，利用光胶合剂或一些其他透光粘合技术，可以粘贴在平整的前表面62a上，它取决于系统的机动性要求以及光束的对准和损耗考虑。
第一均匀折射率引导透镜62还有平整的后表面62b，用于与衍射光学准直/聚焦透镜16平整前表面16a的匹配。利用光胶合剂或一些其他透光粘合技术，第一均匀折射率引导透镜62的平整后表面62b通常结合或粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜16的平整前表面16a。
第二均匀折射率引导透镜64有平整的前表面64a，用于与衍射光学准直/聚焦透镜16平整后表面16b的匹配。利用光胶合剂或一些其他透光粘合技术，第二均匀折射率引导透镜64的平整前表面64a通常结合或粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜16的平整后表面16b。
第二均匀折射率引导透镜64还有平整的后表面64b，它相对于复用装置60中光轴X-X的夹角类似于反射式衍射光栅18的利特罗角α1。与复用装置10的情况一样，反射式衍射光栅18可以用单独的材料制成，而利用光胶合剂或一些其他透光粘合技术，这种材料可以结合或粘贴在第二均匀折射率引导透镜64的平整后表面64b。或者，反射式衍射光栅18可以直接形成在第二均匀折射率引导透镜64的平整后表面64b，从而避免反射式衍射光栅18结合或粘贴在第二均匀折射率引导透镜64的平整后表面64b。在任何一种情况下，反射式衍射光栅18和第二均匀折射率引导透镜64是与衍射光学准直/聚焦透镜16和第一均匀折射率引导透镜62集成在一起，形成小型，坚固以及环境和热稳定的复用装置60。这种复用装置60的集成性质对于保持部件对准是特别有用的，它可以保持长期的稳定性能，而一些非集成的空气介质装置的对准特性发生退化，因此其性能随时间而下降。
此时应当注意，如以前所描述的，微观图形可以形成在衍射光学准直/聚焦透镜16的平整前表面16a或平整后表面16b上，基本不改变该表面的平整特性。因此，不管哪些表面有微观图形，衍射光学准直/聚焦透镜16的平整前表面16a和平整后表面16b的平整特性都可以容易地分别与第一均匀折射率引导透镜62的平整后表面62b和第二均匀折射率引导透镜64的平整前表面64a匹配和集成组合。与至少有一个弯曲表面的折射光学透镜进行比较，衍射光学准直/聚焦透镜16的这些平整特性是特别有利的。
复用装置60的功能与复用装置10的功能相同，不同的是，由于分别增加了第一均匀折射率引导透镜62和第二均匀折射率引导透镜64，光束的传输效率略微下降。然而，即使光束传输效率略微下降，复用装置60的光学性能仍然是卓越的，这是因为衍射光学准直/聚焦透镜16使用衍射光学型透镜而不是折射光学型透镜。就是说，如以前所描述的，衍射光学准直/聚焦透镜16使用衍射光学型透镜可以消除折射光学型透镜球面性质引起的像差。尽管分别增加了第一均匀折射率引导透镜62和第二均匀折射率引导透镜64，仍然可以消除这些像差。
参照图6a和6b，它们分别表示按照本发明另一个实施例中波分复用装置70的侧视图和顶视图。复用装置70的物理结构与复用装置60的相同，不同的是，去掉第一均匀折射率引导透镜62，和延伸衍射光学准直/聚焦透镜16′的平整前表面16′a，为的是使光纤耦合器14，20和固定的光纤12，22分别紧靠平整前表面16′a，或者，利用光胶合剂或一些其他透光粘合技术，可以粘贴在平整的前表面16′a上，它取决于系统的机动性要求以及光束的对准和损耗考虑。在此情况下，微观图形形成在衍射光学准直/聚焦透镜16′的平整后表面16′b，基本不改变该表面的平整特性。类似于复用装置60，复用装置70的集成性质对于保持部件对准是特别有用的，它可以保持长期的稳定性能，而一些非集成的空气介质装置的对准特性发生退化，因此其性能随时间而下降。复用装置70的功能与复用装置60的相同，不同的是，由于去掉第一均匀折射率引导透镜62，光束的传输效率略微上升。
参照图7a和7b，它们分别表示按照本发明另一个实施例中波分复用装置80的侧视图和顶视图。复用装置80的物理结构与复用装置60的相同，不同的是，去掉第二均匀折射率引导透镜64，和延伸衍射光学准直/聚焦透镜16″的平整后表面16″b到反射式衍射光栅18，且相对于复用装置80中光轴X-X的夹角类似于反射式衍射光栅18的利特罗衍射角α1。在此情况下，微观图形形成在衍射光学准直/聚焦透镜16″的平整前表面16″a，基本不改变该表面的平整特性。与复用装置10的情况一样，反射式衍射光栅18可以用单独的材料制成，而利用光胶合剂或一些其他透光粘合技术，这种材料可以结合或粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜16″的平整后表面16″b。或者，反射式衍射光栅18可以直接形成在衍射光学准直/聚焦透镜16″的平整后表面16″b上，从而避免反射式衍射光栅18结合或粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜16″的平整后表面16″b。在任何一种情况下，反射式衍射光栅18和衍射光学准直/聚焦透镜16″是与第一均匀折射率引导透镜62集成在一起，形成小型，坚固以及环境和热稳定的复用装置80。类似于复用装置60，复用装置80的集成性质对于保持部件对准是特别有用的，它可以保持长期的稳定性能，而一些非集成的空气介质装置的对准特性发生退化，因此其性能随时间而下降。复用装置80的功能与复用装置60的相同，不同的是，由于去掉第二均匀折射率引导透镜64，光束的传输效率略微增大。
此时应当注意，可以从复用装置60中去掉第一均匀折射率引导透镜62或第二均匀折射率引导透镜64，可以从复用装置70中去掉第二均匀折射率引导透镜64，以及可以从复用装置80中去掉第一均匀折射率引导透镜62，为的是建立附加的另一些实施例(未展示)，而仍然保持准直/聚焦透镜16使用衍射光学型透镜而不是折射光学型透镜的上述优点。
参照图8，它表示按照本发明另一个实施例中波分复用装置100的侧视图。复用装置100不同于以前描述的实施例，它利用单独的衍射光学准直透镜102，单独的衍射光学聚焦透镜106和反射式衍射光栅104，该衍射光栅配置的反射角不同于上述实施例中的反射角。衍射光学准直透镜102准直多个单色输入光束24，并传输多个准直的单色输入光束24′到反射式衍射光栅104。反射式衍射光栅104从多个准直的单色输入光束24′中去掉角分离，并反射单个准直的复用多色输出光束26′到衍射光学聚焦透镜106。衍射光学聚焦透镜106会聚单个准直的复用多色输出光束26′，并传输形成的单个复用多色输出光束26到输出光纤耦合器20，该光束入射到单个输出光纤22。单个复用多色输出光束26耦合到单个输出光纤22进行传输。
按照上述的实际情况，均匀折射率引导透镜可以添加到复用装置100，和/或可以延伸衍射光学准直透镜102和衍射光学聚焦透镜106中的一种透镜，为的是允许光纤耦合器14和固定的光纤12或光纤耦合器20和固定的光纤22分别紧靠衍射光学准直透镜102或衍射光学聚焦透镜106的平整前表面，或者，利用光胶合剂或一些其他透光粘合技术，粘贴在光学准直透镜102或衍射光学聚焦透镜106的平整前表面，它取决于系统的机动性要求以及光束的对准和损耗考虑。与使用这些替代/附加部件相关的优点和缺点也适合于复用装置100，它与上述实施例中的情况一样。当然，最重要的优点是源于准直透镜102和聚焦透镜106是使用衍射光学型透镜而不是折射光学型透镜。就是说，与实施例无关，在WDM装置中使用衍射光学型透镜获得改进的装置性能和降低的装置成本，复杂性和制造风险。简单地说，使用衍射光学型透镜允许构造简单，低成本和功能强大的WDM装置，特别是在DWDM(即，高信道数目)装置的应用中。
此时应当注意，若为了进一步提高装置性能，则可以添加附加的透镜到上述装置中，如果这些透镜是必需的。例如，若为了进一步提高装置的光纤耦合效率(FCE)，则可以添加附加的衍射光学透镜或折射光学透镜到上述装置中。与插入损耗的量度比较，WDM装置的FCE仅表示WDM装置光学系统中每个数据信道的效率，没有考虑到衍射光栅的效率。在这些情况下，往往要考虑在略微提高FAE与在装置中添加附加透镜而使成本增大之间取折衷。
本发明不限制于此处描述的具体实施例的范围。确实，除了以上描述的之外，本领域专业人员根据以上的描述和附图可以提出本发明的各种改动。因此，这些改动应当都在所附权利要求书的范围内。

Claims (38)

1.一种有衍射光栅的改进波分复用装置，用于把多个单色光束组合成一个复用多色光束，这种改进包括：
衍射光学准直/聚焦透镜，用于准直沿第一方向传播的多个单色光束到衍射光栅，和用于会聚来自衍射光栅沿第二方向传播的复用多色光束，第二方向与第一方向大致相反。
2.按照权利要求1的改进波分复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜工作在电磁波频谱的红外区。
3.按照权利要求1的改进波分复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜有基本平整的前表面和后表面。
4.按照权利要求3的改进波分复用装置，其中微观图形形成在基本平整的前表面上。
5.按照权利要求3的改进波分复用装置，其中微观图形形成在基本平整的后表面上。
6.按照权利要求1的改进波分复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜是由选自玻璃，晶体和塑料的材料制成。
7.按照权利要求1的改进波分复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜是二元衍射光学透镜。
8.按照权利要求1的改进波分复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜是菲涅耳衍射光学透镜。
9.按照权利要求1的改进波分复用装置，其中衍射光栅是反射式衍射光栅，该衍射光栅以相对于第一方向和第二方向的利特罗衍射角取向。
10.一种有衍射光栅的改进波分复用装置，用于把多个单色光束组合成一个复用多色光束，这种改进包括：
衍射光学准直透镜，用于准直沿第一方向传播的多个单色光束到衍射光栅；和
衍射光学聚焦透镜，用于会聚来自衍射光栅沿第二方向传播的复用多色光束，第二方向与第一方向不同。
11.一种有衍射光栅的改进波分去复用装置，用于把一个复用多色光束分割成多个单色光束，这种改进包括：
衍射光学准直/聚焦透镜，用于准直沿第一方向传播的复用多色光束到衍射光栅，和用于会聚来自衍射光栅沿第二方向传播的多个单色光束，第二方向与第一方向大致相反。
12.按照权利要求11的改进波分去复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜工作在电磁波频谱的红外区。
13.按照权利要求11的改进波分去复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜有基本平整的前表面和后表面。
14.按照权利要求13的改进波分去复用装置，其中微观图形形成在基本平整的前表面上。
15.按照权利要求13的改进波分去复用装置，其中微观图形形成在基本平整的后表面上。
16.按照权利要求11的改进波分去复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜是由选自玻璃，晶体和塑料的材料制成。
17.按照权利要求11的改进波分去复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜是二元衍射光学透镜。
18.按照权利要求11的改进波分去复用装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜是菲涅耳衍射光学透镜。
19.按照权利要求11的改进波分去复用装置，其中衍射光栅是反射式衍射光栅，该衍射光栅以相对于第一方向和第二方向的利特罗衍射角取向。
20.一种有衍射光栅的改进波分去复用装置，用于把一个复用多色光束分割成多个单色光束，这种改进包括：
衍射光学准直透镜，用于准直沿第一方向传播的复用多色光束到衍射光栅；和
衍射光学聚焦透镜，用于会聚来自衍射光栅沿第二方向传播的多个单色光束，第二方向与第一方向不同。
21.一种集成波分复用装置，包括：
衍射光学准直/聚焦透镜，用于准直沿第一方向传播的多个单色光束，和用于会聚沿第二方向传播的复用多色光束，第二方向与第一方向大致相反；
粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜的均匀折射率引导透镜，用于沿第一方向传输来自衍射光学准直/聚焦透镜的多个单色光束，和用于沿第二方向传输复用多色光束到衍射光学准直/聚焦透镜，该均匀折射率引导透镜有平整的连接面；和
均匀折射率引导透镜的平整连接面处形成的衍射光栅，用于把多个单色光束组合成复用多色光束，并反射该复用多色光束回到均匀折射率引导透镜。
22.按照权利要求21的装置，其中均匀折射率引导透镜合并到衍射光学准直/聚焦透镜，因此，该衍射光学准直/聚焦透镜有形成衍射光栅的平整连接面。
23.按照权利要求21的装置，其中均匀折射率引导透镜是第一均匀折射率引导透镜，该装置还包括：
粘贴在射光学准直/聚焦透镜的第二均匀折射率引导透镜，用于沿第一方向传输多个单色光束到衍射光学准直/聚焦透镜，和用于沿第二方向传输来自衍射光学准直/聚焦透镜的复用多色光束。
24.按照权利要求23的装置，其中第二均匀折射率引导透镜有平整的连接面，用于从至少一个光源接收多个单色光束，和用于输出复用多色光束到至少一个光接收器。
25.按照权利要求23的装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜有平整的连接面，用于从至少一个光源接收多个单色光束，和用于输出复用多色光束到至少一个光接收器。
26.按照权利要求21的装置，其中衍射光栅是反射式衍射光栅，该衍射光栅以相对于第一方向和第二方向的利特罗衍射角取向。
27.一种集成波分去复用装置，包括：
衍射光学准直/聚焦透镜，用于准直沿第一方向传播的复用多色光束，和会聚沿第二方向传播的多个单色光束，第二方向与第一方向大致相反；
粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜的均匀折射率引导透镜，用于沿第一方向传输来自衍射光学准直/聚焦透镜的复用多色光束，和用于沿第二方向传输多个单色光束到衍射光学准直/聚焦透镜，该均匀折射率引导透镜有平整的连接面；和
均匀折射率引导透镜的平整连接面处形成的衍射光栅，用于把复用多色光束分割成多个单色光束，并反射该多个单色光束回到均匀折射率引导透镜。
28.按照权利要求27的装置，其中均匀折射率引导透镜合并到衍射光学准直/聚焦透镜，因此，该衍射光学准直/聚焦透镜有形成衍射光栅的平整连接面。
29.按照权利要求27的装置，其中均匀折射率引导透镜是第一均匀折射率引导透镜，该装置还包括：
粘贴在衍射光学准直/聚焦透镜的第二均匀折射率引导透镜，用于沿第一方向传输复用多色光束到衍射光学准直/聚焦透镜，和用于沿第二方向传输来自衍射光学准直/聚焦透镜的多个单色光束。
30.按照权利要求29的装置，其中第二均匀折射率引导透镜有平整的连接面，用于从光源接收复用多色光束，和用于输出多个单色光束到至少一个光接收器。
31.按照权利要求27的装置，其中衍射光学准直/聚焦透镜有平整的连接面，用于从光源接收复用多色光束，和用于输出多个单色光束到至少一个光接收器。
32.按照权利要求27的装置，其中衍射光栅是反射式衍射光栅，该衍射光栅以相对于第一方向和第二方向的利特罗衍射角取向。
33.一种波分复用装置，包括：
衍射光学准直透镜，用于准直多个单色光束；
衍射光栅，用于把多个准直的单色光束组合成一个复用多色光束，并反射该复用多色光束；和
衍射光学聚焦透镜，用于会聚反射的复用多色光束。
34.按照权利要求33的装置，还包括：
至少一个反射元件，用于反射多个准直的单色光束到衍射光栅。
35.按照权利要求33的装置，还包括：
至少一个反射元件，用于反射反射的复用多色光束到衍射光学聚焦透镜。
36.一种波分去复用装置，包括：
衍射光学准直透镜，用于准直复用多色光束；
衍射光栅，用于把准直的复用多色光束分割成多个单色光束，并反射该多个单色光束；和
衍射光学聚焦透镜，用于会聚多个反射的单色光束。
37.按照权利要求36的装置，还包括：
至少一个反射元件，用于反射准直的复用多色光束到衍射光栅。
38.按照权利要求36的装置，还包括：
至少一个反射元件，用于反射多个反射的单色光束到衍射光学聚焦透镜。
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