CN220171296U - 一种紧凑型粗波分复用器 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种紧凑型粗波分复用器，包括滤波片、输入准直器和输出准直器，两组滤波片平行间隔布置，两组滤波片之间形成自由空间，输入准直器布置在自由空间的一侧，输入准直器的出射口朝向滤波片，由输入准直器出射的光束能够在两组滤波片之间交替反射，并依次射向各个滤波片，两组输出准直器分别布置在自由空间的两侧，输出准直器与滤波片一一对应布置，输出准直器的入射口朝向滤波片，不同信道的光信号分别穿过对应的滤波片射入输出准直器，输出准直器包括输出准直透镜和输出尾纤，输出尾纤采用热扩芯光纤，各个输出准直器的输出尾纤的模场直径随着输入准直器到各个输出准直器的光程的增大而减小。紧凑型粗波分复用器能够提高耦合效率。

Description

一种紧凑型粗波分复用器

技术领域

本申请涉及紧凑型粗波分复用器领域，特别是一种紧凑型粗波分复用器。

背景技术

波分复用技术将不同个波长携带的信号复用到同一根光纤中进行传输，大大减少了光纤的使用量，极大地降低了光纤链路的安装和维护成本，提高了光纤通信系统的可靠性。

波分复用技术主要分为密集波分复用和粗波分复用，粗波分复用系统被认为是密集波分复用系统的低成本替代方案，因为它采用低成本、无需制冷的分布反馈(DFB)激光器，同时对波长复用和解复用的精度要求较低。在城域网的应用中，传输距离(小于100km)和吞吐容量方面要求较低，采用粗波分复用器(CWDM)既可以满足要求，又可以降低成本。

随着光通信行业的发展，光通信模块系统呈现出高速率、集成化、大带宽、小尺寸、低功耗等几大特征，对于低损耗、小尺寸波分复用器的需求也变得日益迫切，因此紧凑型粗波分复用器(CCWDM)应运而生。CCWDM使用自由空间级联替代光纤级联，能够显著减小封装尺寸。

光信号在自由空间中的光程会逐渐累积，因此为了消除径向失配，输出端的每一级准直器都需要具有不同的工作距离，但是此时相应会产生光斑失配的问题，从而降低不同准直器之间的耦合效率，使得各个准直器所对应的信道损耗参差不齐。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种紧凑型粗波分复用器，紧凑型粗波分复用器能够提高耦合效率。

根据本申请实施例提供的紧凑型粗波分复用器，包括滤波片、输入准直器和输出准直器，两组所述滤波片平行间隔布置，两组所述滤波片之间形成用于级联的自由空间，所述输入准直器布置在所述自由空间的一侧，所述输入准直器的出射口朝向所述滤波片，由所述输入准直器出射的光束能够在两组所述滤波片之间交替反射，并依次射向各个所述滤波片，两组所述输出准直器分别布置在所述自由空间的两侧，所述输出准直器与所述滤波片一一对应布置，所述输出准直器的入射口朝向所述滤波片，不同信道的光信号分别穿过对应的所述滤波片射入所述输出准直器，所述输出准直器包括输出准直透镜和输出尾纤，所述输出尾纤采用热扩芯光纤，各个所述输出准直器的所述输出尾纤的模场直径随着所述输入准直器到各个所述输出准直器的光程的增大而减小。

根据本申请实施例提供的紧凑型粗波分复用器，至少具有如下技术效果：通过在输出尾纤中使用热扩芯光纤，使得各个输出准直器可以具有不同的模场直径，通过使得模场直径随着光程的增大而减小，能够补偿光程增大对输出准直器的特征光斑的影响，进而在确保工作距离满足要求的条件下减小输出准直器的光斑失配，紧凑型粗波分复用器能够提高耦合效率。

根据本申请的一些实施例，所述输出准直器的所述模场直径使各个所述输出准直器的特征光斑相同，以消除光斑失配。

根据本申请的一些实施例，所述紧凑型粗波分复用器包括基板，所述滤波片、所述输入准直器以及所述输出准直器安装在所述基板上。

根据本申请的一些实施例，所述基板包括定位结构，所述定位结构用于定位所述滤波片。

根据本申请的一些实施例，所述定位结构包括第一标识线。

根据本申请的一些实施例，所述基板包括第二标识线，所述第二标识线用于标识所述光束的光路。

根据本申请的一些实施例，所述滤波片粘接在所述基板上。

根据本申请的一些实施例，所述输入准直器和所述输出准直器粘接在所述基板上。

根据本申请的一些实施例，所述输入准直器包括输入准直透镜和输入尾纤。

根据本申请的一些实施例，所述输入准直透镜和所述输出准直透镜采用C-lens透镜。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例的紧凑型粗波分复用器的结构示意图；

图2是本申请实施例的紧凑型粗波分复用器的光路原理图。

附图标记：

滤波片100、输入准直器200、输入准直透镜210、输入尾纤220、输出准直器300、输出准直透镜310、输出尾纤320、基板400、第一标识线410、第二标识线420。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

首先对紧凑型粗波分复用器的失配现象进行介绍。

光信号在单模光纤中传输，其横截面复振幅近似呈现高斯分布，因此也称为高斯光束。而分析两准直器之间的耦合效率其实就是分析两准直器出射的两高斯光束之间的耦合效率。

两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可用下式计算：

其中，E₁、E₂为高斯光束电场强度分布。严重影响两光场叠加面积的几种情况，称为光束耦合的失配模式，而主要存在的四种失配模式有径向失配、轴向失配、角向失配和光斑失配。

轴向失配是指两束光在轴向方向上的位置不重合。如果两束光的轴向位置偏移越大，它们的耦合效率就会降低。

径向失配是指两束光在径向方向上的位置不重合。这种失配会导致两束光在聚焦后无法达到相同的尺寸，从而影响光束的聚焦效果。

角向失配是指即两束光在角度上存在偏差。这种失配会导致两束光交叉角度不同，从而影响光束聚焦后的集光强度分布。

光斑失配是指两束光在尺寸上不重合，具体是指两束光的束腰光斑的尺寸不重合，而径向失配则指两束光的束腰光斑的位置不重合。光斑失配和径向失配一样，均会导致两束光在聚焦后无法达到相同的尺寸，从而影响光束的聚焦效果。

对于紧凑型粗波分复用器(CCWDM)，角度失配和轴向失配都可以在装配过程中通过光路耦合调试消除。但是，径向失配和光斑失配并不能在装配过程中消除，这就导致各通道损耗参差不齐的情况。

根据准直器的ABCD矩阵，可以得出，准直器的工作距离为：

其中，Z_r1为准直器的尾纤的出射光束瑞利距离，w₀为尾纤出射光束束腰半径(即尾纤的纤芯模场直径MFD的一半)，λ为光束的工作波长，Z₁为尾纤端面到C-lens透镜(也就是一端为凸起的球面，一端为倾斜的平面的定折射率透镜)的斜面之间的距离。

准直后的光束束腰半径为：

准直后光束在距离C-lens球面L位置形成的光斑(即特征光斑)尺寸为：

其中，Z_r2为准直后的光束的瑞利距离，

在相关技术中，紧凑型粗波分复用器的各个输出准直器使用同样规格的输出尾纤，因此具有同样的模场直径。根据以上的公式，可以认识到，当紧凑型粗波分复用器的规格确定之后，特征光斑和工作距离都取决于变量Z₁，由于输入准直器到各个输出准直器的光程不同，要想消除径向失配，就需要调整各个输出准直器的Z₁，使得各个输出准直器具有不同的工作距离，这时，各个输出准直器的特征光斑的尺寸必然会产生差异，从而导致紧凑型粗波分复用器出现光斑失配。

参照图1和图2，本申请实施例提供的紧凑型粗波分复用器，包括滤波片100、输入准直器200和输出准直器300，两组滤波片100平行间隔布置，两组滤波片100之间形成用于级联的自由空间，输入准直器200布置在自由空间的一侧，输入准直器200的出射口朝向滤波片100，由输入准直器200出射的光束能够在两组滤波片100之间交替反射，并依次射向各个滤波片100，两组输出准直器300分别布置在自由空间的两侧，输出准直器300与滤波片100一一对应布置，输出准直器300的入射口朝向滤波片，不同信道的光信号分别穿过对应的滤波片100射入输出准直器300，输出准直器300包括输出准直透镜310和输出尾纤320，输出尾纤320采用热扩芯光纤，各个输出准直器300的输出尾纤320的模场直径随着输入准直器200到各个输出准直器300的光程的增大而减小。

本申请实施例提供的紧凑型粗波分复用器，通过在输出尾纤220中使用热扩芯光纤，热扩芯光纤经过热扩芯处理(TEC)，使得模场直径成为变量，各个输出准直器200可以具有不同的模场直径。通过使得模场直径随着光程的增大而减小，能够补偿光程增大对输出准直器200的特征光斑的影响，进而在确保工作距离满足要求的条件下减小输出准直器200的光斑失配，紧凑型粗波分复用器能够提高耦合效率。

可以理解的是，本申请提供的紧凑型粗波分复用器中，特征光斑和工作距离这两个参数受到变量Z₁以及变量w₀的影响。因此在理想情况下，解算方程可以得到使得特征光斑和工作距离同时满足要求的变量Z₁以及变量w₀，使得紧凑型粗波分复用器的径向失配和光斑失配同时被消除。换句话说，在一些实施例中，输出准直器200的模场直径能够使各个输出准直器200的特征光斑相同，以消除光斑失配。

此外，输入准直器200包括输入准直透镜210和输入尾纤220。输入尾纤220可以使用热扩芯光纤，也可以使用普通光纤。由于模场直径增大会导致工作距离缩小，为了获得最远的工作距离，输入准直器200一般使用普通光纤(也就是未经热扩芯处理的光纤)。输入准直透镜210和输出准直透镜310采用C-lens透镜。C-lens透镜为本领域的现有技术，在此不再赘述。

参照图1，在一些实施例中，紧凑型粗波分复用器包括基板400，滤波片100、输入准直器200以及输出准直器300安装在基板400上。滤波片100、输入准直器200以及输出准直器300可以通过卡扣、卡槽、胶粘等具体方式进行安装，例如，可以选用UV胶粘接滤波片100、输入准直器200以及输出准直器300，待位置调试完成之后，再通过紫外线固化胶水，使滤波片100、输入准直器200以及输出准直器300的位置固定。

当然，为了完成封装，紧凑型粗波分复用器还会包括盖板(图中未示出)等结构，盖板和基板400组合形成壳体，从而将滤波片100、输入准直器200以及输出准直器300封装在壳体内部。

为了便于滤波片100的安装，在一些实施例中，基板400包括定位结构，定位结构用于定位滤波片100。例如在图1中，定位结构包括第一标识线410。首先通过第一标识线410初步确定滤波片100的放置位置，之后再根据实际光路对滤波片100进行微调。

当然，也可以通过卡槽等方式对滤波片100进行定位，但是卡槽会在一定程度上限制滤波片100的运动自由度，可能使得滤波片100的调节不够灵活。

在一些实施例中，基板400包括第二标识线420，第二标识线420用于标识光束的光路。第二标识线420标识的是理想情况下的设计光路，首先根据第二标识线420确定输入准直器200、输出准直器300的大致位置和朝向，之后再根据实际光路进行微调。

紧凑型粗波分复用器中输出准直器300的数量至少为两个，下面以图1中具有8个输出准直器300的紧凑型粗波分复用器为例，介绍紧凑型粗波分复用器的大致装配过程。

步骤S100：准备好基板400，并在基板的两侧布置用于标定的感光板。

步骤S200：贴装输入准直器200。输入准直器200连接单点光源线(单点光源的选取规则是确保光源可以被所有的滤波片100反射同时能被感光板接收感应，本例中选取的是1540nm单点光源)，置于基板400左上侧并与第二标识线420对应，调整输入准直器200的位置使得输入准直器200发出的光点落在右侧感光板上的标记点(感光板可置于基板400后8～10cm的距离)，然后在输入准直器200两侧抹适量胶水，通过紫外光照射或者热固化的方式使胶水固化。

步骤S300：贴装滤波片100。按照距离输入准直器200的光程的远近，把滤波片100分为一级至八级，先将第一级滤波片100置于对应的第一标识线410处，再调整第一级滤波片100的位置使输入准直器200发出的光点经第一级滤波片100后反射至左侧感光板上的标记点上，然后在第一级滤波片100两侧抹适量胶水，通过紫外光照射或者热固化的方式使胶水固化。以此类推，依次贴装后续的第二级至第八级滤波片100。

步骤S400：贴装输出准直器300。按照距离输入准直器200的光程的远近，把输出准直器300分为一级至八级，先计算并确定各级输出准直器300的模场直径，选取具有满足要求的热扩芯光纤的输出准直器300置于对应的第二标识线420位置，再将连接输入准直器200的单点光源切换为所有CWDM通道波长的光，输出准直器300接到功率计，调整各级输出准直器300的角度和位置使该通道的光损耗最小，然后在输出准直器300两侧抹适量胶水，通过紫外光照射或者热固化的方式进行使胶水固化。

本申请提供的紧凑型粗波分复用器依照以下的步骤确定输入准直器200和输出准直器300的规格参数。

首先，根据基板400的尺寸和实际的光路设计确定紧凑型粗波分复用器所需的最远工作距离L_max。

然后，对输入准直器200的参数进行选择，使得输入准直器200的工作距离大于或等于L_max。

接下来，在确定的最远工作距离L_max下获得输入准直器200的特征光斑，从而确定输入准直器200和最后一级输出准直器300的最优参数。在此，最后一级输出准直器300和输入准直器200可以采用完全一致的工作距离以及特征光斑参数，以获取最佳耦合效率。

最后，在确定的特征光斑下，根据其余级数输出准直器300实际的工作距离，对输出尾纤320中的光纤进行热扩芯处理(TEC)，获得模场直径经过微调的热扩芯光纤，从而使其余级数的输出准直器300达到最优参数。

本实施例最终确定的规格参数如下：

输入尾纤220选用Coring Ultra光纤，模场直径为10.4μm，输入准直透镜210的曲率半径1.419，工作距离48mm时，60mm处的特征光斑为335μm。

第一级至第八级输出准直器300的工作距离分别为：

L₁≈13mm，L₂≈18mm，L₃≈23mm，L₄≈28mm，L₅≈33mm，L₆≈38mm，L₇≈43mm，L₈≈48mm。

第一级至第八级输出准直器300的模场直径分别为：

MFD₁≈11.3mm，MFD₂≈11.2mm，MFD₃≈11.1mm，MFD₄≈11mm，MFD₅≈10.9mm，MFD₆≈10.8mm，MFD₇≈10.6um，MFD₈≈10.4um。

通过ZEMAX仿真验证结果显示，本实施例中每一级输出准直器300的损耗在0.2dB以内，表现出优异的损耗特性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种紧凑型粗波分复用器，其特征在于，包括：

滤波片，两组所述滤波片平行间隔布置，两组所述滤波片之间形成用于级联的自由空间；输入准直器，所述输入准直器布置在所述自由空间的一侧，所述输入准直器的出射口朝向所述滤波片，由所述输入准直器出射的光束能够在两组所述滤波片之间交替反射，并依次射向各个所述滤波片；

输出准直器，两组所述输出准直器分别布置在所述自由空间的两侧，所述输出准直器与所述滤波片一一对应布置，所述输出准直器的入射口朝向所述滤波片，不同信道的光信号分别穿过对应的所述滤波片射入所述输出准直器，所述输出准直器包括输出准直透镜和输出尾纤，所述输出尾纤采用热扩芯光纤，各个所述输出准直器的所述输出尾纤的模场直径随着所述输入准直器到各个所述输出准直器的光程的增大而减小。

2.根据权利要求1所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述输出准直器的所述模场直径使各个所述输出准直器的特征光斑相同，以消除光斑失配。

3.根据权利要求1所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述紧凑型粗波分复用器包括基板，所述滤波片、所述输入准直器以及所述输出准直器安装在所述基板上。

4.根据权利要求3所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述基板包括定位结构，所述定位结构用于定位所述滤波片。

5.根据权利要求4所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述定位结构包括第一标识线。

6.根据权利要求3所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述基板包括第二标识线，所述第二标识线用于标识所述光束的光路。

7.根据权利要求3所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述滤波片粘接在所述基板上。

8.根据权利要求3或7所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述输入准直器和所述输出准直器粘接在所述基板上。

9.根据权利要求1所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述输入准直器包括输入准直透镜和输入尾纤。

10.根据权利要求9所述的紧凑型粗波分复用器，其特征在于：所述输入准直透镜和所述输出准直透镜采用C-lens透镜。