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集成雙向軸向梯度折射率/衍射光柵波分多路復(fù)用器的制作方法

文檔序號(hào):2770282閱讀:174來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:集成雙向軸向梯度折射率/衍射光柵波分多路復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般涉及軸向梯度折射率透鏡,本發(fā)明尤其涉及在波分多路復(fù)用應(yīng)用中使用的軸向梯度折射率透鏡。
背景技術(shù)
波分多路復(fù)用(WDM)是一項(xiàng)迅速發(fā)展的技術(shù),它能夠使經(jīng)光纖發(fā)送的數(shù)據(jù)總量有極為顯著的增加。傳統(tǒng)上,大多數(shù)光纖已經(jīng)用來(lái)在一個(gè)波長(zhǎng)上單向地傳送僅僅一個(gè)數(shù)據(jù)通道。WDM的基本概念是從一根光纖上分別引導(dǎo)和檢索多個(gè)數(shù)據(jù)通道。每個(gè)數(shù)據(jù)通道以統(tǒng)一的波長(zhǎng)發(fā)送,并且適當(dāng)選擇波長(zhǎng),從而使各個(gè)通道不相互干擾,并且使光纖的光傳輸損耗低?,F(xiàn)今,有市售的WDM系統(tǒng),它們?cè)试S2至32的通道同時(shí)傳輸。
WDM是增加經(jīng)光纖傳遞的數(shù)據(jù)量(通常稱為帶寬)的一種節(jié)約成本的方法。增加帶寬的另外的一些與之競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)包括埋設(shè)額外的光纜或提高在光纖上的傳輸速度。埋設(shè)額外的光纜的成本在每公里15,00美元至40,000美元。提高光傳輸速率越來(lái)越受到圍繞光纖系統(tǒng)的電子設(shè)備的速度和經(jīng)濟(jì)性的限制。用電子技術(shù)來(lái)增加帶寬的主要策略之一曾經(jīng)是使用時(shí)分多路復(fù)用(TDM),它把多個(gè)較低速率的電子數(shù)據(jù)通道組合或多路復(fù)用在一起,成為單個(gè)極高速率的通道。在過(guò)去的20年中用這種技術(shù)增加帶寬曾經(jīng)非常有效;然而,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面來(lái)看,如今提高傳輸速度越來(lái)越困難。WDM通過(guò)使用許多條平行的通道提供了經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上解決增加帶寬的潛力。WDM是TDM的補(bǔ)充,即,WDM能夠允許許多同時(shí)的高傳輸速率的TDM通道通過(guò)單根光纖。
使用WDM來(lái)增加帶寬需要兩個(gè)在概念上對(duì)稱的基本裝置。第一個(gè)裝置是波分多路復(fù)用器。此裝置采用多個(gè)光束(每個(gè)光束具有分立的波長(zhǎng),而它們?cè)诳臻g上起先是隔開的),并且提供一個(gè)裝置,用于把所有的不同波長(zhǎng)的光束組合成適合于引導(dǎo)入一根光纖的單個(gè)多色光束。多路復(fù)用器可以是完全無(wú)源的光學(xué)裝置或者可以包括控制或監(jiān)視多路復(fù)用器性能的電子設(shè)備。多路復(fù)用器的輸入端一般是用多根光纖做成的;然而,可以使用激光二極管或其他光源。多路復(fù)用器的輸出端一般是一根光纖。
類似地,用于WDM的第二個(gè)裝置是波分去多路復(fù)用器。此裝置的功能與多路復(fù)用器的功能相反;它接收從一根光纖輸入的多色光束,并且提供一個(gè)裝置,用于在空間上把波長(zhǎng)分開。去多路復(fù)用器的輸出端一般連接至多根光纖或多個(gè)光電探測(cè)器。
在過(guò)去20年期間,已經(jīng)建議和示范了各種類型的WDM;例如,參見(jiàn)下述文獻(xiàn)(1)W.J.Tomlinson,《應(yīng)用光學(xué)》,第16卷,第8期,2180-2194頁(yè)(1997年8月);(2)A.C.Livanos等人,《應(yīng)用物理通信》,第30卷,第10期,519-521頁(yè)(1997年5月15日);(3)H.Ishio等人,《光波技術(shù)雜志》,第2卷,第4期,448-463頁(yè),(1984年8月);(4)H.Obara等人,《電子學(xué)通信》,第28卷,第13期,1268-1270頁(yè)(1992年6月18日);(5)A.E.Willner等人,《IEEE光子學(xué)技術(shù)通信》,第5卷,第7期,838-841頁(yè)(1993年7月);以及(6)Y.T.Huang等人,《光學(xué)通信》,第17卷,第22期,1629-1631頁(yè)(1992年11月15日)。
然而,盡管有上面所有的方法、設(shè)計(jì)和技術(shù),但仍然存在對(duì)具備成本低、元件可集成、環(huán)境和熱穩(wěn)定性好、通道串話低、通道信號(hào)損失小、連接容易、通道數(shù)目大以及通道間隔窄等全部特性的WDM裝置的實(shí)際需要。
發(fā)明揭示按照本發(fā)明,波分多路復(fù)用器或去多路復(fù)用器把一個(gè)軸向梯度折射率元件和一個(gè)衍射光柵相組合,以提供一種集成雙向波分多路復(fù)用器或去多路復(fù)用器裝置。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),將徹底地討論多路復(fù)用器的功能;然而,由于多路復(fù)用器和去多路復(fù)用器功能的對(duì)稱性,本發(fā)明的討論也可以直接應(yīng)用于去多路復(fù)用器。本發(fā)明的多路復(fù)用器包括(a)用于接收多個(gè)來(lái)自一些光纖或其他光源(諸如激光器或激光二極管)的輸入光束(它們包含至少一個(gè)波長(zhǎng))的裝置,該裝置包括一個(gè)平的前表面,輸入光入射在該表面上,并且該裝置適合于連接輸入光纖或者與其他裝置集成;(b)耦合器子系統(tǒng),包括(1)軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡,它與平面前表面相關(guān)聯(lián),以及(2)均勻折射率罩(boot)透鏡,它加接至軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡,并且具有一個(gè)平的但傾斜的后表面;(c)近Littrow衍射光柵,它在操作上與均勻折射率罩透鏡相關(guān)聯(lián),形成或加接在耦合器子系統(tǒng)的平的出射表面處,該衍射光柵把多個(gè)空間上分隔的波長(zhǎng)組合成至少一個(gè)多色光束,并且把經(jīng)組合的光束以與入射光束基本上相同的角度反射回耦合器子系統(tǒng);(d)可選的電光元件陣列,用于折射多個(gè)波長(zhǎng),以提供通道路由選擇或切換能力;以及(e)對(duì)于至少一根光纖輸出至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色輸出光束的裝置,所述裝置位于(a)中的同一輸入面處。
本發(fā)明的裝置既可以工作于正向以提供多路復(fù)用器功能也可以工作于反向以提供去多路復(fù)用器功能。
此外,本發(fā)明的裝置是固有地雙向的并且能夠在諸如分配通道至網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)集線器(hub)和交集(intersection)的應(yīng)用中同時(shí)用作多路復(fù)用器和去多路復(fù)用器。本發(fā)明的基于軸向梯度折射率和衍射光柵的WDM裝置是獨(dú)特的,因?yàn)樗鼈儼粋€(gè)或多個(gè)均勻折射率罩透鏡,允許把所有的光學(xué)元件集成為單個(gè)的集成裝置。這大大增加了堅(jiān)固性、環(huán)境和熱穩(wěn)定性,而同時(shí)避免引入空氣空間,這些空氣空間造成對(duì)準(zhǔn)靈敏度、裝置封裝復(fù)雜性和成本的增加。
此外,均勻折射率罩透鏡對(duì)于裝置組裝、對(duì)準(zhǔn)以及合并額外裝置功能提供了大而平的表面。使用軸向梯度折射率透鏡允許從具有常規(guī)的球面的透鏡得到很高性能的成象,由此提供了WDM應(yīng)用所需的衍射限的光學(xué)成象。此外,可以高質(zhì)量和低成本做出軸向梯度折射率透鏡。換一種做法,能夠用非球面形的透鏡來(lái)替代軸向梯度折射率透鏡;然而,準(zhǔn)直性能相同,但做出具有非球面的單塊集成裝置是極為困難的。此外,非球面透鏡一般很昂貴,并且有很討厭的寄生類型(ghosting-type)的反射。
WDM裝置的集成允許得到小型的、堅(jiān)固的以及環(huán)境和熱穩(wěn)定的系統(tǒng)。特別,把元件集成為固體塊保持了元件對(duì)準(zhǔn),這就可提供長(zhǎng)期的性能,相反,隨著時(shí)間的推移,非集成的由空氣隔開的裝置的對(duì)準(zhǔn)特性變壞,因此其性能也變壞。
總之,本發(fā)明以一種對(duì)于WDM的新穎方法為特征。使用光學(xué)透鏡連同衍射光柵允許所有的波長(zhǎng)同時(shí)被多路復(fù)用和同樣地處理。這與不大想要的串聯(lián)WDM方法不同,串聯(lián)WDM方法使用基于干涉濾波器的或光纖Bragg光柵。這些串聯(lián)WDM方法有顯著的光損失、串話、對(duì)準(zhǔn)和溫度等問(wèn)題。此外,與其他平行的多路復(fù)用方法(諸如陣列波導(dǎo)光柵裝置、熔化光纖耦合器、或樹形波導(dǎo)耦合器)相比,本發(fā)明在玻璃內(nèi)自由地進(jìn)行波長(zhǎng)分隔,這與在有耗波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行波長(zhǎng)分隔不同。于是,與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的明顯的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)裝置的光信號(hào)損失較低,以及組裝和對(duì)準(zhǔn)比較容易。
在結(jié)合附圖考慮下面的詳細(xì)描述之后,本發(fā)明的其他的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯,在這些附圖中,相同的標(biāo)號(hào)在所有的附圖中代表相同的特征。熟悉本領(lǐng)域的人將清楚,沒(méi)有在這里明顯地討論的附加的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本發(fā)明的精神而言是固有的,并且遵循本發(fā)明的精神。
附圖簡(jiǎn)述應(yīng)該明白,除非特別指明,在本說(shuō)明書中參照的附圖不照比例繪制。


圖1是本發(fā)明的波分多路復(fù)用器裝置的側(cè)視立面示意圖(圖1a)和頂視平面示意圖(圖1b),所述波分多路復(fù)用器裝置包括軸向梯度折射率透鏡、近Littrow衍射光柵、以及多路復(fù)用至一個(gè)光纖輸出端的多個(gè)光纖輸入端;圖2a是圖1的裝置的一部分的透視圖,詳細(xì)畫出了連至裝置的輸入和輸出光學(xué)連接;圖2b是圖1的裝置的輸入部分的透視圖,畫出另一種輸入端結(jié)構(gòu),其中,輸入端是激光二極管的陣列;圖2c是圖1的裝置的一部分的透視圖,畫出用于去多路復(fù)用器的另一種輸出端結(jié)構(gòu),其中,輸出端是光電檢測(cè)器的陣列;圖3是類似于圖1的裝置的側(cè)視立面示意圖(圖3a)和頂視平面示意圖(圖3b),但該裝置刪去了在輸入端和軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡之間的均勻折射率罩透鏡元件;圖4是圖1的裝置的一部分的透視圖,但是它包括了電光束偏轉(zhuǎn)元件的陣列(平行于光柵方向),以將每個(gè)輸入通道各自束偏轉(zhuǎn)至輸出光纖端口;圖5a-5c是強(qiáng)度與波長(zhǎng)坐標(biāo)上的曲線圖,畫出對(duì)于不同結(jié)構(gòu)或本發(fā)明的多路復(fù)用器的不同的強(qiáng)度分布;圖6是圖1的裝置的一部分的透視圖,它類似于圖2a的那部分,但包括電光束偏轉(zhuǎn)元件的陣列(垂直于光柵方向),以將每個(gè)輸入通道各自束偏轉(zhuǎn)至輸出光纖端口;圖7是圖1的裝置的一部分的透視圖,它類似于圖2a的那部分,但包括電光束偏轉(zhuǎn)元件,以將每個(gè)輸入通道各自束偏轉(zhuǎn)至輸出光纖端口;以及圖8是圖1的裝置的一部分的透視圖,但使用了兩個(gè)多路復(fù)用器,通過(guò)在一個(gè)多路復(fù)用器的輸入面上引入電光阻擋陣列來(lái)完成通道阻擋功能。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在詳細(xì)參照本發(fā)明的具體的實(shí)施例,它們描繪了發(fā)明者為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而目前仔細(xì)考慮的最佳方式。還作為可應(yīng)用的方式簡(jiǎn)短描述另外的一些實(shí)施例。
圖1描繪了本發(fā)明的較佳實(shí)施例的兩個(gè)視圖,該實(shí)施例實(shí)施了一種軸向梯度折射率/衍射光柵波分多路復(fù)用器裝置。具體而言,圖1a畫出裝置的側(cè)視立面圖,而圖1b畫出頂視平面圖。
第一實(shí)施例的裝置10采用具有N個(gè)分立的光波長(zhǎng)14的輸入光纖陣列12,并且在空間上把它們組合為單個(gè)光束16,并將單個(gè)光束輸出至單個(gè)光纖輸出端18。每個(gè)波長(zhǎng)發(fā)送用其他裝置疊加在其上的信息,這些裝置未在這里示出,并且不構(gòu)成本發(fā)明的一部分,但是它們?cè)诒绢I(lǐng)域中是公知的。
裝置10還包括耦合器元件20;在耦合器元件的出射表面20b上形成或放置近Littrow衍射光柵22。近Littrow衍射光柵22提供對(duì)不同波長(zhǎng)的光束的角向色散,并且以與入射角非常接近相等的角度把光束反射回來(lái)。
在本發(fā)明中,使用衍射光柵22來(lái)提供角色散,其大小取決于每個(gè)入射光束的波長(zhǎng)。此外,為了對(duì)在出現(xiàn)的多個(gè)光束波長(zhǎng)范圍內(nèi)或接近該范圍的一個(gè)波長(zhǎng)得到Littrow衍射條件,衍射光柵22以特殊的角度相對(duì)于裝置10的光軸取向。Littrow衍射條件要求光束以同樣精確的角度入射在光柵上和從光柵反射回來(lái)。因此,熟悉本領(lǐng)域等人將容易明白,使用近Littrow衍射光柵來(lái)為出現(xiàn)的多個(gè)波長(zhǎng)的每個(gè)波長(zhǎng)得到近Littrow衍射。
Littrow衍射角由下述公知的公式確定mλ=dsin(αi)這里m是衍射級(jí),λ是波長(zhǎng),d是衍射光柵槽間距,而αi是相同的入射和衍射角。熟悉本領(lǐng)域的人將容易明白,衍射光柵角取決于多個(gè)變量,它們可以根據(jù)要求改變,以優(yōu)化裝置的性能。例如,影響光柵衍射角的變量包括所需的光柵衍射級(jí)、光柵閃耀角(blaze angle)、通道數(shù)、通道的空間分隔、以及裝置的波長(zhǎng)范圍。
耦合器元件20包括第一均勻折射率罩透鏡24,它連接或加接至軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡26。而軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡又連接或加接至第二均勻折射率罩透鏡28。使用光學(xué)粘合劑或其他光學(xué)透明的粘合技術(shù)完成連接或加接。在這個(gè)第一實(shí)施例中,如此放置光纖12’的陣列12,從而使由光纖端部輻射的光入射在耦合器元件20的入射表面20a上。每根光纖12’提供分立波長(zhǎng)的光束。
圖2a畫出將輸入光纖陣列12耦合入耦合器20以及在其中發(fā)送多個(gè)光束14的細(xì)節(jié),對(duì)于每根光纖12’有一個(gè)光束,使用合適的耦合器/互連器30。類似地,使用合適的耦合器/互連器32把經(jīng)組合的光束16耦合入單個(gè)光纖輸出端18。這種耦合器/互連器30、32在本領(lǐng)域中是公知的,并且不構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
多個(gè)空間分隔的光束14進(jìn)入第一均勻折射率罩透鏡24,在那里它們的直徑被擴(kuò)展。接著,多個(gè)光束14進(jìn)入第一軸向梯度折射率透鏡26,在那里它們被準(zhǔn)直,然后通過(guò)第二均勻折射率罩透鏡28。在第二均勻折射率罩透鏡28的出射表面20b處,經(jīng)準(zhǔn)直的光束被近Littrow衍射光柵22反射,該衍射光柵去除了多個(gè)光束14內(nèi)的角分隔,并且產(chǎn)生在其本身之中包含多個(gè)波長(zhǎng)的單個(gè)光束16。單個(gè)光束16通過(guò)耦合元件20沿反方向返回(首先,通過(guò)第二均勻折射率罩透鏡28,然后通過(guò)軸向梯度折射率聚焦透鏡26,而最后通過(guò)第一均勻折射率罩透鏡24)。然后單個(gè)經(jīng)聚焦的光束16入射在光纖18上,該光纖附著在耦合器元件20的第一均勻折射率罩透鏡24的入射面20a上。
在第二均勻折射率罩透鏡28中,以傾斜邊形成出射面20b,其角度與由上式給出的Littrow衍射角相等。傾斜角是相對(duì)于一條軸而言的,該軸平行于衍射光柵28的軸。
衍射光柵22做在耦合器元件20的遠(yuǎn)表面20b上??梢杂酶鞣N技術(shù)來(lái)制造此衍射光柵,諸如在聚合物介質(zhì)中的三維全息圖,該聚合物介質(zhì)可以用諸如光學(xué)粘合劑附著于出射面20b。另一種做法是,采用機(jī)械劃線機(jī)或其他技術(shù)或者在本領(lǐng)域公知的技術(shù),在出射表面20b上刻劃出衍射光柵22。能夠直接在出射面20b上構(gòu)成劃線的衍射光柵22,或者在諸如聚合物、玻璃、硅、等等另外的平的材料做成,再用光學(xué)粘合劑把它固定在耦合器元件的端部。
為了防止經(jīng)多路復(fù)用的輸出光束16(一個(gè)多色光束)直接反射回來(lái)進(jìn)入入射光束的陣列,把輸入陣列和輸出光纖離開透鏡的中心軸稍微對(duì)稱地隔開。另一種做法是,在第二均勻折射率罩透鏡28中造成小的傾斜(一般小于3°)。通過(guò)繞一條軸(該軸與衍射光柵22的劃線方向垂直)旋轉(zhuǎn)第二均勻折射率罩透鏡的背面而做成這個(gè)小的傾斜。為了高效和容易地耦合入裝置10和從裝置10耦合出來(lái),用這個(gè)傾斜把輸出光纖18與輸入陣列12在空間上隔開。在圖1畫出的實(shí)施例中,構(gòu)成輸入陣列12的多根光纖12′以及光纖輸出18示于圖2a。由于第二均勻折射率罩透鏡28的傾斜,又使得多個(gè)光輸入端12′和光輸出端18在第一均勻折射率罩透鏡24的第一表面20a處稍微在空間上隔開。
在圖1畫出的實(shí)施例中,可以用示于圖2b的多個(gè)激光二極管34來(lái)代替多根光纖12′,以提供用于波分多路復(fù)用器10的光束輸入端14??梢詫⒓す舛O管的陣列34對(duì)接耦合至WDM裝置10,可以縱向隔開,或者可以具有放置在輸出面和激光二極管陣列之間的合適的聚焦透鏡,以提供最佳耦合和最低數(shù)量的信號(hào)損失或串話。
在第二實(shí)施例中,與這里描述的所有的裝置那樣,示于圖1的裝置10可以在一種相反的結(jié)構(gòu)中工作,這種結(jié)構(gòu)具有單個(gè)的光纖輸入端18,它引入具有多個(gè)分立的波長(zhǎng)通道的單個(gè)多色光束16。由裝置10的去多路復(fù)用功能把這些通道在空間上分開,以輸出至多根光纖12′。每根輸出光纖12′只載有單個(gè)分立的波長(zhǎng)通道。在這個(gè)實(shí)施例中,在功能上,去多路復(fù)用器提供了與圖1中描述的多路復(fù)用器裝置10同樣但相反的功能。在去多路復(fù)用器實(shí)施例中,替代多根光纖,可以使用示于圖2c的多個(gè)光電檢測(cè)器36,以對(duì)于波分去多路復(fù)用器提供光束輸出??梢詫⒐怆姍z測(cè)器的陣列36對(duì)接耦合至WDM裝置10,可以縱向隔開,或者可以具有放置在輸出面和光電檢測(cè)器陣列之間的合適的聚焦透鏡,以提供最低數(shù)量的信號(hào)損失或串話。
在圖3的兩個(gè)視圖所畫出的第三實(shí)施例中,去除了第一均勻折射率罩透鏡24,以做出尺寸更緊湊的裝置,或者用于對(duì)于其性能而言無(wú)需使用第一均勻折射率罩透鏡的裝置中。圖3a畫出裝置的側(cè)視立面圖,而圖3b畫出頂視平面圖。在這個(gè)實(shí)施例中,軸向梯度折射率透鏡26′具有平的出射面20a,用于直接連至多個(gè)輸入端12′和單根輸出光纖18。這個(gè)第三實(shí)施例的另外一種實(shí)施方法(未示出)是在多根輸入光纖12′或激光二極管34和軸向折射率透鏡26′之間包括一個(gè)空氣空間。引入空氣空間不是較佳實(shí)施例,因?yàn)樗黾恿硕嗦窂?fù)用器10的組裝和對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜性,并且可能會(huì)比本發(fā)明的較佳實(shí)施例的集成塊方法遭受更大的環(huán)境和溫度不穩(wěn)定性。這個(gè)第三實(shí)施例的所有的元件用光學(xué)粘合劑或其他的光學(xué)透明的粘合技術(shù)連接或加接。
在示于圖4的第四實(shí)施例中,集成了非線性電光元件的陣列38,以提供有選擇地把經(jīng)多路復(fù)用的光16引入數(shù)個(gè)可能的共線光纖輸出端18a、18b、18c、18d、18e的能力。這對(duì)于光學(xué)成網(wǎng)極有價(jià)值,而波分多路復(fù)用器裝置10能夠提供同時(shí)的集成多路復(fù)用和路由功能。電光元件陣列38是一種電控固態(tài)光學(xué)材料,通過(guò)改變施加至材料的電流能夠改變?cè)摬牧系恼凵渎?。這種電光元件在本領(lǐng)域中是公知的;其例子包括鈮酸鋰以及某些聚合物材料。
輸出陣列18與表面20a用可選的間隔物或空白40隔開。空白40只是如偏轉(zhuǎn)陣列38那樣提供相同的間隔,以使輸入和輸出耦合容易。
用折射率的改變來(lái)增大或減小光傳輸?shù)慕嵌?相對(duì)于電光材料的梯度方向)。用電光元件來(lái)獨(dú)立地移動(dòng)光束14的位置至任意的輸出光纖端口18是很合乎需要的。移動(dòng)方向平行于輸入端12′和輸出陣列18。如圖4所示,使用電光元件的陣列38以把輸出引至多個(gè)可能的光纖輸出端18a、18b、18c、18d、18e之一。多根輸出光纖18a-18e是共線的??梢岳斫猓m然示出5根這樣的輸出光纖,但本發(fā)明并不受此局限,而在本發(fā)明的實(shí)踐中可以采用任何合理數(shù)目的輸出光纖。
另一個(gè)第五實(shí)施例將沿如去多路復(fù)用和路由裝置相同的方向使用裝置,其中,每根光纖12′輸入多個(gè)波長(zhǎng),它們被去多路復(fù)用和束偏轉(zhuǎn)至輸出光纖陣列18。電光元件38的較佳取向是這樣的,從而在裝置10的輸出面20a處的空間變化沿平行于輸入陣列12和輸出陣列18的方向。在這個(gè)另外的實(shí)施例中,可以把經(jīng)去多路復(fù)用的輸出16路由發(fā)送至許多可能的光纖陣列18之一,如圖4所示。另一種做法是,可以把經(jīng)去多路復(fù)用的輸出路由發(fā)送至許多可能的光電檢測(cè)器陣列之一(未示出),如上面結(jié)合圖2c所討論的那樣。
在第六實(shí)施例中,可以特別設(shè)計(jì)和構(gòu)造圖1的裝置,從而在多色輸出光束中的各個(gè)波長(zhǎng)通道被不均勻地聚焦在多路復(fù)用器的輸出面上。如圖5a中所描繪的,圖1的裝置的較佳實(shí)施例產(chǎn)生多個(gè)非常均勻的經(jīng)聚焦的光束,它們具有均勻的強(qiáng)度分布。然而,為了體現(xiàn)諸如圖5b和5c所示的強(qiáng)度分布隨波長(zhǎng)增大的變化,當(dāng)前的實(shí)施例改變了準(zhǔn)直透鏡組件的設(shè)計(jì)(諸如透鏡曲率或軸向梯度折射率分布)。這些改變不必是線性的,而可以是很復(fù)雜和非線性的,以與光放大器、激光二極管陣列或光網(wǎng)絡(luò)中其他裝置的非均勻的增益分布相匹配。
在示于圖6的第七實(shí)施例中,使用圖1的波分多路復(fù)用裝置10以做出4×4開關(guān)和多路復(fù)用器。使用圖1的基本裝置10以組合和/或按路由發(fā)送出現(xiàn)在裝置的輸入面20a處的多個(gè)波長(zhǎng)。首先把電光束偏轉(zhuǎn)元件42的陣列集成至輸入面20a,每個(gè)束偏轉(zhuǎn)元件可以各別地尋址(每個(gè)波長(zhǎng)有一個(gè)元件)并且能夠沿與輸入陣列12垂直的方向引導(dǎo)光。用每個(gè)元件40來(lái)引導(dǎo)來(lái)自單個(gè)通道12′的光至一個(gè)任意的輸出端口18a、18b、18c、18d??瞻?0只是如束偏轉(zhuǎn)陣列42那樣提供同樣的間隔,如在圖4中那樣,以使輸入和輸出耦合容易。
在示于圖7的第八實(shí)施例中,用圖1的波分多路復(fù)用裝置10以做出4×4開關(guān)和去多路復(fù)用器。用圖1的基本裝置10來(lái)分開和路由發(fā)送在輸入光纖18上的多個(gè)波長(zhǎng)(它們出現(xiàn)在裝置的輸入面20a處)。首先把電光束偏轉(zhuǎn)元件44集成至輸入面20a,它能沿平行于光柵22的劃線方向引導(dǎo)光(未在圖7中示出)。用束偏轉(zhuǎn)元件44來(lái)引導(dǎo)單個(gè)波長(zhǎng)的光至兩個(gè)去多路復(fù)用的輸出端口12a、12b之一??瞻?0只是如束偏轉(zhuǎn)陣列44那樣提供同樣的間隔,如在圖4和6中那樣,以使輸入和輸出耦合容易。
在圖8所示的第九實(shí)施例中,通過(guò)使用兩個(gè)多路復(fù)用裝置10a和10b以及電光阻擋元件的陣列46,使用圖1的波分多路復(fù)用裝置10做出4波長(zhǎng)阻擋開關(guān)110。阻擋開關(guān)裝置110的輸入端和輸出端在每處是單根光纖18。這個(gè)裝置對(duì)于每個(gè)各別的波長(zhǎng)提供阻擋功能。
首先把電光阻擋元件的陣列46附著至第一多路復(fù)用器裝置10a的輸出面20a,這些電光阻擋元件是可以各自尋址的(每個(gè)波長(zhǎng)有一個(gè)元件),它們有選擇地阻擋或不阻擋光的通行。阻擋元件的陣列46用液晶、電致變色(electrochromic)固態(tài)材料、或其他類似的材料,其中,透射量能夠作為施加至各個(gè)陣列元件的功率的函數(shù)而改變。
在阻擋陣列之后,放置Porro型反射棱鏡(未示出)或光纖環(huán)路48,它們具有各自的輸出端并且路由發(fā)送這些輸出至相鄰的多路復(fù)用器10b的輸入面20a上的分開的位置。然后這些輸入通過(guò)第二裝置10b,被多路復(fù)用,以輸出至第二裝置的輸出面20a上的單根光纖18??瞻?0只是如束偏轉(zhuǎn)陣列46那樣提供同樣的間隔,如上所述那樣,以使輸入和輸出耦合容易。
本裝置的另外一個(gè)實(shí)施例將使用阻擋元件46以修整在每個(gè)波長(zhǎng)上發(fā)送的光能(增益)的數(shù)量。于是,能夠由諸如光放大器、激光二極管陣列、或網(wǎng)絡(luò)來(lái)使用這種阻擋元件110,以使來(lái)自光網(wǎng)絡(luò)的其他部分的不平坦的增益平坦。增益分布的可能改變的例子在上面討論的圖5a、5b、和5c中示出。
工業(yè)應(yīng)用性預(yù)期本發(fā)明的集成軸向梯度折射率/衍射波分多路復(fù)用器/去多路復(fù)用器在基于WDM的網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)中找到廣泛的應(yīng)用。
于是,已經(jīng)揭示了一種集成軸向梯度折射率/衍射光柵波分多路復(fù)用器和去多路復(fù)用器。熟悉本領(lǐng)域的人將容易明白,對(duì)于一個(gè)顯著的性質(zhì)可以做出各種變化和修改,而認(rèn)為所有這些變化和修改都落在如所附的權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種集成軸向梯度折射率/衍射光柵波分多路復(fù)用器裝置,其特征在于,包括(a)用于接收來(lái)自光源的包含至少一個(gè)波長(zhǎng)的至少一個(gè)光束的裝置,所述裝置包括一個(gè)平的前表面,所述至少一個(gè)光束入射在所述前表面上;(b)耦合器子系統(tǒng),包括(1)軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡,它在操作上與所述平的前表面相關(guān)聯(lián),以及(2)均勻折射率罩透鏡,它加接至所述軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡,并且具有平的出射表面,所述至少一個(gè)光束射出所述出射表面;(c)衍射光柵,它做在所述第一耦合器子系統(tǒng)的所述平的出射表面處,用于把來(lái)自所述至少一個(gè)光束的多個(gè)空間上分開的波長(zhǎng)組合為至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色光束,并且用于把所述至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色光束反射回來(lái),進(jìn)入所述耦合器子系統(tǒng);以及(d)用于輸出所述至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色輸出光束至一個(gè)光接收器,所述裝置包括所述平的前表面。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述就衍射光柵是Littrow衍射光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述平的出射平面具有以垂直于由所述衍射光柵衍射的至少一個(gè)波長(zhǎng)的角度的一個(gè)傾斜表面,所述傾斜表面如此傾斜,從而來(lái)使耦合器子系統(tǒng)的入射波長(zhǎng)被反射回來(lái)進(jìn)入所述耦合器子系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,還包括至少一個(gè)電光元件,用于折射單個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng),以提供通道路由能力。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于,在所述光源和所述平的前表面之間還包括非線性電光元件。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于,在所述光源和所述平的前表面之間還包括可各別地尋址的電光元件。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,從光纖、激光器和激光二極管構(gòu)成的組中選擇所述光源。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述光源包括至少一根發(fā)送多個(gè)波長(zhǎng)的光纖。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述光源包括光纖的一維陣列。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述光源包括光纖的二維陣列。
11.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述光源包括激光二極管的一維陣列。
12.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述光源包括激光二極管的二維陣列。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,從光纖和光電檢測(cè)器構(gòu)成的組中選擇所述光接收器。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述光接收器包括光纖的一維陣列。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述光接收器包括光纖的二維陣列。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述光接收器包括光電檢測(cè)器的一維陣列。
17.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述光接收器包括光電檢測(cè)器的二維陣列。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述至少一個(gè)光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且從所述耦合器子系統(tǒng)出射,由此起多路復(fù)用器的作用。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置,其特征在于,多于一個(gè)的所述至少一個(gè)光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且作為所述至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色光束從所述耦合器子系統(tǒng)出射。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且從所述耦合器子系統(tǒng)出射,由此起去多路復(fù)用器的作用。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置,其特征在于,至少一個(gè)所述至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且作為多于一個(gè)所述至少一個(gè)光束從所述耦合器子系統(tǒng)出射。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,在所述接收裝置和所述耦合器子系統(tǒng)之間還包括至少一個(gè)均勻折射率元件。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,還包括至少一個(gè)電光元件,用于阻擋單個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng),以提供通道阻擋能力。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述耦合器子系統(tǒng)提供具體想要的作為波長(zhǎng)函數(shù)的通道輸出強(qiáng)度的功能。
25.一種集成軸向梯度折射率/衍射光柵波分多路復(fù)用器裝置,其特征在于,包括(a)軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播的多個(gè)單色光束,以及用于聚焦沿第二方向傳播的經(jīng)多路復(fù)用的多色光束,第二方向大體上與第一方向相反;(b)均勻折射率罩透鏡,它加接至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,用于使來(lái)自軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的多個(gè)單色光束沿第一方向傳輸,以及用于使經(jīng)多路復(fù)用的多色光束沿第二方向傳輸至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,均勻折射率罩透鏡具有平的連接面;以及(c)衍射光柵,它在均勻折射率罩透鏡的平的連接面處形成,用于把多個(gè)單色光束組合為經(jīng)多路復(fù)用的多色光束,并且用于把經(jīng)多路復(fù)用的多色光束反射回來(lái),進(jìn)入均勻折射率罩透鏡。
26.如權(quán)利要求25裝置,其特征在于,均勻折射率照透鏡是第一均勻折射率罩透鏡,所述裝置還包括第二均勻折射率罩透鏡,它加接至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,用于沿第一方向傳輸多個(gè)單色光束至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,以及用于使來(lái)自軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的經(jīng)多路復(fù)用的多色光束沿第二方向傳輸。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置,其特征在于,第二均勻折射率罩透鏡具有平的連接面,用于接收來(lái)自光源的多個(gè)單色光束,以及用于輸出經(jīng)多路復(fù)用的多色光束至光接收器。
28.如權(quán)利要求25所述的裝置,其特征在于,軸向梯度準(zhǔn)直/聚焦透鏡具有平的連接面,用于接收來(lái)自光源的多個(gè)單色光束,以及用于輸出經(jīng)多路復(fù)用的多色光束至光接收器。
29.一種集成軸向梯度折射率/衍射光柵波分去多路復(fù)用器,其特征在于,包括(a)軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播的經(jīng)多路復(fù)用的多色光束,以及用于聚焦沿第二方向傳播的多個(gè)單色光束,第二方向大體上與第一方向相反;(b)均勻折射率罩透鏡,它加接至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,用于使來(lái)自軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的經(jīng)多路復(fù)用的多色光束沿第一方向傳輸,以及用于使多個(gè)單色光束沿第二方向傳輸至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,均勻折射率罩透鏡具有平的連接面;以及(c)衍射光柵,它在均勻折射率罩透鏡的平的連接面處形成,用于把經(jīng)多路復(fù)用的多色光束分開為多個(gè)單色光束,并且用于把多個(gè)單色光束反射回來(lái),進(jìn)入均勻折射率罩透鏡。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置,其特征在于,均勻折射率照透鏡是第一均勻折射率罩透鏡,所述裝置還包括第二均勻折射率罩透鏡,它加接至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,用于沿第一方向傳輸經(jīng)多路復(fù)用的多色光束至軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡,以及用于使來(lái)自軸向梯度折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的經(jīng)多個(gè)單色光束沿第二方向傳輸。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置,其特征在于,第二均勻折射率罩透鏡具有平的連接面,用于接收來(lái)自光源的經(jīng)多路復(fù)用的多色光束,以及用于輸出多個(gè)單色光束至光接收器。
32.如權(quán)利要求29所述的裝置,其特征在于,軸向折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡具有平的連接面,用于接收來(lái)自光源的經(jīng)多路復(fù)用的多色的光束,以及用于輸出多個(gè)單色光束至光接收器。
對(duì)PCT/US98/26368國(guó)際申請(qǐng)的文本按PCT第19條進(jìn)行修改時(shí)的聲明在替換頁(yè)中,對(duì)原先的權(quán)利要求1、3、5-17以及19-22作了修改,原先的權(quán)利要求2、4和18保持不變,并且增添了新的權(quán)利要求25-32。為了更正一些不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇朕o而對(duì)權(quán)利要求1、3、5-17以及19-22進(jìn)行了修改。增添權(quán)利要求25-32以涉及本發(fā)明的另外一些方面。未增添新的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種集成軸向梯度折射率/衍射光柵波分多路復(fù)用器裝置,其特征在于,包括(a)用于接收來(lái)自光源的包含至少一個(gè)波長(zhǎng)的至少一個(gè)輸入光束的裝置,所述裝置包括一個(gè)平的前表面,所述輸入光束入射在所述前表面上,并且所述裝置適合于連接輸入和輸出光學(xué)裝置;(b)耦合器子系統(tǒng),包括(1)軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡,它在操作上與所述平的前表面相關(guān)聯(lián),以及(2)均勻折射率罩透鏡,它加接至所述第一軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡,并且具有平的出射表面,所述至少一個(gè)光束進(jìn)出所述出射表面;(c)衍射光柵,它做在所述第一耦合器光學(xué)子系統(tǒng)的所述平的出射表面處,它把多個(gè)空間上分開的波長(zhǎng)組合為至少一個(gè)光束,并且把所述至少一個(gè)經(jīng)組合的光束反射回來(lái),進(jìn)入所述耦合器子系統(tǒng);以及(d)用于產(chǎn)生至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色的輸出光束至一個(gè)光接收器,所述裝置包括所述平的輸入/輸出表面。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述就衍射光柵是Littrow衍射光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述平的出射平面具有以垂直于由所述衍射光柵衍射的至少一個(gè)波長(zhǎng)的角度的一個(gè)傾斜表面,所述傾斜表面如此傾斜,從而來(lái)使耦合器子系統(tǒng)的入射波長(zhǎng)被反射回來(lái)進(jìn)入耦合器子系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,還包括至少一個(gè)電光元件,用于折射單個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng),以提供通道路由能力。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于,在所述輸入光學(xué)裝置和所述平的前表面之間還包括非線性電光元件。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于,在所述輸入光學(xué)裝置和所述平的前表面之間還包括可各別地尋址的電光元件。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,從光纖、激光器和激光二極管構(gòu)成的組中選擇所述輸入光學(xué)裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述輸入光學(xué)裝置包括至少一根發(fā)送多個(gè)波長(zhǎng)的光纖。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述輸入光學(xué)裝置包括光纖的一維陣列。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述輸入光學(xué)裝置包括光纖的二維陣列。
11.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述輸入光學(xué)裝置包括激光二極管的一維陣列。
12.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,所述輸入光學(xué)裝置包括激光二極管的二維陣列。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,從光纖和光電檢測(cè)器構(gòu)成的組中選擇所述輸出光學(xué)裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述輸出光學(xué)裝置包括光纖的一維陣列。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述輸出光學(xué)裝置包括光纖的二維陣列。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述輸出光學(xué)裝置包括光電檢測(cè)器的一維陣列。
17.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于,所述輸出光學(xué)裝置包括光電檢測(cè)器的二維陣列。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述至少一個(gè)光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且從所述耦合器子系統(tǒng)出射,由此起多路復(fù)用器的作用。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置,其特征在于,多于一個(gè)的所述光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且作為單個(gè)經(jīng)組合的光束從所述耦合器子系統(tǒng)出射。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述至少一個(gè)光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且從所述耦合器子系統(tǒng)出射,由此起去多路復(fù)用器的作用。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置,其特征在于,至少一個(gè)所述光束入射在所述耦合器子系統(tǒng)上,并且作為多個(gè)空間上分開的光束從所述耦合器子系統(tǒng)出射。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,在所述輸入裝置和所述耦合器子系統(tǒng)之間還包括至少一個(gè)均勻折射率元件。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,還包括至少一個(gè)電光元件,用于阻擋單個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng),以提供通道阻擋能力。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述耦合器子系統(tǒng)提供具體想要的作為波長(zhǎng)函數(shù)的通道輸出強(qiáng)度的功能。
全文摘要
提供了一種波分多路復(fù)用器,它把軸向梯度折射率元件和衍射光柵加以合并,以提供與多個(gè)輸入光源的有效耦合(每個(gè)光源傳遞單個(gè)波長(zhǎng)至裝置),這些光源被多路復(fù)用為單個(gè)多色光束,以輸出至單個(gè)輸出光接收器。裝置包括:(a)有于接收來(lái)自至少一個(gè)光源的光輸入的裝置,該裝置包括一個(gè)平的表面;(b)耦合元件,包括:(1)軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡,它具有平的入射表面,光輸入入射在該表面上,以及(2)均勻折射率罩透鏡,它加接在軸向梯度折射率準(zhǔn)直透鏡上,并且具有平面狀但傾斜的出射表面;(c)衍射光柵(諸如Littrow衍射光柵),做在均勻折射率罩透鏡的傾斜的表面上,它把來(lái)自光源的多個(gè)空間上分開的波長(zhǎng)加以組合;以及(d)用于輸出至少一個(gè)經(jīng)多路復(fù)用的多色的輸出光束的裝置,該裝置包括一個(gè)平的表面。裝置可以作為多路復(fù)用器沿正向工作,或者作為去多路復(fù)用器沿反向工作。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1281555SQ98812137
公開日2001年1月24日 申請(qǐng)日期1998年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月13日
發(fā)明者R·H·迪克, R·K·韋德, B·V·亨特, J·R·登普沃爾夫 申請(qǐng)人:萊特契浦股份有限公司
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