CN105938222B - 一种基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器，包括固定支架、多组滤波片和输出准直器、输入准直器以及光学反射镜，多块滤波片依次透射设定波长的光并反射其余光，还包括至少一个第一直角棱镜；所述第一直角棱镜布置在输入准直器与光学反射镜之间的光路上用于全反射来自输入准直器入射光以使输入准直器与光学反射镜上下分层布置；所述第一直角棱镜布置在光学反射镜与滤波片之间的光路上用于全反射光学反射镜与滤波片之间的光束以使接收滤波片透射光的输出准直器与光学反射镜上下分层布置；本发明通过在光路中设置直角棱镜，将光路多次折叠，减少各器件占有的空间，实现紧凑小型密集波分复用器件。

Description

一种基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器。
背景技术
波分复用在现代光网络中有效增加带宽容量的有效方案，其中基于介质膜片技术的相关器件具有性能稳定优越等特点，被广泛的使用。单独封装的三端口器件级联后可以实现多通道多端口的波分复用器件，但这种级联造成大的损耗，考虑到光纤的绕线，无法实现紧凑型波分复用器件。
目前已经利用大角度滤波片，实现了多级滤波片的直接级联，避免了自由空间到光纤的多次耦合，生产出了紧凑型波分复用器件，如图1所示。用于这些器件的介质膜滤波片的设计角度通常是13.5°，10°，或者8°。角度越大，相应的器件的体积就越小。对于密集波分复用器(200/100/50GHz)，滤波片入射角度要设计成大角度在理论上是可能的，但经济上是不可行的。所以目前市场上没有基于自由空间结构的小体积密集波分复用器。
现有的方案中，利用大角度的滤波片，可以实现紧凑型波分复用器，主要用于实现信道分离较大的粗波分复用器，例如CWDM(信道间隔20nm)，LAN-WDM(信道间隔大约5nm)。原因是信道间隔小的滤波片，特别是密集型波分复用(DWDM)的滤波片，当设计角度增加时，其对于两个互相垂直的偏振态的光束的滤波特性会有较大的差异，形成所谓的偏振相关的损耗。由于目前光通讯技术的发展趋势依然是更小，更快，密度更高。例如已经开发了40GBASECWDM，100GBASE LAN-WDM的收发器。目前有技术公司开始开发DWDM的多通道收发器。与之相对应，紧凑型的高性能的密集型波分复用器的开发就至关重要。对于小角度的DWDM了，要实现分波复用，需要有足够的空间密集排列滤波片和准直器，需要很长的光程，使得紧凑小型器件难以实现，如图2所示。
如图3所示，图中的波分复用器(WDM)中光学组件和准直器301，滤波片304和反射镜303在的位置关系。准直器用于将光束耦合到光纤中。滤波片304宽度一般是1.0～1.8毫米。作为输出输入端的准直器由组装到玻璃管中的透镜和光纤尾纤构成，直径一般在1.2～1.8mm之间。对大角度滤波片，要实现反射光束的横向位移1.2～1.8毫米，滤波片304与反射镜303的距离必须至少3～5mm。然而，对小角度DWDM滤波片(入射角一般小于3度)，滤波片与反射镜303的距离必须至少15～25mm，这个距离在图3中用L 305表示的。再加上准直器的长度，从而使装置的体积庞大，无法适用于高速收发器中。
发明内容
本发明提供了一种基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器，适用于小角度DWDM滤波片，尺寸小、结构紧凑，单边出纤，可以直接集成于DWDM收发器，实现高速发射和接收。
一种基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器，包括固定支架、多组滤波片和输出准直器、输入准直器以及光学反射镜，所述输入准直器发射入射光至光学反射镜，所述光学反射镜反射光束至最先透射的滤波片，多块滤波片依次透射设定波长的光并反射其余光，反射的其余光通过光学反射镜反射至下一滤波片，所述输出准直器用于接收对应滤波片透射的光束，还包括至少一个第一直角棱镜；
所述第一直角棱镜布置在输入准直器与光学反射镜之间的光路上用于全反射来自输入准直器入射光以使输入准直器与光学反射镜上下分层布置；
所述第一直角棱镜布置在光学反射镜与滤波片之间的光路上用于全反射光学反射镜与滤波片之间的光束以使接收滤波片透射光的输出准直器与光学反射镜上下分层布置。
本发明中通过设置第一直角棱镜，将滤波片与光学反射镜之间以及输入准直器和光学反射镜之间的光路进行全反射，从而使光路折返、折叠，使输出准直器和输入准直器布置在反射光路区域(光学反射镜)的上方或者下方，即上下分层布置。从而使波分复用器在水平方向上的尺寸大大减小，使装置整体更紧凑，利用直角棱镜将光路折叠，得到基于小角度DWDM滤波片的自由空间结构的波分复用器。
光学反射镜的设置目是配合滤波片实现分波复用，优选的，所述光学反射镜为平面反射镜，所述输入准直器和所有输出准直器同层布置。平面反射镜结构简单，也最常见，光路水平反射，使设备在竖直方向上结构紧凑，此时所有输出准直器以及输入准直器同层并排布置。
光学反射镜还可以采用直角棱镜，通过全反射来实现分波复用，优选的，所述光学反射镜为第二直角棱镜。
采用第二直角棱镜作为光学反射镜使用时，优选的，所述第一直角棱镜的全反射面包括第一上反射面和第一下反射面，所述第二直角棱镜的全反射面与第一下反射面相对布置；直角棱镜的全反射面为两个直角边面，两个直角边分别对应为上反射面和下反射面。
所述输入准直器和所有输出准直器布置在第二直角棱镜同一侧面，第二直角棱镜的全反射使所述输入准直器和所有输出准直器分层，其中，所述输入准直器和第偶数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层，第奇数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层。输出准直器分层布置从而提高散热效果。
为了一次可以将多个信道分出，优选的，所述第一直角棱镜的全反射面包括第一上反射面和第一下反射面，所述第一直角棱镜设有上下布置的两个，所述第二直角棱镜的全反射面包括第二上反射面和第二下反射面，其中，第二上反射面与位于上方的第一直角棱镜的第一下反射面相对布置，第二下反射面与位于下方的第一直角棱镜的第一上反射面相对布置；
所述第二直角棱镜的全反射使所述输入准直器和所有输出准直器分层，其中，所述输入准直器和第偶数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层布置且位于第二直角棱镜的一侧，第奇数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层布置且位于第二直角棱镜的另一侧。三个直角棱镜组合，实现滤波片和输入输出端双层排列，但分布于第二直角棱镜两侧，使得输入输出端准直器的固定更为方便。
上述结构输入准直器与输出准直器有一个2α的角度，α为滤波片的入射角的设计值，不利于光纤管理，也不利于实现结构更紧凑的DWDM器件。为了使得所有准直器可以相同方向紧密平行排列，优选的，所述输入准直器与第一直角棱镜之间的光路上设有调整入射光角度的偏折棱镜以使输入准直器与输出准直器平行设置。所述偏折棱镜可以是直接粘接于直角棱镜的表面，偏折棱镜的顶角设计β使得经过棱镜后的光束以2α入射到直角棱镜。
本发明特别适用于小角度DWDM滤波片，入射角一般小于3度，优选的，所述滤波片的入射角不大于3°。
为了适用于现有的收发器，优选的，所述滤波片和输出准直器设有四组。
为了简化结构，使设备更紧凑，优选的，所述固定支架为连接第一直角棱镜和光学反射镜的平行六面体的玻璃板。光学玻璃平行六面体与第一直角棱镜粘接在一起，将光学器件的支撑与信号传播两种功能集于一体。由光学玻璃制成的棱镜和平行六面体的玻璃板实现光路折叠，光束传播以及准直器固定支架的三重作用。全玻璃结构，相同的热膨胀系数，器件具有高度的稳定性。
为了减小设备的尺寸，方便制造和安装，进一步优选的，所述光学反射镜为玻璃板的一侧面镀高反膜形成。
本发明的有益效果：
本发明通过在光路中设置直角棱镜，将光路多次折叠，减少各器件占有的空间，实现紧凑小型密集波分复用(DWDM)器件。
附图说明
图1为现有技术的大角度波分复用器(8°≤入射角α≤13.5°)原理示意图。
图2为现有技术的小角度波分复用器(入射角α≤3°)原理示意图。
图3为现有技术的波分复用器的结构示意图。
图4为实施例1的波分复用器的支撑底座的立体结构示意图。
图5为实施例1的波分复用器的结构示意图。
图6为实施例2的波分复用器的部分结构示意图。
图7为实施例2的波分复用器的立体结构示意图。
图8为实施例2的波分复用器的侧视的结构示意图。
图9为实施例2的波分复用器的仰视的结构示意图。
图10为实施例3的波分复用器的侧视的结构示意图。
图11为实施例3的波分复用器的立体结构示意图。
图12为实施例4的波分复用器的支撑底板的立体结构示意图。
图13为实施例4的波分复用器的侧视的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图4和5所示，本实施例的波分复用器包括由平行六面体的玻璃板411和直角棱镜410粘接到一起。平行六面体的玻璃板411与棱镜粘接的表面406可以镀增透膜，也可以只是抛光。而它的相对面405则镀高反膜。平行六面体的玻璃板411与直角棱镜粘接的面406与上下表面(401、402)垂直，与侧面(403、404)的角度偏离直角角度，其偏离度为α，等于滤波片设计的入射角度α。平行六面体的玻璃板411的厚度为直角棱镜长边表面的一半。直角棱镜的大表面409镀增透膜，或者露出玻璃板411的上透射面4101镀增透膜，而与玻璃板411粘接面为下透射面4102只是光学抛光。其余相对于粘接面的两个直角面(下反射面407、下反射面408)做光学抛光。上述部件作为光束折返和传输以及输出输入准直器的支撑底板。作为紧凑小型密集波分复用器的主要组成部分。下反射面407和下反射面408组成直角棱镜410的全反射面。
本实施例还包括安装在玻璃板411上的输入准直器509和输出准直器510，输入准直器509将多波长信号光束以α的角度引入，经过直角棱镜410的两个直角面全反射进入平行六面体的玻璃板411，信号光在玻璃板411内传播，被最后高反膜的面402再次反射经过直角棱镜410以α角度入射到第一个滤波片上，只有一个信道的信号通过，被输出准直器510接收。其余所有信道被反射回直角棱镜410，经过类似的路径依次通过第二个、第三个、第四个和更多的滤波片，实现DWDM器件的密集波分复用功能。
实施例2
如图6～9所示，本实施例的波分复用器除了增加了偏折棱镜505以及输入准直镜509的角度改变以外，其余结构与实施例1相同。
实施例1中，输入准直器509与输出准直器有一个2α的角度，不利于光纤管理，也不利于实现结构更紧凑的DWDM器件。为了使得所有准直器可以相同方向紧密平行排列，本实施例中，将偏折棱镜505粘接于直角棱镜410的上透射面4101，偏折棱镜505的顶角设计β使得经过棱镜后的光束以2α入射到直角棱镜410。
多组准直器组装到平行六面体的玻璃板411的密集波分复用器DWDM。在实施例中，有五个准直器。第一个输入准直器509与是其他四个输出准直器501平行放置的。光从第一个输入准直器509通过偏折棱镜505折射，以入射角α投射到直角棱镜410。偏折棱镜505的顶角β可以由斯涅尔定律计算得到，输出准直器501对准滤波片510和直角棱镜410的上反射面。直角棱镜410的上透射面4101镀增透膜，两个直角边表面408和407抛光不镀膜。多波长的信号光经直角棱镜410的两个直角边全反射进入平行六面体的玻璃板411内。信号光在的玻璃板411内传播到达镀有高反膜后表面405,光被再次反射经过直角棱镜410以α角度入射到第一个滤波片上，一个波长的信号光通过第一个滤波片被耦合到第一个输出准直器501。其他波长的光被第一个滤波片反射回直角棱镜410,重复着这个过程直到多个把各种波长的信号光分开，这就完成了多路分解操作。由于光路可逆，将光路反向就实现了多路复用的过程。
图8中，信号光经过直角棱镜410的两直角面抛光面408和407的全反射，进入平行六面的玻璃板411，入射到度高反膜的后表面405反射回来，侧视图中是沿着原光路返回，在图9基于小角度滤波片的多端口DWDM的仰视图中可以看到反射回来的光束在水平方向上有位移，虚线为光束的传播路径。
实施例3
如图10和11所示，本实施例中，为了进一步压缩器件的尺寸，还可以采用双层立体结构。图4中的作为准直器支架和传输介质以及反射镜的平行六面体的玻璃板411用于反射的后表面405可以由一个直角棱镜803来代替。后表面405改为直角棱镜803的直角面，光束在两个直角面反射后折回，但到了另外一个平面，最终通过滤波片805被置于输入准直器804之上平面内的输出准直器801接收。如图10所示，信号光束一次通过上下两层的滤波片805，实现波分复用。图11给出了滤波片和准直器的相对位置。这种方案将输入、输出端有平面排列变成双层立体排列。为了更好地固定准直器，第一层的相邻的准直器之间可用一个等腰的三角块搭桥，形成一个基准面，用于第二层准直器的固定基面。三角玻璃块在准直器下，一个直角边粘接于玻璃支架之上，而斜面与准直器紧密相贴并用胶固定。
实施例4
如图10和11所示，实施例3实现了器件的更密集的排列，双层排列的滤波片可以直接采用表面粘接固定于直角棱镜的表面。但作为输入输出端的准直器，上层交叉排列，不容易固定。如图12和13所示，本实施例依然是采用双层结构，但将准直器固定于玻璃板411的两个相对的表面。这种结构是由三个直角棱镜组成的，两个直角棱镜1020和1030的对称粘接于直角棱镜1050与两个直角面相对的平面上。三个直角棱镜的直角面抛光成光学表面。与实施例1中的平行六面体的玻璃板411一样，直角棱镜1050采用α角度1040斜切，其中α为滤波片设计的入射角度。
这种结构下，输入准直器1060入射的信号光束经过偏折棱镜1070进入直角棱镜1020，经过直角棱镜1020、直角棱镜1060和直角棱镜1030三个棱镜的折返，最终以α角度入射到粘接于入射端下方棱镜表面的滤波片1090，只有一个信道透过滤波片1090被输出准直器1080接收，其余信号的信号再次经过三次折返，返回到粘接于入射端一面的滤波片，再次分离出一个信道。这样一次可以将多个信道分出。图13是本实施例的DWDM的侧视图。

Claims (4)

1.一种基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器，包括固定支架、多组滤波片和输出准直器、输入准直器以及光学反射镜，所述输入准直器发射入射光至光学反射镜，所述光学反射镜反射光束至最先透射的滤波片，多块滤波片依次透射设定波长的光并反射其余光，反射的其余光通过光学反射镜反射至下一滤波片，所述输出准直器用于接收对应滤波片透射的光束，其特征在于，还包括至少一个第一直角棱镜；
所述第一直角棱镜布置在输入准直器与光学反射镜之间的光路上用于全反射来自输入准直器入射光以使输入准直器与光学反射镜上下分层布置；
所述第一直角棱镜布置在光学反射镜与滤波片之间的光路上用于全反射光学反射镜与滤波片之间的光束以使接收滤波片透射光的输出准直器与光学反射镜上下分层布置；
所述滤波片的入射角不大于3°；
所述固定支架为连接第一直角棱镜和光学反射镜的平行六面体的玻璃板；
当所述光学反射镜为平面反射镜，所述输入准直器和所有输出准直器同层布置；
当所述光学反射镜为第二直角棱镜，所述第一直角棱镜的全反射面包括第一上反射面和第一下反射面，所述第二直角棱镜的全反射面与第一下反射面相对布置；所述输入准直器和所有输出准直器布置在第二直角棱镜同一侧面，第二直角棱镜的全反射使所述输入准直器和所有输出准直器分层，其中，所述输入准直器和第偶数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层，第奇数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层；
或所述第一直角棱镜设有上下布置的两个，所述第二直角棱镜的全反射面包括第二上反射面和第二下反射面，其中，第二上反射面与位于上方的第一直角棱镜的第一下反射面相对布置，第二下反射面与位于下方的第一直角棱镜的第一上反射面相对布置；所述第二直角棱镜的全反射使所述输入准直器和所有输出准直器分层，其中，所述输入准直器和第偶数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层布置且位于第二直角棱镜的一侧，第奇数个透射的滤波片以及对应的输出准直器同层布置且位于第二直角棱镜的另一侧。
2.如权利要求1所述的基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器，其特征在于，所述输入准直器与第一直角棱镜之间的光路上设有调整入射光角度的偏折棱镜以使输入准直器与输出准直器平行设置。
3.如权利要求1所述的基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器，其特征在于，所述滤波片和输出准直器设有四组。
4.如权利要求1所述的基于小角度滤波片的紧凑型波分复用器，其特征在于，所述光学反射镜为玻璃板的一侧面镀高反膜形成。
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