CN1165961A - 具有可变入射角的光学薄膜的光学装置 - Google Patents

具有可变入射角的光学薄膜的光学装置 Download PDF

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Abstract

一个光学装置，包括一个准直装置，用于将从一激发窗口出来的光束转变成平行光，并将该平行光输出到一光路中，一个光学薄膜，用以通过从准直装置出来的平行光束，及一个支承装置用于支承光学薄膜，使得光学薄膜可以绕相对于光路倾斜的一个轴转动。光学薄膜相对垂直于该轴的一个平面倾斜。通过绕轴旋转光学薄膜可以改变平行光束在光学薄膜上的入射角。这样，可以提供结构简单含有光学薄膜且其上入射角可变的一光学装置。

Description

具有可变入射角的光学薄膜的光学装置
本发明一般涉及一种光学装置，适用于象光通信***这样的光学***，尤其涉及到改变入射到光学装置里的光学薄膜上的入射角的一种结构。
最近几年，使用二氧化硅光纤作为光学传输线的光通信***已经投入实际使用，因此希望能够减小这种***里使用的光学装置的尺寸，并减少该装置的费用。
我们已经知道，当由单层或多层膜，其传播光束时膜的折射率与光学介质折射率不一样，组成的光学薄膜位于光学介质中时，该光学薄膜可以作为光学带通、长波通、短波通等滤波器。例如，用于光通信***里的光学带通滤波器，就是通过交替分层镀一定厚度的高、低折射率的膜层而得到的。例如，高、低折射率的膜层相应用二氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)形成。
我们知道光学放大器使用掺杂光纤，通常掺入稀土元素例如Er(铒)。在光学放大器里，为了从不需要的噪声光中提取放大了的光信号，经常使用具有高精确度特性的光学带通滤波器。在波分复用的***里，为了使相邻波长信道的大量光信号迭加或从一希望的信道里选取光信号，需要使用具有高精确度特性的光学带通滤波器。
在加工光学薄膜时，上述的高度精确的特性，可以通过精确控制光学薄膜的厚度或对多层膜精确控制每层膜的厚度而获取。然而，例如在加工一带通滤波器时，仅仅依靠加工工艺，往往很难控制一纳光量级的高度精确的通光中心波长。相应地，光学薄膜的特性要精细地加以修正，通常不仅仅是通过在加工时控制膜厚，还在加工完后通过调整入射到光学薄膜上的入射角，这样来改变光学薄膜的等效膜厚。然而，改变入射到光学薄膜上的光线的入射角的机构，往往总是尺寸庞大，结构复杂，光学装置会因有这一机构而增加尺寸及费用。
因此本发明的一个目的是提供含有光学薄膜的光学装置，不仅能改变入射到薄膜上的光线的入射角，而且还能够减少尺寸和费用。
依照本发明，提供了一个光学装置，包含一准直装置，用于将激发窗口发出的光线转变成平行光束，以及将平行光束输出到一光路中；一个光学薄膜，用于将从准直装置输出的平行光线透射出去；一个支承装置，有一个与光路倾斜的轴线，用于支承光学薄膜使薄膜可以绕轴线旋转；光学薄膜相对垂直于轴线的平面倾斜。
在本发明的光学装置里，入射到光学薄膜上的平行光束的入射角可以通过绕支承装置的轴线旋转光学薄膜而加以改变。相应地，可以使用一简单结构改变光学薄膜的入射角，因而可以降低光学装置的费用，减小其尺寸。
把光路与轴线所成的夹角称为第一倾斜角，而把光学薄膜与垂直于轴线的平面所成的夹角称为第二倾斜角，光学薄膜入射角的变化范围上限为第一倾斜角和第二倾斜角之和，而其下限为第一倾斜角和第二倾斜角之差的绝对值。
通过参考附图，它们示出了本发明的一些最佳实施例，研究下面的描述说明及附后的权利要求书，本发明的上述目的及其他目的，特征和优点，以及实现其的方法将变得更明显，本发明本身也就更好理解了。
图1是本发明的第一个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。
图2A和图2B是与图1相似的剖视图，示出了第一个最佳实施例里光学薄膜上入射角的变化范围。
图3表示了一个光学带通滤波器的中心透射波长改变量与其上的入射角的关系图。
图4是本发明的第二个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。
图5是本发明的第三个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。
图6是本发明的第四个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。
图7是本发明的第五个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。
图8是图7的光学装置的横截面视图。
图9示出了图7和图8所示的第五个最佳实施例加以改进后的光学装置的横截面视图。
图10是依据本发明的第六个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。
图11是一个光学带通滤波器的透射损耗与波长关系的曲线图。
下面将参照附图对本发明的几个最佳实施例加以详细的描述。
图1是依据本发明的第一个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。由一个光纤2的激光端2A给出一个激发窗口。在光纤2中传播的光线从激发端2A输出。一个准直装置用于将激发端2A发出的光转变成平行光线，并将平行光线输出到光路OP中，准直装置包括一个与激发端2A相对的透镜4，还包括一个金属套6，其上有一个小孔6A用于安装光纤2，一个固定金属套6及透镜4的套筒8。光纤2安在细孔6A中，以使激发端2A与金属套6的末端面齐平。光纤2的固定可以用如光胶实现。
套筒8有一个直径较小的内置孔8A及一个直径相对较大的内置孔8B。在本最佳实施例中，内置孔8A和8B相互同轴。透镜4用诸如压入配合法来安装在内置孔8A内。金属套6放在内置孔8A内一定深度这样从激发端2A发出的光经透镜4转换成基本平行的光束，而***内置孔8A的金属套6通地诸如激光焊接法来固定到套筒8。
金属套6有虚的中心轴CA，而细孔6A相对中心轴6A偏心。相应地，经准直装置输出的平行光束的光路OP相对中心轴CA倾斜。
一个用于支承光学薄膜14的支承装置，有一虚的中心轴AOS，此轴相对于光路OP倾斜。光学薄膜14可以线轴AOS旋转。支承装置包括一套管10，其外径比套筒8的内置孔8B的直径稍小。套管10的一个端面10A与支承装置的中心轴AOS相垂直，而另一端面10B相对于垂直于轴AOS的一个平面倾斜。套管10是旋转移动式地***套筒10内，其端面10A与套筒8的内置孔8A和8B之间的凸台紧靠。由于在本最佳实施例中内置孔8A与8B共轴，支承装置的中心轴AOS与金属套6的中心轴CA完全重合。也可以使内置孔8B与内置孔8A不同心，从而使轴AOS与中心轴CA不完全一致，并使它们互相平行。支承装置还包括一个透明板12，可由玻璃或类似材料制成。透明板12有第一表面12A，它的圆周部分固定在套筒10的斜端面10B上，而第二表面12B基本整个镀上光学薄膜14。在本最佳实施例中第一表面12A与第二表面12B相互平行。
由于套管10有一倾斜端面10B，以及透明板12的两端面12A与12B互相平行这样的结构，光学薄膜14也就与支承装置的轴AOS成一倾斜角。光学薄膜14可以是例如交替镀SiO2低折射率介质层及TiO2高折射率介质层所形成的多层介质膜。作为光学薄膜14的旋转中心的支承装置轴线AOS相对光路OP倾斜，以及光学薄膜14相对与轴线AOS垂直的平面倾斜，基于这样的结构，入射到光学薄膜14上的光线入射角可以通过相对套筒8转动套管10来加以改变。通常，入射角定为入射到两个不同折射率介质的界面的光线与入射点处该界面的垂直线所成的角度。
下面，我们将给出改变入射到光学薄膜14上的入射角的原理及入射角变动范围。参照图1，参考符号δ表示支承装置的轴AOS与光路OP之间所成的角，而参考符号θ为光学薄膜14与垂直于轴AOS的平面所成的角。在套管10相对套筒8转动时构成的套筒8与套管10的相对位置关系中，下面两种情形使得条件得以满足，即包含光路OP及支承装置的轴AOS的平面与光学薄膜14垂直。
图2A和2B显示了上述条件得以满足的两种情形。若两种情形中透镜4，金属套6和套筒8位于相同的位置，图2B中所示的套筒10的旋转位置与图2A中套管10的位置相差180°。图2A中情形给出最大入射角θ+δ，而图2B所示情形给出最小入射|θ-δ|。
当套管10在图2A所示条件及2B所示条件之间旋转时，同时包括光路OP及支承装置的轴AOS的平面将逐渐与垂直于光学薄膜14的平面成倾斜角，相应地，光学薄膜14上的入射角在最大入射角及最小入射角间连续变化。因而通过套管10的旋转位置的调整，光学薄膜14的入射角可以设定在最大入射角与最小入射角之间的随意角度。例如，若δ＝4°，θ＝8°，入射角可以在4°至12°之间调整。当上面提到的最大入射角和最小入射角严格靠在透明板12的内端面(第一端面12A)上时，这些角度也将近似地适用于透明板12的外端面(第二端面12B)上的光学薄膜14上。
尽管在前述最佳实施例中套管10可以相对套筒8自由转动，可以提供装置使套管10锁定在套筒8上，以便保持通过旋转套管10后得到的某一希望的入射角，或者保证某一薄膜特性。可选的方法之一是在得到期望的入射角度之后通过激光焊接等类似方法来固定套管10到套筒8上。
本发明的唯一限制是条件：倾斜角δ与θ都不能为0°。换句话说，若倾斜角δ与θ中至少有一个为0°，则最大入射角就将与最小入射角相等，入射角就与套管10的旋转无关而保持常数。
下面将参照图3分析光学薄膜的膜特性与其上入射角之间的关系。图3示出了光学薄膜用作光学带通滤波器时的情形中，透过光学薄膜的光的中心透射波长与入射角之间的关系图。从图3显然可以看出，中心透射波长随入射角增大连续减小。这样，利用本发明的机制，就可以通过改变入射角来获得一希望的光学薄膜特性。此外，由于旋转套管10的机构很简单，光学装置可以减小尺寸和成本。
图4示出了本发明的第二个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。在本最佳实施例中，图1中的套管10及透明板12分别被套管10’及透明板12’所代替，套管10’相对的两端面互相平行，而透明板12’的一个端面上镀有光学薄膜14，并与另一端面相倾斜。采用这种结构，就可以和前面第一个最佳实施例中一样，使光学薄膜14与垂直于支承装置的轴AOS的平面倾斜。而且，与第一个最佳实施例相似，用于安置光纤2的金属套6的细孔6A相对金属套6的中心轴CA偏心，可以使轴A OS相对光路OP倾斜。
按照前述原理，相对套筒8转动套管10’，可以改变光学薄膜14上的入射角。并且，旋转支持光学薄膜14的机构非常简单。相应地，在本最佳实施例中所得到的光学装置的光学薄膜14上的入射角可变，而且装置的尺寸和费用都得到降低。
图5是本发明第三个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。用于支持光纤2的金属套6’的中心细孔6A’内安置有光纤2。相应地，光纤2的激光端2A作为激发窗口就位于金属套6’的中心轴CA上。透镜4和金属套6’同轴地安放在具有光滑外圆周表面的套筒8’上。仅有上述结构，从透镜4出来的平行光线的光路OP不会与支承装置的轴AOS倾斜。在本实施方式中，因而使用一个三棱镜16固定在套筒8’的一个端面上，这样使得从准直装置出来的平行光束的光路OP与支承装置的轴AOS倾斜。
由于三棱镜16固定在套筒8’的一个端面，支承装置里的套管不可能再安置在套筒8’里。在本最佳实施方式中，因而将套筒8’放在套管10”里构成支承装置，可以使套管10”绕套筒8’转动。透明板12固定在套管10”的斜端面上，光学薄膜14镀在透明板12上。作为光学薄膜14的旋转中心的支承装置的轴AOS，与金属套6’的中心轴CA重合。
基于本最佳实施例的上述结构，光路OP可以相对支承装置的轴AOS倾斜，而光学薄膜14可以相对垂直于轴AOS的平面倾斜。相应地，入射角可以通过绕套筒8’旋转套管10”加以调整。并且，由于套筒10”的旋转机构极为简单，可以降低光学装置的费用，减小尺寸。
图6是本发明的第四个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。在本最佳实施方式中，采用了与图5中第三个最佳实施例中一样的金属套6’，因而，从透镜4出来的平行光束的光路OP与金属套6’的中心轴CA重合。为了让支承装置的轴AOS相对光路OP倾斜，套管10斜放在套筒8”里。更特殊地，套筒8”有一个较小直径的内置孔8A，用于安放透镜4和金属套6’，及一个较大直径的内置孔8B’用于安放可旋转移动的套管10。内置孔8B’相对内置孔8A倾斜。与前一最佳实施方式一样，光学薄膜14相对垂直于支承装置的轴AOS的平面倾斜。
光学薄膜14上的入射角可以通过绕套筒8”旋转套管10来加以调整。并且，绕套筒8”旋转套管10的机构极为简单，光学装置的费用及尺寸都得到减小。
图7和图8分别是本发明的第五个最佳实施例光学装置的轴向剖面图和横向截面图。也就是说，图8是沿图7中线VIII-VIII的截面图。光纤2***并固定在金属套6’的中央细孔6A’内。透镜4和金属套6’同轴地安放在套筒8’内。套筒8’比如用激光焊接法固定在一基座18上。从透镜4出来的平行光束的光路OP与金属套6’的中心轴CA完全重合。为了让支承装置的轴AOS相对光路OP倾斜，套管10安装在基座18上的倾斜的槽18A上，可以前后滑动，或转动。槽18A基本上是一半圆柱形，由与光路OP成一给定倾斜角的母线的轨迹所确定。这些母线平行于支承装置的轴AOS。透明板12固定在套管10的斜端面上，这样可使光学薄膜14相对于垂直于支承装置的轴AOS的平面倾斜。
在槽18A内旋转套管10可以调整光学薄膜14上的入射角。相应地，旋转套管10得到一个希望的入射角或薄膜特性后可以用激光焊接法等将套管10固定到基座18上，以保持住该入射角度。尽管图中所示的槽18A的直径比套管10的外径要大，也可以让它们的大小基本一样，以减少光学薄膜14的转动中心即支承装置的轴AOS的晃动量。同样在本最佳实施方式中的光学装置可改变入射到光学薄膜14上的入射角，并降低装置的费用，减小尺寸。
图9是图7和图8所示的第五个最佳实施例中的光学装置加以改进后的截面图。在该改进中，图8中的基本半圆柱形的槽18A改成了做在基座18上的棱柱形槽18B。槽18B的沿轴方向(该方向与图9纸平面垂直)相对光路OP倾斜(见图7)，并且槽18B的宽度设计得比套管10的外径要小。相应地，套管10可移动及转动地安放在基座18上，在那样方式下套管10的外圆周表面与槽18B的矩形开口的一对平行纵棱相接触。在这种接触方式下，由于套管10是由基座18上槽18B的一对平行纵棱来支承的，使得套管10的位置可以精确固定。
图10是本发明第六个最佳实施例的光学装置的轴向剖面图。该光学装置可以用作包含有掺有稀土元素如铒(Er)的掺杂光纤的光学放大器的一部分。
光纤2的激发端面2A作为激发窗，光纤2偏心地固定在金属套6上。透镜4***并固定在透镜筒(套筒)20上。金属套6***透镜筒20一个给定深度并用激光焊接法等固定在透镜筒20上。透镜筒20***并固定到套筒21上，套筒21固定在一支架22上。套筒21通过一个圆柱形光学隔离器24联接到套筒26上。套筒26有一斜端面26A，镀有光学薄膜14的透明板12固定在套筒26的斜端面26A上。光学隔离器24固定在套筒21上，而套筒26可前后滑动或转动地装配在光学隔离器24的外圆周表面。相应地，光学薄膜14上的入射角可通过转动套筒26而加以调整。
经过光学薄膜14的平行光束经耦合器(coupler)膜28分成反射光束和透射光束。耦合器膜28镀在玻璃基片30上，玻璃基片30固定在一镜筒32上。镜筒32固定在支架22上。一个透镜筒40***并固定在镜筒32上。一个透镜42***并固定在透镜筒40上。一金属套44也***并固定于透镜筒40，一个输出光纤46固定在金属套44的端头上。从耦合膜28出来的透射光束经透镜42聚焦，并耦合到光纤46的激发端46A。自耦合膜28的反射光束穿过支架22上的孔22A进入光电二极管48的光电探测区。光电二极管48固定在支架22的外表面。
一个由泵浦光源(未画出)泵浦的掺杂光纤(图中未画出)连到光纤2的上游端。在掺杂光纤中，比如用铒作掺杂物，用于放大1.55μm波段的光信号，在这种情况下，比如把泵浦光源的泵浦光波长定为1.48μm。为了使用光电二极管48监测放大后信号光的功率，光学薄膜14具有一个光学带通滤波器的功能。在一个波分复用***里，使用的光信号波长准确到1nm的数量级。相应地，为精确地监测波分复用(WDM)***里的放大的光信号的功率，光学薄膜14(光带通滤波器)的中心透射波长最好也能精确到1nm或更小水平。
图11示出了一个光学滤波器里透射损耗(dB)与波长(nm)的关系图。当信号光波长设为1552nm时，图10所示的光学装置里的光学薄膜14应具有曲线50所示的特性。仅靠确定光学薄膜的加工条件是很难得到这一特性的。在图10的光学装置中，可以通过旋转套筒26改变光学薄膜14上的入射角来得到曲线52和曲线54之间的各种光学薄膜14特性的变化。相应地，具有高精确特性的光学带通滤波器的加工条件可以要求松一些。
经过耦合膜28后的反射光束与透射光束的强度的比可以设定为例如1∶20。例如光电二极管48的监测结果可以用于自动电平控制(ALC)。在一个通常的ALC环路里，通过控制泵浦光的功率来保证光电二极管的输出电平保持常数，这样可以使光放大器输出幅度保持在一个常数。
要使用光隔离器24的原因，是因为要防止用掺杂光纤作光放大介质的光学谐振腔结构引起的振荡或其他情况的出现。
尽管在上述最佳实施方式中光纤的激发端是作为激发窗口，本发明本身并不局限于这种结构形式。例如，象激光二极管这样的光源可以用作激发窗口。在“准直装置将激发窗口出来的光转变成平行光束并将平行光束输出的光路”，中的“平行光束”应作广义的理解。即“平行光束”不仅指一束平行的光线，还可以指一束发散或会聚的数值孔径(NA)比激发窗口发射的光束的要小的光线。在准直装置将激发窗口出来的光束转变成一束平行光线的集合并将这些光线输出到光路的情形中，所有光束在光学薄膜上的入射角精确互相相等，因而光学薄膜的特性可以高度精确地设定。
依照本发明，如上所述，能够设计出一种含有光学薄膜而入射角可变的光学装置，能够降低费用，减小尺寸。
本发明不局限于以上叙述的最佳实施例的细节。本发明的范围由所附的权利要求限定，权利要求范围之内的任何变动与调整均从属于本发明。

Claims (14)

1.一种光学装置，包括：
一个光学准直装置，用于将从激发窗口出来的光束转变成平行光束并将该光束输出到一光路中：
一个光学薄膜，用于通过从所述准直装置里输出的所述平行光束；以及
一个支承装置，其轴倾斜于所述光路，用于支承所述光学薄膜以使所述薄膜可以绕所述轴旋转；
所述光学薄膜相对于垂直于所述轴的一个平面倾斜。
2.根据权利要求1的光学装置，其中所述激发窗口是一光纤的激发端，以及所述准直装置包括有一个透镜，与所述的光纤的所述激发端相对。
3.根据权利要求2的光学装置，其中所述准直装还包括有一细孔的金属套，细孔中用于安放所述光纤，以及一个第一套筒，用于支承所述金属套及所述透镜；以及
所述支承装置，包括有可相对于所述第一套筒旋转的第二套筒；以及一个透明板，其第一面固定到所述第二套筒的一个端面，而其第二面上镀有所述光学薄膜。
4.根据权利要求3的光学装置，其中所述金属套的中心轴平行于所述轴或与所述轴重合，以及所述细孔与所述中心轴不同心，而所述光路相对于所述轴倾斜。
5.根据权利要求3的光学装置，其中所述准直装置还包括一个与所述透镜相对的三棱镜，而所述光路与所述轴倾斜。
6.根据权利要求3的光学装置，其中所述套筒有一个第一内置孔以***和固定所述金属套及所述透镜，以及一个第二内置孔以安置可以前后移动及旋转的所述第二套筒，相对于第一内置孔倾斜的第二内置孔，而所述光路相对于所述轴倾斜。
7.根据权利要求3的光学装置，其中还包括一个基座以固定所述第一套筒，所述基座上有一个半圆柱形槽该半圆柱形由相对于所述光路倾斜的母线的轨迹所确定。
8.根据权利要求3的光学装置，还包括一基座以固定所述第一套筒，所述基座上有一相对于所述光路倾斜的棱柱形槽；
其中所述第二套筒可前后移动及转动地安放在所述槽的相对棱边上，而所述光路相对于所述轴倾斜。
9.根据权利要求3的光学装置，其中所述第二套筒的所述端面相对于所述平面倾斜，而所述光学薄膜相对于所述平面倾斜。
10.根据权利要求3的光学装置，其中所述第二套筒的所述端面基本垂直于所述轴，以及所述透明板的所述第一面相对于所述第二面倾斜，而所述光学薄膜相对于所述平面倾斜。
11.根据权利要求1的光学装置，还包括：
一个装置，用于将穿过所述光学薄膜的所述平行光束分成第一及第二分支光束；
一个光电二极管，用于接收所述第一分支光束，并根据所述第一分支光束的光强将所述第一分支光束转换成一电信号，并输出该电信号；
所述第二分支光束从一输出窗口输出。
12.根据权利要求11的光学装置，其中：
所述激发窗口是一个第一光纤的一个激发端；
所述准直装置包括与所述第一光纤的所述激发端相对的一个第一透镜；
所述输出窗口是一个第二光纤的一个激光端；及
所述光学装置还包括一个第二透镜，用于使所述第二分支光束聚焦并耦合到所述第二光纤的所述激发端中去。
13.根据权利要求1的光学装置，其中所述光学薄膜包含一多层介电膜。
14.根据权利要求1的光学装置，其中所述光学薄膜包括一个光学带通滤波器。
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