CN1584646A - 动态光耦合器 - Google Patents

Abstract

一种动态光耦合器，其特征是在一光路上依次为输入光纤组、准直透镜组、达曼光栅位相板、会聚透镜和输出光纤组，所述的输入光纤组位于准直透镜的前焦面上，达曼光栅位相板位于准直透镜组的后焦面上会聚透镜的前焦面和准直透镜组的后焦面重合，输出光纤组位于会聚透镜的后焦面上，输出光纤组每一光纤的输入端都带有自准直透镜，所述达曼光栅位相板具有有光栅区域和无光栅区域，它还有推动其位移的移动器，会聚透镜的数值孔径与自准直透镜的数值孔径相匹配。本发明与已有技术相比，不仅具有开关型分束器与耦合器功能，还可以实现分束与合束的动态转换。

Description

动态光耦合器

技术领域

本发明涉及光通信，特别是一种动态光耦合器，它利用衍射光学元件达曼光栅以实现较大数目的动态光耦合和光分束。

背景技术

随着科技和社会的发展，人们对信息的需求量逐渐增大。光纤通信以其高速、大容量、保密性好、低成本等优点，超越了传统的电缆通信，是二十一世纪通信技术发展的方向。如何实现N路到M路及N路到单路的动态光耦合技术就成为加快光通信技术发展的关键问题。

目前光通信中的分束多采用常规熔锥型光纤耦合器，其特点是损耗低，结构简单，便于加工制造，缺点是制作技术需要复杂的光纤预处理，包括预拉伸、预刻蚀等，且熔融拉锥数目不宜很大，完全不适合大数目光纤的耦合和分束。多个光纤耦合器串连建立的大输出端口数目的1×N耦合器必然会带来更高的损耗和更低的性能。高偏振的有关损耗和更大的非均匀性造成的窄宽带使光纤耦合器不能适应多种光纤网络对宽带1×N光纤耦合器的要求。

衍射光学元件体积小、重量轻，非常适合在光通信开关中使用。在先技术[1](J.J.Pan and T. Zhu，″1×N fiber coupler employing diffractiveoptical element″，Electronics Letters 35，No.4，324-325(1999))曾提出用衍射光学元件实现1×N光纤耦合结构，但并没提出动态光耦合的结构，即此结构只能实现光分束，并不能实现光并束，也不能实现分束与并束之间的转换。在先技术[2](周常河，赵欣，刘立人，“用于光通信中的动态耦合器”，申请日：2001年10月22日，申请号：01131972.0，公开号：CN1343894A，公开日：2002年4月10日，申请国家：中国)提出了基于偶数型达曼光栅的动态光耦合器，可实现动态的分束与合束，这在很大程度上推进了二元光学与光纤通讯交叉应用，但其位移器移动所需精度较高(微米量级)，且限于偶数数目的等光强光斑输出，应用范围有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提出一种动态光耦合器，该光耦合器具有开关型分束器与耦合器功能，还可以实现分束与合束的动态转换。

本发明的技术解决方案如下：

一种动态光耦合器，其特征是在一光路上依次为输入光纤组、准直透镜组、达曼光栅位相板、会聚透镜和输出光纤组，所述的输入光纤组位于准直透镜的前焦面上，达曼光栅位相板位于准直透镜组的后焦面上会聚透镜的前焦面和准直透镜组的后焦面重合，输出光纤组位于会聚透镜的后焦面上，输出光纤组每一光纤的输入端都带有自准直透镜，所述达曼光栅位相板具有有光栅区域和无光栅区域，它还有推动其位移的移动器，会聚透镜的数值孔径与自准直透镜的数值孔径相匹配。

所述的输入光纤组和输出光纤组的光纤数目不同。

所述的输入光纤组和输出光纤组的光纤数目相同。

所述的达曼光栅位相板是一维的，其有光栅区域和无光栅区域分别占该达曼光栅位相板的左右一半。

所述的达曼光栅位相板可以是二维达曼光栅位相板(3)，其达曼光栅部分占该二维达曼光栅位相板的1/4，相应的输出光纤组也应是二维阵列输出光纤组。

所述的二维输出光纤组的每一根光纤都带有自准直透镜，所述二维达曼光栅位相板具有有光栅区域和无光栅区域，并带有推动其沿X轴和Y轴变换位移的二维移动器。

下面介绍一下达曼光栅的特性，以及如何利用达曼光栅的特性实现本发明的功能。有关达曼光栅的设计细节可参阅在先技术[3](ChangheZhou，and Liren Liu，″Numerical study of Dammann array illuminators″，Appl.Opt.34，5961-5969(1995))。

空间坐标调制型二值位相的达曼光栅是由H.Dammann提出的用于产生二维会聚光束阵列的光学元件。它对入射光波产生的夫琅和费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，在多重成像、二维阵列照明、模式识别、光纤耦合器等方面都有应用价值。

考虑设计达曼光栅的过程是：对于一个矩形单元，其透过率分布为

$t_k\left(x\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{x-(x_{k+1}+x_k)/2}{x_{k+1}-x_k}\right)---\left(1\right)$

其中x为位相变换点的距离，x_k为第k个位相变换点的距离，x_k+1为第k+1个位相变换点的距离。那么在近轴条件下，其傅里叶变换为

其中α_k＝2nπx_k，n为达曼光栅的衍射级次，α_k为第k个位相变换点在第n级衍射级次上对应的位相角。

对于零级谱点强度为

$I_0={[1+2\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{x}_k]}^2---\left(3\right)$

对非零级，其谱点强度为

$I_n={\left(\frac{1}{\mathrm{n\π}}\right)}^2\left\{\right[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k\sin {\mathrm{\α}}_k{]}^2+[1+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k\cos {\mathrm{\α}}_k{]}^2\}---\left(4\right)$

对于奇数阵列照明器，衍射效率定义为：

$\mathrm{\η}=I_0+2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i---\left(5\right)$

对于偶数阵列照明器，衍射效率定义为：

$\mathrm{\η}=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{2i-1}---\left(6\right)$

以上就是达曼光栅的衍射特性。

本发明的技术效果：

本发明动态光耦合器是基于达曼光栅而建立的，可实现光纤传输的分束，又可实现光纤传输的合束，还可以实现光纤传输的分束与合束的动态转换，且操作相当简便。

本发明最主要结构上与在先技术的不同是：在先技术[1]中是一块位相板，且未指明位相板的类型，而本发明是采用达曼光栅位相板，并且带有位移器，通过位相板的移动，以实现动态的分束和合束的功能；在先技术[2]中使用的是两块互补的达曼光栅位相板，其对准精度要求很高，移动器的移动范围在半个周期内(微米量级)，而本发明采用的是单个位相板，精度要求大大降低，移动器移动范围很大，操作简便。

由于本发明中达曼光栅位相板的制作特点，较小的位移就可以实现光束的分束与合束的开关功能，而且可以实现分束器和合束器的动态转换，具有体积小，重量轻，能耗省的特点，比在先技术中的机械光开关控制简单，速度快，由于位相板的制造工艺是和大规模集成电路技术相兼容的技术，因此，可大批量复制生产，成本会降低，有明显的优越性。特别是应用到目前机械光交换技术较难实现的中大规模光交换阵列时，本发明就更有特别的优越性，有特别重要的应用价值。

本发明还可以推广到二维的形式，利用二维达曼光栅，采用二维编码形式就能实现将输入光纤中的光动态耦合输出到二维输出光纤阵列中，实现二维分束的功能；沿X轴(或Y轴)一定位移后，等效于位相差为零，输入光纤组中的光束就全部地耦合到放在会聚透镜焦点处的一根光纤中，实现了二维合束的功能。

附图说明

图1本发明动态光纤耦合器分束状态示意图。

图2本发明动态光纤耦合器合束状态示意图。

图3本发明所需达曼光栅位相板3的结构图。

图4是用红外CCD(Hamamatsu公司C2741-03型)接收到的当输入光束全部作用于达曼位相板有光栅区域时的输出光点

图5是用红外CCD(Hamamatsu公司C2741-03型)接收到的当输入光束全部作用于无光栅区域时的输出光点。

图6是二维空间动态耦合器所需的二维达曼光栅位相板(以3×3为例)结构示意图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明的一个具体实施例，由图可见，本发明的动态光耦合器的构成：在一光路上依次是输入光纤组1、准直透镜组2、达曼光栅位相板3、会聚透镜4和输出光纤组5。其中输入光纤组1放置在准直透镜2的前焦面上，位相板3放在准直透镜组2的后焦面上，也是会聚透镜4的前焦面上，输出光纤组5放在会聚透镜4的后焦面上，两个光纤组的光纤数目可以相同，也可以不同，记为N和M。输出光纤组5带有自准直透镜6。位相板3带有移动器7。会聚透镜4的数值孔径与自准直透镜的相匹配。

达曼光栅位相板3分为有光栅区域31和无光栅区域32，且各占该达曼光栅位相板3的一半，如图3所示。

其中移动器7推动位相板3移动，使该位相板3的有光栅区域31和无光栅区域32分别处于光束中起作用。当有光栅区域31作用时，来自输入光纤组1的N束光经过准直透镜组2准直再经过位相板3，再经会聚透镜4后，经输出光纤组5每一根光纤的自准直透镜6会聚被均匀相等地衍射到输出光纤组5中，实现分束功能。当移动器6推动位相板3，使无光栅区域32起作用时，来自输入光纤组1的N束光全部被会聚透镜4会聚到位于会聚透镜4焦点处的输出光纤组5的一根光纤中，实现了合束的功能，如图2所示。

下面列出图1实施例的具体结构及参数：

由1×4的输入光纤组1中出射的1550nm的光束经准直透镜组2准直后，照在位相板3上，经过位相板3衍射后，在会聚透镜4的后焦面上会聚到自准直透镜6上，再耦合进入输出光纤组5中。光纤的纤芯直径为1.8mm，移动器7的机械刻度为5μm，设计位相板3的参数：周期为d＝100μm，光栅面积为20mm×20mm，为1×8达曼光栅，由二元光学工艺技术制造，其一周期内的位相变换点的具体参数如下表所示。表中：1×8达曼光栅一个周期(100μm)内的位相变换点的具体数值(单位：100μm)

x0	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7
								0	6.185	17.654	20.858	31.797	50.000	56.185	67.654

x8	x9	x10
			70.858	81.797	100.000

铬掩模版由电子束制版法制作，通过接触转印和曝光，掩模版上的图案转移到玻璃基底的光刻胶上。我们使用的是涂有AZ1805光刻胶的铬版(铬型LRC，铬厚145nm，胶厚570nm)，经过显影、去铬后，利用湿化学刻蚀方法将带有掩模版图案的玻璃基底在腐蚀液中进行刻蚀，将玻璃基底表面向下刻蚀所需位相深度。最后经过去铬、清洗等步骤，得到所需位相板。我们使用的玻璃基底对应1550nm波长的折射率n＝1.51362，位相刻蚀深度为1.53μm。移动器7移动达曼光栅位相板，使入射光全部作用在有光栅区域时，所有来自输入光纤组1的光被均匀地衍射到1×8输出光纤组5中，每路输出光纤都可同时接收到1×4输入光纤组任意一路的信号，这就是实现了分束的功能。当移动器7推动位相板3，使入射光全部作用在无光栅区域时，所有来自输入光纤组1中的光都被会聚透镜4收集到位于其焦点处的输出光纤的自准直透镜上，经耦合后进入此输出光纤中，旁边其它输出光纤收集不到来自输入光纤组1的光，这就是完成了合束的功能。

本发明可以推广到二维空间(结构图同图1和图2)。制作所需输出阵列数目的二维达曼光栅的结构如图6所示，二维达曼光栅位相板分为有光栅区域和无光栅区域。根据采用的二维达曼光栅位相板的输出光束点阵特征排列二维输出光纤阵列，就能将输入光纤中的光动态耦合输出到二维输出光纤阵列中，实现二维分束的功能。采用二维位移器，沿X轴(或Y轴)一定位移后，等效于位相差为零，输入光纤组1中的光束就全部地耦合到放在会聚透镜4焦点处的一根光纤中，实现了二维合束的功能。其工作原理与一维的情况相似，在此不赘述。

Claims (6)

1、一种动态光耦合器，其特征是在一光路上依次有输入光纤组(1)、准直透镜组(2)、达曼光栅位相板(3)、会聚透镜(4)和输出光纤组(5)，所述的输入光纤组(1)位于准直透镜(2)的前焦面上，达曼光栅位相板(3)位于准直透镜组(2)的后焦面上，所述的会聚透镜(4)的前焦面和准直透镜组(2)的后焦面重合，输出光纤组(5)位于会聚透镜(4)的后焦面上，输出光纤组(5)的每一根光纤都带有自准直透镜(6)，所述达曼光栅位相板(3)具有有光栅区域(31)和无光栅区域(32)，它还带有推动其位移的移动器(7)，会聚透镜(4)的数值孔径与自准直透镜(6)的数值孔径相匹配。

2、根据权利要求1所述的动态光耦合器，其特征是所述的输入光纤组(1)和输出光纤组(5)的光纤数目不同。

3、根据权利要求1所述的动态光耦合器，其特征是所述的输入光纤组(1)和输出光纤组(5)的光纤数目相同。

4、根据权利要求1所述的动态光耦合器，其特征是所述的达曼光栅位相板(3)是一维的，其有光栅区域(31)和无光栅区域(32)分别占该达曼光栅位相板(3)的左右一半。

5、根据权利要求1所述的动态光耦合器，其特征是所述的达曼光栅位相板(3)可以是二维达曼光栅位相板(3)，其达曼光栅部分占该二维达曼光栅位相板(3)的1/4，相应的输出光纤组(5)也应是二维阵列输出光纤组(5)。

6、根据权利要求5所述的动态光耦合器，其特征是所述的二维输出光纤组(5)带有自准直透镜(6)，所述二维达曼光栅位相板(3)具有有光栅区域(31)和无光栅区域(32)，并带有推动其沿X轴和Y轴变换位移的二维移动器(7)。