专利名称：双侧零度角下上载光学波分复用器件的制作方法
技术领域：
本发明属于光通讯领域，特别适合于光纤通信网。
随着科学技术发展和经济、文化的需要，各种信息通讯网上信息传输量急剧增长，构建密集波分复用(DWDM)全光光纤骨干网已是通讯领域最为关注的重大课题。密集波分复用(DWDM)全光光纤骨干网需要很多设备，光学波分复用器件是其中最关键的基础器件之一。目前可采用波导光栅、光纤光栅、波长窄带滤光片等构成波分复用器件，但前两种工艺复杂、价格昂贵。用波长窄带滤光片构成光学波分复用器件性能较好、价格也比较便宜；该光学波分复用器件一般都采用信号光小角度斜入射波长窄带滤光片上下载光信号的方式，见美国E-TEK公司和加拿大JDS公司产品目录，光信号经过一维光纤列阵准直组件和两片平行平面玻璃小角度入射到波长窄带滤光片上。这类小角度上下载光信号的器件结构虽然简单，但光信号上下载光程长，导致耦合效率低，插入损耗大；同时，由于波长窄带滤光片镀膜时处于零度角，在使用时只有当信号光为零度入射，才能保持带宽不变的特性，而当信号光小角度斜入射时，导致窄带滤光片的带度展宽，插入损耗亦增大等缺点。
本发明提供的双侧零度角下上载光学波分复用器件，采用信号光零度角入射波长窄带滤光片，目的在于缩短光信号上下载光程、提高耦合效率、减少插入损耗，本发明另一目的是严格保持波长窄带滤光片的带宽不变、与信号光偏振特性无关等性能，从而可以使波长间隔进一步细分，增加上、下载波长信息光路数目。
实现本发明目的的双侧零度角下上载光学波分复用器件，由光纤列阵准直组件、波长窄带滤光片构成，它还包括平行平面晶体组件、偏振棱镜组件、宽带λ/4零级波片和宽带3λ/4零级波片，(1)平行平面晶体组件由四块长方形平行平面晶体和两片波片组成，排列顺序为第一块长方形平行平面晶体、第一片波片、第二块长方形平行平面晶体、第二片波片、上下重叠的第三块和第四块长方形平行平面晶体，其中第一片波片为宽带λ/2波片，第二片波片一半为宽带λ/2波片、另一半为与宽带λ/2波片厚度相同的平行平面玻璃基片，
(2)偏振棱镜组件由形状相同的多边形偏振棱镜组成，所述多边形偏振棱镜有两个面互相垂直、且镀有偏振膜，各多边形偏振棱镜互相颠倒拚接、形成上下底面平行的偏振棱镜组件，(3)偏振棱镜组件两侧镜象对称放置光纤列阵准直组件和平行平面晶体组件，各组件位置均与光路垂直，其位置顺序为光纤列阵准直组件、平行平面晶体组件、偏振棱镜组件、平行平面晶体组件、光纤列阵准直组件，(4)下上载光路上在所述偏振棱镜组件和其两侧平行平面晶体组件之间放置予置宽带λ/4零级波片，(5)在上述(4)所述予置宽带λ/4零级波片和平行平面晶体组件之间在光纤列阵准直组件中各光束准直器对应位置与光路垂直依序放置λ0、λ1…λn-1窄带滤光片，n为自然数，一般n≤32，λ0、λ1、λ4、λ5窄带滤光片位于偏振棱镜组件一侧，λ2、λ3、λ6、λ7窄带滤光片位于偏振棱镜组件另一侧，以下顺序类推，(6)在上述(5)所述波长λ下标为奇数的窄带滤光片和平面晶体组件之间放置宽带λ/4零级波片，波长λ下标为偶数的窄带滤光片和平行平面晶体组件之间放置宽带3λ/4零级波片，上述所有宽带λ/2波片、宽带λ/4零级波片和宽带3λ/4零级波片，其λ为第n/2片窄带滤光片波长。
上述双侧零度角下上载光学波分复用器件，其进一步的特征可以是(1)所述平行平面晶体组件中，所有平行平面晶体材料完全相同，第一块和第二块长方形平行平面晶体尺寸相同；第三块和第四块长方形平行平面晶体亦尺寸相同、但晶轴方向互相上下对称，(2)所述平行平面晶体组件和偏振棱镜组件的位置关系是平行平面晶体组件中e光的偏振方向和偏振棱镜组件中P光的偏振方向完全重合，平行平面晶体组件中O光的偏振方向和偏振棱镜组件中S光的偏振方向完全重合，(3)所述宽带λ/2波片、宽带λ/4零级波片和宽带3λ/4零级波片对λ0和λn-1的插入损耗小于-30dB，λ0、λ1、…λn-1窄带滤光片位置与偏振棱镜组件中多边形偏振棱镜的偏振膜中心位置对应。
上述双侧零度角下上载光学波分复用器件还可以制造成可控下载形式，这时在所述予置宽带λ/4零级波片和各窄带滤光片之间放置有全反射镜，其移动可由控制机构操作。当某一波长窄带滤光片前放置有全反射镜时，该波长光信号被反射不能下载，而当全反射镜根据控制机构操作从该波长窄带滤光片前移开时，该波长光信号即可下载。
无论是否可控下载，上述几类双侧零度角下上载光学波分复用器件，所述光纤列阵准直组件可以是n×m二维光纤列阵准直组件，所述平行平面晶体组件为m组平行平面晶体组件叠置，构成集成化的m个波分复用模块。
上述各种双侧零度角下上载光学波分复用器件中，所述组成偏振棱镜组件的多边形偏振棱镜横截面形状可以为等腰直角三角形，也可以为等腰直角梯形。
本发明的双侧零度角下上载光学波分复用器件，避免了光信号小角度入射波长窄带滤光片时所引入的带宽展宽、光程长、耦合效率低、插入损耗大、串话增加等缺点，从而使波长间隔可以进一步细分，增加上、下载波长信息光路数目，本器件还可以构成集成化的m个波分复用模块，可广泛应用于光通信领域。
图1为本发明双侧零度角下上载光学波分复用器件示意图。
图2为可控下载的双侧零度角下上载光学波分复用器件示意图。
图3是组成双侧零度角下上载光学波分复用器件的平行平面晶体组件结构示意图。
图4为采用横截面形状为等腰直角三角形的多边形偏振棱镜组成双侧零度角下上载光学波分复用器件。
图5为等腰直角三角形偏振棱镜设计示意图。
图6为等腰直角梯形偏振棱镜设计示意图。
图7为采用横截面形状为等腰直角梯形的多边形偏振棱镜组成双侧零度角下上载光学波分复用器件。
图1和图2的双侧零度角下上载光学波分复用器件由镜象对称设置的光纤列阵准直组件I、平行平面晶体组件II、偏振棱镜组件III、宽带λ/4零级波片、宽带3λ/4零级波片以及n片波长窄带滤光片λ0、λ1…λn-1构成。图2的双侧下上载光学波分复用器件在窄带滤光片λ0、λ1…λn-1之前增设全反射镜M，全反射镜M的移动可由控制机构操作，构成可控下载的光学波分复用器件。
图3为平行平面晶体组件II结构示意图，它是由四块长方形平行平面晶体C1，C2，C3，C4和两片波片W1，W2组成，准直光束进入第一块长方形平行平面晶体C1后，分成O光和e光，O光束直通穿晶体C1，e光向上偏斜传输，在晶体C1输出表面上，相对于O光垂直向上位移Δ距离，然后e光和O光平行传输。第一片W1为λ/2波片，将输入光束中，O光变成e光，e光变成o光。进入第二块长方形平行平面晶体C2内部，上面的O光束直穿过晶体C2，而e光向下偏斜传输，在晶体C2输出表面上，相对于上面O光，垂直向下位移2Δ距离。然后，两束光平行传输。第二片波片W2是由上下两部组成的，上半片为λ/2波片，下半片为与波片厚度相等的平行平面玻璃基片K。因此，将上半部的O光变成为e光。而下半部的e光仍然为e光，全部变为e光平行传输。第三块和第四块长方形平行平面晶体C3和C4是上下厚度完全相同的两块同类晶体。但晶轴方向互相上下对称，两晶体下上表面完全切合。上半部的e光垂直进入晶体C3内部，向下偏斜到接近上部晶体的下表面切合平面，从输出表面垂直射出。而下半部e光垂直进入下半部晶体C4内部，向上偏斜到接近下半部晶体的上表面切合平面，从输出表面垂直射出，因此，上下两两e光束，完全靠近为准一束e光平行传输。也就是说，该平行平面晶体组件使得来自光纤的随机偏振的一维准直光束，变成了完全线偏振的一维准一束e光准直光束。
等腰直角三角形偏振棱镜组件两侧零度角下上载光学波分复用器件如图4所示。偏振棱镜组件是由多块相同的等腰直角三角形偏振棱镜组成。等腰直角三形偏振棱镜由直角面镀有偏振膜的等腰直角三角形棱镜组成，该偏振膜带宽覆盖上下载的通光波长，偏振度需满足通信要求。来自同一条光纤波长为λ0、λ1、λ2…λn-1的信号光为随机偏振光，通过光纤准直耦合组件I变成准平行光束，再通过平行平面晶体组件II后，变成完全线偏振e光。它们垂直进入等腰直角三角形偏振棱镜后，直接穿过偏振膜，第一次通过予置宽带λ/4零级波片L，零度角正入射于λ0窄带滤光片上，λ0信号光完全透过λ0窄带滤光片，再通过3λ/4零级波片，仍然为完全线偏振e光，再通过平行平面晶体组件，信号光又从完全线偏振光恢复到原来的随机偏振光，λ0信号光从骨干网光纤下载。其他λ1、λ2…λn-1信号光从λ0窄带滤光片表面全反射，第二次通过同一块予置宽带λ/4零级波片L，变成为完全线偏振s光，再在偏振膜AB和BC上全反射，第一次穿过予置宽带λ/4零级波片，零度角正入射于λ1窄带滤光片上，λ1信号光完全透过λ1窄带滤光片，再通过λ/4零级波片，仍然变成完全线偏振e光，再通过平行平面晶体组件，信号光又恢复到原来的随机偏振状态，λ1信号光从骨干网光张下载。其他λ2，λ3…λn-1信号光从λ1窄带滤片表面全反射，第二次通过同一块予置宽带λ/4零级波片，从s光变成p光，穿过偏振膜BC，第一次通过同一块予置宽带λ/4零级波片L，零度角正入射于λ2窄带滤光片上，λ2信号光全部透过λ2窄带滤光片，再通过3λ/4零级波片，仍然为完全线偏p光，即e光，从另一侧下载通过平行平面晶体组件，恢复成原来的随机偏振光。以此类推，一块等腰直角直角三角形偏振棱镜可下载两条信号光，则N块直角偏振棱镜可下载2N条信号光。
该系统中信号光上载原理，以λ2信号光上载为例进行阐述如下。来自光纤的λ2信号光，通过光纤准直耦合组件I，变成准直平行光束，再通过平行平面晶体组件II后，由随机偏振变成完全线偏振e光，即p光。它通过3λ/4零级波片后，零度角正入射于λ2窄带滤光片表面，完全穿通λ2窄带滤光片，通过予置宽带λ/4零级波片L，仍然为完全线偏振p光，直接通过偏振膜BC，第一次通过另一侧予置宽带λ/4零级波片，零度角正射于λ1窄带滤光片表面，全反射，再第二次通过同一块予置宽带λ/4零级波片，变成完全线偏振s光即O光，在偏振膜BC和AB上全反射，第一次通过予置宽带λ/4零级波片，零度角正入射于λ0窄带滤光片表面，全反射，再第二次通过同一块λ/4零级波片，变成为完全线偏振p光，通过平行平面晶体组件，恢复为原来的随机偏振光，通过光纤准直耦合组件，上载到骨干光纤网上传输，以此类推，其他信号光上载与上述过程类同。
等腰直角三角形偏振棱镜设计如图5所示。若相邻两条下载、上载光学通道的间距为d0，则等腰直角棱镜的斜边长度为2d0，高度为d0，厚度h由系统装配需要决定。等腰直角三角形棱镜的直角面上镀一层偏振膜PM，偏振膜的带宽一定要覆盖所有通光信号波长，偏振度满足通信要求。
为了使系统中的信号光在上下载过程中光程缩短，提高耦合效率，降低插入损耗，图4中由等腰直角棱镜组成的等腰直角三角形偏振棱镜，可改造成由等腰直角梯形棱镜组成的等腰直角梯形偏振棱镜，见图6。若设上下载光学通道之间的间距为d0，在等腰直角梯形偏振棱镜组件中，信号光传输过程中最大的光束直径为d0。图4中每一块斜边2d0的等腰直角三角形棱镜，截去上部高度为Δd的小直角三角形，如ΔCC’E，截去下部高度为Δd的梯形，如ABFB’的两部分，中间等腰直角梯形棱镜的高度一般应取稍大于或等于d值。等腰直角梯形偏振棱镜由在直角等腰面上镀有偏振膜的等腰直角梯形棱镜组成，该偏振膜带宽覆盖上下载的通光波长，偏振度需满足通信要求。等腰直角梯形偏振棱镜组件是由多块相同的等腰直角梯形偏振棱镜组成。等腰直角梯形偏振棱镜零度角光分插复用器件如图7所示。系统仅将图4中等腰直角三角形棱镜组件替代成等腰直角梯形偏振棱镜组件。来自同一条光纤波长为λ0、λ1、λ2……λn-1的信号光从两侧零度角上下载的原理，它与图4等腰直角偏振棱镜零度角上下载的原理完全相同。它们仅不同的是图6等腰直角梯形偏振棱镜组件中，每一次信号光上载或下载的路径缩短了2Δd，对于N＝2，4，8，16…2n个波长的光分插复用器件来说，最后下载的信号光的光学通道路程缩短了2×2nΔd。这是一段较大的距离。对于提高耦合效率，降低插入损耗是大有好处的。
图6中等腰直角梯形棱镜的设计如下，设相邻两条上、下载光学通道之间的间距为d0，在等腰直角梯形偏振棱镜组件中，信号光传输过程中最大的光束直径为d0，则等腰直角梯形棱镜的高度一般应取d值(或稍大于d值)，顶角为90°，下底长度等于d0+d(或稍大于d0+d值)，上底长度为d(或取稍大于d值)，厚度h由系统装配需要决定。等腰直角梯形偏振棱镜由直角等腰面上镀有偏振膜的等腰直角梯形棱镜组成，该偏振膜带宽覆盖上下载的通光波长，偏振度需满足通信要求。
权利要求
1.一种双侧零度角下上载光学波分复用器件，由光纤列阵准直组件、波长窄带滤光片构成，其特征在于它还包括平行平面晶体组件、偏振棱镜组件、宽带λ/4零级波片和宽带3λ/4零级波片，(1)平行平面晶体组件由四块长方形平行平面晶体和两片波片组成，排列顺序为第一块长方形平行平面晶体、第一片波片、第二块长方形平行平面晶体、第二片波片、上下重叠的第三块和第四块长方形平行平面晶体，其中第一片波片为宽带λ/2波片、第二片波片一半为宽带λ/2波片、另一半为平行平面玻璃基片，(2)偏振棱镜组件由形状相同的多边形偏振棱镜组成，所述多边形偏振棱镜有两个面互相垂直、且镀有偏振膜，各多边形偏振棱镜互相颠倒拚接、形成上下底面平行的偏振棱镜组件，(3)偏振棱镜组件两侧镜象对称放置光纤列阵准直组件和平行平面晶体组件，各组件位置均与光路垂直，其位置顺序为光纤列阵准直组件、平行平面晶体组件、偏振棱镜组件、平行平面晶体组件、光纤列阵准直组件，(4)下上载光路上在所述偏振棱镜组件和其两侧平行平面晶体组件之间放置予置宽带λ/4零级波片，(5)在上述(4)所述予置宽带λ/4零级波片和平行平面晶体组件之间在光纤列阵准直组件中各光束准直器对应位置与光路垂直依序放置λ0、λ1…λn-1窄带滤光片，n为自然数，λ0、λ1、λ4、λ5窄带滤光片位于偏振棱镜组件一侧，λ2、λ3、λ6、λ7窄带滤光片位于偏振棱镜组件另一侧，以下顺序类推，(6)在上述(5)所述波长λ下标为奇数的窄带滤光片和平面晶体组件之间放置宽带λ/4零级波片，波长λ下标为偶数的窄带滤光片和平行平面晶体组件之间放置宽带3λ/4零级波片，上述所有宽带λ/2波片、宽带λ/4零级波片和宽带3λ/4零级波片，其λ为第n/2片窄带滤光片波长。
2.如权利要求1所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于(1)所述平行平面晶体组件中，所有平行平面晶体材料完全相同，第一块和第二块长方形平行平面晶体尺寸相同；第三块和第四块长方形平行平面晶体亦尺寸相同、但晶轴方向互相上下对称，(2)所述平行平面晶体组件和偏振棱镜组件的位置关系是平行平面晶体组件中e光的偏振方向和偏振棱镜组件中P光的偏振方向完全重合，平行平面晶体组件中O光的偏振方向和偏振棱镜组件中S光的偏振方向完全重合，(3)所述宽带λ/2波片、宽带λ/4零级波片和宽带3λ/4零级波片对λ0和λn-1的插入损耗小于-30dB，λ0、λ1、…λn-1窄带滤光片位置与偏振棱镜组件中多边形偏振棱镜的偏振膜中心位置对应。
3.如权利要求1或2所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于所述予置宽带λ/4零级波片和各窄带滤光片之间放置有全反镜，其移动可由控制机构操作。
4.如权利要求1或2所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于所述光纤列阵准直组件为n×m二维光纤列阵准直组件，所述平行平面晶体组件为m组平行平面晶体组件叠置，构成集成化的m个波分复用模块。
5.如权利要求3所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于所述光纤列阵准直组件为n×m二维光纤列阵准直组件，所述平行平面晶体组件为m组平行平面晶体组件叠置，构成集成化的m个波分复用模块。
6.如权利要求1或2所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于所述组成偏振棱镜组件的多边形偏振棱镜横截面形状为等腰直角三角形或等腰直角梯形。
7.如权利要求3所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于所述组成偏振棱镜组件的多边形偏振棱镜横截面形状为等腰直角三角形或等腰直角梯形。
8.如权利要求4所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于所述组成偏振棱镜组件的多边形偏振棱镜横截面形状为等腰直角三角形或等腰直角梯形。
9.如权利要求5所述的双侧零度角下上载光学波分复用器件，其特征在于所述组成偏振棱镜组件的多边形偏振棱镜横截面形状为等腰直角三角形或等腰直角梯形。
全文摘要
本器件中偏振棱镜组件两侧镜象对称放置光纤列阵准直组件、平行平面晶体组件和予置λ/4零级波片,下上载光路上依序放置λ
文档编号H04J14/02GK1259809SQ9912494
公开日2000年7月12日 申请日期1999年12月29日 优先权日1999年12月29日
发明者曹明翠 申请人:华中理工大学