专利名称：光学信号分离器及在光轴校准中安装光学信号分离器的方法
技术领域：
本发明涉及一种主要用于波分多路复用光学通讯中的光学信号分离器，及在光轴校准中安装光学信号分离器的方法。
截至目前，传统的装配光学信号分离器的方法是把它的各种光学部件通过胶合固定在一用于光轴校准的夹具上，通过主动校准来将安装于平板上的夹具上的光学部件对中心并将其固定，最终，将固定有容纳光学部件之夹具的平板置于一个不锈钢或铝的不透明盒子中。
根据另一种传统的应用，各种光学部件插入一个金属单管中，通过主动校准来确定中心并固定到金属管中的一个位置，同时通过一个插入金属管的观察工具经金属管的开口端或用裸眼通过金属管的开口端观察到它们的位置。术语“主动校准”意思是通过经由光纤进入的光来确定光学部件的中心定位并稍稍移动光学部件到一个最佳位置(到最大光输出量)，同时监测光学部件的光耦合状态的一工艺过程。
由于光学部件的外径变化和用于实现光轴校准的夹具的加工精度的变化，用前述的组装技术校准光学部件的彼此光轴是很困难的，并且也很难将光学部件或各种光学元件的表面设置成与光学信号分离器的光轴或彼此之间呈所需的角度。即使在光学部件被粘接到平板上之后，因为光学部件的装配不是关于光学信号分离器的光轴形成轴对称，所以在遭受温度变化和振荡时，光学信号分离器的光学性能趋向于不稳定。
后一种装配方式还有一个缺点就是，当光学部件被对准在金属管中时，它们容易与光学信号分离器的光轴形成角偏差，导致在光学部件粘结到位置上后不能达到所设计的光学性能。另外，因为在金属管中的光学部件不能从金属管的外部直接观察到，所以确定光学元件的中心定位以便校准并将光学元件机械定位到所需位置的精确调节很困难。
因此，本发明的目标是提供一种成本低廉的光学信号分离器，光学信号分离器的光学部件彼此很容易且高精度地对准，不用在此以前为了精确地确定中心或调节所需要的主动校准，因此，省去主动校准这一步骤后时间缩短。
根据本发明，这里提供一种光学信号分离器，它包含多个可轴向滑动地彼此装配的管件，管件可以透光，还包括一入射光纤，一个准直透镜，一个衍射光栅，入射光纤，准直透镜，和衍射光栅被安装于管件上。每个管件最好包括一个中空的圆筒形管。
入射光纤，准直透镜，和衍射光栅被固定在管件的一端面上，最好通过胶粘合。
每个管件的材料从透明材料，半透明材料，和有色材料中挑选。
如果每个管件可以彼此轴向滑动地装配，则它们各有一个磨光的外表面。
最好每个管件的线性膨胀系数最大为50×10-7/℃。
衍射光栅最好包含一个反射衍射光栅，并且用和每个管件相同的材料构成。
此光学信号分离器还包括一个用于监测从入射光纤传入的光的检测器，所述光通过准直透镜传到衍射光栅，经衍射光栅多路分解，再由准直透镜收敛。最好将检测器置于与入射光纤成共轭关系的位置，并被固定在其中一个管件的此端面上。此检测器包括一个光电检测器阵列，用于检测经衍射光栅多路分解且由准直透镜收敛的光的焦点。
这组管件可包括三个管件，入射光纤，准直透镜，和衍射光栅被分别安装在三个管件上。安装有入射光纤的管件和安装有衍射光栅的管件分别可滑动地装配在安装有准直透镜的管件的相反端上。
另外，这组管件也可以包括两个管件，入射光纤被安装于其中之一的管件的一端面上，准直透镜和衍射光栅分别被安装在剩下的那个管件的相反端上。安装有入射光纤的管件可滑动地装配在安装有准直透镜与衍射光栅的管件上。
根据本发明，还提供一种安装包含有入射光纤，准直透镜，和衍射光栅的光学信号分离器的方法，方法步骤包括制备多个使尺寸做成可以彼此轴向滑动装配的管件，管件可以透光；安装该入射光纤，准直透镜，和衍射光栅于管件上；将管件彼此轴向滑动地装配；轴向上相对滑动每个管件以将关于入射光纤、准直透镜、衍射光栅的参考点之间的距离设定到一预定值，从而达到中心校准。
如果这组管件包括三个管件，则光学信号分离器可以通过安装入射光纤、准直透镜和衍射光栅于三个管件上实现中心校准组装而成，即，使每个管件轴向滑动地彼此装配，并彼此相对地滑动每个管件以设定关于入射光纤、准直透镜、衍射光栅的参考点之间的两个距离为各自的预定值，从而达到中心校准。
如果这组管件包括两个管件，则光学信号分离器可以通过安装入射光纤、准直透镜和衍射光栅于两个管件上实现中心校准组装而成，即，使每个管件轴向滑动地彼此配装，彼此相对地滑动每个管件以设定关于入射光纤、准直透镜、衍射光栅的参考点之间的距离为一预定值，从而达到中心校准。
特别是，在光学部件，即入射光纤、准直透镜和衍射光栅被安装于管件上后，使每个管件彼此滑动地配装，然后，轴向地相对滑动每个管件以调整入射光纤、准直透镜、衍射光栅之间的距离，并且使管件有角度地相对滑动以调整入射光纤，准直透镜和衍射光栅之间的相对夹角。这种距离和角度的调整可以通过被动校准获得，不是应用光束到光学信号分离器，而是通过从管件的外部观察移动这些管件使之与定位记号或参考平面对准从而实现光学对准定位。执行被动校准所需的时间比主动校准所需的时间短，此光学信号分离器的制造和成本可以降低。
如果这些管件相对于光轴呈轴向对称，及由中空圆筒管构成，则在这些光学部件被固定在管件上之后，此光学信号分离器的光学性能在经受温度变化和振荡时是稳定的。如果衍射光栅的构造材料与管件的相同，则衍射光栅与管件的线性膨胀系数相同，因此是热力稳定的。
本发明上述的及其它目标、特点和优势，在下面伴随本发明最佳实施例的草图的描述中将变得更加明显。
图1是根据本发明第一实施例的光学信号分离器的透视图；及图2是根据本发明第二实施例的光学信号分离器的透视图。
图1是根据本发明的第一实施例的光学信号分离器100的透视图。如图1所示，此光学信号分离器100有三个管件，即，三个中空圆筒管51，52，53。单芯入射光纤1经一光纤固定窗54和一个光纤连接器10被胶合固定在管50的端面上(图1的左手端面)，它包含一个用于安装光纤1的透明管。一个准直仪透镜2被胶合固定在管52的一端面上(图1的右手端面)。一个反射衍射光栅3经一衍射光栅固定窗54被胶合固定在管53的一端面上(图1的右手端面)。特别是，衍射光栅3被固定安装在窗54上并定位于管53中。
管52的相反两端被分别配置在管51，53上。选择管52的外径与管51，53的内径，使得管51、52、53可以彼此滑动但不会沿它们的光轴作摇摆运动和旋转。
由入射光纤1引入到管51，52，53的发散光束101根据入射光纤1的数值孔径被发散开，而后到达准直透镜2。准直透镜2将此发散光束101转换成平行光102，到达衍射光栅3。衍射光栅3根据衍射光栅3的色散特性在各个波长上多路分解该平行光102成多个光束103。然后光束103被准直透镜2转换成各个收敛光束104，它被聚焦在位于准直透镜2焦点的窗50之一端面上的各个射束的阵列上。光检测器阵列4被固定安装在窗50的该端面上，与被固定在窗50此端面的入射光纤1的该端成共轭关系。光检测器阵列4具有的光检测器阵列与各个聚焦的光束104的射束点校准。
迄今，通过把光应用到光纤1上，线性地沿X-，Y-和Z-轴和/或围绕θz-轴(光轴或Z-轴)有角度地移动光学部件以使光检测器阵列4的输出功率最大化，主动校准光学部件还处于试验阶段。
然而，根据第一实施例，管件51，52，53彼此可相对滑动以被动校准，为的是使从管52的一端面(它作为根据入射光纤1调整管52上的准直透镜2的参考点)到管51的该端面(它作为根据准直透镜2调整管51上的入射光纤1的参考点)的距离201，及从管52的此端面(它作为根据衍射光栅3调整管52上的准直透镜2的参考点)到管53的一端面(它作为根据准直透镜2调整管53上的衍射光栅3的参考点)的距离202可与设计值平衡，如使用光显微镜或CCD照相机所观察的一样。
根据这种被动校准，与主动校准不同，光学部件的校准不是通过测量光学输出功率是否为最大值，而是通过简单的机械定位工序来校准。达到这种被动校准的重要的一点是使用一种能尽可能简单的机构使光学部件对中定位，并排除任何在共中心位置和达到最大输出功率位置之间的差异。根据第一实施例，通过图1所示的简单的结构就可以完成被动校准。
关于衍射光栅3的倾斜角，衍射光栅3可以被倾斜地固定在如通过光学显微镜或CCD照相机检测的一角度θz上。因此，通过简单地沿X-和Y-轴主动校准光检测器阵列4，光学信号分离器所需的光学性能就可以在一个很短的时间内容易地达到。
管51，52，53最好使用透明和硬质的材料，以防止在彼此相对滑动时被损坏和磨损及产生颗粒物质。例如，管51，52，53最好由透明或半透明的材料，如硼硅酸玻璃，石英玻璃等等，其线性膨胀系数小于或等于50×10-7/℃，因为这些材料不需要调整就可以维持光学特性，即使温度变化亦如此。为了防止外部光线影响管51，52，53，管51，52，53可以是有色的或有磨光的表面以减少成本。管51，52，53可以被安排成从外部以任何波长都可以观察到管件的末端。衍射光栅3、窗54和管51，52，53最好由相同的材料构成，以防衍射光栅3在热震动等所致的热应力下而变形。然而，即使窗54具有与衍射光栅3和管53不同的摩擦系数，因为窗54的这样一种结构，即在轴对称和它的窗表面倾斜中经受牵拉应力和压缩应力，因此衍射光栅的倾斜不易受发生改变，窗54可以不必用与衍射光栅和管53相同的材料制成。窗50可以由石英材料构成，窗54和/或管51，52，53可以由硼硅酸玻璃材料构成，以均衡入射光纤1的折射指数和窗50的折射指数。如果界于入射光纤1和窗50之间的粘结树脂的折射指数与入射光纤1和窗50的折射指数一样，则不希望的入射光纤1的背反射就被减小。
在上述实施例中，固定有入射光纤1的管51和连接有衍射光栅3的管53可滑动地套装在安装有准直透镜2的管52之相反端上。然而，管52的相反端也可以滑动地套装在管51，53上，只要从外部在任何波长上都可以观察到管件的这些末端。
图2显示根据本发明第二实施例的光学信号分离器200的透视图。如图2所示，光学信号分离器200有一在纤维固定管56一端面上的纤维固定窗55，一安装在纤维固定窗55上的纤维阵列板57，一安装在纤维阵列板57的侧壁并被固定在管56端面上的入射光纤1，一被安装在纤维阵列板57的相反侧壁上的光纤带40，一根有一端装配在管56内的管58，和一个被安装在管58的相反端上的窗59。准直透镜2被安装在管58之装配在管56中的那一端上，衍射光栅3固定到窗59并位于管58中。
光纤带40包括一紧密排列的光纤阵列(4，8，或12光纤，例如)，它们被包装在一个树脂罩内。
在第二实施例，因为衍射光栅3和准直透镜2被分别固定在单根管件的相反两端，所以衍射光栅3和准直透镜2间的距离无法调整。然而，光学部件的校准和定中心比图1所示的第一实施例的还要容易，因为仅有两个管件作为定位调节管。特别是，根据第一实施例，在光学部件被分别安装在三个管件上后，参考点之间的两个距离201，202需要通过滑动三个管件调整以校准或定光学部件的中心。根据第二实施例，然而，在光学部件被安装在两个管件上之后，只有两个参考点即靠近管58的管56的端面和准直透镜2的远端之间的距离203需要通过滑动两个管件进行调整。
在图1和图2，尽管衍射光栅3位于管53或58内，应该用虚线表示，但为了解释的目的，它由实线表示。
前面描述的本发明的最佳实施例为了图示和描述的目的已经呈现给大家。但这并非限定了本发明的准确结构形式。根据上述的技术可以进行明显的调整或修改。这里挑选并进行描述的实施例是为了更好地展示本发明的原则和实际应用，以便本领域的一般熟练人员能够更好地使用本发明的各种实施例，及按照各自的期望在实际应用中进行各种修改。下面将由附带的权利要求规定本发明的范围。
权利要求
1.一种光学信号分离器，包括多个彼此组合成沿轴向可滑动地装配在一起的管件，所述管件可以透光一入射光纤；一准直透镜；和一衍射光栅；所述光纤、准直透镜和所述衍射光栅被安装在所述管件上。
2.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于所述每个管件都由一个中空的圆管构成。
3.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于所述光纤、准直透镜和衍射光栅被固定在所述管件的端面上。
4.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于每个所述管件的构成材料选自透明材料、半透明材料和有色材料组。
5.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于每个所述管件都具有一个磨光的外表面。
6.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于每个所述管件的线性膨胀系数最大为50×10-7/℃。
7.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于所述衍射光栅的构成材料与每根所述管件的材料相同。
8.根据权力要求3的光学信号分离器，其特征在于，还包括一个检测器，用于检测从所述入射光纤进入、穿过所述准直透镜到达所述衍射光栅、经所述衍射光栅多路分解，并由所述准直透镜会聚的光线；所述检测器被定位成与固定在所述一管件之此端面上的入射光纤的一端形成共轭关系。
9.根据权力要求8的光学信号分离器，其特征在于所述的检测器包括一个光检测器阵列，用于检测由所述衍射光栅多路分解并由所述准直透镜收敛的光的焦点。
10.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于所述管件包括三个管件，所述光纤，所述准直透镜，和所述衍射光栅被分别安装在所述三个管件上。
11.根据权力要求10的光学信号分离器，其特征在于所述安装有入射光纤的管件和所述安装有衍射光栅的管件分别可滑动地装配在安装有所述准直透镜的管件的相反端上。
12.根据权力要求1的光学信号分离器，其特征在于所述管件包括两个管件，所述入射光纤被安装于所述两个管件之一的一端面上，所述准直透镜和所述衍射光栅被分别安装在两个管件之另一的相反端上。
13.根据权力要求12的光学信号分离器，其特征在于安装有入射光纤的管件可滑动地装配在安装有所述准直透镜和所述衍射光栅的管件上。
14.一种组装具有一入射光纤，一准直透镜，和一衍射光栅之光学信号分离器的方法，步骤包括制备多个尺寸能够彼此沿轴向滑动装配的管件，所述管件可以透光安装所述入射光纤、准直透镜和所述衍射光栅于所述管件上；将所述管件轴向彼此滑动地配装一起；和相对所述入射光纤、准直透镜和衍射光栅互相滑动所述管件以将参考点间的距离设定到一预定值，从而达到中心校准。
全文摘要
一种具有多个彼此轴向装配的透明或半透明管件的光学信号分离器。一个入射光纤、一个准直透镜和一个衍射光栅被安装在管件上,最好安装在管件的一端面上。此光学信号分离器可通过在管件上安装入射光纤,准直透镜,和衍射光栅并根据被动校准将管件彼此滑动而被中心校准地组装而成。
文档编号G02B6/42GK1270320SQ0010491
公开日2000年10月18日 申请日期2000年3月30日 优先权日1999年3月30日
发明者仲间健一, 小山正 申请人:日本板硝子株式会社