CN1790076A - 有预制被动对准光学部件的光学波分多路复用器/去复用器 - Google Patents

有预制被动对准光学部件的光学波分多路复用器/去复用器 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于单模或多模光纤通信系统的光学波分多路复用器和去复用器。在它的最佳实施例中该装置包括一预制的光学块(20),在其平坦的上表面(21)上有一反射涂层(85),在其平坦的下表面(22)上设置有n个滤波器(40)。模制塑料耦合组件(60)具有一平坦上表面(61),光学块(20)和滤波器(40)粘接固定在该上表面(61)上,且此耦合组件(60)还包括一具有n个非球面透镜(70)的下表面(62)。在最佳实施例中,与准直透镜(65)和光束反射器(66)一起,在耦合组件(60)中模制一纤维光缆插座(80),使得当元件被组装时,光路被动地对准,且不需要制造后的对准调节或调谐。

Description

有预制被动对准光学部件的光学波分多路复用器/去复用器
本申请是申请日为2000年6月13日、申请号为00809807.7(PCT/US00/16529)、题目为“有预制被动对准光学部件的光学波分多路复用器/去复用器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光通信。更准确地说,本发明涉及一种具有被动对准的模制光学部件,以将来自光纤的准直的多波长光空间分散成单独波长带的光学复用装置。在某个最佳实施例中,本发明改进的多路复用装置特别适合于光纤数据通信和无线电通讯系统的波分多路复用系统。
背景技术
在波分多路复用光通信系统中,许多不同的光波长载波在单一光纤中提供独立的通信信道。未来的计算和通信系统对通信链路带宽有不断增加的要求。通常知道,与传统的同轴线通信相比,光纤提供了更高的带宽;另外,纤维波导中单个光信道使用光纤可用带宽的极小的一部分(一般为几十THz中的几GHz)。通过在光纤中以不同光波长传送几个信道[即波分多路复用(WDM)],可以更加有效地利用该带宽。
现有技术的光学多路复用器和去复用器包括Nosu等人的美国专利4,244,045。Nosu利用了沿相对光束为预定斜角的之字形光路设置的一系列波长敏感光纤。Nosu将光纤设置在基板60的两侧。很明显Nosu装置的制造是昂贵和费时的。如第4栏第33-52行所述,在基板上分别生长多层光纤,多层光纤有10层那样多。必须在一乏味而昂贵的后制造过程中对耦合器和透镜进行分别对准。
Scobey的美国专利5,583,683和5,786,915提出了一种八信道多路复用装置,其中在光学块的表面上沉积一连续可变厚度干涉滤光片。这种设计具有固有的缺点。首先,每个光纤必须在其宽度上集成信号,由于在其宽度上它的厚度(和波长敏感性)发生变化,导致滤波精确度降低。第二,在不同装置之间干涉滤光片的厚度可能发生变化,也会降低其滤波性能。第三,在完成制造之后,必须对各个耦合器中的每一个,如图3的元件62进行分别对准。
Scobey等人的美国专利5,859,717提出了精密光学块的使用,该光学块是倾斜的(第4栏第20-29行),并且在其中机械加工或形成开槽或缝隙以提供一光路。所需要的任何机械加工都增加了凹槽、缝隙和开槽的制造费用。另外,在装置制造完成之后,必须分别对分离的准直器(6,24,46)和滤波器32进行对准,增加了制造时间和费用。
Jayaraman的美国专利5,835,517提出了一种光学多路复用器,该光学多路复用器具有多个光学腔,在制造过程之后必须通过调节长度来“调谐”每个光腔。这种“调谐”增加了制造成本,很明确,本发明避免这种调谐。
Lemoff等人的美国专利5,894,535提出了一种光学多路复用器,其中多个介电信道波导嵌在一个包层区域中,与本发明的整体形成部件相比这种方法贵得多。另外,在完成制造之后必须分别将滤波器对准信道波导。也许Lemoff等人的设计的最大的固有缺点是在信道50中安装反射镜36和正确地安装滤波器45a到45d是困难、昂贵和费时的。必须使用昂贵的准分子激光器或切片机对信道50和滤波器安装表面进行切割,产生相当粗糙的安装表面。该粗糙的安装表面产生了安装和对准问题。例如,滤波器是角度敏感的,必须精确地相互垂直或平行安装,如图3所示。另外,由于波导如此之宽,波导具有大角度容量,会导致“衰减”或可变滤波器响应。本发明避免了Lemoff等人的安装和对准问题以及可变滤波器响应问题。本发明使用预成型和/或预模制的极其平的表面来安装反射镜表面和滤波器,使得反射镜和滤波器被正确地安装和对准。本发明具有更小的发散度,与正确的滤波器对准一起,导致滤波器将n个波长光束更加完全地分开。
光学多路复用装置结合或分离具有不同光频率的多个光信号。该光学多路复用装置用于密集波分多路复用和稀疏波分多路复用(DWDM和CWDM),用于多模和单模光纤数据通信和无线电通讯。多波长光源合并到一个用来传输的单一光路中,或者在单一光路中传输的多波长光被分成多个窄光谱带,聚焦在各个光纤载体或探测器上。
当前的波分多路复用(WDM)装置设计成工作于单模光纤无线电通讯系统中,其长距离(>100km)特性是基本因素,成本和尺寸是次要的因素。随着网络工业[局域网(LAN)和广域网(WAN)]中对带宽要求的增加,为了利用光纤的整个带宽,小型廉价的波分多路复用系统将成为必然需要。此处所描述的WDM装置利用塑料模注入和廉价的介电滤波器来产生能够多路复用或去复用多个光波长的小型化装置。
发明内容
本发明的一个关键特性和主要目的在于提供一种小型和经济合算的光学多路复用器/去复用器,用于单模或多模光纤通信系统,其中该装置包括预制和预成型的被动对准光学部件。
本发明的另一个目的在于提供一种仅具有两个预成型部件和一系列滤波器的光学多路复用器/去复用器,滤波器夹在此预成型部件之间。
本发明的另一个特点在于使由于源耦合光学部件与光纤连接器耦合光学部件之间的光发散所导致的光损失最小化。
本发明的另一个特点在于将光纤连接器集成在光学组件中,以将光纤被动地对准耦合光学部件。
本发明的又一个特点在于允许去复用的多波长光直接耦合到光电探测器阵列,不需要任何插入光纤。
本发明包括单个塑料模制的耦合组件,一在其一侧具有一反射涂层的精密光学块,一在一个实施例中的分离的多波长法布里-珀罗(Fabry-Perot)透射滤波器列阵,以及将所述部件粘合在一起的折射率匹配光学粘合剂。
通过将一非球面离轴准直透镜阵列、滤波器机械对准装置、一可改变方向的反射镜、一耦合透镜、一光纤连接器和用于将光学部件与光源阵列,探测器阵列或光纤阵列被动对准的机械装置全部集成在一个部件中而形成该塑料模制的耦合组件。
可以由任何能够在所需光谱区域上透光,并且能够形成或抛光成适当厚度的光学材料来形成该精密光学块。可以通过多种技术在光学块上设置一反射表面,包括:介电干涉涂层,金属涂层等。
附图说明
图1表示整个WDM光学多路复用器/去复用器的横截面侧视图;
图2表示整个WDM装置的剖面立体侧视图;
图3表示整个WDM的立体顶视图;
图4表示整个WDM的立体仰视图;
图5表示塑料模制耦合装置的立体顶视图;
图6表示多次反射精密光学块的立体仰视图;
图7表示多次反射光学块的剖面侧视图。
具体实施方式
图1-4表示根据本发明组合而成的波分多路复用器/去复用器10。图5-7表示组装之前多路复用器10的重要组成部分。本发明能够将独立的光信号结合到单一光路中,可以被引导向一光纤,和/或去复用该信号,输入单独的信道中。为了简化解释,详细描述去复用功能,因为本领域技术人员将很容易理解相关的多路复用功能。
图1表示组装好的基本组成部件,并且说明了光路90-96,其中入射信号包括八个分离的波长(通常情况下为n个波长),被分割成八个分离的信道以便光电探测器(图中没有示出)进行读出。光学块20可以由玻璃形成或由塑料模制而成,在其下表面22上具有多个滤波器40。该光学块20具有一个上平坦表面21,表面21上镀有一种反射材料85。
模制的耦合组件60具有一个平坦的上表面61,该上表面61粘接到光学块20的平坦的下表面22。
在图1所说明的实施例中该模制的耦合组件60包括一整体模制在其中的纤维光缆插座80,用来容纳纤维光缆(图中没有示出)的一端,使得缆线的该端部与插座底座81相啮合。
如图1所示,多路复用的光束沿光路90传播,从纤维光缆(图中没有示出)的该端部出射,并开始发散如图中所示的91。一整体模制而成的准直透镜65对发散光束91进行准直,并形成一准直光束92。该准直光束92被模制的耦合组件60的整体形成的反射表面66反射而离开,并且被向上朝着光学块20的平坦上表面21上所设置的反射涂层85引导。当光束通过光路的部分93时,如本领域所知,光束以预定入射角入射到反射涂层85。如本领域中众所周知,所反射的光束94在光学块20中在n个滤波器40与反射表面85之间沿之字型图案反射。当所反射的光束进入n个滤波器中的每一个时,n个不同波长的光其中的一个透过每个滤波器,并且该分离的波长沿着光路95a至95h、朝着形成在模制的耦合组件60下表面62上的多个模制非球面表面70传播。如本领域众所周知的那样,n个非球面模制表面中的每一个将分离的波长带或信道聚焦在分离的光电探测器(图中没有示出)上。
为了清楚起见,图2-4没有给出光路和将入射多路复用光束分离到单独的可读出波长带中的图解。如图2所示,光学块20通常为矩形的,具有平坦的上表面21和下表面22,一平坦的近源端壁23和一平坦的远源壁24。本发明最佳实施例中的光学块由高质量光学玻璃形成。或者,可以使用高质量光学塑料注入模制成光学块20。将反射涂层85施加在装置20的上表面21上。反射涂层可以由本领域中传统所使用的材料形成,如介电干涉涂层或金属涂层。
模制的耦合组件60最好由注模而成,并具有一平坦的上表面61(在图5中更好地表示)。重要的是该表面61要尽可能平坦,以便与光学块20的平坦的下表面22紧密配合。在模制的耦合组件60的上表面61中形成对准槽(alignment channel)63,对准槽形成为一个切口。对准槽63的作用在于安装n个滤波器40。对准槽63是一个沿模制的耦合组件60的上表面61的中心纵向延伸地细长槽。
如图2所示,对准槽63的近侧端68形成一底座,靠近该底座设置多个滤波器40,该近侧端作为滤波器定位表面。
如图5中更好表示的那样,在模制的耦合组件60的上表面61中模制成多个间隙切口(relief cut)64,且此间隙切口64从对准槽63向模制的耦合组件60的外表面横向延伸。间隙切口64的一个作用是当光学块20被粘接安装在模制的耦合组件60上时,间隙切口64与对准槽63相配合。当两个部分被挤压在一起时,间隙切口64和对准槽63填充有环氧树脂粘合剂,上表面61被涂有粘合剂,并粘合到光学块20以及n个滤波器40。
所使用的粘合剂的折射率应近可能与用于形成光学块20和模制的耦合组件60的材料的折射率接近。
在线套夹83中形成纤维光缆插座80,能够容纳单模或多模纤维光缆的端部。将插座80的尺寸设计成可将光缆的端部坚固地固定在底座81中,并且支撑足够长的纤维光缆,使得从纤维光缆发射的光束91与准直透镜65光学对准。虽然图1-4中所示的实施例表示纤维光缆插座与模制的耦合组件60整体模制而成,也可以由金属,陶瓷,塑料,玻璃或任何其他适当的材料单独形成或模制成。不过,在图1-4所示的最佳实施例中,纤维光缆插座与模制的耦合组件60整体模制而成。
如图2中更好的表示,准直透镜65和反射表面66也与模制的耦合组件60整体模制而成。或者,反射表面66在权利要求中被称为“光束反射装置”,被形成为具有一角度,可导致被准直的光束92在反射表面85与多个滤波器41-48之间,以预定角度呈阶式或之字型被反射到光学块20的上表面21上,如本领域中众所周知。
形成在模制的耦合组件60的下表面上的被引做70的多个非球面模制表面包括八个单独的非球面透镜表面71-78。在通常的情况下,有n个非球面表面与n个滤波器相互作用。非球面透镜表面直接形成在对准槽63和n个滤波器40的下面。每个非球面透镜71-78具有本领域公知的表面设计,将图1中所示的单独的波长带聚焦在光电探测器元件的表面处或表面附近的一点处,这也是本领域技术人员众所周知的。
图2中所示的n个滤波器40包括八个在光学块20的平坦的下表面22上彼此相邻安装的分离的法布里-珀罗滤波器41-48,如图6中更好地表示。重要的是当滤波器被粘接到光学块20的底面22时,每个分离滤波器41-48被一个挨一个地设置。这种在已知平坦表面上彼此相邻设置分离的法布里-珀罗滤波器的方法避免现有技术波分多路复用器中存在的多种粘接和对准问题的发生。另外,滤波器41的近源端41a被设计成与底座68或模制的耦合组件60的对准槽63的近源表面接触,使得当完成该装置的组装时,滤波器部件将与非球面透镜阵列严格光学对准。
将滤波器阵列安装在光学块上,然后将光学块20粘合到模制的耦合组件60,就得到了装置中关键光学元件的被动式光学对准。当如上所述进行组装时,纤维光缆的输出光束91被直接耦合到波分多路复用器/去复用器10,并且自动地、被动地与装置的内部光学块对准,内部光学块包括准直透镜65,光束反射装置,光学块20的上表面上的反射涂层85以及多个滤波器40和多个非球面表面70。与现有技术相比,本发明中不需要对这些光学元件进行制造后的对准或调整或调节。
在不偏离本发明精神的条件下可以进行某种变型。例如,作为一种可选择的方案,使用分离的介电法布里-珀罗滤波器,还可以如本领域中公知的那样将滤波器沉积在光学块20的下表面上。在附图所说明的最佳实施例中,纤维光缆插座80、准直透镜65和光束反射装置66在被模制的耦合组件60中整体形成,这些光学元件还可以以分离的第三元件形成或者作为光学块20的一部分。不过,在最佳实施例中光学块20由玻璃制成,而纤维光缆插座、准直透镜和光束反射装置最好由塑料模制而成。

Claims (24)

1.一种用于单模或多模光纤通信系统的光学波分多路复用器和去复用器,其中通过单一纤维光缆传送具有n个不同波长的n个信道,其中通过形成和连接预制部分实现光耦合器、透镜和装置的对准,避免否则需要进行制造后的对准和光路的调节,其包括:
一具有一平坦上表面和一平坦下表面的光学块,
所述光学块的所述上表面上具有的一反射涂层,
所述光学块的所述平坦下表面上具有的n个滤波器,所述滤波器适合于对所述n个不同波长进行分别滤波,
一具有一平坦上表面的模制的耦合组件,所述光学块的所述平坦下表面装在该平坦上表面上,
所述模制的耦合组件还具有一下表面,在该下表面上具有n个非球面透镜表面,其中所述n个非球面透镜中的每一个与所述n个滤波器中的每一个光学对准,
一用于接纳所述单模或多模纤维光缆的端部的纤维光缆插座,
一与所述纤维光缆插座光学对准的准直透镜,以及
位于所述准直透镜与所述平坦上表面之间的光束反射装置,用于光学对准所述准直透镜与所述n个滤波器,
从而通过所述纤维光缆引入的所述n个信道的光在所述光学块的上表面上的所述反射涂层与所述n个滤波器系列之间被反射,其中n个信道中的每一个通过所述滤波器的一个,并且通过所述n个非球面透镜表面的一个。
2.如权利要求1所述的设备,其中所述模制的耦合组件具有整体模制在其下表面上的所述n个非球面透镜表面。
3.如权利要求1所述的设备,其中所述纤维光缆插座整体模制在所述模制的耦合组件中。
4.如权利要求3所述的设备,其中所述准直透镜被整体模制在所述模制的耦合组件中。
5.如权利要求1所述的设备,其中所述n个滤波器包括n个分离的法布里—珀罗滤波器。
6.如权利要求5所述的设备,其中所述模制的耦合组件还包括一形成在其上表面中的对准槽,且其中所述n个分离的法布里—珀罗滤波器被粘接安装在所述对准槽中。
7.如权利要求6所述的设备,其中所述模制的耦合组件还包括一垂直于所述对准槽延伸的滤波器定位表面,所述滤波器定位表面形成一底座,与该底座靠近设置所述n个滤波器。
8.如权利要求7所述的设备,还包括多个形成在所述模制的耦合组件的所述上表面中的间隙切口,所述间隙切口横向延伸至所述对准槽,所述间隙切口适于接纳粘合剂。
9.如权利要求8所述的设备,还包括折射率与所述模制的耦合组件相一致的粘合剂,所述粘合剂覆盖所述模制的耦合组件的整个上表面、所述光学块的整个下表面、所述滤波器的下表面,并且完全填充所述对准槽与所述间隙切口。
10.一种用于单模或多模光纤通信系统的光学波分多路复用器和去复用器,其中通过单一纤维光缆传送具有n个不同波长的n个信道,其中通过将两个预制部分连接在一起实现光耦合器、透镜与装置的对准,避免否则需要进行制造后的对准和光路的调节,其包括:
一具有一平坦上表面和一平坦下表面的光学块,
所述光学块的所述上表面上具有的一反射涂层,
安装在所述光学块的所述平坦下表面上的n个分离的法布里—珀罗滤波器,所述滤波器适于分别对所述n个不同波长进行滤波,
一具有一平坦上表面的整体模制的耦合组件,在该平坦上表面上安装所述光学块的所述平坦下表面,
所述模制的耦合组件具有一模制的纤维光缆插座,用于接纳所述单模或多模纤维光缆的端部,
所述模制的耦合组件具有一整体模制而成的准直透镜,该准直透镜与所述纤维光缆插座光学对准,
所述模制的耦合组件还具有一下表面,在该下表面上整体模制n个非球面透镜表面,其中所述n个非球面透镜中的每一个与所述n个法布里—珀罗滤波器中的每一个光学对准,以及
所述模制的耦合组件具有形成在其中所述准直透镜与所述平坦上表面之间的光束反射装置,以将所述准直透镜与所述n个法布里—珀罗滤波器光学对准,
由此所述纤维光缆引入的所述n个信道的光在所述模制的耦合组件的上表面上的所述反射涂层与所述n个分立法布里—珀罗滤波器系列之间被反射,其中n个信道中的每一个通过所述滤波器的一个,并且通过所述n个模制的非球面透镜表面的一个。
11.如权利要求10所述的装置,其中所述模制的耦合组件还包括一形成在其上表面中的对准槽,其中所述n个分离的法布里—珀罗滤波器被粘接安装在所述对准槽中。
12.如权利要求11所述的装置,其中所述模制的耦合组件还包括一垂直于所述对准槽延伸的滤波器定位表面,所述滤波器定位表面形成一底座,与该底座靠近设置所述多个滤波器。
13.如权利要求10所述的装置,还包括形成在所述模制的耦合组件的所述上表面中的间隙切口,所述间隙切口横向延伸至所述对准槽,所述间隙切口适于接纳粘合剂。
14.如权利要求13所述的装置,还包括折射率与所述模制的耦合组件相一致的粘合剂,所述粘合剂覆盖所述模制的耦合组件的整个上表面、所述光学块的整个下表面、所述滤波器的下表面,并且完全填充所述对准槽和所述间隙切口。
15.一种用于单模或多模光纤通信系统的光学波分多路复用器/去复用器设备(10),其中通过单根纤维光缆传送具有n个不同波长(λ1,...,λ8)的n个信道(96a,...,96h),包括:
一具有一平坦上表面(21)和一平坦下表面(22)的光学块(20),
所述光学块的所述上表面上具有的一反射涂层(85),
所述光学块的所述平坦下表面上具有的n个滤波器(40),所述滤波器适合于对所述n个不同波长进行分别滤波,
一具有一下表面的模制的耦合组件,在该下表面上具有n个透镜表面(70),其中所述n个透镜中的每一个与所述n个滤波器中的每一个光学对准,
一用于接纳单模或多模纤维光缆的端部的纤维光缆插座(80),
一与所述纤维光缆插座光学对准的准直透镜(65),以及
位于所述准直透镜与所述平坦上表面之间的光束反射装置(66),用于光学对准所述准直透镜与所述n个滤波器,
由此所述纤维光缆引入的所述n个信道的光在所述光学块的上表面上的所述反射涂层与所述n个滤波器系列之间被反射,且其中n个信道中的每一个通过所述滤波器的一个,并且通过所述n个透镜表面的一个,其特征在于,
所述透镜表面为非球面的,其特征还在于
所述模制的耦合组件具有一平坦上表面(61),所述光学块的所述平坦下表面装在该平坦上表面(61)上,
其中通过形成和连接预制的模制耦合组件和预制的光学块实现该设备的光耦合、透镜和对准,避免否则需要进行制造后的对准和光路的调节。
16.如权利要求15所述的设备,其中所述模制的耦合组件具有整体模制在其下表面上的所述n个非球面透镜表面。
17.如权利要求15所述的设备,其中所述纤维光缆插座整体模制在所述模制的耦合组件中。
18.如权利要求17所述的设备,其中所述准直透镜被整体模制在所述模制的耦合组件中。
19.如权利要求15所述的设备,其中所述n个滤波器包括n个分离的法布里—珀罗滤波器。
20.如权利要求19所述的设备,其中所述模制的耦合组件还包括一形成在其上表面上的对准槽,且其中所述n个分离的法布里—珀罗滤波器被粘接安装在所述对准槽中。
21.如权利要求20所述的设备,其中所述模制的耦合组件还包括一垂直于所述对准槽延伸的滤波器定位表面,所述滤波器定位表面形成一底座,与该底座靠近设置所述n个滤波器。
22.如权利要求21所述的设备,还包括多个形成在所述模制的耦合组件的所述上表面中的间隙切口,所述间隙切口横向延伸至所述对准槽,所述间隙切口适于接纳粘合剂。
23.如权利要求22所述的设备,还包括折射率与所述模制的耦合组件相一致的粘合剂,所述粘合剂覆盖所述模制的耦合组件的整个上表面、所述光学块的整个下表面、所述滤波器的下表面,并且完全填充所述对准槽与所述间隙切口。
24.如权利要求19,20,21,22或23任何之一所述的设备,其中所述纤维光缆插座和所述准直透镜整体模制在所述模制的耦合组件中,且其中所述模制的耦合组件具有整体模制在其下表面上的所述n个非球面透镜,且其中通过将所述两个预制的部件连接在一起实现该设备的光耦合、透镜和对准。
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