專利名稱：利用均勻折射率透鏡的波分復(fù)用/去復(fù)用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及波分復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)，具體涉及利用均勻折射率透鏡的波分復(fù)用/去復(fù)用裝置。
背景技術(shù)：
波分復(fù)用(WDM)是一種快速發(fā)展的技術(shù)，它能夠極大地增加通過光纖可以傳輸?shù)募蠑?shù)據(jù)量。在利用WDM技術(shù)之前，大多數(shù)光纖在一個(gè)波長(zhǎng)上單向僅僅攜帶單個(gè)數(shù)據(jù)信道。WDM的基本概念是從在一個(gè)光纖中分別發(fā)送和檢索多個(gè)數(shù)據(jù)信道。每個(gè)數(shù)據(jù)信道是以唯一的波長(zhǎng)傳輸?shù)?，并合適地選取這些波長(zhǎng)，使各個(gè)信道之間互不干擾，且光纖的光傳輸損耗很低。目前，商業(yè)性WDM系統(tǒng)允許同時(shí)傳輸2至100個(gè)數(shù)據(jù)信道。
WDM是增加通過光纖轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)量(通常稱之為帶寬)的費(fèi)用低廉方法。增大帶寬的其他有效技術(shù)包括敷設(shè)增加的光纖光纜或增大通過光纖的光傳輸速率。敷設(shè)增加的光纖光纜是相當(dāng)昂貴的，目前的代價(jià)是每公里15,000至40,000美元。增大光傳輸速率受到光纖系統(tǒng)電子技術(shù)本身的速率和經(jīng)濟(jì)的限制。一種利用電子方法增大帶寬的主要對(duì)策是利用時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)，它把多個(gè)低速率電子數(shù)據(jù)信道組合或復(fù)用成單個(gè)高速率信道。這種技術(shù)已經(jīng)有20年的歷史，它對(duì)于增大帶寬是非常有效的。然而，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)考慮，提高傳輸速率是越來越困難了。WDM技術(shù)是利用多個(gè)并行信道增大帶寬，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面提供的潛在解決方法。此外，WDM是與TDM互補(bǔ)的。就是說，WDM技術(shù)同時(shí)允許多個(gè)高傳輸速率TDM信道通過單個(gè)光纖傳輸。
利用WDM技術(shù)增大帶寬需要兩個(gè)基本的裝置，它們?cè)诟拍钌鲜菍?duì)稱的。第一個(gè)裝置是波分復(fù)用器。這種裝置接收多個(gè)光束，每個(gè)光束有離散的波長(zhǎng)，這些光束起初在空間上是分開的，且該裝置提供一種手段，把所有不同波長(zhǎng)的光束組合成適合于進(jìn)入光纖的一個(gè)多色光束。波分復(fù)用器可以是完全無源的光學(xué)裝置，或可以包含控制或監(jiān)測(cè)復(fù)用器性能的電子線路。波分復(fù)用器的輸入通常是由光纖完成的，雖然也可以采用激光二極管或其他的光源。如上所述，復(fù)用器的輸出是通常被引向光纖的一個(gè)多色光束。
第二個(gè)WDM裝置是波分去復(fù)用器。這個(gè)裝置的功能與波分復(fù)用器的功能相反。就是說，波分去復(fù)用器從光纖接收一個(gè)多色光束，并提供一種手段，空間分割這種不同波長(zhǎng)的多色光束。波分去復(fù)用器的輸出是多個(gè)單色光束，這些單色光束通常被引向?qū)?yīng)的多個(gè)光纖或光電檢測(cè)器。
在過去的20年中，已經(jīng)提出和展示各種類型的WDM裝置。例如，(1)W.J.Tomlinson，Applied Optics，Vol.16，No.8，PP.2180-2194(Aug.1977)；(2)A.C.Livanos et al.，Applied Physics Letters，Vol.30，No.10，PP.519-521(15 May 1977)；(3)H.Ishio et al.，Journalof Lightwave Technology，Vol.2，No.4，PP.448-463(Aug.1984)；(4)H.Obara et al.，Electronics Letters，Vol.28，No.13，PP.1268-1270(18 June 1992)；(5)A.E.Willner et al.，IEEE Photonics TechnologyLetters，Vol.5，No.7，PP.838-841(July 1993)；and(3)Y.T.Huanget al.，Optical Letters，Vol.17，No.22，PP.1629-1631(15 Nov.1992)，所有這些文獻(xiàn)中公開了某種形式的WDM裝置和/或方法。然而，上述文獻(xiàn)中公開的大多數(shù)WDM裝置和/或方法是采用非常基本透鏡的經(jīng)典光學(xué)基WDM方法，僅適用于多模光纖，而不適用于單模光纖，這是因?yàn)閱文９饫w的纖芯直徑(即，通常為8μm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多模光纖的纖芯直徑(即，通常為62.5μm)。就是說，由于其中采用非?；镜耐哥R，上述出版物中公開的結(jié)合經(jīng)典光學(xué)基WDM方法原理的WDM裝置不能在單個(gè)光纖中接收和傳輸光束，其中存在不可接受的插入損耗和信道串音量。這些不可接受的插入損耗和信道串音量的原因主要是由于這些非?；就哥R的不適當(dāng)成像能力，這些透鏡通常是由標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃材料制作的。
建議解決上述光學(xué)成像問題的一種方案是添加標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃材料制作的附加透鏡到WDM裝置中，從而導(dǎo)致WDM裝置中有雙重透鏡，三重透鏡，和甚至多重透鏡的結(jié)構(gòu)。添加這些附加的透鏡到WDM裝置中，其中添加的透鏡有高低不同的折射率，可以有效地抵消主要由透鏡球面性質(zhì)引起的像差。然而，增加的成本是添加這些附加透鏡的直接成本以及與此相關(guān)的間接成本，間接成本包括有多個(gè)透鏡的WDM裝置使復(fù)雜性增大和生產(chǎn)率下降。
建議解決上述光學(xué)成像問題的另一種方案是利用漸變折射率透鏡(即，Gradium透鏡)。利用這些漸變折射率透鏡導(dǎo)致大大提高WDM裝置內(nèi)成像系統(tǒng)的質(zhì)量。然而，制造這些漸變折射率透鏡的成本大大高于制造標(biāo)準(zhǔn)均勻折射率透鏡的成本，盡管這兩種透鏡都是使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃材料制成的。
鑒于上述的情況，我們真正需要的是這樣一種WDM裝置，它具有或允許所有這些特性低的成本，元件集成，環(huán)境和熱穩(wěn)定性，低的信道串音，低的信道信號(hào)損耗，便于接口，信道數(shù)目多，和窄的信道間隔。因此，需要提供這樣一種WDM裝置，它克服上述的不足和缺點(diǎn)，而同時(shí)具有或允許所有上述特性。
發(fā)明目的本發(fā)明的主要目的是提供波分復(fù)用/去復(fù)用裝置，該裝置利用均勻折射率透鏡獲得增加的裝置性能，以及降低裝置的成本，復(fù)雜性和制造風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)以下的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，上述的本發(fā)明主要目的，以及其他目的，特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明提供一種改進(jìn)的波分復(fù)用裝置。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，改進(jìn)的波分復(fù)用裝置有衍射光柵，用于把多個(gè)單色光束組合成一個(gè)復(fù)用多色光束。改進(jìn)波分復(fù)用裝置中的這種改進(jìn)源于使用均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播到衍射光柵的多個(gè)單色光束，和用于會(huì)聚來自衍射光柵沿第二方向傳播的復(fù)用多色光束，第二方向與第一方向大致相反。衍射光柵最好是反射式衍射光柵，該衍射光柵以相對(duì)于第一方向和第二方向的利特羅衍射角取向。
均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡通常是平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，或雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，雖然其他的透鏡結(jié)構(gòu)也是可行的。例如，均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡可以是球面透鏡或非球面透鏡。此外，均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有高折射率，且通常工作在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域是石英基光纖功率損耗(衰減)和色散非常低的區(qū)域。因此，均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡通常是選自SF59，PBH71，LAH78一組高折射率玻璃材料和其他的高折射率玻璃材料制成，這些玻璃材料在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)中有效地傳輸光束。
按照本發(fā)明的其他方面，改進(jìn)的波分復(fù)用裝置中的這種改進(jìn)可以是利用均勻折射率準(zhǔn)直透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播到衍射光柵的多個(gè)單色光束；和利用均勻折射率聚焦透鏡，用于會(huì)聚來自衍射光柵沿第二方向傳播的復(fù)用多色光束。在此情況下，第二方向不同于第一方向，但不是與第一方向相反。
按照本發(fā)明的其他方面，可以提供一種集成波分復(fù)用裝置。就是說，可以提供的集成波分復(fù)用裝置包括均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播的多個(gè)單色光束，和用于會(huì)聚沿第二方向傳播的復(fù)用多色光束。在此情況下，第二方向與第一方向仍大致相反。
集成波分復(fù)用裝置還包括粘貼到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡(boot lens)，用于沿第一方向傳輸來自均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的多個(gè)單色光束，和用于沿第二方向傳輸復(fù)用多色光束到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡有平整的接口面(interface surface)。
集成波分復(fù)用裝置還包括第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡的平整接口面處形成的衍射光柵，用于把多個(gè)單色光束組合成復(fù)用多色光束，和用于反射該復(fù)用多色光束回到第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡。衍射光柵最好是反射式衍射光柵，該衍射光柵以相對(duì)于第一方向和第二方向的利特羅衍射角取向。
按照本發(fā)明的其他方面，均勻折射率引導(dǎo)透鏡可以合并到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，因此，該均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有形成衍射光柵的平整接口面。
按照本發(fā)明的其他方面，均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡可以有平整的接口面，用于從至少一個(gè)光源(例如，光纖，激光二極管)接收多個(gè)單色光束，和用于輸出復(fù)用多色光束到至少一個(gè)光接收器(例如，光纖，光電檢測(cè)器)。
按照本發(fā)明的其他方面，集成波分復(fù)用裝置還包括粘貼到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡，用于沿第一方向傳輸多個(gè)單色光束到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，和用于沿第二方向傳輸來自均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的復(fù)用多色光束。第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡最好有平整的接口面，用于從至少一個(gè)光源接收多個(gè)單色光束，和用于輸出復(fù)用多色光束到至少一個(gè)光接收器。
按照本發(fā)明的其他方面，可以提供一種波分復(fù)用裝置。就是說，可以提供的波分復(fù)用裝置包括均勻折射率準(zhǔn)直透鏡，用于準(zhǔn)直多個(gè)單色光束；和衍射光柵，用于把多個(gè)準(zhǔn)直的單色光束組合成一個(gè)復(fù)用多色光束，和用于反射該復(fù)用多色光束。該波分復(fù)用裝置還包括均勻折射率聚焦透鏡，用于會(huì)聚反射的復(fù)用多色光束。
按照本發(fā)明的其他方面，波分復(fù)用裝置還可以包括至少一個(gè)反射元件，用于反射多個(gè)準(zhǔn)直的單色光束到衍射光柵，和/或至少一個(gè)反射元件，用于反射反射的復(fù)用多色光束到均勻折射率聚焦透鏡。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，上述的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，集成波分復(fù)用裝置，和波分復(fù)用裝置都是雙向裝置。因此，改進(jìn)波分復(fù)用裝置也可以是改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，集成波分復(fù)用裝置也可以是集成波分去復(fù)用裝置，和波分復(fù)用裝置也可以是波分去復(fù)用裝置。


為了便于充分地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照附圖給予描述。不應(yīng)當(dāng)把這些附圖解釋成對(duì)本發(fā)明的限制，而僅僅作為典型的例子。
圖1a是按照本發(fā)明有平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖1b是圖1a所示波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖1c是圖1a所示波分復(fù)用裝置的部分透視端圖。
圖2a是包含多個(gè)激光二極管的耦合裝置透視圖，多個(gè)激光二極管用于代替圖1a所示波分復(fù)用裝置中的多個(gè)輸入光纖。
圖2b是包含多個(gè)光電檢測(cè)器的耦合裝置透視圖，多個(gè)光電檢測(cè)器用于代替圖3a所示波分去復(fù)用裝置中的多個(gè)輸入光纖。
圖3a是按照本發(fā)明有平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的波分去復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖3b是圖3a所示波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖4a是按照本發(fā)明有平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的集成波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖4b是圖4a所示集成波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖5a是按照本發(fā)明有延伸的平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的集成波分復(fù)用裝置側(cè)視圖。
圖5b是圖5a所示集成波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖6a是按照本發(fā)明有凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖6b是圖6a所示波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖7a是按照本發(fā)明有凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的集成波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖7b是圖7a所示集成波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖8a是按照本發(fā)明有延伸的凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的集成波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖8b是圖8a所示集成波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖9a是按照本發(fā)明有雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖9b是圖9a所示波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖10a是按照本發(fā)明有雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡和反射式衍射光柵的集成波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
圖10b是圖10a所示集成波分復(fù)用裝置的頂視圖。
圖11是按照本發(fā)明有雙凸均勻折射率透鏡和反射式衍射光柵的波分復(fù)用裝置的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1a和1b，它們分別表示按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中波分復(fù)用裝置10的側(cè)視圖和頂視圖。復(fù)用裝置10包括多個(gè)輸入光纖12，輸入光纖耦合器14，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16，反射式衍射光柵18，輸出光纖耦合器20，和單個(gè)輸出光纖22。復(fù)用裝置10中所有以上標(biāo)識(shí)的部件都沿著光軸X-X布置，在以下要更詳細(xì)地給以描述。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，輸入光纖12和輸出光纖22以及此處描述的任何其他光纖是與按照本發(fā)明WDM裝置結(jié)合使用的，它們都是單模光纖。然而，這不應(yīng)當(dāng)限制本發(fā)明的WDM裝置僅能使用單模光纖。例如，本發(fā)明的WDM裝置也可以使用多模光纖。
此時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意，復(fù)用裝置10以及此處描述為按照本發(fā)明WDM裝置的任何其他WDM裝置工作在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)，作為一種密集波分復(fù)用(DWDM)裝置(即，數(shù)據(jù)信道的工作信道間隔小于或等于1nm)。然而，這不應(yīng)當(dāng)限制本發(fā)明的WDM裝置僅僅是DWDM裝置。例如，本發(fā)明WDM裝置也可以是標(biāo)準(zhǔn)的WDM裝置(即，數(shù)據(jù)信道的工作信道間隔大于1nm)。
回到圖1a和1b，多個(gè)輸入光纖12是由輸入光纖耦合器14組合成一維輸入光纖陣列(即，1×4陣列)，而單個(gè)輸出光纖22固定到輸出光纖耦合器20。輸入光纖耦合器14和輸出光纖耦合器20的用途是便于光纖的操作和精確定位，例如，它們都可以由硅基V形槽部件構(gòu)成。參照?qǐng)D1c，它表示復(fù)用裝置10的部分透視端圖，展示多個(gè)輸入光纖12是如何由輸入光纖耦合器14組合成一維輸入光纖陣列，以及單個(gè)輸出光纖22如何固定到輸出光纖耦合器20。圖1c還表示單色輸入光束24是從多個(gè)輸入光纖12中的每個(gè)光纖中傳輸，而單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26傳輸?shù)絾蝹€(gè)輸出光纖22。
從多個(gè)輸入光纖12傳輸?shù)拿總€(gè)單色輸入光束24在唯一波長(zhǎng)上攜帶單個(gè)數(shù)據(jù)信道，該唯一波長(zhǎng)最好是，但不要求是，在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)內(nèi)。每個(gè)單色輸入光束24攜帶的單個(gè)數(shù)據(jù)信道借助于連接到多個(gè)輸入光纖12的激光二極管疊加到每個(gè)對(duì)應(yīng)的唯一波長(zhǎng)上，此處沒有畫出這些激光二極管，它們也不構(gòu)成本發(fā)明的一部分，但本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員是熟知的。合適地預(yù)先選取單色輸入光束24的唯一波長(zhǎng)，使各個(gè)數(shù)據(jù)信道互不干擾(即，有足夠大的信道間隔)，且通過輸入光纖12和輸出光纖22的光傳輸損耗都是低的，這也是本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員所熟知的。
傳輸?shù)絾蝹€(gè)輸出光纖22的單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26在多個(gè)單色輸入光束24中每個(gè)輸入光束的唯一波長(zhǎng)上攜帶多個(gè)數(shù)據(jù)信道。通過平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16和反射式衍射光柵18的組合操作，把多個(gè)單色輸入光束24組合成單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26，在以下要更詳細(xì)地給以描述。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，輸入光纖耦合器14和輸出光纖耦合器20的布置是偏離開復(fù)用裝置10的光軸X-X，但它們是與光軸X-X對(duì)稱的，可以保證單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26被引向固定在輸出光纖耦合器20中的單個(gè)輸出光纖22，而不是被引向固定在輸入光纖耦合器14中的多個(gè)輸入光纖12，或任何其他地方。確定輸入光纖耦合器14和輸出光纖耦合器20的這種偏離間隔是基于平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的聚焦本領(lǐng)，以及衍射光柵18的特性和每個(gè)單色輸入光束24的波長(zhǎng)。
再參照?qǐng)D1a和1b，多個(gè)單色輸入光束24中的每個(gè)光束是從它們對(duì)應(yīng)的輸入光纖12傳輸?shù)捷斎牍饫w耦合器14與平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16之間的空氣間隔。在這個(gè)空氣間隔內(nèi)，多個(gè)單色輸入光束24的直徑不斷擴(kuò)大，直至它們?nèi)肷涞狡酵咕鶆蛘凵渎蕼?zhǔn)直/聚焦透鏡16。平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16準(zhǔn)直多個(gè)單色輸入光束24中的每個(gè)光束，然后傳輸每個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′到反射式衍射光柵18。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的光軸是與復(fù)用裝置10的光軸X-X重合，為的是保證單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26被引向固定在輸出光纖耦合器20中的單個(gè)輸出光纖22，而不是被引向固定在輸入光纖耦合器14中的多個(gè)輸入光纖12中的任何一個(gè)光纖，或任何其他地方，在以下要更詳細(xì)地給以描述。
反射式衍射光柵18的作用是角擴(kuò)散多個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′，角擴(kuò)散量取決于多個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′中每個(gè)光束的波長(zhǎng)。此外，反射式衍射光柵18以相對(duì)于復(fù)用裝置10光軸X-X的特殊角(即，利特羅衍射角αi)取向，為的是獲得光束的利特羅衍射條件，其中光束的波長(zhǎng)是在多個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′的波長(zhǎng)范圍內(nèi)或附近。利特羅衍射條件要求，光束入射到反射式衍射光柵的入射角和從該衍射光柵反射的反射角完全相等。所以，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員顯然知道，利用反射式衍射光柵18得到多個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′中每個(gè)光束的近似利特羅衍射條件。
利特羅衍射角αi是由熟知的衍射光柵公式確定的，mλ＝2d(sinαi)其中m是衍射級(jí)次，λ是波長(zhǎng)，d是衍射光柵的槽間隔，而αi是入射角和反射角的共同角。本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員顯然知道，利特羅衍射角αi取決于各種變量，這些變量可以根據(jù)需要進(jìn)行變化以優(yōu)化復(fù)用裝置10的性能。例如，影響利特羅衍射角αi的變量包括所需的衍射光柵級(jí)次，光柵閃耀角，數(shù)據(jù)信道數(shù)目，數(shù)據(jù)信道間隔，和復(fù)用裝置10的波長(zhǎng)范圍。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，反射式衍射光柵18可以利用各種材料和各種技術(shù)制成。例如，反射式衍射光柵18可以利用聚合物的三維全息圖制成，或利用聚合物材料復(fù)制機(jī)刻母光柵制成。在以上兩種情況下，聚合物上涂敷薄的高反射率金屬層，例如，金或鋁?；蛘撸瓷涫窖苌涔鈻?8可以利用化學(xué)方法刻蝕平整的材料，例如，玻璃或硅，在它上面也涂敷薄的高反射率金屬層，例如，金或鋁。
如上所述，反射式衍射光柵18的作用是角擴(kuò)散多個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′。因此，反射式衍射光柵18去掉多個(gè)準(zhǔn)直單色輸入光束24′的角分離，并反射單個(gè)準(zhǔn)直的多色輸出光束26′回到平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16。單個(gè)準(zhǔn)直的多色輸出光束26′包含多個(gè)準(zhǔn)直單色輸入光束24′中每個(gè)光束的唯一波長(zhǎng)。因此，單個(gè)準(zhǔn)直的多色輸出光束26′是單個(gè)準(zhǔn)直的復(fù)用多色輸出光束26′。平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16會(huì)聚單個(gè)準(zhǔn)直的復(fù)用多色輸出光束26′，然后傳輸形成的單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26到輸出光纖耦合器20，該光束入射到單個(gè)輸出光纖22。于是，單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26耦合到單個(gè)輸出光纖22中進(jìn)行傳輸。
此時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意，輸入光纖耦合器14和輸出光纖耦合器20的布置是偏離開復(fù)用裝置10的光軸X-X，但它們是與光軸X-X對(duì)稱的，可以保證單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26被引向固定在輸出光纖耦合器20中的單個(gè)輸出光纖22。然而，除了輸入光纖耦合器14和輸出光纖耦合器20的這個(gè)偏離間隔以外，利用平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16得到的復(fù)用裝置10內(nèi)輸入光束24和輸出光束26的提高成像能力，還保證單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26以非常有效的方式(即，非常低的插入損耗和可忽略的信道串音)被引向單個(gè)輸出光纖22。在圖1a和1b的實(shí)施例中，復(fù)用裝置10內(nèi)輸入光束24和輸出光束26的這種提高成像能力是使用高折射率玻璃材料制成平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的直接結(jié)果，在以下要更詳細(xì)地給以描述。
使用高折射率玻璃材料制成平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16以保證復(fù)用裝置10以非常有效的方式(即，非常低的插入損耗和可忽略的信道串音)工作，這是因?yàn)槠酵咕鶆蛘凵渎蕼?zhǔn)直/聚焦透鏡16的高折射率與相鄰于透鏡16的空氣間隔中非常低折射率之間存在著很大的差值。平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的高折射率與相鄰空氣間隔的非常低折射率之間的這個(gè)很大差值就允許平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16分別高效地準(zhǔn)直和會(huì)聚輸入光束24和輸出光束26，而同時(shí)又使這個(gè)透鏡16引入到復(fù)用裝置10的光學(xué)系統(tǒng)中波長(zhǎng)畸變量減至最小。此外，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的高折射率與相鄰空氣間隔的非常低折射率之間的這個(gè)很大差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于利用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃制成透鏡可以獲得的差值，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃的折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高折射率玻璃材料的折射率。因此，使用高折射率玻璃材料制成平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16獲得的效率高于使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃制成透鏡可以獲得的效率。
用于制成平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的高折射率玻璃材料的例子包括SF59(Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.896)，PBH71(Ohara公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.870)，LAH78(Ohara公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.860)，以及其他合適的高折射率玻璃材料，這些材料在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)有效地傳輸光束，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域是石英基光纖的功率損耗(衰減)和色散非常低的區(qū)域。事實(shí)上，大多數(shù)WDM裝置用在1530-1610nm的窗口中，這個(gè)窗口是摻鉺光纖放大器(EDFA)工作和光纖有低損耗的范圍。這個(gè)1530-1610nm區(qū)域一般稱之為光纖的“第三窗口”。然而，類似地，一些WDM裝置還用在光纖的所謂“第二窗口”(即，通常是在1300-1330nm的窗口內(nèi))，在此窗口內(nèi)光纖有很低的色散和低的損耗。因此，大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)WDM裝置利用在這些IR區(qū)有效傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃。例如，標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃FK3(Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.450)，BK7(Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.501)，K5(Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.506)，以及Gradium透鏡在這些IR區(qū)的光傳輸效率為每英寸材料厚度97-99％。這個(gè)傳輸效率水平通常是合適的，但是如上所述，在WDM裝置中透鏡使用這些材料應(yīng)當(dāng)考慮與此相關(guān)的成本(即，在要求多個(gè)透鏡的WDM裝置中使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃制造透鏡造成元件成本增大，和制造漸變折射率透鏡的加工成本增大)。此外，所有這些標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃的折射率(即，在1550nm時(shí)，通常n≈1.5)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高折射率玻璃材料的折射率(即，在1550nm時(shí)，通常n≈1.9)。
使用高折射率玻璃材料制作平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的附加優(yōu)點(diǎn)是，使用高折射率玻璃材料就可以允許準(zhǔn)直/聚焦透鏡16是平凸單重透鏡，而不是雙凸單重透鏡，雙凸雙重透鏡，或甚至雙凸多重透鏡的結(jié)構(gòu)。就是說，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16上僅僅一個(gè)曲面的聚焦本領(lǐng)足以提供基本的衍射受限準(zhǔn)直/聚焦操作。然而，應(yīng)當(dāng)注意，以上的說明并不排除準(zhǔn)直/聚焦透鏡16是雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦單重透鏡，雙重透鏡，或甚至多重透鏡的結(jié)構(gòu)。與此相反，若準(zhǔn)直/聚焦透鏡16是雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦單重透鏡，雙重透鏡，或甚至多重透鏡的結(jié)構(gòu)，則復(fù)用裝置10內(nèi)輸入光束24和輸出光束26的成像能力得到進(jìn)一步的提高，在以下要給以更詳細(xì)的討論。
使用高折射率玻璃材料制作平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，高折射率玻璃材料可以用于減小，或甚至消除透鏡16球面性質(zhì)引起的像差。這些像差的減小是因?yàn)楦哒凵渎什ＡР牧嫌惺指叩恼凵渎?，就允許平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16可以大大地增加其半徑(即，該透鏡可以有很小的曲率)，從而導(dǎo)致很小的球面像差和其他像差。例如，若平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16是用SF59(例如，Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.896)加工制作，而其余部分保持不變，則透鏡16所需的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(即，該透鏡有很小的曲率或很小的坡度)透鏡16是用典型光學(xué)玻璃FK3(Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.450)加工制作的透鏡半徑，這是因?yàn)镾F59折射率值與空氣折射率值之間的差值(即，1.896-1.0＝0.896)大于FK3折射率值與空氣折射率值之間的差值(即，1.450-1.0＝0.450)。就是說，SF59折射率值與空氣折射率值之間的差值幾乎是FK3折射率值與空氣折射率值之間差值的2倍。因此，用SF59加工制作透鏡16的半徑幾乎是用FK3加工制作透鏡16半徑的2倍。此外，透鏡16的球面特性引起的像差通常也是減小相同的倍數(shù)(即，約2X)。
使用高折射率玻璃材料制造平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16，它對(duì)于減小復(fù)用裝置10中像差水平的上述能力是非常大的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)保證使用高折射率玻璃材料能夠?qū)е路浅４蟮耐哥R設(shè)計(jì)自由度。利用高折射率可以使透鏡坡度的曲率減小，或簡(jiǎn)化WDM裝置中使用的透鏡數(shù)目和/或透鏡復(fù)雜性。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16，以及此處描述的用于本發(fā)明WDM裝置中任何其他的均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，可以是球面形狀或非球面形狀。雖然球面透鏡比非球面透鏡更普遍，主要是因?yàn)榍蛎嫱哥R容易加工制造，但是，利用非球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡代替球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡可以進(jìn)一步提高WDM裝置的性能，就是說，非球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的邊緣曲率沒有球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的邊緣曲率那么陡峭，從而進(jìn)一步減小含非球面形狀均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的WDM裝置中球面像差的水平。
此時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16，以及此處描述的用于本發(fā)明WDM裝置中任何其他的均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，通常是涂敷防反射材料，這是由于玻璃材料的高折射率。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，復(fù)用裝置10中的多個(gè)輸入光纖12可以用固定在耦合裝置30內(nèi)對(duì)應(yīng)的多個(gè)激光二極管28代替，如圖2a所示。耦合裝置30完成與輸入光纖耦合器14類似的功能，該裝置把多個(gè)激光二極管28精確地組合成一維陣列。多個(gè)激光二極管28代替多個(gè)輸入光纖12，用于傳輸多個(gè)單色輸入光束24到復(fù)用裝置10。激光二極管28的陣列可以單獨(dú)工作，或可以與合適的聚焦透鏡結(jié)合使用，提供最佳的耦合以及最小的信號(hào)損耗和信道串音量。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，復(fù)用裝置10以及此處描述的所有復(fù)用裝置可以工作在相反的配置中作為去復(fù)用裝置40，如圖3a和3b所示。去復(fù)用裝置40在物理結(jié)構(gòu)上與復(fù)用裝置10完全相同，因此，它的數(shù)字標(biāo)識(shí)也相同。然而，去復(fù)用裝置40的功能與復(fù)用裝置10的功能相反。就是說，單個(gè)復(fù)用多色輸入光束42從單個(gè)光纖22傳輸，而多個(gè)單色輸出光束44傳輸?shù)蕉鄠€(gè)光纖12，其中多個(gè)單色輸出光束44中的每個(gè)光束傳輸?shù)蕉鄠€(gè)光纖12中對(duì)應(yīng)的一個(gè)光纖。單個(gè)復(fù)用多色輸入光束42同時(shí)攜帶多個(gè)數(shù)據(jù)信道，每個(gè)數(shù)據(jù)信道在唯一的波長(zhǎng)上，該波長(zhǎng)最好是，但不要求是，在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)內(nèi)。多個(gè)單色輸出光束44中的每個(gè)光束在單個(gè)復(fù)用多色輸入光束42中對(duì)應(yīng)一個(gè)的唯一波長(zhǎng)上攜帶單個(gè)數(shù)據(jù)信道。通過平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16和反射式衍射光柵18的組合操作，單個(gè)復(fù)用多色輸入光束42被分割成多個(gè)單色輸出光束44。因此，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16和反射式衍射光柵18的作用是完成去復(fù)用功能。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，去復(fù)用裝置40中的多個(gè)光纖12可以用固定在耦合裝置50內(nèi)對(duì)應(yīng)的多個(gè)光電檢測(cè)器48代替，如圖2b所示。耦合裝置50完成與光纖耦合器14類似的功能，該裝置把多個(gè)光電檢測(cè)器48精確地組合成一維輸入陣列。多個(gè)光電檢測(cè)器48代替多個(gè)光纖12，用于接收來自去復(fù)用裝置40的多個(gè)單色輸出光束44。光電檢測(cè)器48的陣列可以單獨(dú)工作，或可以與合適的聚焦透鏡結(jié)合使用，提供最佳的耦合以及最小的信號(hào)損耗量和信道串音量。
參照?qǐng)D4a和4b，它們分別表示按照本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中波分復(fù)用裝置60的側(cè)視圖和頂視圖。復(fù)用裝置60在物理結(jié)構(gòu)上與復(fù)用裝置10完全相同，不同的是，在光纖耦合器14，16與平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16之間添加第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62，以及在平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16與反射式衍射光柵18之間添加第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64。第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62和第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64最好是利用熔融石英加工制作(Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.444)，雖然也可以利用若干其他的低折射率光學(xué)玻璃材料制作。
第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62有平整的前表面62a，分別與光纖耦合器14，20和相關(guān)的固定光纖12，22匹配。光纖耦合器14，20和固定的光纖12，22可以緊靠平整前表面62a，或利用光膠或一些其他的透光粘合技術(shù)，粘貼到平整前表面62a，它取決于系統(tǒng)的移動(dòng)性要求以及光束的對(duì)準(zhǔn)和損耗考慮。
第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62還有平整的后表面62b，用于與平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的平整前表面16a匹配。利用光膠或一些其他的透光粘合技術(shù)，第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62的平整后表面62b通常連接或粘貼到平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的平整前表面16a。
第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64有凹的前表面64a，與平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的凸后表面16b匹配。利用光膠或一些其他的透光粘合技術(shù)，第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64的凹前表面64a通常連接或粘貼到平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的凸后表面16b。
第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64還有平整的后表面64b，其傾角類似于反射式衍射光柵18，以利特羅衍射角αi相對(duì)于復(fù)用裝置60的X-X光軸取向。如同復(fù)用裝置10一樣，可以使用單獨(dú)的材料制成反射式衍射光柵18，且利用光膠或一些其他的透光粘合技術(shù)，這種材料可以連接或粘貼到第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64的平整后表面64b。或者，反射式衍射光柵18可以直接形成在第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64的平整后表面64b，從而避免反射式衍射光柵18連接或粘貼到第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64的平整后表面64b。在任何一種情況下，反射式衍射光柵18和第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64與平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16和第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62集成在一起，制成小型，堅(jiān)固以及環(huán)境和熱穩(wěn)定的復(fù)用裝置60。這個(gè)復(fù)用裝置60的集成性質(zhì)對(duì)于維持部件對(duì)準(zhǔn)是特別有用的，它可以保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能，而一些非集成的空氣介質(zhì)裝置的對(duì)準(zhǔn)性能隨時(shí)間下降，因此其性能也隨時(shí)間下降。
復(fù)用裝置60的功能與復(fù)用裝置10的功能完全相同，不同的是，由于分別添加了第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62和第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64，光束的傳輸效率略微減小。然而，即使光束的傳輸效率略微減小，復(fù)用裝置60的光學(xué)性能仍然是卓越的，這是因?yàn)槭褂酶哒凵渎什ＡР牧现瞥善酵咕鶆蛘凵渎蕼?zhǔn)直/聚焦透鏡16。如上所述，可以利用高折射率玻璃材料減小或甚至消除透鏡16球面性質(zhì)引起的像差。盡管分別添加了第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62和第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64，這些像差仍然是減小的。例如，若第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62和第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64是用第一種類型標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃(例如，Schott玻璃技術(shù)公司制造的熔融石英，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.444)加工制作和平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16是用SF59(Schott玻璃技術(shù)公司制造，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.896)加工制作，而其余部分保持不變，則透鏡16所需的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(即，該透鏡有小的曲率或小的坡度)用第二種類型標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃(例如，Schott玻璃技術(shù)公司制造的BK7，在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，n＝1.501)制造的透鏡半徑，這是因?yàn)镾F59的折射率值與熔融石英折射率值之間有較大的差值(即，1.896-1.444＝0.452)，與此對(duì)比，BK7的折射率值與熔融石英折射率值之間有較小的差值(即，1.501-1.444＝0.057)。就是說，SF59的折射率值與熔融石英折射率值之間差值是BK7的折射率值與熔融石英折射率值之間差值的7.93倍。因此，就允許SF59制造的透鏡16半徑是BK7制造的透鏡16半徑的7.93倍。此外，透鏡16的球面性質(zhì)引起的像差通常也減小相同的倍數(shù)(即，7.93倍)。
參照?qǐng)D5a和5b，它們分別表示按照本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中波分復(fù)用裝置70的側(cè)視圖和頂視圖。復(fù)用裝置70在物理結(jié)構(gòu)上與復(fù)用裝置60完全相同，不同的是，去掉了第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62，而延伸了平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16′的平整前表面16′a，使光纖耦合器14，20和固定的光纖12，22分別與平整前表面16′a對(duì)接，或利用光膠或一些其他的透光粘合技術(shù)，粘貼到平整前表面16′a，它取決于系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性要求以及光束的對(duì)準(zhǔn)和損耗考慮。類似于復(fù)用裝置60，復(fù)用裝置70的集成性質(zhì)對(duì)于維持部件對(duì)準(zhǔn)是特別有用的，它可以保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能，而一些非集成的空氣介質(zhì)裝置的對(duì)準(zhǔn)性能隨時(shí)間下降，因此其性能也隨時(shí)間下降。復(fù)用裝置70的功能與復(fù)用裝置60的功能完全相同，不同的是，由于去掉了第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62，光束的傳輸效率略微增大。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，圖1a和1b所示復(fù)用裝置10中的平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16可以用凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17代替，形成圖6a和6b所示按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中的波分復(fù)用裝置80。圖6a和6b的復(fù)用裝置80實(shí)現(xiàn)上述使用高折射率玻璃材料制成圖1a和1b所示復(fù)用裝置10中平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的優(yōu)點(diǎn)。就是說，當(dāng)使用高折射率玻璃材料制成制成圖6a和6b所示復(fù)用裝置80中凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)使用高折射率玻璃材料制成圖1a和1b所示復(fù)用裝置10中平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16的上述優(yōu)點(diǎn)。復(fù)用裝置80的功能與復(fù)用裝置10的功能完全相同。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，類似于圖4a和4b所示的復(fù)用裝置60，可以添加均勻折射率引導(dǎo)透鏡到圖6a和6b所示的復(fù)用裝置80中，形成圖7a和7b所示按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的波分復(fù)用裝置90。圖7a和7b所示的波分復(fù)用裝置90實(shí)現(xiàn)利用圖4a和4b所示復(fù)用裝置60中均勻折射率引導(dǎo)透鏡的上述優(yōu)點(diǎn)。就是說，當(dāng)利用圖7a和7b所示波分復(fù)用裝置90中第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡63和第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡65時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)利用圖4a和4b所示復(fù)用裝置60中第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62和第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64的上述優(yōu)點(diǎn)。類似于復(fù)用裝置60，復(fù)用裝置90的集成性質(zhì)對(duì)于維持部件對(duì)準(zhǔn)是特別有用的，它可以保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能，而一些非集成的空氣介質(zhì)裝置的對(duì)準(zhǔn)性能隨時(shí)間下降，因此其性能也隨時(shí)間下降。復(fù)用裝置90的功能與復(fù)用裝置60的功能完全相同。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，可以從圖7a和7b所示的復(fù)用裝置90中去掉第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡65，和可以延伸凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17′的后表面17′b到反射式衍射光柵18，形成圖8a和8b所示按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的波分復(fù)用裝置100。凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17′后表面17′b的傾角類似于反射式衍射光柵18，以利特羅衍射角αi相對(duì)于復(fù)用裝置100的X-X光軸取向。如同以上描述的實(shí)施例一樣，可以利用單獨(dú)的材料制成反射式衍射光柵18，和利用光膠或一些其他的透光粘合技術(shù)，這種材料可以連接或粘貼到凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17′的平整后表面17′b?；蛘撸瓷涫窖苌涔鈻?8可以直接形成在凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17′的平整后表面17′b，從而避免反射式衍射光柵18連接或粘貼到凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17′的平整后表面17′b。在任何一種情況下，反射式衍射光柵18和凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17′與第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡63集成在一起，制成小型，堅(jiān)固以及環(huán)境和熱穩(wěn)定的復(fù)用裝置100。類似于復(fù)用裝置70，復(fù)用裝置100的集成性質(zhì)對(duì)于維持部件對(duì)準(zhǔn)是特別有用的，它可以保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能，而一些非集成的空氣介質(zhì)裝置的對(duì)準(zhǔn)性能隨時(shí)間下降，因此其性能也隨時(shí)間下降。復(fù)用裝置100的功能與復(fù)用裝置70的功能完全相同。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，可以從復(fù)用裝置60中去掉第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62或第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64，可以從復(fù)用裝置70中去掉第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64，可以從復(fù)用裝置90中去掉第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡63或第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡65，和可以從復(fù)用裝置100中去掉第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡63，在仍然保持使用高折射率玻璃材料制成平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16或凸平均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡17的上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以建立其他的實(shí)施例(未展示)。
參照?qǐng)D9a和9b，它們分別表示按照本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中波分復(fù)用裝置110的側(cè)視圖和頂視圖。復(fù)用裝置110在物理結(jié)構(gòu)上與復(fù)用裝置10完全相同，不同的是，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16已經(jīng)用雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡82代替，為的是進(jìn)一步提高復(fù)用裝置110內(nèi)輸入光束24和輸出光束26的成像能力。就是說，雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡82的附加曲面提供附加的成像能力，從而增大復(fù)用裝置110的光纖耦合效率(FCE)。與插入損耗的量度對(duì)比，WDM裝置的FCE僅表示W(wǎng)DM裝置光學(xué)系統(tǒng)中每個(gè)數(shù)據(jù)信道的效率，而不考慮衍射光柵的效率。比較而言，對(duì)于圖1和9所示W(wǎng)DM裝置的結(jié)構(gòu)，利用雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡82代替平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16通常導(dǎo)致FCE增加約1％。因此，必須考慮FCE的微小增加與制造有附加曲面透鏡相關(guān)的附加成本之間的折衷。當(dāng)然，通常利用二重，三重或多重透鏡的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步增大FCE。
參照?qǐng)D10a和10b，它們分別表示按照本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中波分復(fù)用裝置120的側(cè)視圖和頂視圖。復(fù)用裝置120的物理結(jié)構(gòu)與復(fù)用裝置60的物理結(jié)構(gòu)完全相同，不同的是，平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16已經(jīng)用雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡82代替，且第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62已經(jīng)用第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡63代替。如同復(fù)用裝置110一樣，用雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡82代替復(fù)用裝置90中的平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡16，可以進(jìn)一步提高復(fù)用裝置120中輸入光束24和輸出光束26的成像能力。已經(jīng)用第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡63代替第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡62，這是因?yàn)榈谝痪鶆蛘凵渎室龑?dǎo)透鏡63有凹的后表面63b，可以與雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡82的凸前表面82a匹配。
此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，類似于復(fù)用裝置60，可以從復(fù)用裝置120中去掉第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡63或第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡64，在仍然保持使用高折射率玻璃材料制成雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡82的上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以建立其他的實(shí)施例(未展示)。
參照?qǐng)D11，它表示按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中波分復(fù)用裝置130的側(cè)視圖。復(fù)用裝置130與上述實(shí)施例不同的是，利用分開的雙凸均勻折射率準(zhǔn)直透鏡102，分開的雙凸均勻折射率聚焦透鏡106，和反射式衍射光柵104，該衍射光柵的反射角配置不同于上述實(shí)施例中的反射角配置。雙凸均勻折射率準(zhǔn)直透鏡102準(zhǔn)直多個(gè)單色輸入光束24，然后傳輸多個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′到反射式衍射光柵104。反射式衍射光柵104從多個(gè)準(zhǔn)直的單色輸入光束24′中去掉角分離，并反射單個(gè)準(zhǔn)直的復(fù)用多色輸出光束26′到雙凸均勻折射率聚焦透鏡106。雙凸均勻折射率聚焦透鏡106會(huì)聚單個(gè)準(zhǔn)直的復(fù)用多色輸出光束26′，然后傳輸形成的單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26到輸出光纖耦合器20，該光束入射到單個(gè)輸出光纖22。于是，單個(gè)復(fù)用多色輸出光束26耦合到單個(gè)輸出光纖22中進(jìn)行傳輸。
按照上述的實(shí)踐，可以用平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，或均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦二重透鏡，三重透鏡或甚至多重透鏡代替復(fù)用裝置130中的雙凸均勻折射率準(zhǔn)直透鏡102和/或雙凸均勻折射率聚焦透鏡106。此外，按照上述實(shí)踐可以添加均勻折射率引導(dǎo)透鏡到復(fù)用裝置130中。如同上述實(shí)施例的情況一樣，與利用這些替代/附加部件相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也適用于復(fù)用裝置130。當(dāng)然，最大的優(yōu)點(diǎn)源于透鏡使用高折射率玻璃材料。就是說，與各個(gè)實(shí)施例無關(guān)，WDM裝置中的透鏡使用高折射率玻璃材料導(dǎo)致增加的裝置性能，以及減小裝置成本，復(fù)雜性，和制造風(fēng)險(xiǎn)。簡(jiǎn)單地說，透鏡使用高折射率玻璃材料，就可以允許構(gòu)造一組簡(jiǎn)單，低成本，而強(qiáng)有力的WDM裝置，它特別適合于DWDM(即，高信道數(shù)目)中的應(yīng)用。
本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施例的范圍。確實(shí)，除了以上描述的以外，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員根據(jù)以上的描述和附圖可以提出本發(fā)明的各種變更。因此，這種變更都應(yīng)當(dāng)屬于所附權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有衍射光柵的改進(jìn)的波分復(fù)用裝置，用于把多個(gè)單色光束組合成一個(gè)復(fù)用多色光束，這種改進(jìn)包括均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播到衍射光柵的多個(gè)單色光束，和用于會(huì)聚來自衍射光柵沿第二方向傳播的復(fù)用多色光束，第二方向與第一方向大致相反。
2.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有高折射率。
3.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡工作在電磁波頻譜的紅外區(qū)。
4.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
5.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
6.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
7.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是非球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
8.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是選自SF59，PBH71，LAH78一組高折射率玻璃材料和其他的高折射率玻璃材料制成，這些玻璃材料在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)中有效地傳輸光束。
9.按照權(quán)利要求1的改進(jìn)波分復(fù)用裝置，其中衍射光柵是反射式衍射光柵，該衍射光柵以相對(duì)于第一方向和第二方向的利特羅衍射角取向。
10.一種具有衍射光柵的改進(jìn)的波分復(fù)用裝置，用于把多個(gè)單色光束組合成一個(gè)復(fù)用多色光束，這種改進(jìn)包括均勻折射率準(zhǔn)直透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播到衍射光柵的多個(gè)單色光束；和均勻折射率聚焦透鏡，用于會(huì)聚來自衍射光柵沿第二方向傳播的復(fù)用多色光束，第二方向不同于第一方向。
11.一種具有衍射光柵的改進(jìn)的波分去復(fù)用裝置，用于把一個(gè)復(fù)用多色光束分割成多個(gè)單色光束，這種改進(jìn)包括均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播到衍射光柵的復(fù)用多色光束，和用于會(huì)聚來自衍射光柵沿第二方向傳播的多個(gè)單色光束，第二方向與第一方向大致相反。
12.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有高折射率。
13.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡工作在電磁波頻譜的紅外區(qū)。
14.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是平凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
15.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是雙凸均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
16.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
17.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是非球面均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
18.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡是選自SF59，PBH71，LAH78一組高折射率玻璃材料和其他的高折射率玻璃材料制成，這些玻璃材料在電磁波頻譜的紅外(IR)區(qū)中有效地傳輸光束。
19.按照權(quán)利要求11的改進(jìn)波分去復(fù)用裝置，其中衍射光柵是反射式衍射光柵，該衍射光柵以相對(duì)于第一方向和第二方向的利特羅衍射角取向。
20.一種具有衍射光柵的改進(jìn)的波分去復(fù)用裝置，用于把一個(gè)復(fù)用多色光束分割成多個(gè)單色光束，這種改進(jìn)包括均勻折射率準(zhǔn)直透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播到衍射光柵的復(fù)用多色光束；和均勻折射率聚焦透鏡，用于會(huì)聚來自衍射光柵沿第二方向傳播的多個(gè)單色光束，第二方向不同于第一方向。
21.一種集成波分復(fù)用裝置，包括均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播的多個(gè)單色光束，和用于會(huì)聚沿第二方向傳播的復(fù)用多色光束，第二方向與第一方向大致相反；粘貼到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的均勻折射率引導(dǎo)透鏡，用于沿第一方向傳輸來自均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的多個(gè)單色光束，和用于沿第二方向傳輸復(fù)用多色光束到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，均勻折射率引導(dǎo)透鏡有平整的接口面；和均勻折射率引導(dǎo)透鏡平整接口面處形成的衍射光柵，用于把多個(gè)單色光束組合成復(fù)用多色光束，并反射該復(fù)用多色光束回到均勻折射率引導(dǎo)透鏡。
22.按照權(quán)利要求21的裝置，其中均勻折射率引導(dǎo)透鏡合并到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，因此，該均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有形成了衍射光柵的平整接口面。
23.按照權(quán)利要求21的裝置，其中均勻折射率引導(dǎo)透鏡是第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡，該裝置還包括粘貼到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡，用于沿第一方向傳輸多個(gè)單色光束到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，和用于沿第二方向傳輸來自均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的復(fù)用多色光束。
24.按照權(quán)利要求23的裝置，其中第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡有平整的接口面，用于從至少一個(gè)光源接收多個(gè)單色光束，和用于輸出復(fù)用多色光束到至少一個(gè)光接收器。
25.按照權(quán)利要求21的裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有平整的接口面，用于從至少一個(gè)光源接收多個(gè)單色光束，和用于輸出復(fù)用多色光束到至少一個(gè)光接收器。
26.按照權(quán)利要求21的裝置，其中衍射光柵是反射式衍射光柵，該衍射光柵以相對(duì)于第一方向和第二方向的利特羅衍射角取向。
27.一種集成波分去復(fù)用裝置，包括均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，用于準(zhǔn)直沿第一方向傳播的復(fù)用多色光束，并且用于會(huì)聚沿第二方向傳播的多個(gè)單色光束，第二方向與第一方向大致相反；粘貼到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的均勻折射率引導(dǎo)透鏡，用于沿第一方向傳輸來自均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的復(fù)用多色光束，并且用于沿第二方向傳輸多個(gè)單色光束到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，該均勻折射率引導(dǎo)透鏡有平整的接口面；和在均勻折射率引導(dǎo)透鏡的平整接口面處形成的衍射光柵，用于把復(fù)用多色光束分割成多個(gè)單色光束，并反射該多個(gè)單色光束回到均勻折射率引導(dǎo)透鏡。
28.按照權(quán)利要求27的裝置，其中均勻折射率引導(dǎo)透鏡合并到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，因此，該均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有形成了衍射光柵的平整接口面。
29.按照權(quán)利要求27的裝置，其中均勻折射率引導(dǎo)透鏡是第一均勻折射率引導(dǎo)透鏡，該裝置還包括粘貼到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡，用于沿第一方向傳輸復(fù)用多色光束到均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡，并且用于沿第二方向傳輸來自均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡的多個(gè)單色光束。
30.按照權(quán)利要求29的裝置，其中第二均勻折射率引導(dǎo)透鏡有平整的接口面，用于從光源接收復(fù)用多色光束，并且用于輸出多個(gè)單色光束到至少一個(gè)光接收器。
31.按照權(quán)利要求27的裝置，其中均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡有平整的接口面，用于從光源接收復(fù)用多色光束，并且用于輸出多個(gè)單色光束到至少一個(gè)光接收器。
32.按照權(quán)利要求27的裝置，其中衍射光柵是反射式衍射光柵，該衍射光柵以相對(duì)于第一方向和第二方向的利特羅衍射角取向。
33.一種波分復(fù)用裝置，包括均勻折射率準(zhǔn)直透鏡，用于準(zhǔn)直多個(gè)單色光束；衍射光柵，用于把多個(gè)準(zhǔn)直的單色光束組合成一個(gè)復(fù)用多色光束，和用于反射該復(fù)用多色光束；和均勻折射率聚焦透鏡，用于會(huì)聚反射的復(fù)用多色光束。
34.按照權(quán)利要求33的裝置，還包括至少一個(gè)反射元件，用于反射多個(gè)準(zhǔn)直的單色光束到衍射光柵。
35.按照權(quán)利要求33的裝置，還包括至少一個(gè)反射元件，用于反射反射的復(fù)用多色光束到均勻折射率聚焦透鏡。
36.一種波分去復(fù)用裝置，包括均勻折射率準(zhǔn)直透鏡，用于準(zhǔn)直復(fù)用多色光束；衍射光柵，用于把準(zhǔn)直的復(fù)用多色光束分割成多個(gè)單色光束，和用于反射該多個(gè)單色光束；和均勻折射率聚焦透鏡，用于會(huì)聚多個(gè)反射的單色光束。
37.按照權(quán)利要求36的裝置，還包括至少一個(gè)反射元件，用于反射準(zhǔn)直的復(fù)用多色光束到衍射光柵。
38.按照權(quán)利要求36的裝置，還包括至少一個(gè)反射元件，用于反射多個(gè)反射的單色光束到均勻折射率聚焦透鏡。
全文摘要
公開一種改進(jìn)的波分復(fù)用裝置(10)。該改進(jìn)的波分復(fù)用裝置(10)具有衍射光柵(18),用于把多個(gè)單色光束組合成一個(gè)復(fù)用多色光束。改進(jìn)的波分復(fù)用裝置中的這種改進(jìn)源于使用均勻折射率準(zhǔn)直/聚焦透鏡(16),用于準(zhǔn)直沿第一方向(24′)傳播的多個(gè)單色光束(24)到衍射光柵(18),和用于會(huì)聚來自衍射光柵(18)沿第二方向(26′)傳播的復(fù)用多色光束(26),其中第二方向(26′)與第一方向(24′)大致相反。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1379864SQ00814429
公開日2002年11月13日 申請(qǐng)日期2000年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月25日
發(fā)明者羅伯特·K·維德 申請(qǐng)人:光學(xué)芯片公司