本發(fā)明涉及一種光通信器件,具體涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊的波長選擇開關(guān)，本發(fā)明屬于光通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

根據(jù)其需達(dá)到的功能和指標(biāo)要求，目前所有波長選擇開關(guān)的光路結(jié)構(gòu)均包含如下幾個(gè)基本部件：準(zhǔn)直輸入輸出裝置、擴(kuò)束裝置、分光裝置、聚焦裝置以及衰減切換裝置。準(zhǔn)直輸入輸出裝置可以由光纖陣列+微透鏡陣列組成，也可以直接由多個(gè)單準(zhǔn)直器拼裝而成；擴(kuò)束裝置可以由一組棱鏡組成，也可以由焦距成一定比例的透鏡組成；分光裝置一般為光柵，可以是透射光柵，也可以是反射光柵；聚焦裝置可以是一組透鏡，也可以是凹面鏡，用來將各個(gè)端口、各個(gè)波長的光聚焦到最后的焦平面上；衰減切換裝置位于聚焦裝置的焦平面或其附近，實(shí)現(xiàn)商用的有如下三種形式：基于MEMS、基于LCOS和基于液晶+雙折射楔角片型式，其作用是對(duì)各個(gè)波長分別進(jìn)行光功率調(diào)節(jié)以及輸出端口的選擇。

此外，若上述光學(xué)部件中有要求線偏光入射的，則還需要增加一個(gè)部件——起偏分束裝置。

鑒于波長選擇開關(guān)必須要包含上述這些基本部件，制作波長選擇開關(guān)時(shí)常常會(huì)面臨光路結(jié)構(gòu)尺寸大、封裝元件多等難題。此外，為了改善帶寬指標(biāo)，會(huì)要求提高光柵的分光能力，但這會(huì)加大衰減切換裝置中各個(gè)波長單元的寬度尺寸差異，從而增加了衰減切換部件的工藝難度以及造成各個(gè)波長單元的性能差異。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)緊湊的波長選擇開關(guān)，通過對(duì)擴(kuò)束裝置和分光裝置進(jìn)行復(fù)用，壓縮了光路尺寸，減少了封裝元件數(shù)量，而且降低了對(duì)光柵分光能力的要求，并能實(shí)現(xiàn)整個(gè)波段范圍內(nèi)均勻分光。

本發(fā)明技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的原理具體如下：若光束經(jīng)過棱鏡可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，則當(dāng)光束改從棱鏡出射面入射時(shí)光束夾角能夠以相同倍數(shù)被放大。本發(fā)明的技術(shù)方案采用反射式光柵，從而在光柵處入射光束和衍射光束位于光柵同側(cè)，即可以實(shí)現(xiàn)光束來回兩次經(jīng)過擴(kuò)束棱鏡。當(dāng)經(jīng)過光柵分光以后的光束從棱鏡另一側(cè)重新進(jìn)入棱鏡時(shí)，分光角度會(huì)被該棱鏡放大。光柵分光時(shí)，各個(gè)波長并非均勻分光，長波分光能力大于短波分光能力；而棱鏡的分光特性恰恰相反，短波經(jīng)棱鏡時(shí)折射率大，故短波的分光能力大于長波。于是，將光柵與棱鏡組合起來實(shí)現(xiàn)分光，在增加分光能力的同時(shí)，還能使整個(gè)波段分光均勻。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種波長選擇開關(guān)，包括依次排列的準(zhǔn)直輸入輸出裝置、起偏分束裝置、擴(kuò)束分光棱鏡組、反射式光柵、聚焦裝置、衰減切換裝置；其中，所述準(zhǔn)直輸入輸出裝置將輸入光信號(hào)準(zhǔn)直后輸入到所述起偏分束裝置；所述起偏分束裝置將準(zhǔn)直后的輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換成線偏振光；所述擴(kuò)束分光棱鏡組包括多組成對(duì)設(shè)置的棱鏡對(duì)，對(duì)所述線偏振光進(jìn)行擴(kuò)束；所述反射式光柵對(duì)擴(kuò)束后的線偏振光進(jìn)行分光，并再次經(jīng)過所述擴(kuò)束分光棱鏡組中的部分棱鏡對(duì)以進(jìn)一步擴(kuò)大分光能力，從而將輸入光信號(hào)中各個(gè)波長對(duì)應(yīng)的光信號(hào)均勻散開；所述聚焦裝置將均勻散開的各個(gè)波長對(duì)應(yīng)的光信號(hào)聚焦到所述衰減切換裝置；所述衰減切換裝置進(jìn)行衰減量調(diào)節(jié)以及選擇輸出端口。

所述擴(kuò)束分光棱鏡組中的每個(gè)棱鏡的截面均為直角三角形，所述擴(kuò)束分光棱鏡組中的每個(gè)棱鏡在擴(kuò)束時(shí)均以斜邊入射、直角邊出射，其中每個(gè)棱鏡直角邊出射角度近似為0度。

所述擴(kuò)束分光棱鏡組由兩組成對(duì)設(shè)置的棱鏡對(duì)組成；所述線偏振光經(jīng)過所述擴(kuò)束分光棱鏡組的第一組棱鏡對(duì)和第二組棱鏡對(duì)進(jìn)行擴(kuò)束，經(jīng)所述反射式光柵分光后的各個(gè)波長對(duì)應(yīng)的光信號(hào)再次經(jīng)過所述擴(kuò)束分光棱鏡組的第二組棱鏡對(duì)進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)大分光。

所述擴(kuò)束分光棱鏡組的第一組棱鏡對(duì)的擴(kuò)束倍數(shù)與所述反射式光柵的擴(kuò)束倍數(shù)的乘積確定所述波長選擇開關(guān)的擴(kuò)束倍數(shù)，所述反射式光柵的分光能力與所述擴(kuò)束分光棱鏡組的第二組棱鏡對(duì)的擴(kuò)束倍數(shù)的乘積確定所述波長選擇開關(guān)的分光能力。

所述反射式光柵的擴(kuò)束倍數(shù)為cosθ2/cosθ1，分光能力為m·Γ/cosθ2，其中θ1、θ2、Γ、m分別為所述反射式光柵的入射角、衍射角、線數(shù)、衍射級(jí)次。

所述擴(kuò)束分光棱鏡組的第二組棱鏡對(duì)的口徑由擴(kuò)束后的光斑大小和所有波長分開的角度共同決定，需滿足兩次進(jìn)入第二組棱鏡對(duì)的光在其光學(xué)作用范圍內(nèi)。

所述反射式光柵的入射角和衍射角分開的角度需使兩次進(jìn)入所述擴(kuò)束分光棱鏡組的第二組棱鏡對(duì)的光以不產(chǎn)生交疊的方式分開。

所述聚焦裝置由一組透鏡組成，采用球透鏡或者柱透鏡或者二者的組合。

所述衰減切換裝置采用MEMS微反射鏡陣列或者LCOS像素單元陣列或者液晶單元陣列。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明波長選擇開關(guān)光路結(jié)構(gòu)緊湊，封裝元件數(shù)量減少；

2、本發(fā)明波長選擇開關(guān)在整個(gè)波段范圍實(shí)現(xiàn)了均勻分光，衰減切換裝置中各個(gè)波長單元的尺寸一致性好。

附圖說明

圖1、本發(fā)明的波長選擇開關(guān)光路結(jié)構(gòu)圖；

圖2、本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束比計(jì)算示意圖；

其中：

101：準(zhǔn)直輸入輸出裝置； 102：起偏分束裝置；

103：擴(kuò)束分光棱鏡組； 104：反射式光柵；

105：聚焦裝置； 106：衰減切換裝置；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明所提供的波長選擇開關(guān)在波長分布平面即光柵分光平面的光路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中準(zhǔn)直輸入輸出裝置101、起偏分束裝置102、擴(kuò)束分光棱鏡組103、反射式光柵104、聚焦裝置105、衰減切換裝置106依次排列，其光路過程具體如下：輸入光信號(hào)經(jīng)過準(zhǔn)直輸入輸出裝置101準(zhǔn)直后，由起偏分束器102轉(zhuǎn)換成線偏光，再經(jīng)過擴(kuò)束分光棱鏡組103中的多個(gè)棱鏡組進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的光束經(jīng)過反射式光柵104分光并再次經(jīng)過擴(kuò)束分光棱鏡組103中的部分棱鏡組擴(kuò)大分光能力，經(jīng)擴(kuò)束分光棱鏡組103進(jìn)一步分光后，各個(gè)波長對(duì)應(yīng)的單通道光信號(hào)均勻散開，再由聚焦裝置105聚焦到衰減切換裝置106進(jìn)行衰減量調(diào)節(jié)以及輸出端口選擇。

所述擴(kuò)束分光棱鏡組103可由多組成對(duì)設(shè)置的棱鏡對(duì)組成，優(yōu)選地由兩組成對(duì)設(shè)置的棱鏡組成，棱鏡成對(duì)使用是為了保證光線從棱鏡對(duì)出射后方向與入射時(shí)基本一致，沒有偏折。如圖1所示，每個(gè)棱鏡的截面均為直角三角形，每組成對(duì)的棱鏡中，每個(gè)棱鏡都是從斜邊入射、直角邊出射，且直角邊出射角度約等于0度。

棱鏡材料和頂角一定時(shí)，每個(gè)棱鏡的擴(kuò)束倍數(shù)由斜邊入射角決定，如圖2所示，該棱鏡的入射角為θ，折射角等于棱鏡頂角，為α，則該棱鏡的擴(kuò)束倍數(shù)為cosα/cosθ，此公式可以推及任何斜面對(duì)光束的整形作用。此處，為了使兩次進(jìn)入第二對(duì)棱鏡對(duì)的光能夠分得足夠開，不產(chǎn)生交疊，反射式光柵104的入射角和衍射角分開的角度應(yīng)足夠大，但分開角度太大，一方面光路不夠緊湊，另一方面反射式光柵104的分光能力減小，故反射式光柵104的入射角有一個(gè)最佳值，能夠使得兩次進(jìn)入第二組棱鏡對(duì)的光剛好分開。假設(shè)反射式光柵104的入射角和衍射角分別為θ1、θ2，反射式光柵的104線數(shù)為Γ，衍射級(jí)次為m，則反射式光柵104對(duì)光束的擴(kuò)束倍數(shù)為cosθ2/cosθ1，對(duì)某一波長λ而言，其分光能力為m·Γ/cosθ2。光路系統(tǒng)的帶寬要求決定了光路中擴(kuò)束倍數(shù)和分光能力的選取，而此光路中擴(kuò)束倍數(shù)等于第一組棱鏡對(duì)的擴(kuò)束倍數(shù)與光柵擴(kuò)束倍數(shù)的乘積，分光能力等于光柵分光能力與第二組棱鏡對(duì)的擴(kuò)束倍數(shù)的乘積。第二組棱鏡對(duì)的口徑應(yīng)滿足兩次進(jìn)入該棱鏡對(duì)的光不會(huì)超出棱鏡，口徑的選取由擴(kuò)束后的光斑大小(準(zhǔn)直輸入光斑大小乘以光路的擴(kuò)束倍數(shù))和波長分開的角度(波長范圍乘以光路的分光能力)共同決定。

所述聚焦裝置105由一組透鏡組成，可以是球透鏡也可以是柱透鏡，也可以是二者的組合，主要依據(jù)分光平面(圖1中Y-Z平面)和切換平面(圖1中X-Z平面)所需的焦距以及光路總長的考慮。

所述衰減切換裝置106中核心部件可以是MEMS微反射鏡陣列，也可以是LCOS像素單元陣列，或是液晶單元陣列，通過設(shè)置衰減切換裝置106來改變反射回光路的光線角度，從而選擇從不同端口輸出。

雖然本發(fā)明已經(jīng)詳細(xì)地示出并描述了一個(gè)相關(guān)的特定的實(shí)施例參考，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種改變。這些改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求所要求的保護(hù)范圍。