用于光通信中的动态光耦合器制造技术

一种用于光通信中的动态光耦合器，包括由置于准直透镜组前焦面上的输入光纤组发射的光束经过准直透镜组准直后，再通过置于准直透镜组后焦面上和会聚透镜前焦面上的由二个互补的正负位相板构成带移动器的位相板后，经会聚透镜会聚在置于会聚透镜后焦面上的输出光纤组上。位相板具有偶数型达曼光栅的特性。通过半周期的位移，就可以实现分束与并束的转换。因此具有动态的分束和合束的双重功能，使用方便，体积小，重量轻，作为开关比在先技术中的机械光开关速度快，在光通信的发展应用上有着重要的应用价值。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于光通信中的动态光耦合器，特别是涉及一种基于微小衍射光学元件的适合于较大数目的动态光耦合和光分束。
技术介绍
随着科学技术的发展，人们对通信容量有不断增长的巨大市场需求。光纤通信以其高速、大容量、保密性好、低成本等优点，超越了传统的电缆通信，是二十一世纪通信技术发展的方向。光在光纤中能以光速高速传输信息，采用密集波分复用技术可以在一根光纤中传输多路信息，目前由电子学来处理高速、大容量的光信息已成了光通信技术发展的瓶颈，因此，如何实现一路到多路及多路到一路的动态光耦合技术，是目前光通信中最需要的基本功能之一，成为解决光通信技术发展瓶颈的关键问题。光通信中的光交换技术是目前光纤通信技术中最需要的基本功能，目前光通信中的分束多数是光线拉锥结构，熔融结构，可方便的实现两个光纤的合束，其优点是设计结构简单，便于加工制造，缺点是熔融拉锥结构数目不宜很大，完全不适合于大数目的光纤的合束与分束。衍射光学元件具有体积小、重量轻的优点，非常适合于在光通信开关中使用。在先技术(参见J.J.Pan and T.Zhu，“1×N fiber coupler employingdiffractive optical element”，Electronics Letters 35，No.4，324-325(1999))曾提出用衍射光学元件实现1×N光纤耦合结构，但他们并没提出动态光耦合的结构，而且它的结构只能实现分束功能，并不能实现并束功能，也不能实现分束与并束之间的转换。
技术实现思路
本专利技术基于偶数型达曼光栅的内在结构，即半周期的π位相反转特性，提出一种具有开关型分束器与耦合器功能的动态光耦合器，即本专利技术的器件既可实现分束功能，又可实现多光束的合束功能。如图1所示，本专利技术的动态光耦合器包括输入光纤组1，准直透镜组2，由两个互补的正位相板301和负位相板302构成的位相板3，会聚透镜4和输出光纤组5。其中输入光纤组1放置在准直透镜组2的前焦面上，位相板3置于准直透镜组2的后焦面上，也是会聚透镜4的前焦面上，输出光纤组5置于会聚透镜4的后焦面上。正位相板301或者负位相板302带有移动器6。所说的构成位相板3的两个互补的正位相板301和负位相板302的位相是0和π，或者是0和π/2。其中移动器6是推动两正负位相板301、302之间的相互移动，正负位相板301和302之间无移动时，相当于一个普通的二值位相达曼光栅，来自输入光纤组1的光束经过准直透镜组2准直再经过位相板3和会聚透镜4后，将被均匀相等地衍射到输出光纤组5中。当移动器6推动负位相板302(或301)移动半个周期后，正负位相板301与302的位相之和为零，因此，来自输入光纤组1的光将全部地被会聚透镜4收聚到放在会聚透镜4焦点处的输出光纤组5的一根光纤中，实现了合束的功能。下面简单地介绍一下达曼光栅的特性，以及如何利用达曼光栅的特性实现本专利技术的功能。有关达曼光栅的设计细节可参阅在先技术(Changhe Zhou，and Liren Liu，“Numerical study of Dammann array illuminators”，Appl.Opt.34，5961-5969(1995))。达曼光栅的考虑过程是对于一个矩形单元的透过率分布为tk(x)=rect(x-(xk+1+xk)/2xk+1-xk)----(1)]]>其中x为位相变换点的距离，xk为第k个位相变换点的距离，xk+1为第k+1个位相变换点的距离。那么其付立叶变换则为 其中αk＝2nπxk，n为达曼光栅的衍射级次，αk为第k个位相变换点在第n级衍射级次上对应的相位角。总的谱点强度可表示为In=(12nπ)[(Pn)R2+(Pn)I2]----(3)]]>其中In为达曼光栅第n级衍射级次上的光强度，(Pn)R=Σk=0K(-1)k(sinαk+1-sinαk)]]>=2Σk=1K(-1)k+1sinαk-sin2nπ]]>(Pn)1=Σk=0K(-1)k(cosαk+1-cosαk)]]>=2Σk=1K(-1)k+1cosαk-cos2nπ-1]]>(4)其中(Pn)R为所有位相变换点在第n级衍射级次上实数部分强度的总和，(PN)I为所有位相变换点在第n级衍射级次上虚数部分强度的总和。式(3)可简化，对于零级谱点强度为I0=[1+2Σk=1K(-1)kxk]2---(5)]]>其中I0为零级谱点上的光强度。对非零级谱点强度为In=(1nπ)2{[Σk=1K(-1)ksinαk]2+[1+Σk=1K(-1)kcosαk]2}---(6)]]>对于奇数阵列照明器，衍射效率定义为η=I0+2Σi=1NIi-----(7)]]>对于偶数阵列照明器，衍射效率定义为η=2Σi=1NI2i-1-----(8)]]>偶数型达曼光栅具有这样的特点，即前半周期的位相分布精确地等于后半周期的位相分布的π位相反转(xk+d/2)＝(xk)+π(9)如图2所示。利用这一特性，本专利技术提供两种实现动态耦合与并束的构成。对于第一种构成的两个正负位相板的位相为0和π，其中正位相板301的位相分布为 如图3(a)所示，其中k＝1，2，…K。xK＝0.5对应的是半个周期，x＝1.0对应的是一个周期。另一个负位相板302的位相分布为 如图3(b)所示，其中k＝1，2，…K。通过这二个正负位相板301，302之间半周期的位移，实现分波与合波的开关转换。二个正负位相板301、302相当于两个位相光栅301，302，当它们的位移为零时， 总的位相之和正好是偶数型达曼光栅的分布，因此实现了分束器的功能。当二个正负位相板301，302之间有半周期的位移后，其总的位相分布为 总的位相差为零。所有经准直透镜组2准直的光束经过这样的位相板后，由于位相板的总位相差为零，将只有会聚透镜零级谱点(即焦点)上有光强分布，即所有来自输入光纤的光束被会聚到放在会聚透镜零级谱点上的输出光纤上，实现了合波器的功能。对于第二种构成两个正负位相板301、302的位相是0和π/2时，如图4所示。相当于将传统的达曼光栅均匀地分割成两个(0，π/2)位相分布完全相同的光栅301，302，如图4所示，这两个正负位相板分布均为φ301(xk)=φ302(xk)=φDAM(xk)/2---(14)]]>其中DAM(xk)为普通达曼光栅的位相分布。当这两个位相光栅301，302位移为零时，总的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光通信中的动态光耦合器，包括准直透镜组（２），置于准直透镜组（２）前焦面上的输入光纤组（１），有会聚透镜（４）和置于会聚透镜（４）后焦面上的输出光纤组（５），其特征在于在准直透镜组（２）的后焦面上，会聚透镜（４）的前焦面上置有由两个互补的正位相板（３０１）和负位相板（３０２）构成的位相板（３），正位相板（３０１）或者负位相板（３０２）带有移动器（６）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，赵欣，刘立人，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]