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1、(10)申请公布号 CN 103453989 A (43)申请公布日 2013.12.18 CN 103453989 A *CN103453989A* (21)申请号 201310430212.9 (22)申请日 2013.09.22 G01J 3/18(2006.01) G01J 3/447(2006.01) G02B 17/08(2006.01) (71)申请人 天津市德力电子仪器有限公司 地址 300392 天津市滨海新区新技术产业园 区 ( 环外） 海泰创新三路 8 号 (72)发明人 陈凯 薛玉梅 李健 (74)专利代理机构 天津佳盟知识产权代理有限 公司 12002 代理人 侯力 。
2、(54) 发明名称 一种光纤通信用光栅光谱仪光路结构 (57) 摘要 一种光纤通信用光栅光谱仪光路结构。属于 光谱分析领域的一种光栅单色光路， 包括 ： 光纤 信号耦合器， 光纤端面狭缝， 准直与聚焦镜， 光栅， 平面反射镜和机械旋转机构。光纤端面狭缝为光 纤信号耦合器的正向输出端， 置于准直与聚焦镜 的焦点上， 光栅置于准直与聚焦镜的平行光光路 上， 平面反射镜垂直固定在机械旋转机构旋上， 置 于衍射光路上。该光路结构最大的特点是通过旋 转平面反射镜选光， 同时使光线在光路中实现了 原路折返， 光线能两次照射到光栅上， 提高了分辨 率 ； 光纤端面狭缝起到了入射与出射狭缝作用， 准直与聚焦镜。
3、起到了准直与聚焦作用， 大大简化 和光路结构， 便于调试。 本发明满足面向光纤通信 系统光谱仪的开发与应用。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103453989 A CN 103453989 A *CN103453989A* 1/1 页 2 1. 一种光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 包括 ： 光纤信号耦合器 （1） ， 光纤端面狭缝 （2） ， 准直与聚焦镜 （3） ， 光栅 （4） ， 平面反射镜 （5） ， 机械旋转机构 （6。
4、） ； 其中， 光纤信号耦合器 （1） 为三端口单模光纤元件， 端口有输入端、 正向输出端和反向 输出端， 光纤信号耦合器的输入端 （7） 作为待测信号输入口， 正向输出端的光纤端面加工成 斜 8角的平面， 作为光纤端面狭缝 （2） ， 置于准直与聚焦镜 （3） 的焦点上， 反向输出端 （8） 输出待测信号 ； 光栅 （4） 放置在准直与聚焦镜的平行光光路上， 与平行光成一定夹角， 称为 入射角， 一般为 6080 ； 平面反射镜 （5） 垂直固定在机械旋转机构 （6） 上， 平面反射镜 中心轴与机械旋转机构 （6） 的旋转中心轴重合 ； 平面反射镜置于光栅 （4） 的衍射光路上。 2. 如权。
5、利要求 1 所述的光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 其特征在于所述的光纤信号 耦合器 （1） 能够使用光耦合器或光环行器， 作用是将待测信号导入光纤端面狭缝 （2） ， 同时 将从光纤端面狭缝返回的单色光导入反向输出端 （8） 。 3. 如权利要求 1 所述的光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 其特征在于所述的准直与聚 焦镜 （3） 为离轴抛物面镜， 作用是既作为准直镜， 将从光纤端面狭缝 （2） 发出的待测信号准 直为平行光， 又作为聚焦镜， 将返回的单色平行光聚焦到光纤端面狭缝 （2） 上。 4. 如权利要求 1 所述的光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 其特征在于所述的光栅 （4） 为刻划光栅或者。
6、全息光栅。 5. 如权利要求 1 所述的光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 其特征在于所述的平面反射 镜 （5） 将垂直入射的衍射光按原光路反射回光栅， 形成第二次衍射， 同时使光路按原路折返 回去。 6. 如权利要求 1 所述的光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 其特征在于使用所述的机械 旋转机构 （6） 带动平面反射镜 （5） 旋转， 使不同波长的衍射光按原路折返回去， 完成选光功 能。 权 利 要 求 书 CN 103453989 A 2 1/4 页 3 一种光纤通信用光栅光谱仪光路结构 技术领域 0001 本发明涉及光学元件， 系统， 具体涉及一种用于光纤通信领域光谱分析的光栅光 谱仪光路结构。
7、。 背景技术 0002 光纤通信系统主要使用 1250-1650nm 近红外光， 工程中需要使用光谱仪获取系统 中的光信号光谱， 进行信道质量检测和分析。 随着光纤通信技术的发展， 特别是密集波分复 用技术的发展与应用， 要求光谱仪具有分辨率高， 便携可靠， 成本适宜等特征， 所以对光谱 仪的设计， 特别是光路结构的设计提出了更高的要求。 0003 与本发明最为接近的已有技术， 是 EXFO 公司光谱仪的光路 （美国专利 ： US 6636306 B2） ， 主要包括 ： 入射狭缝， 准直元件， 光栅， 直角棱镜， 聚焦元件， 出射狭缝和机械 旋转机构。这种光路结构的功能实际上是可选波长的单色。
8、器， 即将待测的复色光信号分解 为各单色光信号。工作过程是 ： 准直元件将从入射狭缝出射的发散复色光准直为平行光照 射到光栅上半部分上， 光栅将复色光分解为单色光， 各单色光被直角棱镜再次反射到光栅 下半部分， 形成第二次分光后， 只有一路单色光被聚焦元件聚焦于出射狭缝上输出至探测 电路， 通过机械旋转机构带动直角棱镜旋转完成选光功能。 0004 这种光路相对于传统光谱仪的光路结构， 更加小巧， 能够二次衍射分光， 有更高的 分辨率， 但是它有三个明显的缺陷 ： 1. 准直与聚焦光路是纵向折叠的， 所以出射与入射光 路、 聚焦与准直光路都是分离的， 总计需要 6 种光学元件， 体积大， 可靠性。
9、差 ； 2. 纵向折叠 光束垂直投影必须严格在一条直线上， 才能基本消除像差， 提高探测电路的光强度接收效 率， 这使得光路的安装和调试都很困难， 不利于生产 ； 3. 该光路需使用棱镜， 容易引起杂散 光 ； 两次衍射需要照射到光栅上下两部分， 因此需要光栅的面积很大 ； 使用 2 个相同的元件 分别作为准直与聚焦元件， 这些都使得光路成本很高， 自然推高了产品价格。 0005 针对上述缺陷， 研制光路结构简单， 又满足高分辨率要求的低成本光谱仪光路结 构， 对开发满足光纤通信系统测量需求的光谱仪器是十分必要的。 发明内容 0006 本发明的目的是针对上述光路设计存在的不足， 提出一种分辨率。
10、高， 元件少， 便于 调试， 成本低的光纤通信用光栅光谱仪光路结构。本发明是通过下述技术方案实现的 ： 一种光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 包括 ： 光纤信号耦合器 （1） ， 光纤端面狭缝 （2） ， 准直与聚焦镜 （3） ， 光栅 （4） ， 平面反射镜 （5） ， 机械旋转机构 （6） ； 上述各组成部分的连接关 系如图 1。 0007 其中， 光纤信号耦合器 （1） 为三端口单模光纤元件， 端口有输入端、 正向输出端和 反向输出端， 光纤信号耦合器的输入端 （7） 作为待测信号输入口， 正向输出端的光纤端面加 工成斜 8角的平面 （见图 2） ， 作为光纤端面狭缝 （2） ， 置于准直。
11、与聚焦镜 （3） 的焦点上， 反 向输出端 （8） 输出待测信号 ； 光栅 （4） 放置在准直与聚焦镜的平行光光路上， 与平行光成一 说 明 书 CN 103453989 A 3 2/4 页 4 定夹角， 称为入射角， 一般为 6080； 平面反射镜 （5） 垂直固定在机械旋转机构 （6） 上， 平面反射镜中心轴与机械旋转机构 （6） 的旋转中心轴重合 ； 平面反射镜置于光栅 （4） 的衍 射光路上。 0008 所述准直与聚焦镜 （3） ， 将光纤端面狭缝 （2） 出射的发散光变为平行光， 同时将返 回的平行光聚焦到它的焦点上， 作用是既作为准直元件， 也作为聚焦元件。 0009 所述光栅 （。
12、4） 的功能是分光， 将照射到它表面的复色平行光按照一定角度衍射出 去， 不同波长的光信号衍射角度不同， 即各波长被分开了。 所述光栅为刻划光栅或者全息光 栅。 0010 所述平面反射镜 （5） ， 作为选光元件， 将入射到它反射平面的光按照反射定律反射 回去， 特别需要说明的是严格垂直于反射平面的光将按照原光路返回， 所述平面镜反射镜 （5） 的工作波长应满足 1250-1650nm。 0011 所述机械旋转机构 （6） ， 作用是让平面反射镜绕它的中轴做圆周旋转， 使各波长的 衍射光都能依次严格垂直于反射平面而被按照原光路反射回去。 0012 所述光栅光谱仪光路结构的工作过程为 ： 第一步。
13、 ： 从 （1） 光纤信号耦合器输入端进入光纤的待测复色光信号导入光纤端面狭缝 （2） ； 第二步 ： 光纤端面狭缝 （2） 出射的复色发散光照射到准直与聚焦镜 （3） 上， 由于光纤端 面狭缝 （2） 被置于准直与聚焦镜 （3） 的焦点上， 因此发散光会被准直为平行光 ； 第三步 ： 复色平行光以一定入射角照射到光栅 （4） 表面， 复色平行光中的不同波长光 信号将以不同的衍射角衍射， 形成各单色平行光， 完成第一次衍射分光 ； 第四步 ： 各单色平行光将沿着不同的衍射方向照射到平面反射镜 （5） 上， 只有严格垂 直于平面反射镜 （5） 入射的那一路单色光会严格按照原路反射回光栅 （4） 。
14、， 照射到第一次 衍射相同的光栅表面， 而非严格垂直于平面反射镜 （5） 的各单色光也会被反射回光栅表面， 但是不会严格按照原路返回了 ； 第五步 ： 再次照射到光栅 （4） 上各单色光， 被第二次衍射分光， 第二次衍射分光后的单 色光会再次照射到准直与聚焦镜 （3） 上 ； 第六步 ： 返回 （3） 准直与聚焦镜上的各色单色光， 只有第四步中严格垂直于平面反射 镜 （5） 的那路光会被聚焦到光纤端面狭缝 （2） 上， 再次进入光纤中 ； 而非严格垂直于平面反 射镜 （5） 的单色光将被聚焦到光纤端面狭缝 （2） 外而不能进入光纤中， 被屏蔽掉了， 这就实 现了单色光功能 ； 第七步 ： 再次。
15、进入光纤的单色光沿光纤反向传输， 到达光纤信号耦合器 （1） 时被耦合 进反向输出端， 进入信号探测与处理单元进行处理。 0013 第八步 ： 机械旋转机构 （6） 带动平面反射镜 （5） 旋转， 使垂直反射的不同波长单色 光不断发生变化， 因此不同波长的光会依次进入光纤中被探测到， 完成了单色光选光功能。 0014 本发明的优点和有益效果 ： 1 本发明中的 2 次衍射光路完全重合， 因此只需要将准直光路安装调试好， 聚焦光路 就同时完成了， 极大地方便了安装和调试工作， 同时使结构更加小巧。 0015 2 本发明中统一了出射与入射狭缝， 准直与聚焦元件， 仅需要 4 个光学元件， 提高 了。
16、光路可靠性， 减小了光路体积。 说 明 书 CN 103453989 A 4 3/4 页 5 0016 3 独特的平面反射镜设计， 使光线能够 2 次照射到光栅上形成二次衍射， 光学分 辨率提高了约 2 倍， 通过平面反射镜的旋转， 也能起到选光的作用。相对于直角棱镜， 平面 反射镜没有像差， 不产生杂散光。 0017 4 相对于 EXFO 的光路， 本发明主要光路减少了 2 个光学元件， 使用低成本的平面 反射镜取代棱镜， 而且由 2 次光栅衍射位置相同， 使得面积可以减少一半。这些措施使得光 路成本可以降低一半以上。而增加的光纤信号耦合器可以采用成熟的商用器件， 相对于光 栅等元件成本， 。
17、几乎可以忽略。 0018 5 本发明虽然采用了更简单的光路结构， 取得了更低廉的成本优势， 但是相对于 EXFO 的光路， 在光谱分辨率、 杂散光抑制比等光谱仪器关键指标上， 并没有降低。所以采用 本发明生产的光谱仪， 完全可以达到国际先进的光纤光谱仪指标。 0019 本发明光路结构， 特别适用于规模化生产的小型光纤通信用光谱仪， 这对于光谱 仪的普及和光纤通信事业的发展都具有积极的意义。 0020 附图说明 ： 图 1 是光纤通信用光栅光谱仪光路结构示意图。 0021 图 2 是光纤端面狭缝结构示意图。 0022 图 3 是光环形器作为光纤信号耦合器示意图。 0023 图 4 是光耦合器作为。
18、光纤信号耦合器示意图。 0024 图 5 是离轴抛物面镜准直与聚焦原理图。 0025 具体实施方式 0026 如图 1 所示， 本发明提供的光纤通信用光栅光谱仪光路结构， 具体实施方式如下 ： 单模光耦合器作为光纤信号耦合器 （1） ， 它的输出端磨制成斜 8角斜端面， 纤芯 （9） 直径约 10 微米， 数值孔径 0.13， 作为光纤端面狭缝 （2） ， 如图 2。一般的光纤阵列生产厂家 即可完成端面磨制 ； 单模光耦合器反向输出端 （8） 连接探测和信号处理单元 （图中略） ， 本例使用一个大动 态高精度光功率计和 PC 机即可完成信号功率探测和处理 ； 准直与聚焦镜 （3） 采用艾特蒙特。
19、公司的 60离轴角， 有效焦距 50.8mm， 直径 25mm 的离 轴抛物面镜 ； 光栅 （4）为刻划光栅或者全息光栅， 线数 1100 线 / 毫米， 在入射角 75时， 衍射角 24.1到 51.1， 2 次衍射理论分辨率可以达到约 0.03nm。 反射平面镜 （5） 为普通镀膜反射镜， 能够工作于 1250-1650nm 波长范围。 0027 机械旋转机构 （6） 使用江西连胜公司的光学旋转平台， 平台直径 60mm, 旋转精度 0.00125。 0028 待测复色光信号， 波长范围 1250nm1650nm， 从光纤信号耦合器 （1）的输入端 （7） 进入光纤， 通过光纤信号耦合器 。
20、（1） 到达光纤端面狭缝 （2） ， 再从光纤端面狭缝出射， 照 射到准直与聚焦镜上 （3） ， 被准直为复色平行光 ； 复色平行光照射以 75入射角照射到光 栅 （4） 表面， 复色平行光中的不同波长光信号将以不同的衍射角衍射， 衍射角范围 24 58， 形成各单色平行光， 完成第一次衍射分光 ； 说 明 书 CN 103453989 A 5 4/4 页 6 各单色平行光将沿着不同的衍射方向照射到平面反射镜 （5） 上， 只有严格垂直于平面 反射镜 （5） 入射的那一路单色光会严格按照原路反射回光栅 （4） ， 形成第二次衍射分光， 这 一路光的第二次衍射角为 75， 即按照第一次衍射的入射。
21、方向返回了 ； 非严格垂直于平面 反射镜 （5） 入射的其它波长单色光虽然也会被反射回光栅 （4） ， 但是它们的第二次衍射角 不为 75， 所以不会按照原光路返回 ； 原路返回准直与聚焦镜 （3） 的单色光， 会被聚焦到光纤端面狭缝 （2） 上， 再次进入光纤 中 ； 而非严格垂直于平面反射镜 （5） 的各单色光将被聚焦到光纤端面狭缝 （2） 外而不能进 入光纤中， 被屏蔽掉了， 这就实现了单色光功能 ； 再次进入光纤的单色光沿光纤反向传输， 到达光纤信号耦合器 （1） 时被耦合进反向输 出端 （8） ， 进入信号探测与处理单元进行处理。机械旋转机构 （6） 带动平面反射镜 （5） 旋 转， 使不同波长单色光被依次垂直反射， 因此不同波长的光会依次进入光纤中被探测到， 完 成了选光功能。 0029 采用上述元件搭建的光路实验系统， 实现了 1250-1650nm 内波长选取精度 0.018nm,光谱分辨率 0.05nm， 杂散光抑制比0.4nm内达到了40dB以上的良好效果， 足以满 足 0.2nm 波长及其以上间隔的密集波分复用系统的测量要求。 说 明 书 CN 103453989 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103453989 A 7 。