CN214097867U - 一种多波长信号共纤同传的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多波长信号共纤同传的装置，包括入射光纤准直器，第一出射光纤准直器，第二出射光纤准直器，第三出射光纤准直器，第四出射光纤准直器以及波分复用模组，其中入射光纤准直器包括入射光纤和入射透镜，出射光纤准直器包括出射光纤与出射透镜，波分复用模组包括凹面反射镜，三角反射镜，公共滤波片，第一滤波片，第二滤波片，第三滤波片，第四滤波片。本实用新型通过调整光纤准直器中光纤尾纤与透镜间的距离，从而减小光束的发散角，减小信号的损耗。本实用新型在提高隔离度、减小损耗的情况下，既能节约成本，避免使用更多的滤波片，又能减小波分复用器的体积与复杂性。

Description

一种多波长信号共纤同传的装置

技术领域

本实用新型涉及光纤通信技术领域及量子保密通信领域，尤其涉及一种多波长信号共纤同传的装置。

背景技术

波分复用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)是指将两种或多种不同波长的信号，在发送端通过波分复用器耦合到同一根光纤中传输，在接收端通过波分解复用器将各个不同波长的光信号分开的通信技术。波分复用技术是当前提高光纤通信最有效的方法之一，因此对波分复用器的研制尤为重要。

隔离度是专门描述分波单元的参数，定义为某个波长的输出光功率与串扰到该通道上的另一波长的光功率之比，即第一波对第二波的隔离度(dB)＝P1(dBm) -P2(dBm)。然而，目前薄膜滤波片的反射隔离度一般不超过25dB，而随着光纤通信技术的发展，用户对波分复用器波长隔离度的要求也越来越高，25dB的隔离度远远不能达到用户的需求。

随着光纤通信的迅速发展，在光隔离器、光环形器、光波分复用器等光无源器件的工作过程中，由于高斯光束过大的发散角会对信号造成极大地损耗，因此对高斯光束的准直性要求非常高，这就需要使用光纤准直器进行准直。在光波分复用器中，如何合理地减小高斯光束的发散角，同时增大光纤准直器的工作距离，成了一个很重要的问题。

量子密码学是利用量子物理基本原理来保证信息传递的安全性的，从理论上来讲是具有无条件安全性的。为了节省QKD网络铺设的成本，可以将QKD网络与现有的经典通信网络结合在一起，使量子信号与经典信号共纤传输，常用的技术是波分复用技术。然而，在量子信号与经典信号共纤传输的过程中，由于经典信号光相对于量子信号光的强度非常之大，会对量子信号的传输造成极大的干扰。因此，如何增加量子信号对经典信号的隔离度，是目前亟待解决的问题。

“现有技术专利：(CN211348713U)公开了一种高隔离度低损耗波分复用器，其通过在入射光纤、反射光纤和透射光纤掺有形成低损耗光波导的材料，在波分复用膜片的侧面固定高透射隔离度膜来提高隔离度。但其在对于多波长信号的复用时，就需要在多个波分复用膜片的侧面固定高透射隔离度膜，这就大大增加了器件的成本。”

“现有技术专利：(CN211348715U)公开了一种波分复用器件，通过将原来 2个1*2器件结构集成到一起，减小了体积，并且由于器件成本主要在滤波片上， 2*4的器件因为共用一个滤波片，成本大大降低。但其有两个公共端，对于四波长的信号需要分别从两路公共端进入，增加了器件的复杂性与成本。”

因此，需要进一步对现有技术进行改进，在减小器件成本的基础上，减少光信号传播过程的损耗，增加量子信号对经典信号的隔离度。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，提出了一种以减少光信号传播过程的损耗，增加量子信号对经典信号的隔离度的一种多波长信号共纤同传的装置。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：一种多波长信号共纤同传的装置,包括入射光纤准直器，波分复用模组以及出射光纤准直器组，其中：

所述入射光纤准直器用于输入信号光，所述出射光纤准直器组用于输出信号光，且所述入射光纤准直器和出射光纤准直器组设置在所述系统的同一侧；

所述波分复用模组包括三角反射镜，凹面反射镜，公共滤波片和N片滤波片，所述公共滤波片位于所述凹面反射镜焦点F处；

所述出射光纤准直器组包括N个出射光纤准直器，且所述N个出射光纤准直器与N片滤波片的关联关系为一一对应；

从入射光纤准直器出射方向朝向所述波分复用模组，所述三角反射镜反射方向朝向N片滤波片；

N片滤波片进行透射方向朝向对应的出射光纤准直器，N片滤波片反射方向朝向公共滤波片。

光路的传播路径为:具有N个不同波长的光从入射光纤准直器入射，进入到波分复用模组，经由所述三角反射镜反射后首先进入第N片滤波片；

不同波长的光包括经典信号光和量子信号光；

部分经典信号光由第N片滤波片进行透射后，进入到第N个出射光纤准直器并输出；全部的量子信号光及部分经典信号光由第N滤波片进行反射并输出到公共滤波片处；

在所述公共滤波片全部的量子信号光及部分经典信号光反复重复以下过程直至所有的信号光被反射或透射完成：

过程1：所述公共滤波片对经典信号光进行反射，对量子信号光进行透射至凹面反射镜；

过程2：所述凹面反射镜接收到量子信号光之后反射至第M片滤波片处；

过程3：所述第M片滤波片将部分量子信号光透射进入到第M个出射光纤准直器并输出信号光，剩下的量子信号光由第M片滤波片又反射到公共滤波片上并跳转到过程1；

其中，所述M根据凹面反射镜的对称轴依次增加。首先，对称轴左边的光线将反射到对称轴右边对称的位置，然后再反射到对称轴左边的下一位置。例如，由上至下依次可表示为：M,M+2,M+4,M+5,M+3,M+1,N，其中第N片滤波片不在凹面反射镜的水平投影的范围内。所述高斯光束的光斑半径为：

式中ω₀是束腰半径，λ是高斯光束的波长，z 为轴向距离。此时高斯光束远场发散角的表示式如下：

其中λ是高斯光束的波长，ω₀是束腰半径。

优选地，所述入射光纤准直器包括入射光纤与入射透镜，所述入射光纤与入射透镜相连接，入射透镜末端与波分复用模组相连接。

优选地，每个出射准直器均由出射光纤与所述出射透镜组成，所述出射光纤与所述出射透镜连接。

优选地，所述公共滤波片反射某一波长信号光，透射其余波长信号光。

优选地，所述的N片滤波片以α角位于波分复用模组的一侧；

所述滤波片为F-P滤波片。滤波片的材料为Ta₂O₅-SiO。

优选地，所述凹面反射镜能够将经过焦点F的光纤以平行光反射出去。

优选地，所述凹面反射镜焦点F的位置由

决定，其中r为凹面反射镜的曲率半径。

优选地，所述入射光纤准直器与出射光纤准直器均采用G-Lens光纤准直器。

优选地，所述入射光纤准直器中的入射光纤与所述入射透镜之间距离可调；

所述出射光纤准直器中的出射光纤与所述出射透镜之间距离可调。

本实用新型有益的技术效果：

本实用新型的波分复用模组中通过公共滤波片对某一波长进行多次滤波，从而达到其余波长对某一特定波长的反射隔离度大大增加的目的。

本实用新型将入射光纤准直器与出射光纤准直器放置在同一端，相比于传统的波分复用器将发送端与接收端分别放置在两端，而使得波分复用器的体积较大而言，有效的减小了波分复用器的体积，并且结构简单，易于实现。

本实用新型通过调节入射光纤准直器和出射光纤准直器光纤尾纤与透镜间的距离，从而调整准直器的束腰半径，最终减小光束的发散角，减小信号的损耗。

本实用新型能够在量子-经典共纤同传过程中，极大地降低经典信号对量子信号的干扰。在提高隔离度的情况下，既能节约成本，避免使用更多的滤波片，又能减少制作的复杂性。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种多波长信号共纤同传的装置实施方式的示意图。

图2为本实用新型提供的一种多波长信号共纤同传的装置中凹面反射镜示意图。

图3为本实用新型提供的一种多波长信号共纤同传的装置中所使用的光纤准直器示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

如图1所示，一种多波长信号共纤同传的装置,包括入射光纤准直器，波分复用模组以及出射光纤准直器组，其中：

所述入射光纤准直器用于输入信号光，所述出射光纤准直器组用于输出信号光，且所述入射光纤准直器和出射光纤准直器组设置在所述波分复用器的同一侧，

所述波分复用模组包括三角反射镜，凹面反射镜，公共滤波片和N片滤波片，所述公共滤波片位于所述凹面反射镜焦点F处，所述凹面反射镜能够将经过焦点F的光线以平行光反射出去，所述凹面反射镜焦点F的位置由

决定，其中r为凹面反射镜的曲率半径。

具体地，所述入射光纤准直器包括入射光纤与入射透镜，所述入射光纤与入射透镜相连接，入射透镜末端与波分复用模组相连接；所述每个出射准直器包括出射光纤与出射透镜，所述出射光纤与所述出射透镜连接，出射透镜前端与波分复用模组相连接。

所述入射光纤准直器与出射光纤准直器均采用G-Lens光纤准直器，所述入射光纤准直器中的入射光纤与所述入射透镜之间距离可调，所述出射光纤准直器中的出射光纤与所述出射透镜之间距离可调。G-Lens光纤准直器能够根据传输的波长以及接收端误码率的情况，调节出射光纤或者入射光纤的光纤尾纤与透镜间的距离，从而调整出射光纤准直器或入射光纤准直器的束腰半径，最终减小光束的发散角，减小信号的损耗。

具体地，所述公共滤波片及所述凹面反射镜依次固定在所述波分复用模组同一侧，所述公共滤波片反射某一波长信号光，透射其余波长信号光；N片滤波片依次固定设置在波分复用模组的另一侧，所述的N片滤波片以α角摆放于波分复用模组的一侧，所述α的表达式如下：

其中d为公共滤波片与滤波片的水平入射光的垂直距离，L为滤波片与公共滤波片的水平距离，以此使由凹面反射镜反射的水平光，经过滤波片后都能反射至公共滤波片处。

进一步的，其透射率T与通带半宽度2Δλ可以表示为：

其中：

为过渡层两边界的反射相位，δ为间隔层的位相厚度；R₁，R₂为过渡层两边界的反射率；m为干涉级次。由上式中可以看出，滤波片通带半宽度取决于干涉级次和反射膜的反射率，故可以通过提高干涉级次，增大反射率，使得通带半宽度减小。

更具体的，滤波片的通带带宽随其材料高低折射率之差增大而越窄，故可以选择所述滤波片的材料为Ta₂O₅-SiO₂，其中Ta₂O₅的折射率为2.06，SiO₂的折射率为1.46。

所述出射光纤准直器组包括N个出射光纤准直器，且所述出射光纤准直器与 N片滤波片的关联关系为一一对应；

具有N个不同波长的光从入射光纤准直器入射，进入到波分复用模组，经由所述三角反射镜反射后首先进入第N片滤波片，所述不同波长的光包括经典信号光和量子信号光；

所述经典信号光由第N片滤波片进行透射后，进入到第N个出射光纤准直器并输出；其中全部的量子信号光及部分经典信号光由第N片滤波片进行反射并输出到公共滤波片处；

在所述公共滤波片全部的量子信号光及部分经典信号光反复重复以下过程直至所有的信号光被反射或透射完成：

过程1：所述公共滤波片对经典信号光进行反射，对量子信号光进行透射至凹面反射镜；

过程2：所述凹面反射镜接收到量子信号光之后反射至第M片滤波片处；

过程3：所述第M片滤波片将部分量子信号光透射进入到第M个出射光纤准直器并输出信号光，剩下的量子信号光由第M片滤波片又反射到公共滤波片上并跳转到过程1；

其中，所述M根据凹面反射镜的对称轴依次增加。首先，对称轴左边的光线将反射到对称轴右边对称的位置，然后再反射到对称轴左边的下一位置。例如，由上至下依次可表示为：M,M+2,M+4,M+5,M+3,M+1,N，其中第N片滤波片不在凹面反射镜的水平投影的范围内。

所述光纤准直器能将光纤输出的高斯光束准直为发散角较小的光束，减小了耦合损耗。

所述高斯光束的光斑半径为：

式中ω₀是束腰半径，λ是高斯光束的波长，z 为轴向距离。此时高斯光束远场发散角的表示式如下：

其中λ是高斯光束的波长，ω₀是束腰半径。

由上式可知，发散角和束腰半径成反比，即束腰半径越大，发散角越小，并且发散角与入射光的波长相关，在设计波分复用器时，可以根据这一高斯光束的特性来减小发散角，从而减小信号的损耗，尤其是对处于弱光的量子信号的损耗。

具体的，高斯光束的束腰半径可以表示为：

式中R是透镜的曲率半径，n是透镜的折射率，ω₁是光斑半径。

取透镜的曲率半径R为1.417mm，折射率n为1.74，则此时当光纤尾纤与透镜相距0.196mm时具有最大束腰半径，ω₀为0.18mm，此时能够得到最小的发散角。

但在实际应用中，除了获得更小的发散角外，还应考虑光纤准直器的工作距离，当光纤端面位于透镜焦点处，即束腰半径最大时，此时的工作距离几乎为0。

对于上述光纤准直器，其最长的工作距离为2.25mm，此时的束腰半径ω₀为0.125mm。因此，通过采用可微调间隙的G-Lens光纤准直器，可以根据传输的波长以及接收端误码率的情况，通过调节光纤尾纤与透镜间的距离，从而调整准直器的束腰半径以及合适的工作距离，最终减小光束的发散角，减小信号的损耗。

以下以N取值为4来举一个具体的实施例。

一种多波长信号共纤同传的装置。该装置包括一个入射光纤准直器10，波分复用模组20以及出射光纤准直器组30。其中入射光纤准直器10包括入射光纤11与入射透镜12，波分复用模组20包括三角反射镜21，凹面反射镜22，公共滤波片23，第一滤波片24，第二滤波片25，第三滤波片26，第四滤波片27，出射光纤准直器组30包括第一出射光纤准直器31，第二出射光纤准直器32，第三出射光纤准直器33，第四出射光纤准直器34，每一个出射光纤准直器均由出射光纤35与出射透镜36组成。

入射光准直器10中入射光纤11与入射透镜12相连接，入射透镜12末端与波分复用模组20相连接。公共滤波片23及凹面反射镜22依次固定在所述波分复用模组20的右侧，第一滤波片24，第二滤波片25，第三滤波片26，第四滤波片27依次固定在波分复用模组20的左侧，并且与第一出射光纤准直器31，第二出射光纤准直器32，第三出射光纤准直器33，第四出射光纤准直器34一一对应。

具有四个不同波长λ₁、λ₂、λ₃和λ₄的光从入射光纤准直器10的入射光纤11入射，其中λ₁为经典信号光，λ₂、λ₃及λ₄为量子信号光，经过入射透镜12准直后进入波分复用模组，经由三角反射镜21反射后进入第四滤波片27，其中λ₁的光由第四滤波片27透射，进入第四出射光纤准直器34并输出。由第四滤波片27反射的λ₂、λ₃、λ₄以及包含少量λ₁的光，反射至公共滤波片23 处，其中少量λ₁的光将被公共滤波片23反射，λ₂、λ₃和λ₄的光将透射至凹面反射镜22处。λ₂、λ₃和λ₄的光通过凹面反射镜22反射至第一滤波片24处，其中λ₂的光由第一滤波片24透射，进入第一出射光纤准直器31并输出。

由第一滤波片24反射的λ₃和λ₄以及包含少量λ₁的光，反射至公共滤波片 23处，其中少量λ₁的光将被公共滤波片23反射，λ₃和λ₄的光将透射至凹面反射镜22处。λ₃和λ₄的光通过凹面反射镜22反射至第三滤波片26处，其中λ₃的光由第三滤波片26透射，进入第三出射光纤准直器33并输出。由第三滤波片26反射的λ₄以及包含少量λ₁的光，反射至公共滤波片23处，其中少量λ₁的光将被公共滤波片23反射，λ₄的光将透射至凹面反射镜22处，最终λ₄的光反射至第二滤波片25透射，进入第二出射光纤准直器32并输出。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。

Claims (10)

1.一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，包括入射光纤准直器，波分复用模组以及出射光纤准直器组，其中：

所述入射光纤准直器用于输入信号光，所述出射光纤准直器组用于输出信号光，且所述入射光纤准直器和出射光纤准直器组设置在所述装置的同一侧；

所述波分复用模组包括三角反射镜，凹面反射镜，公共滤波片和N片滤波片，所述公共滤波片位于所述凹面反射镜焦点F处；

所述出射光纤准直器组包括N个出射光纤准直器，且所述N个出射光纤准直器与N片滤波片的关联关系为一一对应；

从入射光纤准直器出射方向朝向所述波分复用模组，所述三角反射镜反射方向朝向N片滤波片；

N片滤波片进行透射方向朝向对应的出射光纤准直器，N片滤波片反射方向朝向公共滤波片。

2.如权利要求1所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述入射光纤准直器包括入射光纤与入射透镜，所述入射光纤与入射透镜相连接，入射透镜末端与波分复用模组相连接。

3.如权利要求1所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，每个出射光纤准直器包括出射光纤与出射透镜，所述出射光纤与出射透镜连接，所述出射透镜前端与波分复用模组相连接。

4.如权利要求1所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述公共滤波片反射某一波长信号光，透射其余波长信号光。

5.如权利要求1所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述的N片滤波片以α角摆放于波分复用模组的一侧，所述α的表达式如下：

其中d为公共滤波片与滤波片的水平入射光的垂直距离，L为滤波片与公共滤波片的水平距离；

所述滤波片为F-P滤波片，滤波片的材料为Ta₂O₅-SiO。

6.如权利要求1所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述凹面反射镜能够将经过焦点F的光纤以平行光反射出去。

7.如权利要求1所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述凹面反射镜焦点F的位置由

决定，其中r为凹面反射镜的曲率半径。

8.如权利要求1所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述入射光纤准直器与出射光纤准直器均采用G-Lens光纤准直器。

9.如权利要求2所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述入射光纤准直器中的入射光纤与所述入射透镜之间距离可调。

10.如权利要求3所述的一种多波长信号共纤同传的装置,其特征在于，所述出射光纤准直器中的出射光纤与所述出射透镜之间距离可调。

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