專利名稱：光纖動態(tài)耦合器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光纖動態(tài)耦合器，特別是涉及一種基于微小衍射光學元件的適合于較大數(shù)目的動態(tài)光耦合和光分束。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，人們對通信容量有不斷增長的巨大市場需求。光纖通信以其高速、大容量、保密性好、低成本等優(yōu)點，超越了傳統(tǒng)的電纜通信，是二十一世紀通信技術發(fā)展的方向。光在光纖中能以光速高速傳輸信息，采用密集波分復用技術可以在一根光纖中傳輸多路信息，目前由電子學來處理高速、大容量的光信息已成了光通信技術發(fā)展的瓶頸，因此，如何實現(xiàn)一路到多路及多路到一路的動態(tài)光耦合技術，是目前光通信中最需要的基本功能之一，成為解決光通信技術發(fā)展瓶頸的關鍵問題。
光通信中的光交換技術是目前光纖通信技術中最需要的基本功能，目前光通信中的分束多數(shù)是光線拉錐結(jié)構(gòu)，熔融結(jié)構(gòu)，可方便的實現(xiàn)兩個光纖的合束，其優(yōu)點是設計結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造，缺點是熔融拉錐結(jié)構(gòu)數(shù)目不宜很大，完全不適合于大數(shù)目的光纖的合束與分束。
衍射光學元件具有體積小、重量輕的優(yōu)點，非常適合于在光通信開關中使用。在先技術[1](參見J.J.Pan and T.Zhu，″1×N fiber coupler employingdiffractive optical element″，Electronics Letters 35，No.4，324-325(1999))曾提出用衍射光學元件實現(xiàn)1×N光纖耦合結(jié)構(gòu)，但他們并沒提出動態(tài)光耦合的結(jié)構(gòu)，而且它的結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)分束功能，并不能實現(xiàn)并束功能，也不能實現(xiàn)分束與并束之間的轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型基于偶數(shù)型達曼光柵的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，即半周期的π位相反轉(zhuǎn)特性，提出一種具有開關型分束器與耦合器功能的動態(tài)光耦合器，即本實用新型的器件既可實現(xiàn)分束功能，又可實現(xiàn)多光束的合束功能。
如圖1所示，本實用新型的光纖動態(tài)耦合器包括輸入光纖組1，準直透鏡組2，由兩個互補的正位相板301和負位相板302構(gòu)成的位相板3，會聚透鏡4和輸出光纖組5。其中輸入光纖組1放置在準直透鏡組2的前焦面上，位相板3置于準直透鏡組2的后焦面上，也是會聚透鏡4的前焦面上，輸出光纖組5置于會聚透鏡4的后焦面上。正位相板301或者負位相板302帶有移動器6。
所說的構(gòu)成位相板3的兩個互補的正位相板301和負位相板302的位相是0和π，或者是0和π/2。
其中移動器6是推動兩正負位相板301、302之間的相互移動，正負位相板301和302之間無移動時，相當于一個普通的二值位相達曼光柵，來自輸入光纖組1的光束經(jīng)過準直透鏡組2準直再經(jīng)過位相板3和會聚透鏡4后，將被均勻相等地衍射到輸出光纖組5中。當移動器6推動負位相板302(或301)移動半個周期后，正負位相板301與302的位相之和為零，因此，來自輸入光纖組1的光將全部地被會聚透鏡4收聚到放在會聚透鏡4焦點處的輸出光纖組5的一根光纖中，實現(xiàn)了合束的功能。
下面簡單地介紹一下達曼光柵的特性，以及如何利用達曼光柵的特性實現(xiàn)本實用新型的功能。有關達曼光柵的設計細節(jié)可參閱在先技術[2](ChangheZhou，and Liren Liu，″Numerical study of Dammann array illuminators″，Appl.Opt.34，5961-5969(1995))。
達曼光柵的考慮過程是對于一個矩形單元的透過率分布為tk(x)=rect(x-(xk+1+xk)/2xk+1-xk)-----(1)]]>其中x為位相變換點的距離，xk為第k個位相變換點的距離，xk+1為第k+1個位相變換點的距離。那么其付立葉變換則為 其中αk＝2nπ xk，n為達曼光柵的衍射級次，αk為第k個位相變換點在第n級衍射級次上對應的相位角。
總的譜點強度可表示為In=(12nπ)[(Pn)R2+(Pn)l2]-------(3)]]>其中In為達曼光柵第n級衍射級次上的光強度，(Pn)R=Σk=0K(-1)k(sinαk+1-sinαk)]]>=2Σk=1K(-1)k+1sinαk-sin2nπ]]>(Pn)I=Σk=0K(-1)k(cosαk+1-cosαk)]]>=2Σk=1K(-1)k+1cosαk-cos2nπ-1]]>(4)其中(Pn)R為所有位相變換點在第n級衍射級次上實數(shù)部分強度的總和，(PN)I為所有位相變換點在第n級衍射級次上虛數(shù)部分強度的總和。式(3)可簡化，對于零級譜點強度為I0=[1+2Σk=1K(-1)kxk]2-------(5)]]>其中I0為零級譜點上的光強度。對非零級譜點強度為In=(1nπ)2{[Σk=1K(-1)ksinαk]2+[1+Σk=1K(-1)kcosαk]2}-------(6)]]>對于奇數(shù)陣列照明器，衍射效率定義為η=I0+2Σi=1NIi-----(7)]]>對于偶數(shù)陣列照明器，衍射效率定義為η=2Σi=1NI2i-1------(8)]]>偶數(shù)型達曼光柵具有這樣的特點，即前半周期的位相分布精確地等于后半周期的位相分布的π位相反轉(zhuǎn)(xk+d/2)＝(xk)+π (9)如圖2所示。利用這一特性，本實用新型提供兩種實現(xiàn)動態(tài)耦合與并束的構(gòu)成。
對于第一種構(gòu)成的兩個正負位相板的位相為0和π，其中正位相板301的位相分布為 如圖3(a)所示，其中k＝1，2，…K。xk＝0.5對應的是半個周期，x＝1.0對應的是一個周期。另一個負位相板302的位相分布為 如圖3(b)所示，其中k＝1，2，…K。通過這二個正負位相板301，302之間半周期的位移，實現(xiàn)分波與合波的開關轉(zhuǎn)換。二個正負位相板301、302相當于兩個位相光柵301，302，當它們的位移為零時， 總的位相之和正好是偶數(shù)型達曼光柵的分布，因此實現(xiàn)了分束器的功能。
當二個正負位相板301，302之間有半周期的位移后，其總的位相分布為 總的位相差為零。所有經(jīng)準直透鏡組2準直的光束經(jīng)過這樣的位相板后，由于位相板的總位相差為零，將只有會聚透鏡零級譜點(即焦點)上有光強分布，即所有來自輸入光纖的光束被會聚到放在會聚透鏡零級譜點上的輸出光纖上，實現(xiàn)了合波器的功能。
對于第二種構(gòu)成兩個正負位相板301、302的位相是0和π/2時，如圖4所示。相當于將傳統(tǒng)的達曼光柵均勻地分割成兩個(0，π/2)位相分布完全相同的光柵301，302，如圖4所示，這兩個正負位相板分布均為 其中DAM(xk)為普通達曼光柵的位相分布。當這兩個位相光柵301，302位移為零時，總的位相分布即為傳統(tǒng)的達曼光柵，來自輸入光纖的光經(jīng)準直透鏡組2準直后，就會被其均勻地分成多束光，以便耦合到輸出光纖組5中，實現(xiàn)了分束的功能。當這兩個位相光柵301，302精確地相互位移半個周期后，由于偶數(shù)型達曼光柵半周期的反轉(zhuǎn)特性，這時兩個位相光柵的位相之和為零， ＝0因此，來自輸入光纖組1的光就無偏轉(zhuǎn)地通過，并被會聚透鏡收集到放在焦點處的輸出光纖上。
以上兩種結(jié)構(gòu)是利用了偶數(shù)型達曼光柵的分布特性，即半周期的π位相反轉(zhuǎn)特性，將傳統(tǒng)的達曼光柵分成兩個互補的位相光柵301，302，當這兩個位相光柵301，302之間的位移為零時，都能實現(xiàn)傳統(tǒng)的達曼光柵的功能，即分束的功能；當這兩個位相光柵301，302精確地位移半個周期后，由于這兩個位相光柵301，302的互補性，總的位相差為零，因此，光束可無偏折地通過，來自輸入光纖組1的所有光束都被會聚到一個放置在會聚透鏡4的焦點上的輸出光纖中，即實現(xiàn)了合束功能。這兩種構(gòu)成的比較見表1。本實用新型的意義就在于實現(xiàn)了動態(tài)的光耦合技術，即可實現(xiàn)分束功能，也可實現(xiàn)合束功能，這是在先技術所不具備的。
用于密集波分復用技術中，一根光纖中可以傳輸多個波長的信道，波長的不同會導致以下兩種誤差。第一種誤差是正負位相板301和302對應不同波長引起的位相誤差。位相板上的物理調(diào)制深度是不變的，因此波長的不同對應位相是不同?？梢园盐幌喟寰_地制造成是對于某個中心波長(例如中心波長信道1550nm)的精確的π位相調(diào)制。當光纖中傳輸信號的波長為1570nm時，這就對應了偏離π位相的誤差，則此時各譜點的強度可由下式計算I0=[1+2sin2θ2Σk=1K(-1)kxk]2-------(16)]]>In=(sinθ2nπ)2{[Σk=1K(-1)ksinαk]2+[1+Σk=1K(-1)kcosαk]2}------(17)]]>式(16)中，θ為偏離π位相的角度。對于偶數(shù)型達曼光柵陣列照明器，則有I0=sin2θ2------(18)]]>In=cos2θ2p(n)------(19)]]>波長的不同對應的線性位相變化量為θ=1570-15501550π=2155π------(20)]]>將此值代入上式(18，19)，可得I0＝0.0004，In＝0.999p(n)，即中心譜點強度僅增加了不到千分之一，各級譜點強度的均勻地減小了千分之一。這一影響相對其它誤差影響是很小的。由此可以看出，波長的不同對均勻性及衍射效率的影響是非常小的。
第二種誤差為波長的不同將導致通過位相板衍射光衍射角的不同。例如對于位相板3的周期d＝500μm，焦距f＝50mm，輸入光纖組1輸出光的波長λ＝1550nm，偶數(shù)級譜點的間距為155μm，當入射光波長變化為1570nm時，偶數(shù)級譜點間的間距為157μm，這相當于對于λ＝1570nm的衍射光束來講，在輸出平面上衍射中心僅移動了2μm?？紤]到光纖芯徑有90μm，中心光斑2μm的移動量是很小的，因此本實用新型動態(tài)光耦合器對于密集波分復用是可以采用的。
本實用新型最主要結(jié)構(gòu)上與在先技術的不同是在先技術中是一塊位相板，而本實用新型是采用二塊互補分布的正負位相板，并且正或負位相板帶有移動器，實現(xiàn)這二個位相板之間的移動，以實現(xiàn)動態(tài)的分束與合束的功能。
由于本實用新型采用的偶數(shù)型達曼光柵的特點，半周期較小的位移就可以實現(xiàn)分束器和合束器的轉(zhuǎn)換，較小的位移就可以實現(xiàn)光束的分束與合束的開關功能，所以體積小，重量輕，能耗省，比起在先技術中的機械光開關控制簡單，速度快，由于位相板的制造工藝是和大規(guī)模集成電路技術相兼容的技術，因此，可大批量復制生產(chǎn)，成本會降低，有明顯的優(yōu)越性。特別是對未來發(fā)展的中大規(guī)模的光交換陣列(例如8×16，16×32等)，目前的機械光交換技術較難實現(xiàn)時，本實用新型就有明顯的優(yōu)越性，有特別重要的使用價值。
與在先技術[1]相比，本實用新型有如下特點本實用新型的動態(tài)光耦合器提供了分束和合束的雙重功能，在先技術只能提供分束的功能，不能提供合束的功能。本實用新型的核心在于充分地利用了偶數(shù)型達曼光柵的半周期π位相反轉(zhuǎn)特性，將偶數(shù)型達曼光柵分割成二個位相反轉(zhuǎn)的光柵，通過半周期的位移，實現(xiàn)了分束與合束的轉(zhuǎn)換。由于光交換技術(包括分束與合束)是未來光通信發(fā)展的關鍵核心技術之一，因此，本實用新型提出的開關型分束與合束的結(jié)構(gòu)將有重要的應用價值。
需要指出的是，并不是可實現(xiàn)任意數(shù)目的達曼光柵均可分為兩個互補的位相光柵，根據(jù)二值位相分布達曼光柵結(jié)構(gòu)，只有偶數(shù)型的達曼光柵具有半周期π位相反轉(zhuǎn)的特性，才能按照本實用新型的結(jié)構(gòu)分成兩個互補的位相光柵。奇數(shù)型的達曼光柵由于不具備半周期的π位相反轉(zhuǎn)特性，因此不能被本實用新型的結(jié)構(gòu)分成二個互補的位相光柵，這也就是說，本實用新型的結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)偶數(shù)型的光纖輸出陣列，這一問題是理論上的限制，而不是實用中的限制。對奇數(shù)型輸出陣列的最簡單的解決方法就是增加一路輸出，使其成為偶數(shù)輸出陣列，而將輸出光纖陣列中信噪比最差的一路不用即可。
本實用新型完全可以排列成二維的形式，將一維達曼光柵十字交叉就可以排列成二維達曼光柵。采用二維編碼形式就能實現(xiàn)將輸入光纖中的光動態(tài)耦合輸出到二維輸出光纖陣列中，實現(xiàn)二維分束的功能；沿X軸(或Y軸)半周期的位移后，等效于總的位相差為零，因此，輸入光纖組中的光束就全部地耦合到放在會聚透鏡中央零級的一根光纖中，實現(xiàn)了二維合束的功能。


圖1為本實用新型動態(tài)耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為偶數(shù)型達曼光柵的位相分布圖。為了圖示半周期π位相反轉(zhuǎn)的方便，將位相值分布標為(π/2，-π/2)，這完全等效于鄰域位相差為(0，π)。
圖3為本實用新型第一種位相板的構(gòu)成，圖3(a)，圖3(b)分別為正負位相板301，302單個周期內(nèi)位相分布的示意圖。
圖4為本實用新型第二種位相板的構(gòu)成。
具體實施方式
如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
由1×4的輸入光纖組1中發(fā)射的1550nm的光束經(jīng)準直透鏡組2準直后，照在位相板3上，經(jīng)過位相板3衍射后，在會聚透鏡4的后焦面上耦合到輸出光纖組5中。光纖的纖芯直徑為250nm，位相板3的參數(shù)周期為d＝500μm，光柵面積為20mm×20mm，為1×16達曼光柵，由二元光學工藝技術制造，其中一個周期內(nèi)的位相變換點的具體參數(shù)見表2。模板由電子束或其它制版技術做成。在玻璃基底上涂上光刻膠，經(jīng)勻膠、曝光、顯影后，就可將模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。利用濕化學腐蝕工藝和高密度等離子刻蝕工藝，就可在玻璃基底上刻蝕出所需的π/2位相深度的達曼光柵301和302。移動器6無移動時，所有來自輸入光纖組1中的光都被均勻地衍射到1×16輸出光纖組5中，每路輸出光纖都可同時接收到1×4輸入光纖組任意一路的信號。這就是實現(xiàn)了分束的功能。當移動器6推動負位相板302移動半周期250μm后，所有來自輸入光纖組1中的光都被收集到中央零級的輸出光纖上，旁邊其它輸出光纖收集不到來自輸入光纖組1的光，因此這就是完成了合束的功能。
表1實現(xiàn)本實用新型的二種構(gòu)成的比較。

表2 1×16達曼光柵的一個周期(500μm)內(nèi)的位相變換點的具體數(shù)值。

權(quán)利要求1.一種光纖動態(tài)耦合器，包括準直透鏡組(2)，置于準直透鏡組(2)前焦面上的輸入光纖組(1)，有會聚透鏡(4)和置于會聚透鏡(4)后焦面上的輸出光纖組(5)，其特征在于在準直透鏡組(2)的后焦面上，會聚透鏡(4)的前焦面上置有由兩個互補的正位相板(301)和負位相板(302)構(gòu)成的位相板(3)，正位相板(301)或者負位相板(302)帶有移動器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖動態(tài)耦合器，其特征在于所說的構(gòu)成位相板(3)的兩個互補的正位相板(301)和負位相板(302)的位相是0和π，或者是0和π/2。
專利摘要一種光纖動態(tài)耦合器，包括由置于準直透鏡組前焦面上的輸入光纖組發(fā)射的光束經(jīng)過準直透鏡組準直后，再通過置于準直透鏡組后焦面上和會聚透鏡前焦面上的由二個互補的正負位相板構(gòu)成帶移動器的位相板后，經(jīng)會聚透鏡會聚在置于會聚透鏡后焦面上的輸出光纖組上。位相板具有偶數(shù)型達曼光柵的特性。通過半周期的位移，就可以實現(xiàn)分束與并束的轉(zhuǎn)換。因此具有動態(tài)的分束和合束的雙重功能，使用方便，體積小，重量輕，作為開關比在先技術中的機械光開關速度快，在光通信的發(fā)展應用上有著重要的應用價值。
文檔編號G02B6/35GK2530275SQ0125500
公開日2003年1月8日 申請日期2001年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者周常河, 劉立人, 趙欣 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所