專利名稱：泰伯效應(yīng)的分波分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種泰伯效應(yīng)的分波分束器。適用于光通信、光互聯(lián)、光計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖象處理以及光學(xué)計(jì)算等。
背景技術(shù)：
光纖通信系統(tǒng)以大容量、高速的信息傳輸?shù)玫搅搜该桶l(fā)展。其中，分波器/分束器扮演著十分重要的角色，它們通常由不同的器件構(gòu)成。目前分(合)波器/分束器已經(jīng)有效地使用在多用戶系統(tǒng)中。波分復(fù)用系統(tǒng)按復(fù)用光波間隔可劃分為密集波分復(fù)用(DWDM)和粗波分復(fù)用(CWDM)，但DWDM系統(tǒng)成本仍然較高，比較而言，由于CWDM系統(tǒng)信道間隔較寬，可以使用價(jià)格相對便宜的收發(fā)器件及光學(xué)元件，整個(gè)通信系統(tǒng)的成本大大降低。
分束元件在光纖通信中也占有十分重要地位。常用的分束元件有熔融拉錐，體全息圖、波導(dǎo)型[見Fardad，et al.，Sol-Gel multimode interference powersplitters，IEEE Photon.Tech.Lett.，11，1999，p.697-699]等。例如，采用熔融拉錐技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)1×2的分束，多級(jí)級(jí)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的分束，但這增加了損耗，也使系統(tǒng)過于復(fù)雜。從已有的研究結(jié)果來看，同時(shí)具備分束和分波功能的器件很少見。它們的特點(diǎn)是具有分束功能而不具備分波功能，或者具有分波功能，而不具備超大規(guī)模分束功能。目前基于泰伯(Talbot)效應(yīng)原理設(shè)計(jì)和制作的光學(xué)陣列發(fā)生器或照明器在許多研究領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)用，例如在光通信、光互連、光計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像處理以及光學(xué)計(jì)量等[見ChangheZhou(周常河)et al.，Analytic phase-factor equations for Talbot arrayilluminations，Applied Optics，38，1999，p.284-290]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于泰伯(Talbot)效應(yīng)的具有大規(guī)模分束和分波功能兩者合二為一的一種器件，其同時(shí)具有粗分波器/超大型分束器功能。
本發(fā)明分波分束器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括有輸入光纖1，由擴(kuò)束透鏡201和準(zhǔn)直透鏡202構(gòu)成的準(zhǔn)直器2，光柵3和位于距離光柵3N≥1倍泰伯距離z的入射端帶有聚光器401的輸出光纖陣列。輸入光纖1能夠同時(shí)傳輸著兩個(gè)波長的光λ1和λ2。光束從輸入光纖1出射后，首先經(jīng)過準(zhǔn)直器2準(zhǔn)直，準(zhǔn)直器2是由擴(kuò)束透鏡201和準(zhǔn)直透鏡202組成。準(zhǔn)直器2與輸入光纖1的輸出端相連。經(jīng)準(zhǔn)直器2出射的平行光束射到光柵3上，光柵3可以是振幅光柵，或者是位相光柵。從提高能量利用率的角度，是位相光柵更好。光柵3放在準(zhǔn)直器2的光束輸出端。在光柵3光束輸出方向上，距離N≥1倍泰伯距離的z處，有輸入端帶有聚光器401的輸出光纖陣列4。輸出光纖陣列4的每個(gè)光纖列陣元的頭部有聚光器401的目的是使自由空間的光斑耦合到輸出光纖陣列4中。
在輸入光纖1中傳輸?shù)牟煌ㄩL光信號(hào)λ1和λ2，光束從輸入光纖1輸出端出射，經(jīng)過準(zhǔn)直器2后，被準(zhǔn)直為平行光，照射在光柵3上。通過光柵3的光會(huì)被衍射，在泰伯距離z上自成像產(chǎn)生不同波長空間上分離的光信號(hào)大規(guī)模列陣，用輸出光纖陣列4引出不同波長光信號(hào)在空間上的交叉分離的大規(guī)模的光斑陣列。因此，本發(fā)明器件實(shí)現(xiàn)了粗分波和大規(guī)模分束的雙重功能。
本發(fā)明中光柵3和輸出光纖陣列4間的N倍泰伯距離z是滿足光柵自成像條件?？紤]最簡單的情形，設(shè)u0(x)是位于z＝0平面上光柵3的一維周期透過率函數(shù)，由傅立葉級(jí)數(shù)展開得u0(x)＝∑ckexp(i2πxk/d) (1)其中k為整數(shù)，k的物理意義為傅里葉級(jí)譜的級(jí)次，ck為傅里葉級(jí)譜的系數(shù)，x為垂直于光柵3溝槽的一維方向的坐標(biāo)值，d是沿x方向光柵3的周期，exp為指數(shù)函數(shù)，∑為多級(jí)傅里葉頻譜求和符號(hào)。在波長為λ的平面波相干照明下，沿z向傳播的菲涅爾衍射場為u(x，z)＝∑ckexp[-i2πzλk2/(2d2)]exp(i2πxk/d)(2)泰伯距離的定義為ZT＝(2d2)/λ。將泰伯距離ZT值代入(2)中，即為(1)的形式，說明了光柵3在泰伯距離ZT的位置上自成像。對于波長λ1、λ2的入射光，其泰伯距離分別為ZTλ1＝(2d2)/λ1、ZTλ2＝(2d2)/λ2，由此可以看出，波長不同，其相應(yīng)的泰伯距離就不同。在統(tǒng)一的距離z的條件為z＝N1·ZTλ1＝N2·ZTλ2+N3·ZTλ2， (3)其中N1，N2均為正整數(shù)，N3＝1/2。對于波長為λ1的入射光，則u(x，z)與u0(x)有相同形式的分布，此時(shí)的z為N1倍的泰伯距離ZTλ1。此時(shí)對波長為λ2的光波，此時(shí)的z為(N2+1/2)倍的泰伯距離ZTλ2，也產(chǎn)生自成像，其周期仍為d，但光場分布沿x向錯(cuò)移d/2，稱半周期位移自成像。這種現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)在于泰伯距離上的各衍射分量迭加時(shí)，相互相位關(guān)系與該物體各頻譜分量之間的相位關(guān)系相同，但對于不同波長λ1、λ2的光柵自成像，正好在空間相差半個(gè)周期，因此可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)波長復(fù)分和大規(guī)模的分束功能。
通過改變光柵周期和分?jǐn)?shù)倍的泰伯距離等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)分波分束功能。通過兩波長的比值，可實(shí)現(xiàn)不同λ1和λ2如1300nm和1550nm(或1350/1500 nm)光通信窗口波長的分波器和大規(guī)模分束器功能。
對上述泰伯自成像效應(yīng)的描述，N1(2d2/λ1)＝(N2+1/2)(2d2/λ2)，λ1＝1300nm，λ2＝1550nm(或λ1＝1500nm，λ2＝1350nm)，為兩入射光波長，將數(shù)值代入得N1/(N2+1/2)＝λ1/λ2＝1300/1550＝13/15.5，則N1＝13，N2＝15。當(dāng)考慮不同的光柵周期有多種情況如當(dāng)d＝100μm，z≈200mm；當(dāng)d＝10μm，z≈2mm；當(dāng)d＝20μm，z≈8mm；當(dāng)d＝30μm，z＝18mm；當(dāng)d＝40μm，z≈32mm.
對于粗波分的情況，當(dāng)有N1＝15，N2＝13，λ1＝1500nm，λ2＝1350nm，則當(dāng)d＝100μm，z＝200mm；當(dāng)d＝10μm，z＝2mm及d＝20μm，z＝8mm等情況，通常認(rèn)為選取d＝20μm，d＝30μm，或d＝40μm，比較適合于使用輸出光纖陣列引出波長空間分離的光信號(hào)。
為便于理解和講述清楚，上面講的是采用振幅光柵3的情況。事實(shí)上，采用位相光柵3還可以進(jìn)一步提高光效率。對于振幅光柵在相干平面波照明下，在某個(gè)平面上產(chǎn)生了純相位分布的菲涅耳衍射光場。對于位相光柵的純相位分布在相干平面波照明時(shí)，其后的某些確定的分?jǐn)?shù)倍泰伯距離平面上會(huì)產(chǎn)生振幅調(diào)制結(jié)構(gòu)，即陣列光斑，以便于從輸出光纖陣列耦合輸出。
設(shè)一個(gè)矩形開孔、具有占空比d/M的光柵3受相干平面波照明，光柵的透過率函數(shù)為u0(x)=Σrect(x-kdd/M)------(4)]]>其中rect(x)為矩形函數(shù)，M為大于1的正整數(shù)，M＝2，3，...。該光柵在分?jǐn)?shù)倍的泰伯距離(z＝(p/2M)ZT，p＝1，2，3，...)處的衍射場u(x，z)可寫成u(x,z)=1MPΣj=0pexp(iπ(jM+k)2pM)------(5)]]>當(dāng)p與M互質(zhì)時(shí)，將出現(xiàn)純位相的衍射場，由(5)式可計(jì)算出純位相分布的大小。由(4)和(5)式看出，對位相光柵當(dāng)N倍泰伯距離z中的N＝p/2M時(shí)，即N為分?jǐn)?shù)時(shí)，位相光柵在z距離位置上同樣產(chǎn)生自成像。
討論二階位相光柵情形，二階位相光柵可以實(shí)現(xiàn)的陣列光斑的壓縮比為1/2或1/3，其中d/M是陣列光斑的壓縮比。通過選取不同的相位光柵的位相分布，以及獲得的陣列光斑壓縮比，可進(jìn)一步確定N1、N2、N3數(shù)值。由于二階位相光柵的壓縮比被限制為1/2和1/3，為了得到更大的壓縮比以提高光斑光強(qiáng)，必須考慮多級(jí)臺(tái)階位相光柵。不同相位臺(tái)階的位相光柵用作泰伯陣列照明器時(shí)，有不同的情形。例如二階位相光柵可以有六種位置，多級(jí)臺(tái)階位相光柵將會(huì)有更多的情形[見Changhe Zhou(周常河)et al.，Number of phase levelsof a Talbot array illuminator，Applied Optics，40(5)，2001，p.606-613]。
與在先技術(shù)相比，本發(fā)明價(jià)格低廉、制作方便，采用多階位相光柵，將會(huì)得到高效率的大規(guī)模光纖輸出陣列，輸出陣列的陣元數(shù)越多，效率越高，對于越是大型陣列，其效率越接近100％。其中位相光柵(或稱位相板)的制作工藝為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(xué)腐蝕工藝和高密度等離子體刻蝕工藝，在玻璃基底上刻出所需的位相光柵。當(dāng)然，其中掩模版可用繪圖機(jī)繪制再精縮而成，也可選擇用光學(xué)或電子束直接曝光生成圖形。
本發(fā)明的分波分束器充分體現(xiàn)光學(xué)信息處理并行、快速的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光功率分配的同時(shí)，有兼?zhèn)浯址植üδ堋１景l(fā)明具有低成本等優(yōu)點(diǎn)，在不遠(yuǎn)的將來必將充分體現(xiàn)它新的實(shí)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明分波分束的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示的結(jié)構(gòu)，對于最常用的粗波分信道輸入的兩束光波長為λ1＝1300nm，λ2＝1550nm，光柵3采用位相光柵。由上述獲得一組結(jié)構(gòu)參數(shù)為d＝20μm，z＝8mm。由于本發(fā)明的器件是基于泰伯自成像效應(yīng)，可形成超大規(guī)模的高效率等強(qiáng)度分束陣列。對每個(gè)波長信道均可形成含有極大數(shù)量陣元的陣列，例如100×100＝10000束。本發(fā)明的器件的特點(diǎn)就是用非常簡單的結(jié)構(gòu)，可同時(shí)對不同波長粗波分解復(fù)用，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的高效率、等強(qiáng)度分束陣列，這對光纖到戶等實(shí)際應(yīng)用具有重要的使用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種泰伯效應(yīng)的分波分束器，包括輸入光纖(1)，由擴(kuò)束透鏡(201)和準(zhǔn)直透鏡(202)構(gòu)成的準(zhǔn)直器(2)和光柵(3)，光束從輸入光纖(1)出射后，首先經(jīng)過準(zhǔn)直器(2)準(zhǔn)直后，出射的平行光束入射到光柵(3)上，其特征在于所說的光柵(3)是振幅光柵，或是位相光柵，在距光柵(3)N≥1倍泰伯距離Z處，置有入射端帶有聚光器(401)的輸出光纖陣列(4)，泰伯距離Z＝2d2/λ，其中d為光柵(3)的周期，λ為入射光的波長。
全文摘要
一種泰伯效應(yīng)的分波分束器，適用于光通信、光互聯(lián)、光計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖象處理以及光學(xué)計(jì)算。包括從輸入光纖輸出不同波長的光信號(hào)，經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為平行光束照射到振幅或位相光柵上，被衍射的光束在距光柵N倍泰伯距離位置上的帶聚光器的輸出光纖陣列上自成像。產(chǎn)生不同波長空間上分離的光信號(hào)大規(guī)模的列陣。用輸出光纖陣列引出。本發(fā)明用簡單的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了粗分波和大規(guī)模分束的雙重功能。
文檔編號(hào)G02B6/32GK1391117SQ0213622
公開日2003年1月15日 申請日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者周常河, 祖繼峰, 劉立人 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所