專利名稱：全息光柵型1×2波導(dǎo)分波器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光通信的lx2分波器，尤其是一種可應(yīng)用于集成光路的全息光柵 型1x2波導(dǎo)分波器及其制造方法。
背景技術(shù)：
波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是建設(shè)超高速、大容量現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主導(dǎo)技術(shù)。WDM傳輸系 統(tǒng)主要由光信號發(fā)射與調(diào)制、合波器、信號傳輸波導(dǎo)、分波器及信號接收與處理等幾個主要 部分組成。其中分波器是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有決定 性的影響。
光波分復(fù)用器件的發(fā)展經(jīng)歷了分立光學(xué)元件型、微光單元件型、全光纖型、波導(dǎo)型等幾 個階段。目前，從技術(shù)的成熟程度、性能價格比以及使用靈活性等方面，形成了一個多功能、 多用途的產(chǎn)品系列。針對lx2雙信道分波器，在格局上基本形成了以熔融拉錐型為主，介質(zhì) 薄膜型、光柵型同步發(fā)展，互有優(yōu)勢的局面。
(1) 熔錐型分波器(見文獻1陳祖培，發(fā)明專利熔錐型高密度波分復(fù)用器，申請?zhí)?為CN96116575 ;2]J.-P. Laude, DWDM ftindamentals, components and applications Artech House, Boston, 2002)。
實用的熔融拉錐全光纖型WDM器件多是兩波復(fù)用的，復(fù)用更多波長的此類器件還在試 制中，尚未實現(xiàn)實用化。熔錐型WDM器件的特點是插入損耗低(最大值〈5dB，典型值為 0.2dB)，無需波長選擇器件，此外還具有較好的光通路帶寬/信道間隔比和溫度穩(wěn)定性，不足 之處是尺寸稍大，隔離度較差(20dB左右)， 一般不用在目前的DWDM系統(tǒng)中。這種器件 的生產(chǎn)條件簡單，相對于其它幾類分波器件，國內(nèi)外能生產(chǎn)熔錐型分波器的廠商是最多的。
(2) 介質(zhì)薄膜型分波器(見文獻3He C, Ma D, Li W. Thin-film filters are the building blocks of multiplexing devices [J]. WDM Solutions, 2001， 5;4A.Scobey M, Fortenberry RM, Stokes LF， et al. Thin film interference filters for 25GHz channel spacing [C]. OFC，2002， Anaheim, USA, 2002:398-399)。
介質(zhì)薄膜型分波器的主要特點是設(shè)計上可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的小型化器件，信號通帶平坦， 且與極化無關(guān)，插入損耗低，通路間隔度好。缺點是通路數(shù)不多。具體特點還與結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如，薄膜濾波器型分波器在采用軟型材料的時候，由于濾波器容易受潮，受環(huán)境的影響而 改變波長；而采用硬介質(zhì)薄膜時材料的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.0005nmTC。另外，這種器件的設(shè)計 和制造過程較長，產(chǎn)量較低，光路中使用環(huán)氧樹脂時隔離度不宜很高，帶寬不宜很窄。
(3) 陣列波導(dǎo)光柵型分波器(見文獻5Takada K, Abe M, Shibata T, et al. A 25 GHz-spaced 1080-channel tandem multi/demultiplexer covering the S-， C- and L-bands using array-waveguide graing with Gaussian passbands as primary filter [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.， 2002, 14(5):648-650)。
陣列波導(dǎo)光柵型分波器是根據(jù)光波導(dǎo)的功率耦合與波長、間隔、材料等有關(guān)的特性制成 的。器件中的平面光波導(dǎo)是在平面型基底材料上，采用半導(dǎo)體加工工藝構(gòu)筑的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 各波導(dǎo)路徑長度差產(chǎn)生的效應(yīng)與閃耀光柵溝槽作用相當(dāng)，從而起到"光柵"的作用。陣列波 導(dǎo)光柵的制作釆用標準的半導(dǎo)體工藝，具有較好的集成性，可以實現(xiàn)較多信道的解復(fù)用，但 是波導(dǎo)較易受溫度等環(huán)境的影響，在大量商業(yè)化前需要較好的絕熱封裝。
(4) 光纖布拉格光柵型分波器(見文獻6Park HS, Yun SH, Hwang IK, et al. All-fiber add-drop wavelength-division multiplexer based on intermodal coupling [J]. IEEE Photon. Technol. Lett. ,2001,13 (5):460-462)。
光纖布拉格光柵型分波器的基本單元是使用紫外光干涉在光纖中形成周期性的折射率變 化而制成的光器件，稱為光纖布拉格光柵(FBG)，也稱為反射型光纖光柵，其基本原理是，當(dāng) FBG折射率的周期性變化滿足布拉格光柵條件時，相應(yīng)波長的光就會產(chǎn)生全反射，而其余波 長的光則順利通過。該類型的器件直接由標準的單模光纖制得，容易與各種光纖系統(tǒng)連接， 具有較小的插入損耗，但反向反射高，必須使用光隔離器。同時，因每一通道需用到環(huán)行器， 故其成本較高。
(5) 衍射光柵型分波器(見文獻7Nakazawa T， Kittaka S， Tsunetomo K， et al. Compact and monolithic coarse wavelength-division multiplexer-demultiplexer fabricated by use of a high-spatial-frequency transmission grating buried in a slab waveguide [J]. Opt. Lett. ， 2004， 29 (11):1188-1190)。
衍射光柵型分波器的原理是利用衍射光柵對輸入光束進行衍射，使每個波長通道對應(yīng)于 空間唯一的衍射角，從而被各自的光纖接收。根據(jù)是否對衍射光束具有會聚作用，可以將該
類器件中所采用的衍射光柵分為兩大類 一類是等間距直條紋平面光柵；另一類包括凹面光
柵、啁啾光柵(一種不等間距直條紋平面光柵)以及不等間距非直條紋平面光柵。前者需要 與具有準直/聚焦功能的光學(xué)元件配合使用，后者則可以省去這些光學(xué)元件。衍射光柵型器件的最大特點是可重構(gòu)，有利于系統(tǒng)的升級，但對耦合封裝技術(shù)要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙信道，同時具有分波器和耦合器作用，成本低、生產(chǎn)速率高、體積小、隔離度大的全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器及其制造方法。
所述全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器設(shè)有一波導(dǎo)基底，基底上設(shè)有一層具有全息光柵結(jié)構(gòu)的記錄材料。
所述記錄材料(介質(zhì))為感光膠，可以選用光刻膠(Photoresist),光聚合物(Photopolymer)或重鉻酸鹽明膠(DCG)等材料。
所述全息光柵型1x2波導(dǎo)分波器的制造方法包括以下步驟
1) 在波導(dǎo)基底上涂布一層記錄材料；
2) 用兩束平面波進行干涉；
3) 經(jīng)曝光、顯影處理，即制成具有全息光柵結(jié)構(gòu)的全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器。在步驟1)中，所述記錄材料可為感光膠等，所述感光膠最好為光刻膠，光聚合物或重
鉻酸鹽明膠等。
制造全息光柵型1x2波導(dǎo)分波器的裝置設(shè)有1個波長能對記錄材料感光的激光器、1個反射鏡和l個分光鏡，用于將激光器發(fā)出的光反射到分光鏡上，分光鏡將反射鏡的反射光分為2束，分別送相干光產(chǎn)生裝置；相干光產(chǎn)生裝置設(shè)有全反射鏡、擴束器及空間濾波器和準直透鏡，由分光鏡分出的1束光經(jīng)全反射鏡后，經(jīng)擴束器擴束及空間濾波器濾波，再經(jīng)透鏡準直，然后到達記錄介質(zhì)；另一束相干光采用完全相同的產(chǎn)生裝置。
與已有的lx2分波器相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于
1. 插入損耗大約3 5dB，隔離度》30dB;
2. 同時具有分波器和耦合器的功能，它既可以將包含兩個波長的合波分開，又能耦合進各自的波導(dǎo)中，節(jié)省了組裝元件；
3. 器件緊湊、體積較小，相比于傳統(tǒng)的棱鏡耦合器和分波器，縮小了模塊的尺寸；
4. 相對于將來光通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，具有成本低、生產(chǎn)速率高的特點。目前雙通道分波耦合元件的平均市價是300元人民幣/個，而本發(fā)明的成本不到2元人民幣/個。


圖1為制造全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器的裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2為本發(fā)明實施例1，即458nm/633nm兩波分全息光柵型分波器，其合波入射角與光柵周期之間的關(guān)系曲線。在圖2中，橫坐標為光柵周期d(nm)，縱坐標為合波入射角/r )。圖3為本發(fā)明實施例2，即1310nm/1550nm兩波分全息光柵型分波器，其合波入射角與 光柵周期之間的關(guān)系曲線。在圖3中，橫坐標為光柵周期d(nm)，縱坐標為合波入射角/(° )。
圖4為全息光柵型1x2波導(dǎo)分波器的工作原理示意圖。在圖4中，1為全息光柵型1x2 波導(dǎo)分波器，2為波導(dǎo)基底，3為空氣，4為合波入射時的法線方向；XI為短波458nm， 為長波633nm; 0為0級衍射光，-1為_1級衍射光，+1為+1級衍射光；/為合成波入射角。
圖5為全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖5中，l為面積為5mmx5mm全 息光柵型lx2波導(dǎo)分波器，2為條狀波導(dǎo)基底，3為合波入射的平面，4為合波入射的方向。
具體實施例方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明所涉及的全息光柵型分波器是根據(jù)經(jīng)典的相干光干涉理論和衍射理論，采用激光 全息技術(shù)制作的，其結(jié)構(gòu)是在波導(dǎo)基底表面涂一層記錄材料，然后用兩束平面波以一定角度 對稱入射進行干涉而形成高頻光柵，通過控制光柵的周期和合波的入射角度以達到分波的效 果。為了對波長分別為、和、(、<人2)的雙信道進行分波，光柵周期應(yīng)該滿足的條件為
^^〉"〉^^ (1)
上式中的d為全息光柵的周期，wo為空氣的折射率，m為波導(dǎo)基底的折射率。對應(yīng)周期
為d的全息光柵型分波器，其合波入射角度/必須滿足以下條件
巧-(A/d)> sin/ > w0 -(Aj/c/) sin/ >(A/t/)—w0
- (2) (y^/t/)-w。 > siru' > (^/d)-/^
sin/ > a — (A/d)
制作工藝、步驟、條件、過程及其制造裝置的結(jié)構(gòu)如圖i所示。在波導(dǎo)基底表面制作全
息光柵所用的設(shè)備和材料包括甩膠機；防震工作平臺；波長能對記錄材料感光的藍光或紫 光激光器LASER; M為反射鏡；BS為可調(diào)分光鏡；SF為擴束器及空間濾波器；L為鍍有增 透膜的透鏡或相機鏡頭；H為記錄材料，它可以是光刻膠、光聚合物或DCG材料。 具體工藝流程為
首先在波導(dǎo)基底表面涂上一層感光材料。
參見圖1，由激光器輸出的激光經(jīng)過全反射鏡反射到分光鏡BS上，BS將光分成兩束。 這兩束光分別依次通過反射鏡反射、擴束器擴束、空間濾波器濾波、透鏡準直后，對稱入射 到涂有記錄介質(zhì)的波導(dǎo)基底表面，形成干涉區(qū)域。并且在涂有記錄介質(zhì)的波導(dǎo)基底前放置一個口徑為5mmx5mm的光闌，以控制全息光柵的尺寸大小。經(jīng)過曝光、顯影處理，得到所需要的全息光柵。實施例1
為了實現(xiàn)波長為458nm和633nm兩信道的分波，根據(jù)公式(1 )，光柵的周期應(yīng)為359nm 496腦之剛其中"0=1， w產(chǎn)1.55)。根據(jù)公式(2)，利用己知參數(shù)可以畫出描述合波入射角度/與光柵周期^之間關(guān)系的曲線圖(圖2)，其中的網(wǎng)格區(qū)域是全息光柵型分波器的有效工作區(qū)域。
選取厚度為1.5mm的玻璃基底為波導(dǎo)，采用波長為457.9nm的氬離子激光器，調(diào)整對稱入射相干光的夾角為62.5。，制備出周期為441nm的全息光柵。根據(jù)圖2，在與光柵方向平行的平面內(nèi)，令合波相對法線以6.6。 25.8°范圍內(nèi)的任意角度入射，即可對458nm和633nm的兩信道實現(xiàn)分波。如圖4，短波458nm的信號光沿波導(dǎo)向左傳播，長波633nm的信號光沿波導(dǎo)向右傳播。
實施例2
為了實現(xiàn)對1310nm和1550nm兩信道的分波，根據(jù)公式(l),光柵的周期范圍應(yīng)為1027 1215nm(其中"o=l， m = 1.55)。同樣根據(jù)公式(2)，可以利用已知參數(shù)畫出描述合波入射角度與光柵周期之間關(guān)系的曲線圖(圖3)，其中的網(wǎng)格區(qū)域是全息光柵型分波器的有效工作區(qū)域。
選取厚度為1.5mm的玻璃基底為波導(dǎo)，采用波長為457.9nm的氬離子激光器，調(diào)整對稱入射相干光的夾角為24.5。，制備出周期為1080nm的全息光柵。根據(jù)圖3，在與光柵方向平行的平面內(nèi)，令合波相對法線以12.3° 19.7°范圍內(nèi)的任意角度入射，即可對1310nm和1550nm的兩信道實現(xiàn)分波。如圖4，波長1310nm的信號光沿波導(dǎo)向左傳播，波長1550nm的信號光沿波導(dǎo)向右傳播。
權(quán)利要求
1. 全息光柵型1×2波導(dǎo)分波器，其特征在于設(shè)有一波導(dǎo)基底，基底上設(shè)有一層具有全息光柵結(jié)構(gòu)的記錄材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的全息光柵型1x2波導(dǎo)分波器，其特征在于所述記錄材料為感光膠。
3. 如權(quán)利要求2所述的全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器，其特征在于所述感光膠為光刻膠， 光聚合物或重鉻酸鹽明膠。
4. 如權(quán)利要求1所述的所述全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器的制造方法，其特征在于包括以 下步驟1) 在波導(dǎo)基底上涂布一層記錄材料；2) 用兩束平面波進行干涉；3) 經(jīng)曝光、顯影處理，即制成具有全息光柵結(jié)構(gòu)的全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器。
5. 如權(quán)利要求4所述的全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器的制造方法，其特征在于所述記錄材 料為感光膠。
6. 如權(quán)利要求4所述的全息光柵型lx2波導(dǎo)分波器的制造方法，其特征在于所述感光膠 為光刻膠，光聚合物或重鉻酸鹽明膠。
全文摘要
全息光柵型1×2波導(dǎo)分波器及其制造方法，涉及一種應(yīng)用于光通信的1×2分波器。提供一種雙信道，同時具有分波器和耦合器作用，成本低、生產(chǎn)速率高、體積小、隔離度大的全息光柵型1×2波導(dǎo)分波器及其制造方法。全息光柵型1×2波導(dǎo)分波器設(shè)有一波導(dǎo)基底，基底上設(shè)有一層具有全息光柵結(jié)構(gòu)的記錄材料。其制造方法是在基底表面涂布記錄材料；用兩束平面波對稱入射；經(jīng)曝光、顯影處理。其制造裝置設(shè)有激光器；1個反射鏡和1個分光鏡，分光鏡將反射光分成2束，分別送兩干涉光的產(chǎn)生裝置；產(chǎn)生裝置設(shè)有全反射鏡、擴束濾波器和準直透鏡，干涉光經(jīng)全反射鏡后再經(jīng)擴束濾波和透鏡準直后，到達記錄材料；另一束干涉光產(chǎn)生裝置完全相同。
文檔編號G02B6/34GK101464542SQ20091011090
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者任雪暢, 守 劉, 張向蘇, 王燦輝 申請人:廈門大學(xué)