CN1176393C - 泰伯效应的分波分束器 - Google Patents

Abstract

一种泰伯效应的分波分束器，适用于光通信、光互联、光计算、数据存储、图象处理以及光学计算。包括从输入光纤输出不同波长的光信号，经过准直器准直为平行光束照射到振幅或位相光栅上，被衍射的光束在距光栅N倍泰伯距离位置上的带聚光器的输出光纤阵列上自成像。产生不同波长空间上分离的光信号大规模的列阵。用输出光纤阵列引出。本发明用简单的结构，实现了粗分波和大规模分束的双重功能。

Description

泰伯效应的分波分束器

技术领域：

本发明是一种泰伯效应的分波分束器。适用于光通信、光互联、光计算、数据存储、图象处理以及光学计算等。

背景技术：

光纤通信系统以大容量、高速的信息传输得到了迅猛发展。其中，分波器/分束器扮演着十分重要的角色，它们通常由不同的器件构成。目前分(合)波器/分束器已经有效地使用在多用户系统中。波分复用系统按复用光波间隔可划分为密集波分复用(DWDM)和粗波分复用(CWDM)，但DWDM系统成本仍然较高，比较而言，由于CWDM系统信道间隔较宽，可以使用价格相对便宜的收发器件及光学元件，整个通信系统的成本大大降低。

分束元件在光纤通信中也占有十分重要地位。常用的分束元件有：熔融拉锥，体全息图、波导型[见Fardad，et al.，Sol-Gel multimode interference powersplitters，IEEE Photon.Tech.Lett.，11，1999，p.697-699]等。例如，采用熔融拉锥技术可以实现1×2的分束，多级级联可以实现较大规模的分束，但这增加了损耗，也使系统过于复杂。从已有的研究结果来看，同时具备分束和分波功能的器件很少见。它们的特点是具有分束功能而不具备分波功能，或者具有分波功能，而不具备超大规模分束功能。目前基于泰伯(Talbot)效应原理设计和制作的光学阵列发生器或照明器在许多研究领域获得了实际应用，例如在光通信、光互连、光计算、数据存储、图像处理以及光学计量等[见ChangheZhou(周常河)et al.，Analytic phase-factor equations for Talbot arrayilluminations，Applied Optics，38，1999，p.284-290]。

发明内容：

本发明提供一种基于泰伯(Talbot)效应的具有大规模分束和分波功能两者合二为一的一种器件，其同时具有粗分波器/超大型分束器功能。

本发明分波分束器的结构如图1所示。包括有输入光纤1，由扩束透镜201和准直透镜202构成的准直器2，光栅3和位于距离光栅3N≥1倍泰伯距离z的入射端带有聚光器401的输出光纤阵列。输入光纤1能够同时传输着两个波长的光λ₁和λ₂。光束从输入光纤1出射后，首先经过准直器2准直，准直器2是由扩束透镜201和准直透镜202组成。准直器2与输入光纤1的输出端相连。经准直器2出射的平行光束射到光栅3上，光栅3可以是振幅光栅，或者是位相光栅。从提高能量利用率的角度，是位相光栅更好。光栅3放在准直器2的光束输出端。在光栅3光束输出方向上，距离N≥1倍泰伯距离的z处，有输入端带有聚光器401的输出光纤阵列4。输出光纤阵列4的每个光纤列阵元的头部有聚光器401的目的是使自由空间的光斑耦合到输出光纤阵列4中。

在输入光纤1中传输的不同波长光信号λ₁和λ₂，光束从输入光纤1输出端出射，经过准直器2后，被准直为平行光，照射在光栅3上。通过光栅3的光会被衍射，在泰伯距离z上自成像产生不同波长空间上分离的光信号大规模列阵，用输出光纤阵列4引出不同波长光信号在空间上的交叉分离的大规模的光斑阵列。因此，本发明器件实现了粗分波和大规模分束的双重功能。

本发明中光栅3和输出光纤阵列4间的N倍泰伯距离z是满足光栅自成像条件。考虑最简单的情形，设u₀(x)是位于z＝0平面上光栅3的一维周期透过率函数，由傅立叶级数展开得：

                u₀(x)＝∑c_k exp(i2π xk/d)    (1)其中k为整数，k的物理意义为傅里叶级谱的级次，c_k为傅里叶级谱的系数，x为垂直于光栅3沟槽的一维方向的坐标值，d是沿x方向光栅3的周期，exp为指数函数，∑为多级傅里叶频谱求和符号。在波长为λ的平面波相干照明下，沿z向传播的菲涅尔衍射场为：

   u(x，z)＝∑c_k exp[-i2π zλk²/(2d²)]exp(i2πxk/d)(2)泰伯距离的定义为Z_T＝(2d²)/λ。将泰伯距离Z_T值代入(2)中，即为(1)的形式，说明了光栅3在泰伯距离Z_T的位置上自成像。对于波长λ₁、λ₂的入射光，其泰伯距离分别为Z_Tλ1＝(2d²)/λ₁、Z_Tλ2＝(2d²)/λ₂，由此可以看出，波长不同，其相应的泰伯距离就不同。在统一的距离z的条件为：

          z＝N₁·Z_Tλ1＝N₂·Z_Tλ2+N₃·Z_Tλ2，    (3)其中N₁，N₂均为正整数，N₃＝1/2。对于波长为λ1的入射光，则u(x，z)与u₀(x)有相同形式的分布，此时的z为N₁倍的泰伯距离Z_Tλ1。此时对波长为λ₂的光波，此时的z为(N₂+1/2)倍的泰伯距离Z_Tλ2，也产生自成像，其周期仍为d，但光场分布沿x向错移d/2，称半周期位移自成像。这种现象的实质在于泰伯距离上的各衍射分量迭加时，相互相位关系与该物体各频谱分量之间的相位关系相同，但对于不同波长λ₁、λ₂的光栅自成像，正好在空间相差半个周期，因此可以同时实现波长复分和大规模的分束功能。

通过改变光栅周期和分数倍的泰伯距离等参数可实现分波分束功能。通过两波长的比值，可实现不同λ₁和λ₂如1300nm和1550nm(或1350/1500nm)光通信窗口波长的分波器和大规模分束器功能。

对上述泰伯自成像效应的描述，N₁(2d²/λ₁)＝(N₂+1/2)(2d²/λ₂)，λ₂＝1300nm，λ₂＝1550nm(或λ₁＝1500nm，λ₂＝1350nm)，为两入射光波长，将数值代入得：N₁/(N₂+1/2)＝λ₁/λ₂＝1300/1550＝13/15.5，则N₁＝13，N₂＝15。当考虑不同的光栅周期有多种情况：如当d＝100μm，z≈200mm；当d＝10μm，z≈2mm；当d＝20μm，z≈8mm；当d＝30μm，z≈18mm；当d＝40μm，z≈32mm。

对于粗波分的情况，当有N₁＝15，N₂＝13，λ₁＝1500nm，λ₂＝1350nm，则当d＝100μm，z＝200mm；当d＝10μm，z＝2mm及d＝20μm，z＝8mm等情况，通常认为选取d＝20μm，d＝30μm，或d＝40μm，比较适合于使用输出光纤阵列引出波长空间分离的光信号。

为便于理解和讲述清楚，上面讲的是采用振幅光栅3的情况。事实上，采用位相光栅3还可以进一步提高光效率。对于振幅光栅在相干平面波照明下，在某个平面上产生了纯相位分布的菲涅耳衍射光场。对于位相光栅的纯相位分布在相干平面波照明时，其后的某些确定的分数倍泰伯距离平面上会产生振幅调制结构，即阵列光斑，以便于从输出光纤阵列耦合输出。

设一个矩形开孔、具有占空比d/M的光栅3受相干平面波照明，光栅的透过率函数为：

$u_0\left(x\right)=\mathrm{\Σrect}\left(\frac{x-\mathrm{kd}}{d/M}\right)--\left(4\right)$

其中rect(x)为矩形函数，M为大于1的正整数，M＝2，3，...。该光栅在分数倍的泰伯距离(z＝(p/2M)Z_T，p＝1，2，3，...)处的衍射场u(x，z)可写成：

$u(x,z)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{MP}}}\underset{j=0}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\mathrm{i\π}\frac{{(\mathrm{jM}+k)}^2}{\mathrm{pM}}\right)--\left(5\right)$

当p与M互质时，将出现纯位相的衍射场，由(5)式可计算出纯位相分布的大小。由(4)和(5)式看出，对位相光栅当N倍泰伯距离z中的N＝p/2M时，即N为分数时，位相光栅在z距离位置上同样产生自成像。

讨论二阶位相光栅情形，二阶位相光栅可以实现的阵列光斑的压缩比为1/2或1/3，其中d/M是阵列光斑的压缩比。通过选取不同的相位光栅的位相分布，以及获得的阵列光斑压缩比，可进一步确定N₁、N₂、N₃数值。由于二阶位相光栅的压缩比被限制为1/2和1/3，为了得到更大的压缩比以提高光斑光强，必须考虑多级台阶位相光栅。不同相位台阶的位相光栅用作泰伯阵列照明器时，有不同的情形。例如二阶位相光栅可以有六种位置，多级台阶位相光栅将会有更多的情形[见Changhe Zhou(周常河)et al.，Number of phase levelsof a Talbot array illuminator，Applied Optics，40(5)，2001，p.606-613]。

与在先技术相比，本发明价格低廉、制作方便，采用多阶位相光栅，将会得到高效率的大规模光纤输出阵列，输出阵列的阵元数越多，效率越高，对于越是大型阵列，其效率越接近100％。其中位相光栅(或称位相板)的制作工艺为：在玻璃基底上涂上光刻胶，经匀胶、曝光、显影后，就可将模板上的图案转移到光刻胶上，利用湿化学腐蚀工艺和高密度等离子体刻蚀工艺，在玻璃基底上刻出所需的位相光栅。当然，其中掩模版可用绘图机绘制再精缩而成，也可选择用光学或电子束直接曝光生成图形。

本发明的分波分束器充分体现光学信息处理并行、快速的优点，在实现大规模光功率分配的同时，有兼备粗分波功能。本发明具有低成本等优点，在不远的将来必将充分体现它新的实用价值。

附图说明：

图1为本发明分波分束的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示的结构，对于最常用的粗波分信道输入的两束光波长为λ₁＝1300nm，λ₂＝1550nm，光栅3采用位相光栅。由上述获得一组结构参数为d＝20μm，z＝8mm。由于本发明的器件是基于泰伯自成像效应，可形成超大规模的高效率等强度分束阵列。对每个波长信道均可形成含有极大数量阵元的阵列，例如100×100＝10000束。本发明的器件的特点就是用非常简单的结构，可同时对不同波长粗波分解复用，并实现大规模的高效率、等强度分束阵列，这对光纤到户等实际应用具有重要的使用价值。

Claims (1)

1.一种泰伯效应的分波分束器，包括输入光纤(1)，由扩束透镜(201)和准直透镜(202)构成的准直器(2)，光栅(3)，光束从输入光纤(1)出射后，首先经过准直器(2)准直后，出射的平行光束入射到光栅(3)上，其特征在于所说的光栅(3)是振幅光栅，或是位相光栅，在光栅(3)的光束输出方向且距光栅(3)N倍泰伯距离Z处，置有入射端带有聚光器(401)的输出光纤阵列(4)，

此处Z＝2Nd²/λ，

其中2d²/λ为泰伯距离

d为光栅(3)的周期，

λ为入射光的波长，

N为大于或等于1的正整数。

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