專利名稱：具有鋸齒槽形的反射式變周期光柵的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學元件，具體為一種反射式變周期光柵，用于集成光學射頻聲光頻譜分析儀和光纖通信波分復用器等。
變周期光柵是指光柵周期按一定規律調制的光柵。目前已有的固定周期的閃耀光柵從理論到工藝都較為成熟，例如在us4330175專利中公開了一種“閃耀衍射光柵結構及其制造方法”。它提出了在硅單晶上利用蝕刻方法制作平面及凹面的閃耀光柵。這類光柵雖然衍射效率高，理論值可達100%，但它僅有單一功能，即色散功能(分光功能)。而現有的變周期光柵，特別是反射式變周期光柵，其剖面大都為矩形槽，例如《IEEE量子電子學雜志》1982年18卷第7期第1057～1059頁中報道的在集成光學頻譜分析儀中所使用的反射式變周期光柵以及美國《應用光學》(Applled Optlcs)1982年21卷第12期第2195～2198頁中報道的在集成光學合波和分波器中使用的反射式變周期光柵。這類光柵的衍射效率較低，其最大理論值為40.5%，因此而限制了應用。另外，上述的變周期光柵只有在所設計的波長(稱中心波長)下才能工作，而在非中心波長，其原有特性會產生偏差。
本發明的目的在于為避免上述已有技術中的不足而設計的一種具有鋸齒槽形的反射式變周期光柵。將這種光柵作在波導端面或襯底材料上，通過反射(衍射)來實現對入射光的某種調制，以改變入射光的波陣面。例如使平面波變成球面波，使發散的球(柱)面波變成會聚的球(柱)面波，或反之，從而實現準直、聚焦、改變傳播方向等功能。
本發明的目的可以通過以下措施來達到反射式變周期光柵，其剖面為鋸齒槽形，閃耀角為連續變化，槽距的變化規律定義為光柵調制函數，光柵結構參數應滿足關系式∧i＝ (mλ)/(SinIi+Sinθi) m＝±1，±2……(1)∧i為光柵中第i-l個槽與第i個槽的中心距離，第i個光柵槽處的入射角Ii和衍射角θi應滿足公式SinIi=±XIli=±(XI-xi)(XI-xi)2+YI2(2)]]>Sinθi=±XO-xiri=(XO-xi)(XO-xi)2+YO2(3)]]>鋸齒槽的每個槽具有不同的閃耀角γi，γi與入射角Ii和衍射角θi之間應滿足關系式γi＝(1/2)(Ii+θi)(4)本發明的目的還可以通過以下其它措施來達到具有鋸齒槽形的反射式變周期光柵，對于非中心波長λi的“像點”位置的座標F應為
圖1是剖面為矩形槽的變周期光柵。
圖2是剖面為鋸齒槽形的變周期光柵。
圖3是閃耀角與入射角、衍射角之間的關系。
圖4是采用本發明的分波器實施例。
下面結合附圖對本發明作詳細描述光柵調制函數是與波長λ相關的，即只有對一個確定的波長λ，源點Q與像點P之間才能滿足相位關系。而對于任意波長，P點并非象點，但可以找到一個能量相對集中的光斑位置作為這一波長下的“像點”。一般任意波長下“像點”的位置是無解析解的，而本發明提出一種優化解法，即在波長λi下找到一點Pi，使Pi到光柵每個槽的衍射光線的距離最小。
參照圖1，若由Q點發出的波長為λ的入射光經變周期光柵衍射后會聚到P點，光柵結構參數應滿足關系式(1)。第i個光柵槽處的入射角Ii和衍射角θi應分別滿足關系式(2)、(3)，式中xi是光柵第i個槽的中心坐標，li和ri分別是Q點和P點到x的距離，根據光柵調制函數(1)式可知，當源點Q和像點P都在無窮遠時，li＝lo→∞，ri＝ro→∞，這時入射光和衍射光都為平行光，即Ii＝Io，θi＝θo，此時(1)式蛻化為常規光柵的光柵方程(SinIo+Sinθo)∧o＝mλ(8)式中∧o為光柵周期。
參照圖2，當光柵具有鋸齒槽形，而每個槽具有不同的閃耀角(槽角)γi，則使每個槽的衍射中央主極大重合在第m級(大多數情況取m＝1)干涉象上，因此大大提高了變周期光柵的衍射效率，設計鋸齒槽形變周期光柵閃耀角是由利特羅條件及圖3的幾何關系而得到的，各槽閃耀角γi與入射角Ii和衍射角θi之間的關系為(4)式。由于實際加工的限制，各槽形的閃耀角不可能做到連續變化，但由于γi的變化是很緩慢的，因此可采用分段變化方法，根據加工條年和精度要求，可將光柵總槽數分成若干組，每組內所有的槽具有相同的閃耀角，并等于該組中點處的閃耀角之值。
非中心波長“像點”位置的設計參照圖1，波長為λ的入射光線在第i個光柵槽上衍射光的衍射角為θi，把衍射光看作幾何射線，其斜率為ki＝ctgθi，由(1)式，對閃耀變周期光柵m＝l，則有ki＝ctg(Sin-1[(λ/∧i)-SinIi])，因該射線過光柵平面上的點(xi，0)，可寫出衍射光線的方程y＝ki(x-xi)。在理想情況下，對中心波長λ，衍射光線應交于像點P(XO，YO);對非中心波長λj，則可找到一點Fj(Xj，Yj)，使其與各衍射光線距離最短，這時各衍射光波在此點的干涉情況必然最佳。設Fj(Xj，Yj)到第1條衍射光線的距離LiLi=Y-kiX+kixi1+K12........(9)]]>令F點到各衍射光線的距離的平方和為S2S2=Σi=-NM(Y-kiX+kiXi)21+k12.......(10)]]>式中M，N代表光柵槽序數，光柵總槽數為M+N+l。取S2的最小值，則有(ds2/dx)＝0 (ds2/dy)＝0 (12)由(10)(11)(12)式可得YΣ-NMkiKi-XΣ-NMk12Ki+Σ-NMk12xiKi=O]]>Y=Σ-NMKi-XΣ-NMkiKi+Σ-NMkixiKi=O]]>式中ki＝1/(1+k2i)
由方程組的解得到F點的座標為(5)(6)(7)式。
在設計時，當給定工作波長及源點和像點的坐標之后，即可根據上述各式編制計算機程序，算出所需變周期光柵各槽的寬度，以及非中心波長“像點”位置。
參照圖4，變周期光柵位于波導的端面，并以一根光纖為輸入，十根光纖為輸出。光纖芯徑為50微米，工作波長為0.85-1.3微米中的十個波長，波長間隔為0.05微米，中心波長為1.05微米。輸入光纖端面作為源點，其坐標是XI＝10毫米，YI＝17.32毫米。輸出光纖端面為“像點”，中心波長的像點坐標為XO＝0，YO＝20毫米。設計出的變周期光柵的糟寬為1.40～3.66微米，中點處槽寬∧o＝2.0微米，其它各波長的“像點”如下表(微米)
光柵總長5毫米，閃耀角分十段變化，由(6)式可得γi在8度～19度之間。
由于本發明采用了連續(分段)變化閃耀角的槽結構，大大提高了衍射效率。經理論計算，理想情況下效率可達95%以上。采用本發明設計的非中心波長“像點”位置，則有可能把準直(會聚)與分光兩種功能集于變周期光柵一體，使光路緊湊、可靠。經進一步的改進和發展制作工藝，將在各種光譜儀器中得到廣泛應用。
1-波導，2-光柵(chirped)，3-輸入光纖，4-輸出光纖。
權利要求
1.具有鋸齒槽形的反射式變周期光柵，其剖面為鋸齒槽形，其特征在于閃耀角為連續變化，槽距的變化規律定義為光柵調制函數，光柵結構參數應滿足關系式∧i= (mλ)/(SinIi+Sinθi) m=±1，±2……(1)∧i為光柵中第l-1個槽與第1個槽的中心距離，第1個光柵槽處的入射角I1和衍射角θi應滿足公式SinIi=±XI-xili=±(XI-xi)(XI-xi)2+YI2.....(2)]]>sinθi=±XO-xiri=±(XO-xi)(XO-xi)2+YO2.....(3)]]>鋸齒槽的每個槽具有不同的閃耀角γ1，γ1與入射角I1的衍射角θi之間應滿足關系式γi=(1/2)(Ii+θi)
2.如權利要求1所述的具有鋸齒槽形的反射式變周期光柵，其特征在于對于非中心波長λi的“像點”位置的座標F應為
式中
全文摘要
本發明為一種具有鋸齒槽形的反射式變周期光柵，用于集成光學射頻聲光頻譜分析儀和光纖通信波分復用器等。其剖面為鋸齒槽形，閃耀角為連續變化，光柵結構參數應滿足關系式∧
文檔編號G02B5/18GK1048928SQ90103458
公開日1991年1月30日 申請日期1990年7月12日 優先權日1990年7月12日
發明者孫雨南, 秦秉坤, 丁漢章 申請人:北京理工大學