CN100345013C - 含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置及光处理方法 - Google Patents
含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置及光处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的一般(或广泛、广义)特征是一个光学装置，该装置中有一个光波导，该光波导中有一个倾斜光栅使得至少部分光从导模耦合入一个或多个辐射光束。倾斜光栅辐射出的光被聚焦成中间像平面上预定位置的中间像，中间像的位置取决于光波长以及光所耦合出的导模的有效折射率。本发明可以在中间像平面上放置一个空间光调制器用以控制光束的相位和(或)幅度。更为显著的是，本发明还包含了一个末级聚焦器件用以将从空间光调制器透过的光聚焦成局部区域内的末级像，从而使得光强提高，也就提高了探测的灵敏度，该末级聚焦器件可以是一个透镜。该发明还包含了一个光接收器，该光接收器可以是光纤或光探测器或用以探测末级像的光探测器阵列。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入于光波导内的倾斜Bragg(布拉格)光栅以及光信号的探测与处理。
背景技术
在光纤通信和传感器系统中，嵌入于光波导内的倾斜光纤Bragg光栅是一种将波导内的传导光耦合出光波导的有效方法。倾斜Bragg有许多潜在的应用，例如：波长监测器、光谱分析仪(OSA)或用于测量多模波导的模式功率分布。
光谱分析仪是化学、物理和生物领域通用的重要的实验仪器。提高光谱分析仪的灵敏度和分辨率能够提高分析材料的结构和浓度的能力、扩大光通信系统的容量和可靠性以及提供传感微弱信号的能力。
直至目前，多模光纤的模式功率分布的测量还非常困难。尽管多模光纤的模式功率分布可以通过近场或远场测量的方法获得，但这种方法依赖于折射率剖面的事先获得、光纤端面质量和光学系统的对准，使得这种方法很难应用。模式功率分布的测量不但可以应用于光纤传感器，在不久将来的“最后一公里”光通信系统中也将有重要的应用，例如：控制和确保半导体激光器与多模光纤的对准。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置及光的处理方法，用作为光谱仪时，可以提高波长测量的分辨率和光功率测量的灵敏度；用作为多模和少模光波导的模式分别探测时，可以提高模式功率探测的灵敏度。
技术方案：
术语定义：
“导模”在这里定义为波导内的传播模。普通单模光纤内的导模是LP01模。
“包层模”在这里定义为波导的某些模式，其有效折射率小于波导包层的折射率。这些模式是束缚的，表示这些模式的功率局限在波导的周围并且在与波导传播方向垂直的方向上无泄漏功率。
“辐射模”或“辐射光线”在这里定义为光纤的某些模式，其不完全局限于波导结构。辐射模扩散出波导结构，因此在波导长度方向的某个位置，该模式在波导内的功率可以任意的小。
“非导模”这里指不是导模的模式，例如包层模或辐射模。
折射率光栅是“倾斜”的指波导内折射率的扰动平面不于导模的传播方向垂直。
折射率光栅是“啁啾”的指折射率扰动的重复距离Λ不是常数而是光波导纵轴方向坐标z的函数。
发明综述：
含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的光学装置包括：用于传导光的光波导，分光和聚焦器件，末级聚焦器件、光接收器；其中分光和聚焦器件包括倾斜折射率光栅和初级聚焦器件；倾斜折射率光栅位于光波导内部，初级聚焦器件、末级聚焦器件、光接收器沿光路顺序设置并位于光波导的外侧；分光和聚焦器件用于将至少部分光从光波导的一个部位耦合成辐射光束，并将光在至少一个维度上聚焦在中间像平面上的一个局部区域；末级聚焦器件用于将透过中间像平面的光束在末级像平面上的一个局部区域聚焦成一个末级像。
在中间像平面上可以设有空间光调制器，用以改变被聚焦在中间像平面特定位置的光束的幅度和/或相位。所述的空间光调制器是一个可调幅度和/或相位滤波器，或是一个可调狭缝，或是一个遮光片。分光和聚焦器件中的倾斜折射率光栅可以为一个啁啾且倾斜的位于波导内部的折射率光栅，用于将至少部分波长为λi的光从导模mk耦合成辐射模，其中前述的折射率光栅的啁啾可通过选择使得从导模mk耦合出的波长为λi的光在至少一个维度上充分聚焦成中间像平面上对应的中间像，该中间像位于中间像平面上的第一个位置。分光和聚焦器件中的倾斜折射率光栅可以是一个波导内的超结构倾斜折射率光栅，该超结构光栅包含一个以上不同的傅立叶光栅周期分量，并且能够将所谓的波长为λl的光从所谓的导模耦合成多条辐射光束，且这些辐射光束与波导纵轴的夹角有多于一个的不同值。
所述的辐射光束是指从导模mk耦合出的波长为λi的光，且该辐射光束被至少在一个维度上被聚焦在中间像平面上的第一个位置。所述光波导是一根光纤。所述光纤为一根多模光纤或单模光纤。所述的光波导适合在至少一个导模mk中传导波长为λj的光，波长λj与λi不同，所谓的分光和聚焦器件将所谓的波长为λj的光从导模mk耦合成辐射光束并至少在一个维度上聚焦成相应的中间像，该中间像位于中间像平面上与第一个位置不同的位置。所述的光波导适合在至少另一个导模ml中传导波长为λi的光，模式ml与模式mk不同，所谓的分光和聚焦器件将所谓的波长为λi的光从导模ml耦合成辐射光束并至少在一个维度上聚焦成相应的中间像，该中间像位于中间像平面上与第一个位置不同的位置。
所述的分光和聚焦器件还包括光耦合装置，该耦合装置与光波导共同作用使得包含倾斜折射率光栅的一部分光波导的包层模被充分去除。所述的初级聚焦器件是一个透镜。所述的初级聚焦器件包含许多分立的且具有合适形状和位置的透镜组件，透镜组件的焦距可不相同。所述的末级聚焦器件是一个透镜。所述的末级聚焦器件包含许多分立的且具有合适形状和位置的透镜组件，透镜组件的焦距可不相同。所述的光接收器包含一个光纤或一个光探测器或一个光探测器阵列或一个光纤阵列。
含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的光学装置的光信号特性的处理方法，所述的光信号特性包括光波长或特定波长光的功率或一个波长范围内光的功率或某个导模的功率或多于一个的导模的功率或这些特性的任意组合，该处理方法包括：
1).从光波导的一个部位将至少部分波导内的传导光耦合成辐射光束；
2).将所述的光束在至少一个维度上聚焦于中间像平面的一个局部区域；
3).将来自中间像平面的光束在末级像平面上聚焦成一个像；
4).探测已聚焦在末级像平面上的像。
在中间像平面上用空间光调制器对光束的幅度和/或相位进行改变。
本发明的第一个一般特征是，提供了一种光学装置，该光学装置包括：一个光波导用以传导光；一个分光装置和聚焦器件用以将部分传导光耦合成辐射光束并至少在一个维度上聚焦于中间像平面上；一个末级聚焦器件将来自中间像平面的光束聚焦于末级像平面上。
在第一个特征的一个实例中，分光装置和聚焦器件包括：一个波导内的倾斜折射率光栅用以将至少部分波长为λi的光从导模mk耦合成辐射光束；一个初级聚焦器件将从导模mk耦合出的波长为λi的辐射光在至少一个维度上聚焦成中间像平面上的相应的中间像，且该中间像位于中间像平面上的第一个位置。
在第一个特征的另一个实例中，分光装置和聚焦器件包括：一个波导内的啁啾的倾斜折射率光栅，用以将至少部分波长为λi的光从导模mk耦合成辐射模，其中所述的折射率光栅具有可选定的啁啾使得从导模mk耦合出的波长为λi的辐射光线在至少一个维度上聚焦成中间像平面上的相应的中间像，且该中间像位于中间像平面上的第一个位置。
在第一个特征的另一个实例中还另外包括一个空间光调制器用以改变光束的幅度和/或相位，该光束被聚焦在中间像平面的特定位置。
在第一个特征的另一个实例中还另外包括一个光接收器用以探测被聚焦到末级像平面的光。
在第一个特征的另一个实例中，波导内的倾斜折射率光栅是一个超结构(Superstructure)倾斜折射率光栅，该超结构倾斜折射率光栅具有多于一个的不同的傅立叶分量，能够将波长为λi的光从一个导模耦合到多于一个的辐射光束，且这些辐射光束与光纤纵轴的夹角有多于一个的不同值。
在第一个特征的另一个实例中，从导模mk耦合出的波长为λi的光至少在一个维度上被聚焦于中间像平面上的第一个位置。
在第一个特征的另一个实例中，光波导还能够传导波长为λj且不同于λi的至少一个导模mk，所述的分光装置和聚焦器件将至少部分波长为λj的光从导模mk耦合成辐射光束，该辐射光束在至少一个维度上聚焦成中间像平面上的相应的中间像，且该中间像位于中间像平面上的位置不同于第一个位置。
在第一个特征的另一个实例中，光波导还能够传导波长为λi的另一个导模ml，且导模ml不同于导模mk，所述的分光装置和聚焦器件将至少部分波长为λl的光从导模ml耦合成辐射光束，该辐射光束在至少一个维度上聚焦成中间像平面上的相应的中间像，且该中间像位于中间像平面上的位置不同于第一个位置。
在第一个特征的另一个实例中，光波导是一个光纤。
在第一个特征的另一个实例中，光波导是一个多模光纤。
在第一个特征的另一个实例中，光波导是一个单模光纤。
在第一个特征的另一个实例中，所述的分光装置和聚焦器件还包括耦合装置，该耦合装置与光波导共同作用使得包含倾斜折射率光栅的一段光波导的包层模消失。
在第一个特征的另一个实例中，所述的耦合装置包含一个对使用波长透明的部分。
在第一个特征的另一个实例中，所述的空间光调制器是一个可调幅度和/或相位滤波器。
在第一个特征的另一个实例中，所述的空间光调制器是一个可调狭缝。
在第一个特征的另一个实例中，所述的初级聚焦器件是一个透镜。
在第一个特征的另一个实例中，所述的透镜包含多个具有合适的形状和位置、分立的且焦距不同的部分。
在第一个特征的另一个实例中，所述的末级聚焦器件是一个透镜。
在第一个特征的另一个实例中，光接收器是一个包含一个光纤或一个光探测器或一个光探测器阵列或一个光纤阵列或一个光纤、一个光纤阵列、一个光探测器、一个光探测器阵列的任意组合。
本发明的第二个特征提供了一种探测光信号特性的方法，该方法包括：将至少部分传导光从波导的一个部位耦合成辐射光束；将该辐射光束在至少一个维度上聚焦在中间像平面上的一个位置；将来自中间像平面的光束聚焦成末级像平面上的一个像。
在第二个特征的一个实例中，该方法还包括用空间滤波器在中间像平面上对光束进行滤波。
在第二个特征的另一个实例中，光信号特性包括光波长或特定波长光的功率或一个波长范围内光的功率或某个导模的功率或多于一个的导模的功率或这些特性的任意组合。
本发明的第三个特征提供了一种测定光信号特性的系统，该系统包括：具有本发明第一个特征的装置用以探测波导内光信号的特性；处理方式用以根据末级像测定光信号特性。
通过下面的对本发明实施例的描述和附图，具有本行业的一般知识的人能够明白本发明的其它特征和特性。
有益效果：
由于本发明将经过中间像的辐射光束聚焦在末级像平面的一个末级像上，因此末级像的单位面积上的光强比对应的中间像要强，用光敏面一定的光接收器探测末级像比探测中间像有更大的响应输出，因此整个装置的光探测的灵敏度提高了。而如果用于探测的光强较低，由于空间杂散背景光和光接收器内部噪声的影响，光探测的精度就下降了，测量误差增大。光探测灵敏度的提高，使得光纤导模内的光较弱的情况下，末级像单位面积内的光强仍足够用于被光接收器以足够的测量精度探测。通常，光谱仪是用来测量一个光谱范围内每个波长对应的光功率，随着波长分辨率的提高，需要测量的每个光波长对应的波长范围相应变小，因此光功率就下降。在用倾斜光纤光栅构成的光谱仪中，如果光探测的灵敏度提高，就可以在波长分辨率很高的情况下，仍有足够的光用于被光接收器以足够的测量精度探测，因此装置灵敏度的提高可以使得光谱仪具有更高的波长分辨率。此外，光探测的灵敏度也是光学装置的一个重要的性能参数，光探测灵敏度的提高，使得装置在光强较弱的情况下也能工作。
本发明的装置还可以利用从不同的导模或被不同的光栅傅立叶分量耦合出的光束在末级像的干涉提供很多新的应用或进一步提高性能。例如，用本发明的装置测量光纤内光的波长时，根据末级像干涉条纹的间距计算光波长值，可以得到更高的波长分辨率。也可以对干涉图像作傅立叶变换等处理，提高波长测量的分辨率。在中间像平面设置空间光调制器，用以改变聚焦在中间像平面上的光束的相位或者选择是部分光透过或者使部分光的强度发生变化，可以提高末级像干涉条纹的对比度，从而提高波长测量的分辨率。
本发明的装置用于测量光纤的各个导模内的光时，不同导模内的光被聚焦在中间像平面上的不同位置。在中间像平面上设置的空间光调制器可以选择从一个导模耦合出的光束透过，并被聚焦在末级像平面上的一个很小的区域，形成末级像。空间光调制器的使用使得透过中间像平面的从一个导模耦合出的光束与从其他导模耦合出的光束在空间完全分离，因此就可以对此光束进行独立的空间传输或测量。当从一个导模耦合出的光束被聚焦在末级像的一个很小的区域，其单位面积内的光强很大，便于光接收器的探测，使得即使光强很弱的导模内的光信号也可被探测。
本发明中使用的空间光调制器可以有许多不同的形式，可以提供许多不同的性能。例如，不同波长的辐射光束被聚焦在中间像平面上的不同位置，其位置与波长有关。如果用光探测器阵列在中间像平面上检测中间像的位置，受光探测器阵列中单个光探测器的外形尺寸的限制(目前的单个光探测器的尺寸均大于1个微米)，中间像位置的分辨精度不能小于单个光探测器的外形尺寸。如果使用空间光调制器，例如使用一个与中间像形状匹配的移动的狭缝作为空间光调制器，使狭缝在中间像平面上移动，从狭缝透过的光束被聚焦在末级像上，同时探测末级像的光强，这样就可以探测中间像的位置。这里用作为空间光调制器的狭缝实际上是一个空间光滤波器，可以用压电晶体驱动的微调架控制狭缝的位移，由于目前压电晶体驱动的微调架的位移精度已经达到1个纳米或更小，因此用本发明探测中间像位置的方法显著地由于直接在中间像平面上用光接收器探测的方法。因此本发明用于测量光波长时具有很高的波长分辨率。
附图说明
图1是本发明的一个实例对应的光学装置的示意图，包含一个倾斜光栅和初级聚焦器件。
图2是本发明的另外实例之一对应的光学装置的示意图，包含一个啁啾的倾斜光栅。
图3是本发明的另外实例之二对应的光学装置的示意图，包含一个倾斜光栅和多模光纤。
图4是本发明的另外实例之三对应的光学装置的示意图，包含一个倾斜光栅和单模光纤。
图5是本发明的另外实例之三对应的光学装置的示意图，包含一个单模光纤和一个超结构光栅。
以上的图中有：光波导11、芯13、包层15、光栅17、光耦合装置19、分光和聚焦器件20、初级聚焦器件21、空间光调制器23、中间像平面25、末级聚焦器件27、末级像平面28、光接收器29、辐射光线31、中间像33、末级像35、啁啾的倾斜光栅43、折射率匹配物质47、光耦合装置49、表面50、初级聚焦凸透镜51、末级聚焦凸透镜53、导模mk的辐射光束55、导模mk的辐射光束的中间像56、导模ml的辐射光束57、导模ml的辐射光束的中间像58、第一个傅立叶分量耦合出的辐射光束65、第一个傅立叶分量耦合出的辐射光束的中间像66、第二个傅立叶分量耦合出的辐射光束67、第二个傅立叶分量耦合出的辐射光束的中间像68、超结构倾斜光栅70、波长为λi的辐射光束81、波长为λj的辐射光束83、波长为λi的辐射光束的中间像82、波长为λj的辐射光束的中间像84。
具体实施方式
图1是本发明的一个实例对应的光学装置的例子的示意图。光波导11包括一个芯13和包层15。一个倾斜折射率光栅(以下简称“光栅”)17用常规的方法制作在光波导11中。例如，光波导11是一个常规的石英光纤，光栅17用相位掩膜板或光全息的方法写入光纤。倾斜光栅17可通过选择使其能够将设定光波长范围内(例如包含波长λi)的一个或多个导模耦合成辐射模。如果使用一个光耦合装置19则更为有利，它与光波导11共同作用，使得光波导11的包层15不具有束缚光的特性。从光波导11耦合出来的光成为辐射光线31。一个初级聚焦器件21将辐射光线31在至少一个维度上聚焦成中间像平面25上预定位置的中间像33。在中间像平面上一个空间光调制器23控制辐射光31的幅度和/或相位。中间像33在中间像平面25上的位置取决于辐射光31的波长以及被耦合至辐射光31的导模的有效折射率。倾斜光栅17、光耦合装置19和初级聚焦器件协同工作，构成了分光和聚焦器件20。
末级聚焦器件27将透过空间光调制器23的光在末级像平面28上的局部区域聚焦成一个末级像35，使得用于探测的光强显著提高，探测的灵敏度也有很大的提高。光接收器29用于接收经末级聚焦器件27聚焦的光。聚焦的光可以按一些方式进行利用，例如，在一些实例中，光被光探测器探测并用以测量光强。
在图1中，光波导11可以是能够导光的任何结构。例如，石英光纤、聚合物光纤或集成光波导。在一些实例中，光波导11是多模波导。波长为λi的光从导模mk耦合出光纤，同样波长的光从导模ml耦合出光纤，且导模ml的有效折射率不同于导模mk，从有效折射率不同的导模耦合出的光被聚焦成的中间像在中间像平面25上处于不同的位置，从有效折射率不同的导模耦合出的光在末级像上干涉。
在一些实例中，光波导11是单模波导。倾斜光栅可以具有至少两个不同的傅立叶周期分量。波长为λi的光从波导11耦合出来，被聚焦在中间像平面25上的不同位置，中间像的位置对应于倾斜光栅的傅立叶分量。对应于倾斜光栅的不同傅立叶周期分量的辐射光线在末级像35上干涉。
在一些实例中，可以通过选择倾斜光栅使其在没有光耦合装置19的情况下将导模耦合成辐射模，光耦合装置19可以省略。例如，光波导11中的倾斜光栅17的倾斜角足够大，使得其在没有耦合装置19的情况下将导模耦合成辐射模。
在使用光耦合装置19的实例中，光耦合装置19对于使用波长是充分透明的。
在一些实例中，中间像平面25位于初级聚焦器件21的焦平面上。
在一些实例中，初级聚焦器件21是一个具有合适形状和焦距的透镜。在一些实例中，初级聚焦器件21由一些分立的具有合适形状并置于合适位置的透镜组成，这些透镜可以具有不同的焦距。在一些实例中，初级聚焦器件包含一个圆柱状透镜。
在一些实例中，末级聚焦器件27是一个具有合适形状和焦距的透镜。在一些实例中，末级聚焦器件27由一些分立的具有合适形状并置于合适位置的透镜组成，这些透镜可以具有不同的焦距。在一些实例中，末级聚焦器件包含一个圆柱状透镜。
在一些实例中，空间光调制器23是一个静态的调制器。在一些实例中，空间光调制器23是一个实时调制器。在一些实例中，空间光调制器23是一个狭缝或一个具有合适形状的开孔。在一些实例中，空间光调制器23是一个光楔。在一些实例中，空间光调制器23是一个光色散器件。在一些实例中，空间光调制器23是一个电光相位调制器。在一些实例中，空间光调制器23可以省略。
在一些实例中，光接收器29是一个光探测器。在一些实例中，光接收器29是一个光探测器阵列。在一些实例中，光接收器29是一根光纤。在一些实例中，光接收器29用光纤将光传导至光探测器。在一些实例中，光纤用于复用/解复用接收到的光信号。
再看图1，首先，末级聚焦器件27将透过空间光调制器23的光聚焦成末级像平面28上一个小区域内的末级像35，使得被探测的光强提高，从而得到高的灵敏度。另外，从光波导11被耦合出的光被初级聚焦器件21聚焦成中间像平面上的一个或多个条纹。位于中间像平面25上的空间光调制器23与光接收器29协同工作，能够精确判断中间像的位置，从而能够以高的分辨率获知光束的波长。总之，图一的装置既具有很高的灵敏度，又具有很高的波长分辨率。
有许多空间光调制器可以用来控制的光束的幅度和/或相位，从而能够实现许多有利的功能。举其一例，空间光调制器23是一个形状与中间像的形状匹配的狭缝。将狭缝在中间像平面25上移动，同时光接收器29协同工作，可以精确测量光条纹的位置，从而能够获得很高的条纹分辨率。举其另一例，波长为λ的光从2个有效折射率不同的导模耦合出，在末级像平面上干涉。干涉条纹被光接收器29探测并用于进一步提高波长分辨率。
在一些实例中，遮光型斩波器可以被置于波导11外光束路径上的任何位置，用以调制光的强度，从而进一步提高光探测的灵敏度。
另一些实例在图2到图5的一系列图中描述。
参照图2，所示的装置与图1所示的装置有2个不同。一个不同之处是，图2中没有初级聚焦器件21。另外的不同之处是，图1中的折射率光栅17，
在图2中是一个啁啾的倾斜光栅43。一个导模中的光被啁啾的倾斜光栅43耦合出光纤，并在至少一个维度上聚焦于光耦合装置的外面。图1的装置的所有应用和功能都能由图2的装置实现。啁啾的倾斜光栅43和光耦合装置19协同工作，构成分光装置和耦合器件20。
图3是一个与图1的装置类似的实例的例子。光波导是一个传统的多模光纤8，具有纤芯10和包层9。光纤8中有倾斜光栅17。折射率匹配物质47和光耦合装置49使包层不再是束缚光的结构，使那些被倾斜光栅17耦合出的光不再耦合入包层模，而是向离开光纤8的方向传播。折射率匹配物质47的折射率可以选择为相等或接近于包层19的折射率。初级聚焦凸透镜51是一个实现图1中初级聚焦器件21的功能的器件的例子。在一些实例中，初级聚焦凸透镜51具有一个焦距，中间像平面25与透镜的焦平面一致。在一些实例中，空间光调制器23被置于初级聚焦凸透镜51的焦平面上。末级聚焦凸透镜53是一个实现图1中末级聚焦器件27的功能的器件的例子，它将透过空间光调制器23的光聚焦成末级像35。光接收器29用于探测末级像35。
导模mk的辐射光束55表示从导模mk耦合出的波长为λi的光束。导模ml的辐射光束57表示从导模ml耦合出的波长为λi的光束。导模mk和ml的有效折射率不同。导模mk的辐射光束55被聚焦成中间像平面25上的导模mk的辐射光束的中间像56。导模ml的辐射光束57被聚焦成中间像平面25上的导模ml的辐射光束的中间像58，导模ml的辐射光束的中间像58与导模mk的辐射光束的中间像56在中间像平面25上的位置不同。
在一些实例中，折射率匹配物质47是Cargill油。然而，Cargill油并非唯一合适的折射率匹配物质47。在一些实例中，可以使用其他的折射率匹配物质。例如，折射率匹配树脂也可以用于将光耦合装置49与光纤8粘结。
在一些实例中，光耦合装置49是一块折射率等于或接近折射率匹配物质47且对使用波长透明的材料。例如，在一些实例中，光耦合装置49是一个玻璃棱镜，光束可以从这块材料(此处指棱镜)的表面50出射。
图3的装置有许多不同的配置方案，使用一些特定的空间光调制器23和光接收器29。例如，在一个测量多模光纤模式功率分布的装置中，光纤8是一个具有n个导模的多模光纤，这n个导模的有效折射率互不相同。从这n个导模耦合出的光束被聚焦成中间像平面25上的相应的中间像56/58，这n个中间像的位置互不相同。
在一些实例中，空间光调制器23是一个形状与中间像匹配的狭缝。将狭缝在中间像平面25上移动，可以使得从任何一个导模耦合出的光束被选择通过狭缝。因此，可以使得从任何一个导模耦合出的光束可以被分离出来并被光接收器29分别探测。空间光调制器不仅限于狭缝这一种。例如在另外的一些实例中，空间光调制器23是一个不透明的遮光片，其部分边沿的形状与中间像56、58的形状匹配。
另一个例子是一个光谱仪，光束从至少2个导模耦合出并被聚焦成相应的中间像56、58。从中间像56、58透过的光束被聚焦成末级像并相互干涉。干涉条纹和光功率可以被光接收装置29接收。在一些实例中，空间光调制器23是一个控制光束相位的光楔(劈尖)。在一些实例中，空间光调制器23可以省略。
图4是图1所提供的发明的另一个实例，其中光波导是一个单模光纤34。单模光纤34包括一个波导芯37和包层32。光纤34中制作了一个倾斜光栅。折射率匹配物质47和光耦合装置49与倾斜光栅共同作用，将光从一个导模耦合成一个或多个辐射光束。图1中的初级聚焦器件用一个初级聚焦初级聚焦凸透镜51初级聚焦初级聚焦凸透镜51来实现，初级聚焦凸透镜51初级聚焦初级聚焦凸透镜51将光束在中间像平面25上聚焦成中间像。在一些实例中，空间光调制器被置于中间像平面25上。图1中末级聚焦器件27用第二个末级聚焦凸透镜53来实现，末级聚焦凸透镜53用于将透过空间光调制器23的光束聚焦成末级像35。光接收器用于接收末级像。
波长为λi的辐射光束81表示从光纤34耦合出的波长为λi的光束，波长为λj的辐射光束83表示从光纤34耦合出的波长为λj的光束，且波长λi与波长λj不同。中间像在中间像平面上的位置由波长决定。波长为λi的辐射光束81被聚焦成中间像平面25上波长为λi的辐射光束的中间像82。波长为λj的辐射光束83被聚焦成中间像平面25上波长为λj的辐射光束的中间像84。在中间像平面上，波长为λi的辐射光束的中间像82的位置与波长为λj的辐射光束的中间像84不同。
图4的装置有许多不同的配置方案，使用一些特定的空间光调制器23和光接收器29。例如，作为一个光谱仪，一个预定波长范围内的光在光纤34中传播。从光纤34耦合出的不同波长的光束被聚焦成中间像平面上不同位置的相应的中间像。在一些实例中，空间光调制器23是一个形状与中间像匹配的狭缝。通过将狭缝在中间像平面25上扫描，不同波长的光束可以被选择滤波、透过空间光调制器23。从而，使得特定波长光束的光功率可以被光接收器29分别接收。空间光调制器23不仅限于可扫描的狭缝。例如，在一些实例中，空间光调制器23是一个不透明遮光片，其部分边缘的形状与中间像匹配。
其另一例，作为一个光谱仪，波长为λ的光在光纤34中传导。空间光调制器具有合适的形状使得透过空间光调制器23的光束的光功率取决与波长λ。透过空间光调制器23的光束被末级聚焦器件53聚焦并被光接收器29接收。光接收器29的输出可以用来判断波长λ的值。
图5是图1所提供的发明装置的另一个实例，其中包括一个单模光纤34和一个超结构倾斜光栅70。单模光纤34包括一个波导芯37和包层32。光纤34中制作了一个超结构倾斜光栅70，该超结构倾斜光栅70具有至少2个分立的傅立叶周期分量。图5中其余的物质器件与图4类似，他们的工作方式也一致。光栅70将光耦合出光纤34，中间像平面上中间像的位置取决于光波长和将这部分光耦合出光纤的对应的光栅傅立叶分量。
第一个傅立叶分量耦合出的辐射光束65表示超结构光栅70的第一个傅立叶分量耦合出的波长为λ的光束。第二个傅立叶分量耦合出的辐射光束67表示超结构光栅70的第二个傅立叶分量耦合出的波长为λ的光束。从空间光调制器23透过的光束被聚焦成末级像35并相互干涉。干涉条纹和光功率被光探测器29接收。在一些实例中，空间光调制器23是一个控制光束相位的光楔(劈尖)。在一些实例中，空间光调制器23可以省略。
在一些实例中，图1到图5的装置可以和信号和结果处理装置联合工作，该信号和结果处理装置能够利用和显示光学装置的探测和测量结果。所需的信号和结果处理能力可以由一些硬件和(或)软件方式提供。处理能力可由一个处理单元执行。处理单元的一些例子如下，一个专用集成电路(ASIC：application specific integrated circuit)或一个含有硬件数字逻辑的微处理器或能够利用计算机可存取的内存内的算法代码进行数学计算的数字信号处理芯片。这些例子并不是用来限制本发明，而是提供了一些实例中用以判别期望结果的处理单元的一些例子。
如图1中的标号，在图3、图4、图5的一些实例中光接收器29是一个光探测器。在一些实例中，光探测器29是一个光探测器阵列用以进一步提高波长分辨率。
根据上述的说明，本发明可以由很多的变型和变化。因此，在权利要求的范围内，本发明的实行可与这里描述的由所不同。
Claims (18)
1.一种含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于该装置包括：用于传导光的光波导(11)，分光和聚焦器件(20)，末级聚焦器件(27)、光接收器(29)；其中分光和聚焦器件(20)包括倾斜折射率光栅(17)、和初级聚焦器件(21)；倾斜折射率光栅(17)位于光波导(11)内部，初级聚焦器件(21)、末级聚焦器件(27)、光接收器(29)沿光路顺序设置并位于光波导(11)的外侧；分光和聚焦器件(20)用于将至少部分光从光波导(11)的一个部位耦合成辐射光束(31)，并将光在至少一个维度上聚焦在中间像平面(25)上的一个局部区域；末级聚焦器件(27)用于将透过中间像平面(25)的光束在末级像平面(28)上的一个局部区域聚焦成一个末级像。
2.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于在中间像平面(25)上设有空间光调制器(23)，用以改变被聚焦在中间像平面特定位置的光束的幅度和/或相位。
3.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于所述的空间光调制器(23)是一个可调幅度和/或相位滤波器，或是一个可调狭缝，或是一个遮光片。
4.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，分光和聚焦器件(20)中的倾斜折射率光栅(17)为一个啁啾且倾斜的位于波导内部的折射率光栅，用于将至少部分波长为λi的光从导模mk耦合成辐射模，其中前述的折射率光栅的啁啾可通过选择使得从导模mk耦合出的波长为λi的光在至少一个维度上充分聚焦成中间像平面上对应的中间像，该中间像位于中间像平面上的第一个位置。
5.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，分光和聚焦器件(20)中的倾斜折射率光栅(17)是一个波导内的超结构倾斜折射率光栅，该超结构光栅包含一个以上不同的傅立叶周期分量，并且能够将所谓的波长为λi的光从所谓的导模耦合成多条辐射光束，且这些辐射光束与波导纵轴的夹角有多于一个的不同值。
6.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，所述的辐射光束(31)是指从导模mk耦合出的波长为λi的光，且该辐射光束(31)被至少在一个维度上被聚焦在中间像平面上的第一个位置。
7.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，所述光波导(11)是一根光纤。
8.根据权利要求7所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，所述光纤为一根多模光纤或单模光纤。
9.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，所述的光波导(11)适合在至少一个导模mk中传导另一个波长为λj的光，波长λj与λi不同，所谓的分光和聚焦器件(20)将所谓的波长为λj的光从导模mk耦合成辐射光束(31)并至少在一个维度上聚焦成相应的中间像，该中间像位于中间像平面上与第一个位置不同的位置。
10.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，所述的光波导(11)适合在至少另一个导模ml中传导波长为λi的光，模式ml与模式mk不同，所谓的分光和聚焦器件(20)将所谓的波长为λi的光从导模ml耦合成辐射光束(31)并至少在一个维度上聚焦成相应的中间像，该中间像位于中间像平面上与第一个位置不同的位置。
11.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于，所述的分光和聚焦器件(20)还包括光耦合装置(19)，该耦合方式与光波导共同作用使得包含倾斜折射率光栅的一部分光波导的包层模被充分去除。
12.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于所述的初级聚焦器件(21)是一个透镜。
13.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于所述的初级聚焦器件(21)包含多个分立的且具有合适形状和位置的透镜组件，透镜组件的焦距不相同。
14.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于所述的末级聚焦器件(27)是一个透镜。
15.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于所述的末级聚焦器件(27)包含多个分立的且具有合适形状和位置的透镜组件，透镜组件的焦距不相同。
16.根据权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置，其特征在于所述的光接收器(29)包含一个光纤或一个光探测器或一个光探测器阵列或一个光纤阵列。
17.一种如权利要求1所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的装置的光的处理方法，其特征在于所述的光信号特性包括特定波长光的功率或一个波长范围内光的功率或某个导模的功率或多于一个的导模的功率或这些特性的任意组合，该处理方法包括：
1).从光波导(11)的一个部位将至少部分波导内的传导光耦合成辐射光束；
2).将所述的光束在至少一个维度上聚焦于中间像平面(25)的一个局部区域；
3).将来自中间像平面的光束在末级像平面(28)上聚焦成一个像；
4).探测已聚焦在末级像平面(28)上的像。
18.根据权利要求17所述的含有光波导内嵌入式倾斜布拉格光栅的光学装置的光的处理方法，其特征在于在中间像平面(25)上用空间光调制器(23)对光束的幅度和/或相位进行改变。
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