CN100412611C - 多波长分光装置 - Google Patents

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Abstract

多波长分光装置。在使用多个衍射光栅的多波长分光装置中，第一衍射光栅是p偏振光和s偏振光的衍射效率在工作波长范围的短波长侧相等的衍射光栅，第二衍射光栅是p偏振光和s偏振光的衍射效率在工作波长范围的长波长侧相等的衍射光栅。通过使用两个这种衍射光栅进行色散，可以增大角色散量，并且可以制造下述的分光装置，该分光装置消除了衍射效率的波长依赖性，并具有很小的衍射效率的波长依赖性。

Description

多波长分光装置
技术领域
本发明涉及分光装置，其具有同时处理多个波长的特征，更具体地，本发明涉及一种分光单元的结构，该结构实现了光学系统的小型化，并在工作波长范围内实现了低偏振依赖性和低插入损耗。
背景技术
过去，分光装置主要在测量仪器和观察设备中用来检测单色光谱等。然而，近年来，由于在一定波长范围内的多路复用使得通信容量扩大，以及期待利用波长的差别来获得系统工作的灵活性，所以寻求一种基于同时利用多个波长的分光装置。
为了在光通信系统中应用包括分光装置的设备，如过去在测量仪器中所要求的，除了低偏振依赖性以外，实现低插入损耗、小型化和低成本也是至关重要的。
在同时使用多个波长的设备中，当分光单元(装置)由衍射光栅组成时，功能元件(例如光电二极管和偏转开关)在发散方向上以所希望的波长间隔被设置为阵列。功能元件之间的间距必须使得它们根据衍射光栅的角色散量(每单位波长的色散角大小)而分离，因此光(已获得了该光的光谱)的波长间隔分散到功能元件的阵列间距上。该距离是确定仪器尺寸的重要因素之一，衍射光栅的大角色散量是实现小型化的关键。
另一方面，在分光单元中，提高衍射光栅的衍射效率(波长与在波长分散方向上的功率集中的比率)是降低设备的插入损耗的关键。
然而，p偏振光的衍射效率的波长特性与s偏振光的不同，从而产生了偏振依赖性损耗(PDL)。
通常，在特定的波长范围之外保持低偏振依赖性的同时，很难获得大的角色散和高的衍射效率。或者当指定了特定的波长范围时，很难选择能够提供低偏振依赖性和高衍射效率的任何角色散。例如，在反射型衍射光栅中，对于大约1550nm的波长，通过600/mm的栅距而获得的角色散是提供低偏振依赖性和高衍射效率的角色散。
考虑到上述问题，通常采用或建议使用以下三种方法。
第一种方法是在过去已经使用过的普通方法，在非专利文献1中对其进行了描述。在这种情况下，忽略了偏振依赖性，并选择使得对于一种偏振状态优先考虑工作波长的角色散和衍射效率的衍射光栅参数。通过用于使偏振光分散的光学材料(例如金红石)使得入射到衍射光栅上的光的偏振状态在空间上分散，并且通过使用1/2波片，使得分散光的一部分与另一偏振状态相匹配。于是，通过入射到衍射光栅上，可以实现低偏振依赖性、高衍射效率和高角色散。
图1为第一种传统方法的分光装置的结构框图。
从光纤和准直器10输出的多波长光被偏振分束器/转换器单元11分束为p偏振光和s偏振光，并且可以通过波片将一个分束光的偏振状态转换为另一分束光的偏振状态。例如，当图1中的分光装置具有对于p偏振光最佳的工作结构时，通过偏振分束器/转换器单元11将s偏振光转换为p偏振光。通过这种方式，由棱镜对12使通过偏振分束器/转换器的光束的宽度扩大，并使其入射到会聚透镜13。由会聚透镜13会聚的光被MEMS反射镜阵列14反射，并被输入到分解透镜15。该分解透镜15例如通过p偏振光以及从s偏振光转换为p偏振光的光对衍射光栅16进行照射。通过衍射光栅16获得光的光谱。从图1中可以清楚地看到，为了接收两个分离的光束，衍射光栅16必须具有很大的面积。随着面积的增大，衍射光栅16的生产变得更加困难，产量也会降低。因此，如果要使用大面积的衍射光栅，则整个分光装置的价格将会很高。分光装置本身的尺寸也会变得很大，这与当前小尺寸和低价格装置的要求相悖。
图2A-2B和图3为说明第二种传统方法的示意图。
第二种方法是在专利文献1和其它文献中所述的方法。忽略了第一衍射光栅的角色散，并选择衍射光栅的参数，以使得可以在指定的波长处获得低偏振依赖性和高衍射效率。如图2A和图2B所示，为了对不足的角色散进行补偿，设置了两个(或者偶数个)衍射光栅，以使得它们的角色散相加。此外，为了防止在包含所指定波长的波长范围内发生PDL，在衍射光栅之间设置波片。通过使两个衍射光栅之间的偏振状态反转来消除PDL。这种方法使得能够获得低偏振依赖性、高衍射效率和高角色散。
如图2A所示，为了通过聚焦光学系统21对光(通过衍射光栅20获得了该光的光谱)进行会聚，并且该光适当地入射到光学接收器元件或者可移动反射器阵列22上，在分光分束之后会聚的光的空间间隔必须与光学接收器元件或者可移动反射阵列22的阵列间隔相对应。因此，当衍射光栅的角色散不足时，衍射光栅20与光学接收器元件或可移动反射器阵列22之间的间距必须更长。然而，这导致装置尺寸的增大。因此，如图2B所示，通过使用两个或者更多个衍射光栅20来获得大的角色散。通过这样做，可以减小衍射光栅20与光学接收器元件或可移动反射器阵列22之间的间距，使得整个装置能够保持得较小。此外，在第二种方法中，在衍射光栅20之间设置了波片23以减小偏振依赖性。
图3是专利文献1中所述的分光装置的基本结构示意图。在这种结构中，光穿过衍射光栅20两次来获得角色散，而不是穿过两个衍射光栅20。通过衍射光栅20来获得从端口24进入的光的光谱。经分光分束的光穿过1/4波片23，并由反射镜22反射。由反射镜22反射的光再一次穿过1/4波片23。这里，光穿过1/4波片两次，并且该光的偏振状态从p偏振光转换为s偏振光，或者从s偏振光转换为p偏振光。在处于偏振状态已转换的状态下，该光第二次穿过衍射光栅。由于光穿过衍射光栅20两次，所以角色散加倍；然而，在光第一次穿过衍射光栅20时偏振状态发生转换，并在第二次穿过衍射光栅20时再次发生转换。当光在偏振状态发生转换的情况下两次穿过同一衍射光栅20时，衍射光栅20的偏振特性被抵消。换言之，假设第一次对于p偏振的光产生的损耗是a，第二次对于s偏振的光产生的损耗是b，则光两次穿过衍射光栅20所导致的总损耗是a+b。另一方面，由穿过衍射光栅20两次且每一次都转换偏振状态的光(第一次为s偏振)导致的损耗是b+a。因此，可以获得下述的效果：在光两次穿过衍射光栅20之后，两种偏振分量产生相同的损耗。
图4为说明第三种传统方法的示意图。
在专利文献2和专利文献3中描述了第三种方法。与第二种方法相似，忽略了一个衍射光栅的角色散，并选择该衍射光栅的参数，以使得可以在指定的波长处获得低偏振依赖性和高衍射效率。为了对不足的角色散进行补偿，设置了两个(或者偶数个)衍射光栅，以使得它们的角色散相加。此时，这些衍射光栅被设置为使得它们的刻槽(groove)互相垂直。由于这些刻槽互相垂直，p偏振光和s偏振光的入射状态反转，所以可以获得与在衍射光栅之间设置波片时获得的效果相同的效果。这种方法使得能够获得低偏振依赖性、高衍射效率和高角色散(与第二种方法相比，这种方法的优点是不需要波片)。
在图4中，从光纤25输入的光由准直透镜26准直，并通过第一衍射光栅27获得该光的光谱。经分光分束的光传播到第二衍射光栅28。第二衍射光栅的刻槽与第一衍射光栅27的刻槽正交。通过第二衍射光栅28沿与第一衍射光栅27正交的方向获得该光的光谱。通过第二衍射光栅28获得的分光分束光通过聚焦透镜29会聚到阵列元件30上。在这种情况下，由于第一衍射光栅27和第二衍射光栅28的角色散的方向彼此正交，所以角色散不是第一衍射光栅27和第二衍射光栅28两者的角色散的简单相加。因此，角色散变得小于该简单总和。
[专利文献1]
美国专利No.6765724
[专利文献2]
日本专利申请公报No.H02-61529
[专利文献3]
日本专利申请公报No.2001-13006
[非专利文献1]
D.M.Marom″Wavelength Selective lxK Switching System″Optical MEMS 2003 pp.43-44
然而，上述三种方法具有下列问题。
在第一种方法中，由于图1中的偏振分束器，而使得在该偏振分束器后面的元件(包括衍射光栅在内)的有效面积必须是两倍大，结果使光学元件的尺寸增大，导致成本增加。具体地，如果衍射光栅的面积加倍，则产量的降低通常会超过两倍，并且成本通常也会增加两倍。
图5A-5B是表示第二种方法中的衍射效率的示意图。第二种方法使用具有相同特性的衍射光栅。因此，当使p偏振光的衍射效率与s偏振光的衍射效率相同的波长不具备在工作波长范围的中心的任意一侧对称的特性时，在工作波长范围内，整个插入损耗产生波长依赖性。对称的衍射效率和角色散特性通常还是很难获得，其仅能对工作波长实现。换言之，如果衍射光栅具有图5A的特性，则在图5B中示出了s偏振光和p偏振光转换和叠加的特征。在这种情况下，衍射效率在工作波长范围内仍具有波长依赖性。
除了第二种方法的问题之外，第三种方法还具有下述的问题，例如，设备内部的光学结构是三维的(阵列元件相对于衍射光栅的刻槽倾斜45度)，并且整个角色散大约为第二种方法的
Figure C20061007643900081
如图4所示。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种多波长分光装置，该多波长分光装置可以低成本地实现，并且可以通过实现低偏振依赖性、高衍射效率和高角色散，通过保持光学元件的尺寸，以及通过控制组件数量，来控制整个衍射效率的波长依赖性，以消除偏振依赖性。
根据本发明的多波长分光装置包括：分光单元，该分光单元具有至少两个衍射光栅，该分光单元被设置为使得这些衍射光栅的刻槽平行，并且使得一些衍射光栅的波长特性为：p偏振光和s偏振光的衍射效率相等处的波长位于工作波长范围内的短波长端附近，另外使得其它衍射光栅的波长特性为：p偏振光和s偏振光的衍射效率相等处的波长位于工作波长范围内的长波长端附近。
根据本发明的多波长分光装置，能够以低成本实现尺寸小并且具有良好光学特性(例如，低偏振依赖性和高衍射效率)的多波长同时控制设备。
本发明还涉及一种光学设备，其包括：光学输入端口；根据上述多波长分光装置，用于对来自所述输入端口的光进行分光分束；聚焦光学系统，用于会聚所述分光分束光；以及在所述聚焦光学系统的焦点位置附近沿一维设置的光学元件。
附图说明
图1是表示第一种传统方法的分光装置的结构的框图。
图2A-2B为说明第二种传统方法的示意图(1)。
图3为说明第二种传统方法的示意图(2)。
图4为说明第三种传统方法的示意图。
图5A-5B是表示第二种方法的衍射效率的概况的示意图。
图6A-6C是说明本发明实施例的第一原理的示意图。
图7A-7C是说明本发明实施例的第二原理的示意图。
图8是表示衍射光栅的衍射效率特性的示例的示意图。
图9是描述使用根据本发明实施例的分光装置的设备示例的示意图。
图10是表示应用于波长选择开关的本发明实施例的具体结构示例的示意图。
图11是说明应用了本发明实施例的光学器件的详细点的示意图。
具体实施方式
本发明实施例的多波长分光装置采用了多个衍射光栅，其中，对于至少一对光栅，存在使p偏振光和s偏振光的衍射效率相等并且分别位于工作波长范围的各个端部附近的波长，该多个衍射光栅被设置为使得这些衍射光栅的刻槽大致平行；或者采用下述的多个衍射光栅，对于该多个衍射光栅，p偏振光和s偏振光的最大/最小衍射效率在工作波长范围内反转，该多个衍射光栅被设置为使得这些衍射光栅的刻槽大致平行。
图6A-6C是说明本发明实施例的第一原理的示意图。
在图6A-6C的示例中，如图6A所示，第一衍射光栅是下述的衍射光栅，该衍射光栅被设计为使得p偏振光和s偏振光的衍射效率共享工作波长范围的短波长侧的一个相同的点；如图6B所示，第二衍射光栅是下述的衍射光栅，该衍射光栅被设计为使得p偏振光和s偏振光的衍射效率共享长波长侧的相同点。如图6C所示，在光通过第一衍射光栅和第二衍射光栅之后，对于各种波长的光的各种偏振状态的衍射效率为第一衍射效率和第二衍射效率之积。当在第一衍射光栅中和第二衍射光栅中两种偏振状态的衍射效率之间的差异的最大量相等时，可以获得与在任一衍射光栅中使用波片时所获得的特性相同的效果。如图6C所示，根据上述结构，对于s偏振光和p偏振光，两个衍射光栅的组合衍射效率表现出窄的变化范围，从而使得衍射效率的变化范围落入工作波长范围内的指定范围内。通过将两个衍射光栅设置为使得刻槽大致平行，使发散方向基本相同，由此使两个衍射光栅的角色散相加。结果，可以增大角色散。
图7A-7C是本发明实施例的第二原理的示意图。
在图7A-7C的示例中，图7A中的第一衍射光栅和图7B中的第二衍射光栅是下述的衍射光栅，这些衍射光栅被设计为使得使p偏振光和s偏振光的偏振效率相同的波长大致相同，并且对于p偏振光(或s偏振光)的衍射效率反转。如图7C所示，各种偏振状态在各个波长处的衍射效率为第一衍射光栅和第二衍射光栅的衍射效率之积。图6A-6C的示例之间的差别在于使p偏振光和s偏振光的衍射效率相等的波长的相对位置。这表示，当衍射效率的设计受到限制或者由于制造公差而导致特性发生变化时，可以通过图6A-6C中的结构或者通过图7A-7C中的结构，来实现降低偏振依赖性的效果，因此，也可以实现降低用于获得所需特性的成本的效果。
在本发明实施例中使用的衍射光栅的特性可以通过对第一衍射光栅的光栅形状等进行精细调整来获得。然而，涉及衍射光栅的衍射效率的设计通常并不简单，因此通过使用模拟来进行设计。在Applied OpticsVol.16，No.10，p.2711、Vol.18，No.13，p.2262以及Vol.37，No.25，p.5823及其它文献中公开了反射型光栅的设计示例。在US6765724B1、日本专利申请特开公报No.2004-206039以及其他文献中公开了透射型光栅的设计示例。
图8是表示衍射光栅的衍射效率特性的示例的示意图。
图8表示对于各个λ/D值的衍射效率，其中λ为工作波长，D为衍射光栅的栅距。在设计过程中，首先，设定工作波长范围。然后，通过调整栅距D来调整衍射光栅，以使得第一和第二衍射光栅在工作波长范围内具有如图6A-6C和图7A-7C所示的衍射效率特性。第一衍射光栅和第二衍射光栅中的不同栅距提供了图6A-6C和图7A-7C所示的特性。
在上述实施例中，说明了使用两个衍射光栅的情况；然而，也可以组合三个或者更多个衍射光栅。换言之，只要将衍射光栅组合为使得在工作波长范围内衍射效率特性的变化相互消除，就可以使用任意数量的衍射光栅。
与现有技术相比，本发明的实施例还在多波长分光装置的整个工作波长范围内具有更小的效率变化，此外，可以通过采用波片来减小波长依赖性。在使用波片时，该结构应该包括偶数个衍射光栅，并且光应该恰好在穿过波片之前或之后通过衍射光栅。该波片具有实现p偏振光和s偏振光的转换，以及使p偏振光的特性和s偏振光的特性均衡的效果。该波片例如为1/4波片。
图9是描述使用根据本发明实施例的分光装置的设备示例的示意图。
本结构的设备被称为波长选择开关，并且作为最小的组件包括：分光单元34，用于获得波长复用光信号的光谱；输入/输出光学系统(输入光学系统和输出光学系统)，其具有输入/输出端口等(光纤31，准直器32和光学扩展系统33)；光学聚焦系统35；根据波长设置的MEMS反射镜阵列或光电二极管阵列36。根据本发明的实施例，分光单元34应该包括两个或者更多个衍射光栅。通过准直器32使来自光纤31的com的光输入成为准直光束，并通过光学扩展系统33使其光束宽度增大。通过分光单元34的衍射光栅来获得该光束的光谱，并且通过光学聚焦系统35的聚焦透镜将该分光分束光会聚到MEMS反射镜阵列或光电二极管阵列36的元件上。当光会聚到MEMS反射镜阵列上时，所会聚的光被反射，按照光学聚焦系统35、分光单元34、光学扩展系统33、准直器32的顺序传播，并连接到光纤31中的任何一个，以进行输出。当光被会聚到光电二极管上时，通过光电二极管将光转换为电信号，并且不反射。
图9所示的分光元件是透射型衍射光栅的示例，在沿不同的方向对将各个波长进行衍射之后，该分光元件输出所输入光束的多个波长分量。各个可移动反射器(MEMS反射镜阵列)位于其沿波长的衍射方向与波长相对应的位置。通过沿着端口的排列方向改变该可移动反射器的角度，可以使从输入端口输入的波长分布到输出端口中的任何一个上。此外，在这种结构中，可以在一对透射型衍射光栅42之间设置1/4波片49。通过这样做，进一步减小了光学设备的偏振依赖性，从而产生具有更高性能的光学设备。该波片可以设置在MEMS反射镜阵列或光电二极管36之前，即在孔径48的第二偏转反射镜45侧，而不是在衍射光栅之间。
图10是表示在将本发明的实施例应用于波长选择开关时的具体结构示例的示意图。
在图10中，光如箭头所示传播。首先，光从准直器阵列40进入，并通过扩束器(扩展光学系统)41。通过扩束器41扩大光束的宽度。然后，通过穿过一对透射型衍射光栅42来获得该光的光谱。根据本发明的实施例，该对透射型衍射光栅42应该包括两个或者更多个衍射光栅。图10示出了使用两个衍射光栅的示例。该对衍射光栅42的光输出被第一折返反射镜(folding mirror)43反射，并且入射到聚焦透镜44上。通过聚焦透镜44会聚的光的传播方向被第二折返反射镜45改变，并被导向MEMS反射镜阵列46所在的位置。MEMS反射镜阵列46通常被构造为一个封装，并且固定在设置在壳体47中的孔径48处。
根据本发明的实施例，图10中的波长选择开关的尺寸小，并具有良好的光学特性(在宽波长范围内的低偏振依赖性和高衍射效率)。
图11是说明应用了本发明实施例的光学设备的详细点的示意图。
出于对产品的考虑，希望MEMS反射镜阵列或光电二极管阵列51是单独的封装。然而，在本结构中，光学输入以相对于封装窗口50大致垂直的角度进入，并且封装窗口50处的反射损耗是有限的。结果，在输出端口产生光学重像。
在本结构中，当MEMS反射镜阵列或光电二极管阵列51位于单独的封装中时，如图11所示，可以通过倾斜封装窗口50来防止光学重像的产生。换言之，如果不倾斜封装窗口50，则光由封装窗口50反射，从而产生重像。当封装窗口倾斜时，由封装窗口50反射的光偏离光路，从而光学重像不会到达输出端口。通过这样做，可以提高使用本发明实施例的多波长分光装置的光学设备的性能。
此外，在波长选择开关的该结构中，由于光通过同一衍射光栅两次，所以不仅可以通过在衍射光栅之间设置波片，而且可以通过在可移动反射器阵列之前设置波片来获得相同的效果。然而，如图11所示，在设置波片时，为了避免由波片反射的光作为输出端口处的光学重像出现的问题，最好如在封装窗口50的情况下那样使波片倾斜。应当注意，该波片例如为1/4波片。
如上所述，在本发明的实施例中，分光单元具有使用多个衍射光栅的结构，其中至少一对光栅具有下述的波长，该波长使p偏振光和s偏振光的衍射效率相等并且位于各个光栅的工作波长范围的不同端部附近，该多个衍射光栅被设置为使得这些衍射光栅的刻槽大致平行。或者该单元具有使用多个衍射光栅的结构，其中p偏振光和s偏振光的最大/最小衍射效率在工作波长范围内反转，该多个衍射光栅被设置为使得这些衍射光栅的刻槽大致平行。在存在偶数个衍射光栅的结构中，通过在至少一对衍射光栅之间设置用于转换p偏振光和s偏振光的波片，可以提高分光装置的性能。当在光通信中使用本发明实施例的分光装置时，希望选择下述的范围作为衍射光栅的工作波长范围：C波段1520-1567nm、L波段1567-1618nm、或者包括C波段和L波段的1520-1618nm中的各个范围的±10％的范围。
此外，当构造包括MEMS反射镜阵列或光电二极管的光学设备时，希望构成MEMS反射镜阵列或光电二极管的封装的封装窗口相对于光路倾斜。经验证明该倾斜的角度应该为5度或更大。当在衍射光栅之间或在MEMS反射镜阵列或光电二极管之前设置波片时，该波片也应该是倾斜的。根据经验，将该波片的倾斜角度确定为5度或更大。
如前所述，本发明实施例中的多波长分光装置和使用该装置的设备尺寸小，并具有良好的光学特性(在宽波长范围内的低偏振依赖性和高衍射效率)。

Claims (10)

1. 一种多波长分光装置，其包括：
分光单元，该分光单元具有至少两个衍射光栅，该分光单元被设置为使得这些衍射光栅的刻槽平行，并且使得一些衍射光栅的波长特性为：p偏振光和s偏振光的衍射效率相等处的波长位于工作波长范围内的短波长端附近，另外使得其它衍射光栅的波长特性为：p偏振光和s偏振光的衍射效率相等处的波长位于工作波长范围内的长波长端附近。
2. 根据权利要求1所述的多波长分光装置，其中
所述分光单元包括多个衍射光栅的结构，对于每一个光栅，p偏振光和s偏振光的衍射效率相等处的波长位于工作波长范围的各个端部附近。
3. 根据权利要求1所述的多波长分光装置，其中
所述分光单元包括多个衍射光栅的结构，其中p偏振光和s偏振光的最大/最小衍射效率在工作波长范围内反转。
4. 根据权利要求1所述的多波长分光装置，包括
位于一对衍射光栅之间的用于反转p偏振光和s偏振光的波片。
5. 根据权利要求1所述的多波长分光装置，其中，所述工作波长范围是1520-1567nm、1567-1618nm或者1520-1618nm中的任何一个的±10％的范围。
6. 一种光学设备，其包括：
光学输入端口；
根据权利要求1所述的多波长分光装置，用于对来自所述输入端口的光进行分光分束；
聚焦光学系统，用于会聚所述分光分束光；以及
在所述聚焦光学系统的焦点位置附近沿一维设置的光学元件。
7. 根据权利要求6所述的光学设备，其中，所述光学元件是光学接收器元件。
8. 根据权利要求6所述的光学设备，其中，所述光学元件是可移动反射镜，该可移动反射镜包括用于输出由该可移动反射镜反射的光的输出端口。
9. 根据权利要求8所述的光学设备，其中，所述可移动反射镜容纳在具有窗口的封装中，并且该窗口相对于光路倾斜。
10. 根据权利要求8所述的光学设备，其中，在所述可移动反射镜和所述聚焦光学系统之间设置相对于光路倾斜的1/4波片。
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