CN101241202A - 衍射光栅元件 - Google Patents

Abstract

本发明可提供一种允许省掉或简化温度控制系统的衍射光栅元件。本发明的衍射光栅元件包括：具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一个相对第二表面在第一表面上形成并且基本上与第一表面平行的衍射光栅。在－20℃至+80℃的温度范围内的任意温度下，衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率与包围此衍射光栅元件的媒质的折射率的温度系数的和为0。

Description

衍射光栅元件

本申请是申请号为200480000060.8、申请日为2004年1月22日、发明名称为“衍射光栅元件”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及衍射光栅元件。

背景技术

衍射光栅元件通常具有一个在透明平板的第一表面上形成的衍射光栅，此透明平板具有上述第一表面和一个第二表面，两表面互相平行(比如见Kashiko Kodate的″Development of diffractive optics andfuture challenges″；Japan Women′s University Journal，Faculty ofScience，10th Edition，pages 7 to 24(2002))。在利用这一衍射光栅元件，比如，当光线以固定入射角从与第一表面相接触的媒质进入第一表面时，此光线受到形成于第一表面上的衍射光栅的衍射，在透明平板内传播，并且其后射入与第二表面相接触的媒质中。光线从透明平板的第二表面射出的衍射角依波长而变。

因此，衍射光栅元件可用作对入射光解复用并发射经过解复用的光的光学解复用器。另外，当光线被导入与此情况下相反的方向时，此衍射光栅元件可用作对入射光进行复用并发射此复用光线的光学复用器。此外，通过将此衍射光栅元件与其他光学元件组合，比如，也可以构成按照波长调节光线的群延时的色散调节器。所以，衍射光栅元件在对多波长信号光实施复用并将此复用光发射的波分复用(WDM)光学通信系统中是一重要光学器件。

发明内容

但是，即使是入射到衍射光栅元件的光线的波长和入射角不变，衍射角也会随温度改变。在衍射光栅元件应用于WDM光学通信系统中的情况下，当衍射光栅元件的衍射角改变时，信号光的损失因而很大或信号光的波形恶化，并且因此有时会发生通信错误。为了抑制这种通信错误，一般需要提供一个可保持衍射光栅元件的温度不变的主动温度控制机构。然而，提供温度控制机构会招致系统成本增加，并且由于需要向温度控制机构供电也会招致系统成本的增加。

本发明系为解决现有的上述问题而完成的发明，并且本发明的一个目的是要提供一种允许省掉或简化温度控制系统的衍射光栅元件。

根据本发明的一个方面的衍射光栅元件包括：具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一个相对第二表面在第一表面侧上形成并且基本上与第一表面平行的衍射光栅。在-20℃至+80℃的温度范围内的任意温度下，衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率与包围此衍射光栅元件的媒质的折射率的温度系数的和为0。当衍射光栅元件应用于光学通信系统的典型环境温度范围-20℃至+80℃之中时，上述温度控制机构可省掉或简化。

最好，在本发明的衍射光栅元件中媒质是空气，并且衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率为0.63×10^-6/K至1.23×10^-6/K。在此情况下，在-20℃至+80℃的温度范围内的任意温度，在大气压力下，衍射光栅周期的线膨胀系数，即衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率，与媒质的折射率的温度系数的和为0。

根据本发明的另一个方面的衍射光栅元件包括：具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一个相对第二表面在第一表面上形成并且基本上与第一表面平行的衍射光栅。此衍射光栅元件置于空气中；并且衍射光栅的每单位长度周期对温度变化的变化率为0.65×10^-6/K至1.11×10^-6/K。在此情况下，此衍射光栅元件，在密封气体或真空中，在-20℃至+80℃的温度范围内，其最大波长偏移为0.04nm或以下。因此，此衍射光栅元件可适用于多波长信号光的光学频率间隔为100GHz的WDM光学通信系统。

在本发明的衍射光栅元件中，衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率可为0.80×10^-6/K至0.95×10^-6/K。按照这一衍射光栅元件，在大气压力下，在温度范围为-20℃至+80℃时最大波长偏移为0.02nm或以下。因此，此衍射光栅元件可适用于多波长信号光的光学频率间隔为50GHz的WDM光学通信系统。

根据本发明的另一个方面的衍射光栅元件包括：具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一个相对第二表面在第一表面上形成并且基本上与第一表面平行的衍射光栅。此衍射光栅密封于气体或真空中；并且衍射光栅的每单位长度周期对温度变化的变化率为2.4×10^-7/K或以下。在此情况下，此衍射光栅元件，在密封或真空中，在-20℃至+80℃的温度范围内，其最大波长偏移为0.04nm或以下。因此，此衍射光栅元件可适用于多波长信号光的光学频率间隔为100GHz的WDM光学通信系统。

在本发明的衍射光栅元件中，衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率可为1.2×10^-7/K或以下。按照这一衍射光栅元件，在密封或在真空中，在温度范围为-20℃至+80℃时最大波长偏移为0.02nm或以下。因此，此衍射光栅元件可适用于多波长信号光的光学频率间隔为50GHz的WDM光学通信系统。

在本发明的衍射光栅元件中，衍射光栅可在第一表面上形成。此衍射光栅也可由第一表面支持。此外，此衍射光栅也可在透明平板中形成。

在根据本发明的衍射光栅元件中，透明平板由添加杂质的硅玻璃制作也是优选方案。透明平板由添加杂质的硅玻璃或结晶玻璃构成也是优选方案。透明平板由多个具有不同线膨胀系数的光学玻璃层叠也是优选方案。另外，透明平板由在厚度方向上添加不同浓度的杂质的硅玻璃制作也是优选方案。

在透明平板中添加杂质的情况下，优选的杂质是元素Ge、P和B中的任何一种。另外，Ti也是优选杂质。比如，通过VAD或CVD或其他类似方法，添加杂质，在透明平板上形成的衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率，即衍射光栅的线膨胀系数，可获得所要求的值。透明平板上形成衍射光栅的部分优选地是由硅玻璃制作，并且，在此情况下，在形成衍射光栅时的加工性能极优异。

在根据本发明的衍射光栅元件中，材料在透明平板的厚度方向上的分布，即线膨胀系数的分布，优选的情况是对称的。在这种情况下，即使是在温度改变时透明平板的扭曲也可受到抑制。此外，优选的是衍射光栅形成于透明平板的厚度方向上的中心。此时，温度与光发射位置的依赖关系也减弱。

在根据本发明的衍射光栅元件的情况下，优选的是衍射效率基本上与偏振不相关。结果，即使是在入射光的偏振状态不是固定不变的，入射光衍射的衍射效率也可以是固定不变的，而无需像通常那样采用其他光学元件(偏振分离元件、偏振组合元件等等)。

附图说明

图1为具体实施方式的衍射光栅元件1的剖面图。

图2示出衍射光栅元件面对的问题。

图3为示出温度T与空气的折射率n的温度系数之间的依赖关系曲线。

图4为示出在温度范围为-20℃至+80℃时最大波长偏移与衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α之间的依赖关系曲线。

图5为具体实施方式的衍射光栅元件1的另一个组成例的说明图。

图6为示出衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α和厚度比(t2/t1)的依赖关系曲线。

图7为具体实施方式的衍射光栅元件1的再一个组成例的说明图。

图8为具体实施方式的衍射光栅元件1的再一个组成例的说明图。

图9为具体实施方式的衍射光栅元件1的再一个组成例的说明图。

图10为具体实施方式的衍射光栅元件2的剖面图。

图11为具体实施方式的衍射光栅元件3的剖面图。

图12为具体实施方式的衍射光栅元件4的剖面图。

图13为具体实施方式的衍射光栅元件5的剖面图。

图14示出实现具体实施方式的衍射光栅元件1的偏振不相关性的方法。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方式予以详细说明。在各图中同样的元件或部件赋予同样的标号，因而此处省略重复的内容。另外，为了便于说明起见，有时图中采用xyz笛卡尔坐标系。

图1为具体实施方式的衍射光栅元件1的剖面图。在此图中示出的衍射光栅元件1具有一个透明平板10，此透明平板具有一个第一表面10A和一个第二表面10B，两表面基本上互相平行。衍射光栅元件1具有一个在第一表面10A上形成的衍射光栅。衍射光栅元件1与周围的媒质接触。在图1中，衍射光栅元件1的第一表面10A与媒质21相接触，并且第二表面10B与媒质22相接触。在第一表面10A上形成的衍射光栅的光栅方向与y轴方向平行，并且在x轴方向上以周期Λ周期地形成凹槽和凸起。此外，在第二表面10B上以适当方式设置减反膜。在这种情况下，衍射效率非常优异。另外，虽然媒质21和22，比如，是空气，但这些媒质并不限于是空气。另外，透明平板10，比如，是由硅玻璃制作的，但并非必须是硅玻璃。

在此衍射光栅元件1中，光线(入射光Li)通过媒质21入射到透明平板10的第一表面10A。入射平面与平面xz平行。入射光Li受到形成于第一表面10A上的衍射光栅的衍射，在透明平板10内传播并发射到与第二表面10B接触的媒质22。在图1中，发射到媒质22的光线表示为衍射光Ld。在图1中，衍射光Ld表示成为-2级衍射光LD_-2，-1级衍射光LD_-1，0级衍射光LD₀，以及1级衍射光LD₁。另外，在图1中，由第一表面10A反射的光表示为反射光Lr。在图1中，反射光Lr表示成为-2级反射光Lr_-2，-1级反射光Lr_-1，0级反射光Lr₀，以及1级反射光Lr₁。

从透明平板10的第二表面10B发射的m级偏振光的衍射角θm可由下面的方程表示：

${\mathrm{\θ}}_m=\mathrm{si}{n}^{-1}(\sin \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{m\λ}}{\mathrm{n\Λ}})\·\·\·\left(1\right)$

其中，θ是入射角，λ是真空中的波长，而n是媒质21、22的折射率。从上面的方程可知，衍射角θm取决于波长λ并且因而衍射光栅元件1，比如，可用作光学解复用器或光学复用器，或者也可用作色散调节器的一个组件。

另外，当温度T改变时，将产生下面的问题。图2示出衍射光栅元件面对的问题。一般，媒质21和22的折射率n是温度T的函数，并且因为衍射光栅的周期Λ也是温度T的函数，所以衍射角θm随温度T而改变。如果，如图2所示，入射光Li，包含波长分量λ1至λ3，假设此光学系统被调节成在排除0级衍射光的衍射光中波长λ2的一个分量被光学元件30(比如，光电二极管、反射镜等等)所接收，则当衍射角θm随温度T而改变时，入射到光学元件30的光的波长偏移。因此，传统上需要提供一个可保持衍射光栅元件的温度恒定的主动(active)温度控制机构。

此具体实施方式中的衍射光栅元件1可以解决这一问题。就是说，当在温度T时求出乘积(nΛ)(此量是上面方程(1)的右侧的与温度相关的分量)时，可得到下面的方程：

$\frac{d\left(\mathrm{n\Λ}\right)}{\mathrm{dT}}=\mathrm{n\Λ}(\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}})\·\·\·\left(2\right)$

如果方程(2)的右侧为0，则乘积(nΛ)恒定并且与温度T无关。因此，衍射角θm恒定并且与温度T无关。

其中，上面的方程(2)的右侧的括号内的第二项是衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α，由下式表示：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}}\·\·\·\left(3\right)$

就是说，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α与衍射光栅单位长度周期Λ对温度变化的变化率同义。在本说明书中，将衍射光栅单位长度周期Λ对温度变化的变化率称为衍射光栅周期Λ的线膨胀系数α。

另外，上面的方程(2)的右侧的括号内的第一项是媒质21、22的折射率n的温度系数β，由下式表示：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}\·\·\·\left(4\right)$

因此，如果衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α和媒质21、22的折射率n的温度系数β之和为0，就是说，如果关系式

α+β＝0    ...(5)

成立，则衍射角θm恒定并且与温度T无关。

采用本具体实施方式的衍射光栅元件，在-20℃至+80℃温度范围内的任意温度下，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α和媒质21、22的折射率n的温度系数β之和为0。结果，当将衍射光栅元件1在典型的环境温度范围-20℃至+80℃内应用于光学通信系统中时，可以省掉或简化温度控制机构。

下面将对媒质21和22是空气的情况予以说明。图3为示出温度T与空气的折射率n的温度系数β之间在大气压力下的依赖关系曲线。如图所示，空气的折射率n与温度T的依赖关系很小并且其值几乎等于1。然而，空气的折射率n的温度系数β的变化与温度T的依赖关系很大。另外，如果衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α(单位：1/K)是在以下数值范围内：

0.63×10^-6＜α＜1.23×10^-4    ...(6)

则上式(5)在大气压力下在-20℃至+80℃温度范围内的任意温度都成立。另外，如果衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α是0.89×10^-6/K，则在接近通常的使用温度25℃时在大气压力下上面的关系式(5)成立。

另外，如图2所示，一般，当温度T改变时，射入光学元件30的衍射光的波长偏移。图4为示出在温度范围为-20℃至+80℃时最大波长偏移与衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α之间的依赖关系曲线。此图示出当波长λ分别为1.3μm、1.5μm和1.7μm时的情况。另外，在WDM光学通信系统中，波长带等于或小于波长1.7μm，并且一般用作信号光波长带。

在WDM光学通信系统中的多波长信号光的光学频率间隔是100GHz时，在大气压力下在温度范围-20℃至+80℃内，最大波长偏移为0.04nm或以下。因此，根据图4，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α(单位：1/K)可在以下的数值范围内：

0.65×10^-6＜α＜1.11×10^-6    ...(7)

此外，在多波长信号光的光学频率间隔是50GHz时，在大气压力下在温度范围-20℃至+80℃内，最大波长偏移必定是0.02nm或以下。因此，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α(单位：1/K)可在以下的数值范围内：

0.80×10^-6＜α＜0.95×10^-6    ...(8)

如上所述，因为衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α是在一个合适的范围内，本具体实施方式的衍射光栅元件1在温度范围-20℃至+80℃内可以满足对WDM光学通信系统的精度要求，并且因而温度控制机构可以省掉或简化。请注意，所要求的精度随着多波长信号光的波长带和光学频率间隔而改变。

下面对实现衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α的要求值的方法予以说明。第一种方法是将一种杂质(Ge、P和B或其他类似的元素)添加到硅玻璃之中以形成透明平板10。硅玻璃的线膨胀系数为0.5×10^-6/K，并且是在上述数值范围之外。然而，通过适当设定添加到硅玻璃中的杂质的添加剂浓度，可以实现硅玻璃的线膨胀系数的要求值。

比如，当添加到硅玻璃中的杂质是Ge(Ge添加剂浓度为M_Ge(单位：mol％))时，硅玻璃的线膨胀系数α(单位：1/K)可用下面的关系式表示：

α＝0.5×10^-6+0.076×10^-6M_Ge    ...(9)

因此，为了实现由上式(6)表示的线膨胀系数α的数值范围，Ge添加剂浓度M_Ge可为1.7mol％到9.6mol％。此外，为了实现由上式(8)表示的线膨胀系数α的数值范围，Ge添加剂浓度M_Ge可为3.9mol％到5.9mol％。

同样，当添加的是Ge以外的另一种杂质(P、B或类似的元素)时，通过适当设定添加剂浓度，可以实现硅玻璃的线膨胀系数的要求值。另外，当考虑透明平板10的生产率时，在硅玻璃中添加多种类型的杂质是合适的。另外，制作可利用，比如，VAD或CVD进行。

作为实现衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α的要求值的第二种方法是将线膨胀系数不同的多种硅玻璃层叠而形成透明平板10。图5为具体实施方式的衍射光栅元件1的另一个组成例的说明图。在此图中示出的衍射光栅元件1中，透明平板10是通过顺次叠置的三片光学玻璃11至13而制作的。光学玻璃11与媒质21相接触，光学玻璃13与媒质22相接触，而光学玻璃12插在光学玻璃11和光学玻璃13之间。

另外，线膨胀系数在透明平板10的厚度方向上的分布适当地对称。在此情况下，透明平板10的扭曲的发生，即使是在温度改变时也会受到抑制。假设光学玻璃11和13每个都具有厚度t1/2，杨氏模量是E1，泊松比是v1，并且线膨胀系数是α1。让我们还假设对于光学玻璃12的厚度为t2，杨氏模量是E2，泊松比是v2，并且线膨胀系数是α2。于是，透明平板10的线膨胀系数(即，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α)由下式表示：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{E_1{t}_1}{1-v_1}{\mathrm{\α}}_1+\frac{E_2{t}_2}{1-v_2}{\mathrm{\α}}_2}{\frac{E_1{t}_1}{1-v_1}+\frac{E_2{t}_2}{1-v_2}}\·\·\·\left(10\right)$

另外，因为光学玻璃11至13中的每一个的厚度由于衍射光栅的凹槽和凸起的厚度之故而足够大，可以忽略衍射光栅的凹槽和凸起产生的影响。

另外，光学玻璃11和光学玻璃13形成衍射光栅的加工性能极优异是合适的。光学玻璃12的物质性及厚度可适当地设定而使衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α获得按照上述方程(10)所要求的值。比如，光学玻璃11和光学玻璃13适合地由硅玻璃制作。此外，由添加Ge作为杂质的硅玻璃适合地制作光学玻璃12。

图6为示出衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α和厚度比(t2/t1)的依赖关系曲线。其中，添加到光学玻璃12中的杂质是Ge，并且添加剂浓度分别设定为10mol％和15mol％。从此图可知，通过适当设定杂质添加剂浓度和光学玻璃12的浓度，可使衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α获得要求的值。

此处，当光学玻璃11和13的折射率和光学玻璃12的折射率之间的差异很大时，光在这些光学玻璃中间的界面上的反射很大并且因而衍射效率很低。因此，为了抑制在界面上的反射，折射率差最好是较小。当光学玻璃11和13是硅玻璃而光学玻璃12是Ge添加剂浓度为15mol％的硅玻璃时，折射率差极小，为0.022，并且因而可以抑制在界面上的反射。

为了将光学玻璃11至13粘贴在一起使用粘合剂。这一粘合剂的折射率最好是也接近光学玻璃11至13的折射率。也可以应用阳极(anode bonding)结合来将光学玻璃11至13粘贴在一起。在此情况下，不需要粘合剂，并且因而不会产生粘合剂的线性膨胀的影响。

作为实现衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α的要求值的第三种方法是透明平板10可以由在厚度方向上以不同浓度添加杂质(Ge、P和B等等)的硅玻璃制作。图7为此具体实施方式的衍射光栅元件1的另一个组成例的说明图。此图示出在透明平板10的厚度方向上Ge的添加剂浓度分布。在具有图中所示的Ge添加剂浓度分布的衍射光栅元件1的情况下，透明平板10在分别包含第一表面10A和第二表面10B的相邻区域中是硅玻璃，并且在中间区域添加Ge作为杂质。透明平板10的制作可利用VAD或CVD等等进行。

在此情况下，线膨胀系数分布在透明平板10的厚度方向上适当地对称。采用具有对称的线膨胀系数分布的衍射光栅元件1即使是在温度改变时也可抑制透明平板10的扭曲的产生。

透明平板10的线膨胀系数(即，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α)由下式表示：

$\mathrm{\α}=\frac{{\∫}_0^l\frac{E\left(z\right)}{1-v\left(z\right)}\text{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}}{{\∫}_0^l\frac{E\left(z\right)}{1-v\left(z\right)}\text{dz}}\·\·\·\left(11\right)$

其中，1是透明平板10的厚度，而第二表面10B的z坐标值是0。

分别包含第一表面10A和第二表面10B的相邻区域是硅玻璃，并且因而用来形成衍射光栅的加工性能适当地极优异。根据上式(11)适当设定杂质添加剂浓度和厚度，可使衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α获得所要求的值。另外，通过在厚度方向上平滑地改变杂质浓度，可使折射率在厚度方向上平滑地改变。结果，在显示折射率变化的部分中光的反射可得到抑制。

作为实现衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α的要求值的第四种方法，衍射光栅可通过在透明平板10的一面上形成薄膜然后进行刻蚀而形成。就是说，衍射光栅可由透明平板10的一个表面(第一表面10A)支持。图8和图9为具体实施方式的衍射光栅元件1的再一个组成例的说明图。在这些附图中示出的衍射光栅元件1中，透明平板10是由其中添加，比如，元素Ge或Ti等作为杂质的硅玻璃制作。

在图8中示出的衍射光栅元件1，是通过在透明平板10的一面上藉助汽相淀积单层薄膜10a然后藉助图形化刻蚀在周期Λ图形上留下薄膜10a而形成的衍射光栅。就是说，在图8中示出的衍射光栅元件1，具有在透明平板10的一个表面(第一表面10A)上形成的衍射光栅。衍射光栅元件1具有一个由透明平板10的一个表面(第一表面10A)直接支持的衍射光栅。

在图9中示出的衍射光栅元件1是通过在透明平板10的一面上藉助蒸汽淀积多层薄膜10a、10b和10c，然后藉助图形化刻蚀在周期Λ图形上留下薄膜10a、10b而形成的衍射光栅。就是说，在图9所示的衍射光栅元件1的情况下，衍射光栅是通过薄膜10c由透明平板10的一个表面(第一表面10A)支持的。

在此衍射光栅元件1中，可通过适当调节添加到透明平板10中的杂质的添加剂浓度而使衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α获得所要求的值。另外，在此情况下，甚至在对透明平板10进行刻蚀很困难时，通过适当选择在一个表面上形成的薄膜的材料，也可很容易地形成衍射光栅。此外，特别是在图9所示的衍射光栅元件1的情况下，通过适当地选择每个薄膜10a、10b和10c的折射率可以使衍射特性与偏振的依赖关系在很宽的波长带中减弱。

在对具体实施方式的上述说明中，是假设了衍射光栅元件1是置于大气压力下并且媒质21和22是大气压力下的气体。然而，有时衍射光栅元件1是密闭在封装中。在此情况下，温度的改变会导致气体压力的改变，并且气体折射率会由于压力的这一改变而改变。下面将对衍射光栅元件1是密封的情况予以说明。

此具体实施方式的衍射光栅元件1，不仅用作光学解复用器或光学复用器，而且在WDM光学通信系统中适合地用作光学模块的组件，如色散调节器、频谱检测器和光学滤波器。另外，在这些光学模块中，衍射光栅元件1有时是与半导体部件，如激光二极管、光电二极管和MEMS(微机电系统)，一起在一个封装中提供的。另外，一般讲，半导体部件是密封的，以防止由于氢气和水蒸气的作用引起的老化。另外，还有，在不包含半导体部件的光学模块中，通过密封抑制外来物质粘附到衍射光栅元件1上，可以保持良好的特性。下面示出通过密封来减小衍射特性与温度的依赖关系的具体示例。

气体的折射率n一般由下式表示：

n＝1+Δn    ...(12)

其中，Δn表示与真空的折射率的差值。Δn随气体而异。当温度为0℃时，He、Ne、Ar和N₂，在一个大气压力下的值为：

He    Δn＝0.35×10^-4    ...(13a)

Ne    Δn＝0.67×10^-4    ...(13b)

Ar    Δn＝2.84×10^-4    ...(13c)

N₂    Δn＝2.97×10^-4    ...(13d)

当温度或压力改变时，Δn基本上与气体密度成正比地改变。假设在密封时气体密度为ρ0，在密封时气体温度为T0，并且气体的体膨胀系数是γ。此处，在温度T时气体的折射率n可由下式表示：

$n=1+\mathrm{\Δn}\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\·\·\·\left(14\right)$

在温度T时气体的密度ρ由下式表示：

$\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}=1-\mathrm{\γ}(T-T_0)\·\·\·\left(15\right)$

相应地，在密封时气体的折射率的温度系数β由下式表示：

β＝-Δnγ    ...(16)

在容纳并密封衍射光栅元件1(及半导体部件)的封装材料是Al(铝)，封装的线膨胀系数是23×10^-6/℃，并且因而封装内的气体的体膨胀系数γ是69×10^-6/℃(＝3×23×10^-6)。相应地，当气体是He时，在密封情况下的气体的折射率的温度系数β为-0.024×10^-7/℃，并且对于N₂气体是-0.20×10^-7/℃。

密封情况下的气体的折射率的温度系数β的这个值的绝对值也比硅玻璃的线膨胀系数5×10^-7/℃小一个或多个数位(digit)。另外，在大气压力下，气体的体膨胀系数反比于绝对温度并且，比如，在0℃时为3.7×10^-3/℃(＝1/273)。因此，利用Al封装密封的气体的体膨胀系数γ的绝对值也比在大气压力下的体膨胀系数小两个或更多个数位。

与衍射光栅元件1置于大气压力情况下相比较，在衍射光栅元件1以这种方式密封时，气体(媒质21和22)的折射率n的温度系数β小并且温度系数β与温度依赖关系也很小，因此衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α的合适范围也改变。

在衍射光栅元件1应用于不带温度调节的WDM光学通信系统中的情况下，当多波长信号光的光学频率间隔是100GHz时，对每个单位温度改变的衍射光栅的波长偏移最好是0.4pm/℃或以下(在-20℃至+80℃温度范围内波长偏移等于或小于0.04nm)。另外，当多波长信号光的光学频率间隔是50GHz时，对每个单位温度改变的衍射光栅的波长偏移最好是0.2pm/℃或以下(在-20℃至+80℃温度范围内波长偏移等于或小于0.02nm)。请注意，所要求的精度随着多波长信号光的波长带和光学频率间隔等等而改变。

此处，对每个单位温度改变的衍射光栅的波长偏移可由下式表示：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{\λ}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\·\·\·\left(17\right)$

一般在WDM光学通信系统中使用的信号光的波长是1.7μm或以下，并且因此，为了使信号光波长带的整个范围的波长偏移等于0.4pm/℃或以下(或0.2pm/℃)，可满足下面的条件：

|α+β|≤0.4[pm/℃]/1.7[μm]＝2.4×10^-7[/℃]  ...(18a)

|α+β|≤0.2[pm/℃]/1.7[μm]＝1.2×10^-7[/℃]  ...(18b)

上述方程(18)右侧的值大致比衍射光栅元件1密封时气体的折射率n的温度系数β大一个数位。同样，在使用由具有大的线膨胀系数的材料，如Al(铝)，制作的封装时，如果衍射光栅元件1是密封于此封装内，则可以忽略气体(媒质21和22)的折射率n的温度系数β。因此，也包括封装内部是真空的情况，当光学频率间隔分别是100GHz和50GHz时，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α可满足下面的条件：

|α|≤2.4×10^-7[/℃]    ...(19a)

|α|≤1.2×10^-7[/℃]    ...(19b)

另外，甚至在密封情况下，当线膨胀系数很大，比如在密封封装的材料是树脂时，考虑到衍射光栅元件1是密封时的气体的折射率的温度系数β，上述方程(18a)和(18b)必须满足。

在衍射光栅元件1是密封的情况下，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α必须比硅玻璃的线膨胀系数(5×10^-7/℃)小。为了达到这一点，使用结晶玻璃作为透明平板10是适宜的。另外，使用添加元素Ti的硅玻璃作为透明平板10是适宜的。在使用结晶玻璃时通过调节结晶度和在使用添加Ti的硅玻璃时调节添加的Ti的量，可使线膨胀系数获得，比如，从-20×10^-7/℃至+5×10^-7/℃范围内的值。另外，基本上无热膨胀的玻璃用作透明平板10是合适的。另外，在图5所示的构造中，硅玻璃可用作光学玻璃11和13，而具有负线膨胀系数的玻璃可用作光学玻璃12。

上述的具体实施方式的衍射光栅元件1具有在透明平板10的一个表面之中或之上形成的衍射光栅。然而，衍射光栅可以在内部形成并基本上与透明平板的表面处于平行状态。下面将对在透明平板内部形成的衍射光栅的衍射光栅元件予以说明。

图10为具体实施方式的衍射光栅元件2的剖面图。在此图中示出的衍射光栅元件2具有一个在透明平板之中形成的衍射光栅10a，此透明平板具有一个第一表面10A和一个第二表面10B，两表面互相平行并分别与媒质21和22相接触，基本上与第一表面10A相平行。透明平板10是添加有，比如，元素Ge或Ti的硅玻璃。衍射光栅10a形成于透明平板10的厚度方向上(z轴方向上)的中心，是一垂直对称结构，并且是在x轴方向上使光栅方向平行于y轴以周期Λ周期地形成的。此外，在第一表面10A和第二表面10B上分别适当地形成减反膜。同样，在衍射光栅元件2的情况下，在衍射光栅元件置于大气压力下时，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α满足上述方程(5)至(8)中的任意一个，而当衍射光栅元件密封时，满足上述方程(18a)或(18b)。衍射光栅元件2的衍射角与温度的依赖关系与前面所述的在第一表面10A中间或上面形成衍射光栅的衍射光栅元件1以同样的方式减小。

此外，当衍射光栅元件2应用于一般可以得到高衍射效率的布喇格条件下时，光从第二表面10B发射的位置与温度的依赖关系也受到抑制。就是说，假设光从媒质21入射到第一表面10A(入射光Li)的入射角是θ，此光线的波长是λ，衍射光栅的周期是Λ，并且媒质21和22的折射率是n，则对m级的衍射光(在图10中衍射光以Ld表示)的布喇格条件以下式表示：

$\sin \mathrm{\θ}=-\frac{\mathrm{m\λ}}{2\mathrm{n\Λ}}\·\·\·\left(20\right)$

在布喇格条件下，入射角和衍射角的绝对值相等符号相反。另外，衍射光栅10a形成于透明平板10的厚度方向(z轴方向)的中心以便产生垂直对称结构。因此，在x轴方向上，光通过第二表面10B发射的位置P2等于光入射到第一表面10A的位置P1。假设在上述方程(20)中的乘积(nΛ)与温度的依赖关系不再存在，因为光入射到第一表面10A的位置P1与温度无关，而布喇格条件永远满足，不管温度如何，并且因而在光经过第二表面10B发射的位置P2与温度不存在任何关系。因此，如果组成上述方程(20)中的温度依赖关系成分的乘积(nΛ)与温度的依赖关系减小，则不仅可能减弱衍射角与温度的依赖关系，而且也可以减小发射位置P2与温度的依赖关系。

图11为具体实施方式的衍射光栅元件3的剖面图。在此图中示出的衍射光栅元件3是前面介绍过的衍射光栅元件2的变型示例，其中的透明平板10是由顺次叠置的三片光学玻璃11至13组成的。衍射光栅元件3的三片光学玻璃11至13与图5中示出的组成类似。比如，在中心处的光学玻璃12和在其两边的光学玻璃11和13每一个都是由添加了，比如，元素Ge或Ti的硅玻璃制作的。衍射光栅10a形成于光学玻璃12的厚度方向(z轴方向)上的中心处，是一垂直对称结构，并且是在x轴方向上使光栅方向平行于y轴以周期Λ周期地形成的。此外，在光学玻璃11和13上分别适当地设置减反膜。同样，在衍射光栅元件3的情况下，在衍射光栅元件置于大气压力下时，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α满足上述方程(5)至(8)中的任意一个，而当衍射光栅元件密封时，满足上述方程(18a)或(18b)。与前面说明过的衍射光栅元件2类似，在使用衍射光栅元件3时，如果衍射角与温度的依赖关系减小，则衍射角与温度的依赖关系可以减弱，而且发射位置与温度的依赖关系也可以减小。

下面详细介绍衍射光栅元件2和3的制作。将另外一片双面光滑的透明玻璃粘合到在一个其表面上通过刻蚀或类似方法形成有衍射光栅的透明玻璃的衍射光栅表面。将衍射光栅元件2的透明平板10或衍射光栅元件3的光学玻璃12粘合到一起。或者，在一个在其中通过刻蚀或类似方法形成有衍射光栅的透明玻璃的衍射光栅表面的表面具有通过藉助蒸汽淀积高折射率材料，如TiO₂、Ta₂O₅或Nb₂O₅嵌入的光栅槽，然后将另外一片双面光滑的透明玻璃粘合到此衍射光栅一面。可将衍射光栅元件2的透明平板10或衍射光栅元件3的光学玻璃12粘合在一起。在后一种情况下，因为整个衍射光栅一面是坚实的，粘合是很顺畅的。另外，在后一种情况下，在通过高折射率材料嵌入之后实施表面处理(如打磨)时，粘合工作更容易，因而是合适的。

图12为按照此具体实施方式的衍射光栅元件4的剖面图。在此图中示出的衍射光栅元件4中，透明平板10具有一个在插在光学玻璃11和光学玻璃12中间的区域中形成的衍射光栅。此衍射光栅这样构成即在x轴方向上以周期Λ交替地提供媒质14a和媒质14b。

此外，图13为此具体实施方式的衍射光栅元件5的剖面图。在此图中示出的衍射光栅元件5中，透明平板10是由在插在光学玻璃11和光学玻璃12中间的区域中顺次形成的薄膜15至18组成的，并且在薄膜16和17中间形成衍射光栅。此衍射光栅这样构成，即在x轴方向上以周期Λ交替地提供媒质14a和媒质14b。

这些衍射光栅元件4和5也一样，在衍射光栅元件置于大气压力下时，衍射光栅的周期Λ的线膨胀系数α满足上述方程(5)至(8)中的任意一个。或者，当衍射光栅元件密封时，满足上述方程(18a)或(18b)。与前面说明过的衍射光栅元件2类似，在使用衍射光栅元件4和5时，如果衍射角与温度的依赖关系减小，则衍射角与温度的依赖关系可以减弱，而且发射位置与温度的依赖关系也可以减小。

这些衍射光栅元件4和5的衍射效率也可以在更宽的波长带内提高。另外，衍射光栅元件4和5与偏振的依赖关系可以得到抑制，并且，因为因此就不需要在衍射光栅元件之外分开提供偏振分离元件、偏振组合元件等等，就可以消除由于这一偏振分离元件或偏振组合元件等等的偏振分离和组成与温度的依赖关系所产生的影响。

另外，在衍射光栅元件5的情况下，在正常情况下，因为薄膜15至18和媒质14a和媒质14b足够薄并且几乎不会影响透明平板10的线膨胀系数，这些部件不需要垂直对称。

上面介绍了衍射光栅元件单元和温度的依赖关系的抑制问题。一般讲，有时此衍射光栅元件与其他光学元件一起使用。比如，当入射光的偏振状态不是固定不变时，衍射光栅元件与偏振分离元件、偏振旋转元件和偏振组合元件一起使用。在此情况下，入射光是由偏振分离元件进行偏振分离以便产生两个偏振面互相正交的直线偏振光部件。在两个经过偏振分离的直线偏振光部件的光线中，一个偏振面由偏振旋转元件旋转90°以生成同一取向的直线(linear)偏振光，并且之后射入衍射光栅元件进行衍射。在两个经过衍射光栅元件衍射的直线偏振光部件的光线中，一个偏振面由另一个偏振旋转元件旋转90°以生成偏振面互相正交的直线偏振光，并且之后此光线由偏振组合元件进行偏振组合而发射。

在此情况下，除了在衍射光栅元件中温度依赖关系受到抑制之外，其他的光学元件(偏振分离元件、偏振组合元件以及偏振旋转元件)一般也是温度相关的，并且因而需要温度控制机构。然而，当温度控制负载对其他光学元件很大时，对于衍射光栅元件省掉或简化温度控制机构的意义减小。

因此，此具体实施方式的衍射光栅元件1是一个其温度依赖性受到抑制并且衍射效率的偏振依赖关系也受到抑制的适合的衍射光栅元件。相应地，甚至当入射光的偏振状态不是固定不变时，入射光也可以由衍射光栅元件1以恒定衍射效率单独进行衍射，不需要使用上述其他光学元件(偏振分离元件、偏振合成元件及偏振旋转元件)。

图14示出实现具体实施方式的衍射光栅元件1的偏振不相关性的方法。图14示出0级衍射光Ld₀和1级衍射光衍射光Ld₁。比如，让我们假设，如图14所示，衍射光栅的剖面具有矩形凹槽和凸起，周期Λ是1.55μm，凸起条的高度H是3.72μm，并且凸起条的宽度W和周期Λ的比(W/Λ)是0.66。假设透明平板10是由硅玻璃构成的并且媒质21和22是空气。另外，让我们假设在透明平板10的第二表面10B上形成不反射涂层。此处，假设从媒质21射入到第一表面10A的光的波长是1.55μm，并且入射角θ是30°，则TE偏振光和TM偏振光的衍射效率大约为98％，并且衍射效率基本上是与偏振不相关的。

在上述的优选实施例中对本发明的原理进行了描述和说明，但是，对于本领域技术人员而言，很显然，不脱离上述原理可以对本发明在设置和细节上进行改变。因此，我们要求对权利要求的精神和范围内的所有的变化和改变的权利。

工业可应用性

如上所述，根据本发明的光栅元件，当衍射光栅元件应用于光学通信系统的典型环境温度范围-20℃至+80℃之中时，温度控制机构可省掉或简化。

Claims (48)

1.一种衍射光栅元件，包括：

具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及

相对于第二表面在第一表面侧上形成的并且基本上与第一表面平行的衍射光栅；

其中，在-20℃至+80℃的温度范围内的任意温度下，衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率与包围此衍射光栅元件的媒质的折射率的温度系数的和为0。

2.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在第一表面上形成的。

3.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是由第一表面支持的。

4.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板中形成的。

5.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中透明平板是由添加了杂质的硅玻璃制作的。

6.如权利要求5所述的衍射光栅元件，其中杂质是Ge、P和B中的任意一种元素。

7.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中透明平板是由添加了杂质的硅玻璃或结晶玻璃制作的。

8.如权利要求7所述的衍射光栅元件，其中杂质是元素Ti。

9.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中透明平板是将具有不同的线膨胀系数的多种光学玻璃层叠而组成的。

10.如权利要求9所述的衍射光栅元件，其中形成衍射光栅的透明平板部分是由硅玻璃制作的。

11.如权利要求9所述的衍射光栅元件，其中材料在透明平板的厚度方向上的分布是对称的。

12.如权利要求11所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板的厚度方向上在中心处形成的。

13.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中透明平板是由在厚度方向上以不同的浓度添加杂质的硅玻璃形成的。

14.如权利要求13所述的衍射光栅元件，其中杂质是Ge、P和B中的任意一种元素。

15.如权利要求13所述的衍射光栅元件，其中形成衍射光栅的透明平板部分是由硅玻璃制作的。

16.如权利要求13所述的衍射光栅元件，其中材料在透明平板的厚度方向上的分布是对称的。

17.如权利要求16所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板的厚度方向上在中心处形成的。

18.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中衍射效率基本上是偏振不相关的。

19.如权利要求1所述的衍射光栅元件，其中：

媒质是空气；并且

衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率为0.63×10^-6/K至1.23×10^-6/K。

20.一种衍射光栅元件，包括：

具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及

相对于第二表面在第一表面侧上形成并且基本上与第一表面平行的衍射光栅；

其中：

所述衍射光栅元件置于空气中；并且

衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率为0.65×10^-6/K至1.11×10^-6/K。

21.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在第一表面上形成的。

22.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是由第一表面支持的。

23.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板中形成的。

24.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中透明平板是由添加了杂质的硅玻璃制作的。

25.如权利要求24所述的衍射光栅元件，其中杂质是Ge、P和B中的任意一种元素。

26.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中透明平板是将具有不同的线膨胀系数的多种光学玻璃层叠而组成的。

27.如权利要求26所述的衍射光栅元件，其中形成衍射光栅的透明平板部分是由硅玻璃制作的。

28.如权利要求26所述的衍射光栅元件，其中材料在透明平板的厚度方向上的分布是对称的。

29.如权利要求28所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板的厚度方向上在中心处形成的。

30.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中透明平板是由在厚度方向上以不同的浓度添加杂质的硅玻璃形成的。

31.如权利要求30所述的衍射光栅元件，其中杂质是Ge、P和B中的任意一种元素。

32.如权利要求30所述的衍射光栅元件，其中形成衍射光栅的透明平板部分是由硅玻璃制作的。

33.如权利要求30所述的衍射光栅元件，其中材料在透明平板的厚度方向上的分布是对称的。

34.如权利要求33所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板的厚度方向上在中心处形成的。

35.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中衍射效率基本上是偏振不相关的。

36.如权利要求20所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率为0.80×10^-6/K至0.95×10^-6/K。

37.一种衍射光栅元件，包括：

具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及

相对于第二表面在第一表面上形成并且基本上与第一表面平行的衍射光栅；

其中：

所述衍射光栅元件置于密封的气体或真空中；并且

衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率为2.4×10^-7/K或以下。

38.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅单位长度周期对温度变化的变化率为1.2×10^-7/K或以下。

39.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在第一表面上形成的。

40.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是由第一表面支持的。

41.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板中形成的。

42.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中透明平板是由添加了杂质的硅玻璃或结晶玻璃制作的。

43.如权利要求42所述的衍射光栅元件，其中杂质是元素Ti。

44.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中透明平板是将具有不同的线膨胀系数的多种光学玻璃层叠而组成的。

45.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中形成衍射光栅的透明平板部分是由硅玻璃制作的。

46.如权利要求44所述的衍射光栅元件，其中材料在透明平板的厚度方向上的分布是对称的。

47.如权利要求46所述的衍射光栅元件，其中衍射光栅是在透明平板的厚度方向上在中心处形成的。

48.如权利要求37所述的衍射光栅元件，其中衍射效率基本上是偏振不相关的。

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