CN102073103B - 基于亚波长二元衍射光栅的波长分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长二元衍射光栅的波长分离器的实现方法，该波长分离器由三个亚波长二元衍射光栅和一块纯石英玻璃片组合实现：一个结构为凹字型，材料为SIyNx的亚波长二元透射光栅被制作在一个纯石英片的下端面，另两个结构为弓字型，材料为金或银的亚波长二元反射光栅被制作在一个纯石英片的上端面，并且等距离的分别位于亚波长二元透射光栅的左右两侧，与其形成一个倒三角型。本发明所需的亚波长二元衍射光栅器件具有制作工艺简单成熟，制作成本低廉的优点，而且整个波长分离的原理和过程都十分简单易行，可以立即得到实际的应用，产生经济效益。

Description

基于亚波长二元衍射光栅的波长分离器
技术领域
本发明属于光波导器件技术领域，可用于制造简单高效的光分波/合波器以及光滤波器。
背景技术
分波器/合波器是波分复用(DWDM)系统中的关键器件和当前集成光学器件研究的热点之一。各种不同材料、不同原理的分波器/合波器被设计制造。随着波分复用系统和集成光学器件研究的深入与应用的发展，分波器/合波器的成本和体积越来越受到关注。
亚波长光栅元器件已经得到广泛的研究与应用，制作成本低，结构微小等特性使各个实验室和机构对亚波长光栅的兴趣并没有减少。亚波长光栅元件结构微小，非常适合应用于集成光学器件。
随着通信领域复用技术的发展，许多光分波合波技术涌现出来。例如，参见[中国专利200380102389光合分波器和光合分波器的制造方法]是利用平面镜层与滤光层的多次反射将多个波长区的光信号分波到各波长区中，此方法的不足在于，构成器件众多，互相之间角度难于调节，且多次反射光损耗大。一般的光分路器能支持的光路有限，参见[光电子·激光.第18卷第8期2007年8月新型低损耗1×3光分路器的优化设计和电子科技大学学报.第33卷第1期2004年2月一种新型低损耗1×4光分路器的设计]和[中国专利200920136402全息光栅型1×2分波器]，对于现在高度复用系统，将众多的不用波段光分离出来需要支持宽波段的分波技术。将亚波长光栅结构应用于分波器/合波器，可以降低制作成本，而且亚波长光栅的制作技术已经很成熟，可以直接应用于生产。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于亚波长二元衍射光栅的波长分离器，包括结构为凹字型、材料为SIyNx的亚波长二元透射光栅，结构均为弓字型、材料为金或银的第一亚波长二元反射光栅和第二亚波长二元反射光栅以及纯石英片；
所述亚波长二元透射光栅通过折射率匹配液粘附在所述纯石英片的下端面；
所述第一亚波长二元反射光栅和第二亚波长二元反射光栅通过折射率匹配液粘附在所述纯石英片的上端面；并且等距离的分别位于亚波长二元透射光栅的左右两侧。
所述亚波长二元透射光栅的折射率随x、y取值的不同在1.8-2.2之间变化。
所述第一亚波长二元反射光栅和第二亚波长二元反射光栅，若其材料为金，则折射率为0.22-6.12i；若其材料为银，则折射率为0.2545-6.57i。
所述亚波长二元透射光栅、第一亚波长二元反射光栅和第二亚波长二元反射光栅的周期均略小于或等于入射光波长，其长度应大于或等于周期的1000倍；当入射光波长为光纤通信用的波长1.55um时，光栅的周期取1.5um，长度不小于1.5mm。
所述纯石英片的长度大于或等于所述亚波长二元透射光栅、第一亚波长二元反射光栅和第二亚波长二元反射光栅的长度之和，纯石英片的厚度大于或等于1cm。三个亚波长衍射光栅通过折射率与石英的折射率相匹配的光学胶与石英片的上下端面粘接在一起。
首先，根据光栅方程，不同波长的入射光经过光栅衍射后的衍射角不同的原理，位于纯石英片的下端面的亚波长二元透射光栅使包含多个波长的入射光根据波长的不同以不同的角度，高效地透射进纯石英片中。
然后，通过设定位于纯石英片的下端面的亚波长二元透射光栅与位于纯石英片的上端面的两个亚波长二元反射光栅之间的相对位置以及纯石英片的厚度，使纯石英片中对应不同波长的，不同角度的透射光经过在纯石英片中的传输后，某一束或是全部照射到位于纯石英片的上端面的两个亚波长二元反射光栅上。
最后，位于纯石英片的上端面的两个亚波长二元反射光栅将纯石英片中对应不同波长的不同角度的入射光高效反射后，垂直于纯石英片的下端面射出，实现入射光的波长分离。
本发明所需的亚波长二元衍射光栅器件具有制作工艺简单成熟，制作成本低廉的优点，而且整个波长分离的原理和过程都十分简单易行，可以立即得到实际的应用，产生经济效益。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明：
图1为由一个亚波长二元透射光栅、两个亚波长二元反射光栅以及一块纯石英片组合实现的光分波/合波器的实验装置示意图；
图2为由一个亚波长二元透射光栅、一个亚波长二元反射光栅以及一块纯石英片组合实现的光滤波器的实验装置示意图。
附图标记：
1-亚波长二元透射光栅，2-纯石英片，
3-第一亚波长二元反射光栅，4-第二亚波长二元反射光栅。
具体实施方式
实施例一
图1所示为由一个亚波长二元透射光栅、两个亚波长二元反射光栅以及一块纯石英片组合实现的光分波/合波器的实验装置。该装置所采用的元件包括：亚波长二元透射光栅1、纯石英片2、第一亚波长二元反射光栅3、第二亚波长二元反射光栅4。其中，亚波长二元透射光栅1结构为凹字型，材料为SIyNx；第一亚波长二元反射光栅3与第二亚波长二元反射光栅4相同，结构均为弓字型，材料均为金或银。
构成该装置的以上器件之间的位置：亚波长二元透射光栅1通过折射率匹配液粘附在纯石英片2的下端面，第一亚波长二元反射光栅3与第二亚波长二元反射光栅4通过折射率匹配液粘附在纯石英片2的上端面，并且等距离的分别位于亚波长二元透射光栅1的左右两侧，与其形成一个倒三角型结构。
亚波长二元透射光栅1的调制区为凹字型结构，其折射率随x、y取值的不同可以在1.8-2.2之间变化。根据光栅方程，亚波长二元透射光栅1使包含多个波长的入射光根据波长的不同以不同的角度，高效地透射进纯石英片2中。
通过设定亚波长二元透射光栅1、第一亚波长二元反射光栅3及第二亚波长二元反射光栅4之间的相对位置以及纯石英片2的厚度，使纯石英片2中对应不同波长、不同角度的透射光经过在纯石英片2中的传输后，某一束或是全部照射到第一亚波长二元反射光栅3及第二亚波长二元反射光栅4上。
第一亚波长二元反射光栅3及第二亚波长二元反射光栅4的调制区均为弓字型结构，由金属材料金或银组成，其折射率分别为0.22-6.12i和0.2545-6.57i。此两个亚波长二元反射光栅将纯石英片2中对应不同波长的不同角度的入射光高效反射后，垂直于纯石英片2的下端面射出，实现入射光的波长分离。
第一亚波长二元反射光栅3及第二亚波长二元反射光栅4的间距等于亚波长二元透射光栅1的长度。
上述的三个亚波长衍射光栅的周期均略小于或等于入射光波长，其长度应大于或等于周期的1000倍。当入射光波长为光纤通信用的波长1.55um时，光栅的周期取1.5um，长度不小于1.5mm。
纯石英片2的长度大于或等于上述的三个亚波长衍射光栅的长度之和，纯石英2的厚度大于或等于1cm。三个亚波长衍射光栅通过折射率与石英的折射率相匹配的光学胶与纯石英片2的上下端面粘结在一起。
实施例二
图2所示为由一个亚波长二元透射光栅、一个亚波长二元反射光栅以及一块纯石英片组合实现的光滤波器的实验装置。该装置所采用的元件为：亚波长二元透射光栅1、纯石英片2、第一亚波长二元反射光栅3。其中，亚波长二元透射光栅1结构为凹字型，材料为SIyNx；第一亚波长二元反射光栅3结构为弓字型，材料为金或银。
构成该装置的以上器件之间的位置：亚波长二元透射光栅1通过折射率匹配液粘附在纯石英片2的下端面，第一亚波长二元反射光栅3通过折射率匹配液粘附在纯石英片2的上端面，位于亚波长二元透射光栅1的左侧或右侧，与其形成一个Z字型结构。
亚波长二元透射光栅1的调制区为凹字型结构，由SIyNx材料组成，其折射率随x、y取值的不同可以在1.8-2.2之间变化。根据光栅方程，亚波长二元透射光栅1使包含多个波长的入射光根据波长的不同以不同的角度，高效地透射进纯石英片2中。
通过设定亚波长二元透射光栅1与第一亚波长二元反射光栅3之间的相对位置以及纯石英片2的厚度，使纯石英片2中对应不同波长、不同角度的透射光经过在纯石英片2中的传输后，只有含特定波长的那束光才能经过第一亚波长二元反射光栅3的衍射后垂直于纯石英片2的下端面射出纯石英片2。
第一亚波长二元反射光栅3的调制区均为弓字型结构，由金属材料金或银组成，其折射率分别为0.22-6.12i和0.2545-6.57i。
第一亚波长二元反射光栅3与位于纯石英片2的下端面的亚波长二元透射光栅1的位置相邻。
纯石英片2的长度大于或等于上述的两个亚波长衍射光栅的长度之和，纯石英2的厚度大于或等于1cm。两个亚波长衍射光栅通过折射率与石英的折射率相匹配的光学胶与纯石英片2的上下端面粘结在一起。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于亚波长二元衍射光栅的波长分离器，其特征在于，包括结构为凹字型、材料为SIyNx的亚波长二元透射光栅(1)，结构均为弓字型、材料均为金或银的第一亚波长二元反射光栅(3)和第二亚波长二元反射光栅(4)以及纯石英片(2)；
所述亚波长二元透射光栅(1)通过折射率匹配液粘附在所述纯石英片(2)的下端面；
所述第一亚波长二元反射光栅(3)和第二亚波长二元反射光栅(4)通过折射率匹配液粘附在所述纯石英片(2)的上端面；并且等距离的分别位于亚波长二元透射光栅(1)的左右两侧；
所述亚波长二元透射光栅(1)的折射率随x、y取值的不同在1.8-2.2之间变化；
所述第一亚波长二元反射光栅(3)和第二亚波长二元反射光栅(4)，若其材料为金，则折射率为0.22-6.12i；若其材料为银，则折射率为0.2545-6.57i；
所述亚波长二元透射光栅(1)、第一亚波长二元反射光栅(3)和第二亚波长二元反射光栅(4)的周期均略小于或等于入射光波长；
所述纯石英片(2)的长度大于或等于所述亚波长二元透射光栅(1)、第一亚波长二元反射光栅(3)和第二亚波长二元反射光栅(4)的长度之和，纯石英片(2)的厚度大于或等于1cm。
2.如权利要求1所述的波长分离器，其特征在于，所述第一亚波长二元反射光栅(3)和第二亚波长二元反射光栅(4)的间距等于所述亚波长二元透射光栅(1)的长度。
3.如权利要求1所述的波长分离器，其特征在于，所述亚波长二元透射光栅(1)、第一亚波长二元反射光栅(3)和第二亚波长二元反射光栅(4)的长度大于或等于周期的1000倍；当入射光波长为光纤通信用的波长1.55um时，光栅的周期取1.5um，长度不小于1.5mm。
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