CN110346856B - 一种棱镜光栅及波分复用器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种棱镜光栅及波分复用器。该棱镜光栅包括：沿光线传输方向依次光路连接的棱镜、胶水层和金光栅，所述金光栅的周期d_C满足：1um≥d_C≥0.4um；所述金光栅的凹槽深度g_C满足：0.4um≥g_C≥0.1um；所述金光栅的厚度h_C满足：1μm≥hc≥0.1μm；hc＞gc。该光栅具有较高的光谱分辨率，能够提高光纤通信的带宽容量，该棱镜光栅用于波分复用器，棱镜光栅有助于提高波分复用的带宽。

Description

一种棱镜光栅及波分复用器

技术领域

本申请涉及一种棱镜光栅及波分复用器，属于光通信领域。

背景技术

5G通信是指在5G网络下进行数据传输的第五代移动通信技术，其传输速度的理论峰值可达每秒数10Gb，比4G网络的传输速度快数百倍。2020年我国将实现5G通信技术商用，5G时代所需基站数量将是4G时代的约4～5倍，带宽是4G时代的10倍。而5G基站间的密集组网，需要应用大量的光纤、光缆，对光网络需求量大增，且要求更高。通信的远程传输需利用光纤进行，随着5G网络通信的通信容量大幅提高需同步提高光纤通信带宽容量。现有提高光纤通信带宽容量的方法为波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)。

波分复用方法：在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)，将两种或多种不同波长的光载波信号汇合在一起，将汇合后的光载波信号耦合到同一根光纤中进行光线路传输；光载波信号经光纤传输至接收端后，由解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将汇合的光载波信号分离，再由光接收机作处理后恢复为原信号。不同波段光载波信号携带不同信息，通过光纤传输实现对多信息传输。

在同一根光纤中同时传输至少两个不同波长光信号的技术，称为波分复用。波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器(也称合波/分波器)分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。波分复用的通信带宽受限于波分复用器的光谱分辨率。

随着5G通信技术的发展，波分复用器需同时处理更多路不同波长的光载波信号，显然现有波分复用器的分辨率已无法满足日益增长的通信速度需求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种棱镜光栅，该棱镜光栅的光谱分辨率大于1500线/毫米，衍射效率大于90％，其可用于波分复用器，能有效提高光纤通信的带宽容量。

所述棱镜光栅，其特征在于，包括：沿光线传输方向依次光路连接的棱镜、胶水层和金光栅；

所述金光栅的周期d_C满足：

1um≥d_C≥0.4um

所述金光栅的凹槽深度g_C满足：

0.4um≥g_C≥0.1um

所述金光栅的厚度h_C满足：

所述棱镜光栅的光谱分辨率为大于1500线/毫米，衍射效率大于90％。

可选地，所述棱镜满足：

2.0≥n_A≥1.4

120°≥θ_A≥60°

其中，n_A表示所述棱镜的折射率，θ_A表示所述棱镜的光入射面与所述胶水层的夹角。

可选地，所述胶水层满足：

2.0≥n_B≥1.4

100um≥h_B≥10um

其中，n_B表示所述胶水层的折射率，h_B表示所述胶水层的厚度。

可选地，光从空气入射至所述棱镜的入射角θ₁满足：

actan(n_A)+5°≥θ₁≥actan(n_A)-10°

其中，n_A表示所述棱镜的折射率。

可选地，光从所述棱镜入射至胶水的入射角θ₃满足：

actan(n_B/n_A)+5°≥θ₃≥actan(n_B/n_A)-10°。

其中，n_A表示所述棱镜的折射率，n_B表示所述胶水层的折射率。

可选地，光穿过所述胶水层入射至金光栅的入射角θ₄满足以下条件：

acsin(λ/2d_Cn_B)+3°≥θ₄≥acsin(λ/2d_Cn_B)-3°。

优选地，所述胶水层设置于所述棱镜最大内角的任一边上。

根据本申请的又一个方面，提供了所述棱镜光栅在5G通信中的应用，所述5G通信中的通信波段在1.50um至1.58um范围内。

本申请提供棱镜光栅中金光栅的衍射效率可接近于100％，入射、出射棱镜的光反射率均接近于零；通信波段在1.50um至1.58um范围内时，整个棱镜光栅的衍射效率大于90％。该实施例的光谱分辨率为，1000/0.588＝1700线/毫米。

本申请中“金光栅”，是指表面镀设Au元素的光栅光学器件。

本申请中光栅光谱分辨率的定义：光栅光谱分辨率P＝jN，N是光栅线对，j为衍射级次，根据实际使用条件选择，例如设j＝1。

本申请的另一方面还提供了一种波分复用器，包括如上述的任一项所述的棱镜光栅和入射光学系统，所述入射光学系统与所述棱镜光栅的入射光面光路连接。

本申请能产生的有益效果包括：

本申请所提供的棱镜光栅，其光谱分辨率大于1500线/毫米，衍射效率大于90％。可以用于光通信领域，尤其对于传输数据更多的5G通信，由于光谱分辨率更高，该棱镜光栅先比现有平面光栅，提高光纤通信的带宽容量。该棱镜光栅用于波分复用器，棱镜光栅有助于提高波分复用的带宽。

附图说明

图1为本申请一种实施方式中棱镜光栅的主视图；

图2为本申请一种实施方式中金光栅的结构示意图；

图3为本申请一种实施方式中金光栅的衍射效率与光栅深度的关系；

图4为本申请一种实施方式中在空气和棱镜交界面的反射率；

图5为本申请一种实施方式中在棱镜和胶水交界面的反射率；

图6为本申请一种实施方式中金光栅的衍射效率与入射光波长的关系。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

以下结合附图对本申请的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本申请的范围及其应用。

如图1所示，一种棱镜光栅包括沿光传输方向依次光路连接的棱镜A、胶水层B和金光栅C。胶水层B粘接棱镜A和金光栅C，得到整体结构的棱镜光栅。该棱镜光栅的光谱分辨率大于1500线/毫米，衍射效率大于90％。

所述棱镜A的最大内角θ_A满足：120°≥θ_A≥60°。胶水层B设置于所述棱镜A最大内角θ_A的任一边上；本领域技术人员可根据需要在现有技术中，选取所需器件组装可得到波分复用器。

光线在棱镜A与胶水层B相接界面的入射角θ₃达到较高滤波分辨率。优选地，棱镜A满足以下条件：

2.0≥n_A≥1.4

胶水层B优选地，胶水层B满足以下条件：

2.0≥n_B≥1.4

100um≥h_B≥10um。

此时，金光栅C的光谱分辨率达到最优；胶水层B透过率较高且器件为稳定性较高。

本申请提棱镜光栅中通过设置金光栅C，可实现仅在棱镜的单侧内角最大边上设置该金光栅C提高该波分复用器的分辨率，适应5G通信要求。金光栅C中光栅凹槽深度相同均为g_C。

优选地，金光栅C满足以下条件：

1um≥d_C≥0.4um

0.4um≥g_C≥0.1um

1um≥h_C≥0.4um

h_C>g_C

其中，d_C表示金光栅的周期；h_C表示金光栅的厚度；g_C表示所述金光栅的深度。其中厚度是指金光栅整体厚度，深度是指金光栅中各光栅槽的深度。具体参见图2所示。

此时，棱镜光栅对光谱分辨率达到较高且可避免漏光情况的发生，提高器件使用安全性，简化光栅加工过程。

根据本领域公知常识可知，棱镜光栅波分复用器应用于TM偏振的通信波段的光谱，本申请中所用光默认为TM偏振光。入射光可通过现有各类光学器件入射，例如光纤，本领域技术人员仅需根据需要设置所需光学系统，即可使光纤输出光入射该波分复用器中的棱镜光栅中。

光在介质的交界面会存在反射和折射，为了降低光在交界面的反射率，需要使入射光满足布鲁斯特角，此时光的反射率接近于0，如图3所示。因此，光从空气中入射至棱镜A的入射角θ₁满足以下条件：

actan(n_A)+5°≥θ₁≥actan(n_A)-10°

此时，能避免光信息损失或丢失，提高光信息处理能力。

同样地，为了降低光在棱镜和胶水交界面的反射率，如图4所示，光从棱镜入射至胶水层B的入射角θ₃满足布鲁斯特角条件：

actan(n_B/n_A)+5°≥θ₃≥actan(n_B/n_A)-10°

此时，能避免光信息损失或丢失，提高光信息处理能力。

本申请提供的棱镜光栅，通常用于-1级Littrow装置时光的衍射效率最大，光从胶水入射至金光栅C的入射角θ₄满足以下条件：

acsin(λ/2d_Cn_B)+3°≥θ₄≥acsin(λ/2d_Cn_B)-3°

本申请提出了一种棱镜光栅其可用于波分复用器，波分复用器的通信带宽容量受限于波分复用器的光谱分辨率。通过提高棱镜光栅光谱分辨率来提升波分复用器的通信带宽容量，以满足5G光网络对通信带宽容量的更大需求。光栅光谱分辨率P为：

P＝jN

其中j表示衍射级次，N表示光栅线对。

光栅波分复用器用于-1级Littrow装置时，入射光经光栅衍射后原路返回即：

j＝1

N＝1000/d

因此为了提高光谱分辨率，需要减小光栅的周期d。

用于-1级Littrow装置还需要满足以下条件：

2n_Bd_Csinθ₄＝λ

其中n_B表示入射光所在胶水的折射率，d_C表示光栅的周期，θ₄表示光栅的入射角，其最大值为90度，λ表示入射光的波长，其在通信波段为1.55um左右，通信波段范围的衍射效率如图5所示。

除了光谱分辨率外，棱镜光栅的另一个重要指标是光栅的衍射效率。通过控制棱镜A的光入射面与胶水层B面的夹角θ_A，使得光在交界面的折射在布鲁斯特角附近，此时光的反射率接近于零，从而提高金光栅C的衍射效率。

最终，本申请提供的棱镜光栅用于波分复用器，其光谱分辨率大于1500线/毫米，衍射效率大于90％。常规的光栅光谱分辨率为1200线/毫米。因此本申请可以提高光栅的光谱分辨率，进而提高波分复用器的通信带宽容量。

本申请的另一方面还提供了一种波分复用器，包括：如上述棱镜光栅和入射光学系统，所述入射光学系统与所述棱镜光栅的入射光面光路连接。

本领域技术人员可根据需要，以组装为波分复用器为目的，将该棱镜光栅与其他光学器件进行连接，以得到波分复用器。该波分复用器能更准确的区分大量光载信息，提高信息处理能力，适应5G数据处理容量要求。

实施例

本实施例中棱镜光栅如图1所示，包括沿光线传输方向依次光路连接的棱镜A、胶水层B和金光栅C。棱镜A的最大内角包括两边，其中一边与胶水层B的一面相接。胶水层B的另一面与金光栅C相接。

本实施例中各部件参数列于表1。

表1

部件	折射率nA	夹角θA
				A	1.444	86°
部件	折射率nB	厚度hB
				B	1.541	25.0um
部件	厚度hC	深度gC	周期dC
				C	0.4um	0.25um	0.588um

本实施例中，光在各交界面上的入射角和出射角列于表2。

表2

空气与棱镜入射角θ1	棱镜折射角θ2	棱镜与光胶入射角θ3	光胶内部光栅入射角θ4
				45.7°	29.7°	57.7°	66.3°

采用严格耦合波理论按表1～2中参数模拟本实施例中提供的棱镜光栅，进行理论计算结果如图3～6所示。

参见图3，是本实施例金光栅C的衍射效率与金光栅C中光栅深度的关系。由图3可见当光栅深度为0.22um至0.25um之间时衍射效率接近于100％。

参见图4，是本实施例在空气和棱镜交界面的反射率，由图4可见当入射角θ₁在布鲁斯特角附近时，反射率接近于零。

参见图5，是本实施例在棱镜和胶水层交界面的反射率，由图5可见当入射角θ₃在布鲁斯特角附近时，反射率接近于零。

棱镜光栅制作完成后，使用1550nm波长激光通过光纤准直器以利特罗角入射至棱镜光栅，测量返回光的功率，得到整个棱镜光栅的效率为93％左右。该测试的效率，包括两个表面的反射和金光栅的衍射。

参见图6，为本申请实施中金光栅的衍射效率与入射光波长的关系，由图6可见，通信波段在1.50um至1.58um范围内时，金光栅的衍射效率大于98％；按照以上测试方法，实际测量棱镜光栅在整个波段的衍射效率大于90％。该实施例的光谱分辨率为，1000/0.588＝1700线/毫米，即该棱镜光栅能在1500nm波长下区分0.882nm的特征。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (6)

1.一种棱镜光栅，其特征在于，包括：沿光线传输方向依次光路连接的棱镜、胶水层和金光栅；所述胶水层设置于所述棱镜最大内角的任一边上；

所述金光栅的周期d_C满足：

1μm≥d_C≥0.4μm；

所述金光栅的凹槽深度g_C满足：

0.4μm≥g_C≥0.1μm；

所述金光栅的厚度h_C满足：

1μm≥h_C≥0.1μm；

h_C＞g_C；

所述棱镜满足：

2.0≥n_A≥1.4

120°≥θ_A≥60°；

其中，n_A表示所述棱镜的折射率，θ_A表示所述棱镜的光入射面与所述胶水层的夹角；

所述胶水层满足：

2.0≥n_B≥1.4；

100μm≥h_B≥10μm；

其中，n_B表示所述胶水层的折射率，h_B表示所述胶水层的厚度。

2.根据权利要求1所述的棱镜光栅，其特征在于，光从空气入射至所述棱镜的入射角θ₁满足：

arctan(n_A)+5°≥θ₁≥arctan(n_A)-10°；

其中，n_A表示所述棱镜的折射率。

3.根据权利要求1所述的棱镜光栅，其特征在于，光从所述棱镜入射至胶水的入射角θ₃满足：

arctan(n_B/n_A)+5°≥θ₃≥arctan(n_B/n_A)-10°；

其中，n_A表示所述棱镜的折射率，n_B表示所述胶水层的折射率。

4.根据权利要求1所述的棱镜光栅，其特征在于，光穿过所述胶水层入射至金光栅的入射角θ₄满足以下条件：

arcsin(λ/2d_Cn_B)+3°≥θ₄≥arcsin(λ/2d_Cn_B)-3°；

n_B表示所述胶水层的折射率，d_C表述所述金光栅的周期。

5.一种波分复用器，其特征在于，包括如权利要求1～4中任一项所述的棱镜光栅和入射光学系统，所述入射光学系统与所述棱镜光栅的入射光面光路连接。

6.权利要求1～4任一项所述棱镜光栅在5G通信中的应用，所述5G通信中的通信波段在1.50μm至1.58μm范围内。

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