CN111656248A

CN111656248A - 用于光调控的单块体腔

Info

Publication number: CN111656248A
Application number: CN201880087998.XA
Authority: CN
Inventors: G·拉布罗伊莱; B·德诺勒; O·皮内尔
Original assignee: Galabus
Current assignee: Galabus; Cailabs SAS
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2020-09-11
Also published as: FR3076356B1; US20200333532A1; WO2019129518A1; US11391889B2; FR3076356A1; EP3732525A1

Abstract

本发明涉及通过在由均质透明材料制成的单块体的至少两个反射表面上多次反射光辐射来调控所述光辐射的器件。该器件包括在块体表面上的第一区域和第二区域，以用于注入待调控的所述光辐射以及用于在调控之后提取所述光辐射。至少，反射表面中的一个是微结构化的，以进行确定的空间相位变换。

Description

用于光调控的单块体腔

技术领域

本发明涉及通过一系列空间相位改变来调控光辐射的器件，每次空间相位改变之后接着是光辐射的自由传输。

本发明的技术领域涉及一种调控光辐射的集成紧凑的光学器件。

背景技术

在G.Labroille、P.Jian、N.Barré、B.Denolle以及J.Morizur于光纤通信会议上发表的文章“Mode Selective 10-Mode Multiplexer based on Multi-Plane LightConversion”，(OSA技术摘要(在线)(美国光学学会、2016年)、论文Th3E.5)中，以多通道腔的形式实现了一种用于调控光辐射的光学器件的实施方案。腔由反射镜和单个反射相位板形成。用于调控光辐射的连续的相位分布都印在单个反射相位板上。光辐射从单模光纤阵列(该单模光纤阵列形成器件的输入级)注入，然后在相位板与反射镜之间反射数次，最后从输出多模光纤(该输出多模光纤形成器件的输出级)提取。

为了获得功能性光学器件，将所有组件以其位置和取向的非常高的精度布置在公共支撑台上。组装这种器件的传统流程首先使用可调节的反射镜固定架或相位板安装台以到达最佳位置，然后通过粘合过程固定所述最佳位置，例如，利用紫外线粘合剂。更确切地说，反射镜和相位板以平行位置组装在支撑台上，以形成腔。入射光辐射从输入级的光纤注入到由此形成的腔中，并且在腔的输出处检测光辐射的强度。以所有可用的自由度精细地调节不同组件之间的相对位置和取向，以使检测到的光输出强度最大化。通过反射镜固定架和相位板安装台来暂时固定该最佳相对位置和取向。最后，应用粘合剂层以固定组件相对于支撑台的最佳位置。

这种方法具有一定的有效性，然而也存在几个缺点。与光场相互作用数次的组件(例如反射镜和相位板)，需要非常精确的位置、取向和稳定性。与所需位置或取向的最小偏差会在很大程度上影响校准的精度，并且对器件的正常工作具有重大影响。

粘合剂由于其热膨胀系数而具有某些限制。由于粘合剂的热膨胀不同于光学组件的热膨胀，校准的变化与温度相关。因此，通过粘合剂组装的器件对温度变化较为灵敏。另外，当在恶劣条件下不能很好地应用或使用粘合剂时，可能会发生分离。

本发明的目的在于通过紧凑的结构来克服在提高稳定性和抵抗性方面的上述缺点。本发明的又一目的是简化形成器件的光学组件的校准。最后，本发明可以实现光学器件的大批量制造。

发明内容

为了实现这些目的中的一个，本发明的目标提出了通过在由均质透明材料制成的单块体(monolithic block)的至少两个反射表面上多次反射光辐射来调控所述光辐射的器件，该器件包括：

-在所述块体的一个表面上的第一区域，所述第一区域用于注入待调控的所述光辐射，

-在所述块体的一个表面上的第二区域，所述第二区域用于在调控之后提取所述光辐射，

-至少一个反射表面是微结构化的，以对所述光辐射进行确定的空间相位变换。

这样的构造能够避免在反射部件上使用粘合剂，从而通过单个元件执行相位调控和反射。这样的构造还具有以下优点：与包括反射镜的器件相比，需要更少的接合表面。与反射镜相比，单块体的反射表面的位置准确性、取向和稳定性以及组装的简便性得到提高。

根据本发明的其他有利和非限制性特征，可以单独考虑或在任何技术上可行的组合中考虑以下特征：

·第一区域和第二区域是分开的且可互换的；

·第一区域和第二区域合并为一个区域；

·第一区域和第二区域布置在所述块体的相同表面上；

·第一区域和第二区域布置在所述块的不同表面上；

·第一区域和第二区域各自构造为处于相对于反射表面成α角的倾斜位置，以对于注入到单块体的注入光辐射具有零入射角，并且对于从单块体提取光辐射具有零输出角；

·第一区域和/或第二区域构造为与反射表面对准，以对于注入单块体内部的光辐射具有非零入射角，使得不同波长的光辐射由于色散效应而分离；

·包括组装到第一区域和/或第二区域的至少一根光纤或光纤阵列；

·包括用于调控光纤出射的光辐射的尺寸和发散的至少一个光学组件；

·包括用于使光纤出射的光辐射准直的至少一个微透镜；

·至少一根光纤粘合到单块体的第一区域和/或第二区域，并且通过相位调控表面对光纤出射的光辐射进行整形；

·至少一根光纤经由中间介质粘合到单块体的第一区域和/或第二区域；

·至少一根光纤通过液体粘合到单块体的第一区域和/或第二区域，所述液体的折射率与单块体的材料的折射率相同；

·单块体的材料呈现双折射。

附图说明

通过对实施方案的详细描述和附图，其他的优点和特征将变得显而易见，这些实施方案绝不是限制性的，在附图中：

图1是根据本发明的器件的第一实施方案的示意图，

图2是根据本发明的器件的第二实施方案的示意图，

图3是根据本发明的器件的第三实施方案的示意图，

图4是根据本发明的器件的第四实施方案的示意图，

图5是根据本发明的器件的第五实施方案的示意图。

具体实施方式

为了简化描述，在本发明的各种公开的实施方案中，相同的附图标记用于相同的元件或提供相同功能的元件。

为了清楚起见，本申请将光辐射定义为由电磁场的至少一种模式形成的辐射，每种模式包括电磁场的振幅、相位、偏振的空间频率分布。

因此，光辐射的改变或调控是指光辐射的至少一种模式的空间频率变换。

辐射的“形状”定义为模式的振幅和相位的横向分布，或者组成该辐射的模式的横向的振幅和相位的分布的组合。

图1是用于调控光辐射(特别是用于改变光辐射的形状)的器件的第一非限制性实施方案的示意图。图1所示的器件(100)包括由均质透明材料制成的单块体(monolithicblock)(101)。

单块体(101)是具有两个平行的平坦表面(130和140)的平行六面体的形式，所述两个平行的平坦表面(130和140)分别被两个高反射率涂层(133和144)覆盖，以形成腔。通常，光学领域中的“腔”一词是指布置有反射表面的光学共振器，光在反射表面之间反射多次，从而产生一定共振频率的驻波。然而在本说明书中，由于光反射多次然后出射，而不必在腔内部产生驻波，腔的含义更为广泛。

第一表面(140)部分地被高反射率涂层(144)覆盖，以起到反射的作用。没有被高反射率涂层(144)覆盖的其他区域被抗反射涂层覆盖，以分别形成用于注入光辐射(110)的第一区域(141)和用于提取光辐射(120)的第二区域(142)。抗反射涂层提高了光的透射效率并避免了光功率的损耗。在第一区域和第二区域之间，光辐射在两个反射层(133和144)之间反射数次。有利地，光辐射反射四次或四次以上，例如8次或更多、10次或更多、12次或更多、14次或更多，甚至20或更多次。还可以在两个不同的表面上具有第一区域和第二区域，例如，第一区域(141)在第一表面(140)，第二区域(142)在第二表面(130)上。另外，由于光路的可逆性，第一区域和第二区域是可互换的，例如，第二区域(142)可以用于光辐射注入，而第一区域(141)可以用于光辐射提取。

表面(130)配置为相位调控表面，该表面在每次相互作用(即，反射)时对光辐射进行确定的空间相位变换。例如，表面(130)可以在波长尺度上被微结构化，使得其可以对光辐射的空间相位进行修改。为此，表面(130)在每个反射位置(1301、1302、1303和1304)处呈现微结构化表面，使得每个反射位置具有改变辐射的空间相位的空间相位分布。

“微结构化表面”是指，例如，表面可以由尺寸在几微米至几百微米的“像素”组成。相对于限定表面的平均平面，每个像素具有高度，高度通常达到几微米或几百微米。

直接对单块体的表面进行微结构化是特别有利的，因为这可以消除与光学元件的粘合及光学元件相对于彼此的相对位置有关的问题。

在该实施方案中，第一区域(141)配置为相对于表面(140)成α角的倾斜位置。该倾斜位置可以通过例如在单块体(101)的表面(140)上切割边缘来实现。α角选择为这样的值：使得注入光辐射的入射角相对于第一区域(141)的倾斜表面为零。从第二区域(142)提取调控之后的光辐射，第二区域(142)也配置为处于相对于表面(140)成α角的倾斜位置。零入射角能够避免不同波长的光辐射在交界处由于色散而导致的分离。因此，具有不同波长的辐射在腔内部遵循相同的几何光路。

在该实施方案中，对于注入光辐射和提取光辐射的功能，第一区域(141)和第二区域(142)是可互换的。另外，平行六面体的形式绝不是限制性的。可以设想具有由多个表面限定的任何其他形式(具有至少两个反射表面以形成腔)的变体实施方案。

图2是用于调控光辐射的器件的第二非限制性实施方案的示意图。仅针对该实施方案相对于第一实施方案的不同之处来描述。单块体(200)包括平坦表面(130)以及凹形或弯曲表面(240)。这两个表面是平行的，并且分别被两个高反射率涂层(133和244)覆盖，以形成腔。

表面(240)部分地被高反射率涂层(244)覆盖。区域(241)被抗反射涂层覆盖，以形成用于注入光辐射(110)的第一区域，所述光辐射在位置(2301和2303)处被平坦表面(130)向前反射并在位置(2302)处被平坦表面(130)向后反射。每个反射位置具有空间相位分布，以改变光辐射的空间相位。最后，抗反射涂覆区域(241)还用作提取调控之后的光辐射(120)的第二区域。凹形或弯曲表面(244)能够使注入光(110)和提取光(120)穿过相同的抗反射涂覆区域(241)，以便将第一区域和第二区域合并为一个区域。

另外，在该实施方案中，注入光辐射(110)的入射角相对于区域(241)的弯曲表面为零，以避免不同波长的光辐射由于色散而导致的分离。因此，具有不同波长的辐射在单块体腔内部遵循相同的方向。

图3是用于调控光辐射的器件的第三非限制性实施方案的示意图。图3所示的器件(300)包括图1中的器件(100)的所有组件。唯一的区别在于第一区域(141)和第二区域(142)平行于表面(140)。由于第一区域(141)不处于倾斜位置，注入光辐射(110)需要具有非零入射角，以能够在数次反射之后从第二区域(142)提取输出光辐射(120)。

器件(300)包括由块状色散介质制成的单块体(301)，在单块体(301)内部，折射率是光波长的函数。由于光辐射(110)的入射角不为零，具有不同波长的光辐射的折射角在交界处由于色散效应而不同。由于辐射在单块体(301)内部传输，角度差导致具有不同波长的光辐射的光路的空间分离。

为了简化图示，在图3中仅示出了具有分离的光路的两种不同波长的光辐射。在多频率辐射的实际应用中，角度/空间分离取决于辐射之间的波长差异。实线表示具有第一波长的光束，该光束在反射层(133)上的位置(1301、1302、1303和1304)处被反射。而虚线表示具有第二波长(第二波长与第一波长不同)的光辐射，该光辐射在反射层(133)上的位置(1305、1306和1307)处被反射。如在第一实施方案中所解释的，由于表面130在每个反射位置(1301-1307)处具有微结构化表面，每个分离的反射位置(1301-1307)可以具有独立且不同的空间相位分布，以在每个反射位置处改变辐射的空间相位。另外，所赋予的空间相位取决于折射率，该折射率也与波长有关。因此，可以分别且独立地调控具有不同波长的光辐射。数次反射之后，在第二区域(142)处提取具有不同波长的辐射。

具有不同波长的光辐射的分离也可以在图2所示的腔构造(具有一个平坦表面和一个弯曲表面形成的腔)中实现。注入光辐射(110)需要相对于区域(241)具有非零入射角，以能够在调控(120)之后从相同的区域(241)提取光辐射120。

图4是用于调控光辐射的器件400的第四非限制性实施方案的示意图。腔构造可以是图1-图3中提到的任何一种。与图1-图3中的实施方案(其中通过自由传输将光辐射提供给块体)不同，图4显示了从光纤(450)提供光辐射的实施方案。第一区域(441)和/或第二区域(442)用作光纤与腔之间的交界面。光纤可以直接或者经由某种类型的中间介质附接至交界面。直接附接的方法的优点是稳定性和紧凑性的提高。

直接附接的一个示例是通过粘合剂粘合。在该过程中，利用粘合剂将光纤直接粘合到第一区域和/或第二区域。根据光纤端面的不同轮廓(通常为PC、UPC或APC的形式)，需要将交界面处理为具有相应的不同形式，以容纳光纤端面的不同轮廓。图4显示了具有成角度的物理接触的形式的光纤端面(452)。相应地，以这样的容纳角度切割第一区域(441)。优选地，使用折射率与单块体的材料中的一种相匹配的粘合剂。此外，还可以经由中间介质(例如作为桥接的透明材料)，将光纤端面粘合到单块体。

光纤出射的光辐射随着传输而发散。相位调控表面(130)能够通过对发散的光辐射进行空间相位变换来实现对光辐射整形的功能。

此外，还可以在光纤与单块体之间添加至少一个光学组件，以对光辐射整形。一个示例是微透镜，以使光纤出射的光辐射准直。然而，可以通过在不同的纵向和横向位置布置的所有类型的光学组件，来实现光辐射的所有其他尺寸和发散。

在以上段落中，示出了用于调控光辐射的器件的不同结构。在以下段落中，将说明器件的每个组件的制造。

单块体由均质基底材料制成，所述均质基底材料对于所应用的波长呈现较高的透射率。为了具有较高的热稳定性，还期望呈现较低的热膨胀系数。满足上述标准的不同种类的材料(例如玻璃、或聚合物、或陶瓷、甚至半导体)都可以用作制造单块体的基底材料。

在第一实施方案和第二实施方案的情况下，其中光辐射遵循相同的光路，单块体优选地由具有低色散系数的材料制成，以避免与光辐射的不同波长相关的分离。这在1500nm-1600nm的波长范围的通信应用中特别有用。

在第三实施方案的情况下，优选地使用具有高色散系数的材料来有效地分离具有不同模式、特别是不同波长的光辐射的光路。

可以利用各种制造工艺(例如，机械加工、蚀刻、压制或模制)来使基底材料的表面微结构化，以获得所需的形式。

基底材料的一个具体特征是双折射。存在一类材料，双折射是其固有特征，例如石英或方解石。还有另一类材料，双折射是其诱发特征，例如机械应力下的聚合物。

根据光辐射进入单块体腔的入射角，光辐射可以在相同的光路中传输，或者通过不同的偏振分为不同的光路。由于光辐射沿着不同的光路传输，当光辐射被腔的相位调控表面反射时，也存在二次空间分离。如前所述，每个分离的反射位置可以具有独立且不同的空间相位分布，以根据光辐射的模式参数(例如波长、偏振)来改变光辐射的空间相位。因此，可以分别且独立地调控具有不同偏振的光辐射。

在所有上述实施方案和示例中，腔仅包括一个相位调控表面。也可以使腔的两个反射表面均由相位调控微结构化表面制成。因此，每个表面上的反射都对光辐射进行空间相位变换。

在上述实施方案中，通过表面上的高反射涂层(例如电介质涂层或金属涂层)实现反射。

反射也可以通过全内反射实现，全内反射取决于单块体的材料的折射率以及光束的入射角。

图5是用于调控光辐射的器件的第五非限制性实施方案的示意图。图5所示的器件(500)包括由均质透明材料制成的单块体(501)，与外部介质层(533和544)相比，单块体(501)在交界处具有较高的折射率。单块体(501)是具有两个平行的平坦表面(530和540)的平行六面体形式。侧表面(560和561)被抗反射涂层覆盖，以分别形成用于注入光辐射(510)的第一区域(541)和用于提取光辐射(520)的第二区域(542)。在第一区域541处的入射角大到使得折射的光辐射以大于全内反射的临界角的角度入射到平坦表面(530)，从而使光辐射在单块体腔内部的平行的平坦表面(530和540)之间反射数次。

Claims

1.一种用于调控光辐射的器件，通过在由均质透明材料制成的单块体的至少两个反射表面上多次反射光辐射来调控光辐射，所述器件包括：

2.根据权利要求1所述的用于调控光束的器件，其中，所述第一区域和所述第二区域是分开的且能够互换的。

3.根据权利要求1所述的用于调控光束的器件，其中，所述第一区域和所述第二区域合并为一个区域。

4.根据权利要求1所述的用于调控光束的器件，其中，所述第一区域和所述第二区域布置在所述块体的相同表面上。

5.根据权利要求1所述的用于调控光束的器件，其中，所述第一区域和所述第二区域布置在所述块体的不同表面上。

6.根据权利要求1所述的用于调控光束的器件，其中，所述第一区域和所述第二区域各自构造为处于相对于反射表面成α角的倾斜位置，以对于注入光辐射具有零入射角，并且对于从单块体提取光辐射具有零输出角。

7.根据权利要求1所述的用于调控光束的器件，其中，所述第一区域和/或所述第二区域构造为与反射表面对准，以对于注入单块体内部的光辐射具有非零入射角，使得不同波长的光辐射由于色散效应而分离。

8.根据权利要求1所述的用于调控光束的器件，包括组装到第一区域和/或第二区域的至少一根光纤或光纤阵列。

9.根据权利要求8所述的用于调控光束的器件，包括用于调控光纤出射的光辐射的尺寸和发散的至少一个光学组件。

10.根据权利要求8所述的用于调控光束的器件，包括用于使光纤出射的光辐射准直的至少一个微透镜。

11.根据权利要求8所述的用于调控光束的器件，其中，所述至少一根光纤或光纤阵列粘合到单块体的第一区域和/或第二区域，并且通过相位调控表面对光纤出射的光辐射进行整形。

12.根据权利要求8所述的用于调控光束的器件，其中，所述至少一根光纤经由中间介质粘合到单块体的第一区域和/或第二区域。

13.根据权利要求8所述的用于调控光束的器件，其中，所述至少一根光纤通过液体粘合到单块体的第一区域和/或第二区域，所述液体的折射率与单块体的材料的折射率相同。

14.根据前述权利要求的任一项所述的用于调控光束的器件，其中，所述单块体的材料呈现双折射。