CN114077002A - 透射型衍射光栅及相关设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种偏振无关的透射型衍射光栅及相关设备。透射型衍射光栅包括层叠设置的透明衬底及光栅结构，光栅结构包括至少两层光栅层，光栅结构中设于透明衬底上的最底层的光栅层由高折射率材料制成，除最底层的光栅层以外的每层光栅层由高折射率材料或低折射率材料制成，且相邻的两层光栅层的制成材料不同，低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]，由低折射率材料制成的光栅层的厚度范围为[100,400]nm，光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm。透射型光栅在利特罗角附近、宽入射角度范围内均具备高衍射效率和偏振无关性质。

Description

透射型衍射光栅及相关设备
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，特别涉及一种透射型衍射光栅及相关设备。
背景技术
全光网络(All Optical Network，简称AON)，即信号在网络中的传输、交换、放大过程中始终以光信号的形式存在，没有经过电的处理，仅仅在进出网络时才进行电-光和光-电的转换。AON是以光纤为光传播介质构成的直接光纤通信网络，从而不受传统网络中电子设备响应慢的束缚，降低了网络延时，同时降低了系统功耗。基于密集波分复用(DenseWavelength Division Multiplexing，简称DWDM)技术的AON，可实现高速大容量的信息传输和处理，是当前通信技术发展的趋势。
AON使用光交换节点取代传统网络的电节点。为了满足网络流量的动态需求，光交换节点需要具备按需分配资源的能力，即动态配置上下波业务，支撑AON的灵活性；同时由于网络业务的增多，光交换节点需要具备多维的上下波端口，充分利用波分复用技术的网络容量，进行多维业务调度。因此，光交换节点由可重构光分插复用器(ReconfigurableOptical Add-Drop Multiplexer，简称ROADM)构成。ROADM是一种在光纤通信网络中添加、阻挡、穿通、或重定向不同波长光信号的设备，通过远程重构，可以根据需要任意动态地配置上路或者下路业务波长，实现业务的灵活调度。波长选择开关(Wavelength SelectiveSwitch，简称WSS)是实现多维，上下路灵活的ROADM的关键模块。波长选择开关可以将任意输入端口、任意波长的光信号经过解复用后，无阻塞地调度到任意输出端口。
衍射光栅是WSS中实现波分解复用的常用衍射光学器件。WSS中的衍射光栅通常采用偏振无关的并具非常高衍射率(通常要求大于90％)的衍射光栅，以降低WSS中的光损耗。然而，偏振无关光栅往往具有非常深的光栅结构，制作困难且不利于衍射光栅的小型化。另外，衍射光栅的衍射效率和偏振响应特性对入射角度敏感，若入射角度偏离利特罗角，衍射效率则会下降。其中，上述利特罗角为，与衍射角相同时的入射角。如此，通信波段响应、满足宽入射角度范围的高衍射效率非偏振依赖的衍射光栅的设计是当前的一个技术难题。
发明内容
本申请实施例提供了一种能够满足宽入射角度范围的高衍射效率的偏振无关的透射型衍射光栅及具所述透射型衍射光栅的波长选择开关。
第一方面，本申请提供了一种偏振无关的透射型衍射光栅，包括层叠设置的透明衬底及光栅结构，所述光栅结构包括至少两层光栅层，其中，所述光栅结构中设于所述透明衬底上的最底层的光栅层由高折射率材料制成，除所述最底层的光栅层以外的每层所述光栅层由高折射率材料或低折射率材料制成，且相邻的两层所述光栅层的制成材料不同，所述低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，所述高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]，由所述低折射率材料制成的光栅层的厚度范围为[100,400]nm，所述光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，所述光栅结构的占空比范围为[50％,60％]，所述光栅结构的线密度不小于965线/mm。
相邻的两层所述光栅层的制成材料不同，包括两种情况，第一种情况：相邻的两层的所述光栅层的制成材料不同但折射率特性相同；第二种情况：相邻的两层的所述光栅层的制成材料不同且折射率特性不相同。可以理解为，相邻两层光栅层的制成材料的特性可以都是低折射率材料，也可以都是高折射率材料；还可以其中一层是低折射率材料，另一层是高折射率材料，但无论上述哪种情况，两者都需采用不完全相同的材料制成的。换言之，相邻光栅层之间的折射率是不同的。
衍射光栅的表面设有多个沟槽从而于衍射光栅上形成多个光栅脊。多个沟槽呈亚波长量级周期性结构。其中，所述光栅线密度，是指每毫米光栅的沟槽(或狭缝、或刻痕)数，单位(line/mm)；所述占空比，是指在一个光栅周期内，光栅脊的宽度与光栅周期的比值；所述光栅周期，又称光栅常数，即光栅两沟槽之间的距离，光栅周期为光栅线密度的倒数。
第一方面提供的透射型衍射光栅，由于光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，且所述低折射率材料制成的光栅层的厚度范围为[100，400]nm，即所述低折射率材料制成的所有光栅层之和的总厚度范围为[100，400]nm，所述光栅结构靠近所述透明衬底的最底层的光栅层由所述高折射率材料制成，应用在光通信C波段[1524,1575]nm，对于TE和TM偏振模式的入射光束，并入射光束的入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内，其中，θ为利特罗角，透射型衍射光栅-1级的最低衍射效率大于92％，最高偏振损耗小于0.2dB，即TE和TM偏振模式的入射光束的衍射效率小于0.2dB。另外，相较于传统的光栅结构的总厚度大于1700nm，本申请的光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，有效降低了透射型衍射光栅在光栅结构与透明衬底层叠方向上的厚度及光栅结构上的沟槽深度，有利于透射型衍射光栅的小型化以及降低透射型衍射光栅的制作难度。
根据第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述光栅结构包括第一光栅层及第二光栅层，所述第二光栅层夹设于所述第一光栅层与所述透射衬底之间，所述第一光栅层的厚度范围为[240,330]nm，所述第二光栅层的厚度范围为[1000,1120nm]nm，实现针对光通信C波段[1524,1575]nm的入射光束的入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内时，光栅-1级的最低衍射效率超过96％,最高偏振损耗小于0.1dB。相较于传统的双层光栅的光栅结构(通常厚度范围大于1700nm),光栅结构的厚度较小，并降低了光栅结构的刻蚀难度。由于每层光栅层的厚度均有公差，若光栅结构的层数越多，则累计公差越大。相较于三层以上的传统光栅结构，本申请的光栅结构的层数仅为两层，减小了叠层之间的累计公差，有利于提高透射型衍射光栅的衍射效率及光传输质量。
根据第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述高折射率材料包括TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的一种，所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、CaF2、LiF、MgF2、NaF、SrF2、冰晶石中的一种。
根据第一方面或第一方面的第一种至第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述光栅结构包括依次设置的第一光栅层、第二光栅层及第三光栅层，所述第三光栅层夹设于所述透明衬底与所述第二光栅层之间，所述第二光栅层由所述低折射率材料制成，所述第一光栅层由所述高折射率材料制成，如此，光栅结构仅由三层光栅层组成，减少了光栅结构的叠层之间的公差，进一步提高了透射型衍射光栅的衍射效率。
根据第一方面或第一方面的第一种至第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第一光栅层的厚度范围为[20,45]nm，所述第二光栅层的厚度范围为[150,230]nm，所述第三光栅层的厚度范围为[1030,1090]nm，实现针对光通信C波段[1524,1575]nm的入射光束的入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内，光栅-1级的最低衍射效率超过96％,最高偏振损耗小于0.1dB。
根据第一方面或第一方面的第一种至第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述光栅结构包括依次设置的第一光栅层、第二光栅层及第三光栅层，所述第三光栅层夹设于所述透明衬底与所述第二光栅层之间，所述第二光栅层由所述高折射率材料制成，所述第一光栅层由所述低折射率材料制成，所述第三光栅层与所述第二光栅层的制成材料不同，如此，光栅结构仅由三层光栅层组成，减少了光栅结构的公差，进一步提高了透射型衍射光栅的衍射效率。
根据第一方面或第一方面的第一种至第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述第一光栅层的厚度范围为[200,350]nm，所述第二光栅层的厚度范围为[420,620]nm，所述第三光栅层的厚度范围为[485,720]nm，实现针对光通信C波段[1524,1575]nm的入射光束的入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内时，光栅-1级的最低衍射效率超过96％,最高偏振损耗小于0.1dB。
根据第一方面或第一方面的第一种至第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述高折射率材料包括TiO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4中的一种，所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、CaF2、LiF、MgF2、NaF、SrF2、冰晶石中的一种。
根据第一方面或第一方面的第一种至第七种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述透明衬底包括熔融石英。
第二方面，本申请实现方式还提供一种波长选择开关，包括光输入端口、光输出端口、光偏转部件及如上第一方面所述的任一种透射型衍射光栅，所述光输入端口用于输入入射光束，所述透射型衍射光栅用于将所述入射光束进行分波或合波，所述光偏转部件用于经所述透射型衍射光栅分波或合波后的光束进行选择性地偏转以切换到相应的光输出端口进行输出。
其中，入射光束包括两个或两个以上的波长光信号，所述透射型衍射光栅用于将所述入射光束进行空间分离而形成两个或两个以上不同波长的子光束。或者，入射光束为多个，多个入射光束经光输入端口输入并入射至透射型衍射光栅，透射型光栅对多个入射光束进行合波而成为一个处理光束。
第二方面提供的波长选择开关，由于透射型衍射光栅的衍射效率大于92％，最高偏振损耗小于0.2dB，极大地提高了波长选择开关的光传输效率及质量。
根据第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述光输入端口与所述光输出端口均包括光纤端口及与所述光纤端口一一对应的准直镜，经所述光输入端口的光纤端口输入的入射光束，经所述光输入端口的准直镜准直处理后输送至所述透射型衍射光栅；经所述光偏转部件偏转处理后的处理光束到达相应的光输出端口的准直镜,再经光输出端口的光纤端口输出，如此，进一步提高波长选择开关的光传输质量及效率。
根据第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式中，在第二方面的第二种可能的实现方式中，包括偏振光学部件，从光输入端口入射的入射光束，经所述偏振光学部件调整偏振态后再入射至所述透射型衍射光栅，从而提高光传输质量。
根据第二方面或第二方面的第一种至第二种可能的实现方式中，在第二方面的第三种可能的实现方式中，包括光束整形部件，经所述偏振光学部件调整偏振态后的入射光束入射至光束整形部件进行整形，再入射至所述透射型衍射光栅，进一步提高光传输质量。
根据第二方面或第二方面的第一种至第三种可能的实现方式中，在第二方面的第四种可能的实现方式中，经所述光偏转部件偏转处理后的子光束再经过透射型衍射光栅进行合波后再经所述光输出端口输出，使得波长选择开关具有分波及合波功能。
第三方面，本申请实现方式还提供一种光通信设备，包括上述第二方面所述的波长选择开关。其中，该光通信设备可以是光交换节点，具体为可重构光分插复用器ROADM，ROADM可以包括多个波长选择开关，波长选择开关可以由上述第二方面的波长选择开关实现。
附图说明
图1为本申请提供的全光网络系统的架构示意图；
图2a为本申请一实施方式提供的波长选择开关的侧视图；
图2b为图2a所示的波长选择开关的俯视图；
图2c为本申请一实施方式提供的波长选择开关的可能结构示意图；
图3为本申请第一实施方式提供的透射型衍射光栅的叠层结构示意图；
图4a为TE偏振模式入射光束入射至图3所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率梯度图；
图4b为TM偏振模式入射光束入射至图3所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率梯度图；
图5为图3所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率与入射波长关系示意图；
图6为图3所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率与入射角度关系示意图；
图7为图3所示的透射型衍射光栅的入射角度与偏振损耗的关系示意图；
图8为本申请第二实施方式提供的透射型衍射光栅的叠层结构示意图；
图9a为TE偏振模式入射光束入射至图3所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率梯度图；
图9b为TM偏振模式入射光束入射至图3所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率梯度图；
图10为图8所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率与入射波长关系示意；
图11为图8所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率与入射角度关系示意图；
图12为图8所示的透射型衍射光栅的入射角度与偏振损耗的关系示意图；
图13为本申请第三实施方式提供的透射型衍射光栅的叠层结构示意图；
图14a为TE偏振模式入射光束入射至图13所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率梯度图；
图14b为TM偏振模式入射光束入射至图13所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率梯度图；
图15为图13所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率与入射波长关系示意图；
图16为图13所示的透射型衍射光栅的-1级衍射效率与入射角度关系示意图；
图17为图13所示的透射型衍射光栅的入射角度与偏振损耗的关系示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本申请提供一种全光网络系统(All Optical Network，简称AON)200，包括骨干网络环201及接入网络环203。骨干网络环201包括多个光交换节点2011(也可以称为全光节点)。全光网络系统200为基于密集波分复用技术的系统，光交换节点2011采用可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplex,简称ROADM)，其能够根据需要任意动态地配置上路或者下路业务波长，实现业务的灵活调度。接入网络环203包括多个用户终端2031。接入网络环203通过光交换节点2011与骨干网络环201进行上下波业务。其中，上下波业务是指接入网络环203通过光交换节点2011向骨干网络环201传输光信号，及骨干网络环201通过光交换节点2011向接入网络环203传输光信号。接入网络环203是指骨干网络环201到用户终端2031之间的所有设备。用户终端2031可以是指提供到用户的语音和/或数据连接的设备，也可以被连接到诸如膝上型计算机或台式计算机等的计算设备，或者其可以是诸如个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)等的独立设备，在此不作限定。
采用ROADM式的光交换节点2011包括多个波长选择开关50。波长选择开关50能够实现接入网络环203和骨干网络环201之间光信号的任意交叉互联，并能够动态调整全光网络200中各光交换节点2011的上下波长，实现全光网络200中各光交换节点2011间的波长资源分配。可以理解，采用ROADM式的光交换节点2011还可以包括其他模块，例如光纤放大器、组播开关(Multicast Switch，简称MCS)、阵列波导光栅等等，在此不作赘述。
更为具体的，请参阅图2a，图2a为本申请一实施方式中提供的波长选择开关的侧视图,波长选择开关50包括光输入端口51、光输出端口52、透射型衍射光栅53、光偏转部件54、第一透镜组55、第二透镜组56、偏振光学部件57及光束整形部件58。
光输入端口51用于输入入射光束，所述入射光束包括两个或更多个波长的光信号。透射型衍射光栅53用于将入射光束进行空间分离而形成两个或更多个不同波长的子光束，换而言之，透射型衍射光栅53用于将具两个或更多个波长光信号的入射光束在空间上分离成两个或更多个具有单一波长的单波长光信号(单波长的子光束)。光偏转部件54用于将多个不同波长的子光束进行选择性地偏转并切换到相应的光输出端口52进行输出。第一透镜组55、第二透镜组56与光束整形部件58用于对在波长选择开关50中传播的光束进行整形，以提高光信号在波长选择开关50的传输质量。可以理解，图2a中仅示意性地示出一个光输入端口51与一个光输出端口52，光输入端口51的数量可以为两个或两个以上，光输出端口52的数量可以为两个或两个以上。
入射光束(如图2a中所示意的入射光束L)经光输入端口51及第一透镜组55后入射至偏振光学部件57，经偏振光学部件57调整偏振态后的入射光束入射至透射型衍射光栅53。
请结合参阅图2b，图2b为图2a所示的波长选择开关的俯视图。入射光束经透射型衍射光栅53空间分离成不同波长的子光束(如图2b中的所示意的M1……MN)，即进行分波(亦称分束)。不同波长的子光束经过第二透镜组56、光束整形部件58后进入光偏转部件54。光偏转部件54将不同波长的子光束进行选择性地偏转，例如通过改变该等子光束的反射角度或折射角度后，使得该等子光束的传输方向发生改变。
请再次参阅图2a,经光偏转部件54偏转后的不同波长的子光束经由光束整形部件58、第二透镜组56后入射至透射型衍射光栅53。透射型衍射光栅53对不同波长的子光束进行合波(亦称合束)。合波得到后的光束经偏振光学部件57、第一透镜组55，再传输至光输出端口52进行输出。由于经透射型衍射光栅53分波后得到的不同波长的子光束，经由光偏转部件54偏转后，再经过透射型衍射光栅53进行合波后输出至光输出端口52，如此，使得波长选择开关50具有分波与合波的功能。
光输入端口51与光输出端口53均可以包括光纤端口513及准直镜515。光纤端口513用于外接光纤。准直镜515位于光纤端口513与第一透镜组55之间。每个准直镜515与光纤端口513一一对应，用于执行准直处理，提高波长选择开关50中的光传输质量及效率。
可以理解，光输入端口51与光输出端口52可以省略准直镜515；光输入端口51与光输出端口52可以设置在同一个部件中，波长选择开关50通过添加光反射部件(例如曲面反射部件等)等光学器件折叠光路，从而减小波长选择开关50的占用空间。
可以理解，波长选择开关50可仅具有分波的功能，在另一实施方式中，请参阅图2c,波长选择开关50包括光输入端口51、光输出端口52、透射型衍射光栅53及光偏转部件54。光输入端口51用于输入入射光束，所述入射光束包括两个或更多个波长的光信号。透射型衍射光栅53用于将入射光束进行空间分离而形成多个不同波长的子光束，换而言之，透射型衍射光栅53用于将具多个波长光信号的入射光束在空间上分离成多个具有单一波长的单波长光信号(单波长的子光束)。例如，通过光输入端口51输入入射光束(如图2c所示的L)，入射光束具有两个或更多个波长的多波长光信号，经过透射型衍射光栅53后可以形成空间上分离的多个不同波长的子光束(M1……，MN-1，MN)；这些子光束经过光偏转部件54调制后，例如通过分别改变该等子光束(多个单波长光信号包括的各单波长光信号)的反射角度或折射角度后，使得该等子光束的传输方向发生改变，从而可以使得每个子光束输出至期望的光输出端口52。
可以理解，波长选择开关50中可仅具有合波的功能，在又一实施方式中，入射光束的数量为两个或更多个，两个或更多个入射光束的波长可以相同也可以不相同，该等入射光束经光输入端口51入射后通过透射型光栅53进行合波，光偏转部件54将经透射型光栅53合波处理后的光束进行偏转切换至光输出端口52输出。可见，波长选择开关50可根据其内部光路设计，具有分波及/或合波功能。
为了提高波长选择开关50内传输的光信号的质量，还可以根据需要增加设置一些光学器件并对波长选择开关50内的光学器件进行灵活排布，波长选择开关50还可以包括其他光学器件，例如，透镜组、棱镜、光学晶体、偏振光学元件等等,在一实施方式中，波长选择开关50还包括棱镜及/或反射镜，使得光束能够多次通过透射型衍射光栅53，提高波长选择开关50的分光能力，有利于波长选择开关50的小型化；棱镜可以与透射型衍射光栅53胶合成为整体，以减少装调元件数量、补偿非线性色散效应等等。
衍射光栅的表面上通常设有多个沟槽从而于衍射光栅上形成多个光栅脊，多个沟槽呈亚波长量级周期性结构，入射至衍射光栅的入射光束的光信号，通过衍射光栅的每个沟槽的衍射和各沟槽之间的干涉，光信号的振幅和相位或二者之一受到周期性空间调制，从而使入射光束分光或合波。
光信号入射至衍射光栅，可产生不同的衍射级次，满足如下光栅方程，如公式(1)：
mλ＝d(sinα±sinθ) 公式(1)
其中，m为衍射级次，m是一个整数，取值为0，±1，±2，……；λ为入射的光信号波长；d为光栅常数(又称光栅周期)，即衍射光栅的两沟槽之间的距离，光栅常数也是光栅线密度的倒数。所述光栅线密度，是指每毫米衍射光栅上的沟槽数，单位(line/mm)。
α为入射角，θ为衍射角。当入射角与衍射角相同时，衍射光栅的效率最高，此时的角度称为利特罗角(Littrow angle)。利特罗角可通过公式(2)得到：
θL＝α＝θ＝arcsin(mλ/2d) 公式(2)
对光栅方程，即公式(1)进行微分，得到光栅角色散公式，参见公式(3)。衍射光栅的色散能力为将不同颜色的光信号的出射角度分开的能力，从公式(3)可知，衍射光栅的色散能力与光栅线密度成正比，与光栅常数成反比：
dθ/dλ＝m/dcosθ 公式(3)
入射光束的光信号的偏振态通常以两个正交分量来描述。对于一个分量，电场矢量垂直于入射平面；该成分通常被表示为“TE”偏振，并且可选地可以被称作“S偏振”。对于另一个分量，磁场矢量垂直于入射平面；该成分通常被表示为“TM”偏振，并且可选地可以被称作“P偏振”。通常，偏振态可以由TE与TM偏振分量的比值，以及TE与TM偏振分量之间的相位来充分表征。
一方面，光信号从光纤耦合进入波长选择开关时，偏振态不可预知，而衍射光栅往往是对入射的光信号的偏振态具有很强的敏感性，使得波长选择开关的偏振损耗(不同偏振态光学插损差异)会很大。如此，波长选择开关中的衍射光栅通常选用偏振无关的衍射光栅。然而，通常偏振无关光栅具有非常深的光栅结构，使得衍射光栅的制作困难。由于偏振无关光栅具有非常深的光栅结构，使得衍射光栅的厚度较大，如此，不利于衍射光栅及波长选择开关的小型化。
另一方面，采用密集波分复用技术的全光网络系统还要求波长选择开关的衍射光栅在光纤通信波段(例如光通信C波段[1524,1575]nm)具有高衍射效率(通常要求大于90％)，以降低波长选择开关中的光损耗。而衍射光栅的衍射效率和偏振响应特性对入射角度往往是敏感的，入射角度偏离利特罗角，衍射光栅的衍射效率则会下降。而入射光束中具不同波长的光信号，不同波长的光信号在衍射光栅的入射角度各不同。
基于此，本申请提供了一种透射型衍射光栅，应用于光通信C波段[1524,1575]nm，其在利特罗角附近、宽入射角度范围内均具备高衍射效率和偏振无关性质。透射型衍射光栅包括层叠设置的透明衬底及光栅结构，所述光栅结构包括至少两层光栅层，其中，所述光栅结构中设于所述透明衬底上的最底层的光栅层由高折射率材料制成，除所述最底层的光栅层以外的每层所述光栅层由高折射率材料或低折射率材料制成，且相邻的两层所述光栅层的制成材料不同，所述低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，所述高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]，由所述低折射率材料制成的光栅层的厚度范围为[100,400]nm，所述光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，所述光栅结构的占空比范围为[50％,60％]，所述光栅结构的线密度不小于965线/mm。所述占空比，是指在一个光栅周期内，光栅脊的宽度与光栅周期的比值。
相邻的两层所述光栅层的制成材料不同，包括两种情况，第一种情况：相邻的两层的所述光栅层的制成材料不同但折射率特性相同；第二种情况：相邻的两层的所述光栅层的制成材料不同且折射率特性不相同。换言之，相邻光栅层之间的折射率是不同的。
由于光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，且所述低折射率材料制成的光栅层的厚度范围为[100,400]nm，所述光栅结构靠近所述透明衬底的最底层的光栅层由所述高折射率材料制成，实现在光通信C波段[1524,1575]nm，对于TE和TM偏振模式的入射光束，入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内，其中，θ为利特罗角，透射型衍射光栅-1级的最低衍射效率大于92％，最高偏振损耗小于0.2dB，即TE和TM偏振模式的入射光信号的衍射效率小于0.2dB。另外，相较于传统的光栅结构的总厚度大于1700nm，本申请的光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，有效降低了透射型衍射光栅的厚度及沟槽深度，有利于透射型衍射光栅的小型化以及降低透射型衍射光栅的制作难度。
可以理解，每一层光栅层可以分解为等效折射率的多层子光栅层，例如，多层折射率相近的介质材料构成的多层子光栅层。
可以理解，所述至少两层光栅层包括两层或两层以上的光栅层，例如，四层、五层、六层或更多的光栅层。
以下针对详细的实施方式，对透射型衍射光栅作进一步的说明。
请参阅图3，本申请第一实施方式提供的透射型衍射光栅53包括层叠设置的透明衬底531及光栅结构535。光栅结构535包括第一光栅层5351及第二光栅层5353，第二光栅层5353夹设于第一光栅层5351与透明衬底531之间。透明衬底531由熔融石英制成。第一光栅层5351由低折射率材料制成，第二光栅层5353由高折射率材料制成。所述低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，所述高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]。所述高折射率材料包括TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的一种，所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、CaF2、LiF、MgF2、NaF、SrF2、冰晶石中的一种。光栅结构53的占空比范围为[50％，60％]，光栅结构53的线密度不小于965线/mm，用于提高透射型衍射光栅53的色散能力。
第一光栅层5351的厚度范围为[240,330]nm，第二光栅层5353的厚度范围为[1000,1120]nm，相较于传统的透射型衍射光栅的光栅结构(通常厚度范围大于1700nm),第一实施方式提供的光栅结构535的厚度较小，降低了光栅结构53的刻蚀难度。由于每层光栅层的厚度均有公差，若光栅结构的层数越多，则累计公差越大。相较于三层以上的传统光栅结构，本申请第一实施方式提供的光栅结构535仅为两层，减小了叠层之间的累计公差，有利于提高透射型衍射光栅53的衍射效率及光传输质量。
光栅结构535上设有贯穿第一光栅层5351与第二光栅层5353的多个沟槽501，从而于光栅结构535上形成多个光栅脊503。沟槽501用于对入射光束L进行衍射。如图3所示，光栅脊503的宽度为w，光栅常数为d，w与d的比值为透射型衍射光栅53的占空比。
如图3所示，入射光束L从第一光栅层5351一侧入射，经第二光栅层5353后，从透明衬底531后出射。入射光束L包括两个或更多个波长光信号。入射光束L通过透射型衍射光栅53分离成不同波长的子光束(图3仅示例性地出一个子光束)。可以理解，入射光束L也可以从透明衬底531一侧入射，经第二光栅层5353后，再从第一光栅层5351出射。
采用严格耦合波理论模型优化，得到TE和TM两种偏振入射光信号的衍射效率与两层光栅结构(包括第一光栅层与第二光栅层)厚度的典型梯度图，请参阅图4a与图4b，可以得到在第一光栅层5351的厚度为[240,330]nm，第二光栅层5353厚度为[1000,1120]nm时，TE、TM两种偏振模式的入射光束的衍射效率可同时达到大于96％，并且两种偏振模式的入射光束的衍射效率差异较小。
请参阅图5，在光通信C波段[1524，1575]nm的范围内，对于入射角度为48°的TE和TM偏振模式入射光束，透射型衍射光栅35的-1级衍射效率超过96％。
请参阅图6，入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]的范围内的入射光束，透射型衍射光栅53的-1级衍射效率超过96％，其中，θ为利特罗角。需要说明的是，图5-图6中的实线为透射型衍射光栅53对于TE偏振入射光束入射时的衍射效率，虚线为透射型衍射光栅53对于TM偏振光束入射时的衍射效率。
请参阅图7，对于入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内的入射光束，透射型衍射光栅53的偏振损耗(Polarization Dependent Loss,简称PDL)小于0.1dB。
请参阅图8，本申请第二实施方式提供的透射型衍射光栅53包括层叠设置的透明衬底531及光栅结构535，光栅结构535包括依次设置的第一光栅层5351、第二光栅层5353及第三光栅层5355，第三光栅层5355夹设于透明衬底531与第二光栅层5353之间，且第三光栅层5355由高折射率材料制成，第二光栅层5353由低折射率材料制成，第一光栅层5351由高折射率材料制成。所述低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，所述高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]。所述高折射率材料包括TiO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4中的一种，所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、CaF2、LiF、MgF2、NaF、SrF2、冰晶石中的一种。光栅结构53的占空比范围为[50％，60％]，光栅结构53的线密度不小于965线/mm。光栅结构535仅由三层光栅层组成，减少了光栅结构535的叠层之间的累计公差，进一步提高了透射型衍射光栅535的衍射效率。
第一光栅层5351的厚度范围为[20,45]nm，第二光栅层5353的厚度范围为[150,230]nm，第三光栅层5355的厚度范围为[1030,1090]nm。相较于传统的透射型衍射光栅的光栅结构(通常厚度范围大于1700nm),第二实施方式提供的光栅结构535的厚度较小，降低了光栅结构53的刻蚀难度。且光栅结构535的厚度仅为三层，减小了叠层之间的公差，有利于提高透射型衍射光栅53的衍射效率及光传输质量。
光栅结构535设有贯穿第一光栅层5351、第二光栅层5353及第三光栅层5355的沟槽501，用于对入射光束L进行衍射。如图8所示，入射光束L从第一光栅层5351一侧入射，经第二光栅层5353及第三光栅层5355后，从透明衬底531后出射。入射光束L包括两个或更多个波长光信号。入射光束L通过透射型衍射光栅53分离成不同波长的子光束(图8仅示例性地出一个子光束)。可以理解，入射光束L也可以从透明衬底531一侧入射，经第三光栅层5355、第二光栅层5353后，从第一光栅层5351出射。
采用严格耦合波理论模型优化，得到TE和TM两种偏振入射光束的衍射效率与三层光栅结构(包括第一光栅层5351、第二光栅层5353及第三光栅层5355)厚度的典型梯度图，请参阅图9a与图9b，可以得到在第一光栅层5351的厚度为30nm，第二光栅层5353的厚度为[150,230]nm，第三光栅层5355厚度为[1030,1090]nm时，TE、TM两种偏振模式的入射光束的衍射效率可同时达到大于96％，并且两种偏振的衍射效率差异较小。
请参阅图10，在光通信C波段[1524，1575]nm的范围内，对于入射角度为48°的TE和TM偏振入射光束，透射型衍射光栅35的-1级衍射效率超过96％。
请参阅图11，对于入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内的入射光束，其中，θ为利特罗角，透射型衍射光栅35的-1级衍射效率超过96％。需要说明的是，图10-图11中的实线为透射型衍射光栅53对于TE偏振入射光入射时的衍射效率，虚线为透射型衍射光栅53对于TN偏振光入射时的衍射效率。
请参阅图12，对于入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]的范围内的入射光束，透射型衍射光栅53的偏振损耗(Polarization Dependent Loss,简称PDL)小于0.1dB。
在一些实施方式中，若高折射率材料的折射率在[1.90,2.00]之间，光栅结构535的光栅层的层数大于或等于3时，高折射率材料的种类为一种以上。
可以理解，在满足下列条件的情况下：相邻的两层所述光栅层的制成材料不同，所述至少两层光栅层中至少一层由高折射率材料制成，所述至少两层光栅层中至少一层由低折射率材料制成，所述低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，所述高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]，由所述低折射率材料制成的光栅层的厚度范围为[100,400]nm，所述光栅结构靠近所述透明衬底的最底层的光栅层由所述高折射率材料制成，所述光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，所述光栅结构的占空比范围为[50％，60％]，所述光栅结构的线密度不小于965线/mm，光栅结构可以包括三层以上的光栅层。以下举个简单的例子说明一下，光栅结构包括依次设置的第一光栅层、第二光栅层、第三光栅层及第四光栅层，第四光栅层位于第三光栅层与透明衬底之间，第四光栅层由高折射率材料制成。其中，第一光栅层与第二光栅层材料的制成材料不相同，第二光栅层与第三光栅层的制成材料不相同，第三光栅层与第四光栅层的制成材料不相同。第一光栅层、第二光栅层、第三光栅层三者中的一层由低折射率材料制成，例如，第四光栅层由高折射率材料(例如Si3N4)制成，第三光栅层由低折射率材料Al2O3制成，第二光栅层由高折射率材料(例如TiO2)制成，第一光栅层由低折射率材料(例如MgF2)制成，第三光栅层与第一光栅层的厚度范围均为[100,400]nm，所述光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，所述光栅结构的占空比范围为[50％,60％]，所述光栅结构的线密度不小于965线/mm。
本申请第三实施方式提供的透射型衍射光栅与第二实施方式提供的透射型衍射光栅结构大致相同，不同在于，请参阅图13，第二光栅层5353由高折射率材料制成，即第二光栅层5353与第三光栅层5355均由高折射率材料制成，第一光栅层5351由低折射率材料制成，第二光栅层5353的折射率不同于第三光栅层5351的折射率。低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]。高折射率材料包括TiO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4中的一种，所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、CaF2、LiF、MgF2、NaF、SrF2、冰晶石中的一种。光栅结构53的占空比范围为[50％，60％]，光栅结构53的线密度不小于965线/mm。
第一光栅层5351的厚度范围为[200,350]nm，第二光栅层5353的厚度范围为[420,620]nm，第三光栅层5355的厚度范围为[485,720]nm。
相邻的两层所述光栅层的制成材料不同，包括两种情况，第一种情况：相邻的两层的所述光栅层的制成材料不同但折射率特性相同，例如，第二光栅层5353与第三光栅层5355均由高折射率材料制成，第二光栅层5353与第三光栅层5355的制成材料不同，但第二光栅层5353与第三光栅层5355的折射率特性相同；第二种情况：相邻的两层的所述光栅层的制成材料不同且折射率特性不相同，例如，第二光栅层5353与第三光栅层5355均由高折射率材料制成，第二光栅层5353与第三光栅层5355的制成材料不同，且第二光栅层5353与第三光栅层5355的折射率特性不相同。
光栅结构53设有贯穿第一光栅层5351、第二光栅层5353及第三光栅层5355的沟槽501，用于对入射光束L进行衍射。如图13所示，入射光束L从第一光栅层5351一侧入射，经第二光栅层5353及第三光栅层5355后，从透明衬底531后出射。入射光束L包括两个或更多个波长光信号。入射光束L通过透射型衍射光栅53分离成不同波长的子光束(图13仅示例性地出一个子光束)，可以理解，入射光束L也可以从透明衬底531一侧入射，经第三光栅层5355、第二光栅层5353后，从第一光栅层5351出射。
采用严格耦合波理论模型优化，得到TE和TM两种偏振入射光束的衍射效率与三层光栅结构(包括第一光栅层5351、第二光栅层5353及第三光栅层5355)厚度的典型梯度图，请参阅图14a与图14b，在第一光栅层5351的厚度为300nm，第二光栅层5353的厚度为[420,620]nm，第三光栅层5355厚度为[485,720]nm时，TE、TM两种偏振模式的入射光束的衍射效率可同时达到大于96％，并且两种偏振的衍射效率差异较小。
请参阅图15，在光通信C波段[1524，1575]nm的范围内，对于入射角度为48°的TE和TM偏振入射光束，透射型衍射光栅35的-1级衍射效率超过96％。
请参阅图16，对于入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内的入射光束，其中θ为利特罗角，透射型衍射光栅35的-1级衍射效率超过96％。需要说明的是，图15-图16中的实线为透射型衍射光栅53对于TE偏振入射光入射时的衍射效率，虚线为透射型衍射光栅53对于TN偏振光入射时的衍射效率。
请参阅图17，对于入射角度在[θ-5.5°，θ+5.5°]范围内的入射光束，透射型衍射光栅53的偏振损耗(Polarization Dependent Loss,简称PDL)小于0.1dB。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种偏振无关的透射型衍射光栅，其特征在于，包括层叠设置的透明衬底及光栅结构，所述光栅结构包括至少两层光栅层，其中，所述光栅结构中设于所述透明衬底上的最底层的光栅层由高折射率材料制成，除所述最底层的光栅层以外的每层所述光栅层由高折射率材料或低折射率材料制成，且相邻的两层所述光栅层的制成材料不同，所述低折射率材料的折射率范围为[1.30,1.80]，所述高折射率材料的折射率范围为[1.90,2.50]，由所述低折射率材料制成的光栅层的厚度范围为[100,400]nm，所述光栅结构的总厚度范围为[1000,1450]nm，所述光栅结构的占空比范围为[50％,60％]，所述光栅结构的线密度不小于965线/mm。
2.根据权利要求1所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述光栅结构包括第一光栅层及第二光栅层，所述第二光栅层夹设于所述第一光栅层与所述透明衬底之间，所述第一光栅层的厚度范围为[240,330]nm，所述第二光栅层的厚度范围为[1000,1120]nm。
3.根据权利要求1至2任意一项所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述高折射率材料包括TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的一种，所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、CaF2、LiF、MgF2、NaF、SrF2、冰晶石中的一种。
4.根据权利要求1所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述光栅结构包括依次设置的第一光栅层、第二光栅层及第三光栅层，所述第三光栅层夹设于所述透明衬底与所述第二光栅层之间，所述第二光栅层由所述低折射率材料制成，所述第一光栅层由所述高折射率材料制成。
5.根据权利要求4所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述第一光栅层的厚度范围为[20,45]nm，所述第二光栅层的厚度范围为[150,230]nm，所述第三光栅层的厚度范围为[1030,1090]nm。
6.根据权利要求1所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述光栅结构包括依次设置的第一光栅层、第二光栅层及第三光栅层，所述第三光栅层夹设于所述透明衬底与所述第二光栅层之间，所述第二光栅层由所述高折射率材料制成，所述第一光栅层由所述低折射率材料制成，所述第三光栅层与所述第二光栅层的制成材料不同。
7.根据权利要求6所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述第一光栅层的厚度范围为[200,350]nm，所述第二光栅层的厚度范围为[420,620]nm，所述第三光栅层的厚度范围为[485,720]nm。
8.根据权利要求4至7任意一项所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述高折射率材料包括TiO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4中的一种，所述低折射率材料包括SiO2、Al2O3、CaF2、LiF、MgF2、NaF、SrF2、冰晶石中的一种。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的透射型衍射光栅，其特征在于，所述透明衬底包括熔融石英。
10.一种波长选择开关，其特征在于，包括光输入端口、光输出端口、光偏转部件及根据权利要求1-9任意一项所述的透射型衍射光栅，所述光输入端口用于输入入射光束，所述透射型衍射光栅用于将所述入射光束进行分波或合波，所述光偏转部件用于将经所述透射型衍射光栅分波或合波后得到的光束进行选择性地偏转以切换到相应的光输出端口进行输出。
11.一种光通信设备，其特征在于，包括权利要求10所述的波长选择开关。
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