CN1291292A - 衍射光栅制造和包含衍射光栅的光信号装置 - Google Patents

Abstract

一种在衬底上制造波长滤波器的方法,其中把具有波纹的相位掩模放置在聚合物衬底上,所述聚合物衬底包括至少两个具有不同折射率的共聚单体,并使光通过相位掩模以形成相应于不同衍射级的两个光束,来形成能够反射选择波长的光的折射光栅。还揭示了使用如此制造的光栅的光信号装置。

Description

衍射光栅制造和包含衍射光栅的光信号装置

发明领域

本发明一般涉及衍射光栅的制造方法，所述衍射光栅用于在诸如MachZehnder装置或定向耦合器之类的光信号装置中隔离窄带的光波。该制造方法使用具有波纹的相位掩模，所述掩模周期性地阻滞通过那里传送到由具有不同折射率的共聚单体构成的聚合物衬底上的光。结果，本方法和从该方法生产的光信号装置比一般的光信号装置具有较小的光损耗。

背景技术

众知用光信号装置来转换、插入／分支和按规定线路传送数据。在本技术领域中众知用于插入和分出波长代码信号(特定波长或许多波长的光)的装置。这种装置使用光纤，所述光纤除了应用于局域网、计算机机网络等之外还主要地应用于电信系统中。光纤能够携带大量的信息，而本光学装置的目的是通过分离携带在不同波长信道上的信息而从光纤获取所选择量的信息。

这些类型的装置包括多种元件，这些元件一起提供所要求的波长代码信号的分离。已经开发了集成光耦合器，特别是定向耦合器来实现损耗定向耦合。把光信号从一个平面波导耦合到另一个平面波导。在第二平面波导中的信号以信号在第一平面波导中行进方向的相同方向传播。

使用衍射光栅(例如Bragg光栅)来隔离窄带的波长。有可能使用这种光栅反射器来构造一种装置，这种装置用于在预定中心波长处插入和分出光信号到光纤传输系统或从光纤传输系统插入和分出光信号而不干扰其它波长的其它信号。

在Elias Snitzer的美国专利第5，574，807号中揭示了用于光耦合器装置的Bragg光栅系统，在此引用作为参考。’807专利揭示一种装置，该装置用于在预定中心波长处插入或分出光信号到波分多路光纤传输系统或从波分多路光纤传输系统插入或分出光信号，所述波分多路光纤传输系统携带其它波长的信号。制造包括两根基本上相同的，形成耦合区的单模光纤的双纤芯光纤，以提供基本上完整的损耗场，在预定的波长跨距中把光从一个纤芯耦合到另一个纤芯。双纤芯光纤还包括Bragg光栅系统，该系统基本上垂直于双纤芯光纤的轴。

如上所述在现有技术中揭示的装置具有许多缺点。一种缺点是制造困难。第二个缺点是在光栅区中跨越光波导的臂的Bragg光栅的调整困难。

因此提供一种光栅系统，这种光栅系统是相当容易制造的，并排除了与调整光栅以减小光的损耗相关联的问题，这在光信号装置的领域中是一个重大的进步。

发明内容

本发明一般针对光信号装置，特别是插入和分出光信号的光信号装置。本发明提供一种经改进的光栅系统，使之比现有的光信号装置具有较小的光损耗而更有效地分出光信号。

尤其，本发明部分地针对一种在衬底上制造波长滤波器(例如，Bragg光栅)的方法，该方法包括：

a)把具有波纹的相位掩模放置在聚合物衬底上，所述衬底包括至少由两种具有不同反射率的共聚单体构成的聚合物。

b)传送光的单个光束使之通过相位掩模以形成相应于不同衍射级(order)的光的两个光束，来形成能够反射所选择波长的光的反射光栅。

本发明还包括带如此制造的波长滤波器的光信号装置。

附图简述

下列附图是本发明的实施例的示意，不打算以这些附图来限制本发明，本发明是由成为本申请的一部分的权利要求所包括的。

图1是本发明的光信号装置的侧立面图，示出衬底、包层叠层和纤芯叠层的相对位置；

图2是本发明的第一实施例的示意图，包括Mach Zehnder干涉仪和Bragg光栅；所述干涉仪带有放置得使在装置的3-dB耦合区中能实现损耗耦合的波导；而Bragg光栅跨越在装置中间的两个由间距分开的臂。

图3是示出单分子物体转换和时间关系的图，用于一系列对制造根据本发明的光栅有用的聚合物；

图4是示意图，示出在衬底上放置相位掩模，所述衬底用于产生根据本发明的光信号装置中的光栅；以及

图5是示出在本发明的光栅系统中对反射率调制的包络所要求的波形函数的图。

实施发明的较佳方式

本发明针对制造具有加强对比度(即较大的反射率调制)的反射光栅系统的方法并进一步控制待从多波长光源分离的信号的波长。

在光信号装置中的光栅是优良的周期性折射率变量，把它用于许多诸如耦合器、偏转器、反射器、波长滤波器和模式转换器之类的无源元件中。这种装置有许多应用，但是一般包括用于控制光波长信号的系统。

根据本发明，在一种聚合物衬底上通过具有一系列波纹的相位掩模提供光栅形式的波长滤波器。使光束通过相位掩模传送，以形成相应于不同衍射级的两个光束的光，来形成能够反射所选择波长的折射光栅。

包括玻璃、硅、塑料(例如聚氨基甲酸酯和聚碳酸酯)等的多种材料可以选择来制造本发明的光信号装置所应用的衬底。如图1所示，包括光信号装置2的主要层包含如上所定义的衬底4，在衬底上有下包层叠层6和上包层叠层8。在包层叠层6和8之间夹有纤芯层10，在纤芯层中刻印了波导(未示出)。

参考图2，顺便作为例子，在图中示出按形成在衬底上的Mach-Zehnder装置20形式的单信道插入／分出光信号(衬底的相对位置见图1)。示于图2的装置20(其中在耦合区中发生损耗耦合)具有两个基本上相同的平面波导22、24，它们在两个3-dB耦合区26、28中以定向耦合器的形式而彼此对准。在耦合区26和28之间是光栅区30，所述光栅区包括根据本发明制造的光栅系统32(例如Bragg光栅)。

设计刻印在纤芯层10上的波导的布局以提供一种光信号装置，在这种光信号装置中，从多波长光源分离单波长光，并从光信号装置发射。

最好用如下所述的包含符合特定要求的共聚单体的聚合物材料来制造下包层叠层6、上包层叠层8和纤芯层10。尤其，选择彼此具有不同折射率的共聚单体，以致有足够大的折射率差(Δn)，以允许在光越过相位掩模之后在由光形成的干涉图形中的亮和暗干涉带之间的大折射率差，因为在看见来自看不见光的区域的光的区域中，共聚单体的量是不同的。

最好共聚单体有不同的扩散率，那么一个单分子物体有从亮干涉带移出的趋向时，另一个单分子物体趋向于停留在亮干涉带中。此外，要求停留在亮干涉带中的共聚单体应具有快速的聚合反应速率，而那些不在亮干涉带(暗干涉带)中的单分子物体具有较慢的聚合反应速率。在图3中示出各种单分子物体的例子和作为时间的函数的它们从单分子物体状态到聚合物的转换。

例如，参考图3可以看到，HDDA单分子物体比EBDA具有更快的转换速率。这一对单分子物体将适合于构成在本发明中使用的聚合物材料。相反，EBDM和HDDA的组合将是不合适的，因为相应的单分子物体的聚合反应速率是相似的。符合上述相同要求的聚合物特别适用于接收根据本发明的波长滤波器或光栅。

可以从包括玻璃和石英的多种材料来选择相位掩模，光源通过所述相位掩模传送到聚合物材料。要求相位掩模具有一系列的波纹，以致通过相位掩模的光束将通过相位掩模材料(例如，玻璃)和空气两者，因此，由于光以比光通过空气较低的速率通过相位掩模材料而周期性地延迟。结果，使光散射，而相应于不同散射级的两个光束以不同的散射角从相位掩模输出。

参考图4，在图中示出上述类型的聚合物衬底40，该衬底具有其中带有多个波纹44的相位掩模。由数字46指定的并在下面描述的光源发射光束使之通过相位掩模，在那里发生散射把光分成两个光束48和50。

从相位掩模输出的两个光束相互干涉而形成亮和暗的区域。亮和暗区的周期等于在相位掩模上的波纹周期的1／2。因此，例如，如果相位掩模有1，040nm的周期，则从相位掩模输出的两个光束将形成具有520nm的周期的干涉图形。

根据下面的公式确定在光栅系统中反射的光的波长： $\mathrm{\λ}=2N_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}$

其中λ是所反射的波长，N_eff是在波导中的有效折射率以及∧是光栅的周期。因此，例如，如果所要求的反射波长是1，560nm而且在波导中的有效折射率是1．5，那么光栅的周期应是520nm。

根据本发明，产生通过相位掩模的光束的光源是激光器，最好具有直径相当小的激光束，直径最好约2到3毫米。在本发明中使用的较佳激光束是氩离子激光束。使用较小的光束在光栅的位置上提供较佳的控制。较佳的氩离子激光束的波长是350到365nm。

根据本发明的另一个方面，可以改变对相位掩模扫描的速度，以致同样地可以改变光栅的幅度。为了通过降低在发射光谱中的主峰值周围的旁瓣来更正确地分出所要求的预定波长，要求共聚单体的折射率有在中心处较强于波形函数的边缘处的差异。较大的旁瓣的存在造成波长信道之间的交扰。因此，本发明的光栅在所要求波长处的发射光谱中提供较大的峰值，而在旁瓣上仅有小的峰。在本发明的较佳形式中，要求在光栅中的折射率调制的包络具有sinc剖面，其中sinc(x)=[sin(x)]／x，如图5所示。结果得到的发射光谱不但具有降低了的旁瓣，而且还具有矩形或正方形的中心峰值，尽管在通信系统光源产生的光波长中有轻微的起伏，所述峰值使在波长信道分出效率中的工作稳定。

根据本发明的再一个方面，通过改变小激光束点的扫描速度或通过调制大激光束点的强度可以得到变迹法(apodization)或任何包络。因此，通过使用小激光束(2到3nm)扫描相位掩模改变速度，可以改变光栅的局部强度，结果得到第一类变迹法。结果造成在所要求波长处的发射光谱中的强峰值和主峰旁边的较弱的峰。如上所述，通过对光栅使用sinc形的包络，也可以降低旁瓣从而降低交扰。一个进一步的有益之处是在发射光谱中得到方形的或矩形的中心峰，这使所有相同的或波长极相似的光都可以从所要求的分出端口分出。

在本发明的另一个方面，在包层叠层和纤芯层两者都施加光栅。已知多达25％的通过众知光信号装置的波导的光在包层叠层中传播。本发明提供在包层区域中的光反射，因此大大地降低分出光信号的损耗到低于25％的水平。

在本发明的较佳形式中，在通过使用相位掩模制造光栅之前，作为包层叠层和纤芯层使用的共聚单体未进行充分的处理。使共聚单体保持在半处理的状态，其中保留了一些可用于共聚单体的活动范围，以致在用氩离子激光束处理以提供光栅时，根据来自激光束的散射光，共聚单体仍能活动。接着，根据本发明制造光栅之后，通过使用紫外线等开始进行全面的处理。全面处理使在波导和光栅中的所有材料的折射率都稳定。

在本发明的另一方面，在已经把上包层叠层放置在纤芯层上之后，在光信号装置中提供光栅。已知由于氧的出现使聚合反应延迟，而上包层叠层对氧的侵入起阻挡作用，因此限制了当安装光栅时阻止聚合反应完成的氧的可获量。因此，本发明的较佳方面是如果通过上包层叠层施加光栅系统。

根据本发明对包层叠层和纤芯层使用聚合物系统提供了具有平均折射率的光栅区，所述折射率基本上和光信号装置的光栅的外部区域(例如，在耦合器区)的折射率相同。使平均折射率保持在基本相同的值以防止当使用变迹法时在反射峰值的蓝色一侧的增宽。例子1

使用硅片作为衬底。旋转涂复一种负色调液体光单分子物体[20．0g羟乙基双半面晶形二丙烯酸盐(ethoxylated bisphenol diacrylate)、10．0g三丙烯乙二醇二丙烯酸盐(tripropylene glycol diacrylate)、0．6g光接触剂(photoinitiator)Irgacure651以及0．09g抗氧剂Irganox 1010的混合物]，以形成10μm厚的层，接着在水银灯(Hg(汞)i-线，波长=365nm)下进行统一的紫外线处理，形成折射率1．4895(当充分处理时)的固态薄层作为下包层叠层。在该点上保持短的曝光时间(1秒)以得到只经过部分聚合的层。旋转涂复一种负色调液体光单分子物体[20．0g羟乙基双半面晶形二丙烯酸盐、8．0g三丙烯乙二醇二丙烯酸盐、1，6-己二醇二丙烯酸盐、0．6g光接触剂Irgacure651和0．09g抗氧剂Irganox 1010的混合物]，到下包层叠层，以形成6μm厚的层，放置得与经过清理(在掩模中，波导的宽度6μm)的波导电路(4-信道插入／分出装置，其中在级联中的四个插入／分出元件中的每一个是Mach-Zehnder干涉仪)的掩模相接触，接着在水银灯下通过掩模选择地对该层进行紫外线处理(3秒的短时间，以保证只有部分的聚合反应)，固化纤芯波导电路，该波导电路具有1．4970的折射率(当经过充分的处理时)。除去掩模并且使未照射的部分用甲醇清除。把用于下包层叠层的相同的光单分子物体旋转涂复到纤芯结构，以致形成相似的厚10μm的层；接着该层在水银灯下经紫外线照射覆盖，形成折射率1．4895(当经过充分处理时)的固态相似膜作为上包层叠层。该层也短时间曝光(1秒)以保证在该阶段只有部分的聚合反应。使用具有四个光栅的相位掩模在四个Mach-Zehnder装置中的每一个中印制(使用工作于363．8nm的氩离子激光器)跨越由间距分开的臂的光栅。保持带平面波导电路的样品和相位掩模平行并离所示掩模50μm。把激光束垂直地导向掩模和样品。激光束的直径是3mm(在1／e²强度处)。使激光束跨越6-mm-长Mach Zehnder臂扫描3mm，在三个经过部分处理的波导层中产生光栅。最后，把该样品放置在氮气中的水银灯下经受最后的紫外线处理(60秒)和最后的热处理(90℃，1小时)，结果使所有三层都经过充分的聚合反应。样品的测试显示所有光栅都反射所要求的波长信道。

Claims (22)

1．一种在衬底上制造波长滤波器的方法包括：

a)把具有波纹的相位掩模放置在聚合物衬底上，所述衬底包括至少一种聚合物，所述聚合物至少由两种具有不同折射率的共聚单体构成；以及

b)从光源传送光使之通过相位掩模，以使光形成相应于不同衍射级的两个光束，在所述能够反射选择波长的光的衬底上形成折射光栅。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，光是氩离子激光束。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，聚合物衬底包括上包层叠层、下包层叠层和在它们之间的纤芯层，所述方法包括在每个所述层上形成折射光栅。

4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，在纤芯层上放置上包层叠层，然后对衬底施加折射光栅。

5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在折射率中的差异足以允许通过相位掩模的光的亮和暗干涉带之间的指数差。

6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，共聚单体具有不同的扩散率，所述扩散是足够的，以致一个共聚单体从通过相位掩模的光的亮干涉带移去时另一个共聚单体趋向于停留在亮干涉带中。

7．如权利要求1所述的方法，其特征在于，共聚单体具有不同的聚合反应速率。

8．如权利要求1所述的方法包括部分地处理共聚物衬底；在所述层上形成折射光栅；以及充分地处理聚合物衬底从而使所有的折射率稳定。

9．如权利要求1所述的方法，其特征在于，从包括羟乙基双半面晶形二丙烯酸盐、三丙烯乙二醇二丙烯酸盐、1，6-己二醇二丙烯酸盐、羟乙基双半面晶形二甲基丙烯酸盐和1，6-己二醇二甲基丙烯酸盐的组中选择共聚单体。

10．如权利要求1所述的方法，其特征在于，相位掩模是由从包括玻璃和石英的组中选择的材料制造的。

11．如权利要求1所述的方法，其特征在于，输出相位掩模相互干涉的两个光束形成亮和暗干涉带，其周期等于相位掩模的波纹周期的一半。

12．如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过相位掩模的光约具有2到3mm的直径。

13．如权利要求2所述的方法，其特征在于，氩离子激光束的波长约350到365nm。

14．如权利要求1所述的方法进一步包括改变光源越过相位掩模的扫描速度，从而改变形成在衬底上的折射光栅的幅度。

15．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在波形函数的中心处的共聚单体的折射率之间的差异要比边缘处大。

16．如权利要求1所述的方法，其特征在于，光栅具有sinc剖面包络的折射率调制，由公式sinc(x)=[sin(x)／x]表示。

17．一种光信号装置包括：

a)衬底，所述衬底包括用于传播光信号的波导，所述衬底包含至少一种由至少两种具有不同折射率的共聚单体构成的聚合物；以及

b)光栅区，所述光栅区越过具有一个或多个反射光栅的衬底，其中在光栅区的平均折射率和衬底余留部分的平均折射率是大致相同的。

18．如权利要求17所述的光信号装置，其特征在于，共聚单体具有不同的扩散速率。

19．如权利要求17所述的光信号装置，其特征在于，共聚单体具有不同的聚合反应速率。

20．如权利要求17所述的光信号装置，其特征在于，从包括羟乙基双半面晶形二丙烯酸盐、三丙烯乙二醇二丙烯酸盐、1，6-己二醇二丙烯酸盐、羟乙基双半面晶形二甲基丙烯酸盐和1，6-己二醇二甲基丙烯酸盐的组中选择共聚单体。

21．如权利要求17所述的光信号装置，其特征在于，在波形函数的中心处的共聚单体的折射率之间的差异要比边缘处大。

22．如权利要求17所述的光信号装置，其特征在于，光栅具有sinc剖面的折射率调制，由公式sinc(x)=[sin(x)／x]表示。

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