CN1311866A - 具有变迹光谱响应系统的滤光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可以通过光波并对所述光波的波长进行滤波的装置,其中该装置的光学参数沿光波路径变化,以致该装置存在一系列段(S_－10至S₁₀),各段由两个连续的分段构成,其中一个分段的光学参数小于平均值,另一个分段的光学参数大于平均值,并且其中该装置至少有一个区域(S_－10至S₁₀)的各段的长度交替地小于、大于所述区域(S_－10至S₁₀)内的各段的平均长度。

Description

具有变迹光谱响应系统的滤光器

本发明涉及导波光学器件领域，该导波光学器件包括光栅，即包括一个能通过光波的部件并且其光学参数以沿光路径交替的方式变化。

本发明涉及同向耦合器和反向耦合器、导波布喇格反射器、光纤类波型变换器或例如VCSEL空腔布喇格反射器。

上述装置过滤光波，它们消除波长在选择范围之外的光波。

一般的说，当滤光器能够精确地传输选择波长的光波并能够精确地滤除其它波长的光波，则说明该滤光器的质量好。换句话说，如果在传输的波长范围内，其光谱响应为大致接近1的常数并且在传输的波长范围外，其光谱响应为大致接近0的常数时，则说明该滤光器的质量好。

然而，当前光栅滤光器的光谱响应的特征是存在副瓣。

为了生产副瓣振幅小的滤光器，换句话说，即为了生产高反射率的滤光器，提出了多种制造方法。比如各种变迹法(apodisation)是技术人员所熟知的方法。

当利用耦合模理论从形式上将光栅装置描述为干扰区时，所建议的变迹法的要点在于对沿光路径的耦合系数的变化振幅进行调制。

设计同向耦合器和反向耦合器通常使用的改变耦合系数的振幅的第一种变迹法是通过改变波导管间的距离实现的。在文献[1]至[3]中说明了这种方法。它会产生约30dB到40dB的副瓣变迹。

附图1示出上述类型的波导管间距变化的同向耦合器的俯视图。

在此装置中，根据耦合模原理，通过一条或两条产生沿脉动波导管波动分布耦合系数的波导管的横向脉动可以引起两条波导管之间距离的波动。波动周期确定该装置选择的起始波长或锁相长度。

脉动波导管还具有一般的弧形形状，这样，在装置的中心，波导管之间的距离最小，在其两端，波导管之间的距离最大。因此，在每次脉动计算的平均耦合系数在中心具有最大值而向着波导管的端部会逐渐减小。

在每次脉动时计算的平均耦合系数的这种喇叭形变化减少了滤光器光谱响应的副瓣。

然而，上述方法的一个主要缺点是平均波导管间距的脉动振幅必须在2μm至5μm的范围内，正弦变化的振幅必须为1μm的数量级。因此，实现这种装置要求波导管间距变化的精度高，实际上，难于达到这样高的精度。

此外，耦合系数与波导管间距按非线性的关系有关，并且这往往会增强误差的副作用并且使得波导管间距具有不确定性。

这种方法还难于实现垂直耦合器并且不能应用于只有一条波导管的部件，例如，如附图3所示的布喇格反射器或光波型变换器。

第二种方法即调制振幅变化的方法，该方法的要点在于，通过改变波形轮廓或通过改变光纤的折射率，改变耦合系数。

实际上，当波形轮廓发生变化时，难于控制波形的振幅，因此，耦合系数调节应具有足够的精度。通常，所要求的波形振幅小于1μm。

当光纤的折射率发生变化时，采用非常复杂、非常精确的紫外线辐照技术。在文献[4]至[7]中说明了这些方法，而且这些方法特别建议在光纤内刻蚀光栅。

第三种方法即周期比值变化方法，在文献[8]对其进行了说明。对于光栅间距，将周期比值定义为正耦合系数间隔部分的长度与负耦合系数间隔部分的长度的比值。该方法沿光路径改变此比值。

图7示出一种本来已知类型的光栅滤光器，沿光路径调节其周期比值。

该滤光器包括中央波导管，中央波导管的两侧由适于利用这两部分调节中央波导管段的耦合系数的部分包围。

更确切地说，被包围了右侧的中央波导管部分具有负耦合系数而被包围了左侧的中央波导管部分具有正耦合系数。

可以认为中央波导管为连续段，各连续段均由耦合系数为负的波导管部分和跟随其后的耦合系数为正的波导管部分组成。

在图7至图9中，在构成滤光器的连续段之间绘出了虚线并从1至8对连续段进行标号。

这些段的长度相同。换句话说，就是这样排列横向段以致包括右侧部分和左侧部分的每对沿波导管具有固定长度。

图9示出耦合系数沿滤光器在段编号由4到8增加的方向的分布情况。

在图9所示的图中，横坐标代表距离z，沿滤光器在段编号增加的方向测量距离z。纵坐标代表与波导管位置有关的耦合系数k。

因此，一段滤光器由连续的两个子段组成，其中一个子段的耦合系数为正而另一个子段的耦合系数为负，而它们的绝对振幅相同。

因此，各段形成沿滤光器固定的波瓣，而且各波瓣具有相同的振幅。

根据本来已知的周期比值变化原理，对于光栅的所有段，各段中负波瓣长度与正波瓣长度之间的比值不同。

换句话说，中心段实质上被分为两等份，其中一部分的耦合系数为正，另一部分的耦合系数为负，而且在滤光器的末端段的有负耦合系数的部分的长度与有正耦合系数的部分的长度之间的差值大。

如图7所示，有正耦合系数的部分的长度是有负耦合系数的部分长度的两倍。

在离开装置的中心的方向上，会增加各段中正耦合系数部分与负耦合系数部分之间的不均衡。换句话说，波导管中一对的右侧部分和左侧部分之间具有这样的比例以致其在波导管的中央为最大值并向着波导管的末端方向逐渐减小。

段沿滤光器保持固定长度，负耦合系数部分的长度在离开装置中心的方向逐渐减小，正耦合系数部分的长度对负耦合系数部分的减小进行补充，在离开装置中央的方向逐渐增加。

i折射率段的耦合系数平均值被定义为耦合系数平均值Km(i)，图8所示为其沿波导管的分布情况。

与周期比值的分布一致，对折射率为i的各段计算的耦合系数Km(i)，在波导管的末端的数值小，在波导管的中心的数值大。

在各段中，已知平均耦合系数的这种分布情况会产生变迹光谱响应。

这种方法采用固定光栅高度和固定波导管间距。

这种方法所要求的对段长度的控制比上述参考的各种方法所要求的几何控制更容易实现。这种方法特别适用于同向耦合器，在同向耦合器中，光栅间距通常为几十微米。

尽管如此，这种方法还是具有一个主要的缺点，即利用这种方法获得的装置通常会产生高辐射损耗。

此外，在利用这种方法获得的装置中，锁相长度随周期比值变化，这样在设计滤光器的过程中会产生其它问题。在文献[8]中对这些问题进行了讨论。

另外，还建议了与周期比值变化方法相同的其它变迹法。在文献[10]至[12]中对这些方法进行了讨论。

其中有一种方法，滤光器由具有光栅的部分和不具有光栅的部分构成。通过改变沿滤光器方向具有光栅部分的长度与不具有光栅部分的长度的比会产生变迹。图4为利用这种方法获得的滤光器的图解说明。

这些滤光器具有许多无光栅的部分，因此，它的缺点是总体长度太长。

此外，这种方法似乎不能实现大于20dB的副瓣变迹值。

另外，本来已知的方法还有调节光谱响应的方法，在该方法中，所制造的光栅的间隔长度，即光栅间距沿光栅变化。在制造布喇格反射器的过程中通常使用这些所谓“线性调频脉冲”方法。

在文献[13]和[14]建议的方法中，为了展宽滤光器的光谱响应，所以利用光栅间距的线性或准线性单调递增变化。这种方法不会降低副瓣值。

图5和图6示出利用这些方法获得的装置。

正如文献[15]中所讨论的那样，在这些方法中，改变各段平均耦合系数的传统方法产生副瓣变迹。

本发明的主要目的是建议一种光栅型滤光器，可以利用不具有上述缺点的方法对该光栅型滤光器进行变迹。

根据本发明，利用适于通过光波并根据波长对该光波进行滤波的装置，可以实现此目的。在这种装置中，该装置的光学参数沿光波路径的方向以这样的方式变化以致该装置具有每个均由两个连续分段组成的一系列段，其中一个分段的光学参数小于平均值，而另一个分段的光学参数大于平均值，其特征在于，该装置至少有这样一个区域，即其长度小于、大于该区域内各段的平均长度的各段是交替的。

通过参考仅作为非限制性示例提供的附图阅读以下详细说明，本发明的特征、目的和优势会更加明显。所提供的附图，其中：

图1示出现有技术的可变波导管间距同向耦合器的俯视图；

图2示出图1所示的同向耦合器沿图1中的Ⅱ-Ⅱ线的剖面图；

图3示出现有技术布喇格反射器的透视图；

图4示出根据通过将沿装置方向具有光栅和不具有光栅的部分进行交替来改变耦合系数的方法的装置的示意图；

图5示出具有线性变化(“线性调频脉冲”)的光栅间距的装置的图解说明；

图6示出准线性的现有技术采样或步进线性调频脉冲的光纤光栅的俯视图；

图7示出具有交替的左侧分支部分和右侧分支部分的现有技术的波导管的俯视图；

图8示出沿图7所示的滤光器的各段的平均耦合系数的分布图；

图9示出图7所述的滤光器的一半内的耦合系数的分布图；

图10示出根据本发明光栅型同向耦合器的俯视图；

图11示出沿图10所示的滤光器的耦合系数的分布图；

图12示出沿图10所示的滤光器的各段长度的分布图；

图13示出根据本发明的变迹波导管间距波动滤光器的俯视图；

图14示出具有由交替的ALAs和GaA层构成的布喇格反射镜的垂直空腔激光器的剖面图；

图15示出在根据本发明的变迹同向耦合器中各段长度的分布图；

图16示出相同同向耦合器的光谱响应图和相应的非变迹同向耦合器的光谱响应图；

图17示出根据本发明具有80段的布喇格发射器的段长度分布图；

图18示出相同布喇格发射器的光谱响应图和相应的非变迹布喇格反射器的光谱响应图；

图19示出根据本发明具有180段的布喇格发射器的段长度分布图；

图20示出图19所示的布喇格发射器光谱响应图以及相应的非变迹布喇格发射器的光谱响应图。

图21示出根据本发明具有80对双层对的布喇格反射镜的光谱响应图以及相应的非变迹布喇格反射镜的光谱响应图；

图22示出根据本发明具有10层的布喇格反射镜的光谱响应图以及相应的非变迹布喇格反射镜；以及

图23示出具有矩形光栅的现有技术的同向耦合器的侧视图；

图10示出根据本发明的同向耦合器。在本来已知的方式中，这种耦合包括：第一波导管100，脉动横向到达波导管的纵向主轴Z；以及直线型第二波导管200，并行扩展到第一波导管100的纵向主方向Z。

根据波动作用，装置的两个波导管100和200之间以本来已知的方式耦合，在第一波导管内沿光路径产生耦合系数分布。

更确切地说，波导管100的任一点的耦合系数的符号依赖于波导管100的上述点位于波导管纵向主轴Z的哪一侧。

在位于主轴Z和直线型波导管200之间的振荡波导管100的各部分内，耦合系数为正，而在直线型波导管200的对侧到Z轴上的波动波导管100的各部分内，耦合系数为负。

在图10中，各段被定义为一系列两个连续的滤光器部分，这两个连续的滤光器部分的耦合系数分别为负数和正数。

如果波导管100的某点的耦合系数的符号与波导管100上该点所在的主轴Z一侧的耦合系数的符号一致，那么可以用几何术语将波导管100的段定义为位于主轴Z的相对侧的振荡波导管的两个连续副瓣的连续性。

在图10中，沿波导管从左侧端向右侧端移动，段S_-10通过段S₀到段S₁₀被横向虚线分割。因此，段S₀为滤光器的中心段，段S₁₀为右侧端段，段S_-10为左侧端段。

因此，S₀至S₁₀段组构成波导管的右半部分。

图11示出耦合系数沿由分段S₀至S₁₀构成的滤光器的右半部分中的光路径变化的分布图。

尽管未示出耦合系数在滤光器左半部分的分布图，但是技术人员可以根据对称性原理利用图11容易地推断出滤光器左半部分的分布图。

在图11中，将沿滤光器测量的距离z绘到横坐标，将沿滤光器的相应点(具有横坐标z)的耦合系数k绘到纵坐标。

在说明根据本发明的滤光器的图10与说明沿滤光器的耦合系数变化的图11之间存在直接对应关系。

因此，还利用横向虚线示出沿滤光器11的结构的各段的分布图。

因此，可以将根据图10所示的装置以及根据图11所示的耦合系数的分布图分为段，构成段的两个子部分之间互相对应。

本发明人发现通过采用段长度沿滤光器的特定分布，与相应的传统滤光器的光谱响应比较，所获得的光谱响应的副瓣存在明显衰减，也就是说，滤光器实质上具有相同的平均段长度，但不是这种特定分布。

“光栅间距”的表述通常是指连续段的固定长度。在本说明书的剩余部分中，“间距”还用于代表滤光器的段长度，但是，在这种情况下，整个滤光器的“间距”不是固定的。图10和图11所示的段具有不同的间距。

现在说明根据本发明的段长度的特定分布。

正如在图10和图11中看到的那样，各段长度是这样分布的，即短段和长段沿波导管的长度方向交替分布。换句话说，段长度沿光栅方向以波动方式变化。

更确切地说，在图10中，如果选择任何一组连续段并且已经确定该组中各段的平均长度，那么，其长度在该组中各段的平均长度的上、下的各段交替出现。

换句话说，沿着已选各段的组中的滤光器的方向，长度小于平均长度的段的后面是长度大于平均长度的段，长度大于平均长度的段的后面是长度小于平均长度的段，等等。

在图10所示的滤光器的任一部分，各段长度的分布沿滤光器在平均段长度的上、下波动。

图12示出沿图10所示的滤光器的右侧各段长度的分布图。

连续各段的参考号S₀至S₁₀标在横坐标，而S₀至S₁₀各段的长度标在纵坐标。

图12示出一条水平直线，其纵坐标M相当于S₀至S₁₀的各段的平均长度。

可以看出各段的平均长度的分布图是波动的，即各段的长度在平均长度的上、下交替。对应于两个连续段的各点被上升的分段和下降的分段交替连接。

根据本发明，各段的长度不必在整个光栅的上、下波动。当仅应用于光栅一部分时，这种波动性分布果然有利。

本发明人发现，与其中不具有此种特性的部分的类似波导管比较，通过使各段的长度至少在光栅波导管的一部分的平均长度的上、下波动，可以明显改善所获得的光谱响应。

本发明人对第一种光栅型滤光器与第二种滤光器进行了比较，第一种光栅型滤光器的耦合系数以传统方式沿光栅波动，第二种滤光器除了有一部分各段长度在平均值的上、下交替的光栅之外与第一种滤光器相同。

发现第二种滤光器的光谱响应的副瓣比第一种滤光器的光谱响应的副瓣存在明显衰减。

各段长度在平均值的上、下交替的部分的段的长度分布的优势在于具有附加特性，即段的长度在平均长度的上、下波动的波动振幅沿该部分在离开滤光器中心的方向增加。

因此，在图12中，中心段S₀的长度实质上等于各段的平均长度M，段S₁和段S₂的长度相对来说偏离平均长度M的程度较小，但是，靠近波导管右侧的段S₉和S₁₀的长度大于各段的平均长度M。

S₀至S₁₀各段的长度在平均长度M的上、下波动，相对于平均长度M的波动差在离开波导管中心C的方向增加。

换句话说，如果测量S₀至S₁₀的各段的长度与S₀至S₁₀的各段的平均长度的差值，则差值的绝对值对于装置的所有部分从段S₀到S₁₀增加。

如图12所示，两个连续段的长度比值，即较大长度与较小长度的比值从滤光器的中心向一端逐渐增加。

本发明人发现，通过至少使滤光器的一部分中的各段的长度相对于平均长度波动，并且使波动的绝对差值沿该部分在离开滤光器中心的方向逐渐增加，可以改善滤光器的变迹。

在参考图10至图12所述的优选实施例中，有关段的长度与各段的平均长度之间的差值从装置的中心位置的0开始增加到端部段S₁₀处的最大值。

各段的长度与各段的平均长度的绝对差值从装置的中心直到滤光器的末端单调增加，也就是说，至少在滤光器的一半绝对差值单调增加，此种情况是获得清晰变迹光谱响应的有利分布。

尽管这种方法对于变迹质量有利，但是并不要求差值在滤光器的末端达到最大值。

此外，尽管这种方法对于变迹质量有利，但是无需从等于滤光器各段平均长度的中心开始，即无需事先将装置中心的差值定义为0。

在这里所描述的优选实施例中，相关段的长度与平均长度之间的绝对差值从滤光器的中心到其各末端线性增加。

因此，各段的长度在平均长度的上、下波动，并且其波动振幅从装置的中心到滤光器的两个末端线性增加。

在此，各段的长度分布由等式：l(s)=l₀×(1(1+ε(s)×(-1)^s)给出，其中l(s)为符号s处段的长度，其中s对应于在光栅中从光栅的一端到另一端编号由1至N的段号，其中l₀为光栅的平均段长度，并且ε(s)为段s的长度相对于平均长度l₀的差值。

ε(s)由ε(s)=c×(2×(s-0.5-(N/2))/N)给出，N为光栅中段的总数，c为常数。

参考本来已知的“线性调频脉冲变化”方法，c代表线性调频脉冲，尽管在现有技术的方法中，各段的长度不是波动式分布的，而是单调增加式分布或单调减小式分布。

本领域技术人员知道如何将上述等式应用于其它光栅型滤光器，特别是与耦合模体系一致的滤光器(即：作为耦合系数沿光路径变化点的光栅)的生产过程中。

通过沿光栅少许调整各段的长度分布，就可以由本来已知的光栅获得根据本发明的变迹装置。

从传统的非变迹光栅开始，本领域技术人员完全知道如何根据耦合系数的分布来识别与上述定义一致的各段，并且知道如何确定传统光栅中各段的平均长度l₀。

然后，技术人员就能够根据本发明(例如，根据上述建议的等式)生产除了各段长度沿光栅波动之外与传统光栅相同的装置。利用上述给出的分布等式，技术人员只需使用与光栅的性质和尺寸相配的线性调频脉冲值c就可以获得比初始光栅的光谱响应具有有效变迹的光谱响应。

图13示出根据本发明由平均段长度l₀(即“光栅间距的平均值”)为150μm的传统非变迹同向耦合器制成的同向耦合器。

图15示出沿具有40段与图13所示的同向耦合器相同的同向耦合器光栅段长度的分布图。

根据本发明的变迹同向耦合器的段长度l(s)根据下列等式沿光栅分布：

l(s)=l₀×(1+ε(s)×(-1)^s)，其中l₀为初始非变迹耦合器的光栅的间距长度，ε(s)为光栅间距的相对变量并由等式：ε(s)=c.sin(π.(s-0.5-N/2)/N给出。光栅的各段的平均长度等于150μm。在此，系数c等于-0.72(72％)。

在图15中，从光栅的一端到另一端分布的段的编号为1到40。将符号为i以微米为单位的段长度L_i标在纵坐标上。

图16用实线示出根据本发明具有40段的同向耦合器的光谱，用虚线示出除了具有等于150μm的固定光栅间距之外类似同向耦合器的频谱。

请注意，变迹耦合器光谱的副瓣的振幅明显变小。在此实施例中，第一副瓣的变迹在20dB至30dB之间。

更一般地说，应用上述等式、线性调频脉冲系数c在-1至1之间的同向耦合器所产生的变迹的第一个副瓣在20dB至30dB之间。

本发明人还制造了布喇格反射器，以波动的方式对其各段的长度进行分布，其线性分布的波动振幅由下列等式获得：

l(s)=l₀(l+ε(s)×(-1)^s)和ε(s)=c(2(s-0.5-(N/2))/N)

图17示出上述这种具有80段、线性调频脉冲系数c等于-0.85并且平均段长度为0.22μm的布喇格反射器的光栅间距的分布图。

图18用实线示出上述这种布喇格反射器的光谱，用虚线示出段长度固定等于0.22μm的布喇格反射器的光谱。副瓣的变迹约为30dB至50dB。

图19示出在具有180段、整个反射器的平均段长度为0.22μm并且线性调频脉冲系数c为-0.98的布喇格反射器内波动振幅从装置的中心开始线性增加的段长度的分布图。

图20示出变迹布喇格反射器的光谱和具有相同的平均段长度并且其段长度具有等于平均段长度的固定段长度的布喇格反射器的光谱。同样，副瓣的变迹约为30dB至50dB。

图18至图20说明，与初始的传统型反射器比较，根据本发明的布喇格反射器没有扩宽光谱，与利用线性调频脉冲方法采用具有变化的段长度获得的效果相反。根据本发明的装置的光谱宽度稍小于相应的非变迹装置的光谱宽度。

本发明并不局限于上述描述实施例，它涉及与耦合模体系一致的装置，并且其沿光栅变化的光学参数即耦合系数。

更一般的说，建议装置由滤光器组成并具有光栅，换句话说，所建议的装置的光学参数是沿光路径在平均值上、下变化的参数而非耦合系数。

本发明并不局限于利用装置的几何变化引起光学参数沿光路径波动的装置。

一般的说，技术人员在许多光学装置中可以发现光学参数沿光路径的变化，它们适于构成一系列连续的段，其中段被定义为由两个连续的分段组成的部分，一个分段的光学参数大于光学参数的平均值，另一个分段的光学参数小于光学参数的平均值。

与不具有这种段长度分布的装置比较，利用这种装置的段长度波动分布生产的装置的光谱响应显示出明显的变迹。

因此，本发明建议，例如，实现垂直空腔VCSEL激光器。正如图14所示的那样，这种装置含有两个布喇格反射镜300和400，每个布喇格反射镜包括连续交替的ALAs层500和GaAs层600。

在两个布喇格反射镜300和400之间有两个间隔层350和450，在间隔层350和450之间为激活层370。

在图14中，箭头F示出光通过装置的方向。

在布喇格反射镜中，折射率沿光路径在平均值的上、下波动。这种情况本来已知。

在此，波动参数即折射率。包括高折射率部分和低折射率部分、一层是ALAs另一层是GaAs的一对层是折射率发生变化的位置，其中每对层构成与上述定义一致的段。

与具有固定层对厚度并具有相同层对厚度平均值的反射镜比较，平行于光路径进行测量的、至少一部分布喇格反射镜的段长度的波动分布(在此应用中，即ALAs/GaAs层对的厚度分布)可以明显改进对布喇格反射镜的波长选择。

在本说明书的绪论部分，说明了一种本来已知、可以扩展光谱响应的方法，即“线性调频脉冲方法”。在此方法中，根据由下列等式确定的大致线性的函数，段长度单调变化。

l(s)=l₀(1+ε(s))

ε(s)=c(2(s-0.5-N/2)/N)

在根据本来已知的线性调频脉冲方法的装置中，以及在根据本发明方法的装置中，c代表段长度与被光栅的各段的平均长度除的各段的平均长度之间的最大差值。

因此，c代表段长度与段的平均长度之间的最大偏差，此差值除以各段的平均长度产生相对均差。在根据上述描述的本发明的布喇格反射器中使用的线性调频脉冲系数c的值比现有技术的线性调频脉冲方法通常使用的线性调频脉冲系数c的值高1至2个数量级。

因此，在现有技术的方法中的线性调频脉冲系数的数值远小于根据上述说明的本发明装置中使用的线性调频脉冲系数c的数值。

因此，本发明的优势在于可以影响滤光器(例如：使用大线性调频脉冲值的布喇格反射器)的变迹，这样获得的滤光器对产生的误差和不精确不敏感。

正如从图11可以看到的那样，在各段中，耦合系数为负的分段与耦合系数为正的分段具有相同的长度。

因此，鉴于在段S₀至S₁₀组中，分段长度具有正耦合系数(更具体地说，光学参数大于S₀到S₁₀连续的滤光器区域内的光学参数的平均值)，所以分段的长度分布是在段组内在光学参数为正值的分段的平均长度的上、下波动。

换句话说，沿段S₀至S₁₀，耦合系数为正值的分段的长度，从具有正值的一个分段到具有正值的下一个分段交替地小于、大于分段的平均长度。

类似地，耦合系数为负值的分段的长度分布也是其长度从具有负值的一个分段到具有负值的下一个分段，在耦合系数为负值的分段的平均长度的上、下交替。

因此，对于图11所示的装置，各段均由两个分段组成，其中一个分段的耦合系数为正值，另一个分段的耦合系数为负值，并且这两种类型的分段的长度沿滤光器波动分布。

更确切地说，由两个短分段组成的段与由两个长分段组成的段交替出现。

更一般的说，在光栅型装置中，优势是采用了区域，在区域中，段长度以及构成这些段的分段的长度是这样分布的，即光学参数大于区域内的平均值的分段的长度在分段的平均长度的上、下交替。对于光学参数小于区域内的平均值的分段采用同样的优势分布。

在此，实质上，每个段均由两个等长度的分段组成，其中一个分段的耦合系数为正，另一个的耦合系数为负。

但是，显然，在根据本发明的装置中不需要改变各段的平均耦合系数。

尽管如此，还是可以制造这样的装置，装置中耦合系数为正值(依次为负值)的分段从一段到另一段保持固定长度，并且装置中只有耦合系数为负值(依次为正值)的分段的长度为波动型分布。在这种情况下，根据本发明，作为两个连续分段的长度总和的光栅间距长度为波动型分布，其中一个分段的耦合系数为正，另一个分段的耦合系数为负。

在这种情况下，由于沿装置，两个子段的长度的比值不再为常数，所以，周期比值发生变化并且各段的平均耦合系数也发生变化。

尽管如此，在光谱响应质量方面，其耦合系数为正值的分段与其耦合系数为负值的分段具有相同波动型分布的仪器更具优势。换句话说，优先不改变光栅的耦合系数比值。

此外，在根据图10至图12的装置中，耦合系数为正值的分段的长度分布是这样的，即长度波动在离开装置中心部分的方向增加振幅。同样，耦合系数为负值的分段也具有这种长度分布。

更一般的说，本发明人发现，根据划分为段的方法，对于光栅型装置，即对于光学参数沿光栅变化的装置，通过选用分段的长度使分段的光学参数值大于段组的光学参数的平均值M所实现的上述装置在光谱响应质量方面具有优势，段组中段的长度在分段的平均长度的上、下波动，其波动振幅在离开装置中心的方向逐渐增加。

同样，光学参数低于光学参数的平均值的分段的长度具有这样的分布方式，即光学参数低于光学参数平均值M的分段的长度在分段平均长度的上、下波动，其波动振幅在离开装置中心的方向逐渐增加。

如上所述，与利用周期比值变化的方法实现的装置相反，根据本发明装置的各段的子段或分段的光学参数分别大于和小于光学参数的平均值，在同一段中，装置各段的子段或分段的长度优先具有相同的长度。

因此，在连续段内，无需引入两个子段长度的比值的确切变化。因此，对各段计算的平均耦合系数在一段和另一段之间保持固定。

实现根据本发明的上述类型的滤光器只需控制各段的长度，而对耦合系数的特定分布没有确切要求。因此，可以容易地使尺寸大于上述各段的子部分的尺寸与在上述类型滤光器的制造过程中的尺寸一致，并且此制造过程比制造具有周期比值变化的滤光器的制造过程更可靠。

因此，在实现根据本发明光栅的方法中，特别容易控制光栅间距调制，特别是在同向耦合器的情况下，通常，其光栅间距大，一般为几十微米。

制造根据本发明的滤光器同样可以在装置(例如：光栅型同向耦合器和反向耦合器)中不产生误差，在该装置中必须对其波导管间距偏差进行控制。

制造根据本发明的光栅的方法可以简化垂直同向耦合器和垂直反向耦合器以及光纤上的光栅的制造过程。

因此，制造根据本发明的滤光器的方法可以应用于这种装置，即与光栅的光学参数类似，其光学参数存在周期性的装置。

在未说明的利用耦合模式体系的装置中，本发明人成功地获得了布喇格反射镜(例如：构成根据图14的布喇格反射镜的布喇格反射镜)的副瓣变迹。

对于生产如在一个波长反射而在第二个波长具有良好传输的反射器，这种变迹特别具有吸引力。在图21和图22中绘出这种布喇格反射镜的模拟光谱。

图21用实线绘出由80对折射率为3.22和3.38的两种材料构成的双层制成的布喇格反射镜的模拟光谱。更确切地说，绘出上述类型的反射器的光谱，双层的厚度根据下列等式变化：

l(s)=l₀(1+ε(s)(-1)^s)和ε(s)=c(2(s-0.5-N/2)/N，其中线性调频脉冲系数c=-0.8。

同样，在图21中用虚线绘出具有相同段长度分布的布喇格反射镜的模拟光谱。该图还示出利用本发明获得的特定变迹高度值。该示例特别模拟VCSEL激光器的外延生长布喇格反射镜的实际情况，即上述类型的反射镜特别适用的应用情况。

图22绘出仅有10个反射率为1.46和2.2的双层对的组的模拟光谱。双层对的厚度根据上述等式变化，并且线性调频脉冲系数c=-0.25。本发明的此实施例特别适合于制造基于SiO₂和TiO₂的介质镜。

在上述变迹方法中，改变周期比值的方法改变各段耦合系数的平均值。

在上述本发明的实施例中，各段耦合系数的平均值保持常数，并且只有在各段独立确定耦合系数的情况下中，可以说各段的平均耦合系数为常数。

可以更确切地将段的平均耦合系数定义为耦合系数傅立叶变换光栅间距的第一傅立叶系数。

以下将解释对于与耦合模体系一致的任何光栅，如何确定各段的平均耦合系数。

现在研究具有如图23所示的长方形光栅的同向耦合器的实例。这里给出的上述类型的耦合器反射率n可以由下式表示：

n²(x,y,z)=n²(x,y)+η²(x,y)^*f(z)

其中n为相同结构的反射率，η为周期扰动(在此实例的折线情况下，最一般情况是随f(z)变化)。在这种情况下，耦合系数可以被表示为下式： $k_{\mathrm{ij}}\left(z\right)=\frac{1}{4}{\mathrm{\ω\ϵ}}_0\∫\mathrm{\η}{(x,y)}^{2}f\left(z\right)e_i*e_j\mathrm{dxdy}$

该等式代表光栅区域内重叠的两个波型e1和e2的积分。文献[11]中说明了后面两个等式的推导过程。可以将n²分解为对光栅间距Λ的傅立叶级数。 $n^2={\mathrm{\η}}^2(x,y)\underset{m=-\∞}{\overset{m=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}^{\left(m\right)}\exp \left(i\frac{2\mathrm{m\π}}{\mathrm{\Λ}}z\right)$

其中 $F^{\left(m\right)}=\frac{1}{4}\underset{-\mathrm{\Λ}/2}{\overset{\mathrm{\Λ}/2}{\∫}}$

对于诸如图23所示的折线光栅，下式给出傅立叶系数： $F^{\left(m\right)}\frac{h}{\mathrm{m\π}}\sin \left(\frac{\mathrm{m\π\Λ}.}{\mathrm{\Λ}}\right)$

将耦合系数的傅立叶级数展开表示为： $k\left(z\right)=\underset{m=-\∞}{\overset{m=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{\left(m\right)}\exp (-i\frac{2\mathrm{m\π}}{\mathrm{\Λ}}z)$

并且 $x^{\left(m\right)}=\frac{1}{4}{\mathrm{\ω\ϵ}}_0{F}^{\left(m\right)}{\∫\mathrm{\η}}^2(x,y)e_1{e}_2*\mathrm{dxdy}$

由于两种波导管的有效反射率不同，所以光在两个波导管中的传播速度不同。可以将波导管内电场沿主轴z的变化表示为：

E_ij=e_ijexp(-iβ_ijz-iωt)

其中β=2πn/λ。可以明白乘积E₁E^* ₂的波动周期为

Δ=β₁-β₂

如果函数f(z)具有相同的周期，即如果ΛΔ=2π，则产生最大耦合。

在这种情况下，傅立叶表达式k(z)的第一项x⁽¹⁾在耦合方面起主导作用，只有它保持不变，其它项均有波动。

可以以更直观的方式对此进行解释。在等式 $k_{\mathrm{ij}}\left(z\right)=\frac{1}{4}{\mathrm{\ω\ϵ}}_0\∫\mathrm{\η}{(x,y)}^{2}f\left(z\right)e_i*e_j\mathrm{dxdy}$ 中，用E₁和E₂代替e₁和e₂。可以明白，只有当满足条件E_ij=e_ijexp(-iβ_ijz-iωt)和ΛΔ=2π时，与积分值成正比的耦合才有效。

对于固定的反射率差值，可以通过下列方法改变k(z)，也就是说：

·通过直接沿光栅改变η²(通过改变从一段到另一段的光纤

上的光栅的振幅h或光栅的反射率η)。

·通过沿光栅改变两种模式e₁e^* ₂的重叠(通过改变一段到

另一段的波导管间距)

正如文献[8]所描述的那样，改变耦合的另一种方法是保持耦合系数振幅不变，但改变比值ρ=Λ+/Λ，这样就必然改变傅立叶级数展开的第一个系数。对于折线光栅，当ρ=0.5时，x⁽¹⁾最大，并当ρ发生变化时，x⁽¹⁾就减小。

正如文献[11]和[12]所说明的那样，改变耦合的另一种方法是保持耦合系数的振幅不变，但是引入没有光栅的部分Λ₀。在这种情况下，可以引入超级光栅间距：Λ_s=Λ+Λ₀并将其分解为傅立叶级数： $x^{\left(m\right)}=\∫\mathrm{\Λrk}\left(z\right)\exp (-i\frac{2\mathrm{m\π}}{{\mathrm{\Λ}}_s}z)\mathrm{dz}$

当Λ_r=Λ_s时，x^(m)的数值最大，当引入没有光栅的部分Λ₀时，x⁽¹⁾变小。通过沿波导管改变此比值并因此改变x⁽¹⁾，可以产生变迹(如果超级光栅间距包括n个光栅间距Λ_f，正是取系数x⁽¹⁾作为耦合系数的平均值。)

上述推论的所有方法均可以应用于反向耦合器。在这种情况下，差别如下：

E₁=e₁₊exp(-iβ₁z-iωt)  E₂=e_2-exp(iβ₂z-iωt)    Δ=(β₁+β₂)/2

符号-和+表示光波在两个波导管内传播到波导管主轴z的左侧和右侧。

对于布喇格反射器，差别是仅有一个波导管。因此，没有改变波导管间距的变迹方法。在这种情况下：

E₁=e₊exp(-iβ₁z-iωt)  E₂=e_-exp(iβ₂z-iωt)    Δ=β=β₁=β₂

上述推论的所有方法同样有效。

因此，在这里建议的本发明的优先实施例中，对光栅的各段定义的第一傅立叶系数保持不变(从一段到另一段，电场e₁e^* _j的重叠以及扰动η²不发生变化)，对于各段，比值Λ₊/Λ等于0.5而x⁽¹⁾保持不变。

可以制造出这样的光栅，即其正耦合系数部分的耦合系数k⁺的绝对值与负耦合系数部分的耦合系数k^-的绝对值不同。为了实现有效耦合，必须满足下列条件：

k⁺Λ⁺=k^-Λ^-

其中Λ⁺和Λ^-为分别具有正耦合系数和负耦合系数的分段的长度。实际上，最好是k⁺～k^-并且因此Λ⁺～Λ^-。

根据光栅不再具有周期性的情况，可以实现这样的事实，即光栅各段定义的第一傅立叶系数保持常数。光栅的各间距具有自身谐振频率，相反，在上述说明的其它方法中，可以区别共同周期，所有段具有相同的谐振频率。

尽管如此，本发明还是存在替换方案，该替换方案结合了生产具有光栅(该光栅的段分布与在上述本发明的说明书中建议的段长度分布一致)的滤光器的方法和传统的变迹方法(例如：各段的平均耦合系数沿光栅发生变化的方法)。

本发明人发现，在某些情况下，将根据本发明的段长度的上述分布方法与传统的变迹方法相结合可以改善所获得的结果。

参考文献

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Claims (22)

1．适于光波通过并根据波长对光波进行滤波的装置，其中该装置的光学参数沿光波路径以这样的方式发生变化，即该装置具有一系列段(S_-10至S₁₀、500、600)，每段由两个连续的分段构成，其中一个分段的光学参数小于光学参数的平均值(M)，另一个分段的光学参数大于光学参数的平均值(M)，其特征在于，在该装置中，至少有一个区域(S_-10至S₁₀、500、600)内的各段(S_-10至S₁₀、500、600)的长度交替地小于、大于该区域(S_-10至S₁₀、500、600)内各段的平均长度。

2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述区域(S_-10至S₁₀、500、600)内，其光学参数大于光学参数的平均值的分段的长度交替地小于、大于该区域内这些分段的平均长度，并且其特征还在于，其光学参数小于光学参数的平均值(M)的分段的长度交替地小于、大于该区域(S_-10至S₁₀、500、600)内这些分段的平均长度。

3．根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述的区域(S_-10至S₁₀、500、600)内，构成各段的两个分段具有相同的长度。

4．根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，在所述的区域(S_-10至S₁₀、500、600)内，段的长度在平均长度的上、下波动，并且其波动振幅在离开装置的中心部分的方向逐渐增加。

5．根据权利要求1至4所述的装置，其特征在于，在所述的区域(S_-10至S₁₀、500、600)内，光学参数大于光学参数平均值(M)的分段的长度在这些分段的平均长度的上、下波动，并且其波动振幅在离开装置中心部分的方向逐渐增加。

6．根据权利要求1至5所述的装置，其特征在于，光学参数小于光学参数平均值(M)的分段的长度在这些分段的平均长度的上、下波动，并且其波动振幅在离开装置中心部分的方向逐渐增加。

7．根据权利要求4所述的装置，其特征在于，段长度的波动振幅在滤光器的末端最大。

8．根据权利要求4至7所述的装置，其特征在于，段长度的波动振幅在滤光器的中心为O。

9．根据权利要求4至8之一所述的装置，其特征在于，段长度的波动振幅在滤光器的中心与至少一端之间以单调的方式增加。

10．根据权利要求4至9之一所述的装置，其特征在于，段长度的波动振幅在所述区域在离开中心的方向以线性方式增加。

11．根据权利要求10所述的装置，其特征在于，段(S_-10至S₁₀、500、600)长度的波动振幅在装置的中心(波动振幅为0)与装置的各端(波动振幅最大)之间以线性方式变化。

12．根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，区域包括N个段(S_-10至S₁₀、500、600)，沿区域从一端到另一端各段被编号为s，段长度l(s)根据公式l(s)=l₀x(l+ε(s)x(-1)^s变化，其中l₀为平均长度，ε(s)根据公式ε(s)=cx(sin(π.(s-0.5-N/2)/N))变化，c在-1与1之间。

13．根据权利要求12所述的装置，其特征在于，c实质上等于0.7。

14．根据权利要求1至12之一所述的装置，其特征在于，所述区域的各段(S_-10至S₁₀、500、600)相对于区域内各段的平均长度的最大差值小于该平均长度的1.0倍。

15．根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述区域的各段(S_-10至S₁₀、500、600)相对于区域内各段的平均长度的最大差值在该区域内各段的平均长度的0.8倍至1.0倍之间。

16．根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，装置与耦合模体系一致。

17．根据权利要求1至16之一所述的装置，其特征在于，该装置构成同向耦合器。

18．根据权利要求1至16之一所述的装置，其特征在于，该装置构成反向耦合器。

19．根据权利要求1至16之一所述的装置，其特征在于，该装置构成光纤波型变换器。

20．根据权利要求1至15所述的装置，其特征在于，该装置构成布喇格反射镜。

21．根据权利要求1至15所述的装置，其特征在于，该装置构成布喇格反射器。

22．根据权利要求16所述的装置，其特征在于，区域内的各段(S_-10至S₁₀、500、600)具有各段耦合系数的平均值，该耦合系数对于区域内的所有各段相同。

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