CN1361608A - 波长监控设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波长监控设备,其包括:由周期多层结构制成的光学装置;光学耦合到多层结构的至少一个端面上的光源,该一个端面不平行于多层结构的层面;光束探测装置,用于探测从多层结构的至少一个表面上相对于特定波长以特定角度发射的光束,所述表面平行于多层结构的层面。
Description
技术领域
本发明涉及一种在光学通讯系统、光学测量系统及其类似系统中所用的波长监控设备。
背景技术
近些年来，由于internet的快速普及和发展，迫切要求增加光纤通讯网的容量。以波长分割多路(WDM)通讯手段增加光纤网的容量获得了快速发展。由于具有细微差别波长的光束被分别用来传递不同种类的信息，因而在WDM通讯系统中需要应用如光信号分离器、滤光器或光频隔离器这样的适于选择波长的光学装置。当然，在大生产效率、尺寸减小、密度合成、稳定性等方面，也迫切需求所述功能装置。
在波长分割多路光通讯中，由于要用到人工分离的具有多种波长的光信号，因此需要一种能够发射多种波长光束的光源。在波长分割多路通讯的最初阶段，在波长之间可提供大的波长间隔，如1.3μm至1.55μm。近年来随着通讯容量的增加，在1.55μm的附近，需要频率间隔为100GHz(波长间隔约为0.8nm)的波长多路分割和频率间隔为50GHz(波长间隔约为0.4nm)的波长多路分割，这种波长多路分割的实际应用已有了很大进展。因此，当波长间隔以上述方式减小时，用作光源的半导体激光器的波长稳性就很重要。
由于半导体激光器的振荡波长受温度的影响很大，所以一般需要提供波长监控机构。波长监控机构的监控输出信号被反馈到温度控制器，从而控制振荡波长使其保持不变。图11示出了使用标准具(Fabry-Perot光学共振器)的波长监控光学系统的一个例子(例如，参看光学技术文献，卷11，第11期，第1431页，1999年)。位于中心的半导体激光器(LD)10左侧是所谓的前端，其所示为传输光信号的光学系统。由LD 10的前端表面所发射的光信号通过透镜系统80被传输到光纤50上以便被传递。半导体激光器(LP)10的右侧是所谓的后端，其所示为监控LD振荡波长的一个光学系统。由LD 10后端表面所发射的光束用于监控波长。由LD 10所发射的光束通过校准透镜82校准为平行光束，由此进入标准具84。通过标准具84所传送的光束通过聚光透镜86被聚集到光探测器30上。标准具84的共振器长度被精确地调整使之与所监控的波长相应。当波长波动时，传输的光束的数量随之波动。因此，传输光束数量的变化可过光探测器30的输出波动来探测。光探测器30的输出信号被反馈到LD 10的温度控制器(未示出)，从而有可能抑制LD 10的振荡波长的波动。也可使用具有分光功能或滤光功能的光学装置代替标准具来探测波长波动。这样的光学装置例子有滤光器、光纤-布拉格(Bragg)衍射光栅等。
通过上面的举例说明，可知背景技术波长监控设备的构成是用来校准从LD发射的光束并使校准的光束通过光学装置入射到光探测器上的光学系统。在这样的光学系统中，需要如透镜等光学部件实现有效的光连接。而且也需要精确的调节。因此，很难减小装置的整体尺寸。而且，部件的数量增加了。因此，存在的问题是难以克服温度的振荡和环境的变化(如震动)而保持稳定性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种尺寸小和无需调整就可使用的波长监控设备。
本发明波长监控设备包括：由周期多层结构制成的光学装置；光学耦合到周期多层结构的至少一个端面上的光源，所述一个端面不平行于周期多层结构的层面；及光束探测装置，用于探测从多层结构的至少一个表面上相对于特定波长以特定角度发出的光束，所述一个表面平行于多层结构的层面。
作为由周期多层结构制成的光学装置的一个实施例，光学装置由形成在基体上的多层膜制成，对所使用的波长基体是透光的。半导体可用作光源。光探测器可用作光束探测装置。
在这种情况下，优选的是半导体激光器和光探测器组合在形成有多层膜的基体上。在这种情况下，通过设置在形成有多层膜的基体上的水平差，从半导体激光器发出光束可耦合到多层膜的光入射端面上。此外，光探测器可以设置在形成有多层膜的基体表面的相对面上。
在本发明波长监控设备中，通过用作一维光子晶体的周期多层结构的操作探测到波长的波动作为出射角的变化。由于以波长波动为基础的出射角的变化很大，例如，与现有技术的衍射光栅或类似装置相比，仪器的总体尺寸可被减小。此外，由于这样的周期多层结构一般形成在基体上，该周期多层结构适于将光源和光束探测装置集成在同一基体上。因此，不需要透镜等光学部件，因此可提供小尺寸和稳定性好的波长监控设备。
本发明所披露的内容与日本专利申请2000-391817(申请日为2000年12月25日)所包含的主题相关，在这里将其并入作为一个整体参考。
附图说明
图1为作为本发明基础的周期多层结构的效果的典型视图。
图2所示为周期多层结构的基本构成。
图3所示为入射到同质薄膜层上的光束的反射角。
图4为周期多层结构中光带例子的曲线图。
图5所示为周期多层结构的第三光带中导向光和折射光之间的关系。
图6所示为本发明波长监控设备的一个实施例。
图7所示为本发明波长监控设备的一种使用模式。
图8所示为本发明波长监控设备的另一使用模式。
图9所示为本发明波长监控设备的又一使用模式。
图10是本发明波长监控设备的又一使用模式的视图。
图11所示为现有用来监控半导体激光器波长的仪器构成图。
具体实施方式
下面将详细描述实施本发明的一种模式。
在光学功能装置中，一种光学装置已经被广泛地投入实际应用中，其中由每层都具有等于或小于光束波长的厚度的多层薄膜形成并被层压到诸如石英基体或玻璃基体的基体上的多层膜用作抗反射膜，偏振分离滤光器，波长选择滤光器，或类似仪器。
在大多数情况下，使用这样的光学多层薄膜一般都是假设光线穿过设置基体表面上的多层膜的最上层表面到最下层表面。仅在下面的这个例子中，多层膜的端面，即周期性多层结构暴露的表面被用作光入射面或光出射面。
入射到倾斜的多层膜截面上的光束方向上的理论分析已有描述(应用物理B，卷39，第231页，1986)。双折射材料的同偏振分离作用可通过利用多层膜的特性(所谓的结构双折射)得到，其折射率随TE和TH偏振光有所不同，这已被公开尝试用于由结构双折射产生的偏振光束的分离(Optics Letters卷15，第9期，第516页，1990)。另有报道：周期多层膜被认为是一维光子晶体以获得大的散射(超棱镜作用)，这是由于第一光带在带间隙旁边成线性(“关于光子和电磁晶体结构的国际专题研究组”技术文摘，F1-3)。
根据基础研究的成果，本申请的发明者设计出下面的光学装置。
图1为根据本发明实施例的光学装置的典型截面图。具有周期的多层膜1形成在平行且平坦的透明基体2的表面上，例如，多层膜的结构设置成这样：每层厚度为tA的材料A(折射系数nA)和每层厚度为tB的材料B(折射系数nB)以a＝(tA+tB)为周期交替层压。
根据发明者的实验，在端面1a被抛光后，波长为λ的激光束(入射光束)3入射到多层膜1的端面1a时，大部分光束用作多层膜1内部的导向光。而一部分光束用作光束5渗漏到基体2侧。渗漏光束5的方向(角θ)相对于波长λ大体不变，因此渗漏光束5形成具有良好方向性的光通量。而且，因为对于不同的λ值，θ值有很大的不同，所以多层膜1可探测到入射光3的波长变化作为角θ的变化并具有高的灵敏度。
下面将对以上所述现象的原理进行简要的描述。
图2是作为本发明主题的周期多层结构100的一个例子的透视图。具有折射系数nA、厚度tA的A材料与具有折射系数nB、厚度tB的B材料在Y方向上以层状交替层压。各层之间的分界面和表面100b在(X，Z)平面上相互平行。此时，分界面和面100b通常称作“层面”。多层结构中的周期a等于(tA+tB)。
当光束入射到周期多层结构100的端面100a(不平行于层面)时，对波长为λ的光束如何在周期多层结构100中传播进行分析，就可发现在预先设定的条件下周期多层结构100用作所谓的光子晶体，从而显示出对传播光的特殊影响。
以下将参照图3，通过绘图的方法描述在折射率均匀的两种介质的分界面上的光折射现象。沿着介质A侧分界面附近前进以便与分界面平行的光线RA出射到介质B侧作为具有角度θ的折射光RB，所述分界面介于折射系数为nA的介质A和折射系数为nB的介质B(nA＜nB)之间。
分别以nA和nB为半径的比例画出两圆CA和CB可得到角度θ。如图3所示，绘出圆CA和CB。画出与光束RA方向相一致的向量作为圆CA的法线。从圆CA上一点画出与两圆CA和CB圆心连线平行的直线，可得到与圆CB相交的点。从相交的点上画一与圆CB相垂直的方向向量，这个方向就是折射光RB的方向。波长为λ的光束在均匀介质A中传播的时，圆CA对应最基本的光带。
周期多层结构的光带图可以光子晶体理论为基础计算出来。计算方法在“光子晶体”或类似的文献中已有详细的描述。“光子晶体”，普林斯顿大学出版社，1995，物理评论B卷44，16期，8565页，1991。
假设图2中的周期多层结构100有一周期结构，它在Y方向(层压方向)上是无限连续的，在X和Z方向(展开平面的方向)可无限延伸。图4示出了通过平面波方法相对于多层结构中多种波长TE偏振光的第一光带、第二光带、第三光带的光带计算结果，其中在多层结构中分别由：
nA＝1.44(tA＝0.5a)和
nB＝2.18(tB＝0.5a)
表示的两种介质层以a为周期进行交替层压。图4的每个图都示出了伯努里区，每个伯努里区代表倒易空间一个周期。竖轴表示Y-轴方向，其中的上下边界表示从中心起到±π/a的范围。水平轴表示Z-轴方向(或者X-轴方向)，由于Z-轴方向是没有周期的方向，所以其没有边界。为方便期间，图4所示每个图的左右端用于显示计算的范围。在每一个伯努里区里，位置是指多层结构中的波向量，曲线是指与入射光(在真空里)波长λ相对应的光带。顺便提一句，图4中相应于每条曲线的数字是在多层结构中周期与波长的比率值(a/λ)。在周期多层结构的光带图中，在a/λ大于某一特定值时出现非连续性(所谓的光子带隙)。
图5是第三光带图，表明了当波长为λ的入射光3进入周期多层结构时，朝向与多层结构表面相切的Z-轴方向上的导向光和折射光(渗漏光)之间的关系。由于多层结构中的光线可表示为波带图中所示的曲线的法线，因此第三光带中Z-轴方向的导向光可表示为图5中的3A和3B。根据发明者的研究，导向光3B亮度比3A的亮度大。每一个导向光从多层结构和与多层结构表面相切的介质之间界面射出为折射光。为了射出折射光，有必要使由每一个圆半径所表示的介质折射系数大于预定的如图5所示的值。
折射光相对于相应导向光的角度θ基本上保持不变。因此，可预期出射光用作具有很好方向性的光通量。由于θ值随入射光的波长λ变化很大，所以可得到高分辨能力的波长分离。因此，如图1所示的多层结构可用作高灵敏度的波长监控设备。
周期多层结构并不局限于图2所示的使用两种材料的配置。其也可使用三种或更多种材料。然而，必须层压这些材料以便各层的折射系数和厚度具有预定的周期。周期多层结构一般由n种材料的压层构成(这里n是一个正整数)。假设构成一个周期的材料1、材料2、......、和材料n的折射系数分别为n1、n2、......和nn。假设材料1、材料2、......、材料n的厚度分别为t1、t2、......、tn。相对于所使用波长λ，多层结构每一周期的平均折射系数nm定义为：
nm＝(t1·n1+t2·n2+...+tn·nn)/a
其中a为一个周期并由下式给出：
a＝t1+t2+...+t1n
有关多层结构平均折射系数和适于本发明的多层结构周期的条件可由下式给出：
0.5λ/nm≤a
若满足这个条件，由于a/λ大于在层压方向和0.5/nm＝a附近形成的波带隙，所以就能实现光子晶体的作用。若周期a小于上面条件所表示的范围，多层结构的特性将接近具有平均折射系数的均匀介质的特性。
上面的描述是以下面的事实进行的，当使用周期多层结构，使光束在与结构的周期方向相垂直的方向上入射到结构上时，可以实现波长监控设备的操作。
通过利用上述功能用来监控半导体激光器(LD)波长的仪器配置将在下面进行描述。通过适当的方法，如MOCVD方法或MBE方法，将中心层和包层取向附生在基体上，来产生LD。根据LD的装置结构，激光可从膜的端面或前表面发射出来。尽管在这里描述了从端面发射激光光束的激光器，但激光器并不限于这种类型。
由LD端面射出的光束具有椭圆形的波束图。在使用这样的光束时，光束一般需要用耦合装置如透镜进行聚集。可是当这样的光束被耦合到有波导结构的装置上时，LD的光出射端面可距装置的光入射端面足够近，以致使耦合损失减少到4dB(参看IEICE Trans.电子.，卷.E80-C，第1期，第107页，1997)。在本发明中，将LD安装在多层膜附近以便进行光耦合，因此可以省去通过透镜的聚集光学系统从而减小了仪器的尺寸。当然，从LD出射的光束可由聚光系统如透镜或类似的装置进行聚集，使光束入射到多层膜的一个端面上。
信号传递光纤，半导体激光器或类似仪器可根据在基体上精确制出的不同导向槽进行整体安装，从而各部分的光轴无需校准就可相互一致。由于部件数量如此少以致于几乎不需要调整，所以可稳定和准确的实现波长监控的目的。在这样的配置中，可以实现具有集成的光信号传输光学系统以及波长监控光学系统的紧凑且价廉的LD激光源模块。
下面将描述特殊构成的例子。
如图6所示，将硅基体12加工为0.3mm厚，以便在硅基体12上形成用于光纤50的导向槽13、用于安装LD的凹槽14和用于形成多层膜的平台15。当将在多层膜形成平台15上构造多层膜1时，在平台15和LD安装凹槽14之间设置水平差16，以便多层膜1的端面1a中心高度与LD活性层的高度相同。
厚度大约为10μm的硅层沉积在平台部分15内的硅基体12表面上以用作缓冲层。钛氧化物薄膜(厚度t1＝470nm)和硅薄膜(厚度t2＝470nm)连续排列在缓冲层的表面上形成一个周期。重复这个操作，总共20个周期(40层)。
在这种情况下，由于渗漏光束5是从硅基体12侧射出的，所以对目标波长有一定程度敏感的光电二极管30(光子探测器，以下简称为“PD”)通过粘结剂或类似物固定在基体12的背面12b上，以便形成一个用来监控波长的光束探测装置。如图6所示，PD 30位于渗漏光束以大约75°的出射角θ入射到其上的位置上。而且，波长在1.3μm附近的InGaAsP/InP型LD可用作LD 10。顺便说明的是，渗漏光束也可能朝着多层膜1上面的空气侧发出。为了提高基体侧渗漏光的强度，可在多层膜1的表面上设置光恢复层17。高反射系数的金属薄膜或类似物可优选用作光恢复层17。
当LD 10的振荡波长由于温度波动或类似的因素而波动时，渗漏光5到达基体12背面的位置也波动。因此，PD 30的输出电流也有所不同。当监控到电流波动时，LD 10的波长波动也能够得到监控。
图7示出了由PD 30探测到的光束强度与入射波长之间的关系。假设波长为λ的光束入射到多层结构1的端面1a上，将会产生有特定出射角的渗漏光束5。PD 30安装在基体12的背面12b上渗漏光束5到达的位置。当由于某些因素如温度波动或类似波动导致LD的波长变化为Δλ，来自多层膜1的渗漏光束5的出射角将变化Δθ。为此，有确定光接收表面的PD 30的输出电流相应于入射光束的数量变化而变化。这时，图7示出了PD 30的输出电流和波长λ之间的关系。也就是说，当监测到PD电流波动时，也就监测到了LD 10的波长波动情况。例如，在图7所示的情况下，当PD的输出电流增加时，即光束强度增加时，会发现LD10的波长移动到长波长一侧。另一方面，当PD输出电流减小时，会发现LD 10的波长向短波长一侧变换。由于基于这样的信息发现LD 10的波长向短波长一侧变化意味着LD 10的温度降低，用于指示温度控制器升高温度的信号可以发送到稳定控制器由此调整LD 10的波长。另一方面，当LD 10的波长向长波长一侧变化时，可以执行相反的操作。
而且，如图8所示，两个PD 31和32可以相邻放置。相对于标准波长的两个PD输出电流的比率可预先测出。优选比率接近1∶1。因随波长波动引起比率波动，所以可监测比率。当仅使用一个PD来监测输出电流的绝对值时，由于另外的因素如温度波动而非波长波动引起的输出电流的波动不能被区分出来。当使用两个PD输出电流的比率时，温度波动或类似波动对输出波动的影响可被消除。
此外，将描述另一个应用的例子。当波长为λ1、λ2、...的光束入射到由多层膜1构成的光学装置的端面1a上时，就会产生不同出射角的渗漏光束5-1、5-2、...。如图9所示，多个PD 30-1、30-2、...安装在基体12背面12b渗漏光到达的位置上。这时，图9分别示出了三个相邻接的PD 30-(i-1)、30-(i)和30-(i+1)中每个的输出电流与波长λ之间的关系。由于波长为λi的渗漏光5-i到达PD 30-i的中心位置，但几乎没有入射到PD 30-I相对侧的30-(i-1)和30-(i+1)上，因此，在这些PD探测到的光束的强度有明显的不同。因此，当确定如图9所示的特定电流水平IT并与每一PD的输出电流进行比较时，就可探测到预定波长的光束是否到达PD。当然，光电二极管的数量可根据波长的数量增加及光电二极管可以排成阵列，以便可监测多个波长。
由于来自多层膜的渗漏光束有很好的方向性，渗漏光束可到达很窄的范围。当多层膜的宽度预先设的较窄时，也可预期狭缝效用。
尽管上面的每一个例子是根据由多层膜构成的周期多层结构进行描述的，然而也有可能产生与基体相垂直的周期多层结构并将周期结构应用到如图10所示的周期多层结构中。这样的结构可通过微处理技术进行生产。下面将描述一种特殊的方法。
在硅基体22上敷上光保护层并使用光掩模，从而多个具有所希望的厚度和间隔的条状图案暴露在光束中并显影。用光阻图案掩模的硅基体22可用适当的蚀刻溶液进行蚀刻，从而形成与基体22垂直的由硅层和空气层所构成的周期多层结构20。LD 10安装在基体22上，使出射光束能够耦合到周期多层结构20的端面20a上。用来将光纤50固定到预定位置上的凹槽13和用作定位LD 10的导向件(未示出)可形成在基体的上面或里面。
当从LD 10出射的光束入射到周期多层结构20的端面20a上时，可得到以特定角度θ发射到周期多层结构20的面20b上的、方向与基体22平行的光束(渗漏光)25。PD 40安装在预定波长出射光出射的方向上。优选的PD 40为波导类型。多数PD可根据目的安装，这类似于多层膜的情形。可以生产用来确定PD 40位置的导向器，这类似于LD的情形。而且，用来聚集渗漏光的透镜可生产在同一基体上。在这样的配置中，由于出射光25平行于基体22，所有的装置可集成在同一基体上，因而可进一步减小装置的尺寸。
如上所述，根据本发明，利用来自周期多层膜的渗漏光的良好方向性和渗漏光的方向性具有很强的波长依赖性这一事实，在不增加设备尺寸的情况下，可以获得对波长敏感的波长监控设备。由于这样的多层膜可利用现有技术进行相对廉价的大量生产，所以可使这些光学装置的价格降低。此外，利用微处理技术可形成更紧凑的装置。
Claims (13)
1.一种波长监控设备，其包括：
由周期多层结构制成的光学装置；
与所述周期多层结构的至少一个端面光学耦合的光源，所述一个端面与所述周期多层结构的层面不平行；和
光束探测装置，其用来探测相对于特定波长以特定角度从所述周期多层结构的至少一个端面出射的光束，所述一个端面与所述周期多层结构的所述层面平行。
2.根据权力要求1所述的波长监控设备，其特征在于：所述光学装置由形成在基体上的多层膜制成，所述基体可透过所使用的波长。
3.根据权力要求1所述的波长监控设备，其特征在于：所述光学装置由周期多层结构制成，所述周期多层结构具有垂直于基体表面的层面。
4.根据权力要求1所述的波长监控设备，其特征在于：所述光源由半导体激光器构成。
5.根据权力要求1所述的波长监控设备，其特征在于：所述光束探测装置由至少一个光探测器构成。
6.根据权力要求2所述的波长监控设备，其特征在于：所述光学装置、半导体激光器和光探测器安装在同一基体上。
7.根据权力要求6所述的波长监控设备，其特征在于：通过在所述基体上设置水平差，使从半导体激光器发出的光束耦合到所述多层膜的光入射端面上，其中所述多层膜形成在所述基体上。
8.根据权力要求6所述的波长监控设备，其特征在于：所述光探测器设置在与所述基体表面相对的表面上，其中所述多层膜形成在所述基体上。
9.根据权力要求3所述的波长监控设备，其特征在于：所述光学装置、半导体激光器和光探测器安装在同一个基体上。
10.一种波长监控设备，其包括：
具有周期多层结构的光学装置，所述周期多层结构至少限定了第一表面和第二表面，所述第一表面基本上垂直于周期多层结构的层面而所述第二表面基本上平行于周期多层结构的层面；
面对所述第一表面的半导体激光器；和
面对所述第二表面的光探测器。
11.根据权利要求10所述的波长监控设备，其还包括：
支撑所述光学装置、半导体激光器和光探测器的共同基体。
12.根据权利要求11所述的波长监控设备，其特征在于：所述基体是透明的，并与所述周期多层结构的第二表面相接触。
13.根据权利要求11所述的波长监控设备，其特征在于：所述基体与所述周期多层结构第一和第二表面以外的表面相接触。
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