CN1439109A - 用于减小光纤通信装置中使用的衍射光栅的偏振灵敏度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在光通信系统中用于复用和去复用光信号中的具有减小的偏振灵敏度的衍射光栅(10’)，具有多个反射阶面(16’)，该反射阶面被限定该光栅凹槽的多个竖板面(18’)隔开。该阶面(16’)具有反射涂层(22’)而该竖板面(18’)不具有导电涂层。一种制作反射式衍射光栅的方法，包括在一基片上形成许多凹槽，该凹槽具有反射入射光束的反射面和非反射面，并且在该反射面上提供有反射涂层，而在该非反射面上并不提供。

Description

用于减小光纤通信装置中使用的 衍射光栅的偏振灵敏度的装置和方法
技术领域
本发明涉及光通信，更准确地说，涉及减小使用整体(bulk)衍射光栅的光学复用器/去复用器中的偏振灵敏度。
背景技术
在光纤通信的最初，通常用一根光纤来在单一波长上携带单信道数据。密集波分复用(DWDM)能使给定波长带内截然不同波长的多个信道通过一单模光纤进行传输，从而大大扩大了每根光纤所能传输的数据量。选择每个信道的波长以使信道间不相互干扰并且将光纤的传输损耗最小化。一般的DWDM允许通过一根光纤同时传输40个信道。
DWDM需要两种概念上对称的装置：复用器和去复用器。复用器采用多个光束或光信道，每个都具有离散的波长并来自一离散信号源，复用器将这些信道合并成单个多信道或多色光束。输入端一般是一波导的线性阵列如光纤的线性阵列、激光二极管的线性阵列或其它一些光源。输出端一般是单个波导如一根光纤。去复用器根据波长在空间上将一多色光束分成分开的信道。输入端一般是单根输入光纤，而输出端一般是波导如光纤的线性阵列或光电检测器的线性阵列。
为了满足DWDM的需要，复用器和去复用器都需要特定的内在特性。第一，色散装置必须能够提供密集隔开信道的大角度色散，以使来自多信道或多路传输光束的单个信道能在相对短的距离内被充分分离，以与单信道光纤的线性阵列耦合。复用器和去复用器优选是可逆的，以使单个装置可实现复用和去复用两种功能(下文中，“(去)复用器”)。此外，(去)复用器必须能提供与光纤通信带宽相应的自由光谱区内的信道。而且，该装置必须提供高的分辨率以最小化串话，而且还必须是高效的以最小化信号损耗。该理想装置还要是小的、耐用的、廉价的和可升级的。
因为其相对低的成本、高产量、低插入损耗和串话、衰减均匀并且具备同时可复用大量信道的能力，所以基于复用器和去复用器的衍射光栅比其它用于密集波分复用应用的技术有着更显著的优点。基于(去)复用器结构的典型的衍射光栅被披露在申请人共同未决的美国专利申请序列号第09/628774号(2000年7月29日申请，名称为“阶梯光栅密集波分复用器/去复用器”)中，其内容被整个引用在此。然而，衍射光栅具有可限制其(去)复用应用用途的内在偏振灵敏度。也即，通过光纤传播的光信号具有不确定的偏振状态，需要(去)复用器大体是偏振不敏感的，以最小化依赖偏振的损耗和依赖于光信号的偏振状态的衍射效率的测量。
存在着许多减小衍射光栅式光纤(去)复用器的偏振灵敏度的方法和装置。Chowdhury的美国专利第5,966,483号和第6,097,863号(共同的“Chowdhury”)，该公开被整体结合在此以作参考，描述了一种具有减小偏振灵敏度的衍射光栅。Chowdhury教导，偏振灵敏度可通过将衍射光栅的反射面按闪耀角“θb”定位以逆反射波长“λb”的法向入射光来达到最小，其中“λb”不同于传输带宽“Δλ”的中间波长“λ0”。该闪耀角θb被选择以减小传输带宽Δλ内波长λ的第一衍射效率和第二衍射效率之间的差别。这种用来使衍射效率之间差别至最小的方法可被有限利用，这是因为它限制了闪耀角和闪耀波长的选择，而闪耀角和闪耀波长可抑制对于(去)复用器提供衍射光栅的基本目标，该(去)复用器向许多密集隔开信道提供高分辨率、最小的串话和小的信号损耗。
Chowdhury还教导，可通过在衍射光栅的相邻反射阶和竖板之间提供凹角和凸角来减小衍射光栅的偏振灵敏度。更具体地讲，Chowdhury教导，可通过改变相邻阶和竖板之间凹角的半径来减小偏振灵敏度。尽管这种建议具有不会对光栅的闪耀波长和闪耀角的选择设置不必要限制的优点，但是要精确地将凹半径和凸半径控制在纳米范围却是困难和昂贵的。同时，也限制了光栅的绝对效率。
Chowdhury同时还教导将节距(或凹槽间距)设为最大可有助于最小化偏振灵敏度。但是，正如Chowdhury操纵闪耀角和闪耀波长来最小化偏振灵敏度的建议一样，该建议限制了光栅节距，从而使衍射光栅的其他重要目的降级，像对DWDM信号获得适当的信道分离。
McMahon的美国专利第4,736,360号教导，整体光栅中的偏振灵敏度可通过确保反射面的宽度与光栅工作波长相比足够大来达到最小。这实际上类似于由Chowdhury教导的最大化节距。虽然这种方法具有有限的应用，但它也对光栅设计的选择设置了不必要的限制，从而就限制光栅实现其对密集信道间距信号波分(去)复用的能力。
He的美国专利第5,937,113号教导另一种方法来使光波导衍射光栅的偏振依赖损耗至最小。他提出一种衍射光栅器件，该衍射光栅器件具有一带有多个预定光接收位置的输出区域。第一板条形波导区域具有第一双折射，该第一板条形波导区域光学耦合该器件的输入和输出区域。靠近第一板条形波导区域的第二板条形波导区域具有预定的形状和预定的尺寸，提供一不同于第一板条形波导区域的第二双折射以对该器件提供偏振补偿。这种解决方法需要提供第一和第二板条形波导，从而不易适用于整体光学器件。无论怎样，提供至少两个板条形波导都会增加制作的复杂性和成本。
另一种用来减小偏振灵敏度的已知方法是提供一偏振分束器，继之以位于准直光学系统和光栅之间被分束光束之一上的一半波片。该偏振分束器将入射光束分成第一束光和第二束光，每束光是沿不同正交方向上的线性偏振光。位于其中一束光上的半波片致使两束光具有相同的正交偏振。虽然这种方法具有不对衍射光栅的设计施加限制以致限制其利用来实现DWDM的优点，但是该偏振光束分束器和该半波片易于降低(去)复用器的整个效率，并且增加了部件数和器件的复杂性。使用偏振光束分束器来最小化偏振灵敏度在Nicia的美国专利第4,741,588号、Martin的美国专利第6,084,695号、Doerr的美国专利第5,809,184号和Boord的WO99/41858中均有教导。
本发明想要克服上述讨论的一个或多个问题。
发明概要
本发明的第一个方面是一种在光通信系统中用于复用和去复用光信号的衍射光栅。该衍射光栅具有形成在一基片上的许多凹槽，每个凹槽具有一包括反射阶面(a step surface)的凹槽表面。该反射阶面具有一反射涂层，并且该凹槽表面的剩余部分不具有反射涂层。该凹槽表面还可包括一位于相邻凹槽反射阶面之间的横切竖板(riser)。该反射涂层可是一导电金属涂层，优选的是包括金。作为选择，该涂层也可是一电介质，如一多层介电涂层。
本发明的另一方面是一种制作光通信系统中用于衍射光信号的反射式衍射光栅的方法。该方法包括在一基片上形成许多平行的凹槽，该平行的凹槽包括阶(step)和横切的竖板。一反射涂层被提供在该阶上但并不提供在该竖板上。该反射涂层也可通过离子束溅射施加在凹槽上，除外竖板；或者该反射涂层被施加在阶和竖板上，然后将该涂层从竖板上刻蚀掉。该反射涂层也可是导电的金属涂层，优选的是金。作为选择，该涂层也可是一电介质，如一多层介电涂层。
依照本发明的用于减小衍射光栅偏振灵敏度的装置和方法，允许对光栅的闪耀角和凹槽间距进行选择，以最优化诸如角度色散、整体效率及相对宽波带内密集信道间距(0.4nm或更小)的分辨率。从而，通过在衍射光栅的反射阶上配置反射的导电涂层而在竖板上不配置而提供偏振不灵敏性(insensitivity)。作为选择，该介电涂层也可施加在阶和竖板两者上或仅施加在阶上。本发明允许减小偏振灵敏度，而不向利用衍射光栅的复用器/去复用器引入额外的部件或复杂性，且在本质上不会限制光栅设计的选择。实施本发明所需要的对衍射光栅的改变是较小和廉价的，且基本上对成本或光栅自身的复杂性没有影响。
附图的简要说明
图1是一种现有技术的衍射光栅凹槽图形的示意性剖面图；
图2是从图1光栅阶的反射表面折射的s偏振光和p偏振光的场强作为距竖板的距离的函数的曲线表示；
图3是图1的衍射光栅依照本发明仅阶上具有导电的反射涂层的凹槽图形的示意性剖面图；
图4是反射涂层位于整个光栅表面上的一示例衍射光栅其凹槽图形的示意性剖面图；
图5是图4的衍射光栅依照本发明在竖板上不具有反射涂层的凹槽图形的示意性剖面图；
图6是作为波长函数的衍射效率变化的曲线图，该波长位于图4光栅的折射光信号的TM和TE分量的选择带宽内；
图7类似于图6的曲线，示出在图5光栅的竖板上不带有反射涂层的效果。
优选实施例的详细描述
图1是一种现有技术的衍射光栅10凹槽图形的示意性剖面图。光栅10包括一基片12，该基片12带有形成在其上的多个凹槽14。该凹槽由相邻的横向平面阶16和竖板18确定。平面阶16是一反射面，其反射入射的光束。平面竖板18是一非反射面，其不反射入射的光束，且光栅被配置成接收图1正弦波24所示的入射光束。相邻的阶和竖板具有一个远离基片的顶点20，该顶点20具有相邻的阶16和竖板18间的选择角(α)。如图1所示，阶和竖板都被涂覆一层导电的反射涂层，一般是金属反射涂层22如金。
图1中描绘的正弦波24表示(s)偏振光沿偏振的“TM”(横向磁场)方向的振荡电场。入射光被反射离开反射面或平面阶16。此电场在垂直于光栅凹槽且垂直于竖板18平面的平面内振荡。(p)偏振光或偏振的“TE”(横向电场)方向的正交振荡反射场，平行于光栅凹槽进行振荡。已经知道在衍射光栅内衍射光的TE和TM分量的衍射效率是不同的。对正交偏振光分量具有不同衍射效率的一种至少部分解释是竖板表面上的导电涂层与电场干涉，尽管此理论叙述无意限制本公开或所附权利要求的范围。这种现象在图2中被用曲线来说明。图2是Y轴上场强与X轴上距竖板距离的表示。在竖板上的场强Es是零。相反，平行于光栅刻线并垂直于(s)偏振光平面的(p)偏振光的电场矢量并不对光栅竖板附近区域取样(sample)。从而，存在着由光栅竖板施加的最小边界条件(boundary condition)并在竖板处Ep≠0。边界条件的变化被认为是光栅偏振依赖性增加的一个因素。
图3说明对图1光栅10的改进，用以最小化光栅的偏振依赖损耗。该光栅10’仅在反射阶16’上具有反射层22’，而在竖板18’上没有反射层，从而形成并不反射入射光束的非反射面。如图2所示，这就消除了由光栅竖板上导电涂层所施加的边界条件，并由此认为减小了偏振依赖损耗。
通过不向竖板施加导电涂层来消除由竖板(或非反射面)施加的边界条件的一种可供选择方案，是用一多层介电涂层替代图1现有技术实例中的导电的反射涂层22。该多层介电涂层可由现有技术中已知的数种高反射多层介电涂层中的任一种制成，包括层状的二氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)；层状的五氧化二钽(Ta3O5)和二氧化硅(SiO2)；层状的二氧化铪(HfO2)和二氧化硅(SiO2)。该多层介电涂层具有比简单的金属涂层更高反射性的优点，可超过99.9％的效率。因为这些介电涂层必须是不导电的，所以它们确保电场的TE和TM分量取样(sample)类似的边界条件。因而，介电涂层的应用可提供潜在的高效率和减小的偏振依赖损耗。该介电涂层也可被只施加在反射面上，如图3描述的具有导电的反射涂层22’的情形。类似地，该介电涂层也可用在使用反射的导电涂层的任何其它实例中，例如图4和5中所示或全息光栅(未表示)。
此处披露的光栅可由几种已知方法中的一种来形成。例如，可通过将一环氧树脂层沉积在一玻璃基片上，并将一限定凹槽的母模按在该基片中来形成。该凹槽也可通过一由干涉测量(interferametrically)控制的刻线机直接在玻璃或硅基片上精加工而成。再一种选择是利用McMahon的美国专利第4,736,360号所描述的光刻(photolithographic)技术，其内容据此被全部引用以作参考。
仅涂覆阶(即反射面)的步骤，可利用采用反射涂层材料的高定向束(例如，离子束溅射)的涂布技术，或利用已知的技术以反射涂层涂覆整个光栅表面并从竖板(或非反射面)上刻蚀掉该涂层来实现。该反射涂层可以是任何合适的反射材料，并且一般是金属导电反射涂层如金，尽管上述讨论的介电涂层可以是优选的。
下面的例子说明在光栅的反射阶上配置反射涂层而在竖板上不配置反射涂层可有效地减小偏振依赖损耗，但无意限制本公开的范围。
图4是一种衍射光栅28凹槽图形的示意性剖面图。该光栅28包括形成在一基片32上的多个凹槽30。每个凹槽都由横向阶34和竖板36限定，且横向阶34和竖板36通过一平坦部分38在凹槽中相连接。在这个实例中，凹槽的整个表面，包括反射阶34、平坦部分38和竖板36都被一金导电反射涂层40覆盖。凹槽密度是171.4凹槽/每毫米，闪耀角θb是31°，凹槽深约为2500.0nm，平坦部分38大约是713.0nm长，并且顶角αa是80°。
图5是一种衍射光栅28’凹槽图形的剖面图，该衍射光栅28’与衍射光栅28在所有方面完全相同除了竖板36’的表面不具有导电的反射涂层40’外。从而，反射阶和平坦部分38’是光栅表面仅仅被涂覆的部分。
图6是作为波长函数的衍射效率相对折射光信号TE和TM分量的波长曲线。该效率分别是衍射光TE和TM分量的能量含量与入射在光栅上的光的能量含量之间的比值。对于当前用于光通信的C波段(λ＝1528-1565nm)，随着TE和TM分量之间效率的差别而测量的偏振依赖损耗大约在10-16％之间变化。
图7表示对于图5中示出的光栅28’的偏振依赖损耗，其中仅仅反射阶34’被涂覆。此时偏振依赖损耗急剧减小，在大约2.5-5％之间变化。
依照本发明在光栅的竖板上不设置反射涂层可减小整体衍射光栅内固有的偏振依赖损耗。从而不需要改变该光栅的结构就可提供所需的信道分离、分辨率和效率，而光栅结构的改变可能会有害影响光栅的性能。利用介电的反射涂层也可取得类似的优点。此外，只需最小的努力和最低费用，就可使已知的光栅结构具备这些优点，该光栅结构包括但并不限于此处图解的实施例和全息光栅。

Claims (34)

1.一种在光通信系统中用于复用和去复用光信号中的衍射光栅，该衍射光栅包括形成在一基片上的许多凹槽，每个凹槽都包括一反射入射光束的反射面和一不反射入射光束的非反射面，且该非反射面是不导电的。
2.如权利要求1的衍射光栅，其中该反射面和非反射面都带有反射的介电涂层。
3.如权利要求1的衍射光栅，其中该反射面和非反射面都带有多层介电涂层。
4.如权利要求1的衍射光栅，其中该反射面带有一反射涂层，非反射面不带有反射涂层。
5.如权利要求4的衍射光栅，其中该反射涂层是导电的。
6.如权利要求4的衍射光栅，其中该反射涂层是金属的。
7.如权利要求4的衍射光栅，其中该反射涂层包括金。
8.如权利要求4的衍射光栅，其中该反射涂层是不导电的。
9.如权利要求4的衍射光栅，其中该反射涂层是一电介质。
10.如权利要求4的衍射光栅，其中该反射涂层是多层电介质。
11.如权利要求4的衍射光栅，其中该反射涂层为多层电介质，选自下面化合物组成的组中：
层状的二氧化钛和二氧化硅，层状的五氧化二钽和二氧化硅，或层状的二氧化铪和二氧化硅。
12.如权利要求1的衍射光栅，其中每个凹槽包括一反射阶面和一横切该反射阶面的非反射竖板面，该非反射竖板面位于相邻凹槽的反射阶面之间。
13.一种制作用于衍射光通信系统中光信号的反射式衍射光栅的方法，该方法包括：
a)在一基片上形成多个平行的凹槽，该平行凹槽包括阶和竖板；和
b)在该阶上提供一反射涂层，及在该竖板上不提供反射涂层。
14.如权利要求13的方法，其中步骤b)是通过离子束溅射实现的。
15.如权利要求13的方法，其中步骤b)是通过首先用反射涂层涂覆阶和竖板，然后从竖板上刻蚀掉该涂层来实现的。
16.如权利要求13的方法，其中该反射涂层包括导电的反射涂层。
17.如权利要求13的方法，其中该反射涂层是一电介质。
18.一种在光通信系统中用于复用和去复用光信号中的衍射光栅，该衍射光栅包括形成在一基片上的许多凹槽，每个凹槽都带有一包括反射阶面的凹槽表面，该反射阶面带有一反射涂层，并且凹槽表面的剩余部分不带有反射涂层。
19.如权利要求18的衍射光栅，其中每个凹槽表面还包括一位于相邻凹槽的反射阶面之间的横向竖板。
20.如权利要求18的衍射光栅，其中该反射涂层包括导电涂层。
21.如权利要求18的衍射光栅，其中该反射涂层是金属的。
22.如权利要求18的衍射光栅，其中该反射涂层包括金。
23.如权利要求18的衍射光栅，其中该反射涂层是不导电的。
24.如权利要求18的衍射光栅，其中该反射涂层是一电介质。
25.如权利要求18的衍射光栅，其中该反射涂层是多层电介质。
26.如权利要求18的衍射光栅，其中该反射涂层为多层电介质，选自下面化合物组成的组中：
层状的二氧化钛和二氧化硅，层状的五氧化二钽和二氧化硅，或层状的二氧化铪和二氧化硅。
27.一种在光通信系统中用于复用和去复用光信号中的衍射光栅，该衍射光栅包括形成在一基片上的许多平行的凹槽，每个凹槽带有一平面反射阶面和一横切该反射阶面的竖板，该竖板位于相邻凹槽反射阶面之间，该反射阶面带有一反射涂层，而该竖板不带有反射涂层。
28.如权利要求27的衍射光栅，其中该反射涂层是金属的。
29.如权利要求27的衍射光栅，其中该反射涂层是一电介质。
30.一种制作用于衍射光通信系统中光信号的反射式衍射光栅的方法，该方法包括：
a)在一基片上形成多个凹槽，该凹槽具有一反射入射光束的反射面和一不反射入射光束的非反射面；和
b)将一不导电反射涂层施加在该反射面上。
31.如权利要求30的方法，其中步骤b)还包括不将一不导电反射涂层施加在该非反射面上。
32.如权利要求30的方法，其中在步骤b)中，该不导电反射涂层包括一电介质。
33.如权利要求30的方法，其中在步骤b)中，该不导电反射涂层包括多层电介质。
34.如权利要求30的方法，还包括
c)将一不导电反射涂层施加在该非反射面上。
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