具有多个全息光学元件的高散射的衍射光栅的制作方法

专利名称：具有多个全息光学元件的高散射的衍射光栅的制作方法
专利说明具有多个全息光学元件的高散射的衍射光栅 技术领域：
本发明是关于一种衍射光栅(例如实现全息图的体积相位光栅)和全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)，且特别是有关于一种具有高色散以及包括有多个全息光学元件的衍射光栅。
背景技术：
随着电子通信工业的快速发展，需要发射和接收的信息量越来越大。为了满足市场需求，已经发展了多种技术利用光纤固有的带宽容量。其中一种技术就是波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，或WDM)。
波分复用技术允许在单根光纤上同时传输多个信号，每一信号在一个不同的载波上发送。每一载波是一光束，其波长与其它载波的波长略微不同。在光纤的入口处，利用光复用器(optical multiplexer，MUX)将这些单个载波波束合并在同一波束内。在光纤的接收端，利用光解复用器(opticalde-multiplexer，DEMUX)分开这些载波。为了有效和经济地使用，光复用器或光解复用器必须能够以最小的插入损耗和偏振相关损耗(PolarizationDependent Loss，PDL)将一多波长光束分成多个单波长片段，而且必须相对便宜和简洁。
解复用器的首要功能是按照波长将载波波束分开。有四种基本装置提供此功能(1)薄膜滤波器、(2)阵列波导、(3)光纤布拉格光栅以及(4)衍射光栅。薄膜滤波器使用多个滤波器，每个滤波器针对一种不同于其他滤波器的波长。沿着光传播路径，载波的分开发生在每一滤波器上。该方法对于具有少量信道(一个信道对应于一种载波器波长)的系统是有效的。薄膜滤波器不适用于具有大量信道(例如16个或更多)的系统，因为会引入过多的插入损耗且整个系统非常复杂。
阵列波导使用由不同波长波导组成的阵列。光束由多个具有不同波长的载波组成，光束离开入射光纤后被展开，从而使该光束能够进入该阵列内所有的波导。每个波导中的载波的波长和该波导的长度将决定该载波相对于同波长的光离开所有的其他波导时的相位。依次地，这种相位关系将为该特定的波长建立出射波前的全部相位分布。相位分布将决定该载波器将被导入到明一出口。
阵列波导非常复杂，所以难以构成大的阵列，且通常需要温度控制装置。这种复杂性造成可由阵列波导加以传送的信道数量的上限。一般而言，阵列波导也有高插入损耗。
除了光纤布拉格光栅滤波器是由形成在光纤内的光栅制成之外，光纤布拉格光栅与薄膜滤波器相似。波长选择是在光纤中的每一个光栅内完成。如同薄膜滤波器一样，光纤布拉格光栅具有相同的插入损失问题--对于大量的信道，存在过多的插入损失。如同薄膜滤波器一样，对于大量信道，其整个体统是非常复杂的。
随着信道数量的增长，以上三种技术每个信道都有相对较高的成本。
第四种技术--衍射光栅--具有高性能(大量信道和低插入损耗)和成本相对低的优点。衍射光栅通过离散程序能够分开大量的不连续波长。当由不同波长的多个载波组成的入射波束被光栅反射或者通过该光栅传输时，该光束通过衍射而散开。每一波长的出射波束以不同的衍射角度被反射或者传输，从而使每一个载波能够进入一个不同的端口。这是光解复用器的情形。对于光复用器，在一个与上述光解复用器大致相反的过程中，分开的载波被合并在一个单个的光束内。
相较于其他三种技术，衍射光栅的明显优点是一个单一、相对简单的装置提供了完整的波长分离功能。因此，成本、复杂性以及光复用器或光解复用器的尺寸都较小，而信道数量却较大。
有四种衍射光栅，但仅有三种适用于波分复用技术反射和透射表面凹凸光栅以及透射体积相位光栅(transmissive volume phase gratings，transmissive“VPGs”)。表面凹凸光栅具有较高的衍射效率，但是通常仅针对一种偏振。在波分复用技术中，入射到一衍射光栅上的辐射片段具有不同的偏振，因为这些片段将通过光栅以不同的衍射效率被衍射，所以仅针对一种偏振的表面凹凸光栅会在波分复用技术中引起一种名为偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，PDL)的问题。虽然偏振相关损耗在表面凹凸光栅内不能被消除，但是它可以被最小化，但仅能在较低的光栅频率(大约每毫米600条或者更少)加以最小化。这种低光栅频率降低了光栅的散射，使其难以插入更多信道并难以获得好的信道分隔。
透射体积相位光栅也能够具有高的衍射效率，但是对于表面凹凸光栅，这种高的衍射效率通常仅仅发生在一种偏振上。因此，现有的体积相位光栅代表性地显示出高的偏振相关损耗。虽然在现有的体积相位光栅内偏振相关损耗可以被最小化，但是这样做会使整体的衍射效率变低或者散射变低，造成非常高的插入损耗或者相对较少的可用信道。
在2004年6月15日授予LeRoy D.Dickson的美国专利第6,750,995号揭示了体积相位光栅，用来最大化S偏振衍射效率以及P偏振衍射效率(从而减小插入损耗)，并且也用来减小偏振相关损耗。这里，我们将美国专利第6,750,995号揭示的增强型体积相位光栅的任何体积相位光栅称为迪克逊光栅(Dickson grating)，将不是迪克逊光栅的体积相位光栅称为“非迪克逊光栅”(non-Dickson grating)。
美国专利第6,750,995号揭示了迪克逊光栅的相位体积介质可以是由重铬酸盐明胶构成的全息图，其具有周期性地调整的折射率。然而，美国专利第6,750,995号没有揭示在一些应用中怎样以足够高的散射(以及足够小的尺寸和足够低的制造成本)实施迪克逊光栅。具有迪克逊光栅(最小的偏振相关损耗，对于S偏振和P偏振都具有高衍射效率)的有益特性、却能被制造(以可接受的低成本且足够小的尺寸)得具有较高的散射的衍射光栅，可用于许多波分复用及其它应用中，其中该衍射光栅的散射比按照美国专利第6,750,995号的教导所得到的散射(对于S偏振和P偏振片段)更高。
1997年2月11日授予LeRoy D.Dickson等的美国专利第5,602,657号揭示了一种衍射光栅，该衍射光栅包括由透明粘合剂(光学胶)固定在一起的多个全息光学元件(Holographic optical elements，HOEs)。每一个全息光学元件都是一个包括体积全息图和基板的体积相位光栅。该多全息光学元件光栅用来衍射一包括有多个片段的波束，以在该被衍射波束的衍射片段之间产生一需要的角距，其中该等片段具有不同的偏振(例如P偏振和S偏振片段)。例如，该多全息光学元件光栅可包括一对体积相位光栅，其体积全息图具有相对定向，所以当该多全息光学元件光栅衍射一波束时，该被衍射波束的P偏振和S偏振片段之间的角距会超过一预定的最小值。然而，美国专利第5,602,657号没有揭示怎样去实施一个衍射光栅，该衍射光栅对于入射辐射(例如，具有一个波长范围的入射辐射)的S偏振和P偏振片段都具有高散射、最小的偏振相关损耗、以及贯穿入射辐射的宽波长范围对于入射辐射的S偏振和P偏振片段都具有至少大致均一的高衍射效率。

发明内容
在一些实施例中，本发明是一衍射光栅，具有至少两个全息光学元件，包括一个迪克逊光栅(Dickson grating)以及至少一个其它的体积相位光栅。该迪克逊光栅的体积相位介质的折射率调制的空间频率应当远大于本发明光栅的每个其他体积相位光栅的空间频率，以保证本发明光栅对于入射辐射(例如，具有一个波长范围的入射辐射)的S偏振和P偏振片段都具有高散射，最好也保证贯穿入射辐射的宽波长范围对于该入射辐射的S偏振和P偏振片段都具有均一(或大致均一)的高衍射效率。在较佳实施例中，迪克逊光栅的体积相位介质的折射率调制的空间频率至少是本发明光栅的每个其它体积相位光栅的空间频率的二倍。在典型实施例中，本发明光栅不但具有迪克逊光栅的关键的有益特性(最小的偏振相关损耗、S偏振衍射效率高以及P偏振衍射效率高)，而且其散射(对于入射辐射的S偏振以及P偏振片段)比一个迪克逊光栅或者具有单个衍射光栅(例如，一个迪克逊光栅)以及一个或更多非光栅元件的光学装置的散射更高。代表性地，本发明光栅的元件使用适当的透明粘合剂相互粘合在一起。本发明光栅的典型实施例能够以可接受的低成本制造，其尺寸足够小且具有其散射(对于S偏振片段以及P偏振片段)足够高，从而可以用于要求高散射的波分复用(或者其它)应用中。
本发明光栅(以下有时称为“多全息光学元件光栅”)可以实施成对称光栅或者非对称光栅。关于本发明光栅的每一子光栅(迪克逊光栅或者其它体积相位光栅)是否应该实施成对称光栅或者非对称光栅的选择，由本发明光栅的用途或者特定用途决定。非对称光栅的衍射角在光照几何学上与入射角不相等，这会使衍射效率达到最大。对称光栅的衍射角在光照几何学上与入射角相等，这会使衍射效率达到最大。
在一些实施例中，本发明多全息光学元件光栅仅包括一个迪克逊光栅，除了该迪克逊光栅之外，该多全息光学元件光栅的每个全息元件都不是迪克逊光栅。在其它实施例中，本发明多全息光学元件光栅包括两个或者更多的迪克逊光栅。例如，一个实施例具有两个并且仅有两个体积相位光栅，每一个都是迪克逊光栅。
虽然本发明多全息光学元件光栅的每个体积相位光栅(除了该多全息光学元件光栅的第一迪克逊光栅)的存在都会使本发明光栅的S偏振以及P偏振的衍射效率降低到单个第一迪克逊光栅的S偏振以及P偏振的衍射效率之下，但是本发明光栅典型地能够以可接受的衍射效率实施。第一迪克逊光栅的体积相位介质的折射率调制具有的空间频率远大于本发明光栅的每个其他体积相位光栅的空间频率，本发明光栅的偏振相关损耗将不会显著不同于第一迪克逊光栅的偏振相关损耗的(最小)值。在一些实施例中，以最小的偏振相关损耗、高S偏振衍射效率以及高P偏振衍射效率，本发明衍射光栅的散射远高于(例如，高到1.5至3.5倍)本发明的每个单个的体积相位光栅所能提供的散射。例如，这样的实施例包括一迪克逊光栅以及一非迪克逊光栅，其中该迪克逊光栅的体积相位介质有每毫米940的折射率调制(也就是说，迪克逊光栅的空间频率是每毫米940条)，该非迪克逊光栅的空间频率是每毫米260条，该实施例用来衍射一波长范围的中心波长为1545纳米的辐射，并且其角分散为每40纳米7.43度。这可以与空间频率为每毫米940条的单个迪克逊光栅(用来衍射相同的辐射)的每40纳米3.00度的散射相比较。
在许多应用中，包括通信业常见的密波分复用应用中，本发明能够以足够的散射来衍射具有多个波长的辐射。
在典型实施例中，本发明光栅是透射光栅。在其他实施例中，本发明光栅也可以是反射光栅(例如，包括至少一反射镜或反射棱镜的反射光栅)。例如，本发明的反射光栅的实施例可以包括多个具有透射体积相位介质的子光栅以及在衍射波束的路径上的至少一个反射元件，从而使其可用于反射双路模式中。在该双路模式内，在持续保持整体高衍射效率和低偏振相关损耗的情况下，本发明的该反射光栅的实施例的整体的散射能够增大至超过本发明衍射光栅的单路、透射实施例的散射。
本发明光栅所包括的每个迪克逊光栅被较佳地实施，从而在整个宽波长范围(包括额定波长)内对于所有偏振都具有均一的(或者大致均一的)高衍射效率，并且实施(在使用期间)每个迪克逊光栅的体积相位光栅材料的体积指数和折射率调制的值(并且可选择厚度或者有效厚度)，以及将要被衍射的辐射的入射角和衍射角的值，可以使其在额定波长对于S偏振和P偏振的衍射效率同时达到最大。该每个迪克逊光栅的体积相位材料经过产生、涂层、曝光以及处理后，获得了上述参数的希望值。典型地，本发明多全息光学元件光栅的每个子光栅是全息光栅，全息光栅的体积相位材料是大致由重铬酸盐明胶构成的全息图。


图1是一通信体统的波分复用部的结构图。
图2是本发明光栅的一实施例的剖面图。
图3是本发明光栅的另一实施例的剖面图。
图4是本发明光栅的又一实施例的剖面图。
图5是本发明光栅的再一实施例的剖面图。
图6是一透射迪克逊光栅的一实施例的剖面图，该迪克逊光栅是本发明光栅的一些实施例的一个元件。
图7是一体积相位光栅的S和P衍射效率与折射率调制Δn的典型关系图，对于给定的有效介质厚度T以及一对给定的入射角θi和衍射角θd。
图8是一体积相位光栅的S和P衍射效率与折射率调制Δn的关系图，对于给定的有效介质厚度T以及一对给定的入射角θi和衍射角θd，其中图8的入射角和衍射角大于图7。
图9是一体积相位光栅的S和P衍射效率与折射率调制Δn的关系图，对于给定的有效介质厚度T以及一对给定的入射角θi和衍射角θd，其中图9中的入射角和衍射角小于图7。
图10是一体积相位光栅的S和P衍射效率与折射率调制Δn的关系图，对于适当选择体积相位光栅的入射角θi和衍射角θd使S衍射效率曲线的第二峰值与P衍射效率曲线的第一峰值重合。
图11是一体积相位光栅的S和P衍射效率与折射率调制Δn的关系图，对于适当选择体积相位光栅的入射角θi和衍射角θd使S衍射效率曲线的第三峰值与P衍射效率曲线的第二峰值重合。
图12是图10的体积相位光栅的S和P衍射效率与波长的关系图。
图13是一迪克逊光栅的S和P衍射效率与折射率调制Δn的关系图。
图14是一迪克逊光栅的S和P衍射效率与波长的关系图。
图15是迪克逊光栅的一实施例，其中在该迪克逊光栅的入射表面和/或出射表面设置有棱镜。
图15A是本发明光栅的一个实施例的剖面图，其包括两棱镜(250和254)、迪克逊光栅(23)以及另一个体积相位光栅(239)。
图16是迪克逊光栅的另一实施例，其中在出射棱镜的最后表面上设置有反射手段。
图17是迪克逊光栅的又一实施例，其中在该迪克逊光栅的出射表面上设置有反射手段。
图18是迪克逊光栅的一实施例的S和P衍射效率与波长的关系图，其中偏振相关损耗最差的情形被缩小了。
图19是迪克逊光栅的一实施例的S和P衍射效率与入射角的关系图，其中双路设计中的布拉格灵敏度被降低。
具体实施方式

术语“透明”用在此处与光学元件(或该光学元件的组件)有关，表示对于该光学元件要传输和/或反射的电磁辐射来说是可透射的。
“高散射”用在此处与本发明多全息光学元件光栅有关(例如，表示本发明光栅的一个实施例以“高散射”来衍射入射辐射)，表示本发明光栅以较高的散射衍射入射辐射，该散射比衍射同样辐射的本发明的子迪克逊光栅(或者本发明的子迪克逊光栅之一)的散射高。
图1是一通信系统的波分复用部的结构图。来自多个来源(Tx1，Tx2，Tx3，Txn)且相应地具有多个载波波长(λ1，λ2，λ3，λn)的入射波束在一复用器内被合并成一单个波束，再沿一单个光纤10传输。在光纤的接收端，解复用器将该单个波束分成多个波束，每一个波束具有不同的波长(λ1，λ2，λ3λn)，这些波长分别对应于复用器输入端的每一个载波波束的波长。然后，将这些波束分别导向相应的接收元件(Rx1，Rx2，Rx3，Rxn)。本发明的衍射光栅能够完成复用器的波长合并功能。本发明另一实施例的衍射光栅能够完成解复用器的波长分离功能。
图2是本发明光栅的一实施例的剖面图，其包括迪克逊光栅104(Dickson grating)(包括基板106以及体积相位介质108)，体积相位光栅105(包括基板111以及体积相位介质109)，以及介质108和介质109之间的透明的折射率指数匹配的胶(或者其它透明的折射率指数匹配的粘合剂)110。每一介质108、109都是一由重铬酸盐明胶构成的具有周期性地调制的折射率的全息图。光栅105是不对称光栅。光栅104是不对称光栅，其空间频率远大于(例如，在一些实施例中至少是2倍)光栅105的空间频率，也就是说，体积相位介质108的折射率调制的空间频率要远大于光栅105的体积相位介质109的折射率调制的空间频率。图2的衍射光栅提供的散射比在不需要棱镜的情况下由光栅104(或者由比光栅104厚但是在其他方面与光栅104相同的迪克逊光栅)单独提供的散射更多。由于图2的衍射光栅对于S偏振辐射和P偏振辐射均有低菲涅耳反射损耗(Fresnel reflection loss)，其能够使用宽松的制造参数(相对于那些更复杂的光栅，例如那些包括一个或者更多棱镜的光栅)制造。
图2的衍射光栅能够使其散射的辐射入射在基板106(在此状况下将光栅104称为第一光栅，而光栅105称为末尾光栅)或基板111(在此情形下将光栅105称为第一光栅，而光栅104称为末尾光栅)上。介质108和109的布拉格平面应当具有相对方位，从而使第一光栅的出射波束角与末尾光栅的入射波束角匹配。如果需要出射波束的纵横比与入射波束的纵横比相同，那么末尾光栅的出射波束角应该与第一光栅的入射波束角匹配。
请注意，在本发明多全息光学元件光栅的典型实施例(包括图2实施例的典型实施方式)中，第一光栅和末尾光栅的布拉格平面应该具有相对方位，从而使第一光栅的入射波束角与末尾光栅(为保证本发明多全息光学元件光栅不改变波束纵横比)的出射波束角匹配，并且使第一光栅的出射波束角与末尾光栅的入射波束角匹配。
图2衍射光栅的范例实施方式中，迪克逊光栅104具有每毫米940条的空间频率，光栅105具有每毫米200条的空间频率，适当选择迪克逊光栅104的s和p整数(容后详述)从而使衍射内角β满足下述方程式(6)，且图2的衍射光栅所提供的散射至少与迪克逊光栅(用以衍射同样的辐射)所具有的每毫米1140条的空间频率同样多。
更普遍地，本发明光栅的典型实施例包括一迪克逊光栅以及一个与迪克逊光栅接触(“直接地”结合)的其它体积相位光栅，也就是说，仅有一层厚度均一或大致均一的透明粘合剂将这两个光栅彼此分开，其中迪克逊光栅具有每毫米“A”条的空间频率(也就是说，迪克逊光栅的体积相位介质的折射率调制具有每毫米“A”条的空间频率)，该其它体积相位光栅具有每毫米“B”条的空间频率。该典型实施例提供与一单个体积相位光栅(用来衍射相同的辐射)至少同样多的散射，该单个体积相位光栅的空间频率等于(或大致等于)每毫米(A+B)条。为了使本发明光栅的该实施例的偏振相关损耗不会明显不同于其子迪克逊光栅的偏振相关损耗的(最小)值，该迪克逊光栅的空间频率A应该远大于其它子光栅的空间频率B。在一些实施例中，空间频率A和B满足关系式B≤(A/3)。其它实施例中，该迪克逊光栅的空间频率A并没有远大于其它子光栅的空间频率B(例如，在一实施例中A＝902，B＝448，而在另一实施例中A＝B＝780.5)。
在图2的变异实施例中，如果可选反射镜112如所示(如图2剖面图所示)附着于元件111上，本发明光栅能够实施成一个反射光栅，以使该光栅可在一反射、双路模式下使用。在该双路模式下辐射通过元件104和105传播，然后被反射镜112反射，再通过元件105和104传播回来。
图3是本发明光栅的另一个实施例的剖面图，其包括迪克逊光栅124(包括基板126、体积相位介质128以及扁平帽体127)、体积相位光栅125(包括基板131、体积相位介质129以及扁平帽体130)以及扁平帽体127与130之间的透明的折射率指数匹配的胶(或者其它透明的折射率指数匹配的粘合剂)128。每个介质128、129都是一个由重铬酸盐明胶构成的具有周期性地调制的折射率的全息图。光栅125是不对称、低空间频率的光栅。迪克逊光栅124是不对称、高空间频率的光栅，也就是说，体积相位介质128的折射率调制的空间频率要大于光栅125的体积相位介质129的折射率调制的空间频率。在典型实施例中，扁平帽体127、130是平坦透明的、由熔融石英构成的元件。
图3光栅能够使其散射的辐射入射在基板126(在此状况下将光栅124称为第一光栅，而光栅125称为末尾光栅)或基板131(在此情形下将光栅125称为第一光栅，而光栅124称为末尾光栅)上。介质128和129的布拉格平面应当具有相对方位，从而使第一光栅的出射波束角与末尾光栅的入射波束角匹配。如果需要使出射波束的纵横比与入射波束的纵横比相同，那么末尾光栅的出射波束角应该与第一光栅的入射波束角匹配。
图4是本发明光栅的另一个实施例的剖面图，其包括迪克逊光栅134(包括基板136、体积相位介质138以及盖在体积相位介质138上的棱镜137)、体积相位光栅135(包括基板141、体积相位介质139以及覆盖在体积相位介质139上的棱镜140)以及棱镜137与140之间的透明的折射率指数匹配的胶(或者其它透明的折射率指数匹配的粘合剂)142。每个介质138、139都是一个由重铬酸盐明胶构成的具有周期性地调制的折射率的全息图。光栅135是不对称、低空间频率的光栅。迪克逊光栅134是不对称、高空间频率的光栅，也就是说，体积相位介质138的折射率调制的空间频率要大于光栅135的体积相位介质139的折射率调制的空间频率。在一些典型实施例中，棱镜137、140是透明的并且由熔融石英构成。
图4光栅能够使其散射的辐射入射在基板136(在此状况下将光栅134称为第一光栅，而光栅135称为末尾光栅)或基板141(在此情形下将光栅135称为第一光栅，而光栅134称为末尾光栅)上。介质138和139的布拉格平面应当具有相对方位，从而使第一光栅的出射波束角与末尾光栅的入射波束角匹配。如果需要使出射波束的纵横比与入射波束的纵横比相同，那么末尾光栅的出射波束角应该与第一光栅的入射波束角匹配。
图5是本发明光栅的另一个实施例的剖面图，其包括体积相位光栅150(包括基板152以及体积相位介质154)、迪克逊光栅160(包括基板162以及体积相位介质164)、体积相位光栅170(包括基板174以及体积相位介质172)、体积相位介质154与164之间的透明的折射率指数匹配的胶(或者其它透明的折射率指数匹配的粘合剂)151以及基板162与体积相位介质172之间的透明的折射率指数匹配的胶(或者其它透明的折射率指数匹配的粘合剂)161。每个体积相位介质154、164以及172都是一个由重铬酸盐明胶构成的具有周期性地调制的折射率的全息图。光栅105是不对称、低空间频率的光栅。迪克逊光栅104是不对称、高空间频率的光栅，也就是说，体积相位介质108的折射率调制的空间频率要大于光栅105的体积相位介质109的折射率调制的空间频率。
图5光栅能够使其散射的辐射入射在基板152(在此状况下将光栅150称为第一光栅，而光栅170称为末尾光栅)或基板174(在此情形下将光栅170称为第一光栅，而光栅150称为末尾光栅)上。体积相位介质154、164和172的布拉格平面应当具有相对方位，从而使第一光栅的出射波束角与光栅160的入射波束角匹配，以及光栅160的出射波束角与末尾光栅的入射波束角匹配。如果需要使出射波束的纵横比与入射波束的纵横比相同，那么末尾光栅的出射波束角应该与第一光栅的入射波束角匹配。
图15A是本发明光栅的一个实施例的剖面图，其包括棱镜250和254、迪克逊光栅237、体积相位光栅239、棱镜250与光栅237之间的透明的折射率指数匹配的胶230、光栅237与239之间的透明的折射率指数匹配的胶231以及光栅239与棱镜254之间的透明的折射率指数匹配的胶232。光栅237、239每个都是一个由重铬酸盐明胶构成的具有周期性地调制的折射率的全息图。光栅239是不对称光栅。迪克逊光栅237是不对称光栅，其空间频率大于光栅239的空间频率，也就是说，其折射率调制的空间频率要远大于光栅239的折射率调制的空间频率。在一些典型实施例中，棱镜250和254是透明的且由熔融石英构成。仅在一些实施例中，图15A中的棱镜250、254是互为镜像的(具有相同得棱镜角和折射率)。
在一实施例中，图15A的迪克逊光栅237具有每毫米902条的空间频率，光栅239具有每毫米448条的空间频率。该实施方式提供与一用来衍射相同辐射的单个迪克逊光栅的每毫米1350条的空间频率至少同样多的散射(且插入损耗和相位相关损耗比该单个迪克逊光栅的少)，且使其衍射内角β满足方程式(7)。理论上，空间频率为每毫米902条的迪克逊光栅和空间频率为每毫米448条的体积相位光栅239的结合的最差相位相关损耗是0.06dB，而空间频率为每毫米940条的迪克逊光栅的理论上的最差相位相关损耗是0.05dB，空间频率为每毫米1350条的迪克逊光栅的理论上的最差相位相关损耗大约是0.22dB。本实施方式中，光栅237和239的每毫米902条和每毫米448条的空间频率值由装置整体的几何形状决定，从而使衍射角(对于由光栅237衍射的辐射)小于该辐射在光栅237的入射角。
在另一实施方式中，图15A的迪克逊光栅237的空间频率是每毫米780.5条，光栅239也是空间频率为每毫米780.5条的迪克逊光栅。在本实施方式中，每一个光栅237和239的体积相位介质有一至少大致等于1.32(或者更大)的后处理的体积折射率以及一相对于该平面法线偏斜大约35度的布拉格平面，且每一个棱镜250、254由熔融石英构成。本实施方式的相位相关损耗与一个双路对称的迪克逊光栅的相位相关损耗大致相同，该迪克逊光栅具有一垂直于出射波束的外部反射镜。本实施方式提供的散射至少与一空间频率为每毫米1561条的单个体积相位光栅相同。
在以上段落描述的实施例的一个变体中，可以省略光栅237和胶231，而在棱镜254的右下表面粘附一个反射镜。在该变体实施例中(其中迪克逊光栅239较佳地具有每毫米780.5条的空间频率)，整个装置可以用于一个反射的双路模式中，其中在该模式下辐射通过元件250、239和254传播，然后被该反射镜反射，再通过元件254、239和250(从棱镜250出射离开该装置)传播回来。
图15A的不同的实施例(以及包括有一迪克逊光栅以及一个直接粘结于其上的其它体积相位光栅的本发明光栅的其它实施例)提供的散射与一单个体积相位光栅(用来衍射相同的辐射)所提供的散射相同，该单个体积相位光栅的空间频率等于每毫米(A+B)条。本发明多全息光学元件光栅的每个这样的实施例包括一空间频率为每毫米“A”条的迪克逊光栅以及另一个空间频率为每毫米“B”条的体积相位光栅。A/B的比值随着(A+B)值的增大而减小(例如，当(A+B)的值增大到1561时，A/B的比值降低到1)。
在这些实施例中，两个光栅是彼此接触的(或直接粘合的)，也就是仅有一层厚度均一或大致均一的透明粘合剂将这两个光栅彼此分开，若θ1表示这两个光栅中的第一个光栅(第一光栅)的入射波束角，θ2表示从第一光栅的出射波束角，θ3表示向这两个光栅的最后一个光栅(末尾光栅)的入射波束角，以及θ4表示从末尾光栅的出射波束角，且 θ3＝-θ2(E1) 则对于第一光栅，由光栅方程式(已知的方程式)可得 λf1＝sinθ1+sinθ2 (E2)，其中f1是第一光栅的空间频率。
对于末尾光栅，由光栅方程(也是已知的方程式)可得 λf2＝sinθ3+sinθ4 ＝-sinθ2+sinθ4 由方程式(E1)得出 ＝sinθ1-λf1+sinθ4由方程式(E2)得出(E3) 其中f2是末尾光栅的空间频率。
由此 λ(f1+f2)＝sinθ1+sinθ4(E5) 以及 λ(feq)＝sinθ1+sinθ4(E6) 其中 feq＝f1+f2 如果出射波束的纵横比与入射波束的纵横比相同，那么θ1＝θ4并且 λ(feq)＝2sinθ1＝2sinθ4(E7) 假设每一个这样的实施例的第一光栅是迪克逊光栅，参考方程式(E1)到(E7)的图15A的实施方式的典型设计程序如下 1.为最终的双光栅组合决定想要的空间频率，用feq表示。
2.在不改变纵横比的前提下，使用方程式(E7)计算θ1。如果需要改变纵横比，必须计算这些角度的想要的比值，从中确定θ1和θ4。
3.决定(从与棱镜结合的迪克逊光栅的众所周知的特性，包括菲涅耳反射损耗)迪克逊光栅的空间频率和出射角θ2。
4.由方程式(E1)，决定末尾光栅的入射角是-θ2，决定出射角θ4。
5.对末尾光栅适用光栅方程式，将角-θ2和θ4当作入射角和出射角，计算空间频率，f2为末尾光栅。
6.检查以确认f1+f2＝feq 图15A的衍射光栅可以使其散射的辐射入射在棱镜250(在此状况下将光栅237称为第一光栅，而光栅239称为末尾光栅)或者棱镜254(在此状况下将光栅239称为第一光栅，而光栅237称为末尾光栅)上。光栅237和239的布拉格平面应当具有相对方位，从而使第一光栅的出射波束角与末尾光栅的入射波束角匹配。如果需要使出射波束的纵横比与入射波束的纵横比相同，那么末尾光栅的出射波束角应当与第一光栅的入射波束角匹配。
本发明多全息光学元件光栅的不同实施例中，子迪克逊光栅和子非迪克逊光栅可以是对称光栅或者不对称光栅。但是，在包括有一迪克逊光栅直接粘结于一非迪克逊光栅的本发明的其它实施例中，这两个子光栅必须是不对称光栅。本发明多全息光学元件光栅的迪克逊光栅或非迪克逊光栅均可以作为本发明的第一子光栅，用来接收辐射，以使本发明光栅散射该辐射。本发明多全息光学元件光栅的典型实施例中，每一个非迪克逊光栅的空间频率比每个迪克逊光栅低，但是本发明所有实施例并非都是这样的情形。
本发明多全息光学元件光栅的不同实施例具有一个或者多个如下的特征 本发明光栅包括空间频率相对较低的两个非迪克逊光栅以及空间频率较高的一个不对称迪克逊光栅，排配成使其中一个非迪克逊光栅将衍射的辐射传给迪克逊光栅，而该迪克逊光栅又将进一步衍射的辐射传给另一个非迪克逊光栅； 本发明光栅的另一实施例中，除了一个非迪克逊光栅之外还包括至少一个棱镜(或者其它楔形部件)，或者，用该棱镜代替非迪克逊光栅(例如，为提高制造性)； 在本发明光栅中，非迪克逊光栅以及非对称迪克逊光栅其中之一或二者的特性是可调整的，从而适应宽范围的甚高色散配置； 本发明光栅包括一个或多个反射元件(例如，本发明有一个反射几何体并且包括至少一个反射镜或反射棱镜)。例如，如果可选的反射镜143(如图4的剖面图所示)附着于元件141，从而使本发明衍射光栅可用于反射双路模式中，在该模式下辐射通过元件134、142和135传播，然后被该反射镜143反射，再通过元件135、142和134传播回来，那么本发明光栅图4的实施例可以实施成一个反射光栅。又例如，如果一个反射镜附着于棱镜254外表面的适当位置，从而使图15A的光栅可用于反射双路模式中，那么本发明图15A的实施例可以实施成一个反射光栅； 本发明光栅包括多个全息光学元件的任意变化组合，选择适当的组合可以改变衍射波束的形状和/或其出射方向。例如，本发明光栅可以用于接收椭圆的入射波束并且将其改造成圆形的出射波束；以及 本发明光栅是同轴几何形(例如，分光计所使用的类型)例如棱镜/光栅/棱镜(prism/grating/prism，PGP)，以减少不想要的弯曲或者梯形失真的影响。
可见，本发明光栅的一些实施可以包括至少一个迪克逊光栅(和/或至少一个非迪克逊光栅)，该迪克逊光栅的体积相位介质的折射率调制大于本领域内的典型光栅的折射率调制(例如，由一个过程产生的增大的折射率调制，在该过程中体积相位介质的开始的体积指数增至大于本领域的典型值)。也可知，本发明的一些实施例可以包括优选的参数不同的防反射(antireflection，AR)膜，以缓和制造公差。
本发明多全息光学元件光栅可以具有所有的(或者任何想要的子集)以下特征 非常高的散射(以使装置以及包括该装置的系统更简洁，并且使单个波长处理更简单)； 非常高的S和P偏振衍射效率(从而最有效地利用可用辐射以及降低额外装置的需要)； 非常低的偏振相关损耗(即偏振不敏感)，从而使入射辐射的偏振状态无关紧要(这在很多系统中尤其重要，在这些系统中入射辐射的偏振状态是未知的，不能控制的并且是可变的)； 宽的/平坦的操作带宽，以适应任何单个的应用参数组； 宽的设计带宽，以适应应用参数组的变化； 无热性能(没有或者不明显的温度和湿度的变量)； 结构耐用(产品可以简单处理，但是不易被刮擦和污染)； 杂光最少(不会添加任何噪音影响)； 如果需要，可以保存入射/出射的波束形状(纵横比)特性(例如，不会将圆形波束改变成椭圆形波束而可能增加衍射波束有效瞄准进入或接入光纤的难度)； 消除或者降低棱镜的使用，以降低尺寸要求以及制造成本； 减少表面，从而便于制造、减少菲涅尔反射以及降低较高的衍射要求； 减少任何由平行表面元件产生的标准具效应/共振现象； 小的元件尺寸(也就是不增加该元件所在的装置的尺寸)； 易于整合(可以设计制造成多个光电系统)； 费用合理(能够以低成本制造)； 降低装置/系统的成本(元件降低了与装置/系统相关的其他成本或者其维护成本)； 多功能(可以在一个光栅装置内更简易提供两个或者多个光的功能)；以及 如果没有上述一些或者全部的特征，不可能实现新应用。
图6是一透射迪克逊光栅的剖面图(标号为20)，其可以用于本发明的多个实施例中(例如，作为图3的光栅125)。具有自由空间波长λ的入射波束22以θi度的入射角(相对于表面24的法线)入射在迪克逊光栅20的玻璃盖体26的第一表面24。在进入玻璃盖体26时，波束按照斯涅尔折射定律(snell’s law)被折射。折射波束28传播到玻璃盖体26和体积相位介质32之间的分界面30，在该分界面30，折射波束28又按照斯涅尔定律进行了折射。该被再次折射的波束(波束34)相对于分界面30的法线以折射角α在体积相位光栅32内传播。
在体积相位介质32内有折射率Δn的周期性调制。折射率最大的表面称为布拉格表面46。该调制的周期，沿着分界面30测量，用d表示。在体积相位介质32内衍射的波束34的部分称为衍射波束36。波束34在体积相位介质32内依照光栅方程式进行衍射 λ/nd＝sinα+sinβ 其中λ是入射波束的自由空间波长，d是沿分界面30测量的光栅空间，n是体积相位介质32的平均体积折射率，α是在体积相位介质32内入射波束34相对于分界面30的法线的角，β是在体积相位介质32内衍射波束36相对于第二分界面40的法线的角。体积相位介质32的有效厚度是T。
衍射波束36依照斯涅尔定律在体积相位介质32和基板42之间的分界表面40被折射，并且传输到基板42的出射表面44，在该出射表面44又一次按照斯涅尔定律进行折射，并且以相对于出射表面44的法线的角度θd离开基板42。
在该特定但是非常常见的情况中，四个表面24、30、40和44是相互平行的平面且外部入射介质和外部出射介质的折射率相同，那么，光栅方程式可以写成 λ/n0d＝sinθi+sinθd 其中n0是入射/出射介质的折射率。
在体积相位介质32内，入射波束34和布拉格表面46之间的角用θ表示。当体积相位介质32的衍射波束36和布拉格表面46之间的角也用θ表示时，那么认为满足了布拉格条件。在图6所示的范例中，入射内角α不等于衍射内角β。因此，布拉格表面将会如图6所示偏斜(不垂直于表面30和40)。
本发明的实施例可以用于波分复用的应用中，其中本发明光栅接收(并且散射)具有宽范围波长的辐射，假设设定本发明的入射波束波长λ是一个通信频段的额定的、中心的波长。这样的通信频段是C频段，它的中心波长大约是1546纳米，且带宽大约是37纳米。中心波长的衍射外角是θd。按照光栅方程式，特定通信频段的其它波长的衍射角将大于或者小于θd。
迪克逊光栅20可以实施成全息光栅，其体积相位介质32是重铬酸盐明胶或者其它体积相位光栅材料。可以使用任何一种体积相位材料，但是重铬酸盐明胶最适合迪克逊光栅的结构，因为当适当地曝光或处理时，重铬酸盐明胶可以提供非常高的折射率的调制，这是一个好迪克逊光栅的关键要求。
依然参照图6，其上覆盖有体积相位介质32的基板42的材料可以是玻璃、熔融石英或者其它熟知的透明材料的任何一种。基板材料的选择将通常由热膨胀要求决定。体积相位介质32通常夹在两块透明材料之间(例如，图6中的基板42和盖体26)且用透明光学胶合剂固定在一起，该胶合剂也可以作为密封剂将包括由重铬酸盐明胶构成的体积相位介质32与外界隔离。盖体26材料可以是玻璃、熔融石英或者任何一种其它熟知的透明材料。在图6实施例的变异中，可以省略元件26和42中的一种或者全部。
体积相位光栅的理论是众所周知的。多个理论存在，但是对于具有适当的折射率调制且入射角和衍射角相对大的厚光栅，最适用的是Kogelnik耦合波理论。虽然存在很多尖端而精确的理论，但是都较复杂，且当条件是仅存在第一序的衍射波束且介质的有效厚度相对大时，对于从Kogelnik理论获得的结果并没有重要的价值。这些是有关于迪克逊光栅的一些条件。
在Kogelnik理论中，体积相位光栅的主要参数是介质的平均体积折射率n，介质的有效厚度T，以及介质的折射率调制Δn。有用的入射和出射波束参数是入射角θi、衍射角θd以及入射波束的偏振。按照惯例，将波束内电场的方向定义成偏振方向。
入射到光学表面的光束的偏振方向通常相对于入射平面定义，其被定义成包括入射波束的主要光线和入射点处的表面法线的平面。如果该偏振方向垂直于入射平面，那么认为波束是S偏振，S来源于“垂直”的德文-Senkrecht。如果偏振方向躺在入射面上，那么认为波束是P偏振(P就是平行的英文parallel)。如果波束在其它任何方向都是偏振的，那么其偏振可以总是两两直交方向中上的片段。因此，知道了S偏振方向和P偏振方向在体积相位光栅的波束上的效应将足以提供任意偏振方向的效应。
在Kogelnik理论中的有用的主要参数是S和P衍射效率，Es和Ep，其中忽略菲涅尔反射损耗，衍射效率定义为衍射波束48与入射波束22的能量或功率的比率。
按照Kogelnik理论，体积相位光栅的S和P衍射效率是折射率调制Δn与介质的有效厚度T的乘积的函数。通常地，可以假设有效厚度是均一的而Δn是可变的，或者假设Δn是均一地而有效厚度是可变的。实践中，第一方法是最常见的即假设有效厚度是均一的。
有效厚度T用来代替物理厚度TP，因为贯穿介质的全部深度，折射率调制通常是不均一的。许多体积相位光栅材料，例如重铬酸盐明胶，其曝光和化学处理导致了Δn随着介质深度而降低。本领域内众所周知，此改变可以被考虑通过使用小于物理厚度的有效厚度，并且使用假设对于该减小的有效厚度Δn是均一的。
图7是体积相位光栅的S和P衍射效率与折射率调制Δn的典型关系图，对于给定有效厚度T以及一对给定的入射角和衍射角。请注意，依照折射率调制，P效率滞后于S效率。这是余弦因数的结果，Kogelnik理论中，在以下讨论中引入余弦因数为了P偏振衍射效率。
在KogelnIK理论中，引入了参数υ，其中υ通过以下方程式定义
其中 λ表示在空气中入射光的额定波长， T表示体积相位光栅介质的有效厚度， Δn表示体积相位光栅介质的调制峰值， CR表示入射波束倾斜因数(由KogelnIK理论)， CS表示衍射波束倾斜因数(由Kogelnik理论)，以及 CR和CS都取决于体积相位光栅介质的平均体积折射率n。
S偏振衍射效率极可根据以下方程式得出 (2)ES＝sin2υ 以及P偏振衍射效率可以由以下方程式得出 (3)EP＝sin2(υcos2θ) 这样S偏振衍射效率仅取决于υ，但是P偏振衍射效率取决于υ和2θ，θ是体积相位介质32内的入射角34和衍射角36的夹角。P偏振衍射效率取决于υ造成了衍射效率对折射率调制的曲线图中EP滞后于ES。角θ取决于入射角θi以及衍射角θd。随着这些角的增大，滞后将增大。图8所示S和P衍射效率曲线，其入射角和衍射角大于图7的示例。最后，当入射角θi和衍射角θd使得在介质内的两波束间的夹角2θ是90度时，不管Δn的值怎样大，滞后的数量将无穷大且P衍射效率将不会增加超过0。在这种情况下，衍射波束将完全是S偏振。
既然P衍射效率滞后于S衍射效率，那么两衍射效率通常不会在同样的Δn值达到最大。如果想要应用于波分复用，体积相位光栅可能会导致三种不受欢迎的情形。
第一，一种情形可以如现有技术那样通过使用相对小的入射角和衍射角降低P-S滞后。这种情况的S和P衍射效率曲线如图9所示。请注意，S和P衍射效率曲线交叉在衍射效率的一个相对高的值。因此，S和P衍射效率将相等且这两个衍射效率都将相对高。结果将是合理地低插入损耗和相对低的相位相关损耗贯穿一个非常宽的波长范围。(插入损耗与衍射效率是相反的。相位相关损耗直接与S和P衍射效率之间的差有关)此方法的缺点是散射将会相对较低，因为这些角相对小。(衍射光栅的散射直接与入射波束和衍射波束间的夹角有关。) 在第二种情况下，为了得到更多的散射，增大了角度。会得到了与图7类似的S和P衍射效率曲线。可以选择在S衍射效率的峰值操作从而使S偏振的插入损耗低。然而，既然在这个Δn值P衍射效率是低的，那么相位相关损耗将会非常高。
在第三种情况下，增大角度以得到非常高的散射，从而得到图8所示的情形。然而，在该情形下，选择在两曲线的交叉点操作，从而降低相位相关损耗。但是，在此Δn值S和P衍射效率都较低，最终结果是该方法将提供很高的色散和低的相位相关损耗，但是插入损耗很高。
所以上述这三种情况提供(1)低插入损耗和低相位相关损耗，但是低散射；(2)低插入损耗和高散射，但是很大的相位相关损耗；(3)高散射和低相位相关损耗，但是非常高的插入损耗。对于波分复用技术这三种情况都不是最理想的。波分复用技术需要的是(a)高散射，以及(b)低插入损耗(c)低相位相关损耗。
如果适当选择入射角和衍射角，从而当S衍射效率曲线达到其第二最大值时，P衍射效率曲线可达到其第一最大值，可以得到这三个参数的合并。图10显示了这种情况。在这种情况下，S和P衍射效率相等并且都达到最大从而使相位相关损耗降到最小。此外，当S和P衍射效率相等时，角度相对较大，从而使散射也较高。也就是说，得到了想要的三个主要的光栅参数的合并。
增大入射角和衍射角，使S和P衍射效率曲线的最大值在Δn轴的更远处重合，可以进一步增加散射。例如，适当选择入射角和衍射角，使S衍射效率曲线的第三峰值如图11所示与P衍射效率曲线的第一或第二峰值重合。这会得到较大的散射并且也会减小有效厚度T(对于给定的折射率调制Δn)。较高序的组合也可能实现但是构成这些组合更为困难。
为了使S和P衍射效率曲线的最大值重合，从方程式(2)和(3)得到的EP和ES的值必须同时等于1。当时ES等于1，且当时EP等于1，其中s和p取整数1、2、3...。当EP和ES的值重合时，通过简单地推导以上两方程式，可以得出cos(2θ)的值。结果是以下方程式(4) (4)cos(2θ)＝(2p-1)/(2s-1) (因为任何实数角的余弦都不大于1，所以在方程式(4)中整数p必定总是小于整数s。) 其中 s是S衍射效率峰值(1、2、3...)的序，且p是P衍射效率峰值(1、2、3...)的序 θ是在介质内(布拉格平面是在介质内最大折射率的平面)入射波束和布拉格平面之间的夹角，以及 2θ是在介质内入射波束和衍射波束之间的夹角。
方程式(1)可以整理成一个关于折射率调制的方程式 但是从方程式(4)的推导可知，当ES是最大值时 因此，当ES是最大值， 其中 CR＝cosα (见Kogelnik，H在《贝尔系统技术杂志》1969年，第9期，第48卷上发表的“厚全息光栅的耦合波理论”的方程式23) 最后结果是 其中该方程式的所有术语之前都已经介绍过。
所以对于给定的波长、介质的折射率和介质的有效厚度，当S偏振衍射效率达到最大时，折射率调制的值Δn可以由方程式(5)得出。因此，当同时满足方程式(4)和(5)时，S衍射效率和P衍射效率将同时达到最大。
由图6可知α+β＝2θ，这样，方程式(4)可以解得衍射的内角β的方程式， (6) 因此，对于给定的体积折射率的值n、有效厚度T和波长λ，且任意选择整数值s和p以及入射内角α，由方程式(6)得出的衍射内角的值β和由方程式(5)得出的折射率调制的值Δn将使S偏振衍射效率Es以及P偏振衍射效率Ep在一个相同的折射率调制值Δn同时达到最小。
在一个相同的折射率调制的值Δn，S偏振衍射效率曲线的峰值sth以及P偏振衍射效率曲线的峰值pth相合是增强型体积相位光栅的主要的新特性。图11是一个迪克逊光栅的示例，其中在折射率调制的值为0.21处，S偏振衍射效率曲线的第三峰值与P偏振衍射效率曲线的第二峰值重合。
请注意，当满足以下关于β的方程式时，S偏振衍射效率曲线的峰值sth以及P偏振衍射效率曲线的峰值pth相合也将发生 也就是说，当入射波束和布拉格平面之间的角是θ或者90-θ时，S和P偏振衍射效率的峰值将会重合。换句话说就是，两个角将相等地位于45度的零P效率角的任一边。如果基板平行于体积相位光栅介质且外部介质是空气，那么第二角将通常超过全内反射(total internal reflection，TIR)的内角。该问题通过使用一个例如图15所示的双棱镜的棱镜设计可以解决。这个类型的设计允许在介质内入射角和衍射角超过标准的全内反射角。
折射率调制的要求值Δn将取决于有效厚度T、波长λ和两个倾斜因数，CR和CS。由Kogelnik理论可知，倾斜因数的值取决于介质的体积率和入射外角和衍射外角。
s＝2且p＝1的例子，是迪克逊光栅设计程序的一个最简单的例子。这不但是最简单的迪克逊光栅设计，也是最容易生产的迪克逊光栅。
请注意，设计迪克逊光栅时，s和p的整数值的选择完全是任意的，只要s＞p即可。对于任何s和p的整数值的组合，设计过程都是相同的。所选择大的s和p的值越大，迪克逊光栅的散射也将越大，但是也越难于生产，还需要使用外部棱镜。
在本发明多全息光学元件光栅内的每一个迪克逊光栅较佳地实施，以在整个宽波长范围(包括一个额定波长)内对于所有偏振有不均一的高衍射效率，并且实施(以及在使用期间)时，其体积相位材料的体积率和折射率调制(以及选择地也有厚度和有效厚度)，以及被其衍射的辐射的入射角和衍射角可以使其S偏振和P偏振的衍射效率在额定波长同时最小。每个这样的迪克逊光栅的体积相位材料经过产生、涂层、曝光以及处理，从而获得这些主要参数想要的值。
当在基板介质内的入射角和衍射角超过全内反射角时，该多全息光学元件光栅必须包括一入射和出射棱镜。
一旦选择了s和p(例如s＝2且p＝1)，必须选择入射角θi。是否提供对称光栅设计取决于入射角θi的选择，当衍射角θd等于入射角θi时，提供一对称光栅设计，当衍射角θd不等于入射角θi时，提供一不对称光栅设计。该选择通常由整个系统设计的其他因素决定。
一旦确定了θi，使用熟知的斯尼尔法则(Snell’s Law)以及已知的体积相位介质的体积折射率n可以确定入射内角α。一旦确定了该入射内角α，可以使用方程式(6)确定衍射内角β。然后可以使用斯尼尔法则决定衍射外角θd。
知道了入射内角α、衍射内角β、体积相位介质的体积折射率n、以及入射波束的自由空间波长λ，可以使用以下方程式来决定光栅的周期d，该方程式是前面介绍过的光栅方程式的移项 此外，知道了入射外角θi、衍射外角θd，就可以建立迪克逊光栅的构造光照几何学。事实上，如果迪克逊光栅的应用波长和构造波长是相同的，那么θi和180+θd将是构造该迪克逊光栅时使用的激光束的结构角。在常见的情况中，构造波长不同于应用波长，那么构造角必须按照本领域内熟知的生产体积相位光栅程序修改(例如，按照美国专利第6,085,980和6,112,990的教导)。
在迪克逊光栅的生产程序的最后的步骤是曝光和处理光栅，从而使折射率调制峰值Δn等于在方程式(5)中计算的值。完成曝光和处理的方法在本领域内是熟知的(例如，见《应用光学》(Applied Optics)1971年第10卷第2250页的chang，M.的“改进品质的重铬酸盐明胶”(″DichromatedGelatin of Improved Quality″)以及《美国无线电公司评论》(RCA Review)1972年第35卷第110页的Meyerhofer，D.的“重铬酸盐明胶的相位全息图”(″Phase Holograms in Dichromated Gelatin″))。
注意在另一个设计程序中，可以选择衍射外角θd，并且使用斯尼尔法则区决定衍射内角β、使用方程式(6)决定入射内角α以及使用斯尼尔法则决定入射外角θi。对于入射角θi一开始就被选定的情形，构造过程和确定折射率调制峰值Δn的程序是相同的。
满足方程式(5)和(6)足以在两个偏振同时获得高衍射效率。并且需要满足方程式(6)的那些角度会引起高散射。然而，还有对于波分复用光栅的第四要求。该第四要求是在相关通信通频带的整个宽度，波分复用应用需要低插入损耗和低偏振相关损耗。例如，对于C频段，在从1528纳米到1565纳米的整个波长范围内，插入损耗和偏振相关损耗必须低得令人满意。Δn大约为0.2(也就是0.17≤Δn≤0.22)或者更大(例如Δn＝0.26)的迪克逊光栅以及按照美国专利第6,750,995号的教导设计的迪克逊光栅满足第四要求。然而，由于当满足必需的设计标准时会引起高的布拉格角灵敏度，现有的体积相位光栅(其Δn不是大约为0.2或者更大的迪克逊光栅)不能满足第四要求。布拉格角灵敏度是衍射效率的变异，取决于波长或者入射波束的入射角。
在现有的体积相位光栅内，Δn典型地在0.05到0.08的范围内。为了满足方程式(2)要求有效厚度大约为25到35微米(对于这样的现有体积相位光栅的体积相位介质)。众所周知，布拉格角灵敏度是介质的有效厚度的一个强函数。图12是一个有效介质厚度为35微米的现有体积相位光栅的S和P衍射效率的变异。布拉格角灵敏度非常大且导致了通频带末端的偏振相关损耗完全不能用于波分复用应用中。
实施迪克逊光栅(其体积相位介质是重铬酸盐明胶)从而解决最终的问题(也就是，在入射辐射的波长的整个宽范围内获得低插入损耗和低偏振相关损耗，例如，在一个通信通频带的整个宽度内，没有额外的布拉格角灵敏度)，曝光和处理该迪克逊光栅的体积相位介质从而获得大约为0.2(也就是0.17≤Δn≤0.22)或者更大(例如Δn＝0.26)的Δn。重铬酸盐明胶的处理程序在本领域内是熟知的，但是高Δn的处理程序很难，是已知的重铬酸盐明胶处理方法的一个延伸。为了制造解决最终问题的迪克逊光栅的典型实施例，在玻璃或者熔融石英基板上以物理厚度大约15微米，旋转涂层体积相位介质(重铬酸盐明胶)。在现有的双波束全息光栅制造过程中使用波长与重铬酸盐明胶相应的激光，将体积相位介质曝光。然后使用熟知的重铬酸盐明胶处理程序在一系列酒精水中冲泡处理该体积相位介质。干燥后且边接贴板过程在盖上时提供一粘性的圆环封条，将此时的光栅从大的光栅上切下来，然后用玻璃盖体密封(盖上)。重铬酸盐明胶的曝光和处理使其最终有效厚度(体积相位介质的)大约为9到10微米。
图13是一迪克逊光栅实施例的S和P衍射效率曲线，该迪克逊光栅的体积相位介质是有效厚度为9微米的重铬酸盐明胶(已按照前述段落所述处理过)，且该迪克逊光栅入射角和衍射角满足方程式(4)。体积相位介质的在后处理的体积折射率大约是1.27，但是可以从1.2开始改变或者小于1.4或更大。
图14是取决于图13所示的迪克逊光栅的波长的S和P衍射效率曲线变异。注意这两衍射效率都仅仅略微下降到额定波长的两边并且两偏振的下降的差非常小，因而偏振相关损耗在整个带宽内都是低的。
图13和14的迪克逊光栅的设计满足波分复用应用的有效衍射光栅的所有主要要求在整个带宽内高散射、低插入损耗、低偏振相关损耗。
在方程式(4)和(5)中，迪克逊光栅的一些实施例的p和s数量较高，因此比前述光栅有较高的散射。典型地，数量较高的p和s要求使用棱镜(其中棱镜表示一包括有衍射光栅和至少一棱镜的光学元件)。
图15所示的是包括有棱镜设计的迪克逊光栅。第一棱镜50设置在光栅的体积相位介质52的入射表面64，而第二棱镜54设置在体积相位介质52的出射表面58。根据光栅和使用该光栅的系统的设计要求，入射波束56可以垂直于棱镜50的入射表面58，或者以在一些非常态的角入射。类似地，根据光栅和使用该光栅的系统的设计要求，出射波束62可以垂直于第二棱镜的出射表面60或者可以以非常态角出射。这两个棱镜不需要有相等的几何形状或者折射率。最后，棱镜之一的折射率可以是1，从而使两棱镜实施例成为单棱镜实施例。
棱镜典型地要求较高序的光栅设计(较大数值的s和p)，但是为了包装原因或者为了机械稳定性，棱镜也可有利于第一序设计。
图16是一迪克逊光栅的另一实施例。该实施例与图15的实施例类似，但是增加了设置在出射棱镜74的最后表面80上的反射镜84。反射镜84在第二通道90将衍射波束89反射到光栅72内，从而增加整个散射。对于现有的(非增强型的)体积相位光栅，双路设计概念已经在背景技术内描述过。
图16实施例的变异中，省略了出射棱镜74(从而使装置仅包括迪克逊光栅72，棱镜70，以及与迪克逊光栅72接触的反射镜84)。在该变异的实施例中，迪克逊光栅的空间频率是780.5条每毫米。
图17所示的是迪克逊光栅的另一实施例。该实施例包括一反射镜98贴在，或邻近放置在光栅92的最后表面102。反射镜98在第二通道94以垂直入射或者接近垂直的入射将衍射波束91反射在光栅内，并通过光栅92从而使散射增大不止两倍。如此设计的作用像利特罗光栅(Littrow grating)，但是对于给定的光栅空间频率具有更高散射。
图6的迪克逊光栅的实施例中，基板42和盖体26都贴覆有防反射层从而使S偏振的整个损耗在额定波长λ略微大于P偏振的整个损耗。结果的S和P波长布拉格灵敏度曲线如图18所示。注意，此时在额定波长偏振相关损耗不为零，但是相应于通频带的末端偏振相关损耗在该波长也是较小的。也就是说，偏振相关损耗最差的情形被缩小了。
图6的迪克逊光栅的另一个变异中，基板42和盖体26都贴覆有防反射层，从而使S偏振的整个损耗在额定波长λ大于P偏振的整个损耗，其大于的量比上述的前一个变异实施例多。从图19可以看出，该额外的损耗在双路设计上增进了迪克逊光栅的性能。该图显示了S和P衍射效率由波束的入射角决定。在双路设计中，由于通过光栅的第一通道导致的散射，在第二通道中通过光栅的入射角依照波长而改变。在通频带的末端，这样的入射角将使S和P衍射效率较低。如所示，为S波束增加额定损耗将减少偏振相关损耗最差的情形。
图6的迪克逊光栅的较佳实施例中，在额定波长λ，在体积相位介质32内的入射角α等于体积相位介质32内的衍射角β。这些详细的实施例有两个重要的优点(a)相较于其他满足方程式(4)和(5)的角的组合，散射降至最小；(b)布拉格表面46垂直于基板42的表面40，这简化了制造过程。然而，角α和β不相等的实施例可以有几何学或者其他优点。
典型地，本发明多全息光学元件光栅的每一个子光栅是全息光栅，其体积相位材料是大致由重铬酸盐明胶构成的全息图。可选择地，本发明多全息光学元件光栅的子光栅所构成的材料和/或结构不同于这些典型实施例的光栅的材料和结构。例如，在一些实施例中，至少一个子光栅包括或者由适合的聚合体或铌酸锂构成。在一些实施例，本发明光栅的子元件不需要(或不是)粘合在一起(例如，通过光学粘合剂或者其他)，和/或子元件(或整体装置)不需要(和不是)被密封。在变异的实施例中，本发明多全息光学元件光栅的基板和/或盖体材料包括(或构成)塑料、玻璃或其它适用的材料，这些材料典型地(但不是必须是)是透明的。在一些实施例中，本发明多全息光学元件光栅不要求(且不包括)基板和/或盖体材料去支撑和/或保护其子光栅。
权利要求
1.一种多元件衍射光栅，使用至少两个全息光学元件以高散射来衍射入射辐射，其特征在于该多元件衍射光栅包括
具有第一空间频率的折射率调制的迪克逊光栅，其中迪克逊光栅是所述全息光学元件之一；以及
至少一个附加的体积相位光栅，其中每一个该附加的体积相位光栅是所述全息光学元件的另外之一，该迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅彼此相对放置，从而使辐射通过前述迪克逊光栅和每一个该附加的体积相位光栅传播并且被前述迪克逊光栅和每一个该附加的体积相位光栅衍射，且该附加的体积相位光栅的空间频率的折射率调制远小于第一空间频率。
2.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于每一个附加的体积相位光栅是非迪克逊光栅。
3.如权利要求2所述的多元件衍射光栅，其特征在于该迪克逊光栅有第一偏振相关损耗，入射辐射有S偏振片段和P偏振片段，S偏振片段和P偏振片段具有波长范围，以及每一个前述非迪克逊光栅的折射率调制的空间频率远低于第一空间频率，从而使该多元件衍射光栅的偏振相关损耗不会显著不同于第一偏振相关损耗且在入射辐射的S偏振片段和P偏振片段的整个波长范围内至少有大致均一的衍射效率。
4.如权利要求2所述的多元件衍射光栅，其特征在于入射辐射的片段的波长范围包括波长1546纳米且其带宽至少大致等于37纳米，该多元件衍射光栅仅包括一个前述非迪克逊光栅，该非迪克逊光栅的空间频率至少大致等于448条每毫米，迪克逊光栅的空间频率至少大致等于902条每毫米，且该多元件衍射光栅也包括
第一棱镜；以及
第二棱镜，其中迪克逊光栅设置在第一棱镜和第二棱镜之间，该非迪克逊光栅设置在第一棱镜和迪克逊光栅之间。
5.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于第一空间频率至少大于每一个附加的体积相位光栅的折射率调制的空间频率的2倍。
6.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于仅包括一个附加的体积相位光栅，其中第一空间频率是A条每毫米，该附加的体积相位光栅的折射率调制的空间频率是B条每毫米，且多元件衍射光栅用来衍射入射辐射，其散射至少与用来衍射相同辐射的一第二体积相位光栅的散射一样多，该第二体积相位光栅的折射率调制的空间频率至少大致等于(A+B)条每毫米。
7.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于每一个迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅都是不对称光栅。
8.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于还包括至少一个棱镜，其相对于迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅放置，从而使辐射传播到每一前述棱镜。
9.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于还包括
第一棱镜；以及
第二棱镜，其中迪克逊光栅设置在该第一棱镜和第二棱镜之间，该附加的体积相位光栅设置在第一棱镜和迪克逊光栅之间。
10.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于该多元件衍射光栅是透射光栅。
11.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于该多元件衍射光栅是反射光栅。
12.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于每一个迪克逊光栅和该附加的体积相位光栅包括大致由重铬酸盐明胶构成的体积相位材料。
13.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于该迪克逊光栅包括
具有厚度T、表面和体积折射率的体积相位介质，其中体积折射率在平行于体积相位介质表面的方向上是周期调制的，其折射率的峰值等于n+Δn，其中Δn是所述体积折射率的峰值调制，n是折射率，贯穿体积相位介质的厚度所述体积折射率的峰值的周期序列在体积相位介质内提供布拉格表面的周期结构，周期为d，其中周期d满足
其中λ是设定的迪克逊光栅的额定自由空间波长，
其中s是正整数满足s＞p，p是另一个正整数，
θi是任意的入射外角，以及
β是衍射内角满足
其中
14.如权利要求1所述的多元件衍射光栅，其特征在于迪克逊光栅包括
具有厚度T、表面和体积折射率的体积相位介质，其中体积折射率在平行于体积相位介质表面的方向上是周期调制的，其折射率的峰值等于n+Δn，其中Δn是所述体积折射率的峰值调制，n是折射率，贯穿体积相位介质的厚度所述体积折射率的峰值的周期序列在体积相位介质内提供布拉格表面的周期结构，周期为d，其中周期d满足
其中λ是设定的迪克逊光栅的额定自由空间波长，
其中s是正整数满足s＞p，p是另一个正整数，
θi是任意的入射外角，以及
β是衍射内角满足
其中
15.一多元件衍射光栅，用于以高散射衍射入射辐射，其特征在于所述多元件衍射光栅包括
迪克逊光栅，其体积相位介质具有第一空间频率的折射率调制，该迪克逊光栅由第一表面和第二表面；
体积相位光栅，其体积相位介质有第二空间频率的折射率调制，所述体积相位光栅有第一表面和第二表面；以及
位于迪克逊光栅和体积相位光栅之间的粘合剂，所述粘合剂将迪克逊光栅的第二表面耦合到体积相位光栅的第二表面，其中，第二空间频率远小于第一空间频率。
16.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于体积相位光栅是非迪克逊光栅。
17.如权利要求16所述的多元件衍射光栅，其特征在于该迪克逊光栅具有第一偏振相关损耗，入射辐射的S偏振片段和P偏振片段具有一定波长范围，第二空间频率远低于第一空间频率，从而使该多元件衍射光栅的偏振相关损耗不会显著不同于第一偏振相关损耗且在入射辐射的S偏振片段和P偏振片段的整个波长范围内至少有大致均一的衍射效率。
18.如权利要求16所述的多元件衍射光栅，其特征在于入射辐射的片段的波长范围包括波长1546纳米且其带宽至少大致等于37纳米，该多元件衍射光栅仅包括一个非迪克逊光栅，该非迪克逊光栅的空间频率至少大致等于每毫米448条，该迪克逊光栅的空间频率至少大致等于每毫米902条，且该多元件衍射光栅也包括
第一棱镜；以及
第二棱镜，其中迪克逊光栅设置在第一棱镜和第二棱镜之间，该非迪克逊光栅设置在第一棱镜和迪克逊光栅之间。
19.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于第一空间频率至少大于第二空间频率的2倍。
20.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于每一个迪克逊光栅和体积相位光栅都是不对称光栅。
21.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于还包括一个耦合到迪克逊光栅第一表面的棱镜。
22.如权利要求21所述的多元件衍射光栅，其特征在于第二棱镜耦合到体积相位光栅的第一表面。
23.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于该多元件衍射光栅是透射光栅。
24.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于该多元件衍射光栅是反射光栅。
25.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于每一个迪克逊光栅和体积相位光栅包括大致由重铬酸盐明胶构成的体积相位材料。
26.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于该迪克逊光栅包括
具有厚度T、表面和体积折射率的体积相位介质，其中体积折射率在平行于体积相位介质表面的方向上是周期调制的，其折射率的峰值等于n+Δn，其中Δn是所述体积折射率的峰值调制，n是折射率，贯穿体积相位介质的厚度所述体积折射率的峰值的周期序列在体积相位介质内提供布拉格表面的周期结构，周期为d，其中周期d满足
其中λ是设定的迪克逊光栅的额定自由空间波长，
其中s是正整数满足s＞p，p是另一个正整数，
θi是任意的入射外角，以及
β是衍射内角满足
其中
27.如权利要求15所述的多元件衍射光栅，其特征在于该迪克逊光栅包括
具有厚度T、表面和体积折射率的体积相位介质，其中体积折射率在平行于体积相位介质表面的方向上是周期调制的，其折射率的峰值等于n+Δn，其中Δn是所述体积折射率的峰值调制，n是折射率，贯穿体积相位介质的厚度所述体积折射率的峰值的周期序列在体积相位介质内提供布拉格表面的周期结构，周期为d，其中周期d满足
其中λ是设定的迪克逊光栅的额定自由空间波长
其中s是正整数满足s＞p，p是另一个正整数，
θi是任意的入射外角，以及
β是衍射内角满足
其中
28.一种多元件衍射光栅，使用至少两个全息光学元件以高散射来衍射入射辐射，其特征在于该多元件衍射光栅包括
迪克逊光栅，其中迪克逊光栅是所述全息光学元件之一；以及
至少一个附加的体积相位光栅，其中每一个附加的体积相位光栅是所述全息光学元件的另外之一，该迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅都是不对称光栅，该迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅彼此相对地放置，从而使辐射通过前述迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅传播并且被前述迪克逊光栅和每一个该附加的体积相位光栅衍射，该迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅中的一个是第一光栅，辐射被入射在该迪克逊光栅和每一个该附加的体积相位光栅中的其它任何一个之前，该辐射首先入射在该第一光栅，该迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅中的另一个是末尾光栅，辐射被从该迪克逊光栅和每一个附加的体积相位光栅中的其它每一个出射之后，该辐射从该末尾光栅出射，第一光栅和末尾光栅的布拉格平面可以使地衣光栅的入射波束角与末尾光栅的出射波束角匹配，并且可以使第一光栅的出射波束角与末尾光栅的入射波束角匹配。
29.如权利要求28所述的多元件衍射光栅，其特征在于该多元件衍射光栅仅仅包括一个附加的体积相位光栅，该附加的体积相位光栅是非迪克逊光栅。
30.如权利要求29所述的多元件衍射光栅，其特征在于该迪克逊光栅是直接粘结在该非迪克逊光栅。
31.如权利要求28所述的多元件衍射光栅，其特征在于该多元件衍射光栅仅包括一个附加的体积相位光栅，且前述附加的体积相位光栅是第二迪克逊光栅。
32.如权利要求31所述的多元件衍射光栅，其特征在于迪克逊光栅是直接粘结在第二迪克逊光栅。
全文摘要
一衍射光栅具有多个全息光学元件。该衍射光栅包括一个迪克逊光栅(Dickson grating)以及至少一个其它的体积相位光栅。在典型实施例中，本发明多元件衍射光栅贯穿整个宽的波长范围对于所有偏振提供高散射、至少大致均一的衍射效率和至少大致相等的衍射效率。迪克逊光栅的体积相位介质的折射率调制的空间频率较佳地远大于每一个其它的体积相位光栅的空间频率。该多元件衍射光栅的典型实施例可以以低成本制造且尺寸足够小、散射高(对于S偏振和P偏振)，因此可用于密波分复用应用和其他要求高散射的应用中。该多元件衍射光栅可以实施成透射光栅和折射光栅。
文档编号G02B6/34GK101160540SQ200680011568
公开日2008年4月9日 申请日期2006年2月9日 优先权日2005年2月11日
发明者丹·雪菲利, 莱罗伊·大卫·狄克逊, 理查德·拉利逊, 厄洛伊·皮尔森 申请人:瓦萨奇光电有限公司