专利名称：具有锯齿槽形的反射式变周期光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件，具体为一种反射式变周期光栅，用于集成光学射频声光频谱分析仪和光纤通信波分复用器等。
变周期光栅是指光栅周期按一定规律调制的光栅。目前已有的固定周期的闪耀光栅从理论到工艺都较为成熟，例如在us4330175专利中公开了一种“闪耀衍射光栅结构及其制造方法”。它提出了在硅单晶上利用蚀刻方法制作平面及凹面的闪耀光栅。这类光栅虽然衍射效率高，理论值可达100%，但它仅有单一功能，即色散功能(分光功能)。而现有的变周期光栅，特别是反射式变周期光栅，其剖面大都为矩形槽，例如《IEEE量子电子学杂志》1982年18卷第7期第1057～1059页中报道的在集成光学频谱分析仪中所使用的反射式变周期光栅以及美国《应用光学》(Applled Optlcs)1982年21卷第12期第2195～2198页中报道的在集成光学合波和分波器中使用的反射式变周期光栅。这类光栅的衍射效率较低，其最大理论值为40.5%，因此而限制了应用。另外，上述的变周期光栅只有在所设计的波长(称中心波长)下才能工作，而在非中心波长，其原有特性会产生偏差。
本发明的目的在于为避免上述已有技术中的不足而设计的一种具有锯齿槽形的反射式变周期光栅。将这种光栅作在波导端面或衬底材料上，通过反射(衍射)来实现对入射光的某种调制，以改变入射光的波阵面。例如使平面波变成球面波，使发散的球(柱)面波变成会聚的球(柱)面波，或反之，从而实现准直、聚焦、改变传播方向等功能。
本发明的目的可以通过以下措施来达到反射式变周期光栅，其剖面为锯齿槽形，闪耀角为连续变化，槽距的变化规律定义为光栅调制函数，光栅结构参数应满足关系式∧i＝ (mλ)/(SinIi+Sinθi) m＝±1，±2……(1)∧i为光栅中第i-l个槽与第i个槽的中心距离，第i个光栅槽处的入射角Ii和衍射角θi应满足公式SinIi=±XIli=±(XI-xi)(XI-xi)2+YI2(2)]]>Sinθi=±XO-xiri=(XO-xi)(XO-xi)2+YO2(3)]]>锯齿槽的每个槽具有不同的闪耀角γi，γi与入射角Ii和衍射角θi之间应满足关系式γi＝(1/2)(Ii+θi)(4)本发明的目的还可以通过以下其它措施来达到具有锯齿槽形的反射式变周期光栅，对于非中心波长λi的“像点”位置的座标F应为
图1是剖面为矩形槽的变周期光栅。
图2是剖面为锯齿槽形的变周期光栅。
图3是闪耀角与入射角、衍射角之间的关系。
图4是采用本发明的分波器实施例。
下面结合附图对本发明作详细描述光栅调制函数是与波长λ相关的，即只有对一个确定的波长λ，源点Q与像点P之间才能满足相位关系。而对于任意波长，P点并非象点，但可以找到一个能量相对集中的光斑位置作为这一波长下的“像点”。一般任意波长下“像点”的位置是无解析解的，而本发明提出一种优化解法，即在波长λi下找到一点Pi，使Pi到光栅每个槽的衍射光线的距离最小。
参照图1，若由Q点发出的波长为λ的入射光经变周期光栅衍射后会聚到P点，光栅结构参数应满足关系式(1)。第i个光栅槽处的入射角Ii和衍射角θi应分别满足关系式(2)、(3)，式中xi是光栅第i个槽的中心坐标，li和ri分别是Q点和P点到x的距离，根据光栅调制函数(1)式可知，当源点Q和像点P都在无穷远时，li＝lo→∞，ri＝ro→∞，这时入射光和衍射光都为平行光，即Ii＝Io，θi＝θo，此时(1)式蜕化为常规光栅的光栅方程(SinIo+Sinθo)∧o＝mλ(8)式中∧o为光栅周期。
参照图2，当光栅具有锯齿槽形，而每个槽具有不同的闪耀角(槽角)γi，则使每个槽的衍射中央主极大重合在第m级(大多数情况取m＝1)干涉象上，因此大大提高了变周期光栅的衍射效率，设计锯齿槽形变周期光栅闪耀角是由利特罗条件及图3的几何关系而得到的，各槽闪耀角γi与入射角Ii和衍射角θi之间的关系为(4)式。由于实际加工的限制，各槽形的闪耀角不可能做到连续变化，但由于γi的变化是很缓慢的，因此可采用分段变化方法，根据加工条年和精度要求，可将光栅总槽数分成若干组，每组内所有的槽具有相同的闪耀角，并等于该组中点处的闪耀角之值。
非中心波长“像点”位置的设计参照图1，波长为λ的入射光线在第i个光栅槽上衍射光的衍射角为θi，把衍射光看作几何射线，其斜率为ki＝ctgθi，由(1)式，对闪耀变周期光栅m＝l，则有ki＝ctg(Sin-1[(λ/∧i)-SinIi])，因该射线过光栅平面上的点(xi，0)，可写出衍射光线的方程y＝ki(x-xi)。在理想情况下，对中心波长λ，衍射光线应交于像点P(XO，YO);对非中心波长λj，则可找到一点Fj(Xj，Yj)，使其与各衍射光线距离最短，这时各衍射光波在此点的干涉情况必然最佳。设Fj(Xj，Yj)到第1条衍射光线的距离LiLi=Y-kiX+kixi1+K12........(9)]]>令F点到各衍射光线的距离的平方和为S2S2=Σi=-NM(Y-kiX+kiXi)21+k12.......(10)]]>式中M，N代表光栅槽序数，光栅总槽数为M+N+l。取S2的最小值，则有(ds2/dx)＝0 (ds2/dy)＝0 (12)由(10)(11)(12)式可得YΣ-NMkiKi-XΣ-NMk12Ki+Σ-NMk12xiKi=O]]>Y=Σ-NMKi-XΣ-NMkiKi+Σ-NMkixiKi=O]]>式中ki＝1/(1+k2i)
由方程组的解得到F点的座标为(5)(6)(7)式。
在设计时，当给定工作波长及源点和像点的坐标之后，即可根据上述各式编制计算机程序，算出所需变周期光栅各槽的宽度，以及非中心波长“像点”位置。
参照图4，变周期光栅位于波导的端面，并以一根光纤为输入，十根光纤为输出。光纤芯径为50微米，工作波长为0.85-1.3微米中的十个波长，波长间隔为0.05微米，中心波长为1.05微米。输入光纤端面作为源点，其坐标是XI＝10毫米，YI＝17.32毫米。输出光纤端面为“像点”，中心波长的像点坐标为XO＝0，YO＝20毫米。设计出的变周期光栅的糟宽为1.40～3.66微米，中点处槽宽∧o＝2.0微米，其它各波长的“像点”如下表(微米)
光栅总长5毫米，闪耀角分十段变化，由(6)式可得γi在8度～19度之间。
由于本发明采用了连续(分段)变化闪耀角的槽结构，大大提高了衍射效率。经理论计算，理想情况下效率可达95%以上。采用本发明设计的非中心波长“像点”位置，则有可能把准直(会聚)与分光两种功能集于变周期光栅一体，使光路紧凑、可靠。经进一步的改进和发展制作工艺，将在各种光谱仪器中得到广泛应用。
1-波导，2-光栅(chirped)，3-输入光纤，4-输出光纤。
权利要求
1.具有锯齿槽形的反射式变周期光栅，其剖面为锯齿槽形，其特征在于闪耀角为连续变化，槽距的变化规律定义为光栅调制函数，光栅结构参数应满足关系式∧i= (mλ)/(SinIi+Sinθi) m=±1，±2……(1)∧i为光栅中第l-1个槽与第1个槽的中心距离，第1个光栅槽处的入射角I1和衍射角θi应满足公式SinIi=±XI-xili=±(XI-xi)(XI-xi)2+YI2.....(2)]]>sinθi=±XO-xiri=±(XO-xi)(XO-xi)2+YO2.....(3)]]>锯齿槽的每个槽具有不同的闪耀角γ1，γ1与入射角I1的衍射角θi之间应满足关系式γi=(1/2)(Ii+θi)
2.如权利要求1所述的具有锯齿槽形的反射式变周期光栅，其特征在于对于非中心波长λi的“像点”位置的座标F应为
式中
全文摘要
本发明为一种具有锯齿槽形的反射式变周期光栅，用于集成光学射频声光频谱分析仪和光纤通信波分复用器等。其剖面为锯齿槽形，闪耀角为连续变化，光栅结构参数应满足关系式∧
文档编号G02B5/18GK1048928SQ90103458
公开日1991年1月30日 申请日期1990年7月12日 优先权日1990年7月12日
发明者孙雨南, 秦秉坤, 丁汉章 申请人:北京理工大学