专利名称：铌酸锂晶体体全息光栅的光分插复用器的制作方法
技术领域：
本发明属于光通讯网络技术，特别涉及一种基于双掺杂铌酸锂LiNbO3晶体体全息光栅的光分插复用器，适于在光层实现对波分复用信号的信道分离、传输、交换、复用等。
背景技术：
光分插复用器(以下简称OADM)是光通讯网络中必不可少的重要设备。OADM节点的功能是从传输系统中选择地下路(drop)信道中通往本地用户的信号，同时上路(add)由本地用户发往另一节点用户的信号，上下路进行的同时不能影响其它波长信道的传输。光分插复用器的基本原理是波分复用光信号首先由解复用器把复用的各个光波解开，然后经过波长交换单元动态选择上、下路的波长，最后由复用器复用到同一链路输出。OADM在光域中实现了传统的电分插复用器在时域内所完成的功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，这一点比传统的电分插复用器更加优越，是克服传统网络中节点的电子瓶颈问题的关键之一。光分插复用器的应用进一步增加了整个通信网的吞吐量，提高了网络的灵活性、透明性与生存性。用不同的方法实现复用和解复用，可构成不同的光分插复用器结构。
在先技术[1](参见Yung-Kuang Chen，Chia-Hsiung Chang，et al，OpticsCommunications，169(1999)，p245-261，Mach-Zehnder fiber-grating-based fixedand reconfigurable multichannel optical add-drop multiplexers for DWDMnetworks)所描述的是一种基于马赫-泽德干涉仪(MZI)和布拉格光纤光栅(FBG)的可动态重构的多通道光分插复用器，由若干光分插复用器模块和光开关级联而成；光分插复用器模块由输入、输出光耦合器、马赫-泽德干涉仪及位于干涉仪两臂上的布拉格光纤光栅构成。光分插复用器模块的原理是波分复用(WDM)信号经输入光耦合器输入传输到马赫-泽德干涉仪的两臂，具有特定波长的光波将被布拉格光纤光栅反射，再次从干涉仪的两臂上反射回输入光耦合器，在其中发生干涉，从而实现该波长信号的下路；同理，在输出光耦合器上实现信号的上路。将若干光分插复用器模块和光开关级联起来，形成可动态重构的光分插复用器，通过控制各个光开关的不同组合状态，可实现上下路任意波长。该装置的特点是能上下路任意波长信道，信道间串扰小。较多的马赫-泽德干涉仪和布拉格光纤光栅级联起来，会增大系统的损耗；系统对马赫-泽德干涉仪两臂的加工精度要求比较高。
在先技术[2](参见RobertA.Norwood，WestChester，美国专利2002.5.7，US6385362B1，Hybridintegratedopticaladd-dropmultiplexer)所描述的是一种混合集成式的光分插复用器。它把两个阵列波导光栅(AWG)和一定数目的光开关采用沉积的技术集成在同一个硅基片上，结构紧凑。两个阵列波导光栅(AWG)分别作为解复用器和复用器，光开关用于选择上下路的波长信道并切换光路。AWG型光波分复用器具有波长间隔小、通道数多、通带平坦等优点，非常适合超高速、大容量WDM系统使用。阵列波导光栅(AWG)制作工艺复杂，插入损耗比较大，波导的长度容易受外界温度的影响。
在先技术[3](参见PierpaoloBoffi，MariaChiara，etal.，IEEEPhoton.Tech.Lett.，12(10)，2000，p1355-1357，1550nm volume holography for opticalcommunication devices)提出了一种基于体全息术的光通讯波分复用信号处理的全光装置，用单块LiNbO3晶体实现了WDM波分解复用器。其基本思想是用488nm的可见光在光折变LiNbO3:Fe晶体中同一位置处以角度复用的方式记录若干全息光栅，用光通讯波段1550nm附近多波长信号光束去读出，衍射后不同波长的光波以不同的角度射出，从而实现了多波长信号的解复用，解复用后各信号光波之间分开的角度在0.1°左右。该装置利用体全息光栅的角度和波长选择性，可一次分离大量的波长信道，信道间隔可达0.8nm甚至更小，信道间串扰小，特别适用于密集波分复用(DWDM)系统使用。该装置在晶体的同一位置复用多个全息光栅，使得在记录后面光栅时，记录光波对前面已经记录的光栅有一定的擦除，从而影响了读出光栅的衍射效率。解复用后的光波之间空间间隔比较小，不利于实现光信号之间的空间交换。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服已有技术的不足之处，提出一种LiNbO3晶体体全息光栅的光分插复用器(OADM)，可实现波分复用信号的解复用及信号光波之间的空间交换，本发明装置应具有结构简单、操作灵活、稳定性高、抗环境干扰等优点。
本发明的技术解决方案如下一种铌酸锂(LiNbO3)晶体体全息光栅的光分插复用器，其特征在于它包括波分复用信号输入光纤(101)和与之连接的光纤准直器(102)；本地上路信号m束输入光纤(103-106)和与之连接的m个光纤准直器(107-110)；单块双掺杂LiNbO3晶体(112)制成的光波分解复用器(111)；电光开关组(113)；本地上路、直通信号m束输出光纤(135-138)和与之连接的m个光纤准直器(123-126)；本地下路m个信号输出光纤(131-134)和与之连接的m个光纤准直器(127-130)；一个m×1信道耦合器(139)；波分复用信号输出光纤(140)，其位置关系是所说的本地上路、直通信号m束输出光纤(135-138)与所说的m×1信道耦合器(139)的输入端相连；所说的波分复用信号输出光纤(140)与m×1信道耦合器(139)的输出端相连；沿输入光纤(101)传输的波分复用信号(λ1-λ4)经光纤准直器(102)准直扩束后进入到光波分解复用器(111)中，解复用后的各个单波长信号进入到电光开关组(113)中；电光开关组(113)选择需要下路的波长信道和需要上路、直通的波长信道，下路的光信号分别经光纤准直器(127-130)耦合进输出光纤(131-134)；上路和直通的光信号分别经光纤准直器(123-126)耦合进输出光纤(135-138)，经m×1信道耦合器(139)耦合后输出到波分复用信号输出光纤(140)。
所述的双掺杂LiNbO3晶体(112)是一块长方体LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体。
所述的光波分解复用器(111)是由单块双掺杂LiNbO3晶体构成的包括；波分复用信号光束输入端面A和与之平行的相对表面B；本地上路信号光束输入端面C和与之平行的信号光束输出端面D；还包括上下两个相对平行的表面；所述的光束输入端面A与所述的光束输出端面D相互垂直，二者分别平行于坐标zx、xy面；所述的晶体(112)的光轴c在坐标yz面内且与z轴的夹角为45°，所述的晶体(112)中预先记录了m个体全息光栅HG1-HG4，它们在晶体(112)中等间距排列，分别位于从光纤准直器(102)出射的波分复用光信号和从m个光纤准直器(107-110)出射的本地上路光信号传输光路的交点上。
所述的电光开关组(113)含有m个结构相同的电光开关，是由结构相同的m块铌酸锂晶体(114-117)及附在晶体两侧的电极(118-122)构成的；所说的m块晶体(114-117)并排放置，两端对齐，一端紧靠晶体(112)放置，相邻晶体共用一个电极，每块LiNbO3晶体为一具有一45°斜面的长方体(114)，该晶体(114)有一个内反射面N、一个光束输入面E、一个光束输出面F和与光束输出面F平行的平面G，所说的光束输入面E与光束输出面F垂直，内反射面H与光束输出面F之间的夹角是45°。
所述的电极(118-122)的长度等于或略小于晶体(114-117)的长度和宽度。
所述m＝4。
本发明的技术效果1.本发明提出一种基于双掺杂LiNbO3晶体体全息光栅的光通讯波段信号处理的全光装置，用以在光域中实现WDM信号的解复用、空间传输、交换，避免了网络节点上的光/电、电/光转换及由此引入的信号衰减、失真、功率损耗。
2.本发明利用LiNbO3晶体的光折变效应，采用双色光两中心全息记录法在LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体中记录并光固定若干非挥发性体全息光栅。
3.本发明中的体全息光栅是采用可见波段的632.8nm的红光记录、红外波段1550nm附近的WDM信号光来读出的；记录光和读出光同时满足全息光栅的布拉格匹配条件。
4.本发明利用体全息光栅的角度和波长选择性，用单块双掺杂LiNbO3晶体实现了波分复用信号的解复用，解复用后的信号空间隔离度较好，相互之间串扰较小。
5.本发明利用晶体的双折射效应和线性电光效应，用单块LiNbO3晶体构成了电光开关，开关速度快(可达到ns数量级)，能够精确同步，结构简单。
6.本发明通过控制电光开关的状态，可以动态选择需要上、下路的波长通道，可同时上、下路任意路波长信道，结构简单，操作灵活。
图1为本发明铌酸锂晶体体全息光栅光分插复用器结构实施例示意图。
图2为晶体112的结构和内部光路图。
图3为体全息光栅HG1记录和读出的 矢量图。
图4为体全息光栅HG1的空间取向和周期示意图。
图5为电光开关114的结构示意图。
图6为未加横向半波电压时晶体114中的光路图。
图7为加横向半波电压时晶体114中的光路图。
具体实施例方式
先请参阅图1，图1是本发明铌酸锂晶体体全息光栅光分插复用器m＝4的实施例的结构示意图，由图可见，本发明铌酸锂晶体体全息光栅光分插复用器包括波分复用(WDM)信号输入光纤101和与之连接的光纤准直器(OFC)102；本地上路信号4束输入光纤103-106和与之连接4个的光纤准直器107-110；光波分解复用器(DMUX)111；电光开关组113；本地上路、直通信号4束输出光纤135-138和与之连接的4个光纤准直器123-126；本地下路信号4束输出光纤131-134和与之连接的4个光纤准直器127-130；一个4×1信道耦合器139；波分复用(WDM)信号输出光纤140；所说的本地上路、直通信号4束输出光纤135-138与所说的4×1信道耦合器139的输入端相连；所说的波分复用信号输出光纤140与4×1信道耦合器139的输出端相连。沿输入光纤101传输的波分复用信号(λ1-λ4)经光纤准直器102准直扩束后进入到解复用器111中，解复用后的各个单波长信号进入到电光开关组113中；电光开关组113选择需要下路的波长信道和需要上路、直通的波长信道，下路的光信号分别经4个光纤准直器127-130耦合进4束输出光纤131-134；上路和直通的光信号分别经4个光纤准直器123-126耦合进4束输出光纤135-138，经4×1信道耦合器139耦合后输出到波分复用信号输出光纤140。
所说的光波分解复用器111，由单块双掺杂LiNbO3晶体112构成。所说的晶体112是一块长方体LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体，其结构如图2所示包括波分复用(WDM)信号光束输入端面A和与之平行的相对表面B；本地上路信号光束输入端面C和与之平行的信号光束输出端面D；还包括上下两个相对平行的表面(平行于坐标yz面，图中未标出)；所说的光束输入端面A与所说的光束输出端面D相互垂直，二者分别平行于坐标zx、xy面；所说的晶体112的光轴c在坐标yz面内且与z轴的夹角为45°。所说的晶体112中预先记录了四个体全息光栅HG1-HG4，它们在晶体112中等间距排列，分别位于从光纤准直器102出射的波分复用光信号和从四个光纤准直器107-110出射的本地上路光信号传输光路的交点上。
所说的波分解复用器111的波长解复用功能是通过记录在晶体112中的四个体全息光栅HG1-HG4的波长选择作用来实现的。其工作原理结合图2说明如下WDM信号光束(包括4个波长λ1，λ2，λ3，λ4)从晶体112的光束输入端面A垂直入射，在晶体112中沿着坐标y方向传播。所说的WDM信号光波是线偏振光，其振动方向平行于坐标x方向(o光)。WDM信号光束到达所说的体全息光栅HG1时，波长为λ1的光波由于符合布拉格条件而受到光栅的衍射，衍射光波沿着坐标z方向传播，从晶体112的光束输出端面D垂直射出；剩余的波长为λ2、λ3、λ4光波因不符合布拉格条件而直接透过光栅，在晶体中继续沿着坐标y方向传播。同理，当剩余信号光波到达体全息光栅HG2、HG3、HG4时，波长为λ2、λ3、λ4的光波分别受到这三个光栅的衍射，各个衍射光波分别沿着平行于坐标z方向光路传播，最后从晶体112的光束输出端面D上的不同位置垂直射出。可见，利用预先记录在LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体中不同位置处的体全息光栅的波长选择作用，可以把多波长信号在空间上分解成各个单波长信号，从而实现了WDM信号光波的解复用。本地上路的四个单波长光信号的波长分别等于波分复用的四个光信号的波长，记作λ1，add、λ2，add、λ3，add、λ4，add，但振动方向与波分复用光信号垂直(e光)。四个单波长信号光束从晶体112的光束输入端面C上的不同位置垂直入射，分别沿着对应波长的解复用信号光波的光路在晶体112中传播，到达体全息光栅HG1-HG4时，这四个光波由于都不符合布拉格条件而直接透过光栅继续传播，最后从晶体112的光束输出端面D垂直射出。这样，本地上路的四个单波长信号光波λ1，add-λ4，add分别与对应波长的解复用信号光波沿相同的光路传播，由于二者振动方向相互垂直而不会发生干涉串扰。
所说的体全息光栅HG1-HG4的空间取向和周期分别由它们所衍射的波分复用信号光波的波长、振动方向、读出角度和衍射角度等特性所决定四个体全息光栅HG1-HG4均由可见波段632.8nm的红光来记录，记录光波和读出光波同时满足体光栅的布拉格条件。下面以光栅HG1为例说明LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体中体全息光栅的空间取向、周期以及全息光栅的记录原理和过程。根据本发明设计，WDM信号光束在晶体112中沿着坐标y方向传播至光栅HG1时，波长为λ1的光波受到光栅HG1的衍射，衍射光波沿着坐标z方向传播。按照三维光栅的衍射理论，要使衍射光波的振幅达到极大值，读出光波矢量 衍射光波矢量 和光栅矢量 之间必须满足布拉格匹配条件K→=k→11-k→12----(1)]]>其中矢量 和 对称地位于光栅峰值条纹面的两侧，二者相互垂直，且k11=k12=2πn1λ1,]]>n1为波长为λ1的读出信号光波在晶体112中的折射率；光栅矢量 垂直于光栅的峰值条纹面，其大小为K=2πΛ,]]>A为体全息光栅峰值条纹面之问的距离，即光栅周期。图3在单位圆中给出体全息光栅HG1的 矢量图，图中α为读出光波矢量 与体光栅峰值条纹面之间的夹角(读出角)，本设计方案中α＝45°。从图中可以直观地看出读出光波矢量 衍射光波矢量 和光栅矢量 三者之间满足的布拉格匹配关系。由(1)式进一步推出读出光束的波长λ1、折射率n1、读出角α和体全息光栅周期Λ之间满足的布拉格定律2n1Λsinα＝λ1(2)根据(2)式可以计算得到体全息光栅HG1的空间周期Λ。图3给出体全息光栅HG1的空间取向与周期示意图，可以看出光栅矢量 与光栅的峰值条纹面垂直，且与晶体112的光轴c平行。同理，体全息光栅HG2、HG3、HG4分别对WDM信号中波长为λ2、λ3、λ4的光波产生衍射，各光栅的读出角都相同(α＝45°)，因此它们的空间取向都与光栅HG1相同，而且光栅矢量 都平行于晶体112的光轴c；由于各信号光波的波长和折射率不同，根据(2)式，各个体全息光栅的空间周期Λ也各不相同。由于双掺杂LiNbO3晶体对光通讯波段1550nm附近光谱范围内的光波几乎没有吸收，在这个范围内晶体的光折变灵敏度较低，因此，不能用这一光谱范围内的光波在晶体中记录体全息光栅。可采用对LiNbO3晶体比较敏感的波长为632.8nm的红光对晶体进行非挥发性全息记录。对所说的体全息光栅HG1，光栅矢量 与两个记录光波矢量 之间必须满足布拉格匹配条件K→=k→01-k→02----(3)]]>矢量 对称地位于体光栅HG1峰值条纹面的两侧，且k01=k02=2πn0λ0,]]>λ0为记录光波在空气中的波长，n0为记录寻常光在LiNbO3晶体中的折射率。由体全息光栅HG1的 矢量图中(图3-1)可以直观看出两个记录光波矢量 读出光波矢量 衍射光波矢量 和光栅矢量 之间同时满足的布拉格匹配关系，θ为记录光波矢量 与体光栅峰值条纹面之间的夹角(布拉格角)。由(3)式进一步推出记录光波的波长λ0、折射率n0、布拉格角θ和体全息光栅周期Λ四者之间所满足的布拉格定律2n0Λsinθ＝λ0(4)根据(4)式可计算得到晶体112中记录光波与光栅HG1峰值条纹面之间的夹角(布拉格角)θ。由折射定律可进一步计算得到记录光波从空气入射到晶体112表面上的入射角θI(空气中的折射率为1)sinθI＝n0sinθ(5)在LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体中进行非挥发性光固定光折变全息记录，其记录和固定原理是Buse等人提出的双色光两中心全息记录法(参见BuseK，AdibiA，et al，Nonvolatile holographic storage in doubly dopedlithium niobate crystals，Nature，1998，397(7)665～668)。在LiNbO3晶体中掺入不同能级深度杂质中心Fe或Ce(浅能级中心)和Mn或Cu(深能级中心)，用波长为632.8nm的红光记录体全息光栅，用波长为365nm的紫外光对晶体敏化。用来记录的红光只能激发浅能级中心的电子，而用来敏化的紫外光能同时激发深能级和浅能级中心的电子。LiNbO3Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体非挥发性光折变全息记录有三个步骤1)预敏化过程用均匀紫外光照射晶体，使电子通过导带从深中心Mn(Cu)激发到浅中心Fe(Ce)中去，以增加晶体对记录红光的灵敏度；2)红光记录过程在紫外光继续照射的同时用双红光成一定夹角入射晶体，红光的周期性干涉光强同时引起Mn(Cu)中心和Fe(Ce)中心的电荷重新分布，在两个中心形成空间电荷场，进而通过线性电光效应在两个中心形成折射率调制的体相位光栅；3)红光固定过程关闭紫外光，只用一束红光照射晶体，以消除浅中心中记录的光栅，而保留对红光不敏感的深中心的光栅。保留在深中心中的体全息光栅对红光不再敏感，从而实现了光折变体全息光栅的非挥发性记录。在双掺杂LiNbO3晶体中四个体全息光栅HG1-HG4均采用双中心非挥发性光固定全息存储的方式记录，采用光通讯波段1550nm附近的信号光波读出，记录光和读出光同时满足光栅的布拉格匹配条件；读出时，满足布拉格条件的光波受到光栅的衍射而从多波长光束中分离出来，不满足布拉格定律的光波将直接透过光栅而直接传播。因而利用分布在LiNbO3晶体中不同位置处的体全息光栅的衍射作用，实现了波分复用(WDM)信号光束的解复用，解复用后的各个单波长信号光波在空间上充分分开，从而有效地避免了串扰。
所说的电光开关组113，包括四个电光开关EOSW1-EOSW4，分别由四块结构相同LiNbO3晶体114-117及附在晶体两侧的电极118-122构成；所说的四块晶体114-117并排放置，两端对齐，一端紧靠晶体112放置，相邻晶体共用一个电极。图5为电光开关EOSW1的结构图，包括一块有一个45°斜面的长方体LiNbO3晶体114和附在其两侧的电极118，119(图中未标出)。所说的晶体114有一个内反射面H、一个光束输入面E、一个光束输出面F和与光束输出面F平行的平面G。所说的光束输入面E与光束输出面F垂直，内反射面H与光束输出面F之间的夹角是45°。所说的光束输入面E、光束输出面F分别平行于坐标面xy、xz。所说的晶体114的光轴取向垂直于光束输入面E且与坐标z轴平行。所说的电极118、119分别安置在晶体114的与坐标x轴垂直的两个相对平行侧面上。所说的电极118的宽度等于或略小于晶体114的宽度，晶体114的宽度定义为所说的光束输出面F和与之平行的表面G之间的距离；电极118的长度等于或略小于晶体114的长度和宽度，晶体114的长度定义为光束输出面F和内反射面H的交线与光束输入面E之间的距离。所说的电极118、119分别接直流高压电源的两极，用于给晶体114加横向半波电压。其它三个电光开关EOSW2-EOSW4的结构与EOSW1完全相同。
所说的电光开关EOSW1-EOSW4利用了LiNbO3晶体的双折射效应和线性电光效应实现了正交偏振光束的空间分离和信号光束的空间交换。这下面结合EOSW1来说明电光开关的工作原理。图6给出未加横向半波电压(POWEROFF)时晶体114中的光路图。正交偏振的两束信号光波(λ1，λi，add)沿着同一光路垂直入射到晶体114的光束输入端面E上，在晶体114中沿着光轴c方向传播。两束信号光波在晶体114内反射面H上的入射角都是45°，大于晶体的全反射角(约27°左右)，因而在晶体内反射面H上发生全反射。o光(波长为λ1)的反射角为45°，反射后在晶体114中沿着坐标y方向传输，最后从晶体114的光束输出端面F垂直射出，计作λ1(o)；e光(波长为λ1，add)的反射角δ大于45°，反射后与o光的偏离角θ1＝δ-45°，经晶体114的光束输出面F折射后射出，记作λ1，add(e)。e光在光束输出端面F上的入射角等于它与o光的偏离角θ1，折射角θ2大于θ1，因此在晶体外o光和e光进一步偏离。图7给出加横向半波电压(POWERON)时晶体114中的光路图，由于LiNbO3晶体的横向电光效应，在光束输入面E和内反射面H之间沿着同一光路传播的两束正交偏振光到达内反射面H时振动方向都转动了90°；经内反射面H反射后，原来的e光沿着o光的光路传播，最后垂直于光束输出端面F射出，记作λ1，add(o)；原来的o光沿着e光的光路传播，经光束输出端面F折射后射出，记作λ1(e)。可见，沿着同一光路传播的两束正交偏振信号光，在晶体中经过分别经过一次全反射、一次折射后，将分成沿着不同方向传播的两个线偏振光，实现了正交偏振光束的空间分离，这对应电光开关的直通状态；给晶体114加横向半波电压，原来的o光变成e光，e光变成o光，从而实现了信号光束的空间交换，这对应电光开关的交叉状态。
本发明的工作过程结合在发明实施例1结构图1进一步说明如下波分复用(WDM)信号(包括4个波长λ1、λ2、λ3、λ4)沿信号输入光纤101传输，经光纤准直器102准直扩束后从晶体112的光束输入面A垂直入射到解复用器111中去。在晶体112中不同位置处预先记录的四个体全息光栅HG1-HG4分别对波长为λ1-λ4的信号光波产生衍射。波分复用信号光束经过体全息光栅HG1时，波长为λ1的光波被衍射而从多波长信号光束中分离出来，从晶体112的光束输出端面D垂直射出，然后垂直于晶体114的光束输入面A进入到电光开关EOSW1中，并沿着晶体114的光轴(c)方向传播；剩余的波长为λ2、λ3、λ4信号光波因不符合布拉格条件而直接通过光栅HG1继续传播到达光栅HG2，HG2衍射波长为λ2的信号光波而透过波长为λ3、λ4的信号光波，衍射光波进入到电光开关EOSW2中，并沿着晶体115的光轴方向传播；同理波长为λ3、λ4的信号光波分别受到体全息光栅HG3、HG4的衍射而从剩余信号光束中分离出来，进入到电光开关EOSW3、EOSW4中，分别沿晶体116、117的光轴方向传播。本地上路的四个单波长信号(λ1，add、λ2，add、λ3，add、λ4，add)光波沿输入光纤103-106传输，分别经光纤准直器107-110准直扩束后，从晶体112的光束输入端面C垂直进入到解复用器111中去。四个上路信号光波的波长分别与波分复用信号光波的波长对应相等，但振动方向与波分复用信号垂直。四个单波长信号光束分别沿着对应波长的解复用信号的光路传播，到达体全息光栅HG1-HG4时因不符合布拉格条件而直接透过光栅，沿着原来的光路继续传播，最后从晶体112的输出端面D垂直射出，分别进入到晶体114-117中去。这样在电光开关组113的每块晶体中，平行于光轴方向的同一光路上同时传播着波长解复用信号光波和相同波长的本地上路信号光波。这两个正交偏振的信号光波在晶体中分别经过一次全反射、一次折射后，从晶体的输出端面射出，出射光波的传播方向发生偏离；通过控制电光开关EOSW1-EOSW4的交叉状态(加横向半波电压)和直通状态(不加横向半波电压)可以动态地选择本地上、下路和直通的波长信道。电光开关EOSW1-EOSW4选择的本地下路信号(λ1，d、λ2，d、λ3，a、λ4，d，)分别由光纤准直器127-130耦合进输出光纤131-134中；本地上路、直通的光信号(λ1，、λ2，、λ3，、λ4，)分别经光纤准直器123-126耦合进输出光纤135-138，再经4×1信道耦合器139耦合后输出到波分复用信号输出光纤140。
本发明装置具体实施例如下晶体112是经高温氧化的LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu单晶。晶体切割成规格为5×5×30mm3的长方体，所有的面进行光学抛光，光轴平行于yz平面且与z轴的夹角为45°。采用氦氖激光器作为记录光源，它发出波长为632.8nm的寻常偏振的红光，光强为600mW/cm2，；100W的球形高压汞灯，用透紫外的滤光片滤光后经汇聚透镜聚焦作为非偏振的紫外敏化光源，其波长为365nm，光强为15mW/cm2。记录红光在LiNbO3晶体中的折射率为2.28647，在晶体内的记录角θ、在空气中的入射角θi分别由(3)、(4)两式得到。采用传统的对称记录光路，即把记录寻常光分成强度近乎相等的两束光对称地入射到晶体中，光束的直径为2mm，记录光栅矢量平行于晶体的光轴。记录过程如下首先用紫外光对要记录的部分进行1小时左右的预敏化，然后用空间调制的红光和紫外光同时照射晶体进行光折变全息记录，待记录稳定后，关闭紫外光，用一束红光进行读出固定，最终在晶体中记录了非挥发性体全息光栅。使按上述方法记录的四个体全息光栅HG1-HG4在晶体112内部等间距排列，并且位于平行于坐标y方向的同一直线上。四个光栅彼此间隔为6mm，HG1距离晶体112的A端面、HG2距离晶体112的B端面均为6mm。表1列出了四个体全息光栅HG1-HG4记录和读出的相关参数ITU-T规定的1550nm附近的四个信号光波的标准波长λ、寻常偏振的信号光波在双掺杂LiNbO3晶体中的折射率no、记录寻常光波在晶体内的记录角θ、在晶体表面上的入射角θI和记录的体全息光栅的空间周期Λ。
晶体114-117从同一块LiNbO3晶体基片上切割下来，并加工成具有一个45°内反射面的六面体，其光轴平行于晶体的长度方向。四块晶体的规格相同，其长度、宽度、厚度分别为45mm、5mm和5mm，晶体的各个面都进行了光学抛光。电极118-122规格相同，均由长度、宽度、厚度分别为40mm、4mm和1mm的Cu片构成。电极118-122外接直流高压电源，使两个相邻电极的极性相反。LiNbO3晶体的横向半波电压是4000V，考虑到晶体通光部分的长度和厚度之间的纵横关系，实际所加的横向半波电压在500V左右。
信号光波为ITU-T规定的1550nm附近的标准波长，各波长信道之间的间隔为0.8nm，因此它们在四块晶体114-117中的传播情况几乎相同。在晶体114-117的内反射面上o光和e光入射角均为45°，o光的反射角为45°，最后从晶体的输出端面垂直射出；e光的反射角δ为46.86°，它与o光的偏离角θ1＝1.86°，最后从输出端面斜射出晶体，折射角θ2为4.26°。
本实施例中波分复用光信道的数目可灵活扩充为8路，16路等，只需要在双掺杂LiNbO3晶体112中记录相应数目的体全息光栅，并相应扩充电光开关组113中晶体的数目。
本实施例中波分复用信号的信道间隔可为0.4nm甚至更小，可以通过改变全息光栅的记录角度来实现，从而适用于密集波分复用系统。
表1具体实施例中体全息光栅记录和读出相关参数
权利要求
1.一种铌酸锂(LiNbO3)晶体体全息光栅的光分插复用器，其特征在于它包括波分复用信号输入光纤(101)和与之连接的光纤准直器(102)；本地上路信号m束输入光纤(103-106)和与之连接的m个光纤准直器(107-110)；单块双掺杂LiNbO3晶体(112)制成的光波分解复用器(111)；电光开关组(113)；本地上路、直通信号m束输出光纤(135-138)和与之连接的m个光纤准直器(123-126)；本地下路m个信号输出光纤(131-134)和与之连接的m个光纤准直器(127-130)；一个m×1信道耦合器(139)；波分复用信号输出光纤(140)，其位置关系是所说的本地上路、直通信号m束输出光纤(135-138)与所说的m×1信道耦合器(139)的输入端相连；所说的波分复用信号输出光纤(140)与m×1信道耦合器(139)的输出端相连；沿输入光纤(101)传输的波分复用信号(λ1-λ4)经光纤准直器(102)准直扩束后进入到光波分解复用器(111)中，解复用后的各个单波长信号进入到电光开关组(113)中；电光开关组(113)选择需要下路的波长信道和需要上路、直通的波长信道，下路的光信号分别经m个光纤准直器(127-130)耦合进m束输出光纤(131-134)；上路和直通的光信号分别经m个光纤准直器(123-126)耦合进m束输出光纤(135-138)，经m×1信道耦合器(139)耦合后输出到波分复用信号输出光纤(140)。
2.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体体全息光栅的光分插复用器，其特征在于所述的双掺杂LiNbO3晶体(112)是一块长方体LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶体。
3.根据权利要求2所述的铌酸锂晶体体全息光栅的光分插复用器，其特征在于所述的光波分解复用器(111)是由单块双掺杂铌酸锂单晶(112)的构成的，包括波分复用信号光束输入端面A和与之平行的相对表面B；本地上路信号光束输入端面C和与之平行的信号光束输出端面D；还包括上下两个相对平行的表面；所述的光束输入端面A与所述的光束输出端面D相互垂直，二者分别平行于坐标zx、xy面；所述的晶体(112)的光轴c在坐标yz面内且与z轴的夹角为45°，所述的晶体(112)中预先记录了m个体全息光栅HG1-HG4，它们在晶体(112)中等间距排列，分别位于从光纤准直器(102)出射的波分复用光信号和从m个光纤准直器(107-110)出射的本地上路光信号传输光路的交点上。
4.根据权利要求1所述的铌酸锂晶体体全息光栅的光分插复用器，其特征在于所述的电光开关组(113)含有m个结构相同的电光开关，是由结构相同的m块铌酸锂晶体(114-117)及附在晶体两侧的电极(118-122)构成的；所说的m块晶体(114-117)并排放置，两端对齐，一端紧靠晶体(112)放置，相邻晶体共用一个电极，每块LiNbO3晶体为一具有一45°斜面的长方体(114)，该晶体(114)有一个内反射面D、一个光束输入面E、一个光束输出面F和与光束输出面F平行的平面H，所说的光束输入面E与光束输出面F垂直，内反射面H与光束输出面F之间的夹角是45°。
5.根据权利要求1所述的铌酸锂(LiNbO3)晶体体全息光栅的光分插复用器，其特征在于所述的电极(118-122)的长度等于或略小于晶体(114-117)的长度和宽度。
6.根据权利要求1所述的铌酸锂(LiNbO3)晶体体全息光栅的光分插复用器，其特征在于所述的m＝4。
全文摘要
一种铌酸锂晶体全息光栅的光分插复用器，包括用单块双掺杂LiNbO
文档编号H04J14/02GK1424601SQ02155048
公开日2003年6月18日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年12月20日
发明者刘立人, 董前民, 刘德安, 栾竹, 周煜, 祖继锋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所