专利名称：基于纳米光栅的可调光功率分配方法及其分配器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可调光功率分配器，属于光通信技术领域。
背景技术：
基于光纤耦合器的光功率分配器近年来已获得长足发展。主要是由于光纤CATV及光纤到户(FTTH)的逐步普及应用。其市场需求量越来越大，根据RHK的分析，光纤耦合器的市场规模在2003年以后将以每年超过100％速度递增。看到光功率分配器市场的巨大潜力，许多原来从事平面波导器件的厂商也已经积极开展类似器件的研发和市场开拓工作。其性能和工作原理与光纤型器件基本类似。一般光纤型或波导型器件都只能提供固定的分光比。随着电信业务的发展，电信服务商可以在多个甚至每个站点掌控一部分可调度资源，使每一条支路的富余光功率可以大大压缩，从而节省相当一部分光放大器，降低整个系统的成本及运行费用，从而提高服务的可靠性和灵活性，增加收入。为此，就要采用可调谐的光功率分配器，过去曾有人采用在普遍光纤型耦合器的熔锥部分加应力的办法来改变两个出口的分光比，制作可调谐光功率分配器。这种方法的缺点是可调谐范围小，偏振相关度高，控制精度低，因此其应用价值其实十分有限。最近我们武汉光迅科技公司申请了采用基于双折射晶体分光合光及偏振光干涉技术制作的可调光功率分配器的发明专利(申请号03125463.2)，其结构如图1所示。该方法可以克服上述缺点，具有可调谐范围大，偏振无关等优点。
发明内容
本发明提供了另一种基于纳米光栅的可调光功率分配方法及其分配器，可以大大简化上述可调谐光功率分配器的结构，降低成本，有利于可调光功率分配器的推广应用。
所采用的纳米光栅(如我公司的专利申请03128137.0，如图2所示)，它的基本功能是将入射的非偏振光分开为两束偏振光，分别透过和反射。纳米光栅的分光过程对入射角，入射的波长均不敏感。
本发明的技术方案是基于纳米光栅的可调谐光功率分配方法，其特征在于首先利用纳米光栅的基本功能将入射的非偏振光分开为透射和反射的两束偏振光；反射光束经过一个全反射镜反射后再投射到同一块纳米光栅上，反射光束在上述光路中两次透过一块与全反射镜平行的1/4波片，调整1/4波片的主轴与纳米光栅栅条的夹角使反射光束在该纳米光栅处透射和/或反射；透射光束经过一个全反射镜反射后再投射到同一块纳米光栅上，透射光束在上述光路中两次透过一块与全反射镜平行的1/4波片，调整1/4波片的主轴与纳米光栅栅条的夹角使透射光束在该纳米光栅处反射和/或透射；最后还是利用纳米光栅的基本功能将偏振光合束输出。
如上所述的可调谐光功率分配方法，其特征在于固定纳米光栅，同步旋转两块1/4波片。
基于纳米光栅的可调谐光功率分配方法，其特征在于首先利用一块纳米光栅的基本功能将入射的非偏振光分开为透射和反射的两束偏振光；透射光束和反射光束分别被换向后再投射到第二块纳米光栅上，利用第二块纳米光栅的基本功能将偏振光合束输出；旋转第一块纳米光栅和/或第二块纳米光栅，调整它们的相对位置改变合束输出光的分光比。
基于纳米光栅的可调谐光功率分配器，其特征在于它包括纳米光栅、1/4波片、全反射镜，纳米光栅的两侧分别依次放置有1/4波片和全反射镜，纳米光栅、1/4波片和全反射镜互相平行，纳米光栅的栅条与1/4波片的主轴之夹角，通过纳米光栅与1/4波片至少其中之一的平面转动而改变。
如上所述的可调谐光功率分配器，其特征在于纳米光栅两侧的1/4波片取向相同。
基于纳米光栅的可调谐光功率分配器，其特征在于它包括两块纳米光栅和两个换向器，两块纳米光栅的两侧构造两个光路，两个换向器分别放置在两个光路中，第一块纳米光栅将入射的非偏振光分开为透射和反射的两束偏振光；透射光束和反射光束分别被换向后再投射到第二块纳米光栅上，利用第二块纳米光栅的基本功能将偏振光合束输出；旋转第一块纳米光栅和/或第二块纳米光栅，调整它们的相对位置改变合束输出光的分光比。
如上所述的基于纳米光栅的可调谐光功率分配器，其特征在于所述的换向器为光波导或全反射镜或棱镜。
本发明有益效果在本发明中，纳米光栅对于入射的非偏振光既是偏振分波器，同时也是其后两束偏振光的偏振合波器，在分波后与合波前，使反射光束和透射光束的偏振振动面发生旋转，从而使合束输出光的分光比得到改变。所用的器件少，结构非常简单，可以大大简化现有技术的可调谐光功率分配器的结构，降低成本，有利于可调光功率分配器的推广应用。
图1现有纳米光栅的基本功能。
图2采用双折射晶体和LC调谐单元的偏振无关型可调光功率分配器。
图3本发明实施例1的结构示意图。纳米光栅1，1/4波片2-1、2-2，全反射镜3-1、3-2，单芯准直器4-1、4-2、4-3，光纤5-1、5-2、5-3。
图4本发明实施例2的结构示意图。纳米光栅1-1、1-2。
具体的实施方式图1显示现有的纳米光栅的基本功能。对于可见光和近红外光而言，当光栅的加工能力从微米量级提高到纳米量级时，以往人们熟悉的光衍射效应这时完全消失。这种纳米级光栅对入射光波长不敏感，却对入射光的偏振态十分敏感。纳米光栅的一个基本功能是可以将入射的非偏振光分开为透过和反射的两束偏振光。两束偏振光的振动面分别与纳米光栅栅条方向平行或垂直。
图2为现有技术中一种偏振无关型可调光功率分配器的结构，它由单芯准直器、walk-off单元(双折射晶体)、半波片、液晶单元(LC)、walk-off单元、半波片、walk-off晶体、屋脊棱镜、双芯准直器组成。光从单芯准直器出射经过walk-off晶体分为横向的两束，再使其中的一束通过半波片使其与另一束光的偏振态相同的线偏振光。这两束线偏振光经过液晶单元(LC)后被改变偏振态，再经过walk-off晶体，每一束光又分为纵向的两束，这四束光经过半波片和walk-off单元后合为平行的上下两束光，经过屋脊棱镜的偏折后分别耦合入双芯准直器的两路。
图3为本发明所提出的一种基于纳米光栅的偏振无关型可调光功率分配器结构。它由一块纳米光栅、两个1/4波片、两个全反射镜组成；三个单芯准直器一个用于入射光束，两个用于输出光束。入射的非偏振光首先被纳米光栅分开为透射和反射的两束偏振光。反射光束经过安置在上部一个全反射镜反射后再投射回到同一块纳米光栅上。在反射光束的光路中，反射光束在光路中将穿过一块与全反射镜平行的1/4波片两次，当纳米光栅栅条方向的取向与1/4波片的一个主轴存在一个45度夹角时，反射光束的偏振振动面将有一个90度旋转，因此可以透过该纳米光栅。透射光束经过安置在下部的另一个全反射镜反射后再投射到同一块纳米光栅上。在透射光束的光路中，透射光束在光路中也将穿过一块与全反射镜平行的1/4波片两次。当该1/4波片与另一块1/4波片取向相同时，透射光束的偏振振动面也将有一个90度旋转，因此将被同一块纳米光栅反射。简言之，纳米光栅对于入射的非偏振光是一个偏振分波器，同时它对于投射到它正反表面的两反射光束也是偏振合波器。当纳米光栅栅条方向的取向与两块1/4波片的一个主轴存在一个45度夹角时。入射光与最终输出光将在同一个方向上，理论上没有损耗。在上述结构中当纳米光栅栅条方向的取向与两块1/4波片的一个主轴平行时，反射光束和透射光束的偏振振动面都不会旋转。当它们第二次投射到同一块纳米光栅上时，反射光束仍然将会被反射，透射光束仍然透射。因此最终输出光将在入射光的镜像对称方向上。当我们固定纳米光栅栅条方向的取向，平行旋转两块1/4波片的取向时；或者我们固定两块1/4波片的取向，平行旋转纳米光栅的取向时；一般而言经过上下全反射镜反射后的两反射光束中各有分别相对于纳米光栅栅条方向平行和垂直的两个偏振分量，这四个偏振分量经过纳米光栅单元合束处理后，分别形成两个方向的合束输出。简言之，通过改变纳米光栅相对于1/4波片的状态，纳米光栅两侧的两个输出光A、B就会在0-100％间连续变化，A+B＝100％，就可以控制纳米光栅两侧的两个输出光的分光比。
值得一提的是对于实际器件设计，同步旋转上下两块波片相对于旋转纳米光栅单元，对光路的影响要小一些，器件的可生产性和环境稳定性也要好一些。本发明的第二个实施例见图4。在图4所示中，两块1/4波片都省略掉了，这样可以解决由于波片和入射波长相关，不同波长条件下，在转动相同的旋转角时，两个输出端口的能量分配比因波长不同而不同的问题。此方案利用两个光栅单元，二者作相对旋转，输出端口的能量分配比只和相对角有关和波长无关，十分适合宽带的电调可变光功率分配器。其工作原理介绍如下，反射光束经过上部一个全反射镜(在本实施例中光束的换向器选为全反射镜)反射后再投射到第二块纳米光栅上。当两块纳米光栅栅条方向的取向相同时，反射光束的偏振振动面没有变化，因此仍然将会被该纳米光栅反射。与此类似，透射光束经过下部一个全反射镜反射后再投射到第二块纳米光栅上，并且两块纳米光栅栅条方向的取向相同时。它将仍然透过该纳米光栅。因此，在图4所示结构中，入射光从5-1进入，全部出射光将在5-2输出，理论上没有损耗。这里第一块1-1纳米光栅对于入射的非偏振光是偏振分波器，第二块纳米光栅1-2的作用则是偏振合波器。当两块纳米光栅栅条方向的取向存在一个90度夹角时，反射光束经过上部一个全反射镜反射后再投射到第二块纳米光栅上，反射光束的偏振振动面相对于第二块纳米光栅栅条方向的取向变化了90度，因此反射光将变成透射光。与此类似，透射光束经过下部一个全反射镜反射后再投射到第二块纳米光栅上时，因为透射光束的偏振振动面相对于第二块纳米光栅栅条方向的取向变化了90度，因此透射光将变成反射光。因此，在图4所示结构中，入射光从5-1进入，全部出射光将在5-3输出，理论上也没有损耗。在上述结构中，当我们将两块纳米光栅栅条方向的取向作相对平行旋转时，开始时被第一块纳米光栅分开的反射光和透射光，在分别换向后再投射到第二块纳米光栅时，又都被会被分裂成反射光和透射光，向上输出光(5-2端口)是两次反射光与两次透射光的合波，向下输出光(5-3端口)是第一次透射、第二次反射光与第一次反射、第二次透射光的合波。简言之，通过改变两块纳米光栅栅条方向的相对取向，就可以控制纳米光栅两侧的两个输出光的分光比。非偏振的入射光将在的同方向和镜像对称方向分束输出，在两个输出端口的光强都将周而复始，平滑变化。必须指出的是，无论两个输出光的分光比是多少，两个输出端口的光强之和在理论上将是初始入射光的100％，没有损耗。每个输出端口的两个偏振分量之比，也是与初始入射光两个偏振分量之比完全相同，没有变化。这是因为第二块纳米光栅对于从上下两个方向投射来的两个正交的偏振分量的分光比总是一样的。
在本实施例中两块纳米光栅的平面是平行的，它们也可以是不平行的；换向器可以是反射镜，或光波导，或棱镜。
权利要求
1.基于纳米光栅的可调谐光功率分配方法，其特征在于首先利用纳米光栅的基本功能将入射的非偏振光分开为透射和反射的两束偏振光；反射光束经过一个全反射镜反射后再投射到同一块纳米光栅上，反射光束在上述光路中两次透过一块与全反射镜平行的1/4波片，调整1/4波片的主轴与纳米光栅栅条的夹角使反射光束在该纳米光栅处透射和/或反射；透射光束经过一个全反射镜反射后再投射到同一块纳米光栅上，透射光束在上述光路中两次透过一块与全反射镜平行的1/4波片，调整1/4波片的主轴与纳米光栅栅条的夹角使透射光束在该纳米光栅处反射和/或透射；最后还是利用纳米光栅的基本功能将偏振光合束输出。
2.如权利要求1所述的可调谐光功率分配方法，其特征在于固定纳米光栅，同步旋转两块1/4波片。
3.基于纳米光栅的可调谐光功率分配方法，其特征在于首先利用一块纳米光栅的基本功能将入射的非偏振光分开为透射和反射的两束偏振光；透射光束和反射光束分别被换向后再投射到第二块纳米光栅上，利用第二块纳米光栅的基本功能将偏振光合束输出；旋转第一块纳米光栅和/或第二块纳米光栅，调整它们的相对位置改变合束输出光的分光比。
4.基于纳米光栅的可调谐光功率分配器，其特征在于它包括纳米光栅、1/4波片、全反射镜，纳米光栅的两侧分别依次放置有1/4波片和全反射镜，纳米光栅、1/4波片和全反射镜互相平行，纳米光栅的栅条与1/4波片的主轴之夹角，通过纳米光栅与1/4波片至少其中之一的平面转动而改变。
5.如权利要求4所述的可调谐光功率分配器，其特征在于纳米光栅两侧的1/4波片取向相同。
6.基于纳米光栅的可调谐光功率分配器，其特征在于它包括两块纳米光栅和两个换向器，两块纳米光栅的两侧构造两个光路，两个换向器分别放置在两个光路中，第一块纳米光栅将入射的非偏振光分开为透射和反射的两束偏振光；透射光束和反射光束分别被换向后再投射到第二块纳米光栅上，利用第二块纳米光栅的基本功能将偏振光合束输出；旋转第一块纳米光栅和/或第二块纳米光栅，调整它们的相对位置改变合束输出光的分光比。
7.如权利要求6所述的基于纳米光栅的可调谐光功率分配器，其特征在于所述的换向器为光波导或全反射镜或棱镜。
全文摘要
基于纳米光栅的可调光功率分配方法及其分配器，纳米光栅对于入射的非偏振光既是偏振分波器，同时也是其后两束偏振光的偏振合波器，在分波后与合波前，使反射光束和透射光束的偏振振动面发生旋转，从而使合束输出光的分光比得到改变。所用的器件少，结构非常简单，可以大大简化现有技术的可调谐光功率分配器的结构，降低成本，有利于可调光功率分配器的推广应用。
文档编号H04B10/12GK1737639SQ20051001939
公开日2006年2月22日 申请日期2005年9月5日 优先权日2005年9月5日
发明者刘 文, 曾云, 陈龙, 周力兵 申请人:武汉光迅科技有限责任公司