专利名称：衍射光栅的光纤光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种衍射光栅的光纤光开关，特别是涉及一种基于塔尔波特位相编码位相板的光纤光开关。
背景技术：
随着科学技术的发展，人们对通信容量有不断增长的巨大市场需求。光纤通信以其高速、大容量、保密性好、低成本等优点，超越了传统的电缆通信，是二十一世纪通信技术发展的方向。光通信产业的迅速发展对光无源器件的需求急速增加。而光开关在光通信中有着非常广泛的应用。
光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口、可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。端口即指连接于光器件中允许光输入或输出的光纤或光纤连接器。光开关可用于光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量或仪器以及光纤传感系统，起开关切换作用。
机械式光开关的优点是插入损耗较低、隔离度高以及不受偏振和波长的影响等。但它们的不足之处是开关时间较长，有些还存在回跳抖动和重复性较差的问题。非机械式光开关相对于机械式光开关具有较高的开关速率，但它们的插入损耗大，隔离度低。在先技术[1](Architectural Design for Multistage 2-D MEMS Optical Switches，Gangxiang Shen，Tee Hiang etc.，Journal of Lightwave Technology，Volume 20，Issue 2，178 February 2002)中提出了用微机械加工技术(MEMS)制造光开关的技术，克服传统光开关的缺点。问题是通过MEMS技术来制造的光开关目前正在研制之中，而且系统性能不稳定，成本太高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种容易制造、性能可靠、有实用价值的衍射光栅的光纤光开关，其核心部分是基于衍射光学的位相板。该光开关能够实现大输出端口数目的1×N光开关，该光开关具有插入损耗低、隔离度高、性能稳定、体积小和重量轻的优点，非常适合作光通信开关使用。
本发明的技术解决方案如下一种衍射光栅的光纤光开关，其特征在于沿光的传输方向依次包括输入光纤、输入耦合透镜、一对透光的正位相板和负位相板组成的互补位相板、输出耦合透镜和输出光纤组，所述的负位相板与移动器相连，一编程控制装置操控该移动器推动该负位相板的中心轴线相对于正位相板的中心轴线平行移动，所述的输出光纤组的端面在同一直线上，各光纤的轴线平行且垂直于互补位相板的端面。
所述的互补位相板的正位相板是一块表面带有周期重复的、正二次位相函数分布的S≥1个正栅线，所述的负位相板是相对于正位相板的正栅线的表面上带有相同周期重复的、负二次位相函数分布的S≥1个负栅线，正位相板与负位相板平行并列置放且可平行移动。
所述的互补位相板可以是正负菲涅耳波带片编码的位相片、或透镜编码的位相片、或互补的塔尔波特位相编码的位相片。
所述的正位相板和负位相板也可以是一对互补的塔尔波特位相编码的位相片，每一条栅线相当于一个周期d，每周期内的分割数M由下式决定偶数M时，位相分布函数为 奇数M时，位相分布函数为 其中二次位相分布的特征函数r由下式决定p×r＝kr×M+1，(3)式中p，r和M为大于等于1的正整数，kr为大于或等于零的整数。
该光开关能够实现大输出端口数目的1×N光开关，该光开关具有插入损耗低、隔离度高、性能稳定、体积小和重量轻的优点，非常适合作光通信开关使用。
图1本发明的位相板在光开关中使用的示意图。图中的位相板4(包括401，402)只画了三个周期，实际上可重复多个周期。
图2一维位相板401和402分布示意图，d为其分布的周期，一个周期被均匀分割成M等分，每个等分的位相函数(k)由公式(1-3)决定，所以最小位相宽度为d/M。如图所示为模拟M＝8时位相板的剖面图，{(k)}＝{9π/8，4π/8，π/8，0，π/8，4π/8，9π/8，0}；图中的位相板4(包括401，402)只画了两个周期，实际上可有重复多个周期。
图3本发明的位相板4进行光开关的动态描述示意图。
图4纵坐标为插入损耗IL，横坐标为位相板402的移动量Δ。图示曲线为M＝8时，插入损耗IL随移动量Δ的增加而增加的关系曲线图。
图5纵坐标为插入损耗IL，横坐标为位相板4的每周期内的分隔数M。图示曲线为位移板402移动量Δ＝1固定时，插入损耗IL随M的增加而减少的关系曲线图具体实施方式
先请参阅图1，本发明的衍射光栅的光纤光开关，其构成是沿光的传输方向依次包括1是单色光源(中心波长为1550nm)，2为输入光纤，3是输入耦合透镜，4是本发明的一对互补位相板，它由二次位相函数分布的正位相板401和负位相板402组成，401和402之间的移动将导致光束的偏转，5是移动器，6是编程控制装置，7是输出耦合透镜，8是输出光纤组。所述的负位相板402与移动器5相连，一编程控制装置6操控该移动器5推动该负位相板402的中心轴线相对于正位相板401的中心轴线平行移动，所述的输出光纤组8的端面在同一直线上，各光纤的轴线平行且垂直于互补位相板4的端面。
很显然，移动器5也可与正位相板401相连，在编程控制装置6操控下移动器5推动正位相板401移动，实现光束的偏转。
所述的一对互补编码的位相板，例如正负菲涅耳波带片(或透镜)编码的位相片，也可以是一对互补的塔尔波特位相编码的位相板。有关正负菲涅耳透镜编码的微光学扫描器的工作可参见在先技术[2]M.E.Motamedi，A.P.Andrews，W.J.Gunning，M.Khoshnevisan，Miniaturizedmicro-optical scanners，Opt.Eng.，1994，33(11)3616-3623。有关塔尔波特编码的微光学扫描器可参见在先技术[3]用于光束扫描器的位相板，周常河，刘立人，席鹏，申请号01113052.0。由于塔尔波特位相编码的优点，本发明重点说明其在光纤光开关中的应用。这是一种新型的二次位相编码的结构，会显著提高光开关的性能，降低成本，有很好的实用价值。我们的方案可以实现大N数目的开关，克服了由多个1×2开关通过级联方式构成1×N光开关的损耗较大的缺点。
本发明的位相板在光开关中使用过程的描述如图1所示。本发明的位相板4是由一对透光的正负位相板401和402构成。所说的正位相板401是板的一个表面带有周期重复的、相位二次位相函数分布的s≥1个正栅线4011，所说的负位相板402是相对正位相板401带有正栅线4011表面上带有周期重复的、负二次位相函数分布的s≥1个负栅线4021。正位相板401上的正栅线4011对这负位相板402的负栅线4021的一面。正位相板401与负位相板402平行并列置放，两者之间有一间距Du，这一间距是非常小的。例如Du≥0.5微米左右，只要这两个板401和402可相互移动即可。负位相板402的中心轴线O2O2相对于正位相板401的中心轴线O1O1是可以平行移动的，即负位相板402(也可以是正位相板401)上带有编程控制移动装置6控制的移动器5。所说的每一条正或负的栅线4011，4021相当于一个周期d，每个周期内分割成M等分，一个周期内含有L个位相台阶数，每个位相台阶的宽度均相等。因此相邻两个位相台阶厚度差表示为hk-hk-1=r(2k+1)Mλ(n-1),]]>式中λ为入射于位相板上光波的波长，n为位相板基底的折射率，hk为第k个位相台阶的高度，r为大于等于1的正整数，M是二次位相函数的特征参数。
本发明的核心在于正负位相板401，402是塔尔波特位相编码的结构，它是一种新型的二次位相编码的结构，用于正位相板401和负位相板402的编码，可以显著增加光开关的输出端口数目，提高隔离度，降低插入损耗，提高光开关的性能。下面详细介绍塔尔波特位相编码结构、它的特性分布以及用于光开关的优点。
所说的正位相板401和负位相板402上的正栅线4011和负栅线4021中每一条栅线相当于一个周期。每周期内的分割数M可由前面塔尔波特阵列照明的位相编码的公式(1)-(3)计算得到。对于任意一个M和一个小于M的正整数p，由上面(1)-(3)式可求得塔尔波特阵列照明的位相分布。P和M没有公因子是式(3)有解的充分必要条件。由(3)知道，p和r具有互换性。p＝1，r＝1，kr＝0总是式(3)的一组解，这组解也是我们最常考虑的情况。由于塔尔博特阵列照明位相是参数k的二次函数，所以使用一对正负塔尔博特阵列照明位相板401和402，就可以实现光束的偏转。正负位相板401、402的位相分布分别为(k)和-(k)。
如上所述的位相板4是由一对互补位相分布的位相板401和402组成，它们的周期均为d，每个周期被均分割为M等分，如图2所示。这M等分的位相分布由(1-3)式给出。位相板4的周期d决定了光束偏转的角度，即决定了出射光束耦合进光纤的位置。
如图2所示，正位相板401每周期起始处第一个(k＝1)台阶4011的厚度为h11，宽度为d11，第二个台阶的厚度h12，宽度为d12，第k个台阶的厚度h1k，宽度为d1k，分割第M个台阶的厚度h1M，宽度为d1M，所有这些台阶的宽度均相等，即d11＝d12＝d1k＝d1M＝d/M，在一个周期内每一个台阶的厚度都和相邻台阶的厚度不一样，但在一个周期内是对称性的分布的。厚度的变化对应着位相的变化。相邻台阶的厚度变化可以用邻域位相差分来表示，位相板4的邻域位相差分定义为Δ(k)＝(k+1)-(k)，k＝1，2，...，M-1(4)当M为偶数时，邻域位相差分为 当M为奇数时，邻域位相差分为 即对于正位相板401来说，根据上述相邻两个台阶厚度差的表达式可得第二个台阶4011的厚度h1(k+1)减去第一个台阶的厚度h1k为(M为偶数时)h1(k+1)-h1k=(r×(2k+1)M)λ/(n-1),---(7)]]>其中λ为入射光波的波长，n为位相板基底的折射率。
负位相板402上的每个台阶4021的宽度也都相等，并且与正位相板401上的台阶4011的宽度相等，每个台阶厚度对应的位相变化量正好与上述正位相板的互补。综合一个周期内的位相变化量来看，对应于偶数和奇数M，邻域差分Δ(k)是非常有规律的。
从实际制造光栅的角度来看，位相台阶数L是非常重要的一个参数。位相台阶数L是指位相板上所有不相等位相的总数之和。位相台阶数L越多，就越难制造，成本就会上升。本发明中的位相板每个周期内的M个分割数并不等同于位相台阶数L，总的趋势说来，分割数M越大，所对应的位相台阶数L就越多，但它们之间并不是线性增加关系，任意M对应的位相可由公式(1)-(3)求出，由位相可得出位相台阶数L。
但从计算公式(1-3)求出位相台阶数毕竟太麻烦，使用上也不方便。利用位相分布的对称性和邻域位相差分分析，就可以给出一个简单的素数分解规则，求出位相板的位相台阶数。例如，对于周期内分割数M＝4t，这里t为一个素数，因此，其位相台阶数为L＝3(t+1)/2。利用规则完全可以非常方便地计算出位相台阶数L，从而可以判断制造难度及成本，对实际制造光栅有重要的指导意义。
上述结构的位相板4实现光开关的过程，如图3所示单色光(1550nm波段)从光源中出射，经过输入透镜3准直后由于这一对正负位相板401、402的位相分布互补(O1O1为401的中心轴线，O2O2为402的中心轴线)，因此，无位移时，即原始状态，负位相板402的负栅线4021的中心轴线O2O2与正位相板401的正栅线4011的中心轴线O1O1相重合，其位相差为零，光束可以直接通过，形成图3所示的零级光束，输出光全部耦合到位于中心的输出光纤。当位移器5推动负位相板402相对正位相板401的正栅线的中心轴线O1O1移动d/M时， 这对应的是一个线性位相因子。因此，光束通过时就发生了偏转，耦合进另一个输出光纤(设位于中心的光纤为标号零级的话，这根紧邻的光纤则标号为+1或者-1)。偏转的角度θ1为(r＝1)θ1=λd-----(9)]]>当位相板再移动d/M，光束偏转的角度就增大。于是输出光束就再耦合进另一根光纤(+2级或者-2级)。
如果偏移量为Δ，对于偶数M，则其中正位相板401的位相函数相对负位相板402为 与负位相板402的位相函数的差分为 上式为Δ的一次函数，即对应的是线性位相项。如果两个正负位相板401，402之间无位移，Δ＝0，上式(11)也为零，对应的是无位相变化，因此光束可直接无偏折通过，耦合进位于中心的光纤。如果两个正负位相板间有位移，Δ≠0，上式(11)线性位相项的斜率就是Δ的函数，Δ越大，光束偏转就越大，于是耦合进更高级次的光纤。对于奇数M有完全类似的结果。这就是本发明的位相板可以用作光开关的原理。
如图3所示，输出端口的数目显然与光的最大偏转角度范围有关。而最大偏转角度范围θM=λdM,------(12)]]>
位相板4的周期d越小，光束可偏转的角度就越大；周期内分割数M越大，意味着开关可实现的输出端口数越多。这里就涉及到制造难度的问题。这样的一对位相板4可以由二元光学技术来制造。d/M是要求二元光学技术所制造的线宽，在整个位相板之内它们是相等的，如图2所示，其值越小，越难制造。制造位相板的另一个难度取决于其位相台阶数L。位相台阶数越多，就越难制造，反之就越容易制造。
衡量光开关的主要因素有插入损耗、隔离度等。对应于正负位相板401与402之间相对位移量Δ，光开关的插入损耗为IL=-10logPoutPin=-10logη=-10log(sincΔM)2(dB)--(13)]]>其中η=(sincΔM)2]]>为衍射效率，Pin和Pout分别指进入输入端的光功率和输出端接收的光功率。
而N由Δ和M决定。由于沿光轴的正副级次都可以发生光束偏转，所以，可实现的总端口数目为N＝2Δ+1， (14)Δ＝0时，则插入损耗的理论值为0；Δ＝1时，插入损耗就会增加；Δ越大，损耗增加得越多。周期内分割数M＝8时，插入损耗随移动量Δ增加而增加的关系如图4所示。每步移动量Δ固定时，插入损耗取决于M:M越大，插入损耗越小，M越小，则损耗越大。移动量Δ＝1时，插入损耗随M增加而减少的曲线示于图5。因此，增加所需的输出端口数N，就需要增加相应的M，它们之间的关系示于表1中。
在确定允许的插入损耗的情况下，根据所需的输出端口数N可定出Δ，由表1可知道所需的位相板的周期内分隔数M。表2给出了在插入损耗IL＝0.92dB时，输出端口数目N，位相板4的周期分隔数M和位相台阶数L之间的关系。由此，可以先判断出制造上的难度及成本，并最终做出所需的位相板。
值得指出的是，制造本发明的多台阶正负位相板401和402是和微电子工艺技术兼容的技术。根据上面所说的步骤，由输出端口数N，偏转角度θ和插入损耗IL就可设计出所要求的位相板的模板，利用电子束制版或精缩制版技术可制造出这样的二值振幅型的模板，通过微电子曝光光刻工艺技术，可以将模板上的振幅图案转移到光刻胶上，光刻胶通过匀胶工艺均匀涂布在基片(如透明玻璃)上，通过反应离子刻蚀技术、湿化学腐蚀技术、真空或化学镀膜技术，可以将光刻胶上的图案转移到基片上，洗去光刻胶，就形成了二元光学位相片。重复这一步骤，通过模板对准技术，就可以制造出如图2所示的多台阶正负位相板401和402。微电子工艺技术是可以大批量、低成本生产的，所以，本发明的多台阶位相板是较容易制造的。
本发明的位相板如上所述，采用二元光学技术，容易制造，性能稳定可靠。主要用于光开关上，而本发明光开关的优点是结构简单，体积小，重量轻，尺寸小，每周期的长度可以设计仅为十几微米，位相板尺寸可以仅为数毫米平方量级，功耗小，位移量也要求很小(微米级左右)，然而较小的位移就可以导致实现较大数目的端口输出，例如可以获得1×8的光开关(即8个输出端口)。具有大批量、低成本复制的优越性。
下面举出一个具体的实施例再作说明。
1是单色光源(中心波长为1550nm)，2为输入光纤，3是输入耦合透镜，4是一对互补位相板，5是移动器，6是编程控制装置，7是输出耦合透镜组，8是输出光纤组。位移移动器5可以是机械式、电子控制式位移器，其要求是可以产生线性等步距的移动，其步距大小可以设计成精确等于位相板上最小位相调制的宽度。例如，位相板4上最小位相调制宽度为5μm，则移动器5的移动步长就为5μm。本发明的位相板4是该光开关的核心部件，所以重点说明位相板4。
对于周期内分割数M＝9，塔尔波特位相分布为0，2π/9，2π/3，4π/3，2π/9，4π/3，2π/3，2π/9，0如果位相板4的周期d＝90μm，正负栅线数S＝20条，光源1的波长λ＝1550nm，则当光源1发射的单色光束Gr入射到位相板4上，透过位相板4。输出光纤组放置在距离位相板50mm处，端面在同一直线上。各光纤的轴线平行且垂直于位相板端面。当负位相板402的负栅线中心轴线O2O2相对正位相板401的中心轴线O1O1之间每移动10μm，光束Gp就偏转λ/d＝1.0°，即移动0.87mm，正好为两光纤的间距距离。光束共可偏转7.0mm。d越小，光束Gp可耦合进的光纤的最高级数越多；M越大，各光纤之间的间隔可以越小。用二元光学技术能制造出的位相台阶数L越多，该光开关的效果就越好。对于M为其它数情况下的分布，可参考表1，2，以及公式(1-3)，就可以分析出该光开关的各参数。随着二元光学技术的进展，本发明的优越性就越明显，尤其是实现大数目的输出端口，因此有相当好的应用前景。
表1 位相板4周期内分割数M与插入损耗IL、输出端口数N＝2Δ+1之间的关系。
表2 在插入损耗IL＝0.92(dB)时，输出端口数N、位相板4周期内分隔数M和位相台阶数L之间的关系
权利要求
1.一种衍射光栅的光纤光开关，其特征在于沿光的传输方向依次包括输入光纤(2)、输入耦合透镜(3)、一对透光的正位相板(401)和负位相板(402)组成的互补位相板(4)、输出耦合透镜(7)和输出光纤组(8)，所述的负位相板(402)与移动器(5)相连，一编程控制装置(6)操控该移动器(5)推动该负位相板(402)，使其中心轴线相对于正位相板(401)的中心轴线平行移动，所述的输出光纤组(8)的端面在同一直线上，各光纤的轴线平行且垂直于互补位相板(4)的端面。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅的光纤光开关，其特征在于所述的互补位相板(4)的正位相板(401)是一块表面带有周期重复的、正二次位相函数分布的S≥1个正栅线(4011)，所述的负位相板(402)是相对于正位相板(401)的正栅线(4011)的表面上带有相同周期重复的、负二次位相函数分布的S≥1个负栅线(4021)，正位相板(401)与负位相板(402)平行并列置放且可平行移动。
3.根据权利要求1所述的衍射光栅的光纤光开关，其特征在于所述的互补位相板(4)可以是正负菲涅耳波带片编码的位相片、或透镜编码的位相片、或互补的塔尔波特位相编码的位相片。
4.根据权利要求1所述的衍射光栅的光纤光开关，其特征在于所述的正位相板(401)和负位相板(402)是一对塔尔波特位相编码的位相板，每一条栅线相当于一个周期d，每周期内的分割数M由下式决定偶数M时，位相分布函数为 奇数M时，位相分布函数为 其中二次位相分布的特征函数r由下式决定p×r＝kr×M+1， (3)式中p，r和M为大于等于1的正整数，kr为大于或等于零的整数。
全文摘要
一种衍射光栅的光纤光开关，特别是一种基于塔尔波特位相编码位相板的光纤光开关，包括一对互补的塔尔波特位相编码结构透光的正位相板和负位相板、输入和输出耦合透镜、输入光纤、输出光纤组、编程控制位移器等。正负位相板平行并列置放，两者之间有间距，相对它们的中心轴线可以相对平行移动，表面上分别带有周期重复的正负二次位相函数分布的s≥1条正负栅线。通过正负位相板之间的相对移动，可使光束发生偏转，从而耦合进不同级次的输出光纤。本发明光开关能够实现大输出端口数目的1×N光开关，该光开关具有插入损耗低、隔离度高、性能稳定、体积小和重量轻的优点，非常适合作光通信开关使用。
文档编号G02B6/26GK1527078SQ0315108
公开日2004年9月8日 申请日期2003年9月19日 优先权日2003年9月19日
发明者周常河, 赵欣 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所