一种实现空间光色散的装置及方法与流程

本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种实现空间光色散的装置及方法。

背景技术：

空间光色散是通过光学仪器将不同波长的光发散到空间的不同位置，即实现了频率到空间的变换、映射，其对于空间光学的研究与应用有着重要作用。传统的空间光色散方案可以通过分立器件，如棱镜、光栅等来实现。

基于分立器件光栅的色散方案，利用衍射光栅的单光束衍射和多光束干涉来实现色散。光栅有很多种，反射光栅、透射光栅、平面光栅、凹面光栅等等。光栅现有的加工技术能在高精度光栅元件面上实现非常高的单位刻线数和刻划面积，而且可以在全光谱段上正常工作。不同色光入射到光栅上，衍射角不同，因此可以实现光束的色散效果。同样，对于光栅色散元件来说，也需要考虑如何消除光谱级次的重叠效应。光栅色散的分辨率主要受限于光栅的刻线数，而光栅常数和光谱级次影响其角色散率。这种光栅的方案的频率分辨率，受限于光栅的刻线密度，要实现较高的频率分辨率需要更大的尺寸，而且，色散空间排布比较局限，无法实现复杂的空间色散分布。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实现空间光色散的装置及方法，能够在确保较高频率分辨率的情况下实现复杂的空间色散分布。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种实现空间光色散的装置，该装置包括：

集成的片上分光器，用于将包括N个频率的光信号按不同的频率在芯片平 面上分离成N个不同光路的光信号，从输出波导口输出；

N个光天线发射器，每个光天线发射器与所述集成的片上分光器的每个输出波导口对应连接，用于将不同频率对应的光路的光信号输出到芯片平面外的空间不同位置上；N为不小于2的自然数。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种实现空间光色散的方法，该方法包括：

将包括N个频率的光信号按不同的频率在芯片平面上分离成N个不同光路的光信号；

将不同频率对应的光路的光信号输出到芯片平面外的空间不同位置上。

综上所述，本发明通过集成的片上分光器将不同频率的光信号分离到不同的输出波导口，再通过设置不同的光天线发射器的位置来实现不同的空间位置的光色散。现有技术中，依据分立器件光栅实现空间光色散，色散空间排布比较局限，而本发明中关键可以根据需要，任意设置各个光天线发射器的位置，来实现不同的空间位置的光色散。

附图说明

图1为本发明实现空间光色散的装置结构示意图。

图2为集成的片上分光器采用阵列波导光栅，光天线发射器采用光栅发射器实现空间光色散的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明方案作进一步地详细说明。

本发明通过集成的片上分光器将不同频率的光信号分离到不同的输出波导口，再通过设置不同的光天线发射器的位置来实现不同的空间位置的光色散。现有技术中，依据分立器件光栅实现空间光色散，色散空间排布比较局限，而本发明中关键可以根据需要，任意设置各个光天线发射器的位置， 来实现不同的空间位置的光色散。

图1为本发明实现空间光色散的装置结构示意图，该装置包括：集成的片上分光器101和N个光天线发射器102，其中，集成的片上分光器101和N个光天线发射器102都集成在芯片上。

集成的片上分光器101，用于将包括N个频率的光信号按不同的频率在芯片平面上分离成N个不同光路的光信号，从输出波导口输出；

N个光天线发射器102，每个光天线发射器与所述集成的片上分光器的每个输出波导口对应连接，用于将不同频率对应的光路的光信号输出到芯片平面外的空间不同位置上；N为不小于2的自然数。

其中，集成的片上分光器可以是阵列波导光栅，或者微环阵列等。其他能够实现多波长滤波的功能器件都在本发明的保护范围内。光天线发射器可以为光栅发射器，或者金/银纳米粒子光天线发射器等。

下面简单介绍一下阵列波导光栅，阵列波导光栅是一种角色散型光无源器件，它基于平面光波回路技术，在1988年由荷兰Delf大学的M.K.Smit提出，之后日本的NTT公司正式将它命名为阵列波导光栅。阵列波导光栅由输入波导、输出波导、阵列波导和两个平板波导(自由传播区域)组成，并集成在同一衬底上。阵列波导光栅由于自身的多功能性能、低的制作成本、与半导体光器件的集成等优点，使之成为光纤通信和未来光子网络中的重要元件。阵列波导光栅的工作原理是，当多波长/宽频带的光信号被耦合到阵列波导光栅的输入波导时，在罗兰圆上，多波长/宽频带的光信号将聚焦在平板波导内并产生衍射的高斯束，衍射的高斯束投射到阵列波导的输入口。在阵列波导内，由于任何相邻阵列波导都有相等的长度差ΔL，这种结构将使阵列波导中传输的多波长/宽频带光信号产生与波长相关的不同相位差(相位延迟)，相应于ΔL的相位偏移将强加在每个波导中传输的光信号上，使每个给定波长的信号以不同的波前倾斜聚焦在输出平板波导的焦线上。如果通过设计正好把输出波导的端口定位在输出平板波导焦线上，则不同波前倾斜的光信号便耦合到输出波导的不同信道中，从而实现了对不同波长/频谱分量在 空间上分离的功能。

图2为集成的片上分光器采用阵列波导光栅，光天线发射器采用光栅发射器实现空间光色散的示意图。需要注意的是，阵列波导光栅主要用于将不同频率的光信号在芯片平面上分离，从图2可以看出，不同频率的光信号从各个输出波导口输出时，仍然在同一芯片平面内，呈线性排布。因此，本发明将每个阵列波导光栅的输出波导口对应连接一个光天线发射器如光栅发射器，通过设置各个光天线发射器的位置，把各个频率的光信号发射到芯片平面外的任意位置上。该实施例中，假设包括5个不同频率的光信号，经过本发明的阵列波导光栅，在芯片平面上分离成5个不同光路的光信号，然后每个光栅发射器向芯片上方发射对应频率的光信号，在芯片上方的探测平面上形成五边形形状的空间光色散。

本发明实施例实现空间光色散的装置的分辨率由阵列波导光栅的分辨率决定，主要决定于阵列波导光栅的出射端的端口间隔、衍射级次和平板波段焦距。同理，如果实现空间光色散的装置中集成的片上分光器采用微环阵列，则实现空间光色散的装置的分辨率由微环的分辨率决定。

不同频率光信号的空间排布由光天线发射器的排布决定，并且不同频率光信号的出射角度由光天线发射器的周期、占空比、刻蚀深度等因素决定。这里，由于光天线发射器具有一定的发散角，因此在一定的出射高度，相邻的光天线发射器发射的光信号会相交混叠，这个探测的出射高度由光天线发射器的发散角和相邻两个光天线发射器的间隔决定。所以实际探测中需要引入微透镜阵列对输出光信号进行准直后探测，微透镜阵列要在光天线发射器发射的光信号有交叠之前进行准直，所以，光天线发射器的发散角和相邻两个光天线发射器的间隔决定了微透镜阵列的高度，通过在芯片上方设置微透镜阵列可以实现较平稳的不同频率的光信号的空间分布输出。

所以，优选地，实现空间光色散的装置进一步包括：微透镜阵列103，设置于从光天线发射器输出的光信号的接收方向上，用于对每路输出光信号进行准直。

基于上述实现空间光色散的装置，本发明提出一种实现空间光色散的方法，该方法包括：

步骤31、将包括N个频率的光信号按不同的频率在芯片平面上分离成N个不同光路的光信号；

步骤32、将不同频率对应的光路的光信号输出到芯片平面外的空间不同位置上。

优选地，该方法进一步包括：对每路输出光信号进行准直。

本发明提供的技术方案，会带来如下好处：

一、与现有技术的分立器件光栅相比，在相同频率分辨率的情况下，装置尺寸可以更小。

二、由于光天线发射器的位置可以任意排布，所以实现空间光色散的空间排布就更灵活，可以实现任意复杂的空间色散分布。

三、微透镜阵列的设置，可以实现较平稳的不同频率的光信号的空间分布输出。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。