级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法及其系统

摘要

级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法及其系统，属于光通信技术领域。特征为：把全息记录介质分成不同的空间子区域，每个子区域记录一个至四个体全息光栅，所有的体光栅的光栅矢量方向均与端面成45度角，而光栅矢量的大小各不相同。同时短波长记录光栅时，是在介质的顶面和侧面(垂直于输入和输出端面)进行，即写入光束所在的平面与输入－输出光束组成的平面互相垂直。保证了输入通道与输出通道夹角为90度，所有波长的输出通道均相互平行，可提供最高的衍射效率。采用二维耦合波理论对光栅的衍射效率和波长选择性进行优化；通过掩膜或不均匀擦除，抑制了输出通道之间的串扰；并经热固定或光固定，消除体光栅的易失性，延长光栅的使用寿命。

说明书

技术领域

级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法及其系统属于光通信技术和光纤传感领域。

背景技术

目前波分复用器件(WDM)在光通信系统和光纤传感系统中对于增强系统传输容量和应用灵活性正起着越来越重要的作用。已有的几种WDM器件包括马赫-泽德干涉仪、阵列波导光栅(AWG)、平面光谱仪、方向耦合器等；对于预计的器件应用来说，例如光纤到户应用，大的通道数目、低的插入损耗以及与光纤连接耦合、激光光源和探测器的兼容性都是WDM器件的优越特征；此外，波长选择性和分光作用也是所期望的两种功能特性。

布喇格光栅器件具有高的衍射效率、高的波长选择性和高的角度选择性，最近几年受到相当多的研究关注，例如在如下的参考文献[1]-[4]中所描述的器件：[1]Piepaolo Boffi，Maria Chiara Ubaldi Piccinin，Claudio Frascolla，and   Mario Martinelli，“1550-nm Volume Holography for Optical   Communication Devices”，IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.12，   No.10，pp.1355，2000[2]Xiaoli Fu，Martin Fay，and J.M.Xu，“1×8 Supergrating   wavelength-division demultiplexer in a silica planar waveguide”，   Optics Letters，Vol.22，No.21，pp.1627，1997[3]Revital Shechter，Yaakov Amital，and Asher A.Friesem，“Compact   wavelength division multiplexers and demultiplexers”，Applied Optics，   Vol.41，No.7，pp.1256，2002[4]美国专利U.S.Pat.No.5,970,190.

这些器件将不同波长通道所对应的光栅复用记录在介质的同一区域，通常采用邻面入射光路(即90°光路)或透射型记录几何，图1给出了一个典型的器件例子，1是包含波长λ₁和λ₂的读出光束，2是体全息记录介质，3是对应波长λ₁的衍射光，4是对应波长λ₂的衍射光，5和6是两个记录在介质中的重叠在一起的体光栅，各自的光栅矢量分别为K₁和K₂。其主要原理是：对于给定的体光栅，只有输入光的角度θ_i和波长λ_i(i＝1，2)之间的关系满足布拉格条件2Λ_isinθ_i＝λ_i(其中Λ_i是对应波长λ₁的光栅条纹面之间的间距，θ_i是入射光与光栅条纹面之间的夹角)，才会产生有效的衍射即输出光。

这些器件的主要缺点是：1)由于不同波长通道所对应的光栅复用记录在介质的同一区域，当体光栅作为波长复用(或解复用)器件使用时，通常要求输出光(或输入光)沿着同一方向传播，故不同的波长对应的光栅条纹面必须有不同取向。其结果，不同波长通道的输入光(或输出光)必须沿不同的角度方向传播，为光纤输入和输出耦合带来巨大的困难；2)在现有的记录材料和技术条件下，由于体全息光栅的记录波长(即介质的敏感波长)与红外通信波段相差非常大，如果记录与使用均采用90°光路，布喇格条件不可能满足，因此不得不采用非常复杂的记录装置；3)对于高密度、大数目WDM应用，在同一体积介质中叠加的光栅数目M受到记录介质有限的折射率动态范围和信噪比的限制，并必然导致每个通道的衍射效率η严重下降(η∝1/M²)，即严重的插入损耗；4)旁瓣较高，当波长偏离峰值波长时，衍射效率随波长的变化基本上是sinc²函数形式，与光源光谱的有限带宽不兼容，在不同通道间产生串扰；5)在光折变晶体中记录的体光栅在反复读出过程中极容易被擦除而丢失，同时也会随时间逐渐衰退，产生不可接受的插入损耗。

发明内容

本发明的目的在于克服前述缺陷，提出一种制作结构简单易于实现、衍射效率高、具有高度波长选择性和优良光谱响应的、级联式体全息光栅密集波分复用器件的方法及其专用系统。

本发明的级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法，包括有具有波长滤波功能的衍射光学元件本质上是光学方法制作的体积全息图，即：使两束相干的平面光波在全息记录介质的内部相交，形成明暗交替的干涉条纹平面；记录介质对光照的强度敏感，产生与光强度成比例的折射率变化，从而形成位相型体光栅，本发明的其特征在于：1、把体全息记录介质分成不同的空间子区域，每个空间子区域记录一个至四个体全息光栅，所有的体全息光栅的光栅矢量方向均与端面成45度角，而光栅矢量的大小各不相同。2、用短波长记录体全息光栅时是在介质的顶面和侧面(垂直于输入和输出端面)进行，即写入光束所在的平面与输入-输出光束组成的平面互相垂直。因而不需要增加复杂的折射率匹配机构。这样，当包含有多个波长的光束沿端面垂直入射传播时，每个光栅只对其在设计记录时对应的波长满足布喇格条件，几乎完全衍射该波长，而让其它波长透过。3、采用二维耦合波理论对体全息光栅的衍射效率和波长选择性进行优化。4、采用在体全息记录介质表面放置开有孔的掩膜，使光只对孔限定的区域曝光，完成记录形成的光栅；为了使体光栅在使用的波长通道带宽内有近似均匀的响应，抑制通道以外的旁瓣，可以使光栅的折射率调制度成为空间位置的函数。实现方法为：光栅记录完成后，在记录介质11的前面放置空间光调制器24，按通常遮光率的概念、但使其按sinc²函数变化，然后用均匀紫外光照射进行擦除。经这种非均匀擦除后，得到空间调制度为sinc²函数分布的光栅。5、为消除体光栅的易失性，延长光栅的使用寿命，最后对体全息光栅进行热固定，或采用双色记录的方法在记录的同时实现光固定。

级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法特征还在于：1、所述的体全息光栅的记录方法为，将激光器7发出的波长为λ_W的光经过扩束准直器8形成宽平行光束，并经分束-合束器系统9分成光强比近似为1∶1的两束，并引导到立方体状的体全息记录介质11所在的位置，使二者在介质内相交，并且其夹角为一指定的大小2α_W1，曝光一段时间以后，光栅即已形成，记录完一个光栅后，再将体全息记录介质11移动到相邻的下一个记录位置，并通过分束-合束器系统9同时对称地改变两记录光束的方向，使其夹角改变为2α_W2，记录下一个光栅.....，如此循环往复，直至所有的N个光栅记录完成后将其固定，形成N个通道的波分复用器件。

本发明中是用带有矩形孔径的掩膜遮盖体全息记录介质11的表面，使两束光只对矩孔限定的晶体区域曝光，并使相邻的体光栅紧密相连而又互不重叠。2、由于记录时，两记录光束的传播方向与体全息记录介质11某一个表面(例如顶面L×W)的法线处在同一个平面之内，使光栅矢量方向与端面(H×W)成45度角，于是在顶面记录了N个全息光栅并且固定以后，可以将体全息记录介质11绕顶面法线方向旋转90°，再记录N个光栅，形成2N个通道的波分复用器件；依次类推在一个表面记录了2N个全息图并且固定以后，可以在另一个表面(例如侧面H×L)再以同样方式记录2N个全息图，形成4N个通道的波分复用器件。由于在同一体积中最多只复用存储4个全息图，并采用了固定技术，每个通道仍可获得很高的衍射效率。3、制作成的级联式体光栅用作波分复用的合波器件(即复用器件)时，是将使用波长为λ_i的输入光沿垂直于体全息记录介质11顶面、底面或侧面的方向耦合至某一个通道i，不同波长的光均从末端面D汇合，成为合波输出。

制作成的级联式体光栅用作波分复用的分波器件(即解复用器件)时，将含有多个使用波长λ₁，λ₂，....，λ_i...的输入光沿垂直于端面C方向输入，其中波长为λ_i的光将通过第i个通道由相应的输出面输出，输入信号光束与输出光束之间成90度角。通道数较少的器件也可用作光波分复用的上路器和下路器。图5是N个通道的级联式体光栅用作波分复用的解复用器件的示意图。4、在记录不同的使用波长λi所对应的通道i时，所采用的记录夹角2α_Wi由下式确定： $>>>\alpha >Wi>>=>>sin>>->1>>>>(>>>>n>i>>>\lambda >W>>>\sqrt{>2>>>\lambda >i>>>>)>>->->->->>(>1>)>>>s>其中\lambda }$_W是记录波长，n_i是记录材料在λ_i的折射率。n_i是记录材料在λ_i的折射率，当用光折变铌酸锂晶体作为记录材料时，n_i与n_i与λ_i的关系为： $>>>>n>i>>2>>=>4.913>+>>>0.1173>+>1.65>\times >>10>>->8>>>\times >>T>2>>>>>>\lambda >i>>2>>->>>(>0.212>+>2.7>\times >>10>>->8>>>\times >>T>2>>)>>2>>>>->2.78>\times >0.01>\times >>>\lambda >i>>2>>->->->->>(>2>)>>>s>式中T是绝对温度。5、由于此类器件涉及的光栅存在于三维介质的有限体积中，其衍射性能若用传统的Kogelnik理论，即在H.Kogelnik，“Coupled wave theoryfor thick hologram gratings”，The Bell Syst.Tech.J.，Vol.48，2909-2947，1969文献中记载的来描述将有较大误差。本发明在二维耦合波理论即在L.Solymar and D.J.Cooke，“Volume Holography and VolumeGratings”，Academic Press，London，1981、文献中记载的理论的基础上发展了一种有效的算法，其基本点是采用有限差分法直接积分求解二元的耦合偏微分方程，从而对光栅的衍射效率、波长选择性和响应特性进行优化。6、如采用两个平面波记录全息光栅，得到的光栅具有空间均匀的调制度。这种光栅的光谱响应为sinc2函数型，即当波长偏离中心波长，在衍射效率随波长下降的过程中还会出现若干旁瓣，致使不同的通道间出现不可容忍的串扰。但是根据二维耦合波理论数值计算的结果，如果光栅调制度随空间也按一定规律变化，例如以sinc2函数规律变化，旁瓣就可以有效地得到抑制。通过在记录体光栅时，在光路上加入特别设计的掩膜；或者在记录光栅完成后和固定以前，在光栅表面放置掩膜进行非均匀擦除等方法，使光栅的调制度随空间按一定规律变化，可以有效地抑制旁瓣，改善光栅的波长响应特性，抑制输出通道之间的串扰。7、本发明中全息体光栅的固定方法可以是热固定，也可以是光固定；全息光栅的热固定方法可以是一次性热固定也可以是分批热固定，可以是整体热固定也可以是局域热固定。$

本发明技术方案中的级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法的专用系统，特征在于：它包括有光学装置、对光栅进行非均匀光擦除的装置及与体全息记录介质11相连的光传输部分；其中光学装置包括发出的波长为λ_W光的激光器7，λ_W光经过形成宽平行光束的扩束准直器8，分成光强比近似为1∶1的两束光并可精密调整两光束夹角的分束-合束器系统9，支承体全息记录介质11、并且其平移方向与工作台面成45°角的线性平移台17，线性平移台17垂直固定在其上的光学隔振工作台10；对光栅进行非均匀光擦除的装置，包括与计算机27相连接的电缆26，通过电缆26与计算机27相连接的光调制器24，光调制器24放置在紧靠全息记录介质11的前面；与体全息记录介质11相连的光传输部分包括，通过N个波长(λ₁，λ₂，....，λ_n)的信号光束18、并与输入光纤耦合元件20相连的输入光纤19，与N个波长对应的、与N个输出光纤耦合元件21相连的、N个输出光纤22，垂直于体全息记录介质11的端面C方向设置为：一个输出光纤对应一个输出通道，并且按照输入信号光束与输出光束之间成90度角的规则设置在体全息记录介质11的一个端面上。

本发明提出的分束-合束光学系统结构，只需使用一个精密控制的线性平移台便可同时实现对两束记录光的角度控制。参见图4，经过扩束和准直的激光束12经过透镜13入射到反射镜14上，被分成两束光并分别会聚到另外两个反射镜15上，反射后的这两束光再分别通过两个透镜16准直，并在记录介质11内相交，并且其夹角为一指定的大小2α_Wi。透镜13和反射镜14同时固定在一个精密控制的线性平移台28上，通过平移台沿入射光方向的微动可以精确改变两记录光束在介质内的夹角2α_Wi，同时保证两光束相交的空间位置不变。

级联式体全息光栅密集波分复用器件制作方法的专用系统中选择的体全息记录介质11，可以是对记录波长λ_W敏感的光折变晶体，也可以是对记录波长λ_W敏感的各向同性的体全息存储材料。晶体的晶轴方向应当与表面平行并与端面成45°的角，使得光栅矢量与晶轴平行，以便得到最高的衍射效率；或者晶体的晶轴方向应当沿长度方向、使得朝所有方向衍射的不同方向的光栅矢量都与晶轴成相同的45度的夹角，以便得到均衡的衍射效率。

本发明提出了一种简单的体光栅全息记录和优化方法，可以保证输入通道与输出通道夹角为90度，所有波长的输出通道均相互平行，每个通道具有记录材料可能提供的最高衍射效率，光谱响应优良、旁瓣受到抑制，长寿命。

附图说明：

图1：传统体全息波分复用器件的示意图1、包含波长λ₁和λ₂的读出光束，2、是体全息记录介质，3、是对应波长λ₁的衍射光，4、是对应波长λ₂的衍射光，5、6是两个记录在介质中的重叠在一起的体光栅，各自的光栅矢量分别为K₁和K₂；

图2：级联式体全息光栅密集波分复用器件记录原理图7、连续运转的单频、单模激光器，8、扩束准直器，9、分束-合束光学系统，10、光学隔振平台，17精密线性平移台；

图3：立方体记录介质11形状及各表面的定义；

图4：分束-合束光学系统示意图12、经扩束和准直的激光束，13、会聚透镜，14、15反射镜，16、准直透镜，28、微动平台；

图5：级联式体全息光栅密集波分复用器件使用示意图18、包含N个波长(λ₁，λ₂，....，λ_n)的信号光束，19、输入光纤，20、输入光纤耦合元件，21、输出光纤耦合元件，22、输出光纤，23、波长为λ₁的输出光束；

图6：制作非均匀调制光栅的示意图；24、液晶空间光调制器，25、均匀紫外光，26、连接电缆，27、计算机；

图7：级联式体全息光栅密集波分复用器件的3dB带宽曲线；

图8：级联式体全息光栅密集波分复用器件各通道的波长响应曲线；

具体实施方案：

本实施例以8个通道的波分复用器件为例。采用前述方法，用45°切割的掺铁铌酸锂(Fe：LiNbO₃)光折变晶体作为记录介质，记录介质11是长度为L、宽度为W、高度为H的立方体，所有表面都是良好的光学表面，其形状和各表面的定义如图3所示，其尺寸为8×4×3(mm³)。晶体安放在精密线性平移台17上，其分辨率和复位精度可达到0.1μm。精密线性平移台本身垂直固定在光学隔振工作台10上，并且其平移方向与工作台面成45°的角。从单频、单模、连续运转的激光器7发出的波长为λ_W＝532nm的相干光，经过分束-合束光学系统9(详见图4)，对称地入射到晶体的顶面A。对于使用波长λ₁＝1540nm，根据前述公式(1)和(2)计算得两束记录光的交角为2α_W1＝32.7314°。紧靠晶体表面放置开有矩形孔的掩膜，孔的尺寸为3mm×1mm，使两束光只对矩孔限定的晶体区域曝光。经过约30sec的曝光，记录一个光栅。然后将支承晶体的线性平移台移动1mm，同时微调分束-合束光学系统中的线性平移台17，使两光束的交角改变为2α_W2＝32.7216°。如此继续进行，直至8个通道的光栅全部记录完毕。每个通道的使用波长和记录角度列出见表一：

光栅全部记录完毕后，对光栅进行非均匀光擦除，方法是：用一个通过电缆26与计算机27相连接的液晶空间光调制器(LCD-SLM)24，其分辨率为1024×768，每个像元的尺寸为18μm×18μm。在宽度为8mm的LCD-SLM区域(448列)加载8个相同的图像，使每列的遮光率按sinc²函数变化。将此LCD-SLM紧靠晶体11的顶面A，用均匀紫外光25照射约5min，参见图6。这样得到空间调制度为sinc²函数分布的光栅。24是液晶空间光调制器(LCD-SLM)是一种通过计算机加载即电寻址的空间光调制器，也可以是其它的二维空间光调制器。

采用热固定的方法将光栅固定。方法是：将晶体置于预热至120-140℃的加热炉中，并持温20min，自然冷却至室温。然后用均匀紫外光照射显影10min。

以上8个光栅的3dB波长带宽均为0.25nm左右(见图7)，说明本方法制作的光栅的波长选择性满足通信应用中通道间隔0.4nm的要求。每个光栅的波长选择性曲线示于图8，与均匀调制的光栅相比，旁瓣得到显著的抑制，极大地减小了通道间的串扰。表一：每个通道的使用波长和记录角度：

 通道号i  波长λ_i(nm)  角度2α_Wi(°)   1    1.5400    32.7314   2    1.5404    32.7216   3    1.5408    32.7118   4    1.5412    32.7020   5    1.5416    32.6922   6    1.5420    32.6825   7    1.5424    32.6727   8    1.5428    32.6629