鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復用器的製作方法
2023-09-20 04:07:05 2
專利名稱：鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復用器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光通訊網絡技術，特別涉及一種基於雙摻雜鈮酸鋰LiNbO3晶體體全息光柵的光分插復用器，適於在光層實現對波分復用信號的信道分離、傳輸、交換、復用等。
背景技術：
光分插復用器(以下簡稱OADM)是光通訊網絡中必不可少的重要設備。OADM節點的功能是從傳輸系統中選擇地下路(drop)信道中通往本地用戶的信號，同時上路(add)由本地用戶發往另一節點用戶的信號，上下路進行的同時不能影響其它波長信道的傳輸。光分插復用器的基本原理是波分復用光信號首先由解復用器把復用的各個光波解開，然後經過波長交換單元動態選擇上、下路的波長，最後由復用器復用到同一鏈路輸出。OADM在光域中實現了傳統的電分插復用器在時域內所完成的功能，而且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號，這一點比傳統的電分插復用器更加優越，是克服傳統網絡中節點的電子瓶頸問題的關鍵之一。光分插復用器的應用進一步增加了整個通信網的吞吐量，提高了網絡的靈活性、透明性與生存性。用不同的方法實現復用和解復用，可構成不同的光分插復用器結構。
在先技術[1](參見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)所描述的是一種基於馬赫—澤德幹涉儀(MZI)和布拉格光纖光柵(FBG)的可動態重構的多通道光分插復用器，由若干光分插復用器模塊和光開關級聯而成；光分插復用器模塊由輸入、輸出光耦合器、馬赫—澤德幹涉儀及位於幹涉儀兩臂上的布拉格光纖光柵構成。光分插復用器模塊的原理是波分復用(WDM)信號經輸入光耦合器輸入傳輸到馬赫—澤德幹涉儀的兩臂，具有特定波長的光波將被布拉格光纖光柵反射，再次從幹涉儀的兩臂上反射回輸入光耦合器，在其中發生幹涉，從而實現該波長信號的下路；同理，在輸出光耦合器上實現信號的上路。將若干光分插復用器模塊和光開關級聯起來，形成可動態重構的光分插復用器，通過控制各個光開關的不同組合狀態，可實現上下路任意波長。該裝置的特點是能上下路任意波長信道，信道間串擾小。較多的馬赫—澤德幹涉儀和布拉格光纖光柵級聯起來，會增大系統的損耗；系統對馬赫—澤德幹涉儀兩臂的加工精度要求比較高。
在先技術[2](參見RobertA.Norwood，WestChester，美國專利2002.5.7，US6385362B1，Hybridintegratedopticaladd-dropmultiplexer)所描述的是一種混合集成式的光分插復用器。它把兩個陣列波導光柵(AWG)和一定數目的光開關採用沉積的技術集成在同一個矽基片上，結構緊湊。兩個陣列波導光柵(AWG)分別作為解復用器和復用器，光開關用於選擇上下路的波長信道並切換光路。AWG型光波分復用器具有波長間隔小、通道數多、通帶平坦等優點，非常適合超高速、大容量WDM系統使用。陣列波導光柵(AWG)製作工藝複雜，插入損耗比較大，波導的長度容易受外界溫度的影響。
在先技術[3](參見PierpaoloBoffi，MariaChiara，etal.，IEEEPhoton.Tech.Lett.，12(10)，2000，p1355-1357，1550nm volume holography for opticalcommunication devices)提出了一種基於體全息術的光通訊波分復用信號處理的全光裝置，用單塊LiNbO3晶體實現了WDM波分解復用器。其基本思想是用488nm的可見光在光折變LiNbO3Fe晶體中同一位置處以角度復用的方式記錄若干全息光柵，用光通訊波段1550nm附近多波長信號光束去讀出，衍射後不同波長的光波以不同的角度射出，從而實現了多波長信號的解復用，解復用後各信號光波之間分開的角度在0.1°左右。該裝置利用體全息光柵的角度和波長選擇性，可一次分離大量的波長信道，信道間隔可達0.8nm甚至更小，信道間串擾小，特別適用於密集波分復用(DWDM)系統使用。該裝置在晶體的同一位置復用多個全息光柵，使得在記錄後面光柵時，記錄光波對前面已經記錄的光柵有一定的擦除，從而影響了讀出光柵的衍射效率。解復用後的光波之間空間間隔比較小，不利於實現光信號之間的空間交換。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在於克服已有技術的不足之處，提出一種LiNbO3晶體體全息光柵的光分插復用器(OADM)，可實現波分復用信號的解復用及信號光波之間的空間交換，本實用新型裝置應具有結構簡單、操作靈活、穩定性高、抗環境幹擾等優點。
本實用新型的技術解決方案如下一種鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復用器，其特徵在於它包括波分復用信號輸入光纖(101)和與之連接的光纖準直器(102)；本地上路信號m束輸入光纖(103-106)和與之連接的m個光纖準直器(107-110)；單塊雙摻雜LiNbO3晶體(112)製成的光波分解復用器(111)；電光開關組(113)；本地上路、直通信號m束輸出光纖(135-138)和與之連接的m個光纖準直器(123-126)；本地下路m個信號輸出光纖(131-134)和與之連接的m個光纖準直器(127-130)；一個m×1信道耦合器(139)；波分復用信號輸出光纖(140)，其位置關係是所說的本地上路、直通信號m束輸出光纖(135-138)與所說的m×1信道耦合器(139)的輸入端相連；所說的波分復用信號輸出光纖(140)與m×1信道耦合器(139)的輸出端相連；沿輸入光纖(101)傳輸的波分復用信號(λ1-λ4)經光纖準直器(102)準直擴束後進入到光波分解復用器(111)中，解復用後的各個單波長信號進入到電光開關組(113)中；電光開關組(113)選擇需要下路的波長信道和需要上路、直通的波長信道，下路的光信號分別經光纖準直器(127-130)耦合進輸出光纖(131-134)；上路和直通的光信號分別經光纖準直器(123-126)耦合進輸出光纖(135-138)，經m×1信道耦合器(139)耦合後輸出到波分復用信號輸出光纖(140)。
所述的雙摻雜LiNbO3晶體(112)是一塊長方體LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體。
所述的光波分解復用器(111)是由單塊雙摻雜LiNbO3晶體構成的包括波分復用信號光束輸入端面A和與之平行的相對表面B；本地上路信號光束輸入端面C和與之平行的信號光束輸出端面D；還包括上下兩個相對平行的表面；所述的光束輸入端面A與所述的光束輸出端面D相互垂直，二者分別平行於坐標zx、xy面；所述的晶體(112)的光軸c在坐標yz面內且與z軸的夾角為45°，所述的晶體(112)中預先記錄了m個體全息光柵HG1-HG4，它們在晶體(112)中等間距排列，分別位於從光纖準直器(102)出射的波分復用光信號和從m個光纖準直器(107-110)出射的本地上路光信號傳輸光路的交點上。
所述的電光開關組(113)含有m個結構相同的電光開關，是由結構相同的m塊鈮酸鋰晶體(114-117)及附在晶體兩側的電極(118-122)構成的；所說的m塊晶體(114-117)並排放置，兩端對齊，一端緊靠晶體(112)放置，相鄰晶體共用一個電極，每塊LiNbO3晶體為一具有一45°斜面的長方體(114)，該晶體(114)有一個內反射面N、一個光束輸入面E、一個光束輸出面F和與光束輸出面F平行的平面G，所說的光束輸入面E與光束輸出面F垂直，內反射面H與光束輸出面F之間的夾角是45°。
所述的電極(118-122)的長度等於或略小於晶體(114-117)的長度和寬度。
所述m＝4。
本實用新型的技術效果1.本實用新型提出一種基於雙摻雜LiNbO3晶體體全息光柵的光通訊波段信號處理的全光裝置，用以在光域中實現WDM信號的解復用、空間傳輸、交換，避免了網絡節點上的光/電、電/光轉換及由此引入的信號衰減、失真、功率損耗。
2.本實用新型利用LiNbO3晶體的光折變效應，採用雙色光兩中心全息記錄法在LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體中記錄並光固定若干非揮發性體全息光柵。
3.本實用新型中的體全息光柵是採用可見波段的632.8nm的紅光記錄、紅外波段1550nm附近的WDM信號光來讀出的；記錄光和讀出光同時滿足全息光柵的布拉格匹配條件。
4.本實用新型利用體全息光柵的角度和波長選擇性，用單塊雙摻雜LiNbO3晶體實現了波分復用信號的解復用，解復用後的信號空間隔離度較好，相互之間串擾較小。
5.本實用新型利用晶體的雙折射效應和線性電光效應，用單塊LiNbO3晶體構成了電光開關，開關速度快(可達到ns數量級)，能夠精確同步，結構簡單。
6.本實用新型通過控制電光開關的狀態，可以動態選擇需要上、下路的波長通道，可同時上、下路任意路波長信道，結構簡單，操作靈活。
圖1為本實用新型鈮酸鋰晶體體全息光柵光分插復用器結構實施例示意圖。
圖2為晶體112的結構和內部光路圖。
圖3為體全息光柵HG1記錄和讀出的 矢量圖。
圖4為體全息光柵HG1的空間取向和周期示意圖。
圖5為電光開關114的結構示意圖。
圖6為未加橫向半波電壓時晶體114中的光路圖。
圖7為加橫向半波電壓時晶體114中的光路圖。
具體實施方式
先請參閱圖1，圖1是本實用新型鈮酸鋰晶體體全息光柵光分插復用器m＝4的實施例的結構示意圖，由圖可見，本實用新型鈮酸鋰晶體體全息光柵光分插復用器包括波分復用(WDM)信號輸入光纖101和與之連接的光纖準直器(OFC)102；本地上路信號4束輸入光纖103-106和與之連接4個的光纖準直器107-110；光波分解復用器(DMUX)111；電光開關組113；本地上路、直通信號4束輸出光纖135-138和與之連接的4個光纖準直器123-126；本地下路信號4束輸出光纖131-134和與之連接的4個光纖準直器127-130；一個4×1信道耦合器139；波分復用(WDM)信號輸出光纖140；所說的本地上路、直通信號4束輸出光纖135-138與所說的4×1信道耦合器139的輸入端相連；所說的波分復用信號輸出光纖140與4×1信道耦合器139的輸出端相連。沿輸入光纖101傳輸的波分復用信號(λ1-λ4)經光纖準直器102準直擴束後進入到解復用器111中，解復用後的各個單波長信號進入到電光開關組113中；電光開關組113選擇需要下路的波長信道和需要上路、直通的波長信道，下路的光信號分別經4個光纖準直器127-130耦合進4束輸出光纖131-134；上路和直通的光信號分別經4個光纖準直器123-126耦合進4束輸出光纖135-138，經4×1信道耦合器139耦合後輸出到波分復用信號輸出光纖140。
所說的光波分解復用器111，由單塊雙摻雜LiNbO3晶體112構成。所說的晶體112是一塊長方體LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體，其結構如圖2所示包括波分復用(WDM)信號光束輸入端面A和與之平行的相對表面B；本地上路信號光束輸入端面C和與之平行的信號光束輸出端面D；還包括上下兩個相對平行的表面(平行於坐標yz面，圖中未標出)；所說的光束輸入端面A與所說的光束輸出端面D相互垂直，二者分別平行於坐標zx、xy面；所說的晶體112的光軸c在坐標yz面內且與z軸的夾角為45°。所說的晶體112中預先記錄了四個體全息光柵HG1-HG4，它們在晶體112中等間距排列，分別位於從光纖準直器102出射的波分復用光信號和從四個光纖準直器107-110出射的本地上路光信號傳輸光路的交點上。
所說的波分解復用器111的波長解復用功能是通過記錄在晶體112中的四個體全息光柵HG1-HG4的波長選擇作用來實現的。其工作原理結合圖2說明如下WDM信號光束(包括4個波長λ1，λ2，λ3，λ4)從晶體112的光束輸入端面A垂直入射，在晶體112中沿著坐標y方向傳播。所說的WDM信號光波是線偏振光，其振動方向平行於坐標x方向(o光)。WDM信號光束到達所說的體全息光柵HG1時，波長為λ1的光波由於符合布拉格條件而受到光柵的衍射，衍射光波沿著坐標z方向傳播，從晶體112的光束輸出端面D垂直射出；剩餘的波長為λ2、λ3、λ4光波因不符合布拉格條件而直接透過光柵，在晶體中繼續沿著坐標y方向傳播。同理，當剩餘信號光波到達體全息光柵HG2、HG3、HG4時，波長為λ2、λ3、λ4的光波分別受到這三個光柵的衍射，各個衍射光波分別沿著平行於坐標z方向光路傳播，最後從晶體112的光束輸出端面D上的不同位置垂直射出。可見，利用預先記錄在LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體中不同位置處的體全息光柵的波長選擇作用，可以把多波長信號在空間上分解成各個單波長信號，從而實現了WDM信號光波的解復用。本地上路的四個單波長光信號的波長分別等于波分復用的四個光信號的波長，記作λ1，add、λ2，add、λ3，add、λ4，add，但振動方向與波分復用光信號垂直(e光)。四個單波長信號光束從晶體112的光束輸入端面C上的不同位置垂直入射，分別沿著對應波長的解復用信號光波的光路在晶體112中傳播，到達體全息光柵HG1-HG4時，這四個光波由於都不符合布拉格條件而直接透過光柵繼續傳播，最後從晶體112的光束輸出端面D垂直射出。這樣，本地上路的四個單波長信號光波λ1，add-λ4，add分別與對應波長的解復用信號光波沿相同的光路傳播，由於二者振動方向相互垂直而不會發生幹涉串擾。
所說的體全息光柵HG1-HG4的空間取向和周期分別由它們所衍射的波分復用信號光波的波長、振動方向、讀出角度和衍射角度等特性所決定；四個體全息光柵HG1-HG4均由可見波段632.8nm的紅光來記錄，記錄光波和讀出光波同時滿足體光柵的布拉格條件。下面以光柵HG1為例說明LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體中體全息光柵的空間取向、周期以及全息光柵的記錄原理和過程。根據本實用新型設計，WDM信號光束在晶體112中沿著坐標y方向傳播至光柵HG1時，波長為λ1的光波受到光柵HG1的衍射，衍射光波沿著坐標z方向傳播。按照三維光柵的衍射理論，要使衍射光波的振幅達到極大值，讀出光波矢量 、衍射光波矢量 和光柵矢量 之間必須滿足布拉格匹配條件K=k11-k12..........(1)]]>其中矢量 和 對稱地位於光柵峰值條紋面的兩側，二者相互垂直，且k11=k12=2n11]]>，n1為波長為λ1的讀出信號光波在晶體112中的折射率；光柵矢量 垂直於光柵的峰值條紋面，其大小為 ，Λ為體全息光柵峰值條紋面之間的距離，即光柵周期。圖3在單位圓中給出體全息光柵HG1的 矢量圖，圖中α為讀出光波矢量 與體光柵峰值條紋面之間的夾角(讀出角)，本設計方案中α＝45°。從圖中可以直觀地看出讀出光波矢量 、衍射光波矢量 和光柵矢量 三者之間滿足的布拉格匹配關係。由(1)式進一步推出讀出光束的波長λ1、折射率n1、讀出角α和體全息光柵周期Λ之間滿足的布拉格定律2n1Λsinα＝λ1(2)根據(2)式可以計算得到體全息光柵HG1的空間周期Λ。圖3給出體全息光柵HG1的空間取向與周期示意圖，可以看出光柵矢量 與光柵的峰值條紋面垂直，且與晶體112的光軸c平行。同理，體全息光柵HG2、HG3、HG4分別對WDM信號中波長為λ2、λ3、λ4的光波產生衍射，各光柵的讀出角都相同(α＝45°)，因此它們的空間取向都與光柵HG1相同，而且光柵矢量 都平行於晶體112的光軸c；由於各信號光波的波長和折射率不同，根據(2)式，各個體全息光柵的空間周期Λ也各不相同。由於雙摻雜LiNbO3晶體對光通訊波段1550nm附近光譜範圍內的光波幾乎沒有吸收，在這個範圍內晶體的光折變靈敏度較低，因此，不能用這一光譜範圍內的光波在晶體中記錄體全息光柵。可採用對LiNbO3晶體比較敏感的波長為632.8nm的紅光對晶體進行非揮發性全息記錄。對所說的體全息光柵HG1，光柵矢量 與兩個記錄光波矢量 之間必須滿足布拉格匹配條件K=k01-k02.............(3)]]>矢量 對稱地位於體光柵HG1峰值條紋面的兩側，且k01=k02=2n00]]>，λ0為記錄光波在空氣中的波長，n0為記錄尋常光在LiNbO3晶體中的折射率。由體全息光柵HG1的 矢量圖中(圖3-1)可以直觀看出兩個記錄光波矢量 、讀出光波矢量 、衍射光波矢量 和光柵矢量 之間同時滿足的布拉格匹配關係，θ為記錄光波矢量 與體光柵峰值條紋面之間的夾角(布拉格角)。由(3)式進一步推出記錄光波的波長λ0、折射率n0、布拉格角θ和體全息光柵周期Λ四者之間所滿足的布拉格定律2n0Λsinθ＝λ0(4)根據(4)式可計算得到晶體112中記錄光波與光柵HG1峰值條紋面之間的夾角(布拉格角)θ。由折射定律可進一步計算得到記錄光波從空氣入射到晶體112表面上的入射角θI(空氣中的折射率為1)sinθI＝n0sinθ(5)在LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體中進行非揮發性光固定光折變全息記錄，其記錄和固定原理是Buse等人提出的雙色光兩中心全息記錄法(參見BuseK，AdibiA，et al，Nonvolatile holographic storage in doubly dopedlithium niobate crystals，Nature，1998，397(7)665～668)。在LiNbO3晶體中摻入不同能級深度雜質中心Fe或Ce(淺能級中心)和Mn或Cu(深能級中心)，用波長為632.8nm的紅光記錄體全息光柵，用波長為365nm的紫外光對晶體敏化。用來記錄的紅光只能激發淺能級中心的電子，而用來敏化的紫外光能同時激發深能級和淺能級中心的電子。LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體非揮發性光折變全息記錄有三個步驟1)預敏化過程用均勻紫外光照射晶體，使電子通過導帶從深中心Mn(Cu)激發到淺中心Fe(Ce)中去，以增加晶體對記錄紅光的靈敏度；2)紅光記錄過程在紫外光繼續照射的同時用雙紅光成一定夾角入射晶體，紅光的周期性幹涉光強同時引起Mn(Cu)中心和Fe(Ce)中心的電荷重新分布，在兩個中心形成空間電荷場，進而通過線性電光效應在兩個中心形成折射率調製的體相位光柵；3)紅光固定過程關閉紫外光，只用一束紅光照射晶體，以消除淺中心中記錄的光柵，而保留對紅光不敏感的深中心的光柵。保留在深中心中的體全息光柵對紅光不再敏感，從而實現了光折變體全息光柵的非揮發性記錄。在雙摻雜LiNbO3晶體中四個體全息光柵HG1-HG4均採用雙中心非揮發性光固定全息存儲的方式記錄，採用光通訊波段1550nm附近的信號光波讀出，記錄光和讀出光同時滿足光柵的布拉格匹配條件；讀出時，滿足布拉格條件的光波受到光柵的衍射而從多波長光束中分離出來，不滿足布拉格定律的光波將直接透過光柵而直接傳播。因而利用分布在LiNbO3晶體中不同位置處的體全息光柵的衍射作用，實現了波分復用(WDM)信號光束的解復用，解復用後的各個單波長信號光波在空間上充分分開，從而有效地避免了串擾。
所說的電光開關組113，包括四個電光開關EOSW1-EOSW4，分別由四塊結構相同LiNbO3晶體114-117及附在晶體兩側的電極118-122構成；所說的四塊晶體114-117並排放置，兩端對齊，一端緊靠晶體112放置，相鄰晶體共用一個電極。圖5為電光開關EOSW1的結構圖，包括一塊有一個45°斜面的長方體LiNbO3晶體114和附在其兩側的電極118，119(圖中未標出)。所說的晶體114有一個內反射面H、一個光束輸入面E、一個光束輸出面F和與光束輸出面F平行的平面G。所說的光束輸入面E與光束輸出面F垂直，內反射面H與光束輸出面F之間的夾角是45°。所說的光束輸入面E、光束輸出面F分別平行於坐標面xy、xz。所說的晶體114的光軸取向垂直於光束輸入面E且與坐標z軸平行。所說的電極118、119分別安置在晶體114的與坐標x軸垂直的兩個相對平行側面上。所說的電極118的寬度等於或略小於晶體114的寬度，晶體114的寬度定義為所說的光束輸出面F和與之平行的表面G之間的距離；電極118的長度等於或略小於晶體114的長度和寬度，晶體114的長度定義為光束輸出面F和內反射面H的交線與光束輸入面E之間的距離。所說的電極118、119分別接直流高壓電源的兩極，用於給晶體114加橫向半波電壓。其它三個電光開關EOSW2-EOSW4的結構與EOSW1完全相同。
所說的電光開關EOSW1-EOSW4利用了LiNbO3晶體的雙折射效應和線性電光效應實現了正交偏振光束的空間分離和信號光束的空間交換。這下面結合EOSW1來說明電光開關的工作原理。圖6給出未加橫向半波電壓(POWEROFF)時晶體114中的光路圖。正交偏振的兩束信號光波(λ1，λ1，add)沿著同一光路垂直入射到晶體114的光束輸入端面E上，在晶體114中沿著光軸c方向傳播。兩束信號光波在晶體114內反射面H上的入射角都是45°，大於晶體的全反射角(約27°左右)，因而在晶體內反射面H上發生全反射。o光(波長為λ1)的反射角為45°，反射後在晶體114中沿著坐標y方向傳輸，最後從晶體114的光束輸出端面F垂直射出，計作λ1(o)；e光(波長為λ1，add)的反射角δ大於45°，反射後與o光的偏離角θ1＝δ-45°，經晶體114的光束輸出面F折射後射出，記作λ1，add(e)。e光在光束輸出端面F上的入射角等於它與o光的偏離角θ1，折射角θ2大於θ1，因此在晶體外o光和e光進一步偏離。圖7給出加橫向半波電壓(POWERON)時晶體114中的光路圖，由於LiNbO3晶體的橫向電光效應，在光束輸入面E和內反射面H之間沿著同一光路傳播的兩束正交偏振光到達內反射面H時振動方向都轉動了90°；經內反射面H反射後，原來的e光沿著o光的光路傳播，最後垂直於光束輸出端面F射出，記作λ1，add(o)；原來的o光沿著e光的光路傳播，經光束輸出端面F折射後射出，記作λ1(e)。可見，沿著同一光路傳播的兩束正交偏振信號光，在晶體中經過分別經過一次全反射、一次折射後，將分成沿著不同方向傳播的兩個線偏振光，實現了正交偏振光束的空間分離，這對應電光開關的直通狀態；給晶體114加橫向半波電壓，原來的o光變成e光，e光變成o光，從而實現了信號光束的空間交換，這對應電光開關的交叉狀態。
本實用新型的工作過程結合在實用新型實施例1結構圖1進一步說明如下波分復用(WDM)信號(包括4個波長λ1、λ2、λ3、λ4)沿信號輸入光纖101傳輸，經光纖準直器102準直擴束後從晶體112的光束輸入面A垂直入射到解復用器111中去。在晶體112中不同位置處預先記錄的四個體全息光柵HG1-HG4分別對波長為λ1-λ4的信號光波產生衍射。波分復用信號光束經過體全息光柵HG1時，波長為λ1的光波被衍射而從多波長信號光束中分離出來，從晶體112的光束輸出端面D垂直射出，然後垂直於晶體114的光束輸入面A進入到電光開關EOSW1中，並沿著晶體114的光軸(c)方向傳播；剩餘的波長為λ2、λ3、λ4信號光波因不符合布拉格條件而直接通過光柵HG1繼續傳播到達光柵HG2，HG2衍射波長為λ2的信號光波而透過波長為λ3、λ4的信號光波，衍射光波進入到電光開關EOSW2中，並沿著晶體115的光軸方向傳播；同理波長為λ3、λ4的信號光波分別受到體全息光柵HG3、HG4的衍射而從剩餘信號光束中分離出來，進入到電光開關EOSW3、EOSW4中，分別沿晶體116、117的光軸方向傳播。本地上路的四個單波長信號(λ1，add、λ2，add、λ3，add、λ4，add)光波沿輸入光纖103-106傳輸，分別經光纖準直器107-110準直擴束後，從晶體112的光束輸入端面C垂直進入到解復用器111中去。四個上路信號光波的波長分別與波分復用信號光波的波長對應相等，但振動方向與波分復用信號垂直。四個單波長信號光束分別沿著對應波長的解復用信號的光路傳播，到達體全息光柵HG1-HG4時因不符合布拉格條件而直接透過光柵，沿著原來的光路繼續傳播，最後從晶體112的輸出端面D垂直射出，分別進入到晶體114-117中去。這樣在電光開關組113的每塊晶體中，平行於光軸方向的同一光路上同時傳播著波長解復用信號光波和相同波長的本地上路信號光波。這兩個正交偏振的信號光波在晶體中分別經過一次全反射、一次折射後，從晶體的輸出端面射出，出射光波的傳播方向發生偏離；通過控制電光開關EOSW1-EOSW4的交叉狀態(加橫向半波電壓)和直通狀態(不加橫向半波電壓)可以動態地選擇本地上、下路和直通的波長信道。電光開關EOSW1-EOSW4選擇的本地下路信號(λ1，d、λ2，d、λ3，a、λ4，d，)分別由光纖準直器127-130耦合進輸出光纖131-134中；本地上路、直通的光信號(λ1，、λ2，、λ3，、λ4，)分別經光纖準直器123-126耦合進輸出光纖135-138，再經4×1信道耦合器139耦合後輸出到波分復用信號輸出光纖140。
本實用新型裝置具體實施例如下晶體112是經高溫氧化的LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu單晶。晶體切割成規格為5×5×30mm3的長方體，所有的面進行光學拋光，光軸平行於yz平面且與z軸的夾角為45°。採用氦氖雷射器作為記錄光源，它發出波長為632.8nm的尋常偏振的紅光，光強為600mW/cm2，；100W的球形高壓汞燈，用透紫外的濾光片濾光後經匯聚透鏡聚焦作為非偏振的紫外敏化光源，其波長為365nm，光強為15mW/cm2。記錄紅光在LiNbO3晶體中的折射率為2.28647，在晶體內的記錄角θ、在空氣中的入射角θi分別由(3)、(4)兩式得到。採用傳統的對稱記錄光路，即把記錄尋常光分成強度近乎相等的兩束光對稱地入射到晶體中，光束的直徑為2mm，記錄光柵矢量平行於晶體的光軸。記錄過程如下首先用紫外光對要記錄的部分進行1小時左右的預敏化，然後用空間調製的紅光和紫外光同時照射晶體進行光折變全息記錄，待記錄穩定後，關閉紫外光，用一束紅光進行讀出固定，最終在晶體中記錄了非揮發性體全息光柵。使按上述方法記錄的四個體全息光柵HG1-HG4在晶體112內部等間距排列，並且位於平行於坐標y方向的同一直線上。四個光柵彼此間隔為6mm，HG1距離晶體112的A端面、HG2距離晶體112的B端面均為6mm。表1列出了四個體全息光柵HG1-HG4記錄和讀出的相關參數ITU-T規定的1550nm附近的四個信號光波的標準波長λ、尋常偏振的信號光波在雙摻雜LiNbO3晶體中的折射率no、記錄尋常光波在晶體內的記錄角θ、在晶體表面上的入射角θI和記錄的體全息光柵的空間周期A。
晶體114-117從同一塊LiNbO3晶體基片上切割下來，並加工成具有一個45°內反射面的六面體，其光軸平行於晶體的長度方向。四塊晶體的規格相同，其長度、寬度、厚度分別為45mm、5mm和5mm，晶體的各個面都進行了光學拋光。電極118-122規格相同，均由長度、寬度、厚度分別為40mm、4mm和1mm的Cu片構成。電極118-122外接直流高壓電源，使兩個相鄰電極的極性相反。LiNbO3晶體的橫向半波電壓是4000V，考慮到晶體通光部分的長度和厚度之間的縱橫關係，實際所加的橫向半波電壓在500V左右。
信號光波為ITU-T規定的1550nm附近的標準波長，各波長信道之間的間隔為0.8nm，因此它們在四塊晶體114-117中的傳播情況幾乎相同。在晶體114-117的內反射面上o光和e光入射角均為45°，o光的反射角為45°，最後從晶體的輸出端面垂直射出；e光的反射角δ為46.86°，它與o光的偏離角θ1＝1.86°，最後從輸出端面斜射出晶體，折射角θ2為4.26°。
本實施例中波分復用光信道的數目可靈活擴充為8路，16路等，只需要在雙摻雜LiNbO3晶體112中記錄相應數目的體全息光柵，並相應擴充電光開關組113中晶體的數目。
本實施例中波分復用信號的信道間隔可為0.4nm甚至更小，可以通過改變全息光柵的記錄角度來實現，從而適用於密集波分復用系統。
表1具體實施例中體全息光柵記錄和讀出相關參數
權利要求1.一種鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復用器，其特徵在於它包括波分復用信號輸入光纖(101)和與之連接的光纖準直器(102)；本地上路信號m束輸入光纖(103-106)和與之連接的m個光纖準直器(107-110)；單塊雙摻雜LiNbO3晶體(112)製成的光波分解復用器(111)；電光開關組(113)；本地上路、直通信號m束輸出光纖(135-138)和與之連接的m個光纖準直器(123-126)；本地下路m個信號輸出光纖(131-134)和與之連接的m個光纖準直器(127-130)；一個m×1信道耦合器(139)；波分復用信號輸出光纖(140)，其位置關係是所說的本地上路、直通信號m束輸出光纖(135-138)與所說的m×1信道耦合器(139)的輸入端相連；所說的波分復用信號輸出光纖(140)與m×1信道耦合器(139)的輸出端相連；沿輸入光纖(101)傳輸的波分復用信號(λ1-λ4)經光纖準直器(102)準直擴束後進入到光波分解復用器(111)中，解復用後的各個單波長信號進入到電光開關組(113)中；電光開關組(113)選擇需要下路的波長信道和需要上路、直通的波長信道，下路的光信號分別經m個光纖準直器(127-130)耦合進m束輸出光纖(131-134)；上路和直通的光信號分別經m個光纖準直器(123-126)耦合進m束輸出光纖(135-138)，經m×1信道耦合器(139)耦合後輸出到波分復用信號輸出光纖(140)。
2.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復用器，其特徵在於所述的雙摻雜LiNbO3晶體(112)是一塊長方體LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu晶體。
3.根據權利要求2錯誤！連結無效。，其特徵在於所述的光波分解復用器(111)是由單塊雙摻雜鈮酸鋰單晶(112)的構成的，包括波分復用信號光束輸入端面A和與之平行的相對表面B；本地上路信號光束輸入端面C和與之平行的信號光束輸出端面D；還包括上下兩個相對平行的表面；所述的光束輸入端面A與所述的光束輸出端面D相互垂直，二者分別平行於坐標zx、xy面；所述的晶體(112)的光軸c在坐標yz面內且與z軸的夾角為45°，所述的晶體(112)中預先記錄了m個體全息光柵HG1-HG4，它們在晶體(112)中等間距排列，分別位於從光纖準直器(102)出射的波分復用光信號和從m個光纖準直器(107-110)出射的本地上路光信號傳輸光路的交點上。
4.根據權利要求1所述的鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復用器，其特徵在於所述的電光開關組(113)含有m個結構相同的電光開關，是由結構相同的m塊鈮酸鋰晶體(114-117)及附在晶體兩側的電極(118-122)構成的；所說的m塊晶體(114-117)並排放置，兩端對齊，一端緊靠晶體(112)放置，相鄰晶體共用一個電極，每塊LiNbO3晶體為一具有一45°斜面的長方體(114)，該晶體(114)有一個內反射面D、一個光束輸入面E、一個光束輸出面F和與光束輸出面F平行的平面H，所說的光束輸入面E與光束輸出面F垂直，內反射面H與光束輸出面F之間的夾角是45°。
5.根據權利要求1所述的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復用器，其特徵在於所述的電極(118-122)的長度等於或略小於晶體(114-117)的長度和寬度。
6.根據權利要求1所述的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復用器，其特徵在於所述的m＝4。
專利摘要一種鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復用器，包括用單塊雙摻雜LiNbO
文檔編號G02B6/26GK2590288SQ0228340
公開日2003年12月3日 申請日期2002年12月20日 優先權日2002年12月20日
發明者董前民, 劉立人, 劉德安, 欒竹, 周煜, 祖繼鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所