基於餘(正)弦場振幅型調製器和菲涅爾變換系統組合的保模結構分束器的製作方法

2023-08-05 03:52:46

專利名稱：基於餘(正)弦場振幅型調製器和菲涅爾變換系統組合的保模結構分束器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學分束器，特別涉及一種基於菲涅爾變換的保模場結構不變的分束器。適用於光通信、光互聯、光計算、圖像處理等領域。

背景技術：
分束器在光的傳輸與變換中一直扮演著十分重要的角色，隨著科學技術的不斷進步，從最早的麥可遜幹涉儀到現在的數字陣列掃描幹涉成像光譜技術，甚至在實現量子光場量子態的纏繞、量子圖像處理等方面，光學分束器都是不可或缺的光學元件，並且對其提出了越來越高的要求。光學分束器是能把一束光分成兩束或多束光的光學元件，不過就筆者所知，當前的這些分束器都只考慮了光束功率分配而沒有考慮各分光束的模式結構問題。目前常用的分束器大致可分為如下三類一類是由蒸鍍金屬膜或介質膜的玻璃板構成的分束器(見凌德洪編《物理學詞典》(光學分冊)，科學出版社(1988)，P.83)，用於對光束功率進行兩束或多束間實現分配；另一類是基於雙折射原理構成雙折射晶體偏振分束器(PBS)，它用於把入射光中兩種不同偏振狀態的光分開(參見李紅斌等，偏振分束器對電學電流傳感器穩定性的影響，光子學報，32(2)(2003)，160-162)；再就是利用色散光學元件(如光柵)的色散特性構成的分束器，用於將不同波長的光分開(參見張耀舉等，用三角形閃耀光柵實現分束器，光學技術，29(3)(2003)，367-369)。但上述分束器都無法保證輸入光場的模式結構與輸出分光束的模式完全相同或各分光束具有完全相同的模式結構，如由輸入具有高斯模式光束分出的兩束或多束光並不一定仍具有高斯模式，這將不能滿足某些應用中對模結構的要求。


發明內容
本發明的目的是提供一種基於菲涅爾變換的具有保持輸入光束模場結構不變功能的分束器，其製作工藝簡單、結構穩定，能實現輸出各分光束模式結構與輸入光模式結構相同、光強度相等、分光束間間隔容易調節、同時對分光束光斑大小實現控制的功能，在用梯度折射率自聚焦波導(光纖)構成菲涅爾變換系統時還容易集成。
本發明的目的是通過附

圖1所示的模塊結構實現的圖中各模塊分別是附有準直器(101)的輸入光纖(1)，餘(正)弦場振幅型調製器(如復周期餘(正)弦振幅型全息光柵)(2)，具有輸入界面(301)和輸出界面(302)的菲涅爾變換光學系統(如聚焦鏡(凸透鏡、菲涅爾波帶)、梯度折射率波導(光纖))(3)及帶有聚光器(401)的輸出光纖陣列(4)。從輸入光纖(1)輸入的光經準直器(101)出射後，經餘(正)弦型場振幅調製器調製，其出射面光場復振幅為輸入場振幅與調製器調製函數乘積。然後將調製後的場經菲涅爾變換系統的輸入界面(301)耦合進菲涅爾變換系統，適當控制菲涅爾變換光學系統的參數，在菲涅爾變換系統輸出界面上可獲得模式結構與輸入光束完全一樣的分束輸出光。輸出光纖陣列(4)的每個光纖列陣元的頭部帶有聚光器(401)的目的是使自梯度折射率介質中的分束光耦合到輸出光纖陣列(4)中。
實際上，如以梯度折射率光纖構成菲涅爾變換系統，以現有技術，輸入光纖(1)、具有輸入界面(301)和輸入界面(302)梯度折射率波導(光纖)(3)及輸出光纖陣列(4)可以部分或整體集成，或再利用製作光纖布喇格光柵的相似技術，將餘(正)弦型場振幅調製器直接寫入輸入光纖(1)與梯度折射率波導(光纖)(3)的輸入界面處，整個光束分束器集成一體。
本發明中餘(正)弦型場振幅調製器(2)典型實現元件可是餘(正)弦振幅型全息光柵，而菲涅爾變換系統(3)可以是具有適當焦距的凸透鏡、菲涅爾波帶片等聚焦鏡或一段梯度折射率自聚焦光纖。準直器(101)所在平面、餘(正)弦型場振幅調製器(2)所在平面、菲涅爾變換系統(3)的輸入界面(301)相互平行且間距可調，在菲涅爾變換系統(3)之輸出界面(302)上輸出的各分光束都與入射光纖輸入的光束有相同的模式結構。當其它參數確定時，調節餘(正)弦場振幅型調製器的結構周期可控制輸出分光束間的間隔，調節菲涅爾變換的系統參數可控制輸出分光束光斑大小。當餘(正)弦型場振幅調製器為一維單周期結構時，可得關於光軸對稱的三束輸出光，其中一束中心位於光軸上；而當其具有一維n周期複式結構時，可得關於光軸對稱的直線排列的2n+1束輸出光；如其為二維餘(正)弦型場振幅調製器時，分束數目相應增加，分光束可形成二維陣列。
本發明所基於的原理如下考慮最簡單的情況，設輸入到餘(正)弦型場振幅調製器(下面為討論方便用單周期餘弦振幅型全息光柵為例，復周期振幅型光柵的情形與之相似)上的單色光場模式結構具有一維m階厄米-高斯函數形式，而更一般結構的模場可用不同階厄米-高斯函數展開。單周期餘弦振幅型光柵的透過率函數有形式 T1x(x)＝T0+(1-T0)cos(ux) (1) 其中u是單周期餘弦振幅型全息光柵的空間頻率，其倒數代表其調製周期，1/2≤A≤1為透過率振幅。於是在調製器出射面也即菲涅爾變換系統輸入界面(301)(見附圖1)上的光場復振幅可表為 這裡w是相關高斯光束的束腰寬度，E0是光場振幅，R是波面曲率半徑，k＝2π/λ是波數而λ是波長，Hm是m階厄米多項式。根據柯裡斯(Collins)衍射積分(見D.M.Zhao(趙道木)，H.D.Mao，W.C.Zhang，S.M.Wang，Propagation of off-axialHermite-cosine-Gaussian beams through an apertured and misaligned ABCDoptical system，Optics Communications 224(2003)5-12)，也即對(2)實行菲涅爾變換 其中ABCD是傳輸矩陣元，可得菲涅爾變換系統輸出界面(302)(見附圖1)上的場復振幅為 其中是共焦參數，(此全局相因子對討論結果無影響下面將省去)。
如以梯度折射率波導(光纖)構成菲涅爾變換系統(見附圖2)，其折射率為(可達到β典型值在10-1mm-1量級或小)(見J.M.Rivas-Moscoso，D.Nieto，and C.Gómez-Reino，Focusing of light by zone plates in Selfoc gradient-indexlenses，Optics Letters 28(22)(2003)，2180-2182)，傳輸矩陣元ABCD為 於是當菲涅爾變換系統輸出界面位於時，A＝D＝0，B＝1/β，有 其中因此在L0的輸出界面上可得到三個振幅不同的m階厄米-高斯光束，波陣面仍為球面(半徑與輸入光束不同)，排列在一直線上，一個中心位於光軸上，另兩束光的中心分別對稱地位於光軸兩旁。兩邊光束的強度相等，而邊上光束的強度與中央光束的強度之比是

如T0＝1/2時，此比值是1/2。而若餘弦振幅型光柵處於準直器輸出光的束腰位置，即R→∞，則L0處也是分光束束腰位置。分光束中心的間距為而分光束腰寬為
類似地，如菲涅爾變換系統是由透鏡構成時(見附圖3)，則 當菲涅爾變換系統輸出界面(302)與透鏡焦平面一致時，z＝0，有 這時因此在透鏡焦平面上也可得到三個m階厄米-高斯光束，但波陣面不再是球面，束中心分別排列在透鏡光軸上及兩旁；而如單周期餘弦振幅型全息光柵處於準直器輸出光束腰位置，R→∞，並s＝f時，則透鏡焦平面也是分光束束腰位置。分光束中心間距為fuw2/2Nλ＝fuλ/2π，分光束腰寬為
實際上，輸入二維(m，n)階厄米-高斯光束時，上述兩種情況也有類似結果。因此這一餘(正)弦振幅型調製器(2)-菲涅爾變換系統(3)為主體的組合可實現將輸入光束分為三個模結構與輸入光束相同的分光束。
如餘(正)弦場振幅型調製器(2)具有一維n周期結構，在菲涅爾變換輸出界面(302)上可得沿光軸兩旁直線排列的2n+1個分光束。如T2x(x)∝T0+T1cos(u1x)+T2cos(u2x)(u2＞u1，T0，T1，T2為正常數，且T0+T1+T2＝1)時，就可得五束腰寬均為fw/Nλ的分光束，其模結構彼此相同且與輸入光束相同，以透鏡為例則中央三束間距為fu1λ/2π，而邊上兩光束的間距為fλ(u2-u1)/2π。如果採用二維復周期餘(正)弦振幅光柵(2)和二維厄米-高斯光束入射，菲涅爾變換系統輸出界面(302)處的二維厄米-高斯分光束數目將相應增加，例如，當x方向是p周期而y方向是q周期時，分束數目將是4p×q+l，它們是以光軸為中心的矩形陣列，等等。調整餘(正)弦振幅型光柵(2)的空間頻率就能控制各分光束間的間隔。
再者，利用本發明裝置在對光束進行分束的同時，還能實現對光斑大小的控制，如用透鏡時，分束後的腰斑為

因此適當選擇透鏡焦距即可實現對分光束光斑大小的控制。
又因分光束中心間距與光柵空間頻率u成正比，故可通過改變光柵空間頻率來調節分束間隔。另外，分光束中心間距還與入射光波長成正比，如用單周期餘(正)弦振幅型光柵，並以透鏡構成菲涅爾變換系統時，邊上兩光束與中央光束間距為uλf/2π。因此當入射光束是由不同波長λ1和λ2的光構成時，邊上兩波長分光束會分裂，其分開間距為|λ1-λ2|fu/2π，從而可實現部分色散元件功能。
與已有技術相比，本發明結構簡單、製作方便，在用梯度折射率波導(光纖)做為菲涅爾變換系統時容易集成，而其最主要特點是分束光的模結構與輸入光的模結構保持相同，即能實現模結構不變。主體構件之一的起餘(正)弦型光振幅調製器作用的復周期餘(正)弦振幅型全息光柵可用全息方法經多次曝光製得，後文的例子表明，本發明中的分束器對全息光柵的空間頻率要求在幾個到幾十個mm-1範圍內，現已有成熟的製作技術。
數值模擬結果證明上述理論結果是正確的；而利用主體由單周期餘弦振幅型全息光柵和透鏡構成的系統進行實驗也初步證實上述構想是可行的。
本發明的分束器充分利用了光學信息處理並行、快速的優勢，在實現光功率分配的同時，還實現了對光斑大小的控制及分光束間間隔的調節；特別地，它不改變輸入光場的模式結構特徵，這些新特點將在對光場模式結構有更高要求的分束應用中具有新的實用價值。
具體實施示例1-梯度折射率波導(光纖)方式 如附圖2所示結構，當復周期餘弦振幅型光柵是兩周期，設其空間頻率分別為u1和u2＝2u1，並以梯度折射率波導(光纖)構成菲涅爾變換系統。對於具有高斯模式的輸入光束，則在波導的L0＝π/2β輸出界面(302)上可得到五個高斯光束，分光束中心分列於光纖軸線上及兩旁。如取β＝0.05mm-1(較典型值偏小)，波長λ＝1μm，輸入束寬w＝1mm(討論R＝∞情形)時，則有βNλ≈157，在L0≈31.4mm界面上可得五個腰寬都約為0.010的分光束。為實現對腰寬0.010mm的各分高斯光束的分束，如取其邊上兩光束之間距為0.030mm，則u1≈10mm-1即可，此時中央分光束中心間距約為0.032mm。
具體實施方式
2-聚焦鏡方式 如前述具體實施方式
1情形，只是以聚焦鏡(為用語方便，設為焦矩為f的凸透鏡，其實菲涅爾波帶片也一樣)構成菲涅爾變換系統(見附圖3所示結構)。則對高斯光束輸入，在焦平面為輸出界面(302)上可得到五個高斯光束，排列於透鏡光軸的兩旁。如焦距f＝500mm，波長λ＝1μm，輸入束寬w＝2mm(討論R＝∞情形)，此時菲涅爾數Nλ/f≈25，在焦平面處可得五個腰寬都約為0.08mm的分光束。為分開這些光束，可取u1＝2mm-1，則分光束中心間距均約為0.16mm，達分高斯光束束腰的兩倍。
具體實施方式
3-聚焦鏡方式 與實施方式2類似，但周期餘弦振幅型光柵是單周期，即空間頻率為u，如若焦距f＝20m，波長λ＝1μm，輸入束寬w＝2mm(討論R＝∞情形)，此時菲涅爾數Nλ/f≈0.63，分高斯光束的腰寬都約為3.2mm，這時取u1＝1mm-1，則分光束中心間距就可達約3.3mm。
附圖1所示為分束器系統總體結構圖。其中1是附有準直器101的輸入光纖；2是餘(正)弦場振幅型調製器(如復周期餘(正)弦振幅型全息光柵)；3是附圖2或附圖3所示的菲涅爾變換系統模塊，而301和302分別是其輸入和輸出介面；4是附有準直器401的輸出光纖陣列。
附圖2所示的是長為L的梯度折射率波導(光纖)構成的菲涅爾變換系統模塊。其折射率分布具有形式，r是考察點處到光軸的距離，其輸入介面301和輸出介面302間距離L為

實際中利用目前廣泛應用的光纖布喇格光柵寫入技術，將餘(正)弦型場振幅調製器(2)寫入到梯度折射率光纖(3)的輸入端，應可將餘(正)弦型場振幅調製器(2)與梯度折射率光纖(3)集成到一起。另外，也很容易將整個系統集成為一體。
附圖3是用聚焦鏡(凸透鏡或菲涅爾波帶片)構成的菲涅爾變換系統模塊，其中f是透鏡長度，s和z+f分別是輸入介面301、輸出介面302與透鏡中心的距離。
權利要求
1.一種主體由余(正)弦振幅型光調製器和菲涅爾變換系統構成的光學分束器，包括輸出端附有準直器(101)的輸入光纖(1)、餘(正)弦型場振幅調製器(如復周期餘(正)弦振幅型光柵)(2)、具有輸入界面(301)和輸出界面(302)的菲涅爾變換系統(3)以及附有聚光器(401)光纖陣列(4)。光束從輸入光纖(1)輸出端處的準直器(101)出射後，出射光束入射到餘(正)弦型場振幅調製器(2)調製，並使餘(正)弦型場振幅調製器(2)位於準直器輸出光的束腰處，而餘(正)弦型場振幅調製器(2)出射光經過菲涅爾變換系統(3)的輸入界面(301)耦合進該系統，其特徵在於適當選擇菲涅爾變換系統(3)的參數後，則在菲涅爾變換系統(3)的輸出界面上可得分束光，輸出界面(302)也是分束光的束腰平面，並經位於輸出界面處的附有聚光器(401)光纖陣列(4)引出輸出分束光。
2.根據權利要求1所述的光學分束器，其特徵在於輸入光纖(1)與餘(正)弦型場振幅調製器(2)之間不用準直器而直接耦合。
3.根據權利要求1所述的光學分束器，其特徵在於菲涅爾變換系統也可以由聚焦鏡(如凸透鏡、菲涅爾波帶片等)或梯度折射率波導(光纖)構成。
4.根據權利要求1所述的光學分束器，其特徵還在於輸入光纖(1)、餘(正)弦型場振幅調製器(如復周期餘(正)弦振幅型光柵)(2)、菲涅爾變換系統(3)及輸出光纖陣列(4)可以部分集成或整體集成，如首先將輸入光纖(1)、梯度折射率光纖(3)及輸出光纖陣列(4)集成一起，再利用目前廣泛應用的光纖布喇格光柵寫入技術，將餘(正)弦型場振幅調製器(2)寫入到輸入光纖(1)與梯度折射率光纖(3)的聯接處。
全文摘要
一種基於餘(正)弦振幅型光調製器和菲涅爾變換系統複合而成的保持光場模式結構不變的分束器，可用於光通信等領域。主要結構為由輸入光纖輸出的光信號經過餘(正)弦型場振幅調製器(如復周期餘(正)弦振幅型全息光柵)調製後，對振幅調製後的光場完成菲涅爾變換，在菲涅爾變換面上可得到模場結構與輸入光束一樣的分束光，再用光纖陣列引出。此外，在分束的同時還能實現對分光束的束腰寬度進行調整，並可通過調節餘(正)弦場振幅型調製器的空間頻率對分光束之間隔實行控制。
文檔編號G02B27/10GK101162295SQ200610032398
公開日2008年4月16日 申請日期2006年10月12日 優先權日2006年10月12日
發明者朱開成, 潔 朱, 唐慧琴 申請人:朱開成