專利名稱：單塊鈮酸鋰晶體構(gòu)成的光分插復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于單塊鈮酸鋰晶體構(gòu)成的光分插復(fù)用器。
背景技術(shù)：
光折變鈮酸鋰晶體不僅具有良好的光折變效應(yīng)，還具有電光、壓電等非線性光學(xué)效應(yīng)，且容易生長成大尺寸和高質(zhì)量的同成分單晶。這些特性意味著鈮酸鋰晶體可以在單一介質(zhì)中提供高效率的光、電能之間的相互作用，在器件的設(shè)計方面前景廣闊。
光通訊的發(fā)展要求光學(xué)器件和元件小型化和集成化。在單塊鈮酸鋰晶體中利用多種效應(yīng)形成若干具有不同功能的光無源器件，為光學(xué)器件和元件的小型化和集成化提供了一種嶄新的手段。例如基于雙摻雜鈮酸鋰晶體的局域光固定，可以在單塊結(jié)構(gòu)鈮酸鋰晶體中記錄若干非揮發(fā)性局域體全息光柵。
在先技術(shù)[1](參見IEEE Photon.Tech.Lett.，12(10)，2000，p1355-1357)提出一種基于體全息術(shù)的光通訊波分復(fù)用信號處理的全光裝置，用488nm的光波在單塊LiNbO3Fe晶體的同一位置處復(fù)用若干局域記錄體光柵，用光通訊波段1550nm附近的波分復(fù)用信號光波讀出體光柵，實現(xiàn)了波分解復(fù)用器結(jié)構(gòu)。該裝置采用角度復(fù)用方案，解復(fù)用后的光信號之間空間間隔比較小，不利于實現(xiàn)光信號之間的空間交換。
在先技術(shù)[2](參見中國專利，申請?zhí)?2155048.4，2002)提出一種基于鈮酸鋰晶體局域體全息光柵的光分插復(fù)用器，用單塊雙摻雜鈮酸鋰晶體構(gòu)成了光波分解復(fù)用器，用若干塊鈮酸鋰晶體加電極構(gòu)成若干空間交換光開關(guān)，實現(xiàn)了可以動態(tài)上下路任意波長信道的光分插復(fù)用器。該裝置中單塊鈮酸鋰晶體只能構(gòu)造實現(xiàn)單一光學(xué)功能的光學(xué)元件，降低了晶體的利用效率；較多的分立元件的存在，增加了系統(tǒng)的插入損耗，而且使得系統(tǒng)對外界震動比較敏感；電光開關(guān)中的衍射信號光束要求沿著晶體的光軸傳播，分立的開關(guān)元件由于裝配和外界震動的影響容易對傳輸信號產(chǎn)生離軸失真；電極對附加在晶體的側(cè)面，電光開關(guān)內(nèi)電場會對相鄰晶體中信號光束的傳輸產(chǎn)生影響。該裝置所需要的晶體塊數(shù)正比于波分復(fù)用光信道的數(shù)目，處理更多的波長信道受到加工成本和裝配的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于單塊結(jié)構(gòu)雙摻雜鈮酸鋰晶體光分插復(fù)用器(OADM)，在同一塊鈮酸鋰晶體上構(gòu)建了光波分解復(fù)用器和若干電光開關(guān)元件，以實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化，提高晶體的利用效率，大大降低系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種由單塊結(jié)構(gòu)雙摻雜鈮酸鋰晶體構(gòu)成的光分插復(fù)用器(OADM)，它包括單塊結(jié)構(gòu)鈮酸鋰晶體；集成在鈮酸鋰晶體中的光波分解復(fù)用器(DMUX)和電光開關(guān)陣列(EOSWA)。所說的光波分解復(fù)用器(DMUX)由記錄在鈮酸鋰晶體中的若干局域體全息光柵(HG)構(gòu)成，利用體光柵的布拉格衍射特性實現(xiàn)了波分復(fù)用信號光波的解復(fù)用。所說的電光開關(guān)陣列(EOSWA)由蒸鍍在鈮酸鋰晶體上下表面上的若干電極對(ELECTRODE)構(gòu)成，電極對用于給鈮酸鋰晶體加橫向半波電壓，利用鈮酸鋰晶體的橫向電光效應(yīng)和雙反射效應(yīng)，實現(xiàn)了對光信號的波長路由選擇。
本發(fā)明裝置具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、可靠性高、損耗低、批量生產(chǎn)經(jīng)濟、抗環(huán)境干擾等優(yōu)點。適于光通訊網(wǎng)絡(luò)器件小型化和集成化發(fā)展的需要。


圖1為由單塊鈮酸鋰晶體構(gòu)成的光分插復(fù)用器的總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2為光波分解復(fù)用器(DMUX)的工作原理圖。
圖3為電光開關(guān)(EOSW)的工作原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
圖1給出了本發(fā)明單塊結(jié)構(gòu)雙摻雜鈮酸鋰晶體101構(gòu)成的光分插復(fù)用器的總體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明光分插復(fù)用器包括單塊結(jié)構(gòu)雙摻雜鈮酸鋰晶體101；晶體101中集成了一個光波分解復(fù)用器(DMUX)和一個電光開關(guān)陣列(EOSWA)。光分插復(fù)用器還包括一個輸入的波分復(fù)用(WDM)光信號I、四個本地上路的光信號I1A-I4A、四個線路輸出光信號O1-O4、四個本地下路光信號O1D-O4D。輸入的WDM光信號I攜帶四個波長復(fù)用的信道I1-I4，其中光信號Ii(i＝1，2，3，4)的波長為λi；本地上路的光信號IiA、線路輸出光信號Oi以及本地下路光信號OiD(i＝1，2，3，4)的波長均為λi。所說的單塊鈮酸鋰晶體101是LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu單晶，晶體加工成有一個45°斜面(SLANT)的長方體，晶體的光軸c沿著坐標(biāo)z方向。所說的光波分解復(fù)用器(DMUX)由記錄在鈮酸鋰晶體101中的若干局域體全息光柵(HG)構(gòu)成，它們在晶體101中沿著坐標(biāo)y方向等間距排列。所說的電光開關(guān)陣列(EOSWA)由蒸鍍在鈮酸鋰晶體101上下表面的若干對電極(ELECTRODE)構(gòu)成，它們在晶體101表面上等間距排列且分別與對應(yīng)的體光柵對齊。
本發(fā)明裝置的工作過程如下沿著坐標(biāo)y軸方向傳輸?shù)腤DM光信號I進入鈮酸鋰晶體101中，首先通過波分解復(fù)用器(DMUX)解復(fù)用，解復(fù)用后的各個光信號Ii(i＝1，2，3，4)沿著晶體101的光軸c方向傳輸并直接進入到電光開關(guān)陣列(EOSWA)的各個電光開關(guān)中；本地上路的各個單波長光信號IiA直接通過光波分解復(fù)用器(DMUX)進入到電光開關(guān)陣列(EOSWA)的各個電光開關(guān)中，其中光信號IiA和Ii在電光開關(guān)中的傳播光路重合；電光開關(guān)陣列(EOSWA)對在其中傳輸?shù)母鱾€光信號Ii和IiA(i＝1，2，3，4)進行動態(tài)波長路由選擇。根據(jù)設(shè)計要求，任意一個輸入光信號Ii(i＝1，2，3，4)經(jīng)選擇后要么直接通過系統(tǒng)，成為線路輸出光信號Oi，要么從本地下路，成為本地下路輸出光信號OiD；由于某個波長信道Ii下路而導(dǎo)致輸出中缺少該波長信道，本地會同時上路一個新的波長信道IiA，并作為線路輸出信號Oi從系統(tǒng)輸出。最后，選擇上路、直通的各個光信號Oi(i＝1，2，3，4)和選擇下路的各個光信號OiD(i＝1，2，3，4)分別沿著不同的光路從晶體101的上表面輸出，從而實現(xiàn)了光分插復(fù)用器的功能。
與在先技術(shù)[2]相比，本發(fā)明裝置把若干具有不同光學(xué)功能的光學(xué)器件(DMUX和EOSWA)集成在同一塊鈮酸鋰晶體上，整個裝置的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，擴容方便，大大提高了晶體的利用效率，有利于實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的小型化和集成化；本發(fā)明裝置僅包括單塊鈮酸鋰晶體，系統(tǒng)中沒有可移動部件，不易受到溫度、電磁場和震動等外界環(huán)境的干擾，運行穩(wěn)定、可靠；本發(fā)明裝置的加工成本低、裝配簡單、批量生產(chǎn)經(jīng)濟。
圖2給出了光波分解復(fù)用器(DMUX)的工作原理圖。如圖2所示，輸入WDM光信號I沿著坐標(biāo)y方向傳播，其電矢量振動方向平行于光軸c方向；本地上路的各個光信號IiA(i＝1，2，3，4)沿著晶體101的光軸方向傳播，其電矢量振動方向平行于坐標(biāo)x方向。局域體全息光柵HG1-HG4在晶體101中等間距排列，分別位于WDM光信號I和本地上路光信號I1A-I4A傳輸光路的交點上。體光柵HGi對沿著坐標(biāo)y方向傳輸?shù)男盘柟釯i產(chǎn)生衍射，衍射光沿著晶體101的光軸c方向傳輸且振動方向變?yōu)槠叫杏谧鴺?biāo)y方向；體光柵HGi對沿著坐標(biāo)y方向傳輸?shù)氖Ｓ嘈盘柟夂脱刂w101光軸方向傳輸?shù)谋镜厣下沸盘柟釯iA都是透明的。波分解復(fù)用器(DMUX)的工作原理結(jié)合圖2說明如下WDM信號光I到達體光柵HG1時，信號光I1受到衍射而從WDM光信號I中分離出來，衍射光波沿著晶體101的光軸方向傳播，剩余信號光直接通過體光柵HG1繼續(xù)傳播；同理，體光柵HG2-HG4分別衍射信號光I2-I4，使它們從光信號I中分離出來并分別沿著平行于晶體101光軸方向的不同光路傳播。沿著晶體101光軸c方向傳輸?shù)谋镜厣下返墓庑盘朓iA(i＝1，2，3，4)直接通過體光柵HGi而不受到衍射，其傳輸光路與解復(fù)用光信號Ii的傳輸光路重合。
這樣，利用記錄在單塊結(jié)構(gòu)鈮酸鋰晶體101中不同位置處的若干局域體光柵的布拉格衍射特性，實現(xiàn)了光波分解復(fù)用器DMUX。與在先技術(shù)[1]相比，解復(fù)用后各個光信號在空間上充分分開，彼此之間串?dāng)_較小。與在先技術(shù)[2]相比，從光波分解復(fù)用器DMUX輸出的各個信號光Ii、IiA(i＝1，2，3，4)直接進入集成在同一塊鈮酸鋰晶體101上的電光開關(guān)陣列(EOSWA)中，避免了光信號在分立晶體表面的反射損耗，大大降低了系統(tǒng)的插入損耗。
圖3給出電光開關(guān)(EOSW)的工作原理圖。電極對(ELECTRODE)蒸鍍在鈮酸鋰晶體101的上下表面構(gòu)成了一個電光開關(guān)(EOSW)。解復(fù)用信號光Ii和本地上路信號光IiA(i＝1，2，3，4)在電光開關(guān)中沿著平行于晶體101光軸c的同一光路傳輸，它們在鈮酸鋰晶體101的45°斜面(SLANT)上的入射角都是45°，大于鈮酸鋰晶體的全反射角(約27°)，因而均產(chǎn)生全反射。電極對(ELECTRODE)不加橫向半波電壓時，信號光Ii的振動方向平行于坐標(biāo)y方向，在晶體101的45°斜面(SLANT)上的反射角也是45°，反射光沿著坐標(biāo)x方向傳輸，最后從鈮酸鋰晶體101的上表面垂直射出，標(biāo)記為線路信號輸出光Oi；根據(jù)鈮酸鋰晶體的雙反射規(guī)律，振動方向平行于坐標(biāo)x方向的本地上路信號光IiA在晶體101的45°斜面(SLANT)上的反射角δ大于45°，反射光在晶體101的上表面上再經(jīng)過一次折射后射出，標(biāo)記為本地下路光信號OiD，這對應(yīng)電光開關(guān)(EOSW)的直通狀態(tài)。當(dāng)電極對(ELECTRODE)沿著晶體101的x方向加橫向半波電壓時，晶體的感應(yīng)主軸轉(zhuǎn)動了45°，根據(jù)LiNbO3晶體的橫向電光效應(yīng)，解復(fù)用的信號光Ii和本地上路的信號光IiA在到達晶體101的45°斜面(SLANT)時，振動方向都轉(zhuǎn)動了90°，反射后兩信號光的傳播光路發(fā)生了互換，解復(fù)用信號光Ii從本地下路，變?yōu)楸镜叵侣份敵鲂盘柟釵iD；同時信號光IiA從本地上路，變?yōu)榫€路信號輸出光Oi，這對應(yīng)電光開關(guān)(EOSW)的交叉狀態(tài)。
這樣，通過控制電光開關(guān)陣列(EOSWA)中的各個電光開關(guān)的狀態(tài)，可以動態(tài)地選擇需要直通或者上路、下路的波長信道，并能夠同時上、下路任意路波長信道。具有結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，開關(guān)速度快(可達到ns數(shù)量級)，能夠精確同步等特點。與在先技術(shù)[2]相比，電光開關(guān)陣列集成在同一塊鈮酸鋰晶體上，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了晶體的加工成本，解決了因分立元件而導(dǎo)致的離軸失真的問題；電極對蒸鍍在鈮酸鋰晶體上下表面，加橫向半波電壓時不會對鄰近信道的光信號傳輸產(chǎn)生影響。
本發(fā)明裝置具體參數(shù)如下晶體101是經(jīng)高溫氧化處理的同組分LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu單晶，晶體加工成具有一個45°斜面的長方體，其規(guī)格為50×30×5mm3，晶體的所有表面都進行了光學(xué)拋光。集成在鈮酸鋰晶體101上的光波分解復(fù)用器的規(guī)格為5×30×5mm3，其中記錄的四個局域體光柵HG1-HG4在坐標(biāo)y方向等間距排列，相鄰體光柵之間的距離為7.5mm。集成在鈮酸鋰晶體101上的電光開關(guān)陣列的規(guī)格為45×30×5mm3。蒸鍍在鈮酸鋰晶體101上下表面的電極對規(guī)格為40×4mm2，它們在晶體表面上等間距排列，且分別與對應(yīng)的體光柵對齊。
權(quán)利要求
1.一種單塊鈮酸鋰晶體構(gòu)成的光分插復(fù)用器，其特征在于它是在單塊雙摻雜鈮酸鋰晶體(101)上集成光波分解復(fù)用器(DMUX)和電光開關(guān)陣列(EOSWA)而構(gòu)成，所說的光波分解復(fù)用器(DMUX)由記錄在鈮酸鋰晶體(101)中的若干局域體全息光柵(HG)構(gòu)成，所說的電光開關(guān)陣列(EOSWA)由蒸鍍在鈮酸鋰晶體(101)上下表面的若干電極對(ELECTRODE)構(gòu)成，它們在晶體(101)表面上等間距排列且分別與對應(yīng)的體光柵(HG)對齊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單塊鈮酸鋰晶體構(gòu)成的光分插復(fù)用器，其特征在于所說的雙摻雜鈮酸鋰晶體可以是LiNbO3FeMn或LiNbO3CeCu單晶。
全文摘要
一種單塊鈮酸鋰晶體構(gòu)成的光分插復(fù)用器，其特征在于它是在單塊雙摻雜鈮酸鋰晶體上集成光波分解復(fù)用器和電光開關(guān)陣列而構(gòu)成，所說的光波分解復(fù)用器由記錄在鈮酸鋰晶體中的若干局域體全息光柵構(gòu)成，所說的電光開關(guān)陣列由蒸鍍在鈮酸鋰晶體上、下表面的若干電極對構(gòu)成，它們在晶體表面上等間距排列且分別與對應(yīng)的體光柵對齊。本發(fā)明裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、損耗低、批量生產(chǎn)經(jīng)濟、抗環(huán)境干擾等優(yōu)點。特別適于光通訊器件小型化和集成化發(fā)展的需要。
文檔編號G02F1/01GK1456911SQ03128940
公開日2003年11月19日 申請日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者董前民, 劉立人, 劉德安, 祖繼鋒, 欒竹, 周煜, 任海霞 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所