專利名稱：含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的位置及光的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及嵌入于光波導(dǎo)內(nèi)的傾斜Bragg(布拉格)光柵以及光信號的探測與處理。
背景技術(shù)：
在光纖通信和傳感器系統(tǒng)中，嵌入于光波導(dǎo)內(nèi)的傾斜光纖Bragg光柵是一種將波導(dǎo)內(nèi)的傳導(dǎo)光耦合出光波導(dǎo)的有效方法。傾斜Bragg有許多潛在的應(yīng)用，例如波長監(jiān)測器、光譜分析儀(OSA)或用于測量多模波導(dǎo)的模式功率分布。
光譜分析儀是化學(xué)、物理和生物領(lǐng)域通用的重要的實驗儀器。提高光譜分析儀的靈敏度和分辨率能夠提高分析材料的結(jié)構(gòu)和濃度的能力、擴大光通信系統(tǒng)的容量和可靠性以及提供傳感微弱信號的能力。
直至目前，多模光纖的模式功率分布的測量還非常困難。盡管多模光纖的模式功率分布可以通過近場或遠(yuǎn)場測量的方法獲得，但這種方法依賴于折射率剖面的事先獲得、光纖端面質(zhì)量和光學(xué)系統(tǒng)的對準(zhǔn)，使得這種方法很難應(yīng)用。模式功率分布的測量不但可以應(yīng)用于光纖傳感器，在不久將來的“最后一公里”光通信系統(tǒng)中也將有重要的應(yīng)用，例如控制和確保半導(dǎo)體激光器與多模光纖的對準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置及光的處理方法，用作為光譜儀時，可以提高波長測量的分辨率和光功率測量的靈敏度；用作為多模和少模光波導(dǎo)的模式分別探測時，可以提高模式功率探測的靈敏度。
技術(shù)方案術(shù)語定義“導(dǎo)模”在這里定義為波導(dǎo)內(nèi)的傳播模。普通單模光纖內(nèi)的導(dǎo)模是LP01模。
“包層?！痹谶@里定義為波導(dǎo)的某些模式，其有效折射率小于波導(dǎo)包層的折射率。這些模式是束縛的，表示這些模式的功率局限在波導(dǎo)的周圍并且在與波導(dǎo)傳播方向垂直的方向上無泄漏功率。
“輻射?！被颉拜椛涔饩€”在這里定義為光纖的某些模式，其不完全局限于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。輻射模擴散出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此在波導(dǎo)長度方向的某個位置，該模式在波導(dǎo)內(nèi)的功率可以任意的小。
“非導(dǎo)?！边@里指不是導(dǎo)模的模式，例如包層?；蜉椛淠?。
折射率光柵是“傾斜”的指波導(dǎo)內(nèi)折射率的擾動平面不于導(dǎo)模的傳播方向垂直。
折射率光柵是“啁啾”的指折射率擾動的重復(fù)距離Λ不是常數(shù)而是光波導(dǎo)縱軸方向坐標(biāo)z的函數(shù)。
發(fā)明綜述含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的光學(xué)裝置包括用于傳導(dǎo)光的光波導(dǎo)，分光和聚焦器件，末級聚焦器件、光接收器；其中分光和聚焦器件包括傾斜折射率光柵和初級聚焦器件；傾斜折射率光柵位于光波導(dǎo)內(nèi)部，初級聚焦器件、末級聚焦器件、光接收器沿光路順序設(shè)置并位于光波導(dǎo)的外側(cè)；分光和聚焦器件用于將至少部分光從光波導(dǎo)的一個部位耦合成輻射光束，并將光在至少一個維度上聚焦在中間像平面上的一個局部區(qū)域；末級聚焦器件用于將透過中間像平面的光束在末級像平面上的一個局部區(qū)域聚焦成一個末級像。
在中間像平面上可以設(shè)有空間光調(diào)制器，用以改變被聚焦在中間像平面特定位置的光束的幅度和/或相位。所述的空間光調(diào)制器是一個可調(diào)幅度和/或相位濾波器，或是一個可調(diào)狹縫，或是一個遮光片。分光和聚焦器件中的傾斜折射率光柵可以為一個啁啾且傾斜的位于波導(dǎo)內(nèi)部的折射率光柵，用于將至少部分波長為λi的光從導(dǎo)模mk耦合成輻射模，其中前述的折射率光柵的啁啾可通過選擇使得從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的光在至少一個維度上充分聚焦成中間像平面上對應(yīng)的中間像，該中間像位于中間像平面上的第一個位置。分光和聚焦器件中的傾斜折射率光柵可以是一個波導(dǎo)內(nèi)的超結(jié)構(gòu)傾斜折射率光柵，該超結(jié)構(gòu)光柵包含一個以上不同的傅立葉光柵周期分量，并且能夠?qū)⑺^的波長為λI的光從所謂的導(dǎo)模耦合成多條輻射光束，且這些輻射光束與波導(dǎo)縱軸的夾角有多于一個的不同值。
所述的輻射光束是指從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的光，且該輻射光束被至少在一個維度上被聚焦在中間像平面上的第一個位置。所述光波導(dǎo)是一根光纖。所述光纖為一根多模光纖或單模光纖。所述的光波導(dǎo)適合在至少一個導(dǎo)模mk中傳導(dǎo)波長為λj的光，波長λj與λi不同，所謂的分光和聚焦器件將所謂的波長為λj的光從導(dǎo)模mk耦合成輻射光束并至少在一個維度上聚焦成相應(yīng)的中間像，該中間像位于中間像平面上與第一個位置不同的位置。所述的光波導(dǎo)適合在至少另一個導(dǎo)模m1中傳導(dǎo)波長為λi的光，模式m1與模式mk不同，所謂的分光和聚焦器件將所謂的波長為λi的光從導(dǎo)模m1耦合成輻射光束并至少在一個維度上聚焦成相應(yīng)的中間像，該中間像位于中間像平面上與第一個位置不同的位置。
所述的分光和聚焦器件還包括光耦合裝置，該耦合裝置與光波導(dǎo)共同作用使得包含傾斜折射率光柵的一部分光波導(dǎo)的包層模被充分去除。所述的初級聚焦器件是一個透鏡。所述的初級聚焦器件包含許多分立的且具有合適形狀和位置的透鏡組件，透鏡組件的焦距可不相同。所述的末級聚焦器件是一個透鏡。所述的末級聚焦器件包含許多分立的且具有合適形狀和位置的透鏡組件，透鏡組件的焦距可不相同。所述的光接收器包含一個光纖或一個光探測器或一個光探測器陣列或一個光纖陣列。
含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的光學(xué)裝置的光信號特性的處理方法，所述的光信號特性包括光波長或特定波長光的功率或一個波長范圍內(nèi)光的功率或某個導(dǎo)模的功率或多于一個的導(dǎo)模的功率或這些特性的任意組合，該處理方法包括1).從光波導(dǎo)的一個部位將至少部分波導(dǎo)內(nèi)的傳導(dǎo)光耦合成輻射光束；2).將所述的光束在至少一個維度上聚焦于中間像平面的一個局部區(qū)域；3).將來自中間像平面的光束在末級像平面上聚焦成一個像；4).探測已聚焦在末級像平面上的像。
在中間像平面上用空間光調(diào)制器對光束的幅度和/或相位進行改變。
本發(fā)明的第一個一般特征是，提供了一種光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置包括一個光波導(dǎo)用以傳導(dǎo)光；一個分光裝置和聚焦器件用以將部分傳導(dǎo)光耦合成輻射光束并至少在一個維度上聚焦于中間像平面上；一個末級聚焦器件將來自中間像平面的光束聚焦于末級像平面上。
在第一個特征的一個實例中，分光裝置和聚焦器件包括一個波導(dǎo)內(nèi)的傾斜折射率光柵用以將至少部分波長為λi的光從導(dǎo)模mk耦合成輻射光束；一個初級聚焦器件將從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的輻射光在至少一個維度上聚焦成中間像平面上的相應(yīng)的中間像，且該中間像位于中間像平面上的第一個位置。
在第一個特征的另一個實例中，分光裝置和聚焦器件包括一個波導(dǎo)內(nèi)的啁啾的傾斜折射率光柵，用以將至少部分波長為λi的光從導(dǎo)模mk耦合成輻射模，其中所述的折射率光柵具有可選定的啁啾使得從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的輻射光線在至少一個維度上聚焦成中間像平面上的相應(yīng)的中間像，且該中間像位于中間像平面上的第一個位置。
在第一個特征的另一個實例中還另外包括一個空間光調(diào)制器用以改變光束的幅度和/或相位，該光束被聚焦在中間像平面的特定位置。
在第一個特征的另一個實例中還另外包括一個光接收器用以探測被聚焦到末級像平面的光。
在第一個特征的另一個實例中，波導(dǎo)內(nèi)的傾斜折射率光柵是一個超結(jié)構(gòu)(Superstructure)傾斜折射率光柵，該超結(jié)構(gòu)傾斜折射率光柵具有多于一個的不同的傅立葉分量，能夠?qū)⒉ㄩL為λi的光從一個導(dǎo)模耦合到多于一個的輻射光束，且這些輻射光束與光纖縱軸的夾角有多于一個的不同值。
在第一個特征的另一個實例中，從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的光至少在一個維度上被聚焦于中間像平面上的第一個位置。
在第一個特征的另一個實例中，光波導(dǎo)還能夠傳導(dǎo)波長為λj且不同于λi的至少一個導(dǎo)模mk，所述的分光裝置和聚焦器件將至少部分波長為λj的光從導(dǎo)模mk耦合成輻射光束，該輻射光束在至少一個維度上聚焦成中間像平面上的相應(yīng)的中間像，且該中間像位于中間像平面上的位置不同于第一個位置。
在第一個特征的另一個實例中，光波導(dǎo)還能夠傳導(dǎo)波長為λi的另一個導(dǎo)模m1，且導(dǎo)模m1不同于導(dǎo)模mk，所述的分光裝置和聚焦器件將至少部分波長為λI的光從導(dǎo)模m1耦合成輻射光束，該輻射光束在至少一個維度上聚焦成中間像平面上的相應(yīng)的中間像，且該中間像位于中間像平面上的位置不同于第一個位置。
在第一個特征的另一個實例中，光波導(dǎo)是一個光纖。
在第一個特征的另一個實例中，光波導(dǎo)是一個多模光纖。
在第一個特征的另一個實例中，光波導(dǎo)是一個單模光纖。
在第一個特征的另一個實例中，所述的分光裝置和聚焦器件還包括耦合裝置，該耦合裝置與光波導(dǎo)共同作用使得包含傾斜折射率光柵的一段光波導(dǎo)的包層模消失。
在第一個特征的另一個實例中，所述的耦合裝置包含一個對使用波長透明的部分。
在第一個特征的另一個實例中，所述的空間光調(diào)制器是一個可調(diào)幅度和/或相位濾波器。
在第一個特征的另一個實例中，所述的空間光調(diào)制器是一個可調(diào)狹縫。
在第一個特征的另一個實例中，所述的初級聚焦器件是一個透鏡。
在第一個特征的另一個實例中，所述的透鏡包含多個具有合適的形狀和位置、分立的且焦距不同的部分。
在第一個特征的另一個實例中，所述的末級聚焦器件是一個透鏡。
在第一個特征的另一個實例中，光接收器是一個包含一個光纖或一個光探測器或一個光探測器陣列或一個光纖陣列或一個光纖、一個光纖陣列、一個光探測器、一個光探測器陣列的任意組合。
本發(fā)明的第二個特征提供了一種探測光信號特性的方法，該方法包括將至少部分傳導(dǎo)光從波導(dǎo)的一個部位耦合成輻射光束；將該輻射光束在至少一個維度上聚焦在中間像平面上的一個位置；將來自中間像平面的光束聚焦成末級像平面上的一個像。
在第二個特征的一個實例中，該方法還包括用空間濾波器在中間像平面上對光束進行濾波。
在第二個特征的另一個實例中，光信號特性包括光波長或特定波長光的功率或一個波長范圍內(nèi)光的功率或某個導(dǎo)模的功率或多于一個的導(dǎo)模的功率或這些特性的任意組合。
本發(fā)明的第三個特征提供了一種測定光信號特性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有本發(fā)明第一個特征的裝置用以探測波導(dǎo)內(nèi)光信號的特性；處理方式用以根據(jù)末級像測定光信號特性。
通過下面的對本發(fā)明實施例的描述和附圖，具有本行業(yè)的一般知識的人能夠明白本發(fā)明的其它特征和特性。
有益效果由于本發(fā)明將經(jīng)過中間像的輻射光束聚焦在末級像平面的一個末級像上，因此末級像的單位面積上的光強比對應(yīng)的中間像要強，用光敏面一定的光接收器探測末級像比探測中間像有更大的響應(yīng)輸出，因此整個裝置的光探測的靈敏度提高了。而如果用于探測的光強較低，由于空間雜散背景光和光接收器內(nèi)部噪聲的影響，光探測的精度就下降了，測量誤差增大。光探測靈敏度的提高，使得光纖導(dǎo)模內(nèi)的光較弱的情況下，末級像單位面積內(nèi)的光強仍足夠用于被光接收器以足夠的測量精度探測。通常，光譜儀是用來測量一個光譜范圍內(nèi)每個波長對應(yīng)的光功率，隨著波長分辨率的提高，需要測量的每個光波長對應(yīng)的波長范圍相應(yīng)變小，因此光功率就下降。在用傾斜光纖光柵構(gòu)成的光譜儀中，如果光探測的靈敏度提高，就可以在波長分辨率很高的情況下，仍有足夠的光用于被光接收器以足夠的測量精度探測，因此裝置靈敏度的提高可以使得光譜儀具有更高的波長分辨率。此外，光探測的靈敏度也是光學(xué)裝置的一個重要的性能參數(shù)，光探測靈敏度的提高，使得裝置在光強較弱的情況下也能工作。
本發(fā)明的裝置還可以利用從不同的導(dǎo)?；虮徊煌墓鈻鸥盗⑷~分量耦合出的光束在末級像的干涉提供很多新的應(yīng)用或進一步提高性能。例如，用本發(fā)明的裝置測量光纖內(nèi)光的波長時，根據(jù)末級像干涉條紋的間距計算光波長值，可以得到更高的波長分辨率。也可以對干涉圖像作傅立葉變換等處理，提高波長測量的分辨率。在中間像平面設(shè)置空間光調(diào)制器，用以改變聚焦在中間像平面上的光束的相位或者選擇是部分光透過或者使部分光的強度發(fā)生變化，可以提高末級像干涉條紋的對比度，從而提高波長測量的分辨率。
本發(fā)明的裝置用于測量光纖的各個導(dǎo)模內(nèi)的光時，不同導(dǎo)模內(nèi)的光被聚焦在中間像平面上的不同位置。在中間像平面上設(shè)置的空間光調(diào)制器可以選擇從一個導(dǎo)模耦合出的光束透過，并被聚焦在末級像平面上的一個很小的區(qū)域，形成末級像?？臻g光調(diào)制器的使用使得透過中間像平面的從一個導(dǎo)模耦合出的光束與從其他導(dǎo)模耦合出的光束在空間完全分離，因此就可以對此光束進行獨立的空間傳輸或測量。當(dāng)從一個導(dǎo)模耦合出的光束被聚焦在末級像的一個很小的區(qū)域，其單位面積內(nèi)的光強很大，便于光接收器的探測，使得即使光強很弱的導(dǎo)模內(nèi)的光信號也可被探測。
本發(fā)明中使用的空間光調(diào)制器可以有許多不同的形式，可以提供許多不同的性能。例如，不同波長的輻射光束被聚焦在中間像平面上的不同位置，其位置與波長有關(guān)。如果用光探測器陣列在中間像平面上檢測中間像的位置，受光探測器陣列中單個光探測器的外形尺寸的限制(目前的單個光探測器的尺寸均大于1個微米)，中間像位置的分辨精度不能小于單個光探測器的外形尺寸。如果使用空間光調(diào)制器，例如使用一個與中間像形狀匹配的移動的狹縫作為空間光調(diào)制器，使狹縫在中間像平面上移動，從狹縫透過的光束被聚焦在末級像上，同時探測末級像的光強，這樣就可以探測中間像的位置。這里用作為空間光調(diào)制器的狹縫實際上是一個空間光濾波器，可以用壓電晶體驅(qū)動的微調(diào)架控制狹縫的位移，由于目前壓電晶體驅(qū)動的微調(diào)架的位移精度已經(jīng)達(dá)到1個納米或更小，因此用本發(fā)明探測中間像位置的方法顯著地由于直接在中間像平面上用光接收器探測的方法。因此本發(fā)明用于測量光波長時具有很高的波長分辨率。


圖1是本發(fā)明的一個實例對應(yīng)的光學(xué)裝置的示意圖，包含一個傾斜光柵和初級聚焦器件。
圖2是本發(fā)明的另外實例之一對應(yīng)的光學(xué)裝置的示意圖，包含一個啁啾的傾斜光柵。
圖3是本發(fā)明的另外實例之二對應(yīng)的光學(xué)裝置的示意圖，包含一個傾斜光柵和多模光纖。
圖4是本發(fā)明的另外實例之三對應(yīng)的光學(xué)裝置的示意圖，包含一個傾斜光柵和單模光纖。
圖5是本發(fā)明的另外實例之三對應(yīng)的光學(xué)裝置的示意圖，包含一個單模光纖和一個超結(jié)構(gòu)光柵。
以上的圖中有光波導(dǎo)11、芯13、包層15、光柵17、光耦合裝置19、分光和聚焦器件20、初級聚焦器件21、空間光調(diào)制器23、中間像平面25、末級聚焦器件27、末級像平面28、光接收器29、輻射光線31、中間像33、末級像35、啁啾的傾斜光柵43、折射率匹配物質(zhì)47、光耦合裝置49、表面50、初級聚焦凸透鏡51、末級聚焦凸透鏡53、導(dǎo)模mk的輻射光束55、導(dǎo)模mk的輻射光束的中間像56、導(dǎo)模m1的輻射光束57、導(dǎo)模m1的輻射光束的中間像58、第一個傅立葉分量耦合出的輻射光束65、第一個傅立葉分量耦合出的輻射光束的中間像66、第二個傅立葉分量耦合出的輻射光束67、第二個傅立葉分量耦合出的輻射光束的中間像68、超結(jié)構(gòu)傾斜光柵70、波長為λi的輻射光束81、波長為λj的輻射光束83、波長為λi的輻射光束的中間像82、波長為λj的輻射光束的中間像84。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的一個實例對應(yīng)的光學(xué)裝置的例子的示意圖。光波導(dǎo)11包括一個芯13和包層15。一個傾斜折射率光柵(以下簡稱“光柵”)17用常規(guī)的方法制作在光波導(dǎo)11中。例如，光波導(dǎo)11是一個常規(guī)的石英光纖，光柵17用相位掩膜板或光全息的方法寫入光纖。傾斜光柵17可通過選擇使其能夠?qū)⒃O(shè)定光波長范圍內(nèi)(例如包含波長λi)的一個或多個導(dǎo)模耦合成輻射模。如果使用一個光耦合裝置19則更為有利，它與光波導(dǎo)11共同作用，使得光波導(dǎo)11的包層15不具有束縛光的特性。從光波導(dǎo)11耦合出來的光成為輻射光線31。一個初級聚焦器件21將輻射光線31在至少一個維度上聚焦成中間像平面25上預(yù)定位置的中間像33。在中間像平面上一個空間光調(diào)制器23控制輻射光31的幅度和/或相位。中間像33在中間像平面25上的位置取決于輻射光31的波長以及被耦合至輻射光31的導(dǎo)模的有效折射率。傾斜光柵17、光耦合裝置19和初級聚焦器件協(xié)同工作，構(gòu)成了分光和聚焦器件20。末級聚焦器件27將透過空間光調(diào)制器23的光在末級像平面28上的局部區(qū)域聚焦成一個末級像35，使得用于探測的光強顯著提高，探測的靈敏度也有很大的提高。光接收器29用于接收經(jīng)末級聚焦器件27聚焦的光。聚焦的光可以按一些方式進行利用，例如，在一些實例中，光被光探測器探測并用以測量光強。
在圖1中，光波導(dǎo)11可以是能夠?qū)Ч獾娜魏谓Y(jié)構(gòu)。例如，石英光纖、聚合物光纖或集成光波導(dǎo)。在一些實例中，光波導(dǎo)11是多模波導(dǎo)。波長為λi的光從導(dǎo)模mk耦合出光纖，同樣波長的光從導(dǎo)模m1耦合出光纖，且導(dǎo)模m1的有效折射率不同于導(dǎo)模mk，從有效折射率不同的導(dǎo)模耦合出的光被聚焦成的中間像在中間像平面25上處于不同的位置，從有效折射率不同的導(dǎo)模耦合出的光在末級像上干涉。
在一些實例中，光波導(dǎo)11是單模波導(dǎo)。傾斜光柵可以具有至少兩個不同的傅立葉周期分量。波長為λi的光從波導(dǎo)11耦合出來，被聚焦在中間像平面25上的不同位置，中間像的位置對應(yīng)于傾斜光柵的傅立葉分量。對應(yīng)于傾斜光柵的不同傅立葉周期分量的輻射光線在末級像35上干涉。
在一些實例中，可以通過選擇傾斜光柵使其在沒有光耦合裝置19的情況下將導(dǎo)模耦合成輻射模，光耦合裝置19可以省略。例如，光波導(dǎo)11中的傾斜光柵17的傾斜角足夠大，使得其在沒有耦合裝置19的情況下將導(dǎo)模耦合成輻射模。
在使用光耦合裝置19的實例中，光耦合裝置19對于使用波長是充分透明的。
在一些實例中，中間像平面25位于初級聚焦器件21的焦平面上。
在一些實例中，初級聚焦器件21是一個具有合適形狀和焦距的透鏡。在一些實例中，初級聚焦器件21由一些分立的具有合適形狀并置于合適位置的透鏡組成，這些透鏡可以具有不同的焦距。在一些實例中，初級聚焦器件包含一個圓柱狀透鏡。
在一些實例中，末級聚焦器件27是一個具有合適形狀和焦距的透鏡。在一些實例中，末級聚焦器件27由一些分立的具有合適形狀并置于合適位置的透鏡組成，這些透鏡可以具有不同的焦距。在一些實例中，末級聚焦器件包含一個圓柱狀透鏡。
在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個靜態(tài)的調(diào)制器。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個實時調(diào)制器。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個狹縫或一個具有合適形狀的開孔。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個光楔。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個光色散器件。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個電光相位調(diào)制器。在一些實例中，空間光調(diào)制器23可以省略。
在一些實例中，光接收器29是一個光探測器。在一些實例中，光接收器29是一個光探測器陣列。在一些實例中，光接收器29是一根光纖。在一些實例中，光接收器29用光纖將光傳導(dǎo)至光探測器。在一些實例中，光纖用于復(fù)用/解復(fù)用接收到的光信號。
再看圖1，首先，末級聚焦器件27將透過空間光調(diào)制器23的光聚焦成末級像平面28上一個小區(qū)域內(nèi)的末級像35，使得被探測的光強提高，從而得到高的靈敏度。另外，從光波導(dǎo)11被耦合出的光被初級聚焦器件21聚焦成中間像平面上的一個或多個條紋。位于中間像平面25上的空間光調(diào)制器23與光接收器29協(xié)同工作，能夠精確判斷中間像的位置，從而能夠以高的分辨率獲知光束的波長。總之，圖一的裝置既具有很高的靈敏度，又具有很高的波長分辨率。
有許多空間光調(diào)制器可以用來控制的光束的幅度和/或相位，從而能夠?qū)崿F(xiàn)許多有利的功能。舉其一例，空間光調(diào)制器23是一個形狀與中間像的形狀匹配的狹縫。將狹縫在中間像平面25上移動，同時光接收器29協(xié)同工作，可以精確測量光條紋的位置，從而能夠獲得很高的條紋分辨率。舉其另一例，波長為λ的光從2個有效折射率不同的導(dǎo)模耦合出，在末級像平面上干涉。干涉條紋被光接收器29探測并用于進一步提高波長分辨率。
在一些實例中，遮光型斬波器可以被置于波導(dǎo)11外光束路徑上的任何位置，用以調(diào)制光的強度，從而進一步提高光探測的靈敏度。
另一些實例在圖2到圖5的一系列圖中描述。
參照圖2，所示的裝置與圖1所示的裝置有2個不同。一個不同之處是，圖2中沒有初級聚焦器件21。另外的不同之處是，圖1中的折射率光柵17，
在圖2中是一個啁啾的傾斜光柵43。一個導(dǎo)模中的光被啁啾的傾斜光柵43耦合出光纖，并在至少一個維度上聚焦于光耦合裝置的外面。圖1的裝置的所有應(yīng)用和功能都能由圖2的裝置實現(xiàn)。啁啾的傾斜光柵43和光耦合裝置19協(xié)同工作，構(gòu)成分光裝置和耦合器件20。
圖3是一個與圖1的裝置類似的實例的例子。光波導(dǎo)是一個傳統(tǒng)的多模光纖8，具有纖芯10和包層9。光纖8中有傾斜光柵17。折射率匹配物質(zhì)47和光耦合裝置49使包層不再是束縛光的結(jié)構(gòu)，使那些被傾斜光柵17耦合出的光不再耦合入包層模，而是向離開光纖8的方向傳播。折射率匹配物質(zhì)47的折射率可以選擇為相等或接近于包層19的折射率。初級聚焦凸透鏡51是一個實現(xiàn)圖1中初級聚焦器件21的功能的器件的例子。在一些實例中，初級聚焦凸透鏡51具有一個焦距，中間像平面25與透鏡的焦平面一致。在一些實例中，空間光調(diào)制器23被置于初級聚焦凸透鏡51的焦平面上。末級聚焦凸透鏡53是一個實現(xiàn)圖1中末級聚焦器件27的功能的器件的例子，它將透過空間光調(diào)制器23的光聚焦成末級像35。光接收器29用于探測末級像35。
導(dǎo)模mk的輻射光束55表示從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的光束。導(dǎo)模m1的輻射光束57表示從導(dǎo)模m1耦合出的波長為λi的光束。導(dǎo)模mk和m1的有效折射率不同。導(dǎo)模mk的輻射光束55被聚焦成中間像平面25上的導(dǎo)模mk的輻射光束的中間像56。導(dǎo)模m1的輻射光束57被聚焦成中間像平面25上的導(dǎo)模m1的輻射光束的中間像58，導(dǎo)模m1的輻射光束的中間像58與導(dǎo)模mk的輻射光束的中間像56在中間像平面25上的位置不同。
在一些實例中，折射率匹配物質(zhì)47是Cargill油。然而，Cargill油并非唯一合適的折射率匹配物質(zhì)47。在一些實例中，可以使用其他的折射率匹配物質(zhì)。例如，折射率匹配樹脂也可以用于將光耦合裝置49與光纖8粘結(jié)。
在一些實例中，光耦合裝置49是一塊折射率等于或接近折射率匹配物質(zhì)47且對使用波長透明的材料。例如，在一些實例中，光耦合裝置49是一個玻璃棱鏡，光束可以從這塊材料(此處指棱鏡)的表面50出射。
圖3的裝置有許多不同的配置方案，使用一些特定的空間光調(diào)制器23和光接收器29。例如，在一個測量多模光纖模式功率分布的裝置中，光纖8是一個具有n個導(dǎo)模的多模光纖，這n個導(dǎo)模的有效折射率互不相同。從這n個導(dǎo)模耦合出的光束被聚焦成中間像平面25上的相應(yīng)的中間像56/58，這n個中間像的位置互不相同。
在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個形狀與中間像匹配的狹縫。將狹縫在中間像平面25上移動，可以使得從任何一個導(dǎo)模耦合出的光束被選擇通過狹縫。因此，可以使得從任何一個導(dǎo)模耦合出的光束可以被分離出來并被光接收器29分別探測。空間光調(diào)制器不僅限于狹縫這一種。例如在另外的一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個不透明的遮光片，其部分邊沿的形狀與中間像56、58的形狀匹配。
另一個例子是一個光譜儀，光束從至少2個導(dǎo)模耦合出并被聚焦成相應(yīng)的中間像56、58。從中間像56、58透過的光束被聚焦成末級像并相互干涉。干涉條紋和光功率可以被光接收裝置29接收。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個控制光束相位的光楔(劈尖)。在一些實例中，空間光調(diào)制器23可以省略。
圖4是圖1所提供的發(fā)明的另一個實例，其中光波導(dǎo)是一個單模光纖34。單模光纖34包括一個波導(dǎo)芯37和包層32。光纖34中制作了一個傾斜光柵。折射率匹配物質(zhì)47和光耦合裝置49與傾斜光柵共同作用，將光從一個導(dǎo)模耦合成一個或多個輻射光束。圖1中的初級聚焦器件用一個初級聚焦初級聚焦凸透鏡51初級聚焦初級聚焦凸透鏡51來實現(xiàn)，初級聚焦凸透鏡51初級聚焦初級聚焦凸透鏡51將光束在中間像平面25上聚焦成中間像。在一些實例中，空間光調(diào)制器被置于中間像平面25上。圖1中末級聚焦器件27用第二個末級聚焦凸透鏡53來實現(xiàn)，末級聚焦凸透鏡53用于將透過空間光調(diào)制器23的光束聚焦成末級像35。光接收器用于接收末級像。
波長為λi的輻射光束81表示從光纖34耦合出的波長為λi的光束，波長為λj的輻射光束83表示從光纖34耦合出的波長為λj的光束，且波長λi與波長λj不同。中間像在中間像平面上的位置由波長決定。波長為λi的輻射光束81被聚焦成中間像平面25上波長為λi的輻射光束的中間像82。波長為λj的輻射光束83被聚焦成中間像平面25上波長為λj的輻射光束的中間像84。在中間像平面上，波長為λi的輻射光束的中間像82的位置與波長為λj的輻射光束的中間像84不同。
圖4的裝置有許多不同的配置方案，使用一些特定的空間光調(diào)制器23和光接收器29。例如，作為一個光譜儀，一個預(yù)定波長范圍內(nèi)的光在光纖34中傳播。從光纖34耦合出的不同波長的光束被聚焦成中間像平面上不同位置的相應(yīng)的中間像。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個形狀與中間像匹配的狹縫。通過將狹縫在中間像平面25上掃描，不同波長的光束可以被選擇濾波、透過空間光調(diào)制器23。從而，使得特定波長光束的光功率可以被光接收器29分別接收。空間光調(diào)制器23不僅限于可掃描的狹縫。例如，在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個不透明遮光片，其部分邊緣的形狀與中間像匹配。
其另一例，作為一個光譜儀，波長為λ的光在光纖34中傳導(dǎo)?？臻g光調(diào)制器具有合適的形狀使得透過空間光調(diào)制器23的光束的光功率取決與波長λ。透過空間光調(diào)制器23的光束被末級聚焦器件53聚焦并被光接收器29接收。光接收器29的輸出可以用來判斷波長λ的值。
圖5是圖1所提供的發(fā)明裝置的另一個實例，其中包括一個單模光纖34和一個超結(jié)構(gòu)傾斜光柵70。單模光纖34包括一個波導(dǎo)芯37和包層32。光纖34中制作了一個超結(jié)構(gòu)傾斜光柵70，該超結(jié)構(gòu)傾斜光柵70具有至少2個分立的傅立葉周期分量。圖5中其余的物質(zhì)器件與圖4類似，他們的工作方式也一致。光柵70將光耦合出光纖34，中間像平面上中間像的位置取決于光波長和將這部分光耦合出光纖的對應(yīng)的光柵傅立葉分量。
第一個傅立葉分量耦合出的輻射光束65表示超結(jié)構(gòu)光柵70的第一個傅立葉分量耦合出的波長為λ的光束。第二個傅立葉分量耦合出的輻射光束67表示超結(jié)構(gòu)光柵70的第二個傅立葉分量耦合出的波長為λ的光束。從空間光調(diào)制器23透過的光束被聚焦成末級像35并相互干涉。干涉條紋和光功率被光探測器29接收。在一些實例中，空間光調(diào)制器23是一個控制光束相位的光楔(劈尖)。在一些實例中，空間光調(diào)制器23可以省略。
在一些實例中，圖1到圖5的裝置可以和信號和結(jié)果處理裝置聯(lián)合工作，該信號和結(jié)果處理裝置能夠利用和顯示光學(xué)裝置的探測和測量結(jié)果。所需的信號和結(jié)果處理能力可以由一些硬件和(或)軟件方式提供。處理能力可由一個處理單元執(zhí)行。處理單元的一些例子如下，一個專用集成電路(ASICapplication specific integrated circuit)或一個含有硬件數(shù)字邏輯的微處理器或能夠利用計算機可存取的內(nèi)存內(nèi)的算法代碼進行數(shù)學(xué)計算的數(shù)字信號處理芯片。這些例子并不是用來限制本發(fā)明，而是提供了一些實例中用以判別期望結(jié)果的處理單元的一些例子。
如圖1中的標(biāo)號，在圖3、圖4、圖5的一些實例中光接收器29是一個光探測器。在一些實例中，光探測器29是一個光探測器陣列用以進一步提高波長分辨率。
根據(jù)上述的說明，本發(fā)明可以由很多的變型和變化。因此，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明的實行可與這里描述的由所不同。
權(quán)利要求
1.一種含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于該裝置包括用于傳導(dǎo)光的光波導(dǎo)(11)，分光和聚焦器件(20)，末級聚焦器件(27)、光接收器(29)；其中分光和聚焦器件(20)包括傾斜折射率光柵(17)、和初級聚焦器件(21)；傾斜折射率光柵(17)位于光波導(dǎo)(11)內(nèi)部，初級聚焦器件(21)、末級聚焦器件(27)、光接收器(29)沿光路順序設(shè)置并位于光波導(dǎo)(11)的外側(cè)；分光和聚焦器件(20)用于將至少部分光從光波導(dǎo)(11)的一個部位耦合成輻射光束(31)，并將光在至少一個維度上聚焦在中間像平面(25)上的一個局部區(qū)域；末級聚焦器件(27)用于將透過中間像平面(25)的光束在末級像平面(28)上的一個局部區(qū)域聚焦成一個末級像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于在中間像平面(25)上設(shè)有空間光調(diào)制器(23)，用以改變被聚焦在中間像平面特定位置的光束的幅度和/或相位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器(23)是一個可調(diào)幅度和/或相位濾波器，或是一個可調(diào)狹縫，或是一個遮光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，分光和聚焦器件(20)中的傾斜折射率光柵(17)為一個啁啾且傾斜的位于波導(dǎo)內(nèi)部的折射率光柵，用于將至少部分波長為λi的光從導(dǎo)模mk耦合成輻射模，其中前述的折射率光柵的啁啾可通過選擇使得從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的光在至少一個維度上充分聚焦成中間像平面上對應(yīng)的中間像，該中間像位于中間像平面上的第一個位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，分光和聚焦器件(20)中的傾斜折射率光柵(17)是一個波導(dǎo)內(nèi)的超結(jié)構(gòu)傾斜折射率光柵，該超結(jié)構(gòu)光柵包含一個以上不同的傅立葉周期分量，并且能夠?qū)⑺^的波長為λi的光從所謂的導(dǎo)模耦合成多條輻射光束，且這些輻射光束與波導(dǎo)縱軸的夾角有多于一個的不同值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，所述的輻射光束(31)是指從導(dǎo)模mk耦合出的波長為λi的光，且該輻射光束(31)被至少在一個維度上被聚焦在中間像平面上的第一個位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，所述光波導(dǎo)(11)是一根光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，所述光纖為一根多模光纖或單模光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，所述的光波導(dǎo)(11)適合在至少一個導(dǎo)模mk中傳導(dǎo)另一個波長為λj的光，波長λj與λi不同，所謂的分光和聚焦器件(20)將所謂的波長為λj的光從導(dǎo)模mk耦合成輻射光束(31)并至少在一個維度上聚焦成相應(yīng)的中間像，該中間像位于中間像平面上與第一個位置不同的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，所述的光波導(dǎo)(11)適合在至少另一個導(dǎo)模m1中傳導(dǎo)波長為λi的光，模式m1與模式mk不同，所謂的分光和聚焦器件(20)將所謂的波長為λi的光從導(dǎo)模m1耦合成輻射光束(31)并至少在一個維度上聚焦成相應(yīng)的中間像，該中間像位于中間像平面上與第一個位置不同的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于，所述的分光和聚焦器件(20)還包括光耦合裝置(19)，該耦合方式與光波導(dǎo)共同作用使得包含傾斜折射率光柵的一部分光波導(dǎo)的包層模被充分去除。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于所述的初級聚焦器件(21)是一個透鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于所述的初級聚焦器件(21)包含許多分立的且具有合適形狀和位置的透鏡組件，透鏡組件的焦距可不相同。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于所述的末級聚焦器件(27)是一個透鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于所述的末級聚焦器件(27)包含許多分立的且具有合適形狀和位置的透鏡組件，透鏡組件的焦距可不相同。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置，其特征在于所述的光接收器(29)包含一個光纖或一個光探測器或一個光探測器陣列或一個光纖陣列。
17.一種如權(quán)利要求1所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的裝置的光的處理方法，其特征在于所述的光信號特性包括光波長或特定波長光的功率或一個波長范圍內(nèi)光的功率或某個導(dǎo)模的功率或多于一個的導(dǎo)模的功率或這些特性的任意組合，該處理方法包括1).從光波導(dǎo)(11)的一個部位將至少部分波導(dǎo)內(nèi)的傳導(dǎo)光耦合成輻射光束；2).將所述的光束在至少一個維度上聚焦于中間像平面(25)的一個局部區(qū)域；3).將來自中間像平面的光束在末級像平面(28)上聚焦成一個像；4).探測已聚焦在末級像平面(28)上的像。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的含有光波導(dǎo)內(nèi)嵌入式傾斜布拉格光柵的光學(xué)裝置的光的處理方法，其特征在于在中間像平面(25)上用空間光調(diào)制器(23)對光束的幅度和/或相位進行改變。
全文摘要
本發(fā)明的一般(或廣泛、廣義)特征是一個光學(xué)裝置，該裝置中有一個光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)中有一個傾斜光柵使得至少部分光從導(dǎo)模耦合入一個或多個輻射光束。傾斜光柵輻射出的光被聚焦成中間像平面上預(yù)定位置的中間像，中間像的位置取決于光波長以及光所耦合出的導(dǎo)模的有效折射率。本發(fā)明可以在中間像平面上放置一個空間光調(diào)制器用以控制光束的相位和(或)幅度。更為顯著的是，本發(fā)明還包含了一個末級聚焦器件用以將從空間光調(diào)制器透過的光聚焦成局部區(qū)域內(nèi)的末級像，從而使得光強提高，也就提高了探測的靈敏度，該末級聚焦器件可以是一個透鏡。該發(fā)明還包含了一個光接收器，該光接收器可以是光纖或光探測器或用以探測末級像的光探測器陣列。
文檔編號G02B6/34GK1869747SQ20051011955
公開日2006年11月29日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者楊春, 徐長青 申請人:東南大學(xué), 麥克馬斯特大學(xué)