集成光学系统、光学方法及光学系统设计装置.pdf

本发明公开了一种集成光学系统、光学方法及光学系统设计装置，包含一个第一分支，它能够让光以正向和反向传送，第一分支包含一个具有第一折射率(n1)的第一媒质(medium)，以及一个第一端点和一个第二端点；还包括一个第二分支，能够让光以正向传送，第二分支包含一个具有第二折射率(n2，其中n2＜n1)的第二媒质，以及一个第一端点和一个第二端点，第二分支的第二端点会进一步与第一分支结合而形成一个角度(θ2)。使用时，θ1≥sin－1 (n2/n1)以防止通过第一分支的反向光进入第二分支，其中θ1是从第一分支反向进入第二分支的入射角。

1、  一种光学系统，包括：
一个第一分支，能够使光以正向和反向传送，第一分支包含一个具有第一折射率(n₁)的第一媒质(medium)，以及一个第一端点和一个第二端点；
一个第二分支，能够使光以正向传送，第二分支包含一个具有第二折射率(n₂)的第二媒质，以及一个第一端点和一个第二端点，第二分支的第二端点与第一分支结合而形成一个角度(θ₂)，从第一分支反向进入第二分支的光形成入射角(θ₁)；
其中n₂＜n₁，且θ₁≥sin^-1(n₂/n₁)，以防止通过第一分支的反向光进入第二分支。

2、  如权利要求1所述的光学系统，其中第一分支与第二分支组成Y形连接。

3、  如权利要求1所述的光学系统，其中第一分支与第二分支组成K形连接。

4、  如权利要求1所述的光学系统，其中第一分支与第二分支组成X形连接。

5、  如权利要求3所述光学系统，其中有一额外的端口，用于对光学系统进行输出监督与反馈控制。

6、  如权利要求4所述的光学系统，其中有一额外的端口，用于对光学系统进行输出监督与反馈控制。

7、  如权利要求1所述的光学系统，其中第一分支包含一个光吸收器，以吸收反向通过而没有进入第二分支的光。

8、  如权利要求1所述的光学系统，其中第一分支与第二分支之间的隔离作用偏振无关。

9、  如权利要求1所述的光学系统，其中一分支某一端点的数值孔径可调低，以增加隔离效果。

10、  如权利要求1所述的光学系统，其中一分支的透射区可减少，以增加隔离效果。

11、  如权利要求1所述的光学系统，其中可放置一光扼束器于第一分支的一端点，以增加隔离效果。

12、  如权利要求1所述的光学系统，其中可放置一光扼束器于第二分支的一端点，以增加隔离效果。

13、  如权利要求1所述的光学系统，其中光学系统作为一个光隔离器。

14、  如权利要求13所述的光学系统，可进一步将光隔离器结合一个波长选择器，以形成一个多光复用分解器。

15、  如权利要求1所述的光学系统，其中光学系统可作为一个光衰减器。

16、  如权利要求1所述的光学系统，其中第一分支与第二分支有长方形横断面。

17、  如权利要求1所述的光学系统，其中第一分支与第二分支组成一个第一光隔离器，并进一步将第二光隔离器与第一光隔离器集成。

18、  如权利要求17所述的光学系统，其中形成一光耦合器。

19、  如权利要求17所述的光学系统，其中第一光隔离器和第二光隔离器与第三光隔离器集成，从而形成一光循环器。

20、  如权利要求18所述的光学系统，其中光耦合器作为光插多路复用器。

21、  如申请专利范围第18项之光学系统，其中光耦合器可作为偏振光复合器。

22、  如申请专利范围第18项之光学系统，其中光耦合器可作为光插入器。

23、  如申请专利范围第18项之光学系统，其中可在光耦合器中加入一Y形分离器，而形成一N×M的光耦合器。

24、  如权利要求19所述的光学系统，可进一步将循环器结合一个波长选择器，从而形成一多光复用分解器。

25、  如权利要求1所述的光学系统，其中系统至少包含波导、光纤、微光或光子晶体中的一项。

26、  一种偏光系统，包括：
一个第一分支，第一分支包含一个具有第一折射率(n₁)的第一媒质，以及一个第一端点和一个第二端点；
一个第二分支，第二分支包含一个具有第二折射率(n₂)的第二媒质；
其中第一分支与第二分支形成一偏光器。

27、  如权利要求26所述的光学系统，其中系统至少包含波导、光纤、微光或光子晶体中的一项。

28、  一种光学方法，包含：
让光通过第一分支，此第一分支能够让光以正向和反向传送，第一分支包含一个具有第一折射率(n₁)的第一媒质，以及一个第一端点和一个第二端点；
让光通过第二分支，此第二分支能够让光以正向传送，第二分支包含一个具有第二折射率(n₂)的第二媒质，以及一个第一端点和一个第二端点，第二分支的第二端点与第一分支结合，而形成一个角度(θ₂)，从第一分支反向进入第二分支的光形成入射角(θ₁)；
其中n₂＜n₁，且θ₁≥sin^-1(n₂/n₁)，以防止通过第一分支的反向光进入第二分支。

29、  一种设计光学系统的计算机程序装置，该计算机程序可计算与光学系统相关的参数、仿真光学系统并让光学系统最佳化，其中该光学系统包含：
一个第一分支，能够使光以正向和反向传送，第一分支包含一个具有第一折射率(n₁)的第一媒质，以及一个第一端点和一个第二端点；
一个第二分支，能够使光以正向传送，第二分支包含一个具有第二折射率(n₂)的第二媒质，以及一个第一端点和一个第二端点，第二分支的第二端点与第一分支结合而形成一个角度(θ₂)。

集成光学系统、光学方法及光学系统设计装置
技术领域
本项发明涉及一种集成光学系统、光学方法及光学系统设计装置，特别是与光隔离器(optical isolators)有关的装置。
背景技术
光隔离器是一个1×1的单向连接器，在光学系统内它让光在光路中只沿着一个方向传播，而且不允许逆向传送。
许多光学系统通常会使用光隔离器，以消除反向传播的电磁光波。光隔离器可以与二极管(diode)互相比较，二极管对从输入端到输出端的正向电流具有低电阻，而对从输出端到输入端的反向电流具有极高电阻。同样的，经由光隔离器输入端口到输出端口的正向光波，会以低损耗的方式传播，而从光隔离器输出端口反向输入的光波则会大大衰减，只剩下一小部分从输入端口离开光隔离器。此种光隔离器具有单向的传播特性，可以切断绝大部分由输出端返回的逆向光。
这个传播的“非互易原则”(non-reciprocity principle)可应用在此类光学装置上，以得到所需要的隔离功能。非互易原则是指光讯号只会正向传送而不会反向传送的特性。理想的光隔离器就是根据此种非互易原则来制造。
法拉第旋光器(Faraday rotator)是以先前技艺所制造的光隔离器，它采用磁光学(magnetic-optic)组件作为非互易组件。不幸的是，此种以先前技艺所制造的光隔离器存在许多困难，不但功能与偏振相关(polarization dependent)，而且也很难与其它光学组件集成。
发明内容
本发明的目的是提供一个光学系统与其相关的方法，其中包含一个第一分支，它能够让光以正向与反向传送。第一分支包含一个具有第一折射率(refractive index)(n₁)的第一媒质(medium)，以及一个第一端点(end)和一个第二端点。此发明也包含第二分支，只能够让光以正向传送。第二分支包含一个具有第二折射率(n₂，其中n₂＜n₁)的第二媒质，以及一个第一端点和一个第二端点。第二分支的第二端点会进一步与第一分支结合而形成一个角度(θ₂)。使用时，θ₁≥sin^-1(n₂/n₁)以利用全反射(total reflection)原理来防止通过第一分支的反向光进入第二分支，其中θ₁是光从第一分支反向进入第二分支的入射角。
在某些具体实例中，第一分支与第二分支可以是Y形连接、K形连接或X形连接。
可以选择让第一分支包含一个光吸收器(optical absorber)，以吸收因为全反射而没有传入第二分支的反向光。在另一种具体实例中，可以在一分支的某一端点放置一个光扼束器(optical choker)，以提高隔离效果。
在使用时，第一分支与第二分支的隔离与偏振无关(polarizationindependent)，可以选择将一分支某一端点的数值孔径(numerical aperture)调低，以提高隔离效果。也可减少一分支地传送区，以提高隔离效果。而且仍然可以在一分支的某一端点放置一个扼束器，以提高隔离效果。
在不同的具体实例中，光学系统可作为光隔离器或光衰减器(attenuator)。也可以让第一分支与第二分支具有长方形横断面。
第一分支与第二分支仍然可以作为第一个光隔离器的组件。也可以让波长选择器(wavelength selector)与光隔离器结合，形成一个多路复用分解器(de-multiplexer)。
此外，第二个光隔离器也可以与第一个光隔离器集成，因此而构成一个光耦合器(optical coupler)。同时，如此形成光耦合器，也可以作为一个光插多路复用器(add-multiplexer)、一个光插入器(optical inserter)或一个偏振光复合器(polarization beam combiner)。此外，光耦合器也可包含一个Y形分离器(Y-splitter)。
在另一个具体实例中，第一个光隔离器与第二个光隔离器可以与第三个光隔离器集成，而形成一个具有三个端口的光循环器(optical circulator)。继续以相同的方法，就可以建立一个具有N个端口的光循环器。光波长选择器也可以与光循环器结合而形成一个多光复用分解器。
此外，光系统也可设计作为偏光器(optical polarizer)。
上述各项具体实例，只用极简单的结构，就可以拥有下列许多光学特性和功能，如坚固耐用、极好的热属性与环境属性、优越的稳定性与可靠性、以及偏振无关而可达到的绝佳效能。此外，它们也容易与其它光学装置以及光电子(opto-electronic)装置集成，每一种组件都可以由一项或多项波导(waveguide)、光纤(optical fiber)、微光(micro-optic)与光子晶体(photonic crystal)的技术来制作。
下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明。
图1a、图1b、图1c、图1d、图1e、图1f、图1g和图1h分别显示了本发明的具体实例的光隔离器/衰减器。
图1i和图1j显示了对图1a与图1b修改后输出端口；
图2a与图2b显示了具体实例的光耦合器/插入器/光插多路复用器/偏振光复合器；
图3显示了具体实例的光循环器；
图4展示了一个2×2、输入端与输出端之间具有隔离的光耦合器；
图5描绘了具体实例的偏光器；
图6a与图6b描绘具体实例的多光复用分解器；
图7是显示了图1(a)中分支14与15的Y形连接的放大图；
图8显示了具体实例的光扼束器。
附图标记说明：端口-18、19、20、21、22、28、29、30、301i、301j；分支-13、14、15；光吸收器-17；光扼束器-1、800；光隔离器-301a、301b、301c、301d、301e、301f、301g、301h；光循环器-303；光耦合器-302a、302b、304；偏光器-305；多光复用分解器-06a、306b；光-34；光选择器-61。
如图1a至图1h所示的具体实例的光隔离器/衰减器。特别是，每一个光隔离器/衰减器代表一个具有一对端点的光学装置。在本说明书中，此端点可以是终点或中间参考点。例如，此种端点可能是一个输入端口18与一个输出端口19。
图1a、图1c和图1e所示的光隔离器301a、301c与301e分别包含一个Y形连接耦合器，由不同折射率的分支14与分支15构成。在本说明中，分支是指能够让光通过的媒质。
图1b、图1d及图1f的光隔离器301b、301d与301f各包含一个K形连接。再者，图1(g)与1(h)的光隔离器301g与301h，各包含一个X形连接。其中一个额外的端口(即端口21)用来监督输出(即端口19)，以及用作这些光隔离器的反馈控制。
在光隔离器301a、301c与301e的Y形连接(或其它绘图的K形连接或X形连接)中，分支15的折射率(n₁)大于分支14的折射率(n₂)。可以利用全反射原理构造一个光学单向Y形连接(K形连接或X形连接)的耦合器。如此可确保光只会正向传输。从端口18进入的光将穿越分支14到达并穿越分支15再从输出端口19离开。在反方向，从端口19进入的光会穿越分支15，并以入射角θ₁(如图7)达到分支14，因为符合θ₁≥sin^-1(n₂/n₁)的条件，所以会由于全反射现象而受阻塞。因此，光无法进入分支14，而留在分支15。最后光不是从端口22离开，就是被光吸收器17消耗。下列实例是根据平面波近似(plane wave approximation)进行估算：
实例1
(例1)
在图1a与图1b中，假设折射率n₁＝1.465，n₂＝1.460，n₃＝1.455，而θ₂＝85.30°，则计算后的插入损耗(insertion loss)大约为0.13dB，其中ILp＝0.129dB，ILs＝0.133dB。偏振相关损耗(polarization dependent loss)(即ILs-ILp)大约为0.004dB，隔离度大约为9dB。
(例2)
在图1c与图1d中，假设折射率n₁＝1.465，n₁＝1.460，n₂＝1.4625，n_2c＝1.4575，而θ₂＝86.70°，则计算后的插入损耗大约为0.13dB，ILp＝0.133dB，ILs＝0.136dB。偏振相关损耗(即ILs-ILp)大约为0.003dB，隔离度大约为9dB。
因此，隔离度与偏振无关的(ILs大约是Ilp)，但仅9dB的隔离度低于预期值。在实例1的例1中，虽然有理想的平行入射光，在端口19的数值孔径NA(n₁，n₃)仍是0.171，其它数值孔径为：NA(n₂，n₃)＝0.121，NA(n₁，n₂)＝0.121。因为NA(n₁，n₃)大于NA(n₁，n₂)，因此一部分来自端口19的反向光能够进入端口18。这是因为某些反向光的入射角θ₁(如图7)小于全反射的临界角(criticalangle)θ_1c，导致隔离度降低。隔离效果取决于反向光的全反射有效性。反向光的全反射有效性愈佳，隔离效果就愈好。
要达到较高的隔离度，可以调低输出端口19的数值孔径。图1i与图1j分别显示出额外的光输出端口301i与301j。对光输出端口301i，计算指出97％的输出光，其数值孔径已降至0.121(NA(n₂，n₃))。至于其它3％，其数值孔径仍为0.171(NA(n₁，n₃))。除去这3％的输出光，就可将数值孔径降至0.121，但却会增加插入损耗0.13dB，并且输出光的区域会扩大。对光输出端口301j，最佳的计算得到基本相同的结果，但输出区却大于301i的输出区。虽然输出数值孔径已经调低，隔离度却并未改善，因为额外的反向光从端口19扩大的区域而进入输入端口18。
可以使用X形连接来降低输出端口19的数值孔径(见图1g实例)。下一实例为图1g的实体。
实例2
在图1g中，假设折射率n₁＝1.500，n_1c＝1.4958，n₂＝1.450，n_2c＝1.4457，θ₂＝85°和θ₁＝76°，则计算所得插入损耗为Ilp＝1.24dB，Ils＝1.39dB。偏振相关损耗约为0.15dB，输出端口19数值孔径降低，因此隔离度大幅提高至12dB。
改善301a、301b、301c、301d、301e和301f隔离度的另一个方法，就是减少反向光从分支15传送至分支14的传送区域。如果传送区域减少一半，隔离度可增加3dB，如果减少成四分之一，隔离度可增加6dB。如果所有反向光都在分支15与分支14的连接处全反射，则隔离效果将非常完美。因此，我们可以在端口18、端口19加入一个光扼束器1，如图1e、图1f与图1h所示。光扼束器1有两个功能：(1)降低数值孔径，例如从0.171降至0.1或甚至0.01，(2)将光聚集在分支14与15的中心部分。所获得的光隔离器如图1e、图1f和图1h的301e、301f和301h，即拥有更好的光学效能，而且仍然很容易串联与集成。
光隔离器301a、301b、301c、301d、301e、301f、301g和301h也可以作为光衰减器。光从端口18进入而从端口19离开时，有固定的衰减量。请看实例3：
实例3
在范例1的情况中，如果输入光数值孔径为0.12，且θ₂＝85°，则p偏振与s偏振的衰减大约为4.3dB，其差异几乎为0(0.009dB)。
因此，衰减与偏振无关。计算显示，角度θ₂愈小，衰减愈大。衰减可随着入射角θ₂的改变而变化，因此，可变的光衰减器(variable optical attenuator)是可行的。
根据全反射原理的光隔离器301a、301b、301c、301d、301e、301f、301g和301h，具有简单的结构，并获得许多改进：坚固耐用、极好的热属性与环境属性、优越的稳定性与可靠性、以及与偏振无关，而可达到的绝佳光学效能。此外，它们也容易与其它光学装置以及光电子装置集成，这些特色使它非常适合制造其它光学装置，例如：光耦合器、光插入器、偏振光复合器、光循环器、光插多路复用器与多光复用分解器。
为了让光隔离器301a、301b、301c、301d、301e、301f、301g和301h能达到最理想化，可以改变Y形连接、K形连接和X形连接的形状。分支15与分支14具有不同的折射率n₁和n₂(这可从不同的电介质取得或相同的电介质却因有锥削形状而具有不同的有效折射率)。折射率无需固定不变，它可以是x、y和z位置的函数。在一种具体实例中，分支(波导或光纤等等)的横断面可以是方形或长方形。
总之，具体实例是根据全反射的非互易原理来构造，而且可以与偏振无关，并非常适合于集成。根据Snell的光折射定律，当光从一个光密媒质(具有较高的折射率n₁)传送至另一个光疏媒质(具有较低的折射率n₂)时，而且入射角θ₁超过临界值θ_1c，即θ₁≥θ_1c＝sin^-1(n₂/n₁)，就会发生全反射。
其结果，所有入射光会全反射回第一个媒质，而透射光会全部被阻塞。因为n₁大于n₂，n₂就不能大于n₁。所以，全反射是非互易的，而且只有在光从n₁媒质进入n₂媒质时才会发生，但从n₂媒质反向进入n₁媒质时则不会发生全反射。利用全反射，我们就可以建造光隔离器301a、301b、301c、301d、301e、301f、301g和301h。合适的分支组合可构成光传输通道，而且容易与其它光电子装置集成(如半导体装置)。
图2a和图2b表示光耦合器302a和302b，借着将一系列的光隔离器301e、301f与301h串联在一起而制成(为求简化，因此并未绘出K形连接与X形连接和光扼束器1的设计图)。光从输入端口18、20传送至输出端口19。图为具有隔离功能的2×1耦合器。光耦合器302a和302b因为具有偏振无关的效能，因此也可以用来作为具有隔离功能的偏振光复合器。光耦合器302a和302b也可以作为光插多路复用器，从端口20加入一条额外的讯号通道(λ_j)到从端口18已有的讯号通道(λ₁，λ₂....)而不会互相干扰，而且从端口19输出所有讯号(λ₁，λ₂....λ_j)。使用相同的方法可以建立N×1的光插多路复用器。此外，光耦合器302a和302b也可以作为光纤放大器(optical fiber amplifier)中的光插入器(并具隔离功能)；光讯号与端口18连接，雷射泵浦(pump laser)与端口20连接，而输出端口19连接光纤放大器(没有绘出)。
图3为利用三个没有吸收器的光隔离器301e、301f和301h所建造的光循环器303(为求简化，因此也未绘出K形连接与X形连接和光扼束器1的设计图)。从端口28进入的光会沿着通道前进并从端口29离开。以类似的方法，从端口29进入的光会从端口30离开，依此类推。循环器303也是偏振无关的。也可以利用相同方法建造四个或更多个端口的光循环器。
图4为一个2×2的光耦合器304。它包含一个2×1的光耦合器302a(或302b)，与一个Y形分离器。从端口18与端口20进入的光，会传送至输出端口19与端口21。这是一个在输入端口与输出端口之间，具有隔离功能的2×2光耦合器。原则上，我们也可建立一个具有隔离功能的N×M光耦合器。
图5是具有一个输入端口18、一个输出端口19以及一个吸收器17的偏光器305。请见实例4。
实例4
假设n₁＝4.25，n_1c＝4.248，n₂＝1.460，n_2c＝1.455，θ₂＝71.04°，且θ₁＝19°，则端口21的p偏振光的衰减为Ap＝2.2×10^-9dB，而s偏振光的衰减为As＝4.2dB。
因此，衰减与偏振非常相关。从端口18输入的光强度为(p，s)，其中p是p偏振光的强度，而s是s偏振光的强度。光线穿越分支14到达连接处，它一方面折射进入分支15，并继续以强度(p，0.38s)从输出端口21离开。另一方面，它反射进入分支13，并继续以强度(0，0.62s)到达输出端口19。端口19是偏振光的输出端口。
偏光器305的插入损耗低，只有2.07dB，但隔离效果不好。若用光隔离器301a、301b、301c、301d、301e、301f、301g和301h进行集成则可以建立一个有良好隔离效果的偏光器305。
图6a也是一个多光复用分解器306a。它包含一个没有吸收器17的隔离器301e(301f或301h)和一个波长选择器61。波长选择器61可以是带通滤波器或是布拉格光栅(Bragg Gratings)(用光纤或波导技术)。具有波长(λ₁，λ₂，λ_j...)的光讯号从输入端口18输入穿越输出端口19到达波长选择器61。然后，选择的波长(如λ₁)会反射并从输入端口22离开。其它具有波长(λ₂，λ₃...)的讯号会穿透过选择器61传送而没有损耗。
同样的，图6b也是一个多光复用分解器306b。它包含一个循环器303和一个波长选择器61。另外可以选择插入多路复用器302a和302b与多光复用分解器306a和306b串联在一起，以构成一个分插插入多路复用器(Add/DropMultiplexer)(未显示)。
图7是光隔离器301a分支14与分支15Y形连接的放大图。入射光34会穿越隔离器301a。在行经途中，按照Fresnel的公式，光在B₀反射r₂₁与折射t₂₁，在C₁再反射r₁₃与折射t₁₃，然后再于B₁、C₂、B₂....反射与折射。为了从分支14入射的光线34大部分强度能到达分支15，可满足2htanθ₁＞d，其中d和h分别为分支14和分支15的宽度。透射系数为t_ij＝2p_i/(p_i+p_j)，反射系数为r_ij＝(p_i-p_j)/(P_i+P_j)，其中对TM波p_i＝n_i/cosθ_i表示，对TE波p_i＝n_icosθ_i，i，j＝1，2，3表示媒质n₁，n₂，n₃。在区域I的穿透率为T＝p₃|t|²/p₁，其中t＝t₂₁t₁₃/(1-(r₁₃)ue^i2β)。相邻穿透光线E₁与E₂的相位差(phase difference)为2β＝(4πhn₁cosθ₁)/λ₀，其中λ₀是在真空中的光波长。如果θ₂≥θ_2c＝sin^-1(n₃/n₂)，内全反射发生在C₁、C₂...B₁、B₂...，且p₃成为纯虚数。因此穿透率T的时间平均为零。同样的，反射率R(R₁，R₂.....)的时间平均也是零，但R₀＝r₂₁²例外。因为R₀的能流(energy flux)可以非常小，而且几乎总是会逃逸并进入媒质n₃，因此并不会增加光隔离器的回波反射损失。
图8显示一种具体实例的光扼束器800。
另一个具体实例，适合这套光学系统设计的计算机程序，给以输入参数可算出想要的输出参数。提供输入参数，计算机程序就能够计算与仿真光学系统，使其达到最佳化，以让获得的输出参数能够达到想要的条件，如功率、隔离度、插入损耗、偏振、偏振相关损耗、回波损失等等。此外，我们也可以将上述的不同概念与方程式结合于计算机程序，以进行运算。
虽然上面描述了不同的具体实例，但请了解这些描述仅作为范例使用，并没有限定用途。因此，较佳具体实例的广度与范围，并不受上述示范实例的限制，而是依据下列权利要求与其同等内容加以定义。