光学装置及使用它的整体分光仪器 【技术领域】
本发明涉及一种光学通讯系统和光学测量系统及其类似系统中所使用的光学装置和分光仪器。背景技术
近些年来，由于internet的快速普及和发展，迫切要求增加光纤通讯网的容量。以波长分割(多路)复用(WDM)通讯手段增加光纤网的容量已获得了快速的发展。由于波长有细微差别的光束被分别用来传递不同种类的信息，因而在WDM通讯系统中需要应用如光信号分离器、滤光器或光频隔离器这样的适于选择波长的光学装置。当然，在大生产效率、减小尺寸、合成密度、稳定性等方面，也迫切需求上述光学装置。
在波长分割多路光通讯中，要用到光信号分离器(或一种分光镜)对人工叠加的多种波长组成的光信号进行分离/探测，或是在分光测量中用光信号分离器(或一种分光镜)对分析光谱进行测量。光信号分离器需要分光装置如棱镜、滤光器、衍射光栅等。特别是衍射光栅，就是一种典型的分光装置。在石英、硅或类似物的基体表面上形成周期性细波纹结构的装置可用作衍射光栅。由周期性波纹结构所产生的衍射光束相互干涉，沿特定方向产生特定波长的光束。这种特性是多路分解装置的特性之一。
图16所示为使用了这样的衍射光栅地一个分光系统的例子。从光纤21发出的波长多路传输光束30由准直透镜22校准，形成准直光束31。准直光束31入射到衍射光栅23上。经衍射光栅23多路分解后，不同波长的光分量以不同的角度从衍射光栅23射出。射出的光分量32再次通过准直透镜22，在光接收表面24上聚焦形成一组光点40。如果类似光电二极管或光纤端面的光检测器作为光接收装置被分别放置在光点聚集的位置，可得到依预定的波长分离的输出信号。若入射到衍射光栅上的光束具有连续光谱，则根据放置在光接收表面上的光接收装置的间隔可得到离散的光谱输出。
对于反射式衍射光栅，有下列表达式：
Sinθi+Sinθo＝mλ/d
其中，m是衍射光栅的衍射级，d是光栅常数，λ是所使用的波长，θi是形成衍射光栅的表面的法线与入射光束(光纤的光轴5)之间的夹角，θo是法线与出射线之间的夹角。当θi保持不变，光接收表面与衍射光栅的距离为L时，波长变化Δx，入射到光接收表面的光束的位置变化Δx可由下式给出：
Δx＝(Lm/(d·cosθo))·Δλ
从而，根据上式计算出光点位置间隔距离，将光接收装置按计算出来的光点间隔放置在光束接收表面，可得到根据波长分离的信号。
然而，依赖于从衍射光栅射出的光束的角度，波长是较小的。例如，假设这样的情况：在光通讯中1.55μm波段，光束以波长间隔0.8nm(相应的频率间隔为100gHz)进行多路分解。当衍射级m、入射角θi、出射角θo分别为25、71.5°和38.5°时，衍射光栅的光栅常数d为24.7μm。在这个系统中，所得到的与波长距离0.8μm相对应的出射角变化仅为大约0.06°。所以，以间隔50μm排列的光接收装置的距离L为48mm时才能分别接收光束点。
也就是说，由于每一个光束接收装置有预定的尺寸，所以光束接收表面上的聚光点的位置变化Δx一般不小于μm的10的数量级。由于衍射常数m和d不能有大的变化，波长变化Δλ较小，因此距离L需要足够大以获得必要的Δx。因此，为了利用衍射光栅来改善多路光信号分离器(分光仪器)的性能，就不可避免地要使用大型装置。发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的之一是提供一种光学装置，能够从与波长相关的衍射光栅中产生大的角度变化，从而适于光学集成以便于提供小尺寸的分光系统。
根据本发明所提供的光学装置包括：一个平面基体；和一个在平面基体的表面上形成的周期多层结构，周期多层结构的各个层面与基体表面垂直，多层结构的一个端面至少被用作光束入射面和光束出射面之一。
作为例子，周期多层结构的一个周期是由两层不同的材料构成的，并且其中一层可能是空气或真空层。
而且，可通过在周期多层结构的对面提供一个反射层来改善周期多层结构的性能。此外，周期多层结构的层面整体上可做弯曲形状。
在这样的一种光学装置中，波导、波导层、透镜、光纤固定装置、半导体激光器，等等可被集成在一个基体上，在基体上形成周期多层结构。
而且，当周期多层结构的端面被用作光束入射面时，有许多混合波长的光束入射到周期多层结构的端面上，并且光束从位于反射层对面的多层结构表面上根据波长以不同的角度射出，可提供分光装置。在这种情况下，优选基体是平面的和平行的且其厚度不小于0.1mm和不大于2mm。
根据本发明，在所配置的光学装置中，周期多层结构的端面可作为光入射面或光出射面，并且利用了从多层结构射出的光束的良好方向性和波长与出射光角度的关系。而且，周期多层结构的层面被设为与基体相垂直，因此出射光束与基体平行。从而，通过在同样的一个基体上安置其它的光学装置，可提供一个集成的光学装置。
本发明所披露的内容与日本专利申请号2000-369025(申请日为2000年12月4日)所包含的主题相关，在这里将其全部合并以参考。附图简述
图1所示为本发明所述的光学装置的基本结构的典型视图。
图2是本发明所述的周期多层结构的示意图。
图3所示为不同质材料的两层中的导波光和折射光之间的关系视图。
图4所示为周期多层结构中光带图的一个例图。
图5为周期多层结构的第一光带中导波光和折射光之间的关系视图。
图6为周期多层结构的第二光带中导波光和折射光之间的关系视图。
图7为周期多层结构的第三光带中导波光和折射光之间的关系视图。
图8a和8b示出周期多层结构的一个实施例的结构视图。
图9是评估周期多层结构的光学系统的视图。
图10是本发明所述分光装置的配置透视图。
图11是本发明所述分光装置的另外一种配置的平面图。
图12是本发明所述分光装置的又一配置的平面图。
图13是本发明所述分光装置的又一配置平面图。
图14是本发明所述集成光学装置配置的平面图。
图15是本发明所述集成光学装置另外一种配置的平面图。
图16是使用衍射光栅的现有分光装置的视图。具体实施方式
下面将详细描述实施本发明的一种模式。
在大多数情况下，将这样的光学多层薄膜用作防反射膜、滤光器或类似物，一般都假设光束从最上层表面入射到放置在基体表面上的最下层膜。仅在下面的这个例子中，多层膜的端面，即周期性多层结构暴露的表面被用作光束入射面或光束出射面。
有关入射到倾斜多层膜横截面上的光束方向的理论分析已有描述(应用物理B，卷39，第231页，1986)。双折射材料的同偏振分离作用可使用多层膜的性质来得到(所谓的结构双折射)，其折射率随TE和TH偏振光有所不同，这一点已被披露尝试用于由结构双折射产生的偏振光束的分离(Optics Letters卷15，第9期，第516页，1990)。另有报道：周期多层膜被用作一维光子晶体以获得大的散射(超棱镜作用)，这是由于第一光带为线状，旁边为带间隙(“关于光子和电磁晶体结构的国际专题研究组”技术文摘，F1-3)。
本发明的一个特点是周期多层结构的各层在基体上形成，与基体表面垂直，周期多层结构的端面用作光入射面或光出射面。
图1所示为本发明的一个基本实施例的典型透视图。一个周期多层结构1排列在平行平面基体2的面2a上，因此周期多层结构1的层面与基体垂直。而且，入射光束3从端面1a处射入周期多层结构，因此折射光束4(出射光束)由于光学作用从周期多层结构1的面1b中折射出来。
根据本发明实施的一个实验，当入射光束(激光束)3以波长λ从端面1a进入周期多层结构1时，除了在周期多层结构1内部产生导波光之外，由于光子晶体作用产生折射光束4。与波长λ相关的折射光4的方向(角θ)不变，因此折射光4是具有良好方向性的平行光束。而且，对于不同的λ值，θ值有很大的不同，所以多层结构1可被用作高分辩率的分光装置。
下面将对以上所述现象的原理进行简要的描述。
图2是作为本发明主题的周期多层结构1的一个例子的透视图。具有折射系数nA、厚度tA的A材料与具有折射系数nB、厚度tB的B材料在Y方向上以层状交错叠放。各层之间的临界面和表面1b在(X，Z)平面上相互平行。此时，临界面和面1b一般称作“层面”。多层结构中的周期a等于(tA+tB)。
若当光束入射到周期多层结构1的端面1a(不平行于层面)时，对波长为λ的光束如何在周期多层结构1中传播进行分析，就可发现在预先设定的条件下周期多层结构1可用作称作光子晶体，从而显示出对传播光的特殊影响。
以下将参照图3，通过绘图的方法描述在折射率相同的两种介质临界面上的光折射现象。光束RA沿着介质A一侧的临界面附近前进，并与临界面平行，该临界面介于折射系数为nA的介质A和折射系数为nB的介质B(nA＜nB)之间，光束RA作为角度为θ的折射光RB发射向介质侧B。
分别以nA和nB为半径的比例所画出的两圆CA和CB可得到角度θ。如图3所示，画出圆CA和CB。画出与光束RA方向相一致的向量作为圆CA的法线。从圆CA上一点画出与连接两圆CA和CB圆心线平行的直线，可得到与圆CB相交的点。从相交的点上画一与圆CB相垂直的方向，这个方向就是折射光RB的方向。波长为λ光束在同介质A中传播的情况下，这类圆CA与绝大多数的光子带相等。
周期多层结构的带图(线)可用基于光子晶体的理论计算出来。计算方法在“光子晶体”或类似的文献中已有详细的描述。“光子晶体”，普林斯顿大学出版社，1995，物理评论B卷44，16期，8565页，1991。
假设在图2中周期多层结构是Y方向(迭片结构方向)上是受限制的，但在X和Z方向(平面展开的方向)可无限延伸。图4表示了由平面波方法对与许多波长相关TE偏振光的第一光带、第二光带、第三光带的计算结果，其中在多层结构中两层的折射系数分别表示为：
nA＝3.478(厚度＝0.5a)和
nB＝1.00(厚度＝0.5a)
两种介质层是以a为周期进行交错叠放的。图4的每个图示出代表倒易空间一个周期的伯努里区。竖轴表示Y-轴方向，在轴上上下界表示与中心相关的范围±π/a。水平轴表示Z-轴的方向(或者X-轴的方向)，由于Z-轴方向是一个没有周期的方向，所以在其轴上没有界限。由图4所示的每一图的左右端为convience’saker的计算范围。在每一个伯努里区里，位置是指多层结构中的波向量，曲线是指相应于入射光(在真空里)波长λ的光带。顺便提一句，图4中相应于每条曲线的数字字母是值(a/λ)，可由多层结构的周期a除以波长λ。在周期多层结构的光带图中，非连续(称作光子带隙)发生在a/λ大于某一特定值时。
图5至7分别是第一、第二和第三光带图，表明了在Z-轴方向上导波光和折射光之间的关系，当波长为λ的入射光3进入周期多层结构时，而折射光射向介质并与多层结构的面相切。由于多层结构中的光束可表示为波带图中所示的每一条曲线的法线，在第一、第二和第三波带中的Z-轴方向的导波光可分别表示为图5至7中的1A和1B、2A和2B、3A和3B。根据发明者的研究，导波光1B和3B有特别大的亮度。每一个导波光从多层结构和与多层结构面相切的介质之间界面射出为折射光。为了射出折射光，有必要使由每一个圆半径所表示的介质折射系数大于预定的如图5至7所示的值。
与导波光相应的折射光的角度θ基本上保持不变。因此，可预期射出光是具有很好方向性的光束。由于与入射光的波长λ相应θ值可以有很大的不同，所以可得到高分辨能力的波长分离。因此，如图1所示的多层结构的配置可用作高分辨能力的分光装置。
由于TE-偏振光中光波带图不同于TH-偏振光中的光波带图，所以与偏振光相应的θ值有很大的不同，甚至在光的波长是一个常数的情况下。通过利用这些特性，本发明的光学装置也可用作偏振光的分离。
周期多层结构并不局限于图2所示的使用两种材料的配置。三种或更多种材料可用作周期多层结构的构成成份。至于各层所需要折射系数和厚度可按预定的周期进行压层。周期多层结构一般由n种材料的压层构成(这里n是一个正数)。使构成一个周期的材料1、材料2、和材料n的折射系数分别为n1、n2、和nn。使材料1、材料2、和材料n的厚度分别为t1、t2、和tn。在与所使用波长λ相关的多层结构中，每一周期的平均折射系数nm定义为：
nm＝(t1·n1+t2·n2+…+tn·nn)/a
其中一个周期a由下式给出：
a＝t1+t2+…+t1n
涉及平均折射系数和适合本发明的多层结构周期的条件可由下式给出：
0.5λ/nm≤a
若满足了这个条件，由于a/λ大于在层方向和0.5/nm＝a附近的波带隙，所以就可产生光子晶体作用。若周期a小于上面条件所表示的范围，多层结构的特性将接近具有平均折射系数的同介质的特性。
根据本发明在基体上可产生多层结构，并广泛使用光刻法来产生半导体装置。例如，在基体上形成一硅层并在那里应用光致抗蚀剂。拥有与每层厚度相一致宽度的条纹状遮光模可用来暴光和发展成光致抗蚀剂。光致抗蚀剂图案被用作模板，使得硅层可用合适的蚀刻材料进行蚀刻。在这种方式中，垂直于基体的硅层部分和空气层交错叠放，可在基体上形成多层结构。在这种情况下，在光掩模中可编织各种不同的结构模式，以便在基体上同时形成多层(multilauer)结构和光学装置而不是形成多层结构。
在本发明的中用作多层结构的每一种材料，在没有特殊限制的情况下，在所使用的波长范围中若材料的透明性可保证，可使用任何材料。优选的材料是可由膜成形方法在基体上层压，这些膜成形方法如：真空蒸汽法、溅射方法、离子辅助蒸汽方法、CVD方法、等等，并且它们可很容易地被蚀刻。除了硅外，可适合的材料包括石英、氧化钛、氧化钽、氧化铌和氟化镁等等。
当然，加工过程直接受到基体的影响。进行加工的基体材料可以是各种不同的玻璃材料，如：钠钙玻璃、光学玻璃及石英等等。此外，也可使用半导体材料如硅、GaAs、InP等等。当然布满在信号晶体基体上的任何一种以上材料的石英膜也可被使用。而且也可使用各种不同的光学晶体如有光学功能的铌酸锂。
联接空气或真空层(折射系数：1)是最容易产生上面所述材料的任何一种的层的结构。当然，可用另一种介质填充空气层部分。但是，假如材料之间折射系数的差别不大，调节作用就变得很小，或者说从光带计算或the like中所期望的作用就不会发生，因此，应优先保证折射系数不小于0.1。
由彼此两层相等物理厚度来构成的每一周期多层结构是最简单的。平均折射系数和光带结构可由下列方法进行调整：(1)改变两层的厚度比率，(2)增加层数至三层或更多层，(3)使用三种或更多种膜材料，以便提高多层结构的分光特性、偏振特性、使用入射光的效率等。
而且，既使在构成多层结构的每一层的折射系数有连续的不同，若折射系数的变化可保持不变的话，多层结构的特性可被充分的保持不变。
至于基体的材料，以上所述用来加工基体的材料也可使用相同的材料。此外，若限制温度特性或类似特性，也可使用有机材料。
接着，在解释分光特性的时候，将描述周期多层结构的一个实施例。
这个实施例表示了由硅基体直接加工而制成的周期多层结构。在厚度为1mm的硅基体上由光刻术技术所形成的条纹图案，进而形成用作蚀刻的模板。进行反应的离子蚀刻，可得到图8所示的具有硅层和空气层的交错叠放的周期多层结构1。多层结构的周期被设为0.86μm，每一硅层的厚度和每一空气层的厚度都设为0.43μm。模板设为可形成20层硅层。多层结构1的高度，也就是说，蚀刻的深度设为20μm。如图8A所示，基体被切成一块(a size)，以便多层结构1的端面1a与基体的端面一致。这样，多层结构1的长度被设为400μm。切断后基体2的实际尺寸和位于基体2上多层结构1的位置表示在图8A中。多层结构在基体上的位置被处理，以便适应下面的评估。如后面所描述的，在位于基体上的周期多层结构被用于光学装置时，多层结构需要根据所应用的装置被安置在基体上的不同位置。
图9表示评价多层结构1特性的光学系统。从半导体激光源11发射出的波长λ＝1550nm和1520nm激光通过光纤15传导。从光纤的端面15a出来的激光被透镜14校准，并通过四分之一波片12和晶体起偏镜13，可得到TE和TH-线性偏振光。结合偏振的两种状态使用两种波长可形成入射到多层基体1端面上的入射光。出射光4经由f-θ成像透镜16并输入红外光CCD照相机17，以便观察到映像。
结果，有特定角度θ的出射光4被探测。θ值写在表1中。
[表1] 波长(nm) 偏振光 θ (°) 1520 1550 1520 1550 TE TE TH TH 56 65 31 49
从结果中可以发现与波长变化30nm相应的角度变化的量TE-偏振光为9°、TH-偏振光为18°。这表明由于所谓的超-棱镜作用而产生了很大的散射。
下面将描述应用本发明的一个例子。
图10表示了多层结构1和透镜体7同时位于同一个基体2上，光纤5a和5b用作光输入/输出装置。由于来自多层结构的表面1b的出射光4被透镜体7集中，并通过光纤5b，产生输出光，即使输入到多层结构端面1a的光束包含多种波长，基本上只有单一波长的光束可被用作输出光。尽管在图中没有表示，同时还可以在基体2上制成固定光纤的V-形凹槽。
图11表示分光镜的一个例子，其中，包含在输入光中多种波长的光束被分离成许多输出光纤5b，因此分别从输出光纤5b中传出光分量。包括多种波长的来自输入光纤5a的输入光入射到多层结构1中，出射光4根据波长不同有不同的出射角θ，出射方向大体与基体2平行。出射光4经由布置在相同的基体2上的透镜体7聚集和耦合到预先设定的输出光纤5b之一上。
在这种情况下，优选每个导管分别具有特定折射率的光波导管布置在同一基体2上，分别连接到输出光纤入射端面上。两相邻波长之间的间隔较小时，透镜体7与每一输出光纤5b的入射端面之间的距离不得不被拉长，目的是以不小于每一光纤直径的特定间隔分离和聚集光束到部件上，每一光纤的管径一般为25μm。而且，由于出射光的出射角θ依波长有所不同，从将出射光高效地耦连到光纤上这一点考虑，优选每一输出光纤的光轴方向可被细调。但是这样的操作很麻烦。如图11所示，每一光波导6为弯曲波导，波导之间的间隔在入射端比光纤的间隔窄，每一光纤光轴的方向被设为最佳的。以这种方式减小了基体的面积会，与出射光4直接与所述每一输出光纤5b耦合相比，可改善出射光的耦合效率。
现在假设对有多种波长的光束以间隔4nm在波长为1550nm附近进行多路分解。从所述评估结果中，波长间隔4nm时用Δθ＝1°所表示的出射角θ的变化可在波长1550nm附近的TE-偏振光中得到。当透镜体7的焦距用f表示，光波导6的入射端面之间的距离d可由下式给出d＝f·sin(Δθ)。由于sin(1°)＝0.017，若f＝2nm时，光波导的入射端的间隔优选为d＝34nm。优选以曲波导增大距离d，使其不小于每根光纤的直径(125μm)。
在透镜体7的相反方向上，放置一反射装置8用于反射来自多层结构1的光束，使反射装置8与多层结构1的一侧相切，从而出射光的方向被限制在一侧，可得到更强的出射光。因此，优选设计用于高效地反射期望波长的反射光的多膜层作为反射装置8。而且，银、铝、硅、锗的薄膜，或类似薄膜，可由蒸发方法、溅射方法或类似方法制成。偶尔，提供光波导6a和输出光纤5c，使光分量不作为折射光从多层结构1射出，而是被引导耦合到与入射端面相对的端面并从那里射出。
在图11所示的配置中，从多层结构1对面射出的光分量中，一侧的光分量被反射装置8反射，仅在多层结构1的另一侧提供输出装置。然而输出光可在多层结构的两侧使用。图12例子中，空气层放置在多层结构的一侧，具有特定折射系数的波导层9被放置在多层结构的另一侧，由于多层结构两侧的光折射系数不同，可同时存在两种光谱分布。例如，两侧可分别被用作TE-偏振光和TH-偏振光。
图13显示了多层结构1的层面整体弯曲的情况，在这种情况下不需提供任何聚光装置即可将同一种波长的光束进行聚焦。这样的曲面形状很容易通过设计曲面图案如遮光模制成。
图14所示的装置，半导体激光器10作为光源被集成到同一个基体上，使得由半导体激光器10发出的光被聚集并被耦合到输出光纤5d上。由半导体激光器10发出的光束由位于同一基体2上的透镜体7校正为平行光3a。光束入射到多层结构1的表面1b上。与上述情况相反，当光束以预定角度θ入射到多层结构1的表面1b上，可从多层结构1的端表面1a上得到出射光。即使由于多模式散射从半导体激光器10输出的光束包含多种波长，仅有一种波长的光束可被用作输出光。
图14中的透镜可以省去，作为替代，可将多层结构1制成曲面。图15显示了在这种情况安装的多层结构1的例子。
如上所述，根据本发明，高分辨率的分光装置、高分辨率的偏振分离装置或类似装置，可利用来自周期多层结构的折射光的良好方向性、光的方向与波长的密切关系来得到。而且，根据本发明的配置，除了集成周期多层结构外，很容易实现众多光学仪器在同一个基体上的集成，因此，不增加尺寸就可得到所述装置。