[发明专利]具有锯齿槽形的反射式变周期光栅

说明书

本发明涉及一种光学元件，具体为一种反射式变周期光栅，用于集成光学射频声光频谱分析仪和光纤通信波分复用器等。

变周期光栅是指光栅周期按一定规律调制的光栅。目前已有的固定周期的闪耀光栅从理论到工艺都较为成熟，例如在US4330175专利中公开了一种“闪耀衍射光栅结构及其制造方法”。它提出了在硅单晶上利用蚀刻方法制作平面及凹面的闪耀光栅。这类光栅虽然衍射效率高，理论值可达100%，但它仅有单一功能，即色散功能（分光功能）。而现有的变周期光栅，特别是反射式变周期光栅，其剖面大都为矩形槽，便如《IEEE量子电子学杂志》1982年18卷第7期第1057～1059页中报道的在集成光学频谱分析仪中所使用的反射式变周期光栅以及美国《应用光学》（Applled    Optlcs）1982年21卷第12期第2195～2198页中报道的在集成光学合波和分波器中使用的反射式变周期光栅。这类光栅的衍射效率较低，其最大理论值为40.3%，因此而限制了应用。另外，上述的变周期光栅只有在所设计的波长（称中心波长）下才能工作，而在非中心波长，其原有特性会产生偏差。

本发明的目的在于为避免上述已有技术中的不足而设计的一种具有锯齿槽形的反射式变周期光栅。将这种光栅作在滤导端面或衬底材料上，通过反射（衍射）来实现对入射光的某种调制，以改变入射光的波阵面。例如使平面波变成球面波，使发散的球（柱）面波变成会聚的球（柱）面波，或反之，从而实现准直、聚焦、改变传播方向等功能。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：反射式变周期光栅，其剖面为锯齿槽形，闪耀角为连续变化，槽距的变化规律定义为光栅调制函数，光栅结构参数应满足关系式：

∧_i＝ (mλ)/(SinIi+Sinθi) m＝±1，±2……（1）

∧_i为光栅中第I-1个槽与第I个槽的中心距离，第I个光栅槽处的入射角I｜和衍射角θ_i应满足公式：

锯齿槽的每个槽具有不同的闪耀角γ_i、γ_i与入射角I_i和衍射角θ_i之间应满足关系式：

γ_i＝（1/2）（Ii+θ_i） （4）

本发明的目的还可能通过以下其它措施来达到：具有锯齿槽形的反射式变周期光栅，对于非中心波长λ_i的“像点”位置的座标F应为：

附图说明：

图1是剖面为矩形槽的变周期光栅。

图2是剖面为锯齿槽形的变周期光栅。

图3是闪耀角与入射角、衍射角之间的关系。

图4是采用本发明的分波器实施例。

下面结合附图对本发明作详细描述：

光栅调制函数是与波长λ相关的。即只有对一个确定的波长λ，源点Q点像点P之间才能满足相位关系。而对于任意波长，P点并非象点，但可以找到一个能量相对集中的光斑位置作为这一波长下的“像点”。一般任意波长下“像点”的位置是无解析解的，而本发明提出一种优化解法，即在波长λ_i下找到一点P₁，使P₁到光栅每个槽的衍射光线的距离最小。

参照图1，若由Q点发出的波长为λ的入射光经变周期光栅衍射后会聚到P点，光栅结构参数应满足关系式（1）。第I个光栅槽处的入射角I_i和衍射角θ_i应分别满足关系式（2）、（3），式中X_i是光栅第I个槽的中心坐标，I_i和r_i分别是Q点和P点到I的距离，根据光栅调制函数（1）式可知，当源点Q和像点P都在无穷远时，I_i＝I_O→∞，r_i＝r_O→∞，这时入射光和衍射光都为平行光，即I_i＝I_O，θ_i＝θ_O，此时（I）式蜕化为常规光栅的光栅方程（S｜nI_O+Sinθ_O）∧_O＝mλ（8）式中∧_O为光栅周期。