專利名稱：光學(xué)裝置及使用它的整體分光儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)通訊系統(tǒng)和光學(xué)測量系統(tǒng)及其類似系統(tǒng)中所使用的光學(xué)裝置和分光儀器。
在波長分割多路光通訊中，要用到光信號分離器(或一種分光鏡)對人工疊加的多種波長組成的光信號進(jìn)行分離/探測，或是在分光測量中用光信號分離器(或一種分光鏡)對分析光譜進(jìn)行測量。光信號分離器需要分光裝置如棱鏡、濾光器、衍射光柵等。特別是衍射光柵，就是一種典型的分光裝置。在石英、硅或類似物的基體表面上形成周期性細(xì)波紋結(jié)構(gòu)的裝置可用作衍射光柵。由周期性波紋結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的衍射光束相互干涉，沿特定方向產(chǎn)生特定波長的光束。這種特性是多路分解裝置的特性之一。


圖16所示為使用了這樣的衍射光柵的一個分光系統(tǒng)的例子。從光纖21發(fā)出的波長多路傳輸光束30由準(zhǔn)直透鏡22校準(zhǔn)，形成準(zhǔn)直光束31。準(zhǔn)直光束31入射到衍射光柵23上。經(jīng)衍射光柵23多路分解后，不同波長的光分量以不同的角度從衍射光柵23射出。射出的光分量32再次通過準(zhǔn)直透鏡22，在光接收表面24上聚焦形成一組光點40。如果類似光電二極管或光纖端面的光檢測器作為光接收裝置被分別放置在光點聚集的位置，可得到依預(yù)定的波長分離的輸出信號。若入射到衍射光柵上的光束具有連續(xù)光譜，則根據(jù)放置在光接收表面上的光接收裝置的間隔可得到離散的光譜輸出。
對于反射式衍射光柵，有下列表達(dá)式Sinθi+Sinθo＝mλ/d其中，m是衍射光柵的衍射級，d是光柵常數(shù)，λ是所使用的波長，θi是形成衍射光柵的表面的法線與入射光束(光纖的光軸5)之間的夾角，θo是法線與出射線之間的夾角。當(dāng)θi保持不變，光接收表面與衍射光柵的距離為L時，波長變化Δx，入射到光接收表面的光束的位置變化Δx可由下式給出Δx＝(Lm/(d·cosθo))·Δλ從而，根據(jù)上式計算出光點位置間隔距離，將光接收裝置按計算出來的光點間隔放置在光束接收表面，可得到根據(jù)波長分離的信號。
然而，依賴于從衍射光柵射出的光束的角度，波長是較小的。例如，假設(shè)這樣的情況在光通訊中1.55μm波段，光束以波長間隔0.8nm(相應(yīng)的頻率間隔為100gHz)進(jìn)行多路分解。當(dāng)衍射級m、入射角θi、出射角θo分別為25、71.5°和38.5°時，衍射光柵的光柵常數(shù)d為24.7μm。在這個系統(tǒng)中，所得到的與波長距離0.8μm相對應(yīng)的出射角變化僅為大約0.06°。所以，以間隔50μm排列的光接收裝置的距離L為48mm時才能分別接收光束點。
也就是說，由于每一個光束接收裝置有預(yù)定的尺寸，所以光束接收表面上的聚光點的位置變化Δx一般不小于μm的10的數(shù)量級。由于衍射常數(shù)m和d不能有大的變化，波長變化Δλ較小，因此距離L需要足夠大以獲得必要的Δx。因此，為了利用衍射光柵來改善多路光信號分離器(分光儀器)的性能，就不可避免地要使用大型裝置。
根據(jù)本發(fā)明所提供的光學(xué)裝置包括一個平面基體；和一個在平面基體的表面上形成的周期多層結(jié)構(gòu)，周期多層結(jié)構(gòu)的各個層面與基體表面垂直，多層結(jié)構(gòu)的一個端面至少被用作光束入射面和光束出射面之一。
作為例子，周期多層結(jié)構(gòu)的一個周期是由兩層不同的材料構(gòu)成的，并且其中一層可能是空氣或真空層。
而且，可通過在周期多層結(jié)構(gòu)的對面提供一個反射層來改善周期多層結(jié)構(gòu)的性能。此外，周期多層結(jié)構(gòu)的層面整體上可做彎曲形狀。
在這樣的一種光學(xué)裝置中，波導(dǎo)、波導(dǎo)層、透鏡、光纖固定裝置、半導(dǎo)體激光器，等等可被集成在一個基體上，在基體上形成周期多層結(jié)構(gòu)。
而且，當(dāng)周期多層結(jié)構(gòu)的端面被用作光束入射面時，有許多混合波長的光束入射到周期多層結(jié)構(gòu)的端面上，并且光束從位于反射層對面的多層結(jié)構(gòu)表面上根據(jù)波長以不同的角度射出，可提供分光裝置。在這種情況下，優(yōu)選基體是平面的和平行的且其厚度不小于0.1mm和不大于2mm。
根據(jù)本發(fā)明，在所配置的光學(xué)裝置中，周期多層結(jié)構(gòu)的端面可作為光入射面或光出射面，并且利用了從多層結(jié)構(gòu)射出的光束的良好方向性和波長與出射光角度的關(guān)系。而且，周期多層結(jié)構(gòu)的層面被設(shè)為與基體相垂直，因此出射光束與基體平行。從而，通過在同樣的一個基體上安置其它的光學(xué)裝置，可提供一個集成的光學(xué)裝置。
本發(fā)明所披露的內(nèi)容與日本專利申請?zhí)?000-369025(申請日為2000年12月4日)所包含的主題相關(guān)，在這里將其全部合并以參考。
圖2是本發(fā)明所述的周期多層結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3所示為不同質(zhì)材料的兩層中的導(dǎo)波光和折射光之間的關(guān)系視圖。
圖4所示為周期多層結(jié)構(gòu)中光帶圖的一個例圖。
圖5為周期多層結(jié)構(gòu)的第一光帶中導(dǎo)波光和折射光之間的關(guān)系視圖。
圖6為周期多層結(jié)構(gòu)的第二光帶中導(dǎo)波光和折射光之間的關(guān)系視圖。
圖7為周期多層結(jié)構(gòu)的第三光帶中導(dǎo)波光和折射光之間的關(guān)系視圖。
圖8a和8b示出周期多層結(jié)構(gòu)的一個實施例的結(jié)構(gòu)視圖。
圖9是評估周期多層結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)的視圖。
圖10是本發(fā)明所述分光裝置的配置透視圖。
圖11是本發(fā)明所述分光裝置的另外一種配置的平面圖。
圖12是本發(fā)明所述分光裝置的又一配置的平面圖。
圖13是本發(fā)明所述分光裝置的又一配置平面圖。
圖14是本發(fā)明所述集成光學(xué)裝置配置的平面圖。
圖15是本發(fā)明所述集成光學(xué)裝置另外一種配置的平面圖。
圖16是使用衍射光柵的現(xiàn)有分光裝置的視圖。
在大多數(shù)情況下，將這樣的光學(xué)多層薄膜用作防反射膜、濾光器或類似物，一般都假設(shè)光束從最上層表面入射到放置在基體表面上的最下層膜。僅在下面的這個例子中，多層膜的端面，即周期性多層結(jié)構(gòu)暴露的表面被用作光束入射面或光束出射面。
有關(guān)入射到傾斜多層膜橫截面上的光束方向的理論分析已有描述(應(yīng)用物理B，卷39，第231頁，1986)。雙折射材料的同偏振分離作用可使用多層膜的性質(zhì)來得到(所謂的結(jié)構(gòu)雙折射)，其折射率隨TE和TH偏振光有所不同，這一點已被披露嘗試用于由結(jié)構(gòu)雙折射產(chǎn)生的偏振光束的分離(Optics Letters卷15，第9期，第516頁，1990)。另有報道周期多層膜被用作一維光子晶體以獲得大的散射(超棱鏡作用)，這是由于第一光帶為線狀，旁邊為帶間隙(“關(guān)于光子和電磁晶體結(jié)構(gòu)的國際專題研究組”技術(shù)文摘，F(xiàn)1-3)。
本發(fā)明的一個特點是周期多層結(jié)構(gòu)的各層在基體上形成，與基體表面垂直，周期多層結(jié)構(gòu)的端面用作光入射面或光出射面。
圖1所示為本發(fā)明的一個基本實施例的典型透視圖。一個周期多層結(jié)構(gòu)1排列在平行平面基體2的面2a上，因此周期多層結(jié)構(gòu)1的層面與基體垂直。而且，入射光束3從端面1a處射入周期多層結(jié)構(gòu)，因此折射光束4(出射光束)由于光學(xué)作用從周期多層結(jié)構(gòu)1的面1b中折射出來。
根據(jù)本發(fā)明實施的一個實驗，當(dāng)入射光束(激光束)3以波長λ從端面1a進(jìn)入周期多層結(jié)構(gòu)1時，除了在周期多層結(jié)構(gòu)1內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)波光之外，由于光子晶體作用產(chǎn)生折射光束4。與波長λ相關(guān)的折射光4的方向(角θ)不變，因此折射光4是具有良好方向性的平行光束。而且，對于不同的λ值，θ值有很大的不同，所以多層結(jié)構(gòu)1可被用作高分辯率的分光裝置。
下面將對以上所述現(xiàn)象的原理進(jìn)行簡要的描述。
圖2是作為本發(fā)明主題的周期多層結(jié)構(gòu)1的一個例子的透視圖。具有折射系數(shù)nA、厚度tA的A材料與具有折射系數(shù)nB、厚度tB的B材料在Y方向上以層狀交錯疊放。各層之間的臨界面和表面1b在(X，Z)平面上相互平行。此時，臨界面和面1b一般稱作“層面”。多層結(jié)構(gòu)中的周期a等于(tA+tB)。
若當(dāng)光束入射到周期多層結(jié)構(gòu)1的端面1a(不平行于層面)時，對波長為λ的光束如何在周期多層結(jié)構(gòu)1中傳播進(jìn)行分析，就可發(fā)現(xiàn)在預(yù)先設(shè)定的條件下周期多層結(jié)構(gòu)1可用作稱作光子晶體，從而顯示出對傳播光的特殊影響。
以下將參照圖3，通過繪圖的方法描述在折射率相同的兩種介質(zhì)臨界面上的光折射現(xiàn)象。光束RA沿著介質(zhì)A一側(cè)的臨界面附近前進(jìn)，并與臨界面平行，該臨界面介于折射系數(shù)為nA的介質(zhì)A和折射系數(shù)為nB的介質(zhì)B(nA＜nB)之間，光束RA作為角度為θ的折射光RB發(fā)射向介質(zhì)側(cè)B。
分別以nA和nB為半徑的比例所畫出的兩圓CA和CB可得到角度θ。如圖3所示，畫出圓CA和CB。畫出與光束RA方向相一致的向量作為圓CA的法線。從圓CA上一點畫出與連接兩圓CA和CB圓心線平行的直線，可得到與圓CB相交的點。從相交的點上畫一與圓CB相垂直的方向，這個方向就是折射光RB的方向。波長為λ光束在同介質(zhì)A中傳播的情況下，這類圓CA與絕大多數(shù)的光子帶相等。
周期多層結(jié)構(gòu)的帶圖(線)可用基于光子晶體的理論計算出來。計算方法在“光子晶體”或類似的文獻(xiàn)中已有詳細(xì)的描述?！肮庾泳w”，普林斯頓大學(xué)出版社，1995，物理評論B卷44，16期，8565頁，1991。
假設(shè)在圖2中周期多層結(jié)構(gòu)是Y方向(迭片結(jié)構(gòu)方向)上是受限制的，但在X和Z方向(平面展開的方向)可無限延伸。圖4表示了由平面波方法對與許多波長相關(guān)TE偏振光的第一光帶、第二光帶、第三光帶的計算結(jié)果，其中在多層結(jié)構(gòu)中兩層的折射系數(shù)分別表示為nA＝3.478(厚度＝0.5a)和nB＝1.00(厚度＝0.5a)兩種介質(zhì)層是以a為周期進(jìn)行交錯疊放的。圖4的每個圖示出代表倒易空間一個周期的伯努里區(qū)。豎軸表示Y-軸方向，在軸上上下界表示與中心相關(guān)的范圍±π/a。水平軸表示Z-軸的方向(或者X-軸的方向)，由于Z-軸方向是一個沒有周期的方向，所以在其軸上沒有界限。由圖4所示的每一圖的左右端為convience’saker的計算范圍。在每一個伯努里區(qū)里，位置是指多層結(jié)構(gòu)中的波向量，曲線是指相應(yīng)于入射光(在真空里)波長λ的光帶。順便提一句，圖4中相應(yīng)于每條曲線的數(shù)字字母是值(a/λ)，可由多層結(jié)構(gòu)的周期a除以波長λ。在周期多層結(jié)構(gòu)的光帶圖中，非連續(xù)(稱作光子帶隙)發(fā)生在a/λ大于某一特定值時。
圖5至7分別是第一、第二和第三光帶圖，表明了在Z-軸方向上導(dǎo)波光和折射光之間的關(guān)系，當(dāng)波長為λ的入射光3進(jìn)入周期多層結(jié)構(gòu)時，而折射光射向介質(zhì)并與多層結(jié)構(gòu)的面相切。由于多層結(jié)構(gòu)中的光束可表示為波帶圖中所示的每一條曲線的法線，在第一、第二和第三波帶中的Z-軸方向的導(dǎo)波光可分別表示為圖5至7中的1A和1B、2A和2B、3A和3B。根據(jù)發(fā)明者的研究，導(dǎo)波光1B和3B有特別大的亮度。每一個導(dǎo)波光從多層結(jié)構(gòu)和與多層結(jié)構(gòu)面相切的介質(zhì)之間界面射出為折射光。為了射出折射光，有必要使由每一個圓半徑所表示的介質(zhì)折射系數(shù)大于預(yù)定的如圖5至7所示的值。
與導(dǎo)波光相應(yīng)的折射光的角度θ基本上保持不變。因此，可預(yù)期射出光是具有很好方向性的光束。由于與入射光的波長λ相應(yīng)θ值可以有很大的不同，所以可得到高分辨能力的波長分離。因此，如圖1所示的多層結(jié)構(gòu)的配置可用作高分辨能力的分光裝置。
由于TE-偏振光中光波帶圖不同于TH-偏振光中的光波帶圖，所以與偏振光相應(yīng)的θ值有很大的不同，甚至在光的波長是一個常數(shù)的情況下。通過利用這些特性，本發(fā)明的光學(xué)裝置也可用作偏振光的分離。
周期多層結(jié)構(gòu)并不局限于圖2所示的使用兩種材料的配置。三種或更多種材料可用作周期多層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成成份。至于各層所需要折射系數(shù)和厚度可按預(yù)定的周期進(jìn)行壓層。周期多層結(jié)構(gòu)一般由n種材料的壓層構(gòu)成(這里n是一個正數(shù))。使構(gòu)成一個周期的材料1、材料2、和材料n的折射系數(shù)分別為n1、n2、和nn。使材料1、材料2、和材料n的厚度分別為t1、t2、和tn。在與所使用波長λ相關(guān)的多層結(jié)構(gòu)中，每一周期的平均折射系數(shù)nm定義為nm＝(t1·n1+t2·n2+…+tn·nn)/a其中一個周期a由下式給出a＝t1+t2+…+t1n涉及平均折射系數(shù)和適合本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)周期的條件可由下式給出0.5λ/nm≤a若滿足了這個條件，由于a/λ大于在層方向和0.5/nm＝a附近的波帶隙，所以就可產(chǎn)生光子晶體作用。若周期a小于上面條件所表示的范圍，多層結(jié)構(gòu)的特性將接近具有平均折射系數(shù)的同介質(zhì)的特性。
根據(jù)本發(fā)明在基體上可產(chǎn)生多層結(jié)構(gòu)，并廣泛使用光刻法來產(chǎn)生半導(dǎo)體裝置。例如，在基體上形成一硅層并在那里應(yīng)用光致抗蝕劑。擁有與每層厚度相一致寬度的條紋狀遮光?？捎脕肀┕夂桶l(fā)展成光致抗蝕劑。光致抗蝕劑圖案被用作模板，使得硅層可用合適的蝕刻材料進(jìn)行蝕刻。在這種方式中，垂直于基體的硅層部分和空氣層交錯疊放，可在基體上形成多層結(jié)構(gòu)。在這種情況下，在光掩模中可編織各種不同的結(jié)構(gòu)模式，以便在基體上同時形成多層(multilauer)結(jié)構(gòu)和光學(xué)裝置而不是形成多層結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的中用作多層結(jié)構(gòu)的每一種材料，在沒有特殊限制的情況下，在所使用的波長范圍中若材料的透明性可保證，可使用任何材料。優(yōu)選的材料是可由膜成形方法在基體上層壓，這些膜成形方法如真空蒸汽法、濺射方法、離子輔助蒸汽方法、CVD方法、等等，并且它們可很容易地被蝕刻。除了硅外，可適合的材料包括石英、氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮和氟化鎂等等。
當(dāng)然，加工過程直接受到基體的影響。進(jìn)行加工的基體材料可以是各種不同的玻璃材料，如鈉鈣玻璃、光學(xué)玻璃及石英等等。此外，也可使用半導(dǎo)體材料如硅、GaAs、InP等等。當(dāng)然布滿在信號晶體基體上的任何一種以上材料的石英膜也可被使用。而且也可使用各種不同的光學(xué)晶體如有光學(xué)功能的鈮酸鋰。
聯(lián)接空氣或真空層(折射系數(shù)1)是最容易產(chǎn)生上面所述材料的任何一種的層的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，可用另一種介質(zhì)填充空氣層部分。但是，假如材料之間折射系數(shù)的差別不大，調(diào)節(jié)作用就變得很小，或者說從光帶計算或the like中所期望的作用就不會發(fā)生，因此，應(yīng)優(yōu)先保證折射系數(shù)不小于0.1。
由彼此兩層相等物理厚度來構(gòu)成的每一周期多層結(jié)構(gòu)是最簡單的。平均折射系數(shù)和光帶結(jié)構(gòu)可由下列方法進(jìn)行調(diào)整(1)改變兩層的厚度比率，(2)增加層數(shù)至三層或更多層，(3)使用三種或更多種膜材料，以便提高多層結(jié)構(gòu)的分光特性、偏振特性、使用入射光的效率等。
而且，既使在構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)的每一層的折射系數(shù)有連續(xù)的不同，若折射系數(shù)的變化可保持不變的話，多層結(jié)構(gòu)的特性可被充分的保持不變。
至于基體的材料，以上所述用來加工基體的材料也可使用相同的材料。此外，若限制溫度特性或類似特性，也可使用有機材料。
接著，在解釋分光特性的時候，將描述周期多層結(jié)構(gòu)的一個實施例。
這個實施例表示了由硅基體直接加工而制成的周期多層結(jié)構(gòu)。在厚度為1mm的硅基體上由光刻術(shù)技術(shù)所形成的條紋圖案，進(jìn)而形成用作蝕刻的模板。進(jìn)行反應(yīng)的離子蝕刻，可得到圖8所示的具有硅層和空氣層的交錯疊放的周期多層結(jié)構(gòu)1。多層結(jié)構(gòu)的周期被設(shè)為0.86μm，每一硅層的厚度和每一空氣層的厚度都設(shè)為0.43μm。模板設(shè)為可形成20層硅層。多層結(jié)構(gòu)1的高度，也就是說，蝕刻的深度設(shè)為20μm。如圖8A所示，基體被切成一塊(a size)，以便多層結(jié)構(gòu)1的端面1a與基體的端面一致。這樣，多層結(jié)構(gòu)1的長度被設(shè)為400μm。切斷后基體2的實際尺寸和位于基體2上多層結(jié)構(gòu)1的位置表示在圖8A中。多層結(jié)構(gòu)在基體上的位置被處理，以便適應(yīng)下面的評估。如后面所描述的，在位于基體上的周期多層結(jié)構(gòu)被用于光學(xué)裝置時，多層結(jié)構(gòu)需要根據(jù)所應(yīng)用的裝置被安置在基體上的不同位置。
圖9表示評價多層結(jié)構(gòu)1特性的光學(xué)系統(tǒng)。從半導(dǎo)體激光源11發(fā)射出的波長λ＝1550nm和1520nm激光通過光纖15傳導(dǎo)。從光纖的端面15a出來的激光被透鏡14校準(zhǔn)，并通過四分之一波片12和晶體起偏鏡13，可得到TE和TH-線性偏振光。結(jié)合偏振的兩種狀態(tài)使用兩種波長可形成入射到多層基體1端面上的入射光。出射光4經(jīng)由f-θ成像透鏡16并輸入紅外光CCD照相機17，以便觀察到映像。
結(jié)果，有特定角度θ的出射光4被探測。θ值寫在表1中。


從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)與波長變化30nm相應(yīng)的角度變化的量TE-偏振光為9°、TH-偏振光為18°。這表明由于所謂的超-棱鏡作用而產(chǎn)生了很大的散射。
下面將描述應(yīng)用本發(fā)明的一個例子。
圖10表示了多層結(jié)構(gòu)1和透鏡體7同時位于同一個基體2上，光纖5a和5b用作光輸入/輸出裝置。由于來自多層結(jié)構(gòu)的表面1b的出射光4被透鏡體7集中，并通過光纖5b，產(chǎn)生輸出光，即使輸入到多層結(jié)構(gòu)端面1a的光束包含多種波長，基本上只有單一波長的光束可被用作輸出光。盡管在圖中沒有表示，同時還可以在基體2上制成固定光纖的V-形凹槽。
圖11表示分光鏡的一個例子，其中，包含在輸入光中多種波長的光束被分離成許多輸出光纖5b，因此分別從輸出光纖5b中傳出光分量。包括多種波長的來自輸入光纖5a的輸入光入射到多層結(jié)構(gòu)1中，出射光4根據(jù)波長不同有不同的出射角θ，出射方向大體與基體2平行。出射光4經(jīng)由布置在相同的基體2上的透鏡體7聚集和耦合到預(yù)先設(shè)定的輸出光纖5b之一上。
在這種情況下，優(yōu)選每個導(dǎo)管分別具有特定折射率的光波導(dǎo)管布置在同一基體2上，分別連接到輸出光纖入射端面上。兩相鄰波長之間的間隔較小時，透鏡體7與每一輸出光纖5b的入射端面之間的距離不得不被拉長，目的是以不小于每一光纖直徑的特定間隔分離和聚集光束到部件上，每一光纖的管徑一般為25μm。而且，由于出射光的出射角θ依波長有所不同，從將出射光高效地耦連到光纖上這一點考慮，優(yōu)選每一輸出光纖的光軸方向可被細(xì)調(diào)。但是這樣的操作很麻煩。如圖11所示，每一光波導(dǎo)6為彎曲波導(dǎo)，波導(dǎo)之間的間隔在入射端比光纖的間隔窄，每一光纖光軸的方向被設(shè)為最佳的。以這種方式減小了基體的面積會，與出射光4直接與所述每一輸出光纖5b耦合相比，可改善出射光的耦合效率。
現(xiàn)在假設(shè)對有多種波長的光束以間隔4nm在波長為1550nm附近進(jìn)行多路分解。從所述評估結(jié)果中，波長間隔4nm時用Δθ＝1°所表示的出射角θ的變化可在波長1550nm附近的TE-偏振光中得到。當(dāng)透鏡體7的焦距用f表示，光波導(dǎo)6的入射端面之間的距離d可由下式給出d＝f·sin(Δθ)。由于sin(1°)＝0.017，若f＝2nm時，光波導(dǎo)的入射端的間隔優(yōu)選為d＝34nm。優(yōu)選以曲波導(dǎo)增大距離d，使其不小于每根光纖的直徑(125μm)。
在透鏡體7的相反方向上，放置一反射裝置8用于反射來自多層結(jié)構(gòu)1的光束，使反射裝置8與多層結(jié)構(gòu)1的一側(cè)相切，從而出射光的方向被限制在一側(cè)，可得到更強的出射光。因此，優(yōu)選設(shè)計用于高效地反射期望波長的反射光的多膜層作為反射裝置8。而且，銀、鋁、硅、鍺的薄膜，或類似薄膜，可由蒸發(fā)方法、濺射方法或類似方法制成。偶爾，提供光波導(dǎo)6a和輸出光纖5c，使光分量不作為折射光從多層結(jié)構(gòu)1射出，而是被引導(dǎo)耦合到與入射端面相對的端面并從那里射出。
在圖11所示的配置中，從多層結(jié)構(gòu)1對面射出的光分量中，一側(cè)的光分量被反射裝置8反射，僅在多層結(jié)構(gòu)1的另一側(cè)提供輸出裝置。然而輸出光可在多層結(jié)構(gòu)的兩側(cè)使用。圖12例子中，空氣層放置在多層結(jié)構(gòu)的一側(cè)，具有特定折射系數(shù)的波導(dǎo)層9被放置在多層結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，由于多層結(jié)構(gòu)兩側(cè)的光折射系數(shù)不同，可同時存在兩種光譜分布。例如，兩側(cè)可分別被用作TE-偏振光和TH-偏振光。
圖13顯示了多層結(jié)構(gòu)1的層面整體彎曲的情況，在這種情況下不需提供任何聚光裝置即可將同一種波長的光束進(jìn)行聚焦。這樣的曲面形狀很容易通過設(shè)計曲面圖案如遮光模制成。
圖14所示的裝置，半導(dǎo)體激光器10作為光源被集成到同一個基體上，使得由半導(dǎo)體激光器10發(fā)出的光被聚集并被耦合到輸出光纖5d上。由半導(dǎo)體激光器10發(fā)出的光束由位于同一基體2上的透鏡體7校正為平行光3a。光束入射到多層結(jié)構(gòu)1的表面1b上。與上述情況相反，當(dāng)光束以預(yù)定角度θ入射到多層結(jié)構(gòu)1的表面1b上，可從多層結(jié)構(gòu)1的端表面1a上得到出射光。即使由于多模式散射從半導(dǎo)體激光器10輸出的光束包含多種波長，僅有一種波長的光束可被用作輸出光。
圖14中的透鏡可以省去，作為替代，可將多層結(jié)構(gòu)1制成曲面。圖15顯示了在這種情況安裝的多層結(jié)構(gòu)1的例子。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，高分辨率的分光裝置、高分辨率的偏振分離裝置或類似裝置，可利用來自周期多層結(jié)構(gòu)的折射光的良好方向性、光的方向與波長的密切關(guān)系來得到。而且，根據(jù)本發(fā)明的配置，除了集成周期多層結(jié)構(gòu)外，很容易實現(xiàn)眾多光學(xué)儀器在同一個基體上的集成，因此，不增加尺寸就可得到所述裝置。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括平面基體；和在上述平面基體上形成的周期多層結(jié)構(gòu)，所述周期多層結(jié)構(gòu)的層面與所述基體表面垂直，所述一個結(jié)構(gòu)端面至少被用作一個光入射面和光出射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其特征在于所述周期多層結(jié)構(gòu)的一個周期是由兩種不同的材料構(gòu)成的，其中一層為空氣層或真空層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其特征在于在所述周期多層結(jié)構(gòu)的一個相對面上設(shè)置一反射層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其特征在于所述周期多層結(jié)構(gòu)的層面整體上制成曲面。
5.一種分光裝置，包括如權(quán)利要求1所限定的光學(xué)裝置；入射裝置，通過它可使含有多種波長的多路傳輸?shù)墓馐肷涞街芷诙鄬咏Y(jié)構(gòu)的一個端面上；和探測裝置，通過它可探測到從上述周期多層結(jié)構(gòu)的一個端面上以與波長相應(yīng)的不同角度射出的光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分光裝置，其特征在于所述入射裝置由光纖構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分光裝置，其特征在于所述探測裝置由透鏡體和光纖的結(jié)合構(gòu)成，透鏡體和光纖兩者形成在所述平面基體的表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分光裝置，其特征在于所述探測裝置由透鏡體、波導(dǎo)和光纖結(jié)合構(gòu)成，透鏡體和波導(dǎo)都形成在所述平面基體的表面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分光裝置，其特征在于在所述周期多層結(jié)構(gòu)的一個相對面上設(shè)置有反射層，以使所述光束從所述周期多層結(jié)構(gòu)另一表面發(fā)射出來。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分光裝置，其特征在于與所述周期多層結(jié)構(gòu)的相對面相切的介質(zhì)其折射系數(shù)互不相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分光裝置，其特征在于所述介質(zhì)之一是空氣或真空，另一介質(zhì)是同質(zhì)的固體波導(dǎo)層。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分光裝置，其特征在于所述周期多層結(jié)構(gòu)的層面整體上制成曲面。
13.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的分光裝置，其特征在于在所述基體的表面上有一些溝槽，用來在預(yù)定的位置上安置所述光纖。
14.一種整體光學(xué)儀器包括如權(quán)利要求1所限定的光學(xué)裝置；光入射裝置，通過它可使含有多種波長的多路傳輸?shù)墓馐肷涞街芷诙鄬咏Y(jié)構(gòu)的一個表面上；和探測裝置，通過它可接收到從所述周期多層結(jié)構(gòu)的一個端面上發(fā)射出的光束。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的整體光學(xué)裝置，其特征在于所述入射裝置由形成在平面基體上的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的分光裝置，其特征在于所述探測裝置由光纖構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的分光裝置，其特征在于所述周期多層結(jié)構(gòu)的層面整體上制成曲面。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的分光裝置，其特征在于在所述基體的表面上有一些溝槽，用來在預(yù)定的位置上安置所述光纖。
全文摘要
一種光學(xué)裝置,在該使用周期多層結(jié)構(gòu)的端面作為光入射面或光輸出面的光學(xué)裝置中,不必增加裝置的尺寸,并且通過使用周期多層結(jié)構(gòu)中輸出光的良好方向性和波長和輸出光角度的密切關(guān)系,可得到高分辨率。尤其是,通過將多層結(jié)構(gòu)的層面設(shè)置的與基體垂直,可得到適于集成的光學(xué)裝置。
文檔編號G02B6/293GK1357772SQ0113966
公開日2002年7月10日 申請日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月4日
發(fā)明者橘高重雄, 奈良正俊, 淺井貴弘, 中澤達(dá)洋, 小山正 申請人:日本板硝子株式會社