專利名稱：衍射光柵元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衍射光柵元件。
背景技術(shù)：
衍射光柵元件通常具有一個在透明平板的第一表面上形成的衍射光柵，此透明平板具有上述第一表面和一個第二表面，兩表面互相平行(比如見Kashiko Kodate的″Development of diffractive optics andfuture challenges″；Japan Women′s University Journal，F(xiàn)aculty ofScience，10th Edition，pages 7 to 24(2002))。在利用這一衍射光柵元件，比如，當(dāng)光線以固定入射角從與第一表面相接觸的媒質(zhì)進入第一表面時，此光線受到形成于第一表面上的衍射光柵的衍射，在透明平板內(nèi)傳播，并且其后射入與第二表面相接觸的媒質(zhì)中。光線從透明平板的第二表面射出的衍射角依波長而變。
因此，衍射光柵元件可用作對入射光解復(fù)用并發(fā)射經(jīng)過解復(fù)用的光的光學(xué)解復(fù)用器。另外，當(dāng)光線被導(dǎo)入與此情況下相反的方向時，此衍射光柵元件可用作對入射光進行復(fù)用并發(fā)射此復(fù)用光線的光學(xué)復(fù)用器。此外，通過將此衍射光柵元件與其他光學(xué)元件組合，比如，也可以構(gòu)成按照波長調(diào)節(jié)光線的群延時的色散調(diào)節(jié)器。所以，衍射光柵元件在對多波長信號光實施復(fù)用并將此復(fù)用光發(fā)射的波分復(fù)用(WDM)光學(xué)通信系統(tǒng)中是一重要光學(xué)器件。

發(fā)明內(nèi)容
但是，即使是入射到衍射光柵元件的光線的波長和入射角不變，衍射角也會隨溫度改變。在衍射光柵元件應(yīng)用于WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中的情況下，當(dāng)衍射光柵元件的衍射角改變時，信號光的損失因而很大或信號光的波形惡化，并且因此有時會發(fā)生通信錯誤。為了抑制這種通信錯誤，一般需要提供一個可保持衍射光柵元件的溫度不變的主動溫度控制機構(gòu)。然而，提供溫度控制機構(gòu)會招致系統(tǒng)成本增加，并且由于需要向溫度控制機構(gòu)供電也會招致系統(tǒng)成本的增加。
本發(fā)明系為解決現(xiàn)有的上述問題而完成的發(fā)明，并且本發(fā)明的一個目的是要提供一種允許省掉或簡化溫度控制系統(tǒng)的衍射光柵元件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的衍射光柵元件包括具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一個相對第二表面在第一表面?zhèn)壬闲纬刹⑶一旧吓c第一表面平行的衍射光柵。在-20℃至+80℃的溫度范圍內(nèi)的任意溫度下，衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率與包圍此衍射光柵元件的媒質(zhì)的折射率的溫度系數(shù)的和為0。當(dāng)衍射光柵元件應(yīng)用于光學(xué)通信系統(tǒng)的典型環(huán)境溫度范圍-20℃至+80℃之中時，上述溫度控制機構(gòu)可省掉或簡化。
最好，在本發(fā)明的衍射光柵元件中媒質(zhì)是空氣，并且衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率為0.63×10-6/K至1.23×10-6/K。在此情況下，在-20℃至+80℃的溫度范圍內(nèi)的任意溫度，在大氣壓力下，衍射光柵周期的線膨脹系數(shù)，即衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率，與媒質(zhì)的折射率的溫度系數(shù)的和為0。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的衍射光柵元件包括具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一個相對第二表面在第一表面上形成并且基本上與第一表面平行的衍射光柵。此衍射光柵元件置于空氣中；并且衍射光柵的每單位長度周期對溫度變化的變化率為0.65×10-6/K至1.11×10-6/K。在此情況下，此衍射光柵元件，在密封氣體或真空中，在-20℃至+80℃的溫度范圍內(nèi)，其最大波長偏移為0.04nm或以下。因此，此衍射光柵元件可適用于多波長信號光的光學(xué)頻率間隔為100GHz的WDM光學(xué)通信系統(tǒng)。
在本發(fā)明的衍射光柵元件中，衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率可為0.80×10-6/K至0.95×10-6/K。按照這一衍射光柵元件，在大氣壓力下，在溫度范圍為-20℃至+80℃時最大波長偏移為0.02nm或以下。因此，此衍射光柵元件可適用于多波長信號光的光學(xué)頻率間隔為50GHz的WDM光學(xué)通信系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的衍射光柵元件包括具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一個相對第二表面在第一表面上形成并且基本上與第一表面平行的衍射光柵。此衍射光柵密封于氣體或真空中；并且衍射光柵的每單位長度周期對溫度變化的變化率為2.4×10-7/K或以下。在此情況下，此衍射光柵元件，在密封或真空中，在-20℃至+80℃的溫度范圍內(nèi)，其最大波長偏移為0.04nm或以下。因此，此衍射光柵元件可適用于多波長信號光的光學(xué)頻率間隔為100GHz的WDM光學(xué)通信系統(tǒng)。
在本發(fā)明的衍射光柵元件中，衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率可為1.2×10-7/K或以下。按照這一衍射光柵元件，在密封或在真空中，在溫度范圍為-20℃至+80℃時最大波長偏移為0.02nm或以下。因此，此衍射光柵元件可適用于多波長信號光的光學(xué)頻率間隔為50GHz的WDM光學(xué)通信系統(tǒng)。
在本發(fā)明的衍射光柵元件中，衍射光柵可在第一表面上形成。此衍射光柵也可由第一表面支持。此外，此衍射光柵也可在透明平板中形成。
在根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵元件中，透明平板由添加雜質(zhì)的硅玻璃制作也是優(yōu)選方案。透明平板由添加雜質(zhì)的硅玻璃或結(jié)晶玻璃構(gòu)成也是優(yōu)選方案。透明平板由多個具有不同線膨脹系數(shù)的光學(xué)玻璃層疊也是優(yōu)選方案。另外，透明平板由在厚度方向上添加不同濃度的雜質(zhì)的硅玻璃制作也是優(yōu)選方案。
在透明平板中添加雜質(zhì)的情況下，優(yōu)選的雜質(zhì)是元素Ge、P和B中的任何一種。另外，Ti也是優(yōu)選雜質(zhì)。比如，通過VAD或CVD或其他類似方法，添加雜質(zhì)，在透明平板上形成的衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率，即衍射光柵的線膨脹系數(shù)，可獲得所要求的值。透明平板上形成衍射光柵的部分優(yōu)選地是由硅玻璃制作，并且，在此情況下，在形成衍射光柵時的加工性能極優(yōu)異。
在根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵元件中，材料在透明平板的厚度方向上的分布，即線膨脹系數(shù)的分布，優(yōu)選的情況是對稱的。在這種情況下，即使是在溫度改變時透明平板的扭曲也可受到抑制。此外，優(yōu)選的是衍射光柵形成于透明平板的厚度方向上的中心。此時，溫度與光發(fā)射位置的依賴關(guān)系也減弱。
在根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵元件的情況下，優(yōu)選的是衍射效率基本上與偏振不相關(guān)。結(jié)果，即使是在入射光的偏振狀態(tài)不是固定不變的，入射光衍射的衍射效率也可以是固定不變的，而無需像通常那樣采用其他光學(xué)元件(偏振分離元件、偏振組合元件等等)。


圖1為具體實施方式
的衍射光柵元件1的剖面圖。
圖2示出衍射光柵元件面對的問題。
圖3為示出溫度T與空氣的折射率n的溫度系數(shù)之間的依賴關(guān)系曲線。
圖4為示出在溫度范圍為-20℃至+80℃時最大波長偏移與衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α之間的依賴關(guān)系曲線。
圖5為具體實施方式
的衍射光柵元件1的另一個組成例的說明圖。
圖6為示出衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α和厚度比(t2/t1)的依賴關(guān)系曲線。
圖7為具體實施方式
的衍射光柵元件1的再一個組成例的說明圖。
圖8為具體實施方式
的衍射光柵元件1的再一個組成例的說明圖。
圖9為具體實施方式
的衍射光柵元件1的再一個組成例的說明圖。
圖10為具體實施方式
的衍射光柵元件2的剖面圖。
圖11為具體實施方式
的衍射光柵元件3的剖面圖。
圖12為具體實施方式
的衍射光柵元件4的剖面圖。
圖13為具體實施方式
的衍射光柵元件5的剖面圖。
圖14示出實現(xiàn)具體實施方式
的衍射光柵元件1的偏振不相關(guān)性的方法。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明的具體實施方式
予以詳細說明。在各圖中同樣的元件或部件賦予同樣的標(biāo)號，因而此處省略重復(fù)的內(nèi)容。另外，為了便于說明起見，有時圖中采用xyz笛卡爾坐標(biāo)系。
圖1為具體實施方式
的衍射光柵元件1的剖面圖。在此圖中示出的衍射光柵元件1具有一個透明平板10，此透明平板具有一個第一表面10A和一個第二表面10B，兩表面基本上互相平行。衍射光柵元件1具有一個在第一表面10A上形成的衍射光柵。衍射光柵元件1與周圍的媒質(zhì)接觸。在圖1中，衍射光柵元件1的第一表面10A與媒質(zhì)21相接觸，并且第二表面10B與媒質(zhì)22相接觸。在第一表面10A上形成的衍射光柵的光柵方向與y軸方向平行，并且在x軸方向上以周期Λ周期地形成凹槽和凸起。此外，在第二表面10B上以適當(dāng)方式設(shè)置減反膜。在這種情況下，衍射效率非常優(yōu)異。另外，雖然媒質(zhì)21和22，比如，是空氣，但這些媒質(zhì)并不限于是空氣。另外，透明平板10，比如，是由硅玻璃制作的，但并非必須是硅玻璃。
在此衍射光柵元件1中，光線(入射光Li)通過媒質(zhì)21入射到透明平板10的第一表面10A。入射平面與平面xz平行。入射光Li受到形成于第一表面10A上的衍射光柵的衍射，在透明平板10內(nèi)傳播并發(fā)射到與第二表面10B接觸的媒質(zhì)22。在圖1中，發(fā)射到媒質(zhì)22的光線表示為衍射光Ld。在圖1中，衍射光Ld表示成為-2級衍射光LD-2，-1級衍射光LD-1，0級衍射光LD0，以及1級衍射光LD1。另外，在圖1中，由第一表面10A反射的光表示為反射光Lr。在圖1中，反射光Lr表示成為-2級反射光Lr-2，-1級反射光Lr-1，0級反射光Lr0，以及1級反射光Lr1。
從透明平板10的第二表面10B發(fā)射的m級偏振光的衍射角θm可由下面的方程表示θm=sin-1(sinθ+mλnΛ)---(1)]]>其中，θ是入射角，λ是真空中的波長，而n是媒質(zhì)21、22的折射率。從上面的方程可知，衍射角θm取決于波長λ并且因而衍射光柵元件1，比如，可用作光學(xué)解復(fù)用器或光學(xué)復(fù)用器，或者也可用作色散調(diào)節(jié)器的一個組件。
另外，當(dāng)溫度T改變時，將產(chǎn)生下面的問題。圖2示出衍射光柵元件面對的問題。一般，媒質(zhì)21和22的折射率n是溫度T的函數(shù)，并且因為衍射光柵的周期Λ也是溫度T的函數(shù)，所以衍射角θm隨溫度T而改變。如果，如圖2所示，入射光Li，包含波長分量λ1至λ3，假設(shè)此光學(xué)系統(tǒng)被調(diào)節(jié)成在排除0級衍射光的衍射光中波長λ2的一個分量被光學(xué)元件30(比如，光電二極管、反射鏡等等)所接收，則當(dāng)衍射角θm隨溫度T而改變時，入射到光學(xué)元件30的光的波長偏移。因此，傳統(tǒng)上需要提供一個可保持衍射光柵元件的溫度恒定的主動(active)溫度控制機構(gòu)。
此具體實施方式
中的衍射光柵元件1可以解決這一問題。就是說，當(dāng)在溫度T時求出乘積(nΛ)(此量是上面方程(1)的右側(cè)的與溫度相關(guān)的分量)時，可得到下面的方程d(nΛ)dT=nΛ(1ndndT+1ΛdΛdT)---(2)]]>如果方程(2)的右側(cè)為0，則乘積(nΛ)恒定并且與溫度T無關(guān)。因此，衍射角θm恒定并且與溫度T無關(guān)。
其中，上面的方程(2)的右側(cè)的括號內(nèi)的第二項是衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α，由下式表示
α=1ΛdΛdT---(3)]]>就是說，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α與衍射光柵單位長度周期Λ對溫度變化的變化率同義。在本說明書中，將衍射光柵單位長度周期Λ對溫度變化的變化率稱為衍射光柵周期Λ的線膨脹系數(shù)α。
另外，上面的方程(2)的右側(cè)的括號內(nèi)的第一項是媒質(zhì)21、22的折射率n的溫度系數(shù)β，由下式表示β=1ndndT---(4)]]>因此，如果衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α和媒質(zhì)21、22的折射率n的溫度系數(shù)β之和為0，就是說，如果關(guān)系式α+β＝0 ...(5)成立，則衍射角θm恒定并且與溫度T無關(guān)。
采用本具體實施方式
的衍射光柵元件，在-20℃至+80℃溫度范圍內(nèi)的任意溫度下，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α和媒質(zhì)21、22的折射率n的溫度系數(shù)β之和為0。結(jié)果，當(dāng)將衍射光柵元件1在典型的環(huán)境溫度范圍-20℃至+80℃內(nèi)應(yīng)用于光學(xué)通信系統(tǒng)中時，可以省掉或簡化溫度控制機構(gòu)。
下面將對媒質(zhì)21和22是空氣的情況予以說明。圖3為示出溫度T與空氣的折射率n的溫度系數(shù)β之間在大氣壓力下的依賴關(guān)系曲線。如圖所示，空氣的折射率n與溫度T的依賴關(guān)系很小并且其值幾乎等于1。然而，空氣的折射率n的溫度系數(shù)β的變化與溫度T的依賴關(guān)系很大。另外，如果衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α(單位1/K)是在以下數(shù)值范圍內(nèi)
0.63×10-6＜α＜1.23×10-6...(6)則上式(5)在大氣壓力下在-20℃至+80℃溫度范圍內(nèi)的任意溫度都成立。另外，如果衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α是0.89×10-6/K，則在接近通常的使用溫度25℃時在大氣壓力下上面的關(guān)系式(5)成立。
另外，如圖2所示，一般，當(dāng)溫度T改變時，射入光學(xué)元件30的衍射光的波長偏移。圖4為示出在溫度范圍為-20℃至+80℃時最大波長偏移與衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α之間的依賴關(guān)系曲線。此圖示出當(dāng)波長λ分別為1.3μm、1.5μm和1.7μm時的情況。另外，在WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中，波長帶等于或小于波長1.7μm，并且一般用作信號光波長帶。
在WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中的多波長信號光的光學(xué)頻率間隔是100GHz時，在大氣壓力下在溫度范圍-20℃至+80℃內(nèi)，最大波長偏移為0.04nm或以下。因此，根據(jù)圖4，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α(單位1/K)可在以下的數(shù)值范圍內(nèi)0.65×10-6＜α＜1.11×10-6...(7)此外，在多波長信號光的光學(xué)頻率間隔是50GHz時，在大氣壓力下在溫度范圍-20℃至+80℃內(nèi)，最大波長偏移必定是0.02nm或以下。因此，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α(單位1/K)可在以下的數(shù)值范圍內(nèi)0.80×10-6＜α＜0.95×10-6...(8)如上所述，因為衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α是在一個合適的范圍內(nèi)，本具體實施方式
的衍射光柵元件1在溫度范圍-20℃至+80℃內(nèi)可以滿足對WDM光學(xué)通信系統(tǒng)的精度要求，并且因而溫度控制機構(gòu)可以省掉或簡化。請注意，所要求的精度隨著多波長信號光的波長帶和光學(xué)頻率間隔而改變。
下面對實現(xiàn)衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α的要求值的方法予以說明。第一種方法是將一種雜質(zhì)(Ge、P和B或其他類似的元素)添加到硅玻璃之中以形成透明平板10。硅玻璃的線膨脹系數(shù)為0.5×10-6/K，并且是在上述數(shù)值范圍之外。然而，通過適當(dāng)設(shè)定添加到硅玻璃中的雜質(zhì)的添加劑濃度，可以實現(xiàn)硅玻璃的線膨脹系數(shù)的要求值。
比如，當(dāng)添加到硅玻璃中的雜質(zhì)是Ge(Ge添加劑濃度為MGe(單位mol％))時，硅玻璃的線膨脹系數(shù)α(單位1/K)可用下面的關(guān)系式表示α＝0.5×10-6+0.076×10-6MGe...(9)因此，為了實現(xiàn)由上式(6)表示的線膨脹系數(shù)α的數(shù)值范圍，Ge添加劑濃度MGe可為1.7mol％到9.6mol％。此外，為了實現(xiàn)由上式(8)表示的線膨脹系數(shù)α的數(shù)值范圍，Ge添加劑濃度MGe可為3.9mol％到5.9mol％。
同樣，當(dāng)添加的是Ge以外的另一種雜質(zhì)(P、B或類似的元素)時，通過適當(dāng)設(shè)定添加劑濃度，可以實現(xiàn)硅玻璃的線膨脹系數(shù)的要求值。另外，當(dāng)考慮透明平板10的生產(chǎn)率時，在硅玻璃中添加多種類型的雜質(zhì)是合適的。另外，制作可利用，比如，VAD或CVD進行。
作為實現(xiàn)衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α的要求值的第二種方法是將線膨脹系數(shù)不同的多種硅玻璃層疊而形成透明平板10。圖5為具體實施方式
的衍射光柵元件1的另一個組成例的說明圖。在此圖中示出的衍射光柵元件1中，透明平板10是通過順次疊置的三片光學(xué)玻璃11至13而制作的。光學(xué)玻璃11與媒質(zhì)21相接觸，光學(xué)玻璃13與媒質(zhì)22相接觸，而光學(xué)玻璃12插在光學(xué)玻璃11和光學(xué)玻璃13之間。
另外，線膨脹系數(shù)在透明平板10的厚度方向上的分布適當(dāng)?shù)貙ΨQ。在此情況下，透明平板10的扭曲的發(fā)生，即使是在溫度改變時也會受到抑制。假設(shè)光學(xué)玻璃11和13每個都具有厚度t1/2，楊氏模量是E1，泊松比是v1，并且線膨脹系數(shù)是α1。讓我們還假設(shè)對于光學(xué)玻璃12的厚度為t2，楊氏模量是E2，泊松比是v2，并且線膨脹系數(shù)是α2。于是，透明平板10的線膨脹系數(shù)(即，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α)由下式表示
另外，因為光學(xué)玻璃11至13中的每一個的厚度由于衍射光柵的凹槽和凸起的厚度之故而足夠大，可以忽略衍射光柵的凹槽和凸起產(chǎn)生的影響。
另外，光學(xué)玻璃11和光學(xué)玻璃13形成衍射光柵的加工性能極優(yōu)異是合適的。光學(xué)玻璃12的物質(zhì)性及厚度可適當(dāng)?shù)卦O(shè)定而使衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α獲得按照上述方程(10)所要求的值。比如，光學(xué)玻璃11和光學(xué)玻璃13適合地由硅玻璃制作。此外，由添加Ge作為雜質(zhì)的硅玻璃適合地制作光學(xué)玻璃12。
圖6為示出衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α和厚度比(t2/t1)的依賴關(guān)系曲線。其中，添加到光學(xué)玻璃12中的雜質(zhì)是Ge，并且添加劑濃度分別設(shè)定為10mol％和15mol％。從此圖可知，通過適當(dāng)設(shè)定雜質(zhì)添加劑濃度和光學(xué)玻璃12的濃度，可使衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α獲得要求的值。
此處，當(dāng)光學(xué)玻璃11和13的折射率和光學(xué)玻璃12的折射率之間的差異很大時，光在這些光學(xué)玻璃中間的界面上的反射很大并且因而衍射效率很低。因此，為了抑制在界面上的反射，折射率差最好是較小。當(dāng)光學(xué)玻璃11和13是硅玻璃而光學(xué)玻璃12是Ge添加劑濃度為15mol％的硅玻璃時，折射率差極小，為0.022，并且因而可以抑制在界面上的反射。
為了將光學(xué)玻璃11至13粘貼在一起使用粘合劑。這一粘合劑的折射率最好是也接近光學(xué)玻璃11至13的折射率。也可以應(yīng)用陽極(anode bonding)結(jié)合來將光學(xué)玻璃11至13粘貼在一起。在此情況下，不需要粘合劑，并且因而不會產(chǎn)生粘合劑的線性膨脹的影響。
作為實現(xiàn)衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α的要求值的第三種方法是透明平板10可以由在厚度方向上以不同濃度添加雜質(zhì)(Ge、P和B等等)的硅玻璃制作。圖7為此具體實施方式
的衍射光柵元件1的另一個組成例的說明圖。此圖示出在透明平板10的厚度方向上Ge的添加劑濃度分布。在具有圖中所示的Ge添加劑濃度分布的衍射光柵元件1的情況下，透明平板10在分別包含第一表面10A和第二表面10B的相鄰區(qū)域中是硅玻璃，并且在中間區(qū)域添加Ge作為雜質(zhì)。透明平板10的制作可利用VAD或CVD等等進行。
在此情況下，線膨脹系數(shù)分布在透明平板10的厚度方向上適當(dāng)?shù)貙ΨQ。采用具有對稱的線膨脹系數(shù)分布的衍射光柵元件1即使是在溫度改變時也可抑制透明平板10的扭曲的產(chǎn)生。
透明平板10的線膨脹系數(shù)(即，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α)由下式表示α=∫01E(z)1-v(z)α(z)dz∫01E(z)1-v(z)dz---(11)]]>
其中，1是透明平板10的厚度，而第二表面10B的z坐標(biāo)值是0。
分別包含第一表面10A和第二表面10B的相鄰區(qū)域是硅玻璃，并且因而用來形成衍射光柵的加工性能適當(dāng)?shù)貥O優(yōu)異。根據(jù)上式(11)適當(dāng)設(shè)定雜質(zhì)添加劑濃度和厚度，可使衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α獲得所要求的值。另外，通過在厚度方向上平滑地改變雜質(zhì)濃度，可使折射率在厚度方向上平滑地改變。結(jié)果，在顯示折射率變化的部分中光的反射可得到抑制。
作為實現(xiàn)衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α的要求值的第四種方法，衍射光柵可通過在透明平板10的一面上形成薄膜然后進行刻蝕而形成。就是說，衍射光柵可由透明平板10的一個表面(第一表面10A)支持。圖8和圖9為具體實施方式
的衍射光柵元件1的再一個組成例的說明圖。在這些附圖中示出的衍射光柵元件1中，透明平板10是由其中添加，比如，元素Ge或Ti等作為雜質(zhì)的硅玻璃制作。
在圖8中示出的衍射光柵元件1，是通過在透明平板10的一面上藉助汽相淀積單層薄膜10a然后藉助圖形化刻蝕在周期Λ圖形上留下薄膜10a而形成的衍射光柵。就是說，在圖8中示出的衍射光柵元件1，具有在透明平板10的一個表面(第一表面10A)上形成的衍射光柵。衍射光柵元件1具有一個由透明平板10的一個表面(第一表面10A)直接支持的衍射光柵。
在圖9中示出的衍射光柵元件1是通過在透明平板10的一面上藉助蒸汽淀積多層薄膜10a、10b和10c，然后藉助圖形化刻蝕在周期Λ圖形上留下薄膜10a、10b而形成的衍射光柵。就是說，在圖9所示的衍射光柵元件1的情況下，衍射光柵是通過薄膜10c由透明平板10的一個表面(第一表面10A)支持的。
在此衍射光柵元件1中，可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)添加到透明平板10中的雜質(zhì)的添加劑濃度而使衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α獲得所要求的值。另外，在此情況下，甚至在對透明平板10進行刻蝕很困難時，通過適當(dāng)選擇在一個表面上形成的薄膜的材料，也可很容易地形成衍射光柵。此外，特別是在圖9所示的衍射光柵元件1的情況下，通過適當(dāng)?shù)剡x擇每個薄膜10a、10b和10c的折射率可以使衍射特性與偏振的依賴關(guān)系在很寬的波長帶中減弱。
在對具體實施方式
的上述說明中，是假設(shè)了衍射光柵元件1是置于大氣壓力下并且媒質(zhì)21和22是大氣壓力下的氣體。然而，有時衍射光柵元件1是密閉在封裝中。在此情況下，溫度的改變會導(dǎo)致氣體壓力的改變，并且氣體折射率會由于壓力的這一改變而改變。下面將對衍射光柵元件1是密封的情況予以說明。
此具體實施方式
的衍射光柵元件1，不僅用作光學(xué)解復(fù)用器或光學(xué)復(fù)用器，而且在WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中適合地用作光學(xué)模塊的組件，如色散調(diào)節(jié)器、頻譜檢測器和光學(xué)濾波器。另外，在這些光學(xué)模塊中，衍射光柵元件1有時是與半導(dǎo)體部件，如激光二極管、光電二極管和MEMS(微機電系統(tǒng))，一起在一個封裝中提供的。另外，一般講，半導(dǎo)體部件是密封的，以防止由于氫氣和水蒸氣的作用引起的老化。另外，還有，在不包含半導(dǎo)體部件的光學(xué)模塊中，通過密封抑制外來物質(zhì)粘附到衍射光柵元件1上，可以保持良好的特性。下面示出通過密封來減小衍射特性與溫度的依賴關(guān)系的具體示例。
氣體的折射率n一般由下式表示n＝1+Δn ...(12)其中，Δn表示與真空的折射率的差值。Δn隨氣體而異。當(dāng)溫度為0℃時，He、Ne、Ar和N2，在一個大氣壓力下的值為HeΔn＝0.35×10-4...(13a)NeΔn＝0.67×10-4...(13b)ArΔn＝2.84×10-4...(13c)N2Δn＝2.97×10-4...(13d)當(dāng)溫度或壓力改變時，Δn基本上與氣體密度成正比地改變。假設(shè)在密封時氣體密度為ρ0，在密封時氣體溫度為T0，并且氣體的體膨脹系數(shù)是γ。此處，在溫度T時氣體的折射率n可由下式表示n=1+Δnρρ0---(14)]]>在溫度T時氣體的密度ρ由下式表示ρρ0=1-γ(T-T0)---(15)]]>相應(yīng)地，在密封時氣體的折射率的溫度系數(shù)β由下式表示β＝-Δnγ ...(16)在容納并密封衍射光柵元件1(及半導(dǎo)體部件)的封裝材料是Al(鋁)，封裝的線膨脹系數(shù)是23×10-6/℃，并且因而封裝內(nèi)的氣體的體膨脹系數(shù)γ是69×10-6/℃(＝3×23×10-6)。相應(yīng)地，當(dāng)氣體是He時，在密封情況下的氣體的折射率的溫度系數(shù)β為-0.024×10-7/℃，并且對于N2氣體是-0.20×10-7/℃。
密封情況下的氣體的折射率的溫度系數(shù)β的這個值的絕對值也比硅玻璃的線膨脹系數(shù)5×10-7/℃小一個或多個數(shù)位(digit)。另外，在大氣壓力下，氣體的體膨脹系數(shù)反比于絕對溫度并且，比如，在0℃時為3.7×10-3/℃(＝1/273)。因此，利用Al封裝密封的氣體的體膨脹系數(shù)γ的絕對值也比在大氣壓力下的體膨脹系數(shù)小兩個或更多個數(shù)位。
與衍射光柵元件1置于大氣壓力情況下相比較，在衍射光柵元件1以這種方式密封時，氣體(媒質(zhì)21和22)的折射率n的溫度系數(shù)β小并且溫度系數(shù)β與溫度依賴關(guān)系也很小，因此衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α的合適范圍也改變。
在衍射光柵元件1應(yīng)用于不帶溫度調(diào)節(jié)的WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中的情況下，當(dāng)多波長信號光的光學(xué)頻率間隔是100GHz時，對每個單位溫度改變的衍射光柵的波長偏移最好是0.4pm/℃或以下(在-20℃至+80℃溫度范圍內(nèi)波長偏移等于或小于0.04nm)。另外，當(dāng)多波長信號光的光學(xué)頻率間隔是50GHz時，對每個單位溫度改變的衍射光柵的波長偏移最好是0.2pm/℃或以下(在-20℃至+80℃溫度范圍內(nèi)波長偏移等于或小于0.02nm)。請注意，所要求的精度隨著多波長信號光的波長帶和光學(xué)頻率間隔等等而改變。
此處，對每個單位溫度改變的衍射光柵的波長偏移可由下式表示dλdT=λ(α+β)---(17)]]>一般在WDM光學(xué)通信系統(tǒng)中使用的信號光的波長是1.7μm或以下，并且因此，為了使信號光波長帶的整個范圍的波長偏移等于0.4pm/℃或以下(或0.2pm/℃)，可滿足下面的條件|α+β|≤0.4[pm/℃]/1.7[μm]＝2.4×10-7[/℃]...(18a)|α+β|≤0.2[pm/℃]/1.7[μm]＝1.2×10-7[/℃]...(18b)上述方程(18)右側(cè)的值大致比衍射光柵元件1密封時氣體的折射率n的溫度系數(shù)β大一個數(shù)位。同樣，在使用由具有大的線膨脹系數(shù)的材料，如Al(鋁)，制作的封裝時，如果衍射光柵元件1是密封于此封裝內(nèi)，則可以忽略氣體(媒質(zhì)21和22)的折射率n的溫度系數(shù)β。因此，也包括封裝內(nèi)部是真空的情況，當(dāng)光學(xué)頻率間隔分別是100GHz和50GHz時，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α可滿足下面的條件|α|≤2.4×10-7[/℃] ...(19a)|α|≤1.2×10-7[/℃] ...(19b)另外，甚至在密封情況下，當(dāng)線膨脹系數(shù)很大，比如在密封封裝的材料是樹脂時，考慮到衍射光柵元件1是密封時的氣體的折射率的溫度系數(shù)β，上述方程(18a)和(18b)必須滿足。
在衍射光柵元件1是密封的情況下，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α必須比硅玻璃的線膨脹系數(shù)(5×10-7/℃)小。為了達到這一點，使用結(jié)晶玻璃作為透明平板10是適宜的。另外，使用添加元素Ti的硅玻璃作為透明平板10是適宜的。在使用結(jié)晶玻璃時通過調(diào)節(jié)結(jié)晶度和在使用添加Ti的硅玻璃時調(diào)節(jié)添加的Ti的量，可使線膨脹系數(shù)獲得，比如，從-20×10-7/℃至+5×10-7/℃范圍內(nèi)的值。另外，基本上無熱膨脹的玻璃用作透明平板10是合適的。另外，在圖5所示的構(gòu)造中，硅玻璃可用作光學(xué)玻璃11和13，而具有負線膨脹系數(shù)的玻璃可用作光學(xué)玻璃12。
上述的具體實施方式
的衍射光柵元件1具有在透明平板10的一個表面之中或之上形成的衍射光柵。然而，衍射光柵可以在內(nèi)部形成并基本上與透明平板的表面處于平行狀態(tài)。下面將對在透明平板內(nèi)部形成的衍射光柵的衍射光柵元件予以說明。
圖10為具體實施方式
的衍射光柵元件2的剖面圖。在此圖中示出的衍射光柵元件2具有一個在透明平板之中形成的衍射光柵10a，此透明平板具有一個第一表面10A和一個第二表面10B，兩表面互相平行并分別與媒質(zhì)21和22相接觸，基本上與第一表面10A相平行。透明平板10是添加有，比如，元素Ge或Ti的硅玻璃。衍射光柵10a形成于透明平板10的厚度方向上(z軸方向上)的中心，是一垂直對稱結(jié)構(gòu)，并且是在x軸方向上使光柵方向平行于y軸以周期Λ周期地形成的。此外，在第一表面10A和第二表面10B上分別適當(dāng)?shù)匦纬蓽p反膜。同樣，在衍射光柵元件2的情況下，在衍射光柵元件置于大氣壓力下時，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α滿足上述方程(5)至(8)中的任意一個，而當(dāng)衍射光柵元件密封時，滿足上述方程(18a)或(18b)。衍射光柵元件2的衍射角與溫度的依賴關(guān)系與前面所述的在第一表面10A中間或上面形成衍射光柵的衍射光柵元件1以同樣的方式減小。
此外，當(dāng)衍射光柵元件2應(yīng)用于一般可以得到高衍射效率的布喇格條件下時，光從第二表面10B發(fā)射的位置與溫度的依賴關(guān)系也受到抑制。就是說，假設(shè)光從媒質(zhì)21入射到第一表面10A(入射光Li)的入射角是θ，此光線的波長是λ，衍射光柵的周期是Λ，并且媒質(zhì)21和22的折射率是n，則對m級的衍射光(在圖10中衍射光以Ld表示)的布喇格條件以下式表示sinθ=-mλ2nΛ---(20)]]>在布喇格條件下，入射角和衍射角的絕對值相等符號相反。另外，衍射光柵10a形成于透明平板10的厚度方向(z軸方向)的中心以便產(chǎn)生垂直對稱結(jié)構(gòu)。因此，在x軸方向上，光通過第二表面10B發(fā)射的位置P2等于光入射到第一表面10A的位置P1。假設(shè)在上述方程(20)中的乘積(nΛ)與溫度的依賴關(guān)系不再存在，因為光入射到第一表面10A的位置P1與溫度無關(guān)，而布喇格條件永遠滿足，不管溫度如何，并且因而在光經(jīng)過第二表面10B發(fā)射的位置P2與溫度不存在任何關(guān)系。因此，如果組成上述方程(20)中的溫度依賴關(guān)系成分的乘積(nΛ)與溫度的依賴關(guān)系減小，則不僅可能減弱衍射角與溫度的依賴關(guān)系，而且也可以減小發(fā)射位置P2與溫度的依賴關(guān)系。
圖11為具體實施方式
的衍射光柵元件3的剖面圖。在此圖中示出的衍射光柵元件3是前面介紹過的衍射光柵元件2的變型示例，其中的透明平板10是由順次疊置的三片光學(xué)玻璃11至13組成的。衍射光柵元件3的三片光學(xué)玻璃11至13與圖5中示出的組成類似。比如，在中心處的光學(xué)玻璃12和在其兩邊的光學(xué)玻璃11和13每一個都是由添加了，比如，元素Ge或Ti的硅玻璃制作的。衍射光柵10a形成于光學(xué)玻璃12的厚度方向(z軸方向)上的中心處，是一垂直對稱結(jié)構(gòu)，并且是在x軸方向上使光柵方向平行于y軸以周期Λ周期地形成的。此外，在光學(xué)玻璃11和13上分別適當(dāng)?shù)卦O(shè)置減反膜。同樣，在衍射光柵元件3的情況下，在衍射光柵元件置于大氣壓力下時，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α滿足上述方程(5)至(8)中的任意一個，而當(dāng)衍射光柵元件密封時，滿足上述方程(18a)或(18b)。與前面說明過的衍射光柵元件2類似，在使用衍射光柵元件3時，如果衍射角與溫度的依賴關(guān)系減小，則衍射角與溫度的依賴關(guān)系可以減弱，而且發(fā)射位置與溫度的依賴關(guān)系也可以減小。
下面詳細介紹衍射光柵元件2和3的制作。將另外一片雙面光滑的透明玻璃粘合到在一個其表面上通過刻蝕或類似方法形成有衍射光柵的透明玻璃的衍射光柵表面。將衍射光柵元件2的透明平板10或衍射光柵元件3的光學(xué)玻璃12粘合到一起?；蛘?，在一個在其中通過刻蝕或類似方法形成有衍射光柵的透明玻璃的衍射光柵表面的表面具有通過藉助蒸汽淀積高折射率材料，如TiO2、Ta2O5或Nb2O5嵌入的光柵槽，然后將另外一片雙面光滑的透明玻璃粘合到此衍射光柵一面。可將衍射光柵元件2的透明平板10或衍射光柵元件3的光學(xué)玻璃12粘合在一起。在后一種情況下，因為整個衍射光柵一面是堅實的，粘合是很順暢的。另外，在后一種情況下，在通過高折射率材料嵌入之后實施表面處理(如打磨)時，粘合工作更容易，因而是合適的。
圖12為按照此具體實施方式
的衍射光柵元件4的剖面圖。在此圖中示出的衍射光柵元件4中，透明平板10具有一個在插在光學(xué)玻璃11和光學(xué)玻璃12中間的區(qū)域中形成的衍射光柵。此衍射光柵這樣構(gòu)成即在x軸方向上以周期Λ交替地提供媒質(zhì)14a和媒質(zhì)14b。
此外，圖13為此具體實施方式
的衍射光柵元件5的剖面圖。在此圖中示出的衍射光柵元件5中，透明平板10是由在插在光學(xué)玻璃11和光學(xué)玻璃12中間的區(qū)域中順次形成的薄膜15至18組成的，并且在薄膜16和17中間形成衍射光柵。此衍射光柵這樣構(gòu)成，即在x軸方向上以周期Λ交替地提供媒質(zhì)14a和媒質(zhì)14b。
這些衍射光柵元件4和5也一樣，在衍射光柵元件置于大氣壓力下時，衍射光柵的周期Λ的線膨脹系數(shù)α滿足上述方程(5)至(8)中的任意一個?；蛘?，當(dāng)衍射光柵元件密封時，滿足上述方程(18a)或(18b)。與前面說明過的衍射光柵元件2類似，在使用衍射光柵元件4和5時，如果衍射角與溫度的依賴關(guān)系減小，則衍射角與溫度的依賴關(guān)系可以減弱，而且發(fā)射位置與溫度的依賴關(guān)系也可以減小。
這些衍射光柵元件4和5的衍射效率也可以在更寬的波長帶內(nèi)提高。另外，衍射光柵元件4和5與偏振的依賴關(guān)系可以得到抑制，并且，因為因此就不需要在衍射光柵元件之外分開提供偏振分離元件、偏振組合元件等等，就可以消除由于這一偏振分離元件或偏振組合元件等等的偏振分離和組成與溫度的依賴關(guān)系所產(chǎn)生的影響。
另外，在衍射光柵元件5的情況下，在正常情況下，因為薄膜15至18和媒質(zhì)14a和媒質(zhì)14b足夠薄并且?guī)缀醪粫绊懲该髌桨?0的線膨脹系數(shù)，這些部件不需要垂直對稱。
上面介紹了衍射光柵元件單元和溫度的依賴關(guān)系的抑制問題。一般講，有時此衍射光柵元件與其他光學(xué)元件一起使用。比如，當(dāng)入射光的偏振狀態(tài)不是固定不變時，衍射光柵元件與偏振分離元件、偏振旋轉(zhuǎn)元件和偏振組合元件一起使用。在此情況下，入射光是由偏振分離元件進行偏振分離以便產(chǎn)生兩個偏振面互相正交的直線偏振光部件。在兩個經(jīng)過偏振分離的直線偏振光部件的光線中，一個偏振面由偏振旋轉(zhuǎn)元件旋轉(zhuǎn)90℃以生成同一取向的直線(linear)偏振光，并且之后射入衍射光柵元件進行衍射。在兩個經(jīng)過衍射光柵元件衍射的直線偏振光部件的光線中，一個偏振面由另一個偏振旋轉(zhuǎn)元件旋轉(zhuǎn)90℃以生成偏振面互相正交的直線偏振光，并且之后此光線由偏振組合元件進行偏振組合而發(fā)射。
在此情況下，除了在衍射光柵元件中溫度依賴關(guān)系受到抑制之外，其他的光學(xué)元件(偏振分離元件、偏振組合元件以及偏振旋轉(zhuǎn)元件)一般也是溫度相關(guān)的，并且因而需要溫度控制機構(gòu)。然而，當(dāng)溫度控制負載對其他光學(xué)元件很大時，對于衍射光柵元件省掉或簡化溫度控制機構(gòu)的意義減小。
因此，此具體實施方式
的衍射光柵元件1是一個其溫度依賴性受到抑制并且衍射效率的偏振依賴關(guān)系也受到抑制的適合的衍射光柵元件。相應(yīng)地，甚至當(dāng)入射光的偏振狀態(tài)不是固定不變時，入射光也可以由衍射光柵元件1以恒定衍射效率單獨進行衍射，不需要使用上述其他光學(xué)元件(偏振分離元件、偏振合成元件及偏振旋轉(zhuǎn)元件)。
圖14示出實現(xiàn)具體實施方式
的衍射光柵元件1的偏振不相關(guān)性的方法。圖14示出0級衍射光Ld0和1級衍射光衍射光Ld1。比如，讓我們假設(shè)，如圖14所示，衍射光柵的剖面具有矩形凹槽和凸起，周期Λ是1.55μm，凸起條的高度H是3.72μm，并且凸起條的寬度W和周期Λ的比(W/Λ)是0.66。假設(shè)透明平板10是由硅玻璃構(gòu)成的并且媒質(zhì)21和22是空氣。另外，讓我們假設(shè)在透明平板10的第二表面10B上形成不反射涂層。此處，假設(shè)從媒質(zhì)21射入到第一表面10A的光的波長是1.55μm，并且入射角θ是30℃，則TE偏振光和TM偏振光的衍射效率大約為98％，并且衍射效率基本上是與偏振不相關(guān)的。
在上述的優(yōu)選實施例中對本發(fā)明的原理進行了描述和說明，但是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很顯然，不脫離上述原理可以對本發(fā)明在設(shè)置和細節(jié)上進行改變。因此，我們要求對權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有的變化和改變的權(quán)利。
工業(yè)可應(yīng)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光柵元件，當(dāng)衍射光柵元件應(yīng)用于光學(xué)通信系統(tǒng)的典型環(huán)境溫度范圍-20℃至+80℃之中時，溫度控制機構(gòu)可省掉或簡化。
權(quán)利要求
1.一種衍射光柵元件，其構(gòu)成包括具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一個相對第二表面在第一表面?zhèn)壬闲纬刹⑶一旧吓c第一表面平行的衍射光柵；其中，在-20℃至+80℃的溫度范圍內(nèi)的任意溫度下，衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率與包圍此衍射光柵元件的媒質(zhì)的折射率的溫度系數(shù)的和為0。
2.如權(quán)利要求1所述的衍射光柵元件，其中媒質(zhì)是空氣；并且衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率為0.63×10-6/K至1.23×10-6/K。
3.一種衍射光柵元件，其構(gòu)成包括具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一個相對第二表面在第一表面?zhèn)壬闲纬刹⑶一旧吓c第一表面平行的衍射光柵；其中此衍射光柵元件置于空氣中；并且衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率為0.65×10-6/K至1.11×10-6/K。
4.如權(quán)利要求3所述的衍射光柵元件，其中衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率為0.80×10-6/K至0.95×10-6/K。
5.一種衍射光柵元件，其構(gòu)成包括具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一個相對第二表面在第一表面上形成并且基本上與第一表面平行的衍射光柵；其中此衍射光柵元件置于密封的氣體或真空中；并且衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率為2.4×10-7/K或以下。
6.如權(quán)利要求5所述的衍射光柵元件，其中衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率為1.2×10-7/K或以下。
7.如權(quán)利要求1、3和5中之任一所述的衍射光柵元件，其中衍射光柵是在第一表面上形成的。
8.如權(quán)利要求1、3和5中之任一所述的衍射光柵元件，其中衍射光柵是由第一表面支持的。
9.如權(quán)利要求1、3和5中之任一所述的衍射光柵元件，其中衍射光柵是在透明平板中形成的。
10.如權(quán)利要求1或3所述的衍射光柵元件，其中透明平板是由添加了雜質(zhì)的硅玻璃制作的。
11.如權(quán)利要求1或5所述的衍射光柵元件，其中透明平板是由添加了雜質(zhì)的硅玻璃或結(jié)晶玻璃制作的。
12.如權(quán)利要求11所述的衍射光柵元件，其中雜質(zhì)是元素Ti。
13.如權(quán)利要求1、3和5中之任一所述的衍射光柵元件，其中透明平板是將具有不同的線膨脹系數(shù)的多種光學(xué)玻璃層疊而組成的。
14.如權(quán)利要求1或3所述的衍射光柵元件，其中透明平板是由在厚度方向上以不同的濃度添加雜質(zhì)的硅玻璃形成的。
15.如權(quán)利要求14所述的衍射光柵元件，其中雜質(zhì)是Ge、P和B中的任意一種元素。
16.如權(quán)利要求13或14所述的衍射光柵元件，其中形成衍射光柵的透明平板部分是由硅玻璃制作的。
17.如權(quán)利要求13或14所述的衍射光柵元件，其中材料在透明平板的厚度方向上的分布是對稱的。
18.如權(quán)利要求17所述的衍射光柵元件，其中衍射光柵是在透明平板的厚度方向上在中心處形成的。
19.如權(quán)利要求1、3和5中之任一所述的衍射光柵元件，其中衍射效率基本上是偏振不相關(guān)的。
全文摘要
本發(fā)明可提供一種允許省掉或簡化溫度控制系統(tǒng)的衍射光柵元件。本發(fā)明的衍射光柵元件包括具有基本上互相平行的第一表面和第二表面的透明平板；以及一個相對第二表面在第一表面上形成并且基本上與第一表面平行的衍射光柵。在－20℃至+80℃的溫度范圍內(nèi)的任意溫度下，衍射光柵單位長度周期對溫度變化的變化率與包圍此衍射光柵元件的媒質(zhì)的折射率的溫度系數(shù)的和為0。
文檔編號G02B5/18GK1697985SQ200480000060
公開日2005年11月16日 申請日期2004年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者鹽崎學(xué), 茂原政一 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社