專利名稱：超輕薄寬光譜全息天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息光學(xué)元件，具體的說，涉及一種超輕薄的寬光譜全息天線，以 實(shí)現(xiàn)自由空間內(nèi)的光天線功能并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
在用于地面的光纖通信技術(shù)日趨成熟的同時，人們將目光集中到了自由空間光通 信上。自由空間光通信是光纖通信和無線通信的產(chǎn)物，以激光為載體，使用光脈沖調(diào)制信 號，在真空或大氣層中傳遞信息的通信技術(shù)，包括衛(wèi)星光通信，星地光通信，大氣光通信。相 對傳統(tǒng)的利用電磁波的無線通信方式，自由空間光通信具有發(fā)射光束窄，信息容量大，發(fā)射 裝置和功率小，保密性能強(qiáng)，抗電磁干擾，成本較低，安裝快速，組網(wǎng)靈活，不用政府特許證， 對人體無影響等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)系統(tǒng)是空間光通信系統(tǒng)中的重要組成部分，光學(xué)天線是上述光學(xué)系統(tǒng)的核 心，這是由于對于任何通信系統(tǒng)而言，天線能否正確發(fā)射和接收有效信號是通信成敗的關(guān) 鍵。在空間光通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的光學(xué)天線都采用了透鏡系統(tǒng)來收集/發(fā)送攜帶信息 的光信號，透鏡系統(tǒng)包括了折射、反射、和折射_反射的一系列光學(xué)透鏡。處于信號傳輸?shù)?需要，通常要求光學(xué)天線中的透鏡系統(tǒng)具有大口徑，配合較高的相對安裝精度，以實(shí)現(xiàn)在傳 播空間內(nèi)獲得良好的通信效果。然而，隨著無線通信傳遞信息量的增加，以及傳播空間中各 種障礙物的干擾，對收集透鏡的口徑要求不斷增加，口徑的增加伴隨著收集/發(fā)送信號的 加強(qiáng)但也帶來一系列的技術(shù)難題。大口徑的光學(xué)透鏡制造難度高，引起成本的大幅增加，且 大尺寸的光學(xué)透鏡一般比較笨重，更給裝調(diào)對準(zhǔn)等安裝工作帶來了難度，大大影響了光學(xué) 天線的效果，限制了空間光通信技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種制作簡單，可以集成到其他系統(tǒng)中， 兼具探測功能的全息天線。本發(fā)明的全息天線利用基于同一基底的一系列光柵實(shí)現(xiàn)光收集 /發(fā)送、分光/合光，以及光電轉(zhuǎn)換的功能，不依賴透鏡系統(tǒng)，可以同時滿足超薄尺寸和大孔 徑的要求，且不帶來制作難度和成本的增加，也利于安裝定位。根據(jù)本發(fā)明的寬光譜全息天線，包括透明的傳播基底，至少一耦合光柵以及至少 一頻道光柵；所述耦合光柵和頻道光柵置于傳播基底上，頻道光柵置于耦合光柵的一側(cè)，攜 帶有信息的空間光信號經(jīng)所述耦合光柵衍射而進(jìn)入傳播基底，在傳播基底內(nèi)以全反射形式 向頻道光柵方向傳播，到達(dá)頻道光柵處的光由頻道光柵衍射而出射到基底外。根據(jù)本發(fā)明的寬光譜全息天線，可以工作在單一波長下，也可以工作在多波長下， 且可用作探測器使用。由于采用了光柵，本發(fā)明的天線能夠適應(yīng)寬光譜探測范圍的需要，還 可以通過光柵記錄參數(shù)的不同來調(diào)制光譜范圍。在信號強(qiáng)度高的應(yīng)用中，本發(fā)明的天線可 以集成到其它系統(tǒng)里，實(shí)現(xiàn)集成化和小型化。由于光柵的物理性能相對穩(wěn)定，相比其他傳統(tǒng)的光學(xué)天線，對使用環(huán)境的要求比較小，應(yīng)用場所廣泛。


圖1為本發(fā)明全息天線的原理性結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為利用本發(fā)明的全息天線工作在單一波長信號光情況下的示意圖。圖3為對圖2所示工作過程中的信號傳播示意圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的全息天線工作在多波長信號光情況下的示意圖。圖5為對圖4所示工作過程中的光路展開示意圖。圖6為利用本發(fā)明的全息天線工作在多波長信號光情況下的一變形例。圖7為利用本發(fā)明的全息天線作一光柵波導(dǎo)信號探測器的實(shí)例。
具體實(shí)施例下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的超輕薄寬光譜全息天線的具體技術(shù)方案，然 而，本發(fā)明可以以多種不同形式實(shí)施，并且不應(yīng)該解釋為局限于本文所闡述的示例性實(shí)施 例。如圖1所示，本發(fā)明的全息天線包括傳播基底(101)，一耦合光柵Htl (102)，以及 一組頻道光柵H1 Hm(103)。以收集信號光進(jìn)行通信的過程為例，耦合光柵置于傳播基底 的上表面，此時耦合光柵為透射型光柵，為了增加衍射效率，本發(fā)明的天線也可以采用另一 種結(jié)構(gòu)，將耦合光柵設(shè)置為反射型光柵，置于傳播基底的下表面上，無論耦合光柵為透射型 光柵還是反射型光柵，均用于收集來自自由空間的信號光，使收集來的光經(jīng)所述透射型耦 合光柵衍射進(jìn)入傳播基底，或者先透過基底而被基底下表面的反射型耦合光柵衍射而進(jìn)入 基底，在衍射角度滿足基底的全反射條件時，上述收集來的信號光在基底中發(fā)生全反射進(jìn) 行傳播，此時傳播基底相當(dāng)于一波導(dǎo)。由于光柵的分光作用，不同波長的信號光的衍射角度 不同，每一波長對應(yīng)的信號光將分別入射到與其相對應(yīng)的頻道光柵，該頻道光柵出射相應(yīng) 波長的光信號。而沒有被這一頻道光柵出射的光繼續(xù)在基底里傳播，直至到達(dá)可以使之出 射的頻道光柵實(shí)現(xiàn)出射，或者作為非有效光信號射出基底，基于與耦合光柵類似的原理，頻 道光柵也可以為透射或者反射型。為了提高出射光波長的單一性，可以在頻道光柵的出射 側(cè)設(shè)置濾光片濾光，僅將能通過濾光片的且相應(yīng)于此頻道光柵出射光波長的光出射。發(fā)送 信號的過程可視為收集的反向過程，簡單的說，通過信號處理過程將需要發(fā)送的信息攜帶 在某一波長的光中，將若干攜帶有信息的不同波長的光分別射入相應(yīng)位置處的頻道光柵， 頻道光柵對光進(jìn)行衍射，衍射光進(jìn)入傳播基底進(jìn)行傳播，經(jīng)各頻道光柵進(jìn)入基底的光均可 到達(dá)耦合光柵H0,被Htl衍射并出射，作為被發(fā)送的光信號進(jìn)入自由空間。本發(fā)明的全息天 線將從自由空間收集來的信號光按照波長分別予以出射，實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用，從而各波長的 光中攜帶的信息隨光一起被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)信號處理后得到相應(yīng)的信息；將攜帶有 相應(yīng)信息的不同波長的光經(jīng)不同的頻道光柵衍射進(jìn)入基底混合，傳播到達(dá)耦合光柵，由耦 合光柵發(fā)射到自由空間，實(shí)現(xiàn)通信。一組頻道光柵至少包括一個光柵，置于所述輸入耦合光 柵的一側(cè)。受自由空間的開放性影響，光信號的強(qiáng)度不易保持，特別在傳播距離較長時。當(dāng)被 收集的光信號較為分散或者較弱時，需要從自由空間中盡可能多的收集光信號，通常將輸入用的耦合光柵設(shè)置成較大尺寸以增加收集面積從而增加收集到的信號強(qiáng)度，但增強(qiáng)收集 信號的方式不限于此，可選擇的，對于某一特定波長的光信號，可以利用表面等離子增強(qiáng)等 增強(qiáng)方式，在耦合光柵的光入射側(cè)鍍一層金屬膜來實(shí)現(xiàn)。除用于通信系統(tǒng)外，在每個頻道光柵的出射光路上設(shè)置探測器，如光電轉(zhuǎn)換器等， 實(shí)現(xiàn)被收集信號的光電轉(zhuǎn)換，使本發(fā)明的超輕薄寬光譜全息天線還可用作對光信號的檢測 器。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，本發(fā)明的全息天線在單一波長信號光下工作，如目前 空間光通信所用的1. 31 μ m，包括傳播基底，耦合光柵Htl和頻道光柵H1。耦合光柵Htl收集和 發(fā)射的光信號均為此單一波長、具有一定視場角并攜帶有信息的自由空間信息光束，如圖2 所示。在通信過程中接收信號時，信號光以不同的角度入射到耦合光柵^(102)上，被耦合 光柵Htl透射并衍射，出射具有不同角度的一組平行光入射進(jìn)基底(101)，基底的折射率η滿 足使入射進(jìn)基底的光在基底內(nèi)進(jìn)行全反射而傳播，經(jīng)多次全反射傳播之后，入射到位于耦 合光柵H0 —側(cè)的頻道光柵H1 (104)，頻道光柵H1對光衍射并透射，經(jīng)出射側(cè)的濾光片(105) 濾光后至正對該頻道光柵的光電轉(zhuǎn)換器件(106)上，即轉(zhuǎn)換為電信號，對電信號進(jìn)行信號 處理，即獲得傳輸而來的信息。電信號的強(qiáng)度信息反映天線收集到的信號的強(qiáng)度。耦合光 柵H0為一個全息線光柵，其光柵方程為d(sin^ +nsin θ ) = mA c(1)其中，λ。為再現(xiàn)光波波長，n為基底折射率，β為入射光波的離軸角度，θ為像 光波的離軸角度，d為光柵常數(shù)，m為衍射級次。從全息光柵的記錄方式上來講，線光柵是用 有一定夾角的兩束平面波記錄的。從光線傳播方向的角度來講，可以認(rèn)為線光柵就是一個 平面反射鏡，并且當(dāng)一束平面波照射到光柵上時，該平面波傳播方向的改變角度等于記錄 時兩束平面波的夾角。同時保證光束在基底中進(jìn)行全反射傳播，基底折射率滿足nsin θ ≥1(2)對于耦合光柵Htl，其尺寸可以做到很大，如幾倍于H1的尺寸，以滿足對信號的集束 作用，以增加輸出的信號強(qiáng)度。信號的傳播過程的示例性解釋可參見圖3，根據(jù)圖3所示， 將Hq(102)分成N個部分考慮，以N = 2為例，Nl和N2部分中的相同方向入射的信息光束 在被衍射后進(jìn)入基底，通過控制m和N2兩部分的距離(此距離定義為從m部分衍射的光 線經(jīng)過基底的一次全反射再次回到基底上表面所通過的水平位移)，使從m衍射的光線通 過基底的一次全反射正好入射到N2的對應(yīng)位置處，并與N2部分中此處的衍射光匯聚并共 同向前傳播，最終入射到輸出耦合光柵H1中，起到增大信號強(qiáng)度的作用。需要指出，對于圖 3中的入射到N2部分的光束，當(dāng)它們衍射進(jìn)入波導(dǎo)之后，經(jīng)過基底的全反射會入射到m部 分，在m部分它會由于發(fā)生衍射而損失部分能量，但由于基底折射率全反射的控制，Nl部 分對光衍射到基底外的效率并不高，整體上看，在基底表面發(fā)生反射而繼續(xù)在基底里傳播 的光對頻道光柵H1的輸出光強(qiáng)度依然有明顯的貢獻(xiàn)。為了使收集進(jìn)入基底的光能夠盡可 能多的在基底中傳播，可以在傳播基底上不具有光柵的部分鍍反射膜，防止光泄漏，減少光 能損失，反射膜以滿足對信號光波長具有高反射率為宜。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，所述的全息天線在多波長信號光情況下的工作，所述 的多波長信號可以包括光通信中常見的0. 85 μ m、1. 31 μ m、1. 55 μ m等波長的光信號。在多波長信號光的情況下，本發(fā)明的全息天線包括傳播基底101，耦合光柵Htl和一組頻道光 柵H1 Hm，其中m為大于等于2的自然數(shù)。根據(jù)圖4所示，來自自由空間的兩束不同波長 的光以相同的視場角入射到耦合光柵Htl (102)，被耦合光柵Htl透射并衍射而進(jìn)入傳播基底 (101)，傳播基底的折射率滿足使經(jīng)由耦合光柵H0進(jìn)入的光能夠全反射而傳播。由于耦合 光柵Htl的色散作用，隨著光的傳播，不同波長的光束逐漸分開，并最終從與波長相對應(yīng)的、 不同的頻道光柵H1 (104)、H2 (107)上分別出射，從而實(shí)現(xiàn)將不同波長的光攜帶的信息予以 區(qū)分，不同的波長攜帶不同的信息，通過本發(fā)明的全息天線進(jìn)行通信，大大增加了可容納的 信息量。為了避免在頻道光柵上出射時其他沒有考慮到的雜散光的干擾，可以在每個頻道 光柵的光路后光路中相應(yīng)的基底位置處加入對應(yīng)波長的增透膜(108)，如圖4所示，當(dāng)某個 波長的光已經(jīng)由頻道光柵出射，在與之相對應(yīng)的下個全反射位置設(shè)置的增透膜破壞全反射 條件而使該波長的光出射到自由空間，從而避免該波長未被頻道光柵衍射的部分雜散光對 下一個頻道光柵產(chǎn)生影響。圖5給出了根據(jù)圖4的工作過程展開光路，對基底進(jìn)行波導(dǎo)展開，設(shè)視場角度(針 對H0的入射視場角)為2 θfield，選取+1級衍射，耦合光柵H0(102)為一個全息線光柵，由 公式(1)得其光柵方程為d(sin3+nsin θ ) = λ c(3)并且
權(quán)利要求
一種寬光譜全息天線，包括透明的傳播基底，至少一耦合光柵以及至少一頻道光柵；所述耦合光柵和頻道光柵置于傳播基底上，頻道光柵置于耦合光柵的一側(cè)，攜帶有信息的空間光信號經(jīng)所述耦合光柵衍射而進(jìn)入傳播基底，在傳播基底內(nèi)以全反射形式向頻道光柵方向傳播，到達(dá)頻道光柵處的光由頻道光柵衍射而出射到基底外。
2.如權(quán)利要求1所述的全息天線，所述耦合光柵為置于傳播基底下表面的反射型光 柵，通過反射并衍射的方式將所述空間光信號耦合進(jìn)傳播基底；或者所述耦合光柵為置于 傳播基底的上表面透射型光柵，通過透射并衍射的方式將所述空間光信號耦合進(jìn)傳播基 底。
3.如權(quán)利要求1所述的全息天線，所述耦合光柵的尺寸大于所述頻道光柵的尺寸。
4.如權(quán)利要求1所述的全息天線，所述的耦合光柵的光出射側(cè)設(shè)有濾光片，所述濾光 片的中心波長與被出射的光波長相對應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1或3或4所述的全息天線，所述的耦合光柵為一個，頻道光柵為多個， 各頻道光柵依次排列于所述耦合光柵的一側(cè)，每個頻道光柵對應(yīng)出射一波長的光，在各頻 道光柵的后光路中相應(yīng)的基底位置處具有與該已經(jīng)被出射的光波長相應(yīng)的增透膜。
6.如權(quán)利要求1或3或4所述的全息天線，所述耦合光柵為一個或多個，所述頻道光柵 為一個，所述多個耦合光柵圍繞所述頻道光柵呈均勻?qū)ΨQ分布。
7.如權(quán)利要求6所述的全息天線，所述頻道光柵上方設(shè)有探測器，所述傳播基底的不 具有光柵的部分鍍反射膜。
8.如權(quán)利要求1或3或4所述的全息天線，所述耦合光柵為多個，所述頻道光柵也為多 個，所述多個頻道光柵集中在一起，所述耦合光柵圍繞所述頻道光柵集中分布的區(qū)域呈均 勻?qū)ΨQ分布，呈對稱分布的一對耦合光柵的通過相反的記錄方式記錄而成，在各頻道光柵 的后光路中相應(yīng)的基底位置處具有與該已經(jīng)被出射的光波長相應(yīng)的增透膜。
9.如權(quán)利要求1所述的全息天線，所述耦合光柵表面鍍有實(shí)現(xiàn)等離子增強(qiáng)效應(yīng)的金屬 薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全息光學(xué)天線裝置，包括一個光線傳播基底，在基底上記錄的至少一耦合光柵和至少一頻道光柵；其中耦合光柵為輸入光柵，將具有一定孔徑角的空間光耦合進(jìn)入基底，使有限孔徑內(nèi)不同波長的光波變換為具有一定相位傾斜的平面波，在基底中進(jìn)行全反射傳播，并使不同波長的入射光波進(jìn)行一定的光譜分離。至少一頻道光柵使入射到其上的平面波耦合出射，進(jìn)入后續(xù)光電轉(zhuǎn)換和信號處理電路，獲得輸入光攜帶的信息，實(shí)現(xiàn)天線的功能。本發(fā)明的光學(xué)天線具有制作成本低，裝調(diào)難度小的優(yōu)點(diǎn)，不依賴透鏡系統(tǒng)，可以同時滿足超薄尺寸和大孔徑的要求。
文檔編號G02B6/34GK101995610SQ20101052386
公開日2011年3月30日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者劉冬梅, 劉娟, 潘奕捷, 王涌天, 謝敬輝, 趙浩之 申請人:北京理工大學(xué)