專利名稱：由條狀波導構(gòu)成的合波分波器及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合波分波器，該合波分波器可用于對由較大波長譜形成的不同波長或不同波長范圍的光進行空間匯集或分離。需要時這種寬頻帶合波分波器還可以用來進行光的轉(zhuǎn)換、偏轉(zhuǎn)或調(diào)制。
本發(fā)明還涉及這種寬頻帶合波分波器的用途。
適應(yīng)于寬頻帶合波分波器的單模條狀波導是單模集成光學寬頻帶波導或白光條狀波導，這種波導在同一天提交的專利申請“條狀波導及其應(yīng)用”中已有描述。本發(fā)明還與同一天提交的專利申請“彩色圖象形成系統(tǒng)及其應(yīng)用”相關(guān)。
在這些文獻中所述的光是可見光和不可見的(紅外和紫外)電磁輻射，然而尤其是指波長譜范圍為400nm-760nm的離散波長或波長范圍的可見輻射光。
根據(jù)光的全反射原理，在波導區(qū)內(nèi)相對周圍介質(zhì)折射率的提高形成的波導稱之為條狀波導。
先有技術(shù)狀態(tài)頻帶寬度小于95nm(適用于短波可見光)的合波分波器是公知的。根據(jù)公知的雙模干涉原理，通過下述方式將不連續(xù)的條狀波導合并實現(xiàn)光匯集的目的-采用Y型分路-采用集成的光學分波或分配元件，例如X型耦合器、定向耦合器、平行條狀耦合器或BOA(參見W.Karthe，R.Muller的“集成光學”，Geest &Portig K.-G.科學出版社，Leipzig，1991和A.Neyer的“用于光通信的集成光學部件”，授課資格論文(Habilitationsschrift)多特蒙德大學1990。BOA是一組集成光學部件的法語標記(激勵光分路)(參見M.Papuchon，A.Roy，D.B.Ostrowskyr的“電激勵的光學分路BOA”，應(yīng)用物理雜志，Vol.31(1977)pp.266-267)。
當需要同時對光進行有效的調(diào)制和/或分波時，合波分波器的效果取決于構(gòu)成合波分離器入口和出口的條狀波導的單模性。在波長范圍頻頻帶寬度度大于約130nm(適用于短波可見光)的公知條狀波導中不存在單模性。
相對于不同的光波長需要條狀波導具有不同的特性參數(shù)值，例如襯底的折射率、上層的折射率、條狀波導的折射率或是條狀波導的一維或二維折射率分布、條狀波導的截面形狀(例如寬度和深度)和條狀波導在襯底中或襯底上的位置。這就要求在一般情況下相對于所傳輸?shù)墓獾牟煌ㄩL使用不同的條狀波導。
在采用以公知條狀波導例如在LiNbO3中進行鈦擴散的條狀波導為基礎(chǔ)的合波分離器的情況下可利用的波長范圍將相對于有關(guān)的單模條狀波導的可利用波長范圍減小約35nm，這是因為在以雙模干涉為基礎(chǔ)的合波分離器例如Y型支路、定向耦合器、平行條狀耦合器、X型耦合器或BOA中，必需避免在合波或分離區(qū)中的側(cè)向上出現(xiàn)第二模的起振。這是使分離器在全部可利用的波長范圍內(nèi)工作時發(fā)光功率分配比保持不變的前提。
為了有效地合波分離波長范圍大于95nm的光，還需要使用一個共用的單模條狀波導，從技術(shù)角度上看，這種波導能有效傳輸頻頻帶寬度度大于130nm(適用于短波可見光)的所有波長。“技術(shù)上充分有效地傳輸”意味著，在條狀波導中傳輸?shù)哪５挠行д凵渎蔔eff必須至少比周圍材料折射率ns超出5×10-5。這是非常重要的前提，在該前提下可使波導的衰減達到ldB/cm的低值區(qū)。此外，“技術(shù)上有效”意味著，在可單模傳輸?shù)乃胁ㄩL范圍內(nèi)，波導衰減以及條狀波導和單模光導纖維之間耦合效率的變化不得多于約30％。這是因為一般情況下光是借助于單模光導纖維與條狀波導進行輸入耦合的。
對傳統(tǒng)的條狀波導來說不可能在同一個條狀波導中對例如紅光和藍光進行技術(shù)上充分有效的單模傳輸。
迄今為止還沒有裝置能在同一個波導結(jié)構(gòu)中對具有不同波長且頻帶寬度大于約95nm(表明對短波可見光有效)的光既進行單模傳輸，又在需要時使其有效分離或合并以便進行調(diào)制、偏轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)換和空間匯集或者分離。
對此還不能實現(xiàn)滿足將這種形式與公知的調(diào)制機構(gòu)相結(jié)合，例如在利用電光效應(yīng)方面的要求。
專利申請DE4327103A1中公開了一種可干涉調(diào)整的光學濾波器。這種光學濾波器將輸入信號分成多個支路。分別控制每個支路中信號的幅值和相位。然后在一個波導中將這些信號重新合波。
在通信技術(shù)中，當波長范圍在800nm-1.6μm之間具有較小頻頻帶寬度時，濾波元件作為信號分波器用于進行波長的多路復用驅(qū)動。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于對寬波長譜或具有大波長的多個離散波長的輻射光進行空間匯集或分離，而且當需要時，在匯集前、匯集中或匯集后對其進行調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和/或轉(zhuǎn)換。該輻射光包括多種波長或波長范圍的光，特別是來自可見光譜且頻頻帶寬度度Δλ＞95nm的所有波長或確定的波長范圍。這意味著，要實現(xiàn)寬頻帶合波分波的話還必須采用寬頻帶條狀波導，該波導具有至少130nm(適用于短波可見光)的單模傳輸波長范圍。
對于寬頻帶的合波分波器來說應(yīng)對其公知的應(yīng)用領(lǐng)域進行開發(fā)，使用比較簡單的光學結(jié)構(gòu)部件。還可以生產(chǎn)集成光學元件，這種光學元件可以單模傳輸寬波長范圍的光，以便對其進行調(diào)制和/或合波分波(空間分離或空間合并)。
發(fā)明綜述上述問題在本發(fā)明中是借助獨立權(quán)利要求1的特征通過由條狀波導構(gòu)成的合波分波器解決的。
從屬權(quán)利要求2-6的特征在于獨立權(quán)利要求1特征中所述的合波分波器的幾何和光學結(jié)構(gòu)。
從屬權(quán)利要求7-20是獨立權(quán)利要求1的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
根據(jù)權(quán)利要求21、22、23、27或35的特征實現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明寬頻帶合波分波器的應(yīng)用。
從屬權(quán)利要求24-26是獨立權(quán)利要求23的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
從屬權(quán)利要求28-33是獨立權(quán)利要求27的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
從屬權(quán)利要求36是獨立權(quán)利要求35的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明，至少要將兩個優(yōu)選為寬頻帶但又不必一定是寬頻帶的單模集成光學條狀波導合并到一起，使經(jīng)過空間匯集的光通過后面緊接的單模集成光學條狀波導(下文中稱為EOBSW)繼續(xù)傳輸。EOBSW的結(jié)構(gòu)與同一天提交的專利申請“條狀波導及其應(yīng)用”中所述的相同。
在這種情況下，EOBSW對光進行寬頻帶的和單模的傳輸?！皩掝l帶”的意思是，發(fā)射頻頻帶寬度度Δλw＞0.48×λ-85nm(λ和Δλ的單位為nm)且在技術(shù)上足以進行有效傳輸?shù)牟煌ㄩL的光，特別是可見光。
這意味著，對于可見光來說，例如當EOBSW的頻帶寬度大于約105nm時，與之有關(guān)的波長λ＝400nm，而當EOBSW的頻帶寬度大于130nm時，相關(guān)的λ＝450nm(圖10)。
“單模”的意思是，對于每個波長范圍內(nèi)的給定波長來說，只有一個有效折射率，即在EOBSW中基模的有效折射率N00是可設(shè)定的(圖9)。
通常，在這些文獻中還按照從零開始的順序例如基模N00，第一側(cè)向模N01等模式的順序開始計數(shù)。
在此可將光理解為可見光和不可見光(線外和紫外光)意義上的電磁輻射?！凹夹g(shù)上充分有效地傳輸”意味著，在EOBSW中傳輸?shù)牟ǖ挠行д凵渎蔔eff至少比周圍材料ns折射率超出5×10-5，其中ns表示襯底n或上層襯底n3中較大的值。這是在1db/cm的區(qū)域中達到較小的波導衰減值和得到在技術(shù)上能有效使用的條狀波導的一個重要前提。
在λa和λa+Δλw之間的區(qū)域中對于每個給定的波長來說，只有一個有效的折射率，也就是說，基模N00的有效折射率是可給定的。從技術(shù)的角度看，一方面可以通過在波長為λa+Δλw時對基模N00進行有效起振來確定單模性區(qū)域，另一方面，可在波長為λa時，通過在側(cè)向N01上有效地起振一次?；蛟谏疃确较蛏掀鹫褚淮文泶_定單模區(qū)域。通過條狀波導本身和包圍條狀波導的材料的幾何參數(shù)可確定λa和λa+Δλw的值。原則上可利用的波長最小值λmin和可利用的波長最大值λmax可通過所用材料的光學傳輸范圍來確定。
對例如晶體材料KTiOPO4來說，其傳輸范圍的最小值約為350nm而最大值約為4μm。
“技術(shù)上有效”還意味著，在所有單模傳輸?shù)牟ㄩL范圍中，波導衰減以及EOBSW和單模光導纖維之間的光耦合效率的變化應(yīng)不多于30％，這是因為一般情況下光是借助于單模光導纖維與EOBSW進行輸入耦合的。用傳統(tǒng)的條狀波導不可能例如在同一個波導中進行紅光和藍光的單模及技術(shù)上充分有效的傳輸。應(yīng)這樣確定襯底的折射率，上層的折射率，EOBSW的折射率或者一維或二維分布，EOBSW的截面形狀(例如寬度和深度)及其在襯底中或襯底上的位置等EOBSW的參數(shù)，使得在一個較大的波長范圍內(nèi)，尤其是在可見光的全部范圍內(nèi)確保WOBSW的單模工作(參見集成光學條狀波導的一般參數(shù)選擇規(guī)定，W.Karthe，R.Muller，集成光學，Geest&Portig K.-G.，Leipzig科學出版社)。
特別是可以傳輸所有可見波長范圍的光波。由此，實現(xiàn)了將光波單模引過同一個EOBSW中的所有可見光區(qū)域，而且在技術(shù)上具有同樣的有效性。這樣便形成了一種簡單的單模白光條狀波導。
本發(fā)明所涉及的EOBSW是通過特別合適的方法生產(chǎn)的而且展示了其特有的特性。在可生產(chǎn)性上對襯底材料的實際要求是其對條狀波導結(jié)構(gòu)要有較少限制(例如利用離子交換時擴散的各向異性)和具有與下列公式相對應(yīng)且與導波所需提高的折射率n2-ns有關(guān)的波長屬性(與EOBSW周圍的材料有關(guān))，所述的公式為d(n2-ns)dλ≥0]]>式中在n1＞n3時ns＝n1，或在n3＞n1時ns＝n3，其中n2表示波導區(qū)本身的表面折射率。
可根據(jù)下列方法制造EOBSW-在非電晶體例如KTiOPO4(KTP)，LiNbO3和LiTaO3中進行離子交換或離子擴散-在玻璃中進行離子交換-用對合適襯底如硅上的聚合物進行注塑、模壓或離心的方法形成第一或倒數(shù)第一個或Petermann波導。
-通過在合適的襯底如硅上進行外延切割法在II-VI或III-V族半導體材料中生產(chǎn)EOBSW，-通過摻雜或合金化在II-VI-或III-V族半導體材料中生產(chǎn)EOBSW，-在異構(gòu)的三價或四價II-VI-或III-V族半導體材料中生產(chǎn)EOBSW，-在II-VI-或III-V族半導體材料中生產(chǎn)第一或倒數(shù)第一或Petermann波導，-通過SI-，SiO2-和SiON-和/或其它氧化和/或氮化層的結(jié)合在合適的襯底材料(優(yōu)選Si)中或上生產(chǎn)EOBSW，-在合適的襯底材料上進行溶膠-凝膠處理，-在上述所有材料中進行離子摻雜。
用于生產(chǎn)光學條狀波導的方法是在電介質(zhì)晶體中進行離子交換或離子擴散或在玻璃中進行離子交換，以便得到狹窄的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的是與離子摻雜相結(jié)合的方法。
為了生產(chǎn)本發(fā)明的寬頻帶合波分波器至少要將三個條狀波導(其中至少要有一個EOBSW)合并到一起，以便進行光的匯集、分離、轉(zhuǎn)換、偏轉(zhuǎn)或調(diào)制。這可以通過使用以雙模干涉為基礎(chǔ)的集成光學元件例如Y型支路、X型耦合器、定向耦合器、平行條狀耦合器或BOA來實現(xiàn)(參見W.Karthe，R.muller的集成光學，Geest & Portig K.-G.Leipzig，科學出版社，1991)。
此外可以使用集成光或微光反射器(反射鏡，光柵，棱鏡)進行合波分波。寬頻帶合波分波器的至少一個EOBSW是這樣構(gòu)成的，即，使其能單模傳輸與Δλw＞0.48×λ-85nm(其中λ和Δλw的單位為nm)相對應(yīng)的較寬波長范圍的光，特別是由所有可見光譜構(gòu)成的離散波長的光或離散的窄波長范圍的光。
通過幾何和光學參數(shù)來確定寬頻帶合波分波器，以便確保在與Δλv＞0.27×λ-34nm(λ和Δλv的單位是nm)相應(yīng)的較寬波長范圍中的有效作用。在波長λ＝400nm時意味著在Δλv＞75nm的波長范圍內(nèi)進行有效合波分波。
優(yōu)選的是用合適的寬頻帶合波分波器對所有可見波長范圍的光特別是同時對紅光和藍光進行有效合波分波。在與光的所有可見波長范圍相應(yīng)的和可進行合波分波的頻帶寬度中設(shè)置一個純白光合波分波器。
在以雙模干涉為基礎(chǔ)的集成光學部件中通過確定與EOBSW相關(guān)的頻帶寬度可得到第二個用于限制可利用頻帶寬度的標準。為了在分波狀態(tài)下確保當波長改變時配比保持不變或在合波狀態(tài)下確保集成光學干涉儀中的高消光率，要避免在傳播的耦合區(qū)中出現(xiàn)二次側(cè)向模N02。
所以，一方面可以通過在條狀波導中起振的基模N00和在條狀波導中起振的第一側(cè)向?；蚩v向模(N01或N10)的波長差(Δλw)，而另一方面通過在條狀波導中起振的基模N00和在耦合區(qū)域中傳輸?shù)亩蝹?cè)向模之間的波長差(Δλv)中的較小值來確定合波分波器的可用頻帶寬度ΔλN，還可以用Δλv和Δλw中的較小值來確定上述可用頻帶寬度ΔλN(圖9)。
本發(fā)明所述寬頻帶合波分波器的優(yōu)點在于，其能將較寬光譜區(qū)的光，特別是所有可見光譜區(qū)的光匯集在一個共用的EOBSW中。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實例中寬頻帶合波分波器的所有條狀波導都是EOBSW。
需要時可以靈活調(diào)整耦合點的功能。為此將耦合點設(shè)計成具有控制單元的功能以便進行射線合并和/或射線分離。需要時可在寬頻帶合波分波器中設(shè)置調(diào)制裝置以便將光振幅或光強信號轉(zhuǎn)換成合適的普通電輸入信號，其中可以分別將兩個或多個光源或波長的光有效控制在很高的激勵頻率(從目前的技術(shù)狀態(tài)一直到GHz-區(qū)域)。
按照下述原則之一實現(xiàn)光的振幅或光強調(diào)制-借助于集成光干涉儀結(jié)構(gòu)對光進行電光調(diào)制，-借助于集成光干涉儀結(jié)構(gòu)對光進行聲光調(diào)制，-借助于集成光干涉儀結(jié)構(gòu)對光進行熱光調(diào)制，-借助于集成光干涉儀結(jié)構(gòu)對光進行磁光調(diào)制，-借助于集成光干涉儀結(jié)構(gòu)對光進行光-光調(diào)制，-借助于集成光干涉儀結(jié)構(gòu)對光進行光熱調(diào)制，-借助集成光干涉儀結(jié)構(gòu)通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子來改變有效折射率，-利用法布里-珀羅效應(yīng)實現(xiàn)電光，聲光，熱光，磁光，光-光或光熱調(diào)制，-在利用法布里-珀羅效應(yīng)的情況下通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子使有效折射率發(fā)生變化來進行調(diào)制，-進行電光，聲光，熱光，磁光，光-光或光熱的截斷調(diào)制，-通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子使有效折射率發(fā)生變化進行截斷調(diào)制，-可控的波導放大系數(shù)，-利用偏振元件或偏振波導實現(xiàn)可控制的偏振旋轉(zhuǎn)，-波導模式轉(zhuǎn)換，-電吸收調(diào)制，-在使用集成光轉(zhuǎn)換元件或分配元件如X型耦合器、平行條狀耦合器、定向耦合器或BOA的情況下進行調(diào)制，光源自身的調(diào)制，或-通過改變光源-波導的有效耦合性進行調(diào)制。
在無源的情況下可在耦合位置上實現(xiàn)空間匯集和/或分離和/或部分光的偏轉(zhuǎn)和/或射線分路，而在有源的情況下可對光分量進行補充調(diào)制或轉(zhuǎn)換。
寬頻帶合波分波器優(yōu)選的工作方式是，將來自光源的不同波長的光按時間順序耦合輸入到各條狀波導或EOBSW中，在耦合點上實現(xiàn)光分量的空間匯集而在同一個EOBSW中按時間順序?qū)夥至窟M行調(diào)制(時分多路復用驅(qū)動)。
原則上可以使用所有材料作為制造襯底的材料，但其中應(yīng)使EOBSW滿足上述要求，即，需要時可以將調(diào)制輸入信號轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光振幅信號或光強度信號。
本發(fā)明還涉及寬頻帶合波分波器在裝置中的應(yīng)用，該裝置要求在同一個EOBSW中同時傳輸多種波長的光，這些光處于約為100nm的可利用波長范圍內(nèi)，而且其中需要例如使用干涉測量法對光振幅或光強進行控制；以便滿足色彩混合、測量技術(shù)、傳感技術(shù)、光度學、光譜學的要求；由此為建立新的多功能微型系統(tǒng)部件系列打下了基礎(chǔ)。
將EOBSW與調(diào)制機構(gòu)結(jié)合使用是構(gòu)成以干涉測量方式工作的新的集成光檢測法及光譜檢測法的基礎(chǔ)，并且能夠同時或連續(xù)利用來自一個EOBSW中寬波長范圍的多種波長，其中所利用的波長范圍不限于可見范圍的電磁輻射。本發(fā)明的優(yōu)點在于其具有這樣的可能性，即用可批量生產(chǎn)的方式例如電光模式來生產(chǎn)儀器并可縮小該儀器的尺寸。本發(fā)明提供了把光源、合波分波和/或合波匯集、控制和檢測部件單個或混合地集成在載體上。
集成光學測量裝置的實現(xiàn)有利于分析測量結(jié)構(gòu)的小型化，此外可以使分析用的樣品量達到最少。在要求較高測量精度的情況下應(yīng)使用最少的樣品量，這是因為測量窗的寬度必須比EOBSW小而且測量窗的長度為毫米級。借助該測量裝置可以測量所傳輸?shù)墓獾乃刑匦曰蛴绊憲l狀波導自身特性的氣體、液體和固體的物理、生物和化學量，例如檢測EOBSW中的吸收率、折射率或散射率。因此，在上述包含寬頻帶合波分波器的測量裝置中，可以從較寬的波長譜中自由地選擇多種波長或至少一個波長范圍。
本發(fā)明的寬頻帶合波分波器具有下列優(yōu)點-對光進行單模寬頻帶傳輸；-從技術(shù)的意義上看，可使光的有效可調(diào)制性和/或可轉(zhuǎn)換性達到GHz范圍(根據(jù)目前的技術(shù)狀態(tài))；-可以根據(jù)需要選擇與波長有關(guān)的調(diào)制裝置或與波長無關(guān)的調(diào)制裝置(例如電吸收調(diào)制，光源調(diào)制，灰色楔)；-與體積光學的泡克爾盒或克爾盒(約100伏)相比具有較低的電光調(diào)制電壓(幾伏)，因此能夠很好地與微電子學的方法、結(jié)構(gòu)和部件相結(jié)合；-當在EOBSW中用KTiOPO4(KTP)作為襯底材料時能獲得高的可傳輸光功率密度而且不會影響相位變化，這意味著材料對光感應(yīng)折射率的變化有很高的穩(wěn)定性。
附圖簡要說明下面將根據(jù)


本發(fā)明，其中圖1-圖4是寬頻帶合波分波器的原理性結(jié)構(gòu)圖，圖5表示TiLiNbO3條狀波導內(nèi)的結(jié)構(gòu)和折射率分布，圖6表示TiLiNbO3合波分波器的頻帶寬度，圖7表示RbKTP-EOBSW內(nèi)的結(jié)構(gòu)和折射率分布，圖8表示RbKTP寬頻帶合波分波器的頻帶寬度，圖9一般地表示與有效合波分波技術(shù)相關(guān)的波長范圍，圖10表示與有效合波分波有關(guān)的波長，圖11是帶有調(diào)制裝置的寬頻帶合波分波器，圖12是帶有馬赫參得干涉調(diào)制器的寬頻帶合波分波器，圖13是由帶有可控光源的平行條狀耦合器構(gòu)成的寬頻帶合波分波器，圖14-17是寬頻帶合波分波器的實施例，圖18是帶有2×1陣列式可控單元的寬頻帶合波分波器，所述可控單元用于使射線合并和/或分路，圖19是帶有3×1陣列式有源單元和調(diào)制器的寬頻帶合波分波器，所述有源單元用于使射線合并和/或分路，圖20是帶有n×m陣列式可控單元的寬頻帶合波分波器，所述可控單元用于使射線合并和/或分路，圖21是帶有分波式測量用比色計的光度計裝置，圖22是帶有測量窗的光度計裝置，圖23是用于驅(qū)動時分多路復用的寬頻帶合波分波器，圖24-26表示在輸入支路中帶有相位調(diào)制器的寬頻帶合波分波器，圖27是波長傳感器，圖28是波長選擇器的振幅調(diào)制器，圖29是折射率傳感器，圖30是帶有頻率變換器以便使光分量成為空間匯集狀態(tài)的寬頻帶合波分波器，圖31是用一種波長的光形成不同波長的光分量的寬頻帶合波分波器，圖32是用一種波長的光形成不同波長的光分量然后進行空間匯集的寬頻帶合波分波器，圖33-35是用于測量長度和折射率變化的傳感器本發(fā)明的實施方案
圖1-4表示寬頻帶合波分波器的基本實施形式。圖5和圖6描述了在LiNbO3中進行鈦擴散形成的公知條狀波導和以這種條狀波導為基礎(chǔ)構(gòu)成的傳統(tǒng)合波分波器的特性。與之相對，在圖7和圖8中描述了本發(fā)明所述單模集成光學寬頻帶條狀波導(EOBSW)的特性和本發(fā)明所述寬頻帶合波分波器頻帶寬度的特性，所述寬頻帶合波分波器具有在KITiOPO4(KTP)中進行銣鉀離子交換的條狀波導。
在圖6和圖8中的圖示方式選擇為與襯底折射率n1的值有關(guān)的條狀波導模的有效波折射率Neff作為波長λ的函數(shù)。條狀波導的每個模式都有一個處于表面折射率n2和n1、n3中較大折射率(上層襯底的折射率)之間的有效折射率Neff。
Neff的值與波長、襯底、上層和波導的折射或折射率或折射率分布以及波導的幾何學特性有關(guān)。因此，在圖中借助于把有效折射率連成Nik線的形式來表示下標為ik(i、k為≥0的整數(shù))的每種模式，其中i是縱向波序而k是側(cè)向波序。當對于某個波長范圍中的一個給定波長來說，只具有一個有效折射率，即基模的有效折射率N00時，條狀波導是單模的。
從技術(shù)的角度上看，對充分傳輸?shù)墓鈦碚f，每種模式的有效折射率至少比n1和/或n3超出5×5-5。由此可直接讀出頻帶寬度。
圖9從技術(shù)上一般性地描述了可在條狀波導中單模有效傳輸?shù)牟ㄩL范圍以及可在合波分波器中進行有效合波分波的波長范圍。
圖10表示對于本發(fā)明的EOBSW以銣鉀離子交換的KTiOPO4(KTP)方式的情況下和對于在LiNbO3中擴散鈦的傳統(tǒng)條狀波導的情況下的條狀波導的單模傳輸波長范圍及有效合波分波的波長范圍，其分別為與波長λ的關(guān)系。此外，在圖10中本發(fā)明的EOBSW和寬頻帶合波分波器的區(qū)域與相應(yīng)已有技術(shù)的條狀波導及合波分波器的區(qū)域以通常的方式分清了界線。
圖1-4表示寬頻帶合波分波器的基本實施形式。
圖1-4表示插在襯底材料1中的集成光學寬頻帶波導(以下稱為EOBSW)2、3和5。EOBSW2和3具有各自的入口E1和E2。波導2和3在其出口A1和A2處的耦合點6上匯集并且作為一個一體的EOBSW5伸向共同的出口AM。
根據(jù)圖1將耦合點設(shè)計成Y形。但并不限于Y形。還可以是其它雙模干涉裝置，例如圖2中的平行條狀耦合器，圖3中的X型耦合器，定向耦合器或BOA。需要時，可以對耦合點6進行有源控制。為此，在耦合點6上設(shè)置有可控單元7以便進行射線合并或射線分路。所有條狀波導(EOBSW)2、3和5可以是例如相同類型的而且可以單模傳輸大于約130nm這樣較大波長范圍的光，從而可以有效地合波分波波長范圍大于約95nm的光(參見圖3、5和6)。對輸入耦合條狀波導2和3的特性沒有限制，但在任何情況下優(yōu)先選用EOBSW。向第一個EOBSW2的入口E1提供波長為λ1或波長范圍為Δλ1的光。向第二個EOBSW3的入口E2提供波長為λ2或波長范圍為Δλ2的光。在共同的EOBSW5出口AM處形成可利用的空間匯集光，該光用混合信號M表示。還可以使寬頻帶合波分波器在相反的方向上即在分波的方向上工作，以便將光信號分波成幾個光分量，并在需要時可單獨控制EOBSW2和3中的光分量。在圖4中通過集成光反射器R實現(xiàn)EOBSW的合并。EOBSW2通過一個90°反射器R1轉(zhuǎn)向EOBSW8。在EOBSW3和EOBSW8彼此相遇的位置上，設(shè)有第二反射器R2，該反射器使EOBSW2和3和/或8中的光分量形成空間合并(耦合點6)并在EOBSW5中繼續(xù)傳輸。需要時，可以將反射器R設(shè)計成可控反射器。
圖5和圖6表示在傳統(tǒng)LiNbO3中的鈦擴散條狀波導實例的關(guān)系曲線。
圖5表示在襯底材料1中的傳統(tǒng)條狀波導17。為了制做這種傳統(tǒng)的條狀波導，需在X截面的三氧化鋰鈮(LiNbO3)(X＝結(jié)晶的X軸，其與圖5中的Y軸相對應(yīng))中進行鈦擴散(R.V.Schmidt，I.P.Kaminow，Appl.phys，Lett.Vol.25(1974)，No.8.pp.458-460)。為此要在襯底的上表面上噴鍍(aufsputter)鈦條18。當溫度高于950℃時鈦擴散到liNbO3晶體中，由此提高了襯底材料中的折射率。在側(cè)向上，擴散常數(shù)約是縱向上的兩倍，因此增強了鈦在晶體中的擴散濃度分布。當結(jié)果的條帶寬度為W時，在擴散時間td之后所形成的折射率分布形式可用下面的公式描述。
LiNbO3中的鈦擴散條狀波導不能單模傳輸頻帶寬度大于100nm的光。波導17構(gòu)成在幾何上不太限制的寬度為a及深度為t的溝。該溝具有折射率分布nw＝f(x，y)，表面折射率n2＝nw(x”’＝0，y”’＝0)，與周圍襯底材料的折射率相比，其折射率得到了提高。圖5中的曲線表示折射率在X方向和Y方向上的定性分布。通常折射率分布在X方向(用方向X”表示)和在Y方向(用方向Y”’表示)上是連續(xù)過渡的。
圖6表示TiLiNbO3合波分波器的有效合波分波波長范圍(頻帶寬度)以及LiNbO3上的鈦擴散條狀波導中單模傳輸?shù)墓獾牟ㄩL范圍(頻帶寬度)而且不受對于計算參考波長500nm的普遍性的限制。
這些曲線表示在條狀波導自身寬度a的側(cè)向上的基模N00和一次模N01以及在條狀波導兩倍寬度2a的側(cè)向上的二次模N02的Z向偏振光有效折射率(Neff，Z，Z＝晶體的Z軸，相當于圖5中的X軸)，該兩倍寬度也就是相應(yīng)于在Y型分波器、BOA或X型耦合器的分支點處增大的波導區(qū)域的寬度。寬度W＝3.0μm，厚度為15nm的噴鍍鈦條起擴散源的作用，其在分支區(qū)加寬到2W(6.0μm)。
擴散溫度為1000℃，擴散時間為3秒。鈦離子在LiNbO3中的擴散常數(shù)比為Dx/Dy≈2。根據(jù)下式計算縱向分布nw＝n1+(n2-n1)*exp(-(y”’)2/ay2)根據(jù)下式計算側(cè)向折射率分布nw＝n1+(n2-n1)*0.5[erf(2x”’+W)/2ax)-erf((2x”’-W)/2ax)]其中ax＝2(Dxtd)1/2并且相當于圖5中的寬度a/2，此外ay＝2(Dxtd)1/2而且相當于圖5中的深度t并等于2μm。當λ＝500nm時，n1＝2.2492；n2-n1＝0.0080；公知的襯底折射率n1與波長的關(guān)系(分散率)小至零。n2-n1與波長的關(guān)系(分散率)是公知的而且同樣小至零，符號td表示擴散時間，erf是誤差函數(shù)(BgC.J.Ctyroky，M.Hofman，J.Janta，J.Schrofel，“LiNbO3Ti通道型波導和方向耦合器”，IEEE J.of Quantum Electron.，Vol.QE-20(1984)，No4，PP.400-409)。
從技術(shù)有效性的觀點看，除基模N00之外，上述條狀波導傳輸?shù)牟ㄩL范圍為490nm至620nm，也就是說條狀波導的頻帶寬度為Δλw＝130nm。為了有效地進行合波分波要避免在所有加寬的合波或分波區(qū)域中出現(xiàn)二次側(cè)向模No2起振?；谶@個原因，只能使用當λ＝620nm時在寬度為a(相當于原始的條狀體寬度W〕的條狀波導中起振的基模N00和當λ＝525nm時在合波分波器加寬部分2a(相當于原始的條狀體寬度2W〕中起振的二次側(cè)向模N02之間的波長范圍。由此將合波分波器的有效可利用頻帶寬度ΔλN降低了35nm使其值Δλ達到Δλv＝95nm?？捎糜行е笖?shù)法計算有效折射率(G.B.Hocker，w.K.Bums“用有效指數(shù)法計算在擴散的通道型波導中的模分散”，應(yīng)用光學，Vol16(1977)，No.1，PP113-118)。
圖7表示本發(fā)明的單模集成光學寬頻帶條狀波導(EOBSW)2，其位于襯底材料1例如過氧化磷酸鉀鈦(KTiOPO4，KTP)襯底中(Z＝結(jié)晶的Z軸，相當于圖7中的Y軸)(M.Rottschalk，J.-P.Ruske，K.Hornig，A.Rasch，“適用于可見短波長范圍且位于KTiOPO4中的單模通道型波導和調(diào)制器的制造及特性”，SPIE2213，集成光學國際論文集，(1994)，PP.152-163)。
襯底材料1上設(shè)有掩膜，該掩膜僅是在條狀波導將來的位置上留有敞開縫條。在含有亞硝酸鋇和硝酸鉀成份的硝酸銣溶液中進行離子交換。由于幾乎僅在深度方向上進行擴散，因此形成下述的折射率分布。此外，在側(cè)向上形成階躍形分布的折射率。由于幾乎無側(cè)面擴散，這樣可實現(xiàn)通過掩膜向波導以1∶1的比例進行傳播，所以能夠保證生產(chǎn)出側(cè)向精確限界的窄條結(jié)構(gòu)。EOBSW2是寬度為a，深度為t的窄槽形幾何結(jié)構(gòu)。凹槽的折射率分布nw＝f(x，y)，其表面折射率n2＝nw(-a≤x”≤0，y”＝0)，該折射率比周圍襯底材料1的折射率n1有所提高。
圖7中的曲線表示折射率在x方向和y方向上的定性分布。通常，在x方向(用方向x”表示)的折射率分布圖上曲線有突變，而在y方向(用方向y”表示)上折射率從n1到n2有比較大的提高。
圖8表示RbKTP合波分波器有效合波分波的波長范圍(頻帶寬度)以及在例如KTP上的銣鉀離子交換條狀波導中單模傳導的光波長范圍(頻帶寬度)，并且其不受對于計算參考波長500nm的普通性的限制。
該曲線表示條狀波導自身寬度a的側(cè)向上的基模N00和一次模N01以及條狀波導雙倍寬度(2a)的側(cè)向上的二次模N02的Z向偏振光有效折射率(Neff，Z，Z＝結(jié)晶學的Z軸，相當于圖4中的y軸)，該兩倍寬度也就是相應(yīng)于在y型分波器，x型耦合器或BOA的分叉點處相應(yīng)地加大的波導區(qū)的寬度。當λ＝500nm時，n1＝1.9010；公知的與波長有關(guān)(擴散)的襯底折射率n1與波長的關(guān)系(分散率)小至零(在L.P.Shi的“KTiOPO4型晶體在集成光學領(lǐng)域中的應(yīng)用”，博士論文Dissertation科隆大學，(1992)中有敘述)。此外，對于所有的波長范圍來說，n2-n1＝0.0037＝常數(shù)。擴散常數(shù)Dx/Dy≈10-3。因此，在寬度a＝4.0μm上或?qū)τ诜植鎱^(qū)中的最大寬度2a(8.0μm)上，側(cè)向折射率分布是階躍形分布?？v向分布是根據(jù)公式nw＝n1+(n2-n1)*exfc(-y”/t)，其中t＝4.0，erfc＝互補誤差函數(shù)，計算得出的。從技術(shù)有效性的意義上看，在實例中所述的EOBSW可傳輸除基模N00外從470nm-870nm波長范圍的光，也就是說，條狀波導的頻帶寬度為Δλw＝400nm。
為了有效地進行合波分波，應(yīng)避免在加寬的合波或分波區(qū)中出現(xiàn)二次側(cè)向模N02的起振?；谶@個原因，只能使用當λ＝870nm時在寬度為a的條狀波導中起振的基模和λ＝485nm時，在合波分波器的加寬部分2a中起振的二次模之間的波長范圍。由此將本發(fā)明所述合波分波器的有效可利用頻帶寬度ΔλN減小了15nm使其值Δλv＝385nm。
可用有效指數(shù)法計算有效折射率。
圖9表示在條狀波導中進行單模導波和在合波分波器中進行有效合波分波的技術(shù)上重要的可利用波長范圍的概圖。從圖中看，“技術(shù)上重要”是指有效折射率Neff至少比ns超出5×10-5，其中ns表示襯底折射率n1或上層襯底折射率n3中較大的一個值，以便保證足夠小例如1dB/cm的波導衰減。
相對于范圍Δλw中每個給定的波長，條狀波導只有一個有效折射率，也就是說，基模N00的有效折射率，是可確定的。
從技術(shù)的角度上看，一方面可以通過在波長為λa+Δλw時有效起振基模N00，另一方面在波長為λa時有效起振側(cè)向上的一次模N01或縱向上的一次模N10來確定條狀波導的單模性區(qū)域。為了有效地進行合波分波，應(yīng)避免在加寬的合波或分波區(qū)，也就是增大的耦合區(qū)，例如雙倍的波導寬度區(qū)出現(xiàn)二次側(cè)向模的起振。由此得出了一個限制合波分波器的可利用頻帶寬度相對于條狀波導的可利用頻帶寬度即光譜寬度Δλv的進一步標準，也就是說，該寬度是在波長為λa+Δλw時條狀波導自身寬度下起振的基模N00和在波長為λb時，在加寬的例如雙倍寬度的耦合區(qū)中起振的二次側(cè)向N02之間的波長范圍?；谶@個原因，應(yīng)使有效合波分波的可利用頻帶寬度ΔλN等于Δλw或Δλv中的較小值。
圖10表示與已有技術(shù)有關(guān)的條狀波導(由鈦擴散的LiNbO3，TiLiNbO3構(gòu)成)和本發(fā)明的EOBSW(由銣鉀離交換的KTiOPO4，RbKTP構(gòu)成)的單模可傳輸波長范圍以及與已有技術(shù)相關(guān)的合波分波器和本發(fā)明的寬頻帶合波分波器的有效合波分波波長范圍，這些波長范圍都是λ的函數(shù)。在至少構(gòu)成寬頻帶合波分波器的三個波導中至少根據(jù)使用應(yīng)能夠傳輸寬波長范圍的波導是一個EOBSW。借助于有效指數(shù)法可進行作為確定單模傳輸波長范圍基礎(chǔ)的有效折射率計算。計算時根據(jù)公知的對波導必須的折射率提高與波長的關(guān)系(分散率)以及襯底折射率與波長的關(guān)系(分散率)，從實際的參考波長λa開始，依次改變波導厚度和波導寬度直到各一次模起振，然后改變波長直至基模起振。
上述單模傳輸?shù)牟ㄩL范圍Δλw的上限是波長λa+Δλw，其中條狀波導的基模N00的有效折射率比襯底折射率超出5×10-5。
本發(fā)明所述EOBSW的單模傳輸波長范圍在圖10中在用等式為Δλw＝0.48×λ-85nm表示的直線(λ和Δλw的單位是nm)的上方。
為了有效地合波分波，應(yīng)在所有加寬的合波或分波區(qū)中避免出現(xiàn)二次側(cè)向模N02的起振。
基于這個原因，只能使用當波長為λa+Δλw時在寬度為a的條狀波導中起振的基模N00和當波長為λb時，在合波分波器加寬部分2a中起振的二次側(cè)向模N02之間的波長范圍。
除了用條狀波導的頻帶寬度Δλw表示的曲線之外，還示出了描繪合波分波器頻帶寬度Δλv的曲線。從已有技術(shù)中可以導出，有效合波分波范圍的大小Δλv必須滿足不等式Δλv＞0.27×λ-34nm(λ和Δλv的單位為nm)，以便得到寬頻帶合波分波器應(yīng)具備的特性。圖10中的灰色區(qū)域表示與寬頻帶合波分波器相對應(yīng)的區(qū)域。原則上，有效的合波分波區(qū)由波導材料光學傳輸范圍的下限(λmin)和上限(λmax)限定(參見圖9)。在使用其它合適的波導材料時，對于比作為例子計算及描述的襯底材料KTiOPO4(KTP〕的λmin或λmax小及大的波長可應(yīng)用兩個不等式。
圖11至17表示寬頻帶合波分波器的第一優(yōu)選實施例。
在圖11所示的實施例中，把由三個光源輸出的具有不同波長λ1、λ2和λ3的光分別輸入耦合到三個EOBSW2、3和4中，在耦合點6處將這些光合并使之在EOBSW8或EOBSW5中形成空間匯集，然后進一步傳輸并在EOBSW5的出口AM處輸出混合信號。
為了控制單個EOBSW中光分量的振幅或光強，每個光源的光都應(yīng)該是可進行選擇性調(diào)制的光。在該實例中，可通過將信號S1、S2和S3輸送給可控制的振幅或強度調(diào)制器AM1、AM2和AM3來實現(xiàn)控制。將可控制的振幅調(diào)制器或強度調(diào)制器AM1、AM2和AM3設(shè)置在各個EOBSW2、3和4上。根據(jù)控制信號由各波長的調(diào)制強度形成由空間重疊的光分量形成的混合信號M，它的響應(yīng)強度可借助于單個波長的振幅調(diào)制器來調(diào)節(jié)。在可見光波長范圍內(nèi)，混合信號M是可看得見的作為主觀彩色印象感覺的光。由于電光調(diào)制可達到GHz(目前的技術(shù)狀態(tài))，所以可以使用這種裝置來形成快速變化的光強和通過光的空間匯集快速改變?nèi)搜壑猩实纳砘旌稀?br> 圖12表示帶有振幅調(diào)制器或強度調(diào)制器且設(shè)在KTiOPO4(KTP)襯底1中的寬頻帶合波分波器的實施例，該寬頻帶合波分波器構(gòu)成了馬赫參得干涉調(diào)制器MZI1、MZI2和MZI3。通過設(shè)定電極上的控制電壓U1、U2和U3，可以利用電光活性材料中的線性電光效應(yīng)來有區(qū)別地改變馬赫參得干涉儀的二個分支中光的傳播常數(shù)。在馬赫參得干涉儀中的匯集位置上，根據(jù)光分量的相位情況而形成相長干涉或相消干涉。還可以用控制電壓來調(diào)節(jié)EOBSW2、3和4中光分量的振幅(還可參見圖18)。
圖13提供了另一種在用控制信號S1、S2和S3例如在使用激光二極管的情況下通過二極管電流對光源L1、L2和L3本身進行調(diào)制時實現(xiàn)振幅調(diào)制和強度調(diào)制的實例。此外EOBSW上的調(diào)制器不必采用分路的形式。該寬頻帶合波分波器上具有耦合點6，該耦合點由平行條狀耦合器構(gòu)成。
圖14-17中描述的寬頻帶合波分波器上的耦合點6或6’可將光分波成多于兩束和將多于兩束的光匯集。在上述圖中所述的方案也可用于其耦合點具有多于兩個入口或出口的寬頻帶合波分波器。在分波方向上沒有必要將光分成相同的光分量。
圖14表示寬頻帶合波分波器，其中在Y型分波器的耦合點6’中將入口EOBSW分成3個EOBSW2’、3’和4’，或者在Y型合波器的耦合點6中將三個EOBSW2、3、4匯集到一起。
圖15表示三束寬頻帶合波分波器，其在分離或合并操作中使用的耦合點由平行條狀耦合器構(gòu)成。
圖16表示三束寬頻帶合波分波器，其在分波或合波操作中使用的耦合點由集成光反射器構(gòu)成。原則上可在耦合點6中合波或分波任意數(shù)目的波導(圖17)。可以通過生產(chǎn)過程的技術(shù)控制和耦合點的結(jié)構(gòu)設(shè)計來確定合波分波器的種類。當寬頻帶合波分波器進行分波工作時，將把波長為λ0或波長范圍為Δλ的光分配給各EOBSW。如果入射光是相干光，那么EOBSW中將存在相干光。
在合波工作中，將把相同或不同波長的光分量進行空間匯集。在此光分量之間不會出現(xiàn)相互影響。
圖18-20表示另一種寬頻帶合波分波的集成光學結(jié)構(gòu)變型例，其中耦合點6是通過波導交叉構(gòu)成的。
根據(jù)需要可以將交叉點設(shè)計成完全無源的交叉點或設(shè)計成對光分量進行空間匯集的耦合點6或進行空間射線合并和/或射線偏離的可控單元7，即設(shè)計成可進行光轉(zhuǎn)換，調(diào)制或偏轉(zhuǎn)和空間匯集的部件。用于進行空間射線合并和/或射線分離的可控單元7在雙模干涉的基礎(chǔ)上以X型耦合器，定向耦合器或BOA的形式進行工作。
圖18表示由兩個EOBSW2和3與另一個EOBSW5交叉構(gòu)成的2×1陣列。交叉點(耦合點6)構(gòu)成可進行空間射線合并和/或射線分離的可控單元7’和7”。將兩束波長為λ1和λ2的光分別輸入耦合到EOBSW2和3中。有源耦合點起選擇性光入口的作用，它可以使光沿混合信號M的方向完全不受影響地通過同一個EOBSW5，并能根據(jù)所提供的可控信號S1和S2的不同電光強度使EOBSW2和3中波長為λ1和λ2的光分量轉(zhuǎn)向EOBSW5的方向，其中在EOBSW5中使光分量實現(xiàn)空間匯集并作為混合信號M傳輸?shù)匠隹贏M。沒有完全偏轉(zhuǎn)的光分量在EOBSW2和3中繼續(xù)向育出口B傳輸。
應(yīng)這樣確定用于進行空間射線合并和/或射線分離的每個可控單元7’和7”，使其對各種選定的波長λ1或λ2起調(diào)制器的作用，同時能使光分量分離和將該光分量與其它光分量進行空間合并。調(diào)制器不會對各種其它的波長產(chǎn)生影響或影響極小。
當用于進行空間射線合并和/或射線分離的可控單元7’和7”中仍然存在相互影響時，可通過有效調(diào)節(jié)可控信號和/或光源來補償相互影響的程度。這種裝置的優(yōu)點在于可進行時分多路復用驅(qū)動，這樣可避免在用于空間射線合并的可控單元7’和7”退耦時出現(xiàn)問題。這是因為完全可以達到極高的控制頻率。
此外，還可以在EOBSW5的入口E3處輸入耦合波長為λ3的第三個光分量?？梢詫⒃摰谌齻€光分量與在EOBSW2和3中傳輸?shù)墓夥至窟M行空間合并。
圖19表示另一種3×1陣列的寬頻帶合波分波器的集成光學結(jié)構(gòu)變型例。EOBSW2、3和4與另一個EOBSW5相交。交叉點是無源耦合點6，其能夠?qū)⒐饪臻g匯集到EOBSW5中。在EOBSW2、3和4上分別設(shè)置調(diào)制器AM1、AM2和AM3，以便進行光調(diào)制。將波長為λ1、λ2和λ3的三束光分別輸入耦合到各EOBSW2、3和4中。耦合點6起光線合并和光線分離的作用。由EOBSW5將空間匯集光輸出耦合成混合信號M。在EOBSW2、3和4上設(shè)有電光調(diào)制器AM1、AM2和AM3，其根據(jù)所提供的控制信號S1、S2和S3允許波長為λ1、λ2和λ3的光分量以不同強度通過。此外，還可以將波長為λ4的光分量輸入耦合到EOBSW5的入口E4中。這個光分量可以與在EOBSW2、3和4中傳輸?shù)墓夥至窟M行空間合并。
作為變型在使用三個光分量的情況下可以放棄EOBSW2、3或4中的一個，及其所帶的調(diào)制器和耦合器件。
圖20表示3×4陣列形式的另一種寬頻帶合波分波器的集成光學結(jié)構(gòu)變型例。其交叉點或是處于能使光在EOBSW中完全不受影響地傳輸?shù)奈恢?無源交叉點)上或者位于無源耦合點6處或者處在用于進行空間射線合并和/或射線分離的控制單元7上。
將波長為λ1、λ2和λ3的三束光分別輸入耦合到各EOBSW2、3和4中。EOBSW2、3和4與四個EOBSW8’、8”、8”’和5相交叉。為了說明其作用，而將交叉點描繪成陣列的形式。在由各行列1-1、2-2和3-3確定的交叉點處，設(shè)有用于進行空間射線合并和/或射線分離的有源控制單元7。這些單元對三個光分量進行調(diào)制。
在行列1-4、2-4和3-4中設(shè)有可對光分量進行空間合并和/或分離的無源耦合點6。在此，耦合點6是不可控的。其用于將光分量空間匯集成混合信號M并將該信號送入同一個EOBSW5中。而那些不需要的光分量將繼續(xù)向EOBSW2、3、4、8’、8”和8”’的育出口傳輸。
此外，還將入口E4、E5和E6中的其它光分量輸入耦合到EOBSW8’、8”和8”’并對其進行控制。這些光分量可以與在EOBSW2、3和4中傳輸?shù)墓夥至窟M行空間合并。
圖21和22表示一種用光度計測量確定某一物質(zhì)濃度的裝置。借助寬頻帶合波分波器構(gòu)成的集成光學結(jié)構(gòu)的測量裝置實現(xiàn)了樣品量的最小化，同時相對于傳統(tǒng)的方案提高了測量時使用的頻帶寬度。
圖21中用光接收器12確定置于分離的玻璃器皿14中的測量介質(zhì)16(液體或氣體)的吸收率。對固體也可進行這種傳播過程中的測量(未示出)。此外還可以利用反射進行測量(未示出)。
將三束不同波長的光輸入耦合到各EOBSW2、3和4中，并對這些光進行空間匯集，然后用其照射位于共同的EOBSW5出口AM和光接收器12之間的測量器皿14，測量器皿14中放有測量液體16。優(yōu)選的方式是在測量器皿14和波導出口AM之間設(shè)置一個輸出耦合裝置11以便進行光的輸出耦合和光束形成。
可以通過下述方法進行測量a〕在波導出口AM處實現(xiàn)單一光分量的時分多路復用輸出耦合。在各種波長下直接測量(沒有濾波器)吸收率。借助于各EOBSW2、3和4中的調(diào)制器AM1、AM2和AM3并通過控制信號S1、S2和S3可對光分量進行轉(zhuǎn)換或?qū)崿F(xiàn)光源自身的轉(zhuǎn)換。然而，在熒光測量時，優(yōu)選的方式是在測量器皿14和光接收器12之間設(shè)置濾光器Fi，以便將激發(fā)光和測量光分開。
b)將所有光分量同時輸入耦合到EOBSW中并且在EOBSW的出AM處同時進行光分量的輸出耦合。通過使濾光器Fi在測量器皿14和光接收器12(沒有調(diào)制器)之間偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)測量波長的自動控制選擇。在所有測量中均優(yōu)選對光分量進行振幅調(diào)制，因為一般情況下用動態(tài)測量方法能得到較高的測量精度。所用波長的數(shù)量不限于三種，還可以根據(jù)用途采用二種或多種波長。
根據(jù)圖22可測量位于上層漸消區(qū)上的測量介質(zhì)16(氣體、液體、固體)對所傳輸?shù)牟ǖ奈招Ч?。為此對去覆蓋層的公共EOBSW5設(shè)置了的固定測量窗15，在測量窗15上涂置有測量介質(zhì)16。用振幅調(diào)制器AM1、AM2和AM3對波長為λ1、λ2和λ3的光分量進行調(diào)制。通過測量介質(zhì)本身的吸收并通過改變表面散射可使波導衰減率發(fā)生變化，波導衰減率改變表示光電流Iph發(fā)生變化。該方案充分利用了在一種于條狀波導中傳輸?shù)牟ㄐ偷墓獾那闆r下，一部分的電場或磁場自身被傳到EOBSW之外(漸消場)。
這些場的分量還從EOBSW外部得到和受其外部影響。如果在EOBSW上設(shè)置吸收介質(zhì)，則可根據(jù)吸收情況，使?jié)u消場衰減或通過設(shè)置(但并不是一定要設(shè)置)吸收介質(zhì)來改變EOBSW的表面散射。兩者都可使波導衰減率發(fā)生變化，而該衰減率可用光接收器12測量。與測量介質(zhì)相接觸的襯底表面除了測量窗15外均被過渡層(例如SiO2)覆蓋，因此，漸消場只能進入測量窗的區(qū)域。此外，還確定了精確定義的測量長度(因為總吸收率與測量窗的長度有關(guān))。借助于該測量裝置，通過測量例如吸收率、折射率或散射度，可以確定氣體、液體和固體中物理、生物和化學等量的影響，受其影響能夠改變所傳輸?shù)墓饣驐l狀波導本身的特性。
另一個變型例是測量窗15的覆蓋層，其上帶有可對物理、化學或生物等外部影響起反應(yīng)的物質(zhì)，這些物質(zhì)本身在外部影響起作用時能影響所傳輸?shù)墓夂虴OBSW的特性。
采用集成光結(jié)構(gòu)的測量裝置有利于設(shè)備的小型化?？墒褂脴O少的試樣份額，因為比起波導來說測量窗的寬度很小而且其長度也僅為毫米級。
圖23表示時分多路復用驅(qū)動的寬頻帶合波分波器。在入口E1和E2提供恒定振幅的交替信號而且在光分量進行空間合并之后根據(jù)向振幅調(diào)制器AM1提供的信號S對合并光分量的振幅進行調(diào)制。左邊的曲線圖表示時分多路復用時提供的波長為λ1和λ2的信號振幅分布。中間的曲線圖表示用于進行光分量調(diào)制的信號S的分布。右邊的圖表示己形成空匯集的光分量(混合信號M)在出口AM處的分布情況。
圖24-26表示本發(fā)明的寬頻帶合波分波器，其中至少一個EOBSW2和/或3上設(shè)有用于進行相位調(diào)制的電極結(jié)構(gòu)10。電極10的有效長度L從幾毫米到幾厘米，電極距離d為幾微米。光調(diào)制是通過選用襯底材料實現(xiàn)的，該襯底材料可以影響條狀波導中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔?。可以使用例如KTiOPO4(KTP)作為襯底材料。輸入信號波長為λ或波長范圍為Δλ的離散信號。
圖24表示一種寬頻帶合波分波器，其EOBSW2上設(shè)有用于進行相位調(diào)制的電極10。當在使用相干光的情況下向入口E1和E2輸送相同波長λ1的光時，將在耦合點6中根據(jù)相位的情況產(chǎn)生相長干涉或相消干涉。在此，單個波導2的有效長度是L。
圖25表示一種寬頻帶合波分波器，其兩個EOBSW2和3上分別設(shè)有用于相位調(diào)制的電極10，電極采用推挽式工作。當在使用相干光的情況下向入口E1和E2輸入相同波長λ1的光時，將在耦合點6中根據(jù)相位情況產(chǎn)生相長干涉或相消干涉。在此，每個波導2或多或3上的有效電極長度是L/2。由于各電極長度例如是L/2，所以當向入口E1和E2輸送λ1的光時，電極的總有效長度為L，但是在推挽式工作中，該長度會增加?？梢杂谜{(diào)制電壓U控制相位。通過使用EOBSW可以確保在寬頻帶下工作。
為了得到圖24或圖25中的耦合點6所需的干涉光，可以在分離方向上使用寬頻帶合波分波器(圖26)。將波長為λ或波長范圍Δλ的光送至EOBSW5’的入口E。在耦合點6’處將EOBSW5’分成EOBSW2和3。接著由EOBSW2和3傳輸相干光。
圖26表示EOBSW構(gòu)成的馬赫參得干涉(MZI)調(diào)制器。這個寬頻帶調(diào)制器可進行波長選擇。
圖27表示由圖26的調(diào)制器構(gòu)成的寬頻帶合波分波器，該寬頻帶合波分波器在分離方向上產(chǎn)生干涉光。MZI結(jié)構(gòu)由EOBSW構(gòu)成，由于EOBSW具有較寬的頻帶，所以它可以作為波長傳感器使用。將具有確定波長λ的光輸入耦合到EOBSW5’的入口E，在EOBSW5’上連接一個集成光MZI結(jié)構(gòu)。兩個支路上設(shè)有以推挽形式工作的相位調(diào)制器(電極10)。由此便可以對在干涉儀臂中傳輸?shù)墓夥至窟M行相位調(diào)制。當提供給電極10的電壓U變化時，根據(jù)電光效應(yīng)，干涉儀臂中的光相位也隨之改變，從而使出口A處的輸出耦合光的振幅或強度也發(fā)生改變。通過測量裝置9可以測量調(diào)制光。
例如，借助于投射到光接收器12上的光可確定傳輸?shù)墓庑?。測量裝置由輸出耦合裝置11構(gòu)成，其使調(diào)制光聚焦到光接收器12上。顯示器13顯示由光接收器12測出的光功率。
當在Z截面KTP中使用電光調(diào)制器和當所用的光為TM光時，調(diào)制電壓和所傳輸?shù)墓獠ㄏ辔?即與結(jié)晶的Z軸相應(yīng)的襯底面法線和所傳輸?shù)木€性偏振光的電場矢量方向)之間的關(guān)系可用下式確定U＝-(Δφλd)/(πLnz3γ33Γ)(1)與π相移相應(yīng)的半波電壓Uπ根據(jù)下式確定Uπ＝-(λd)/(πLnz3γ33Γ)(2)通過向電極提供斜坡電壓(圖27中的左圖)，可在調(diào)制器出口處根據(jù)所傳輸?shù)墓夤β氏鄳?yīng)地改變光電流。由此可以確定Uπ(傳輸?shù)墓β手凶钚≈岛拖噜彽淖畲笾抵g的電壓)或Uπ的倍數(shù)。在公式(2)中，Uπ與波長有關(guān)。由于存在著在制造傳感器時確定的校正曲線Uπ＝f(λ)，所以通過測量半波電壓便可得到光的波長。必須確保與本發(fā)明所述寬頻帶合波分波器一起使用的光電元件能在所有波長范圍內(nèi)進行檢測。光源不必發(fā)射寬頻帶光，因為線寬參與決定測量裝置的分辨率，也就是說，如果能完全利用分辨率，則線寬必須是分辨率的量級或在分辨率的量級之下。馬赫參得干涉儀結(jié)構(gòu)也可以用集成光干涉結(jié)構(gòu)例如邁克爾遜干涉儀來取代。其工作原理相類似。
圖28表示一種寬頻帶光學濾波器，其從波長范圍ΔλE中濾掉一部分光分量。這就構(gòu)成了用例如馬赫參得干涉結(jié)構(gòu)進行波長選擇的基礎(chǔ)。在出口處的輸出耦合波長范圍ΔλA中含有波長范圍ΔλE的剩余部分。如果波長范圍ΔλE是白光，則輸出耦合的波長范圍ΔλA對應(yīng)濾出光分量的補色。
圖29表示用于進行折射率波譜確定的小型傳感器，該傳感器可以寬頻帶驅(qū)動。借助于寬頻帶合波分波器將不同波長的光進行空間匯集，接著用馬赫參得干涉儀結(jié)構(gòu)進行傳輸。用振幅調(diào)制器或強度調(diào)制器AMi選擇所需的波長。馬赫參得干涉儀MZI的一個臂上設(shè)有與圖22相類似的測量窗15，當放入測量介質(zhì)時可確定與測量窗15的長度相應(yīng)的相移量。另一條支路上設(shè)有相位調(diào)制器，利用該調(diào)制器可提高精度和確定沒有測量介質(zhì)16和帶有測量介質(zhì)16的上層之間折射率的不同方向。當放置測量介質(zhì)16時，可以根據(jù)上層折射率的變化來改變所傳輸?shù)牟ǖ膫鞑コ?shù)，由此引起的相位改變可用干涉法確定。干涉儀將相位變化轉(zhuǎn)換成振幅信號或強度信號。通過不同的折射率可以推斷相應(yīng)的材料或其濃度。入口的數(shù)量可根據(jù)不同波長的固體耦合光源的數(shù)量來確定。當使用一個可選擇地提供多種波長的光的光源時，只需要一個入口。
圖30-32表示帶有EOBSW的裝置，該裝置適合于形成不同波長的光分量并使這些光分量形成空間匯集。如果必須使用激光二極管作為光源的話，那么在目前的情況下還不可能提供藍光和綠光。然而，如果使用了非線性光學活性材料(例如KTP)，則可利用生成二次模的原理。在激勵波和二次模之間必須實現(xiàn)相位匹配。在KTP中利用了準相位匹配(QPM)的原理。為此將波導體分成多段，以便產(chǎn)生鐵電疇反轉(zhuǎn)的效果。通過這種方式，可實現(xiàn)激勵光波和諧振光波之間的相位匹配。激勵光的功率足夠大而且可形成半波長的光，即，例如將激光二極管發(fā)出的波長為830nm的光變?yōu)椴ㄩL為415nm的光。還能夠形成更高次的模，例如波長為λ/4的光。另一種變頻的方案是合頻(合頻振蕩(SFG))或差頻結(jié)構(gòu)。兩方案均可在KTP中實現(xiàn)(例如，M.L.Sundheimer，A.Villeneuve，G.L.Stegemann和J.D.Bierlein，“用單個光源在分段的KTP波導中同時產(chǎn)生紅光、綠光和藍光”，電子通訊(Electronics Letters)，94年6月9日，Vol.30，No.12，pp，975-976)。借助這兩個方案可以將例如紅外光轉(zhuǎn)換成不同離散波長的可見光。
根據(jù)圖30，在每個EOBSW3和4上設(shè)置有變頻部件FU。將波長λ2變?yōu)椴ㄩLλ4，波長λ3變?yōu)椴ㄩLλ5。在混合信號出口AM處提供波長為λ1、λ4和λ5的空間匯集光。根據(jù)寬頻帶合波分波器的各種用途，可以確定在哪一種或多少個EOBSW上配置變頻部件FU。
在圖31和32中，波長為的λ0光到達以分離方式工作的寬頻帶合波分波器。波長為λ0的光分量進入EOBSW2’、3’和4’中。在每個EOBSW2’、3’和4’上設(shè)有變頻部件FU。每一個變頻部件FU都產(chǎn)生各自的波長λ1λ4和λ3。在圖31中可以將波長為λ1、λ4和λ3的光分量進行輸出耦合。在圖32中，光分量通過設(shè)置在后面且以合波方式工作的寬頻帶合波分波器進行空間匯集。在出口AM輸出波長為λ1、λ2和λ3的空間匯集光。
圖33-35表示用于測量長度變化和/或折射率變化的集成光傳感器。該傳感器由集成光學邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其利用EOBSW作為波導。
圖33使用了兩個獨立的Y型寬頻帶合波分波器。
圖34使用了一個定向耦合器而圖35使用了一個X型耦合器或BOA。
在每個實例中，測量長度變化的傳感器的原理是相同的。將波長為λ1的光輸入耦合到EOBSW2’的入口E。在耦合點6’(圖33)或耦合點6(圖34和35)中將光分入兩個波導臂，并在檢測器出口D1和D2對其進行輸出耦合。該光借助于光輸出耦合器11射至兩個反射鏡上。一個反射鏡Sp(f)的位置是固定的?？梢杂貌▽У亩嗣娲娣瓷溏R進行光反射或在波導出口前面的EOBSW上設(shè)置集成光學反射器?？梢詫⒌诙€反射鏡Sp(b)固定在往復運動的測量體上。
光分量可借助反射鏡返回波導出口D1和D2，而且通過波導結(jié)構(gòu)的兩條通路在耦合點6’(圖33)或耦合點6(圖34和35)中形成干涉。將疊加的光再次分離并使其在出口A和入口E進行輸出耦合。從出口A輸出耦合的光投射到光接收器12上，并在此產(chǎn)生光電流Iph。由于輸出耦合支路上D2和Sp(b)之間的光路長度發(fā)生變化，所以兩個反射器和再次輸入耦合的光分量之間的相位也隨之改變，由此還使提供給光接收器的信號振幅和強度發(fā)生變化。反射鏡在光發(fā)射方向上的位置變化λ/2將對應(yīng)于光電流Iph的一個完整交擾調(diào)制。
此外當在波導支路中使用圖33-35中所示的例如由設(shè)在EOBSW上的電極裝置10構(gòu)成的相位調(diào)制器，和/或同時將兩束波長為λ1和λ2的光輸入耦合到EOBSW2’中并進行選擇性波長測量時，可以對相位變化的方向進行識別。通過使用EOBSW可以在使用短波長的情況下達到進一步提高分辨率的目的。至今還未見到有關(guān)在條狀波導中對藍光波長范圍或波長更短的光進行單模傳輸或調(diào)制的報道。
當把反射鏡Sp(b)固定和在反射鏡Sp(b)及檢測器出口D2之間放入測量介質(zhì)時，可用傳感器來確定測量介質(zhì)的折射率。
標號說明1.襯底2.EOBSW或條狀波導3.EOBSW或條狀波導4.EOBSW或條狀波導5.共用的EOBSW6.耦合點7.用于空間射線合并和/或射線分離的控制單元8.EOBSW或條狀波導9.測量裝置10. 電極11. 輸出耦合裝置12. 光接收器13. 顯示裝置14. 測量器皿15. 測量窗16. 測量介質(zhì)17. TiLiNBO3條狀波導18. 鈦條L1，L2，L3光源MZ1，MZ2，MZ3 馬赫參得干涉儀AM1，AM2，AM3，AM4振幅調(diào)制器E1，E2，E3，E4光入口A，A1，A2，A3， 光出口S1，S2，S3控制信號U1，U2，U3控制電壓R，R1，R2 集成光學或微光學反射器M 混合信號AM混合信號出口U 電極電壓Ipb光電流Δφ 電光形成的相位變化d 電極距離l 電極總長度nz Z向偏振光的折射率r33 電光測力計，其通過Z向電場的轉(zhuǎn)換影響Z向折射率Γ 電極的外部電場和所引導的光學模式之間的重疊因子T時間間隔tM 測量時間ST 波長選擇射線分離器Sp(f)固定的反射鏡Sp(b)動的反射鏡D1，D2 檢測出口(波導出口)Dx，Dy，Dz 擴散常數(shù)N00 基摸的有效折射率N01 一次側(cè)向摸的有效折射率N10 一次縱向摸的有效折射率N02 二次側(cè)向摸的有效折射率Neff 條狀波導中的摸式的有效折射率Neff，Z 條狀波導中Z偏振摸式的有效折射率ax x向長度的中間值ay y向長度的中間值a結(jié)構(gòu)或折射率的寬度t結(jié)構(gòu)或折射率的深度(高度)w擴散時鈦條的出口的寬度td 擴散時間x-y-z坐標系nw 波導區(qū)nw＝f(x，y)中的折射率分布n1 襯底的折射率n2 表面波導區(qū)的折射率n3 上層的折射率ns n1＞n3時襯底的折射率或n3＞n1時上層的折射率d(n2-ns)/dλ 提高導波折射率所需的波長關(guān)系(擴散)Z結(jié)晶學的Z軸(或c軸)λ0，...，λ6波長λa 在表示單摸區(qū)時與條狀波導區(qū)中的單摸波長范圍相對應(yīng)的波長λb 在加寬的并合分離器藕合區(qū)中使二次側(cè)向模起振的波長λmin 襯底材料光學傳輸區(qū)的最小值λmax 襯底材料光學傳輸區(qū)的最大值λi離散波長Δλ，Δλi波長范圍Δλw 條狀波導的頻帶寬度Δλv 波導中基模N00的振蕩和并合分離器加寬藕合區(qū)中二次側(cè)向模的振蕩之間的波長差ΔλN 并合分離器的有效波長范圍ΔλE 波導入口處的光頻帶寬度(光譜)ΔλA 波導出口處的光頻帶寬度(光譜)Kij表示交叉點的陣列元件
權(quán)利要求
1.由條狀波導構(gòu)成的合波分波器，其用于特別是對可見光波長范圍的光進行空間匯集或分離或轉(zhuǎn)換或偏轉(zhuǎn)或調(diào)制，該合波分波器至少由三個條狀波導構(gòu)成，其特征在于-至少一個單模集成光學寬頻帶條狀波導(EOBSW)，其是通過改變折射率的方法在平的襯底材料(1)中或在其上制成的一個通道形結(jié)構(gòu)或用合適的材料制成的通道形結(jié)構(gòu)，其中可根據(jù)在UV區(qū)，可見光區(qū)和/或IR區(qū)中傳導的波長范圍來調(diào)節(jié)與之相應(yīng)的條狀波導的幾何材料參數(shù)，即，在波長為λ時，用等式Δλw＝0.48×λ-85nm可得出在單模傳輸光時波長范圍的最小寬度(λ和Δλw的單位是nm)，其中在確定襯底折射率(n1)，上層折射率(n3)，反映表面折射率分布(f(x，y))的折射率(n2)，波導區(qū)中的折射率分布(nw＝f(x，y))，條狀波導的截面形狀(寬度和深度)以及波導在襯底中和/或襯底上的位置等參數(shù)時，應(yīng)能確保條狀波導在波長范圍Δλw＞0.48×λ-85nm內(nèi)單模工作(λ和Δλ的單位為nm)，也就是說，相對于λa和λa+Δλw之間的每個給定波長(λ)，只有一個有效折射率即基模(N00)的有效折射率，和從技術(shù)上看，單模范圍一方面可通過在波長為λa+Δλw時使基模(N00)有效起振來確定，另一方面可在波長為λa時通過在側(cè)向有效起振的一次模(N01)或在縱向上有效起振的一次模(N10)來確定，其中“技術(shù)上充分有效”意味著，在條狀波導中傳輸?shù)牟ǖ挠行д凵渎手辽俦戎車牧险凵渎食?×10-5，其中ns表示襯底折射率n1或上層折射率n3中較大的值，和通過所用材料的光傳播范圍來確定可利用波長的最小可能值(λmin)和可利用波長的最大可能值(λmax)，并由此來確定該條狀波導是單模集成光學的寬頻帶條狀波導(EOBSW)，此外，其特征在于-將至少三個條狀波導進行組合和合并，其中根據(jù)在UV區(qū)，可見光區(qū)或IR區(qū)中傳輸?shù)牟ㄩL范圍來調(diào)整條狀波導本身以及條狀波導周圍介質(zhì)材料的幾何參數(shù)，即，根據(jù)波長(λ)，并用公式Δλy＝0.27×λ-34nm得到在合波分波器有效工作時波長范圍的最小寬度(λ和Δλ的單位為nm)，其中應(yīng)這樣確定襯底折射率(n1)，上層折射率(n3)，反映表面折射率分布(f(x，y))的折射率(n2)，在波導區(qū)域中的折射率分布(nw＝f(x，y))，合波分波器的幾何形狀以及它在襯底中和/或襯底上的參數(shù)，即至少在波長范圍Δλ＞0.27×λ-34nm內(nèi)能確保合波分波器有效工作λRΔλ的單位為nm，其中，從技術(shù)意義上看，使合波分波器有效工作的可利用波長范圍Δλn可通過下列差值中的較小值來確定，所述差值為-從技術(shù)上看，條狀波導中基模(N00)有效起振的波長λa+Δλw和條狀波導中側(cè)向一次模(N01)或縱向一次模有效起振的波長λa之間的差值，或-從技術(shù)上看，條狀波導中基模(N00)有效起振的波長λa+Δλw和合波分波器上相對于條狀波導的加寬耦合區(qū)中側(cè)向二次模(N02)有效起振的波長λb之間的差值，即ΔλN≤{Δλ≤(λa+Δλw)-λb=ΔλvΔλ≤(λa+Δλw)-λa=Δλw]]>因此將至少由三個條狀波導構(gòu)成且其中至少有一個是EOBSW的合波分波器定義為集成光學寬頻帶合波分波器。(圖9，10)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中-每個入口(E1，E2)至少有兩個用于進行光輸入耦合的條狀波導(2，3)，-條狀波導的出口(A1，A2)在耦合點(6)中匯集成一個共用的條狀波導，和-該共用的條狀波導是一個單模集成光學寬頻帶條狀波導，即EOBSW，其具有可用于進行空間光匯集的公共光出口(Am)。(圖1，2，11，12，13，14，15)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中-至少一個條狀波導(2)與至少另一個條狀波導(3)相交，而且至少一個交點是a)完全無源的，或b)對光分量進行空間匯集的耦合點(6)，或c)空間射線合并和/或分離的控制單元(7)-在各條狀波導中可進行光的輸入耦合，和-共同的條狀波導是單模集成光學寬頻帶條狀波導，即EOBSW(5)，其具有空間匯集光的共用光出口(Am)。(圖3，18，19，20)
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中-每個入口(E1，E2)具有至少兩個可進行光輸入耦合的條狀波導(2，3)，和-至少兩個條狀波導(2，3)具有交叉點，-在條狀波導(2)和條狀波導(3)的交叉點上設(shè)有一個集成光學反射器(R2)，該反射器構(gòu)成了耦合點(6)，和-共用條狀波導是一個單模集成光學寬頻帶條狀波導，即EOBSW(5)，其具有空間匯集光共同的光出口(Am)。(圖4，16)
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的合波分波器，其中所有條狀波導均是單模集成光學寬頻帶條狀波導(EOBSW)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中至少一個條狀波導由銣鉀離子交換的過氧化磷酸鉀鈦KTiOPO4(KTP)構(gòu)成，其中可以這樣來調(diào)整材料的幾何學參數(shù)，即確保條狀波導能在Δλw＞0.48×λ-85nm的波長范圍內(nèi)單模工作(λ和Δλ的單位為nm)，這個條狀波導是EOBSW，其中可通過KTiOPO4的光學傳播范圍來確定可用波長的最小可能值(λmin)和可用波長的最大可能值(λmax)，而且優(yōu)選在可見光波長范圍內(nèi)使EOBSW的單模傳輸波長范圍包括大于350nm的波長范圍，因此將EOBSW定義為單模白光條狀波導，和用另外兩個條狀波導構(gòu)成一個寬頻帶集成光學合波分波器，以及在可見光波長范圍內(nèi)能使合波分波器有效工作的優(yōu)選可利用波長范圍ΔλN包含大于300nm的波長范圍，和因此將合波分波器定義為白光合波分波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中至少兩個條狀波導(2，3，......)在其入口(E1，E2......)處與各自的光源(L1，L2......)相連而且每個光源發(fā)射不同波長(λ1，λ2......)或互不相同的波長范圍(Δλ1，Δλ2......)的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中至少兩個條狀波導(2，3，....5)在其入口(E1，E2......)或出口(Am)處與至少一個光源(L1，L2......)相連，而且光源向至少一個條狀波導發(fā)射至少一種波長(λ1，λ2......)或至少一個波長范圍(Δλ1，Δλ2......)的光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中至少一個條狀波導(2，3，5)上設(shè)有調(diào)制裝置(AM)，其根據(jù)波長或不根據(jù)波長對光分量的相位、振幅或強度和/或偏振方向進行調(diào)制。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中-至少一個光源(L)本身的功率是可調(diào)制的和/或-通過改變光源和條狀波導之間的耦合有效性進行調(diào)制，-通過光衰減器(例如灰色楔)進行調(diào)制，或-通過相移(例如泡克耳斯盒)進行調(diào)制或-通過與偏振部件或偏振條狀波導結(jié)合的偏轉(zhuǎn)器進行調(diào)制。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中由條狀波導(2，3)的出口(A1，A2)合并而成的耦合點(6)是一個可進行空間射線合波和/或分離的控制單元(7)，通過該控制單元可對共用EOBSW(5)上的至少一個光分量(λ1，λ2)進行轉(zhuǎn)換和/或調(diào)制。(圖1-4)
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中將至少兩個波長(λ1，λ2......)的光分量以光脈沖的形式按時間順序輸入耦合到各條狀波導(2，3，4)中，在耦合點(6)處進行空間匯集，然后通過調(diào)制裝置(振幅調(diào)制器AM)把在共用EOBSW(5)中空間匯集的光分量變成時鐘脈沖(時分多路復用驅(qū)動)。(圖23)
13.根據(jù)權(quán)利要求11和12所述的合波分波器，其中至少一個耦合點(6)是用于空間射線合并和/或射線分離的控制單元(7)，利用控制單元可對光脈沖進行同步調(diào)制和將其匯集到共用EOBSW(5)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求9或11所述的合波分波器，其中調(diào)制裝置(AM)和/或用于進行空間射線合并和/或射線分離的控制單元(7)是根據(jù)以下原則之一設(shè)立的-借助于集成光學干涉裝置通過電場進行調(diào)制，即光的電光調(diào)制，-借助于集成光學干涉裝置通過壓力波進行調(diào)制，即光的聲光調(diào)制，-借助于集成光學干涉裝置通過熱量進行調(diào)制，即光的熱光調(diào)制，-借助于集成光學干涉結(jié)構(gòu)通過磁場進行調(diào)制，即光的磁光調(diào)制，-借助于集成光學干涉結(jié)構(gòu)通過光輻射進行調(diào)制，即光的光-光調(diào)制，-借助于集成光學干涉結(jié)構(gòu)通過熱輻射進行調(diào)制，即光的光熱調(diào)制，-利用集成光干涉結(jié)構(gòu)通過電的載流子進行調(diào)制，即通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子來改變有效折射率，-利用法布里-珀羅效應(yīng)進行電光、聲光、熱光、磁光、光-光或光熱調(diào)制，-利用法布里-珀羅效應(yīng)，通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子來改變有效折射率進而進行調(diào)制，-根據(jù)因在半導體材料中注入或耗盡自由載流子而引起的有效折射率的改變而進行截斷調(diào)制，-控制波導放大系數(shù)，-與偏振元件或偏振條狀波導相結(jié)合控制偏振旋轉(zhuǎn)，-波導模式轉(zhuǎn)換-電吸收調(diào)制或-使用集成光轉(zhuǎn)換或分離元件如X型耦合器、平行條狀耦合器、定向耦合器或BOA進行調(diào)制。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中根據(jù)下列至少一個原則對條狀波導進行合并和/或分路-使用Y型分型分路器，或-使用集成光學轉(zhuǎn)換和分離元件如X型耦合器或定向耦合器或平行耦合器，和-在條狀波導中使用雙模干涉裝置(BOA)或-使用集成光學或微光學反射器(反射鏡、光柵、棱鏡)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中在襯底表面上至少有兩個條狀波導沿彼此平行的方向分布，而至少有另一個條狀波導沿另一個方向伸展，三個條狀波導的交叉點(6)構(gòu)成一個陣列。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的合波分波器，其中交叉點的陣列是按下述原則構(gòu)成的-與波長為λi，其中i＝2至m，m個光分量相對應(yīng)的是m條平行傳輸?shù)臈l狀波導(2，3，4)，其與一個EOBSW(8)相交叉，其中-交叉點是用于進行空間射線合并的無源交叉點(6)而且當需要時，在m個條狀波導(2，3，4)的交叉點上設(shè)置一個振幅調(diào)制器(AM)(圖19)或-交叉點是可進行空間射線合并和/或射線分離的控制單元(7)。(圖18，20)
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的合波分波器，其中交叉點陣列kij是按下述原則構(gòu)成的-平行引導與波長為λi，其中i＝1至m，且m≥2的m個光分量相對應(yīng)的m個條狀波導(2，3，4，......)并且平行引導與m個條狀波導相交叉的n-1個其它條狀波導(8’，8”，8”’，......)和一個EOBSW(5)，其中數(shù)量n＝m+1，和-交叉點kij是i＝j(luò)個用于進行空間射線合并和/或射線分離的控制單元(7)，-交叉點kij是i＝1至m，j＝n＝m+1個無源耦合點(6)和-其余的交叉點全部是無源的，此外-j＝1到n-1個條狀波導(8’，8”，8”’，......)是盲出口，和-j＝m個條狀波導是用于進行空間光匯集的共用EOBSW(5)。(圖20)
19.根據(jù)權(quán)利要求8所述的合波分波器，其中在分離方向上設(shè)有一個部件，共用的EOBSW(5’)和光源在該部件中相耦合，所述光源發(fā)射波長為λ0的光或某個光譜范圍(Δλ)的光，共用EOBSW(5’)進入耦合點(6’)并從耦合點(6’)分成至少兩個條狀波導(2，3)，在這兩條波導中可傳輸波長為λ0的光或光譜范圍為(Δλ)的相干光。(圖14，15，17，24，25，26)
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合波分波器，其中在用于空間光匯集的耦合點(6)之前的至少一個條狀波導中設(shè)有以非線性光學效應(yīng)為基礎(chǔ)的變頻器(FU)。(圖30，31，32)
21.寬頻帶合波分波器作為光的空間匯集裝置的應(yīng)用，在將至少兩個光分量輸入耦合到各條狀波導中時，使至少兩種不同波長(λi)或波長范圍(Δλi)的光形成快速可變光譜的光合成，特別是在可用光譜范圍大于75nm時可形成彩色混合，并從共用的EOBSW(5)輸出耦合空間匯集的光。(圖1-4和11-32)
22.用寬頻帶合波分波器作為分光(λi，Δλi)裝置，將輸入耦合到一個EOBSW(5’)中的至少一個光分量分成至少兩個可用光譜范圍大于75nm的光分量并從至少兩個條狀波導中輸出耦合光分量，該光分量與輸入耦合的光具有相同的合并光譜和相位。(圖12，26，27，28，29，31，32)
23.寬頻帶合波分波器作為波長選擇器或與波長有關(guān)的寬頻帶轉(zhuǎn)換器或?qū)掝l帶振幅及強度調(diào)制器的應(yīng)用，其所處理的光是至少一種波長或波長范圍的光，該光在輸入耦合到至少一個條狀波導中時可在大于75nm的光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生快速變化的光強和/或光譜合并，而且在共用EOBSW(5)中輸出耦合空間匯集的調(diào)制光。(圖書館1，12，13，18，19，20，28)
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的寬頻帶合波分波器的用途，將其作為波長選擇的寬頻帶轉(zhuǎn)換器或?qū)掝l帶調(diào)制器，特別是作為可控濾色器，是基于下述原則之一實現(xiàn)的-電光調(diào)制，-聲光調(diào)制，-熱光調(diào)制，-磁光調(diào)制，-光-光調(diào)制，-光熱調(diào)制，-通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子來改變有效折射率，-利用法布里-珀羅效應(yīng)，通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子來改變有效折射率進而進行調(diào)制，-電光、聲光、熱光、磁光、光-光或光熱截止調(diào)制，-以通過在半導體材料中注入或耗盡自由載流子來改變有效折射率為基礎(chǔ)進行截斷調(diào)制，-控制波導放大系數(shù)，-控制偏振旋轉(zhuǎn)，-波導模式轉(zhuǎn)換或-相移(例如泡克爾斯盒)或-與偏振部件或作為外部元件的偏振波導相關(guān)的偏振旋轉(zhuǎn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的寬頻帶合波分波器的用途，將其在裝置中作為與波長有關(guān)的寬頻帶轉(zhuǎn)換器或?qū)掝l帶調(diào)制器，其中的調(diào)制是在下列原則之一的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的-光吸收調(diào)制，-改變光源和波導的耦合有效性，-光源自身的調(diào)制或-作為外部元件的光衰減器(例如灰色楔)。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述寬頻帶合波分波器的用途，將其在裝置中作為寬頻帶干涉裝置，特別是作為寬頻帶馬赫參得干涉裝置，其中將某個波長或波長范圍的光輸入耦合到一個共用的EOBSW(5’)中并在耦合位置(6’)處將EOBSW(5’)中的光分離，使其在分離的EOBSW(2和3)中繼續(xù)傳輸，然后在耦合位置(6)上對EOBSW(2和3)中的光進行空間匯集并在共用EOBSW(5)的出口(AM)進行輸出耦合，其中通過電極(10)在分別傳輸?shù)腅OBSW(2，3)的區(qū)域中產(chǎn)生電場，該電場將影響至少一個EOBSW(2，3)中的光相位和/或振幅和/或偏振方向。(圖12，24，25，26，27，18，29)
27.寬頻帶合波分波器作為在裝置中測量物理、生物、化學參數(shù)的測量器件的應(yīng)用，其中這些參數(shù)將影響-一個條狀波導或EOBSW(2，3)中的光分量或-一個共用EOBSW(5)中的空間匯集光或-在EOBSW(5)的出口(AM)輸出的空間匯集光(M)或-在條狀波導或EOBSW(2，3)或EOBSW(5)之一中進行的導波，此外，可用光度計測量在共用EOBSW(5)的出口外測量空間匯集光。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述寬頻帶合波分波器的用途，將其作為裝置中的測距儀，其中用干涉法測量待測物體的位移。(圖33，34，35)
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述寬頻帶合波分波器的用途，將該合波分波器用于光度測量裝置中，其中將至少兩個波長的空間匯集光分量同時或按順序照射測量介質(zhì)而且可以根據(jù)例如使用光分量的各種波長時的反射率、傳播率或散射率的變化來測量光強度的變化。(圖21，22，29)
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述寬頻帶合波分波器的用途，將其作為裝置中的波長傳感器，其中，將未知波長的光輸入耦合到共用EOBSW(5’)中，共用EOBSW(5’)分成兩個EOBSW(2，3)，而EOBSW(2，3)又在另一個WOBSW(5)中形成空間匯集，由此便得到了集成光學干涉結(jié)構(gòu)，而且在共用EOBSW(5)的出口(AM)處測量光強度并以合適的方式在EOBSW(2，3)上設(shè)置電極，在電極上所加電壓的大小與光波長成比例，所述電壓的作用是改變出口(AM)處的導光性使之從最大值變?yōu)橄嘟淖钚≈祷蛳喾础?圖27)
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述寬頻帶合波分波器的用途，將其作為裝置中的傳感器，其中，除了測量窗(15)之外，其它部分均被支承條狀波導或EOBSW的襯底表面覆蓋，測量窗(15)疊置在EOBSW(5)上而且-通過測量窗(15)使測量介質(zhì)(16)直接與EOBSW(5)相接觸，-測量窗(15)的表面上帶有非常敏感的材料，該材料與測量介質(zhì)16相接觸，和-在共用EOBSW(5)的出口處測量光的參數(shù)，得到樣品介質(zhì)(16)的特性比。(圖22)
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的寬頻帶合波分波器的用途，其中在寬頻帶合波分波器中至少將兩種波長(λi)的光進行空間匯集，而且共用EOBSW(5)只暴露在測量窗(15)中。(圖22)
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的寬頻帶合波分波器的用途，可用其在裝置中確定折射率，其中在寬頻帶合波分波器中將至少兩種波長(λi)的光進行空間匯集，然后將空間匯集的光(M)送入馬赫參得干涉結(jié)構(gòu)(MZI)，在馬赫參得干涉結(jié)構(gòu)的一個分路上設(shè)有用于進行相位調(diào)制的電極(10)，而在另一個波導分路上設(shè)有測量窗(15)。(圖29)
34.用寬頻帶合波分波器作為波長選擇或與波長有關(guān)的寬頻帶轉(zhuǎn)換器或?qū)掝l帶相位和/或偏振方向調(diào)制器，其所處理的光是至少一種波長(λi)或波長范圍(Δλi)的光，該光在輸入耦合到至少一個EOBSW(2，3)中時，在可用光譜范圍大于75nm時產(chǎn)生快速變化的相位和/或偏振方向，而且在共用EOBSW(5)的出口(AM)輸出耦合空間匯集的調(diào)制光(M)。
35.寬頻帶合波分波器作為裝置中的變頻器的應(yīng)用，其中在至少一個條狀波導中設(shè)置至少一個變頻部件(FU)，該變頻部件改變輸入耦合到條狀波導(2，3)中的光分量的波長而且送到共用EOBSW(5)出口的是至少有一種波長發(fā)生變化的匯集光分量。(圖30，31，32)
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的寬頻帶合波分波器的用途，其中在共用EOBSW(5’)中輸入耦合一種波長的光，將共用EOBSW(5’)分成至少兩個條狀波導或EOBSW(2，3)，在每個波導分路中設(shè)有變頻部件(FU)，將變頻的光分量進行空間匯集，并送至共用EOBSW(5)的出口。
全文摘要
一種特別適用于可見光波長范圍的集成光學合波分波裝置，其能確保波長范圍△λ大于約75nm(適用于短波可見光)的光形成空間寬頻帶匯集。相對于包括所有可見光的可用波長范圍而設(shè)置了白光分波器。合波分波裝置由至少三個條狀波導構(gòu)成，三個條狀波導中至少有一個是單模集成光學寬頻速帶條狀波導(EOBSW)。兩個條狀波導(2，3)均具有入口點(E
文檔編號G02F1/37GK1150479SQ96190243
公開日1997年5月21日 申請日期1996年2月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月7日
發(fā)明者A·拉施, M·羅斯查爾克, J·P·拉斯克, V·格勒伯 申請人:Ldt激光展示技術(shù)公司