光學(xué)系統(tǒng)中像差校正的系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)像差校正，并且尤其涉及校正波長選擇開關(guān)裝置中的光學(xué)像差的 衍射光柵。盡管本文將描述于本申請(qǐng)?zhí)貏e相關(guān)的一些實(shí)施例，但是應(yīng)理解的是本申請(qǐng)不局 限于這樣的應(yīng)用領(lǐng)域，其可以應(yīng)用于更廣泛的環(huán)境。
【背景技術(shù)】
[0002] 貫穿說明書的【背景技術(shù)】的任何討論不應(yīng)被認(rèn)為是承認(rèn)這樣的技術(shù)是在本領(lǐng)域中 被廣泛已知的或構(gòu)成了本領(lǐng)域中公知常識(shí)的一部分。
[0003] 由于各種形式的光學(xué)像差，所以光學(xué)系統(tǒng)固有地在信號(hào)信息方面遭受損失。在比 較小、比較簡單的光學(xué)裝置中，光束可沿著接近平行于光軸的軌道傳播。在這些"近軸的" 構(gòu)造中，像差是微弱的并且在實(shí)際中一般可忽略。然而，當(dāng)更復(fù)雜的裝置被建立以完成高級(jí) 功能時(shí)，離軸和在近軸之外的區(qū)域傳播光束的需要變得日益重要。在這些"更高階的光學(xué)器 件"的情況下，若干單色光學(xué)像差變得更加明顯。特別地，光學(xué)元件的焦平面的離軸曲率變 成了值得關(guān)心的事。球面像差和光學(xué)彗發(fā)像差也是如此。
[0004] 像差的程度大體上與系統(tǒng)中光束的尺寸和輪廓有關(guān)。在波長選擇開關(guān)（WSS)裝置 中，重塑光束輪廓以使其高度不對(duì)稱通常是有利的。例如，在硅基液晶（LC0S)基底開關(guān)中， 細(xì)長的光束輪廓有利于同時(shí)高效地開關(guān)多個(gè)波長通道。更大和更不對(duì)稱的光束比更小的對(duì) 稱的光束一般會(huì)經(jīng)歷更高的像差。
[0005] 特定的WSS設(shè)計(jì)的不對(duì)稱特性意味著在開關(guān)引擎（LCOS、MEMs鏡等）上入射的射 束點(diǎn)可具有顯著的像差，包括光束彗發(fā)像差。當(dāng)追求更小的射束點(diǎn)以獲得更鋒利的通道的 努力增加時(shí)，這些像差限制了這些離軸系統(tǒng)的潛能。
[0006] 在分光儀型光束系統(tǒng)中，像差校正通常通過移動(dòng)到雙鏡閃耀式光柵 (Czerny-Turner)系統(tǒng)中來進(jìn)行。該系統(tǒng)為每個(gè)鏡面反射提供大小相等且方向相反的像差， 以允許對(duì)稱的高斯射點(diǎn)被聚焦在像平面處。這種類型的解決方案在WSS系統(tǒng)中是可能的， 但其伴隨著弊端：第二鏡面增加系統(tǒng)的成本；該設(shè)計(jì)為光學(xué)機(jī)構(gòu)創(chuàng)造了更大的空間覆蓋區(qū) 域；并且光學(xué)校準(zhǔn)過程更加復(fù)雜。所有這些與新的WSS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)背離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，本發(fā)明的目的是提供在光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行像差校正的系統(tǒng) 和方法。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，其提供了用于光學(xué)系統(tǒng)中的衍射光柵，該光柵包括一組 間隔開的衍射線，所述衍射線被構(gòu)造為：在入射光束中空間地分隔出波長通道，并且還給予 所述光束預(yù)定的相變，以至少部分地校正存在于該光學(xué)系統(tǒng)中的所述光束的光學(xué)像差。
[0009] 該組衍射線優(yōu)選地限定相位輪廓，該相位輪廓使所述光學(xué)系統(tǒng)給光束的像差至少 部分地反向。相鄰衍射線的間距優(yōu)選地基于存在于所述光學(xué)系統(tǒng)中的光束的光學(xué)像差根據(jù) 沿衍射維度在光柵上的位置而改變。衍射線優(yōu)選具有曲率，該曲率基于存在于光學(xué)系統(tǒng)中 的光束的光學(xué)像差在光柵上變化。光束的光學(xué)像差優(yōu)選地包括光束的光學(xué)彗發(fā)像差和球面 像差中的一個(gè)或兩個(gè)。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，其提供了光學(xué)開關(guān)，包括：
[0011] 用于入射輸入光束的至少一個(gè)輸入端口；
[0012] 用于接收輸出光束的至少一個(gè)輸出端口；
[0013] 開關(guān)光學(xué)器件，用于沿著至少一個(gè)輸入端口和至少一個(gè)輸出端口之間的預(yù)定路徑 選擇性地開關(guān)光束；以及
[0014] 衍射元件，該衍射元件被構(gòu)造用于：
[0015] i.在光束中空間地分隔出波長通道；
[0016] ii給波長通道強(qiáng)加預(yù)定的相變，以至少部分地校正輸入光束的光學(xué)像差。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，其提供了用于光學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)生像差校正相位輪廓的方 法，該方法包括如下步驟：
[0018] a)在光學(xué)系統(tǒng)模型中，在第一預(yù)定點(diǎn)處插入相位操作元件，可變的相位操作元件 具有可控的相位輪廓；
[0019] b)測量位于光學(xué)系統(tǒng)中的第二預(yù)定點(diǎn)處的光束的特性；并且
[0020] c)改變相位操作元件的相位輪廓，以使得被測量的光束的特性基本上匹配預(yù)定的 參考光束的特性。
[0021] 步驟b)優(yōu)選地包括計(jì)算位于光學(xué)系統(tǒng)中的預(yù)定點(diǎn)處的光束的M2值的步驟。步驟 c)優(yōu)選地包括改變相位輪廓以基本上最小化M2值之和的步驟。
[0022] 相位輪廓表示為多項(xiàng)式。最小化M2值之和的步驟優(yōu)選地通過選擇性地修改多項(xiàng) 式的權(quán)重項(xiàng)而被執(zhí)行。
[0023] 參考光束的特性優(yōu)選地表示為理想高斯光束。
[0024] 第三方面的方法優(yōu)選地還包括如下步驟：
[0025] d)將相位輪廓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的衍射光柵輪廓。
[0026] 第三方面的方法優(yōu)選地還包括如下步驟：
[0027] e)將光柵輪廓寫在衍射光柵基底上。
[0028] 第一預(yù)定點(diǎn)優(yōu)選地位于或鄰近于光學(xué)系統(tǒng)中衍射光柵的位置。第二預(yù)定點(diǎn)優(yōu)選地 位于或鄰近于光學(xué)系統(tǒng)中的開關(guān)裝置。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，其提供了減少波長選擇開關(guān)中的光束的光學(xué)像差的方 法，該方法包括如下步驟：
[0030] 利用衍射相位校正元件，以使所述開關(guān)給予所述光束的像差效應(yīng)基本上反向。
[0031] 衍射相位校正元件優(yōu)選地為衍射光柵，該衍射光柵具有多個(gè)間隔開的衍射線，并 且其中該衍射線定義了輪廓，該輪廓使光束的像差效應(yīng)基本上反向。
[0032] 衍射線的間距優(yōu)選地被規(guī)定為給予光束預(yù)定的相變。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的第五方面，其提供了用于光學(xué)系統(tǒng)的相位校正元件，該元件包括一 組相位操作元件，其中該操作元件給予光束預(yù)定的相變，以至少部分地校正存在于光學(xué)系 統(tǒng)中的光束的光學(xué)像差。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的第六方面，其提供了衍射光柵，該衍射光柵具有光柵輪廓，該輪廓被 構(gòu)造為衍射光束并且強(qiáng)加相變至光束以至少部分地校正光束的光學(xué)像差。
【附圖說明】
[0035] 現(xiàn)在，將僅通過示例的方式參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中：
[0036] 圖1示出了具有被構(gòu)造為校正光學(xué)像差的光柵輪廓的示例性的衍射光柵；
[0037] 圖2示意性地示出了示例性的WSS裝置的光學(xué)布局；
[0038] 圖3示出了分別具有8GHz、12GHz和16GHz的射束點(diǎn)尺寸（帶寬）的三個(gè)示例性 的高斯濾波器形狀的圖形；
[0039] 圖4示出了在示例性的模型WSS裝置的像平面中的射束點(diǎn)的輻照度（功率）和相 位圖；
[0040] 圖5示出了用于圖2的模型WSS裝置的濾波器形狀的圖形；
[0041] 圖6示出了被執(zhí)行以確定需要的衍射光柵輪廓的步驟的示例性的工藝流程，該輪 廓補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)中的像差；
[0042] 圖7示出了示例的相位輪廓的圖形，該輪廓在模擬的WSS系統(tǒng)中的平面中被計(jì) 算；
[0043] 圖8示出了在進(jìn)行相位像差校正和不進(jìn)行相位像差校正兩種情況下通過模擬的 WSS系統(tǒng)的成像光束的輻照度輪廓的圖形；
[0044] 圖9示出了在進(jìn)行相位像差校正和不進(jìn)行相位像差校正兩種情況下通過該模擬 的WSS的成像光束的相位輪廓的圖形；
[0045] 圖10示出了在未施加像差校正的情況下模擬WSS裝置的總體濾波器形狀的圖形； 和
[0046] 圖11示出了在施加了像差校正的情況下模擬WSS裝置的總體濾波器形狀的圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 本文中，將具體參照校正波長選擇開關(guān)（WSS)裝置中的光學(xué)像差來描述本發(fā)明的 實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本文描述的原理可應(yīng)用于其他光學(xué)系統(tǒng)和裝置。本 文描述的實(shí)施例涉及定義具有光柵輪廓的衍射光柵，該光柵輪廓將具體的相變施加在光束 上以校正光學(xué)像差。
[0048] ?概述
[0049] 參考圖1，其圖示出了用于光學(xué)系統(tǒng)中的衍射光柵1。該衍射光柵包括基底2和設(shè) 置成橫跨基底2的光柵輪廓的一組細(xì)長衍射元件3。每個(gè)衍射元件包括橫跨光柵1的面的 相對(duì)曲率度（包括〇曲率）。示例性的衍射元件為衍射線，并且包括用于反射光柵的凹槽或 凸脊，或用于透射光柵的狹槽。該光柵輪廓給予入射光束預(yù)定的相變，以至少部分地校正存 在于光學(xué)系統(tǒng)中的光束的光學(xué)像差。
[0050] 光柵1上形成的光柵輪廓根據(jù)通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸