[发明专利]泰伯效应的分波分束器

说明书

技术领域：

本发明是一种泰伯效应的分波分束器。适用于光通信、光互联、光计算、数据存储、图象处理以及光学计算等。

背景技术：

光纤通信系统以大容量、高速的信息传输得到了迅猛发展。其中，分波器/分束器扮演着十分重要的角色，它们通常由不同的器件构成。目前分(合)波器/分束器已经有效地使用在多用户系统中。波分复用系统按复用光波间隔可划分为密集波分复用(DWDM)和粗波分复用(CWDM)，但DWDM系统成本仍然较高，比较而言，由于CWDM系统信道间隔较宽，可以使用价格相对便宜的收发器件及光学元件，整个通信系统的成本大大降低。

分束元件在光纤通信中也占有十分重要地位。常用的分束元件有：熔融拉锥，体全息图、波导型[见Fardad，et al.，Sol-Gel multimode interference powersplitters，IEEE Photon.Tech.Lett.，11，1999，p.697-699]等。例如，采用熔融拉锥技术可以实现1×2的分束，多级级联可以实现较大规模的分束，但这增加了损耗，也使系统过于复杂。从已有的研究结果来看，同时具备分束和分波功能的器件很少见。它们的特点是具有分束功能而不具备分波功能，或者具有分波功能，而不具备超大规模分束功能。目前基于泰伯(Talbot)效应原理设计和制作的光学阵列发生器或照明器在许多研究领域获得了实际应用，例如在光通信、光互连、光计算、数据存储、图像处理以及光学计量等[见ChangheZhou(周常河)et al.，Analytic phase-factor equations for Talbot arrayilluminations，Applied Optics，38，1999，p.284-290]。

发明内容：

本发明提供一种基于泰伯(Talbot)效应的具有大规模分束和分波功能两者合二为一的一种器件，其同时具有粗分波器/超大型分束器功能。

本发明分波分束器的结构如图1所示。包括有输入光纤1，由扩束透镜201和准直透镜202构成的准直器2，光栅3和位于距离光栅3N≥1倍泰伯距离z的入射端带有聚光器401的输出光纤阵列。输入光纤1能够同时传输着两个波长的光λ₁和λ₂。光束从输入光纤1出射后，首先经过准直器2准直，准直器2是由扩束透镜201和准直透镜202组成。准直器2与输入光纤1的输出端相连。经准直器2出射的平行光束射到光栅3上，光栅3可以是振幅光栅，或者是位相光栅。从提高能量利用率的角度，是位相光栅更好。光栅3放在准直器2的光束输出端。在光栅3光束输出方向上，距离N≥1倍泰伯距离的z处，有输入端带有聚光器401的输出光纤阵列4。输出光纤阵列4的每个光纤列阵元的头部有聚光器401的目的是使自由空间的光斑耦合到输出光纤阵列4中。

在输入光纤1中传输的不同波长光信号λ₁和λ₂，光束从输入光纤1输出端出射，经过准直器2后，被准直为平行光，照射在光栅3上。通过光栅3的光会被衍射，在泰伯距离z上自成像产生不同波长空间上分离的光信号大规模列阵，用输出光纤阵列4引出不同波长光信号在空间上的交叉分离的大规模的光斑阵列。因此，本发明器件实现了粗分波和大规模分束的双重功能。

本发明中光栅3和输出光纤阵列4间的N倍泰伯距离z是满足光栅自成像条件。考虑最简单的情形，设u₀(x)是位于z＝0平面上光栅3的一维周期透过率函数，由傅立叶级数展开得：

                   u₀(x)＝∑c_kexp(i2πxk/d)      (1)其中k为整数，k的物理意义为傅里叶级谱的级次，c_k为傅里叶级谱的系数，x为垂直于光栅3沟槽的一维方向的坐标值，d是沿x方向光栅3的周期，exp为指数函数，∑为多级傅里叶频谱求和符号。在波长为λ的平面波相干照明下，沿z向传播的菲涅尔衍射场为：