[发明专利]具有极高波长分辨率的曲线光栅光谱仪和波长复用器或解复用器

权利要求书

1.一种使用离散光学组件或如光子集成电路中的波长色散元件般具有集成可能性的波长复用器/解复用器/光谱仪，其实现光谱在波长λ_BI1周围的色散，所述波长复用器/解复用器/光谱仪包括：

至少一个输入狭缝；

多个输出狭缝；以及

曲线光栅，所述曲线光栅经配置用于处理多个光束的光谱组成，所述曲线光栅包括多个槽，多个所述光束来自多个所述槽，每个槽的方位可调节用于控制所述波长复用器/解复用器/光谱仪的性能，所述输入狭缝和所述输出狭缝中的每个输出狭缝的方位可调节用于控制所述波长复用器/解复用器/光谱仪的性能，

其中所述输入狭缝允许所述光束进入到所述波长复用器/解复用器/光谱仪中，所述输入狭缝的位置可调节，并且此外所述输入狭缝X_I1的所述位置通过在将所述输入狭缝接合到光栅中心的线与所述光栅中心的法线之间保持的第一输入角θ_I1以及从所述光栅中心到所述输入狭缝的第一输入距离S_I1指定，

此外，其中允许第一输出光束射出的第一输出狭缝具有第一锚定输出波长λ_I1-O1A，所述第一输出狭缝的位置可调节，并且此外，所述第一输出狭缝的所述位置通过在将所述第一输出狭缝接合到所述光栅中心的线与所述光栅中心的法线之间保持的第一输出角θ_O1A以及从所述光栅中心到所述第一输出狭缝的第一输出距离S_O1A指定，

此外，其中，光在其中传播的介质具有“n_gr”的有效传播折射率，在自由空间的情形下，n_gr是材料折射率，在平面波导的情形下，“n_gr”是所述平面波导内的所述有效传播折射率，

此外，其中第i个槽的方位通过其x-y坐标X_i＝(x_i,y_i)指定，所述x-y坐标相对于所述光栅中心和所述输入狭缝指定，其中所述光栅中心具有坐标X₀＝(0,0)并且所述输入狭缝具有坐标X_I1＝(-S_I1*Sin(θ_I1),S_I1*Cos(θ_I1))，

其中所述光栅中心的输入圆半径R的给定值按照S_I1＝R*Cos(θ_I1)与所述输入狭缝方位相关，两个起始光栅齿选择为位于距彼此距离“d”处，使得它们布置在以下位置

X₁＝(d/2,R-(R²-(d/2)²)^1/2)

和

X_-1＝(-d/2,R-(R²-(d/2)²)^1/2)，

其中当给定所述第一锚定输出波长λ_I1-O1A时，如下确定所述距离“d”：

选择光栅级并用整数“m”表示所述级，并且根据下式获得所述距离“d”

d*(Sin(θ_O1A)+Sin(θ_I1))＝m*λ_I1-O1A/n_gr，

此外，其中通过使用由以下两个条件给出的所述第i个槽的坐标X_i计算每个槽的坐标来得出所有其它槽的位置：

第一条件是：

Sgn(i-ja)*([D₁(θ_I1,S_I1,X_i)+D₂(θ_O1A,S_O1A,X_i)]-[D₁(θ_I1,S_I1,X_ja)+D₂(θ_O1A,S_O1A,X_ja)])＝m*λ_I1-O1A/n_gr,

其中D₁(θ_I1,S_I1,X_i)是从X_i到通过θ_I1和S_I1指定的第一输入狭缝位置X_I1的距离，D₂(θ_O1A,S_O1A,X_i)是从X_i到通过θ_O1A和S_O1A指定的所述第一输出狭缝位置的距离，并且槽ja的方位X_ja通常是已知的，第二条件是使得函数f等于常数，函数上表达为：

f(X_i)＝常量

其中以上常量可以取决于θ_I1、S_I1、θ_O1、S_O1、λ_I1-O1、m、n_gr、{X_j}，其中所述方位{X_j}表示已知的一些光栅齿的方位，

其中通过选择所述函数f进一步给出第二约束条件，使得：

[D₁(θ_I1,S_I1,X_i)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i)]-[D₁(θ_I1,S_I1,X_i-1)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i-1)]＝m*λ_I1-O2A/n_gr，

其中D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i)是从位于X_i处的所述第i个槽到第二锚定输出狭缝的距离，所述第二锚定输出狭缝通过在将第二输出狭缝接合到所述光栅中心的线与所述光栅中心的法线之间保持的第三角θ_O2A以及从所述光栅中心到所述第二输出狭缝的第二输出距离S_O2A指定，波长λ_I1-O2A是第二波长，其是通过d*(Sin(θ_O2A)+Sin(θ_I1))＝m*λ_I1-O2A/n_gr给出的所述第二输出狭缝的波长，

并且通过针对X_i＝(x_i,y_i)处的所述第i个槽的x坐标x_i和y坐标y_i求解Sgn(i-ja)*([D₁(θ_I1,S_I1,X_i)+D₂(θ_O1A,S_O1A,X_i)]-[D₁(θ_I1,S_I1,X_ja)+D₂(θ_O1A,S_O1A,X_ja)])＝m*λ_I1-O1A/n_gr和[D₁(θ_I1,S_I1,X_i)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i)]-[D₁(θ_I1,S_I1,X_i-1)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i-1)]＝m*λ_I1-O2A/n_gr，获得其它槽X_i的确切位置，

其中f是等式[D₁(θ_I1,S_I1,X_i)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i)]-[D₁(θ_I1,S_I1,X_i-1)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i-1)]＝m*λ_I1-O2A/n_gr的左手侧，且f(X_i)＝常量中的“常量”是[D₁(θ_I1,S_I1,X_i)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i)]-[D₁(θ_I1,S_I1,X_i-1)+D₃(θ_O2A,S_O2A,X_i-1)]＝m*λ_I1-O2A/n_gr的右手侧，

其中对于多个输出波导中的超过一个输出波导，所述波导具有形成输出口的第一锥形渐变区域，其从入射口宽度开始锥形渐变为接近或小于仅支持基谐模的波导宽度，

此外，其中在所述第一锥形渐变区域之后的某处是可以具有零长度或有限长度的第一直波导，

此外，其中在所述第一直波导之后的某处是第一波导弯曲区域的区段，

此外，其中在所述第一波导弯曲区域之后的某处是多个第一波导放射状地成扇形展开的区域的区段，

此外，其中在多个所述第一波导放射状地成扇形展开的区域之后的某处是第二波导弯曲区域，其将所述成扇形展开的波导接合到第一平行传播波导区域的区段，其中在所述第一平行传播波导区域，相邻波导几乎平行于彼此传播，并且所述波导宽度经由第二锥形渐变区域锥形渐变扩大为大于所述基谐模宽度，并且接近所述第一平行传播波导区域的末端，所述波导经由第三锥形渐变区域锥形渐变回至接近或小于所述基谐模宽度，

此外，其中在所述第三锥形渐变区域之后是第三波导弯曲区域的区段，其中每个波导经历弯曲以连接到第二平行传播波导区域的区段，其中在所述第二平行传播波导区域，相邻波导几乎平行于彼此传播，并且所述波导宽度经由第四锥形渐变区域锥形渐变扩大为大于所述基谐模宽度，并且接近所述第二平行传播波导区域的末端，所述波导经由可具有零长度或有限长度的第五锥形渐变区域锥形渐变回至接近或小于所述基谐模宽度。