專利名稱：用于光通信終端站的光學設(shè)備及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安裝在光學多路通信終端站的光學設(shè)備及其制造方法，不同波長分量光信號載波的多路復用實現(xiàn)多路通信，更具體地是，本發(fā)明涉及光通信終端站的光學設(shè)備及其制造方法，其中包括利用光衍射的計算機產(chǎn)生全息圖作為光學元件。
近年來，正在加緊推行所謂的“光纖到戶”規(guī)劃，按照這個規(guī)劃把光纖延伸到每個家庭，使大容量通話能力的光通訊成為可能。
按照這個規(guī)劃，例如，波段為1.3μm和1.55μm分量光束的多路復用光傳送到各個家庭的終端站。
在終端站，有包括波長多路分配器和光耦合器在內(nèi)的光學設(shè)備，波長多路分配器把多路復用光分成各個波長的光束，光耦合器給一個波長分出一條光路，能使一個波長實現(xiàn)雙向通信。
利用這個光學設(shè)備，多路復用光被分成不同波段的波長分量，傳送到各個終端設(shè)備，在這類普通的光學設(shè)備中，波長多路分配器和光耦合器稱之為基于光纖的光纖元件。由于光纖元件的熔融拼接很麻煩，所以制造上述光學設(shè)備是困難的。減小這種光學設(shè)備尺寸也不容易。
本發(fā)明的目的是提供一種用于光通信終端站的光學設(shè)備及其制造方法，它易于制造，且有助于降低制造成本和減小設(shè)備尺寸。
為了解決以上問題，本發(fā)明的主要特征是，在不同波長分量多路復用光的波分多路傳輸中，采用光衍射的計算機產(chǎn)生全息圖作為終端站的光學元件。
計算機產(chǎn)生全息圖具有如光學透鏡的準直或會聚光功能以及如棱鏡的偏轉(zhuǎn)光功能，可以有很強的歸因于衍射作用的波長依賴關(guān)系。更重要的是，利用與波長的依賴關(guān)系，計算機產(chǎn)生全息圖能承擔起實現(xiàn)光路分離作用和波長分開作用，把多路復用光分成各個波長分量，引導各個波長分量沿著分開的光路傳播。<結(jié)構(gòu)1>
按照本發(fā)明，用于光通信終端站的光學設(shè)備有第一輸入終端，它接收互不相同波長分量光束的多路復用光；第一輸出終端，它輸出第一波長分量光束，此波長分量光束是從輸入終端接收的多路復用光中分出的；以及一對第二輸入和第二輸出終端，它能實現(xiàn)雙向通信，把從多路復用光中分出的第二波長分量光束引向第一輸入終端。
此光學設(shè)備包括第一計算機產(chǎn)生全息圖，把來自第一輸入終端的多路復用光轉(zhuǎn)換成平行光束；偏轉(zhuǎn)裝置，把已經(jīng)通過第一計算機產(chǎn)生全息圖的多路復用光按照其波長給以偏轉(zhuǎn)；第二計算機產(chǎn)生全息圖，把偏轉(zhuǎn)裝置分出的第一波長分量光束引向第一輸出終端；光路分離裝置，用于分出被偏轉(zhuǎn)裝置分出的第二波長分量；第三計算機產(chǎn)生全息圖，把第二波長分量光束引到第二輸出終端，此波長分量光束傳播通過被光路分離裝置分出的一條光路；以及第四計算機產(chǎn)生全息圖，把來自第二輸入終端的第二波長分量光束引導到光路分離裝置，為的是把第二波長分量光束從第二輸入終端經(jīng)另一條光路，光路分離裝置和第一計算機產(chǎn)生全息圖到達第一輸入終端。<功能1>
入射到第一輸入終端上的多路復用光被第一計算機產(chǎn)生全息圖轉(zhuǎn)換成平行光束，此平行光束被偏轉(zhuǎn)裝置分成第一波長分量和第二波長分量。第一波長分量被引導通過第二計算機產(chǎn)生全息圖到達第一輸出終端。
偏轉(zhuǎn)裝置分出的第二波長分量被光路分離裝置引導到一條分支路徑。沿著這一條分支路徑傳播的光束被第三計算機產(chǎn)生全息圖引導到第二輸出終端。從第二輸入終端輸入的用作雙向通信的第二波長分量光束被第四計算機產(chǎn)生全息圖引導到另一條分支路徑，通過光路分離裝置和第一計算機產(chǎn)生全息圖到達第一輸入終端。
這些計算機產(chǎn)生全息圖是利用衍射作用的光學元件，每個計算機產(chǎn)生全息圖能夠承擔起實現(xiàn)各種功能，諸如準直功能，光會聚功能，偏轉(zhuǎn)功能，光路分離作用和波長分開作用，可以有多重作用或根據(jù)需要選取。所以，這些全息圖可以做成小型的，避免了使用光纖需要的熔融拼接。因此，本發(fā)明不會導致生產(chǎn)成本增加，而更明確地說，能比普通的光纖設(shè)備有較低的制造成本。
因為計算機產(chǎn)生全息圖能承擔起實現(xiàn)分波長功能，具有分波長功能的透射型或反射型計算機產(chǎn)生全息圖可以用作偏轉(zhuǎn)裝置。
然而，在計算機產(chǎn)生全息圖的分波長作用中，得到多路復用光中分出的各個波長分量是透射光或反射光。
另一方面，利用介質(zhì)濾波器裝置，如介質(zhì)薄膜制成的WDM反射鏡用作分波長濾波器，得到一個波長分量是反射光，另一個波長分量是透射光。由于這個原因，能夠縮短光路而不會造成分波長效率降低，所以，為了達到減小尺寸的目的，就希望采用如WDM反射鏡那樣的介質(zhì)濾波器作為分波長濾波器。
此外，偏轉(zhuǎn)裝置可以這樣配置，把具有不同波長反射特性的計算機產(chǎn)生全息圖平行地組合。
另一種可行的偏轉(zhuǎn)裝置實例是由介質(zhì)濾波器形成的分波長濾波器，例如由介質(zhì)薄膜制成的半反射鏡。
要想減小尺寸，就希望采用如半反射鏡的介質(zhì)濾波器形成分波長濾波器。
可以采用計算機產(chǎn)生全息圖或稱之為半反射鏡的波長濾波器作為光路分離裝置，此半反射鏡是由多層介質(zhì)薄膜制成。
第三和第四計算機產(chǎn)生全息圖能夠承擔起實現(xiàn)上述偏轉(zhuǎn)裝置的功能，這兩種計算機產(chǎn)生全息圖還可以添加光路分離裝置的功能。<結(jié)構(gòu)2>
用于光通信終端站的光學設(shè)備有實現(xiàn)雙向通信的共同終端，它接收某一波長分量光束和輸出另一波長分量光束，此光束來自各不相同波長分量光束，輸出終端，送出某一波長分量光束到光檢測器；和輸入終端，它接收來自光源另一波長分量光束，此光學設(shè)備還包括
偏轉(zhuǎn)裝置，把來自共同終端的光路按照光的波長分成第一光路和第二光路；第一計算機產(chǎn)生全息圖，把進入共同終端的一個波長分量光束會聚到光檢測器；以及第二計算機產(chǎn)生全息圖，把來自光源的第二波長分量光束引導到偏轉(zhuǎn)裝置，使第二波長分量經(jīng)過偏轉(zhuǎn)裝置到達共同終端。
具有共同終端實現(xiàn)雙向通信的光學設(shè)備可以采用以下的另一種布置。
可以用計算機產(chǎn)生全息圖作為偏轉(zhuǎn)裝置。
第一和第二分支路徑可以由衍射光路徑形成，它至少包括一條計算機產(chǎn)生全息圖高級衍射光的光路。
由于計算機產(chǎn)生全息圖用作偏轉(zhuǎn)裝置，就可以采用透射型計算機產(chǎn)生全息圖，也可以采用反射型計算機產(chǎn)生全息圖，反射型計算機產(chǎn)生全息圖是在透射型計算機產(chǎn)生全息圖上添加反射裝置。
此計算機產(chǎn)生全息圖可以用一對計算機產(chǎn)生全息圖部分平行地安排在光路上而構(gòu)成，這兩個計算機產(chǎn)生全息圖部分不同之處在于其偏轉(zhuǎn)方向不同。
利用計算機產(chǎn)生全息圖的棱鏡功能，偏轉(zhuǎn)角與波長有關(guān)，可以形成不同波長的第一路徑和第二路徑。
此外，偏轉(zhuǎn)裝置可以用如介質(zhì)濾波器的分波長濾波器構(gòu)成，替代上述用計算機產(chǎn)生全息圖構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)裝置。<功能2>
在本發(fā)明布置2所描述的光學設(shè)備中，主要的光學元件基本上由計算機產(chǎn)生全息圖構(gòu)成。
輸入到共同輸入終端的某一波長分量光束通過第一路徑，并被第一計算機產(chǎn)生全息圖引導到光電檢測器。來自光源的另一波長分量光束被第二計算機產(chǎn)生全息圖引導，通過第二路徑到達第一輸出終端。
按照本發(fā)明的上述光學設(shè)備，具有衍射作用的計算機產(chǎn)生全息圖能夠承擔起實現(xiàn)準直功能，光會聚功能，偏轉(zhuǎn)功能，光路分離作用和分波長作用，可以有多重作用根據(jù)需要或選取，因此，這種光學設(shè)備可以做成小型化的。而且，由于計算機產(chǎn)生全息圖避免了使用光纖需要的熔融拼接，計算機產(chǎn)生全息圖就省去熔融拼接操作，降低了制作成本，所以就可能比普通光纖光學設(shè)備以較低的成本生產(chǎn)光學設(shè)備。<結(jié)構(gòu)3>
按照本發(fā)明制造光通信終端站的光學設(shè)備，其制造方法涉及的設(shè)備包括第一計算機產(chǎn)生全息圖，它把來自第一輸入終端的多路復用光轉(zhuǎn)換成平行光束；偏轉(zhuǎn)裝置，把已經(jīng)通過第一計算機產(chǎn)生全息圖的多路復用光按照其波長給以偏轉(zhuǎn)；第二計算機產(chǎn)生全息圖，把偏轉(zhuǎn)裝置分出的第一波長分量光束引到第一輸出終端；光路分離裝置，用于偏轉(zhuǎn)被偏轉(zhuǎn)裝置分出的第二波長分量光束；第三計算機產(chǎn)生全息圖，把第二波長分量光束從第二輸出終端引到光電檢測器，此波長分量光束沿著光路分離裝置分出的一條光路傳播；第四計算機產(chǎn)生全息圖，把第二波長分量光束從光源引導到光路分離裝置，為的是把第二波長分量光束從第二輸入終端經(jīng)過另一條光路，光路分離裝置和第一計算機產(chǎn)生全息圖引到第一輸入終端。
按照本發(fā)明的上述制造方法包括的步驟為在待粘合在一起的多個透明板的選定聯(lián)結(jié)面上，以高密度制成計算機產(chǎn)生全息圖，偏轉(zhuǎn)裝置和光路分離裝置；把各個透明板連在一起形成層狀結(jié)構(gòu)，在其厚度方向上分割此層狀結(jié)構(gòu)以制成大量光學設(shè)備。
按照本發(fā)明制造方法包括的步驟為在與第一透明板粘合的第二透明板聯(lián)結(jié)面上，以高密度制成配對的大量第一和第二計算機產(chǎn)生全息圖；在第二透明板的另一面上，以高密度制成偏轉(zhuǎn)裝置；在面向第二透明板的第三透明板一個面上，以高密度制成偏轉(zhuǎn)裝置；在第三透明板的另一面上，以高密度制成配對的第三和第四計算機產(chǎn)生全息把第一透明板與第三透明板連在一起形成層狀結(jié)構(gòu)；以及在其厚度方向上分割此層狀結(jié)構(gòu)，得到大量單獨的光學設(shè)備。<功能3>
在按照本發(fā)明的制造方法中，包含多個光學設(shè)備的多層結(jié)構(gòu)是含大量計算機產(chǎn)生全息圖的光學元件高密度集成。這個包含多個光學設(shè)備的多層結(jié)構(gòu)被分割成單獨的光學設(shè)備。
所以，按照本發(fā)明就能夠以高效率制造光學設(shè)備。
在制造計算機產(chǎn)生全息圖中，利用CAD得到預定衍射光特性全息圖的光相位差函數(shù)。這個相位差函數(shù)稱之為光程差函數(shù)ρ(x，y)。光程差函數(shù)ρ(x，y)變換成如下的一個多項式。
ρ(x，y)＝∑CNxmyn…(1)這個多項式(CNxmyn)稱之為光程差系數(shù)。n和m都是正整數(shù)，CN稱之為相位系數(shù)。在N與m，n之間，以下公式成立。
N＝[(m+n)2+m+3n]/2 …(2)把得到的這個相位系數(shù)CN作為二維泰勒展開形成的泰勒展開近似表達式多項式系數(shù)，將這些系數(shù)代入CAD程序中，能夠產(chǎn)生光刻掩模圖形，此圖形用于光刻法制成預定形狀。
作為這種CAD程序的一個例子，有美國加州NIPT的CghCAD。
在此CAD程序中，從數(shù)據(jù)處理容量上考慮，有幾個強制的運算條件m與n之和等于或小于10，N等于或小于65。
所以，通過找出滿足所需衍射光特性的光程差函數(shù)ρ(x，y)，再求出此光程差函數(shù)ρ(x，y)各個相位系數(shù)CN(C0至C65)，就可以得到展示所需特性的計算機產(chǎn)生全息圖掩模條件。
通過制作滿足掩模條件的掩模，完成光刻過程，就能夠制成展示所需衍射光特性的計算機產(chǎn)生全息圖。
圖1是按照本發(fā)明光學設(shè)備的縱向剖面示意圖；圖2是泰勒展開的表達式；圖3是按泰勒展開的光程差系數(shù)表達式(第1部分)；圖4是按泰勒展開的光程差系數(shù)表達式(第2部分)；圖5是按泰勒展開的光程差系數(shù)表達式(第3部分)；
圖6是按泰勒展開的光程差系數(shù)表達式(第4部分)；圖7是按泰勒展開的光程差系數(shù)表達式(第5部分)；圖8是按泰勒展開的光程差系數(shù)表達式(第6部分)；圖9是按泰勒展開的光程差系數(shù)表達式(第7部分)；圖10是第一CGH元件光學特性的說明圖；圖11是第一CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第一部分)；圖12是第一CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第二部分)；圖13是第一CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第三部分)；圖14是第一CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第四部分)；圖15是第二CGH元件光學特性的說明圖；圖16是第二CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第一部分)；圖17是第二CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第二部分)；圖18是第二CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第三部分)；圖19是第二CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第四部分)；圖20是計算機產(chǎn)生全息圖的偏轉(zhuǎn)角與波長關(guān)系說明圖；圖21是計算機產(chǎn)生全息圖的焦距與波長關(guān)系說明圖；圖22是采用計算機產(chǎn)生全息圖作為成像透鏡的偏轉(zhuǎn)角和焦距與波長關(guān)系說明圖；圖23是光程分離裝置(CGH元件)的光學特性說明圖；圖24是光程分離裝置(CGH元件)的+1級衍射光說明圖；圖25是光程分離裝置(CGH元件)的-1級衍射光說明圖；圖26是光程分離裝置(CGH元件)的光程差系數(shù)表達式；圖27是第三CGH元件的1級衍射光說明圖；圖28是CGH元件的點光源與光束會聚點之間成像的說明圖；圖29是第三CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第一部分)；圖30是第三CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第二部分)；圖31是第三CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第三部分)；圖32是第三CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第四部分)；圖33是第三CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第五部分)；圖34是第三CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第六部分)；
圖35是第四CGH元件的1級衍射光說明圖；圖36是第四CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第一部分)；圖37是第四CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第二部分)；圖38是第四CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第三部分)；圖39是第四CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第四部分)；圖40是第四CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第五部分)；圖41是第四CGH元件的光程差系數(shù)表達式(第六部分)；圖42是一個用透視法畫出的分解圖，表示按照本發(fā)明光學設(shè)備10的制造方法；圖43是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備110的縱向示意圖；圖44是一個用透視法畫出的制造過程分解圖，表示按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備的制造方法；圖45是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備120的縱向示意圖；圖46是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備130的縱向示意圖；圖47是一曲線圖，表示CGH元件的衍射效率與刻蝕深度之間關(guān)系；圖48是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備140的縱向示意圖；圖49是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備150的縱向示意圖；圖50是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備160的縱向示意圖；圖51是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備210的縱向示意圖；圖52是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備220的縱向示意圖；圖53是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備230的縱向示意圖；圖54是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備240的縱向示意圖；圖55是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備310的縱向示意圖；圖56是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備320的縱向示意圖；圖57是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備330的縱向示意圖；圖58是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備340的縱向示意圖；圖59是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備410的縱向示意圖；圖60是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備420的縱向示意圖；圖61是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備430的縱向示意圖；圖62是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備440的縱向示意圖63是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1100的縱向示意圖；圖64是一曲線圖，表示CGH元件的衍射效率與CGH元件的刻蝕深度之間的關(guān)系。
圖65是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1200的縱向示意圖；圖66是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1210的縱向示意圖；圖67是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1220的縱向示意圖；圖68是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1230的縱向示意圖；圖69是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1240的縱向示意圖；圖70是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1250的縱向示意圖；圖71是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1260的縱向示意圖；圖72是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1270的縱向示意圖；圖73是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1280的縱向示意圖；圖74是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1290的縱向示意圖；圖75是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1300的縱向示意圖；圖76是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1310的縱向示意圖；圖77是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1320的縱向示意圖；圖78是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1330的縱向示意圖；圖79是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1340的縱向示意圖；圖80是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1350的縱向示意圖；圖81是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1360的縱向示意圖；圖82是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1370的縱向示意圖；圖83是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1380的縱向示意圖；圖84是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1390的縱向示意圖；圖85是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1400的縱向示意圖；圖86是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1410的縱向示意圖；圖87是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1420的縱向示意圖；圖88是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1430的縱向示意圖；以及圖89是按照本發(fā)明另一個光學設(shè)備1440的縱向示意圖。
參照


各個實施例，對本發(fā)明給以詳細的描述。<第一個實施例>
圖1是按照本發(fā)明光學設(shè)備的剖面示意圖。
按照本發(fā)明的光學設(shè)備10包括大致呈方塊圖形式的多層結(jié)構(gòu)16，此結(jié)構(gòu)包括第一玻璃板13，在其一個面上有第一輸入終端11和第一輸出終端12；第二玻璃板14，它有一個粘合到第一玻璃板13另一面13b的表面14a；和第三玻璃板15，它有一個粘合到第二玻璃板14另一面14b的表面15a。
各個玻璃板13，14和15的厚度分別為T1，T2和T3，其折射率分別為n1，n2和n3。
若把通過多層結(jié)構(gòu)16中心附近且穿過玻璃13，14和15厚度方向的軸作為Z軸，由光纖制成的第一輸入終端11和第一輸出終端12與Z的距離為S1和S2，分別在沿著X軸的相反方向上。
光輸入到用作第一輸入終端的光纖11中，此光是一個具有波長為，例如1.3μm和1.55μm光束復合在一起的多路復用光，這兩個光束是信號的載波。
一個波長分量被引導到作為第一輸出終端的光纖12中。
在玻璃板15的另一面15b上，有一對用于雙向通信的第二輸入終端17和第二輸出終端18，這一表面15b是多層結(jié)構(gòu)16的另一端，多層結(jié)構(gòu)16的一端上有第一輸入終端11和第一輸出終端12。
第二輸入終端17是在玻璃板15另一面15b的一半部分，它接收用作發(fā)送機的半導體激光器射出的光。第二輸出終端18是在表面15b的另一半部分，它射出另一波長分量光束朝向光電檢測器20。可以使用別的光源，如發(fā)光二極管，替代半導體激光器19。
光電檢測器20安排在與第二輸出終端18分開的位置處，沿著X軸方向的距離為T4，與Z軸分開的距離沿著X軸方向為X4。
半導體激光器19安排在與第二輸入終端17分開的位置處，沿著Z軸方向的距離為T5，與Z軸分開的距離沿著X軸方向為X2。
第一和第二計算機產(chǎn)生全息圖(以下稱之為CGH元件)21和22放在第一玻璃板13與第二玻璃板14之間。作為偏轉(zhuǎn)裝置的分波長濾波器23和作為光路分離裝置的CGH元件24安排在第二玻璃板14與第三玻璃板15之間。第三CGH元件25和第四CGH元件26分別安排在第二輸出端18和第二輸入端17處。
第一CGH元件21和第二CGH元件22分別形成在玻璃板14表面14a的一半和另一半處，它們互相平行。作為偏轉(zhuǎn)裝置的分波長濾波器23形成在玻璃板14另一表面14b的幾乎整個面上。
作為光路分離裝置的CGH元件24形成在玻璃板15表面15a的中心附近。
已經(jīng)提到過，第三CGH元件25和第四CGH元件26形成在玻璃板15另一表面15b的一半和另一半處，它們互相平行，這兩個一半部分分別用作第二輸出終端18和第二輸入終端17。
第一CGH元件21具有準直功能，把從第一輸入終端11射出的多路復用光發(fā)散球面波變成平行光，以及具有偏轉(zhuǎn)功能，把平行光束引向分波長濾波器23。
接收第一CGH元件21引導的多路復用光的分波長濾波器23是一個熟知的介質(zhì)濾波器，它由圖1所示實例中多層介質(zhì)做成。
由介質(zhì)濾波器形成的分波長濾波器23，稱之為WDM反射鏡，其功能是在其表面上，它反射波長為1.55μm的第一波長分量光束，這個波長分量包含在射入到第一輸入終端11的多路復用光中且被第一CGH元件21引導。另一方面，分波長濾波器23傳送多路復用光中波長為1.3μm的第二波長分量光束。
被分波長濾波器23反射的第一波長分量是波長為1.55μm的平行光束，此平行光束被第二CGH元件22會聚，進入作為第一輸出終端的輸出光纖12中。從第一輸出終端12射出的第一波長分量光束被送入到單向通信的終端設(shè)備，如電視廣播。
已經(jīng)通過作為偏轉(zhuǎn)裝置的分波長濾波器23的第二波長分量是波長為1.3μm的平行光束，在此平行光束中，約40％的平行光束被作為光路分離裝置的CGH元件偏轉(zhuǎn)，成為-1級衍射光，并傳向第三CGH元件25。另一方面，在已經(jīng)通過分波長濾波器23的第二波長分量中，約40％被偏轉(zhuǎn)成+1級衍射光，并傳向第四CGH元件26。
沿著第一路徑27傳播并傳向第三CGH元件25的第二波長分量平行光束被CGH元件25的會聚功能作用，會聚到光電檢測器20，例如，借助連接到光電檢測器20的電話接收電路(未畫出)，獲得包含在第二波長分量中的信息。
通過第二路徑28傳向第四CGH元件26的第二波長分量平行光束被第四CGH元件26的會聚功能作用，會聚到半導體激光器19。
所以，當?shù)诙ㄩL分量光束從電話發(fā)送電路的半導體激光器射到第四CGH元件時，例如，此激光器放在第四CGH元件的焦點處，第二波長分量光束就通過第四CGH元件24，作為偏轉(zhuǎn)裝置的分波長濾波器23和第一CGH元件21，并被引導到第一輸入終端11。
所以，利用光學設(shè)備的第二輸入終端17和第二輸出終端18，就可以在多路復用光光源(未畫出)與用第一輸入終端11接收多路復用光的光學設(shè)備10之間實現(xiàn)雙向通信。
在詳細地描述本發(fā)明各個CGH元件21至26的光學特性之前，我們先描述一般CGH元件的光程差函數(shù)ρ(x，y)中相位系數(shù)CN(C0至C65)。
相位系數(shù)C0至C65可以從二維光程差函數(shù)ρ(x，y)對x軸和y軸的泰勒展開式中直到冪次為10的近似表達式得到。
以上計算的關(guān)系式表示在圖2的公式(3)中。公式(3)右側(cè)第二項的Δ是泰勒展開式的余項，所以是一個小得足以忽略的值。
圖3至圖9表示展開公式(3)得到的相位系數(shù)C0至C65，重新整理后，表示成光程差系數(shù)C0至C65與光程差函數(shù)通用表達式ρ(x，y)之間的關(guān)系式。
找出表示光學特性的光程差函數(shù)ρ(x，y)，求出圖3至圖9所示的光程差系數(shù)，即，根據(jù)光程差函數(shù)ρ(x，y)求出相位系數(shù)C0至C65，然后把這些值輸入到上述的CAD程序中，可以得到表示所需衍射光特性的計算機產(chǎn)生全息圖掩模條件。
接著，我們描述第一CGH元件21的光程差函數(shù)ρ(x，y)，此全息圖改變第一輸入終端11處點光源射出的發(fā)散球面波。
圖10是說明第一CGH元件中衍射光學元件特性的示圖。
圖10所示的衍射光學元件是一個計算機產(chǎn)生全息圖，它把位于座標(x，y，z)處點光源射出的發(fā)散球面波轉(zhuǎn)換成平行光束，其中通過原點的矢量分量表示成(α，β，γ)。
入射光一側(cè)介質(zhì)的折射率用n1表示，輸出光一側(cè)介質(zhì)的折射率用n2表示。
為了描述簡單化，衍射光學元件(21)放在Z軸上，假設(shè)其厚度足夠小，可以忽略不計，這些假設(shè)并不損害計算相位系數(shù)CN的普遍性。
圖10所示衍射光學元件(21)的光程差函數(shù)ρ(x，y)可以由以下公式給出。
ρ(x，y)＝n1[(X-x)2+(Y-y)2+Z2]1/2-n1L-n2[(αx+βy)/(α2+β2+γ2)1/2]…(5)其中L代表與光源和原點的距離，可以用以下公式表示。
L＝(X2+Y2+Z2)1/2…(6)公式(5)的第一項和第二項代表衍射光學元件(21)中從點光源發(fā)出球面波的二維光程差。公式(5)的第三項代表偏轉(zhuǎn)平行光束(α，β，γ)的光程差。
參照圖10所示衍射光學元件的一般光學特性，此光學元件把發(fā)散的球面波轉(zhuǎn)換成平行光束，還參照表示一般光學特性的普適光程差函數(shù)的公式(5)和(6)，由此得到圖1所示第一CGH元件21的光程差函數(shù)ρ(x，y)時，能夠得到如下的光程差函數(shù)公式。
ρ(x，y)＝n1[x2+y2+T12]1/2-n1L-n2(S1+S2)x/[(S1+S2)2+4T22]1/2…(7)其中S1和S2是第一輸入終端11和第一輸出終端12到Z軸的距離。離點光源和第一CGH元件21的距離L可以由以下公式給出L＝T1…(8)公式(7)所示光程差函數(shù)ρ(x，y)的泰勒展開式中光程差系數(shù)，即相位系數(shù)C0至C65，可以把圖3至圖9中的公式(4-0)至(4-65)代入到公式(7)中而得到。
圖11至圖14表示每一項CN的運算結(jié)果，如公式(9-0)至(9-65)所指出的。
把公式(9-0)至(9-65)中所示光程差系數(shù)C0至C65的值輸入到CAD程序的公式(1)中光程差系數(shù)CN，并執(zhí)行此程序，就能得到掩模圖形的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是制成公式(7)表示的第一CGH元件21所要求的。
因為折射率n是光波長的函數(shù)，n1是玻璃板13的折射率，n2是玻璃板14的折射率，它們隨光的波長(1.3μm和1.55μm)而改變。
所以，折射率n1和n2都是適用于公式(7)中波長為1.3μm的折射率，但在圖1所示的實施例中，折射率n1和n2都適用于1.55μm波長。
現(xiàn)在，我們描述第二CGH元件22的光程差函數(shù)ρ(x，y)，此全息圖把一束平行光會聚到作為物點的第一輸出終端12。
圖15是表示第二CGH元件中衍射光元件光學特性的說明圖。
圖15中的衍射光學元件(22)是一個計算機產(chǎn)生全息圖，它把平行光束會聚成球面波并把此球面波會聚到像點(X，Y，Z)，平行光束中通過原點的矢量分量有用(α，β，γ)表示的任意偏轉(zhuǎn)角。
在圖15的實例中，光入射到衍射光學元件一側(cè)上的介質(zhì)折射率用n2表示，光出射一側(cè)的介質(zhì)折射率用n1表示。
如圖10所示，為了簡化描述，衍射光學元件(22)放在Z軸上，假設(shè)其厚度足夠小，可以忽略不計。
圖15中衍射光學元件(22)的光程差函數(shù)ρ(x，y)可以由以下公式給出。
ρ(x，y)＝n1[(X-x)2+(Y-y)2+Z2]1/2-n1L+n2[(αx+βy)/(α2+β2+γ2)1/2]…(10)其中L表示從原點到像點的距離，它表示為下列公式L＝(X2+Y2+Z2)1/2…(11)參照圖10所示衍射光學元件的一般光學特性，此光學元件有會聚功能，把平行光束會聚成像點，還參照表示一般光學特性的普適光程差函數(shù)公式(10)和(11)，由此得到圖1所示第二CGH元件22的光程差函數(shù)ρ(x，y)時，能夠得到如下的光程差函數(shù)公式。
ρ(x，y)＝n1[x2+y2+T12]1/2-n1L+n2(S1+S2)x/[(S1+S2)2+4T22]1/2…(12)其中S1和S2是從第一輸入終端11和第一輸出終端12到Z軸的距離。離點光源和第二CGH元件22中心的距離L可以由下列公式給出。
L＝T1…(13)公式(12)所示光程差函數(shù)ρ(x，y)的泰勒展開式中光程差系數(shù)，即相位系數(shù)C0至C65，可以把圖3至圖9的公式(4-0)至(4-65)代入到公式(12)中而得到。
圖16至圖19表示每一項CN的運算結(jié)果，如公式(14-0)至(14-65)的指出的。
把公式(14-0)至(14-65)表示的光程差系數(shù)C0至C65值輸入到CAD程序中公式(1)的光程差系數(shù)CN，并執(zhí)行此程序，就能得到掩模圖形的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是制成公式(12)表示的第二CGH元件22所要求的。
在圖1實施例中，如同在第一CGH元件21情況中一樣，對于公式(13)中的折射率，折射率n1和n2適用于波長1.55μm。
第一CGH元件21和第二CGH元件22設(shè)定為上述的1.55μm第一波長分量。至于光路分離裝置24，第三CGH元件25和第四CGH元件26，其焦距和衍射角需要按照波長的改變而加以修正。
在描述各個CGH元件24和25的光學特性之前，首先討論CGH元件的偏轉(zhuǎn)角和焦距與波長之間的依賴關(guān)系。
參照圖20，我們考慮計算機產(chǎn)生全息圖，即CGH元件，在衍射時的偏轉(zhuǎn)角與波長之間的依賴關(guān)系。
偏轉(zhuǎn)入射平行光束的CGH元件可以看成一個有周期性相位分布的光柵。所以，CGH元件的光學特性可以用熟知的光柵公式給以解釋。
如圖20所示，若相對于CGH元件光軸，光的入射角和輸出角分別用v1和v2表示，光柵周期r與波長λ之間的關(guān)系表示成以下的公式r＝λ(n2sinθ2-n1sinθ1)…(15)光柵周期r對應(yīng)于具有透鏡功能的CGH元件上同心圓圖形的一個周期間隔。
若重新整理公式(15)，得到輸出角θ2與波長之間關(guān)系，可以有以下公式。
sinθ2＝λ/(rn2)+(n1/n2)·sinθ1…(16)在公式(15)和(16)中，把折射率n1和n2看成是與波長λ無關(guān)的常數(shù)，不考慮折射率隨波長的改變而變化。嚴格地說，折射率n1和n2是波長的函數(shù)。
因此，對于入射光束波長λ和與波長λ稍有差別的波長λ’，它們的公式(15)表示為r＝λ/(n2(λ)sinθ2-n1(λ)sinθ1) …(17)r＝λ’/(n2(λ’)sinθ2-n1(λ’)sinθ1) …(18)其中n1(λ)，n2(λ)，n1(λ’)，n2(λ’)表示在波長為λ和λ’時的折射率n1和n2。
若消去公式(17)和(18)中的光柵周期r，重新整理后導出同一個光柵周期r下的兩個公式，即CGH元件的波長依賴關(guān)系，可以給出以下公式。
sinθ2’＝{(1/n2(λ’))·(λ’/λ)-(n2(λ)sinθ2-n1(λ)sinθ1))+(n1(λ’)/n2(λ’))·sinθ1…(19)公式(19)表示入射光波長為λ的輸出角θ2與入射光波長為λ’的輸出角θ2’之間關(guān)系，這公式指出，隨著入射光波長的改變而使輸出角發(fā)生變化。
所以，對于設(shè)定波長為，例如1.55μm的CGH元件，在光波長為1.3μm時θ2’的偏轉(zhuǎn)角修正可以由以下公式給出。
θ2’＝sin-1[{(1/n2(λ’)·(λ’/λ)·(n2(λ)sinθ2-n1(λ)sinθ1)}+(n1(λ’)/n2(λ’))·sinθ1]…(20)然后，我們描述在計算機產(chǎn)生全息圖衍射時焦距與波長的依賴關(guān)系，即，參照圖21的CGH元件。
如圖21所示，沿半徑方向制成CGH元件光柵以滿足這樣的條件，即，從各個光柵半徑r到焦點的光程長為焦距f加波長的整數(shù)倍，就能得到把平行光束會聚在焦距f處的CGH元件。
所以，焦距f與第j個周期光柵半徑rj之間關(guān)系由以下公式表示。
rj2+f2＝(f+jλ)2…(21)根據(jù)公式(21)，可以導出以下的公式。
rj2＝2jλf+(jλ)2…(22)由于焦距f的單位是mm，波長λ的單位是μm，公式(22)右側(cè)第二項的值很小，與右側(cè)第一項比較可以忽略不計。所以，得到一個以下的公式(22)近似表達式rj2＝2jλf …(23)若j＝1代入公式(23)，可以得到以下的公式。
f＝rj2/2λ …(24)公式(24)是熟知的費涅耳透鏡焦距f與波長λ之間的關(guān)系式，當波長從λ變化到λ’時，結(jié)合公式(24)考慮，焦距f’表示為f’＝f(λ/λ’) …(25)公式(25)指出，作為相當于透鏡作用的CGH元件，在波長比原有的CGH元件設(shè)計波長長時，其焦距就較短。
在考慮圖22所示具有成像功能的CGH元件與波長之間依賴關(guān)系時，作為一個例子，根據(jù)光學透鏡的成像關(guān)系式，導出如下的一個公式。
(n1/a)+(n2/b)＝(1/f)…(26)其中a表示與物點的距離，b表示與像點的距離，f表示真空中CGH元件的焦距。
相對于入射光波長為λ和λ’的輸出光偏轉(zhuǎn)角θ2和θ2’之間關(guān)系在上述公式(20)中表示，根據(jù)公式(26)，波長為λ’的像點位置b’由以下公式給出，(n1/a)+(n2/b’)＝(1/f’)＝λ’/(fλ)…(27)所以，可以看出，按照圖22所示的CGH元件，若焦點f是對于波長分量為λ的光束而言，則公式(20)指出的θ2’出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)角θ2的變化，像點距離b改變成滿足公式(27)的像點距離b’。
為了進一步說明作為圖1中光路分離裝置的CGH元件24光學特性，在CGH元件24情況中，我們描述衍射光學元件(24)的光程差函數(shù)ρ(x，y)，此光學元件把一任選的平行光束偏轉(zhuǎn)成有任選偏轉(zhuǎn)角的平行光束。
圖23表示起光路分離裝置作用的透射型CGH元件24基本光學特性，圖23所示衍射光學元件(24)具有棱鏡功能，它把任選的平行光束偏轉(zhuǎn)成有任選偏轉(zhuǎn)角的平行光束。
為了簡化描述，如同上述的情況一樣，CGH元件穿過原點，放置在包含x軸和y軸的平面內(nèi)。入射到CGH元件的平行光束是用矢量分量(α1，β1，γ1)表示的平行分量，輸出平行光束是用通過原點的矢量分量(α2，β2，γ2)表示的平行分量。
有入射平行光束的入射光一側(cè)介質(zhì)，其折射率為n2，而有輸出平行光束的輸出光一側(cè)介質(zhì)，其折射率為n3。此時，光程差函數(shù)ρ(x，y)的一般表達式如下表示。
ρ(x，y)＝n2·(α1x+β1y)/(α12+β12+γ12)1/2-n3·(α2x+β2y)/(α22+β22+γ22)1/2…(28)另一方面，一般說來，若制作計算機產(chǎn)生全息圖所需的掩模數(shù)目用M表示，則制成的計算機產(chǎn)生全息圖的相位級別或相位數(shù)目表示為2M。1級衍射光獲得的衍射效率隨這個相位級別而改變。對于有兩個相位級別的計算機產(chǎn)生全息圖，其中一個周期的相位用一個掩模形成，眾所周知，入射光量的40％各自分配到+1級衍射光和-1級衍射光，余下的20％分配到其他的高級衍射光。
所以，利用這一現(xiàn)象，換句話說，利用兩個相位級別的計算機產(chǎn)生全息圖，入射光量的40％可以各自分配成+1級衍射光和-1級衍射光。
起光路分離裝置作用的CGH元件24利用計算機產(chǎn)生全息圖的光路分離功能。圖24和圖25表示+1級衍射光和-1級衍射光的狀態(tài)。
參照圖24，現(xiàn)在描述1級衍射光的狀態(tài)。
此CGH元件引導1.3μm的光束，而此CGH元件設(shè)定成實現(xiàn)上述1.55μm光束的準直功能。由于這個原因，作為光路分離裝置的CGH元件，如已經(jīng)提到過的，對于1.3μm光束的焦距和偏轉(zhuǎn)角都稍有變化。
波長為1.3μm的光束入射到作為光路分離裝置的CGH元件上，此光束考慮成離開距離為D1一點射出的相同發(fā)散球面波，其入射角θ1不同于波長為1.55μm光束的入射角θ0。
根據(jù)上述公式(20)的關(guān)系，可以導出如下的入射角θ0與θ1之間關(guān)系式，θ1＝sin-1{(1/n2(λ＝1.3μm))·(1.3/1.5)·(n2(λ＝1.55μm)sinθ0)}…(29)其中θ0表示成θ0＝tan-1{(S1+S2)/(2T1)}…(30)為了把1級衍射光會聚到半導體激光器19上，此激光器安排在離開Z軸的上述距離x2處，就要求輸出偏轉(zhuǎn)角θ2滿足以下公式。
θ2＝tan-1{(x1+x2)/T3} …(31)若根據(jù)公式(28)并考慮到上述條件，得到CGH元件24的光程差函數(shù)ρ(x，y)，則可以得到如下的光程差函數(shù)ρ(x，y)＝n2(x1-s1)x/{(x1-s1)2+T22}1/2+n3(x1+x2)x/{(x1+x2)2+T32}1/2……(32)對于公式(32)所示光程差函數(shù)ρ(x，y)作泰勒展開的各個光程差系數(shù)，即相位系數(shù)C0至C65，可以把公式(32)代入到圖3至圖9的公式(4-0)至(4-65)中得到。在圖26中，運算結(jié)果表示成相位系數(shù)，即光程差系數(shù)C0至C2。由于公式(32)是x和y的線性函數(shù)，C3之后的各個系數(shù)都是零。所以，把圖26所示公式(33-0)至(33-2)輸入到CAD程序中公式(1)的光程差系數(shù)CN，并執(zhí)行此程序，可以得到掩模圖形的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是制作第一CGH元件24所要求的。
通過對CGH元件24的設(shè)定，圖25所示-1級衍射光的偏轉(zhuǎn)角θ3是唯一確定的，執(zhí)行此光學CAD程序，可以容易知道-1級衍射光中心位置與z軸的偏移x3。
其次，參照圖29考慮第三CGH元件25的光學特性。第三CGH元件25有會聚功能，它把作為光路分離裝置的CGH元件24引導的-1級衍射光會聚到光電檢測器20。
入射到第三CGH元件25上的-1級衍射光已通過第一CGH元件21，CGH元件21設(shè)定成準直上述的波長為1.55μm光束。所以，如同作為光路分離裝置的CGH元件24一樣，對波長為1.3μm光束的焦距和偏轉(zhuǎn)角進行修正是必要的。
為此目的，如圖27所示，入射到作為光路分離裝置的CGH元件24上的波長為1.3μm光束，此光束考慮成離開距離為D1處一點射出的相同發(fā)散球面波，此光束的入射角θ1與波長為1.55μm光束的入射角θ0之間關(guān)系與上述公式(29)和(30)所示的相同。
從作為光路分離裝置的CGH元件觀察到一個虛假的像，為了求出到此像的距離D1，根據(jù)公式(27)，可以給出以下公式。
(n1/T1)-(n2/D1)＝(n1/T1)·(1.3/1.55)…(34)重新整理公式(34)，距離D1可以表示為
D1＝(n2T1)/{n1(1-1.3/1.55)} …(35)-1級衍射光傳播到第三CGH元件25的距離為D3，入射到第三CGH元件25上的入射角為θ3，以下公式表示的D3與θ3之間關(guān)系成立。
D3＝{(x3-x1)2+T32}1/2…(36)θ3＝tan-1{T3/(x1+x2)}…(37)根據(jù)以上敘述，把第三CGH元件25考慮成連接物點(X41，Y41，Z41)與像點(X42，Y42，Z42)的CGH元件。
圖28表示一個有點光源(X1，Y1，Z1)和光會聚點(X2，Y2，Z2)的衍射光學元件。具有這個會聚透鏡作用的衍射光學元件的光程差函數(shù)ρ(x，y)可以由以下公式給出ρ(x，y)＝n1·[(x1-x)2+(Y1-y)2+Z12]1/2-n1L1+n2·[(X2-x)2+(Y2-y)2+Z22]1/2-n2L2…………(38)其中L1是原點到點光源之間距離，L2是原點到像點之間距離，L1和L2表示為L1＝(X12+Y12+Z12)1/2…(39)L2＝(X22+Y22+Z22)1/2…(40)根據(jù)公式(38)至(40)，連接物點(X41，Y41，Z41)與像點(X42，Y42，Z42)的第四CGH元件，其光程差函數(shù)ρ(x，y)可以由以下公式給出。
ρ(x，y)＝n·[(X41-x)2+(Y41-y)2+Z412]1/2-nL41+n4·[(X42-x)2+(Y42-y)2+Z422]1/2-n4L42…(41)作為實際的假設(shè)，折射率n2與折射率n3適用相同的折射率n，并假定光電檢測器20是在折射率為n4的空間中。
在公式(41)中，X41＝-(D1+D3)sinθ3…(42)Y41＝0 …(43)Z41＝-(D1+D3)cosθ3…(44)以及
X42＝X4-X3…(45)Y42＝0 …(46)Z42＝T4…(47)從原點到物點的距離L41和從原點到像點的距離L42表示如下L41＝(X412+Y412+Z412)1/2＝(D1+D3)…(48)L42＝(X422+Y422+Z422)1/2＝{(x4-x3)2+T42}1/2…(49)考慮到放置光電檢測器20的自由度數(shù)目，此處第三CGH元件25的中心位置和光電檢測器的位置都看成是獨立參量。
公式(41)所示光程差函數(shù)ρ(x，y)泰勒展開式的各個光程差系數(shù)，即相位系數(shù)C0至C65，可以把圖3至圖9的公式(4-0)至(4-65)代入到公式(41)中而得到。
在圖29至圖34中，給出了相位系數(shù)，即光程差系數(shù)C0至C65的運算結(jié)果。所以，把圖29至圖34所示公式(50-0)至(50-65)輸入到CAD中公式(1)的光程差系數(shù)CN，并執(zhí)行此程序，可以得到掩模圖形的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是制作第三CGH元件25所要求的。
參照圖35，我們描述最后一個CGH元件的第四CGH元件26。第四CGH元件26有會聚功能，它把作為光路分離裝置的CGH元件24引導的1級衍射光會聚到半導體激光器19。在實際中，第四CGH元件26有雙向作用，它把來自半導體激光器19的波長為1.3μm發(fā)散球面變成平行光，并把此光送向第一輸入終端11。
入射到第四CGH元件26上的1級衍射光已通過第一CGH元件21，CGH元件21設(shè)定成準直如上所述波長為1.55μm光束。所以，如同在第三CGH元件25中一樣，對波長為1.3μm的焦距和偏轉(zhuǎn)角進行修正是必要的。
為此目的，如圖28所示，入射到第三CGH元件25上波長為1.3μm光束考慮成離開距離為D1處一點射出的相同發(fā)散球面波，此光束的入射角θ1與波長為1.55μm光束的入射角θ0之間關(guān)系與上述公式(29)和(31)所示的相同。
從作為光路分離裝置的CGH元件觀察到一個虛假的像，關(guān)于與此像的距離D1，根據(jù)公式(27)，其關(guān)系與公式(34)和(35)相同。
另一方面，1級衍射光到第四CGH元件26的距離為D2，入射到第四CGH元件26上的入射角為θ2，以下公式表示的二者之間關(guān)系成立。
D2＝{(x2-x1)2+T32}1/2…(51)θ2＝tan-1{T3/(x2-x1)}…(52)根據(jù)以上敘述，把第四CGH元件26考慮成連接物點(X51，Y51，Z51)與像點(X52，Y52，Z52)的CGH元件。所以，如同在第三CGH元件25與像點(X52，Y52，Z52)中一樣，根據(jù)上述公式(38)至(40)，作為連接物點(X51，Y51，Z51)與像點(X52，Y52，Z52)的第四CGH元件26的光程差函數(shù)ρ(x，y)，得到以下公式。
ρ(x，y)＝n·[(X51-x)2+(Y51-y)2+Z512]1/2-n1L51+n4·[(X52-x)2+(Y52-y)2+Z522]1/2-n4L52…(53)與第三CGH元件25一樣，實際的假設(shè)是，折射率n2和折射率n1適用相同的折射率n，并假定半導體激光器19是在折射率為n4的空間中。
在公式(53)中，X51＝(D1+D2)sinθ2…(54)Y51＝0 …(55)Z51＝-(D1+D2)cosθ2…(56)以及X52＝0 …(57)Y52＝0 …(58)Z52＝T5…(59)從原點到物點的距離L51和從原點到像點的距離L52表示如下。
L51＝(X512+Y512+Z512)1/2＝(D1+D2) …(60)L52＝(X522+Y522+Z522)1/2＝T5…(61)為了與制作階段的要求一致，一個先決條件是，半導體激光器19的位置與第四CGH元件26的中心位置重合。
關(guān)于第四CGH元件26，公式(53)所示光程差函數(shù)ρ(x，y)泰勒展開式中的各個光程差系數(shù)，即相位系數(shù)C0至C65，可以把圖3至圖9中公式(4-0)至(4-65)代入到公式(53)中而得到。
在圖36至圖41中，給出了相位系數(shù)，即光程差系數(shù)C0至C65的運算結(jié)果。所以，把圖36至圖41所示公式(62-0)至(62-65)輸入到CAD程序中公式(1)的光程差系數(shù)CN，并執(zhí)行此程序，可以得到掩模圖形的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是制作第四CGH元件26所要求的。
所以，按照本發(fā)明光學設(shè)備的多層結(jié)構(gòu)16包括步驟為根據(jù)CGH元件21至26的上述掩模圖形數(shù)據(jù)制作掩模；利用這些掩模通過照相平版法和刻蝕技術(shù)在玻璃14和15上制成CGH元件21至26和分波長濾波器23；以及把已經(jīng)在其上面制成光學元件21，22，23，24和25的玻璃板14和15與玻璃板13粘合在一起。
由這個多層結(jié)構(gòu)16形成的本發(fā)明光學設(shè)備10的尺寸不大于幾百微米，因此，光學設(shè)備10可以做成很小的尺寸。所以，如圖42所示，第一CGH元件21和第二CGH元件22以高密度制成，成對地形成在大玻璃板14的大量面積元上，每個面積元上有一對。作為偏轉(zhuǎn)裝置的大量分波長濾波器以高密度形成在玻璃板14的另一面上，使這些濾波器與上述的面積元有一一對應(yīng)關(guān)系。
在大玻璃板15的一個表面上，作為光路分離裝置的大量CGH元件22以高密度集成，這些CGH元件與上述面積元有一一對應(yīng)關(guān)系。在大玻璃板的另一表面上，第三CGH元件25和第四CGH元件26以高集成密度制成，成對地與面積元有一一對應(yīng)關(guān)系。
在其上面形成光學元件21，22，23，24，25和26的大尺寸玻璃板14和15與大尺寸玻璃板粘合在一起形成多層結(jié)構(gòu)16’，此結(jié)構(gòu)中大量光學設(shè)備10以高集成密度制成。
接著，在玻璃板13，14和15的厚度方向分割集成結(jié)構(gòu)16’，能夠以高效率制成大量光學設(shè)備10。
包括分波長濾波器23的偏轉(zhuǎn)裝置可以用與波長有依賴關(guān)系的CGH元件形成，這在以下要描述的。
然而，與用介質(zhì)薄膜制成的分波長濾波器23比較，用CGH元件形成的分波長濾波器不利于減小光學設(shè)備10的尺寸。所以，如結(jié)合圖1已經(jīng)描述的，就希望用介質(zhì)薄膜濾波器形成的波長濾波器23作為偏轉(zhuǎn)裝置。
可以采用各種類型玻璃材料，如硅或光損耗較小的塑料材料，以替代玻璃板13至15。<第二個實施例>
圖43表示按照本發(fā)明另一個實施例的光學設(shè)備。在圖43所示的光學設(shè)備110中，與第一實施例中相同的功能部件用相同的參考數(shù)字標明。
具有折射率為n4和均勻厚度的第五玻璃板115的一個表面115a粘合到第一個實施例中多層結(jié)構(gòu)16的第三玻璃板15另一表面15b上，使多層結(jié)構(gòu)116包括第一至第五玻璃板13，14，15和116。
半導體激光器19和光電檢測器20是在第四玻璃板115的另一面上。光電檢測器20與第二輸出終端18之間的距離T4與半導體激光器19與第二輸入終端17之間的距離T5相等。
在光學設(shè)備110中，把第三CGH元件25和第四CGH元件26制成在第四玻璃板115的一個表面115a上，以及把半導體檢測器20和半導體激光器19制成在其另一表面115b上，利用照相平版法可以同時制成相互面對面的第三CGH元件25和光電檢測器20以及相互面對面的第四CGH元件26和半導體激光器19。
因此，可以預期在對準相應(yīng)一對光學元件25與20之間以及26與19之間有較高的精度。
在制造光學設(shè)備110過程中，如圖44所示，把光學元件21，22，23，24，25，26，19和20制成在與第一個實施例中相同的玻璃板13，14，15上以及另一塊玻璃板115上，并把已制成光學元件的那些玻璃板粘合在一起，能夠以高密度制成有大量光學設(shè)備110的多層結(jié)構(gòu)116’。
最后，與第一個實施例中一樣，可以把多層結(jié)構(gòu)116’按縱向分割以得到單獨的光學設(shè)備110。
在以下的實施例中也是一樣，與第一個和第二個實施例中相同的功能部件用相同的參考數(shù)字標明。<第三個實施例>
圖45表示按照本發(fā)明第三個實施例的另一個光學設(shè)備120。在光學設(shè)備120中，在第一玻璃板13一個面13a上只有第一輸入終端11。在第二玻璃板14一個面14a只有第一CGH元件21，第一玻璃板13的另一面13b粘合到表面14a。
偏轉(zhuǎn)裝置23和反射鏡121是在第三玻璃板15的一個面15a上，第二玻璃板14的另一面14b粘合到面15a上。反射鏡121可以采用金屬膜汽相淀積方法，把鋁或金蒸鍍到第三玻璃板15上而制成。
光路分離裝置24，第二CGH元件22，和第三CGH元件25是在第三玻璃板15的另一面15b上。
第四CGH元件26是在第三玻璃板115的一個面115a上，第一輸出終端12，半導體激光器19，和光電檢測器20是在其另一個面115b上。
在圖45第三個實施例的光學設(shè)備120中，偏轉(zhuǎn)裝置23是透射型計算機產(chǎn)生全息圖，即，具有棱鏡功能的透射型CGH元件23。
從第一輸入終端11進入的多路復用光被第一CGH元件21轉(zhuǎn)換成平行光束，此平行光束被導向具有棱鏡功能的CGH元件23。
接收此平行光束的CGH元件23按照此CGH元件與波長的關(guān)系，把多路復用光分成第一波長分量1.55μm平行光束和第二波長分量1.3μm平行光束，第一波長分量平行光束傳向第二CGH元件22，而第二波長分量平行光束傳向光路分離裝置24。
被偏轉(zhuǎn)裝置分出的波長1.55μm平行光束被第二CGH元件22會聚到第一輸出終端12，此偏轉(zhuǎn)裝置是由透射型CGH元件形成。
另一方面，被CGH元件23分出的波長1.3μm平行光束被導向光路分離裝置24。
光路分離裝置24是由含多層介質(zhì)膜的分波長濾波器形成，如同第一個實施例中所用多層介質(zhì)膜一樣。分波長濾波器24反射一部分第二波長分量到反射鏡121，并把其余部分引向第四CGH元件26。
指向反射鏡121的第二波長分量被導向第三CGH元件25，會聚到光電檢測器20。
從半導體激光器19射出的光被反射鏡121反射，作為一個穿過第四CGH元件26，光路分離裝置24，和作為偏轉(zhuǎn)裝置的CGH元件23的透射光，被導向第一輸入終端11。
與分波長濾波器，如多層介質(zhì)膜制成的半反射鏡，進行對比，CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置能夠基本上消除偏轉(zhuǎn)裝置中的光損耗。<第四個實施例>
在圖46所示第四個實施例的光學設(shè)備130中，第三玻璃板15是由粘合在一起的兩個分段構(gòu)成，光路分離裝置24形成在兩個分段15a與15b之間。
光路分離裝置24是由透射型CGH元件24形成。利用這個CGH元件，光路分離裝置24引導來自偏轉(zhuǎn)裝置23的1.3μm平行光束，使此光束傳向第三CGH元件25和第四CGH元件26。
CGH元件能夠通過執(zhí)行上述CAD程序，穿過掩模圖形刻蝕玻璃材料而制成。已經(jīng)報導過用作衍射光學元件的CGH元件刻蝕深度與衍射效率之間令人感興趣的關(guān)系，如在“二元光學技術(shù)關(guān)于多階衍射光學元件衍射效率的理論極限”，一文中Technical Report(技術(shù)報告)No.914，1991年麻省理工學院林肯實驗室出版。
圖47是曲線圖，表示衍射效率η與兩個刻蝕掩模(即，四個相位級別)的刻蝕深度φ(用波長作單位)之間關(guān)系，圖中的豎直軸代表衍射效率，水平軸代表刻蝕深度，此曲線圖中各條特性曲線的形狀隨相位級別的數(shù)目而改變。
按照圖47中的特性曲線，可以知道，例如，使刻蝕深度為與波長相對應(yīng)的1.3μm，可以得到僅有的1級衍射光，其強度大致為入射光的80％。使刻蝕深度為波長的一半，入射光可以分成約40％的0級光和約40％的1級光。
相同波長下的衍射效率，即高級光分出的強度部分，與刻蝕深度之間對應(yīng)關(guān)系隨掩模數(shù)目或相位級別數(shù)目而改變。
所以，按照所用CGH元件的相位級別數(shù)目選取適當?shù)目涛g深度，相同波長的光束可以按照合適的強度比例進行分配。
所以，如結(jié)合第一個實施例已往描述的，選取CGH元件的相位級別，再選取CGH元件的刻蝕深度，相同波長的光束可以按照合適的強度比例進行分配。
與利用半反射鏡分波長濾波器用作光路分離裝置情況進行對比，由CGH元件形成的光路分離裝置能夠在相對寬的范圍內(nèi)選取衍射效率。采用大的衍射角，就可以減小第三玻璃板15的厚度T3。<第五個實施例>
在本發(fā)明第五個實施例的光學設(shè)備140中，第三CGH元件25與第四CGH元件26安排成平行，沿著被偏轉(zhuǎn)裝置23分出的1.3μm單個平行光束的光路，此偏轉(zhuǎn)裝置23由具有棱鏡功能的透射型CGH元件形成。
具有不同偏轉(zhuǎn)方向的元件25和26安排成與沒有被光路分離裝置分出的單個平行光束平行，所以，第三CGH元件25與光電檢測器20相關(guān)聯(lián)，第四CGH元件26與半導體激光器19相關(guān)聯(lián)。
所以，第三CGH元件25和第四CGH元件26基本上實現(xiàn)光路分離功能。這就避免了安裝單獨的光路分離裝置24，可以使光學設(shè)備的尺寸減小。<第六個實施例>
在圖49所示第六個實施例的光學設(shè)備150中，第一輸入終端11和第一輸出終端12與半導體激光器19和光電檢測器20一起都在第一玻璃板13的一個面13a上。
第一CGH元件21，第二CGH元件22，第三CGH元件25和第四CGH元件26是在第二玻璃板14一個面上，第一玻璃板13的另一面13b粘合到那個面上。反射型CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置是在第二玻璃板14的另一面14b上。
這個反射型CGH元件23可以用透射型全息圖CGH元件與一個反射鏡組合而成，此透射型CGH元件在第三個實施例中描述成偏轉(zhuǎn)裝置23。
從第一輸入終端11射入的多路復用光在通過第一CGH元件21之后指向偏轉(zhuǎn)裝置23。
如上所述，反射型CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置把多路復用光按其波長分成第一波長分量和第二波長分量。反射型CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置23反射第一波長分量1.55μm平行光束到第二CGH元件22，還反射第二波長分量1.3μm平行光束到第三CGH元件25和第四CGH元件26。
利用刻蝕掩模制成反射型CGH元件和透射型CGH元件，二者相位與刻蝕深度之間關(guān)系，即刻蝕深度與波長λ之間關(guān)系表示在以下的公式中。
T透射＝λ/(2|n1-n2|) …(63)T反射＝λ/(4n1) …(64)公式(63)表示兩相位級別透射型CGH元件的刻蝕深度與波長之間關(guān)系，另一方面，公式(64)表示兩相位級別反射型CGH元件的刻蝕深度與波長之間關(guān)系。
在透射型CGH元件的公式(63)中，涉及光通過兩種介質(zhì)的折射率之差(n1-n2)，在反射型CGH元件的公式(64)中，只涉及一種介質(zhì)的折射率n1。
上述表明，反射型CGH元件的衍射效率相當于比反射型有較淺刻蝕深度時透射型CGH元件的衍射效率。
所以，如圖49所示，利用反射型CGH元件的偏轉(zhuǎn)裝置比利用透射型CGH元件的偏轉(zhuǎn)裝置在相同刻蝕深度下可以獲得更大的衍射角。反射型偏轉(zhuǎn)裝置23還有其他的優(yōu)點，其中包括在較淺的刻蝕深度下可以獲得較大的衍射角，以及可以減小縱橫比。
若采用反射型偏轉(zhuǎn)裝置23，多層結(jié)構(gòu)16可以由兩片玻璃板制成第一玻璃板13和第二玻璃板14，所以，可進一步簡化光學設(shè)備的結(jié)構(gòu)。<第七個實施例>
如圖50第七個實施例中所示，在第一玻璃板13另一表面13b上有第一CGH元件21，第二CGH元件22，第三CGH元件25和第四CGH元件26，把第一輸入終端11，第一輸出終端12，半導體激光器19和光電檢測器20放在第一玻璃板13一個表面13a上時，能夠提高光學元件11，12，19，20，21，22，25的匹配精度。<第八個實施例>
在圖51的光學設(shè)備210中，多路復用光從第一輸入終端11射入并通過第一CGH元件21，此多路復用光被偏轉(zhuǎn)裝置23(23a和23b)分成第一波長分量1.55μm平行光束和第二波長分量1.3μm平行光束，此偏轉(zhuǎn)裝置23是由兩個透射型CGH元件23a和23b組合而成，兩個透射型CGH元件23a和23b形成在第三玻璃板15的同一表面15a上。
打算利用有不同偏轉(zhuǎn)角的CGH元件，不同偏轉(zhuǎn)角是由于波長不同造成的，在第一CGH元件21之后一個平行光束的光路上，把具有不同特性的兩個CGH元件23a和23b安排成平行形成偏轉(zhuǎn)裝置23。
已經(jīng)通過一個CGH元件23a的第一波長分量被其偏轉(zhuǎn)功能作用指向作為反射裝置的反射鏡211，此反射裝置是在第三玻璃板15的另一面15b上，并且被具有棱鏡功能的輔助CGH元件212轉(zhuǎn)換成平行光束，此平行光束被引導到第二CGH元件22。
已經(jīng)通過另一個CGH元件23b的第二波長分量被CGH元件23b的偏轉(zhuǎn)功能作用引向光路分離裝置24，此光路分離裝置是由多層介質(zhì)薄膜制作的半反射鏡，即介質(zhì)濾波器形成的。
與第一個實施例中一樣，光路分離裝置24把第二波長分量1.3μm平行光束引向第一光路27和第二光路28。沿著第一光路27傳播的平行光束通過第三CGH元件25，射到光電檢測器20上。第二光路28被反射鏡213反射，傳向第四CGH元件26。
借助圖51第八個實施例中光學設(shè)備210，選取入射到CGH元件23a和CGH元件23b的入射光強度分布，這兩個CGH元件是偏轉(zhuǎn)裝置23的組成部分，再選取這兩個CGH元件的面積比，能夠按照所要求的強度比例分出第一波長分量和第二波長分量。<第九個實施例>
在圖52所示第九個實施例中，被偏轉(zhuǎn)裝置23分出的第二波長分量平行光束被透射型CGH元件形成的光路分離裝置24分成兩個光通量，一個光通量沿著第一路徑27傳播到第三CGH元件25，另一個光通量沿著第二路徑28傳播到第四CGH元件25，其中偏轉(zhuǎn)裝置23是由第八個實施例所示透射型CGH元件23a和23b組成。
按照包含透射型CGH元件形成的光路分離裝置24的光學設(shè)備220，如結(jié)合第四個實施例所描述的，通過選取制作CGH元件的刻蝕相位數(shù)目，或刻蝕深度，可以把第二波長分量按所要求的分配比進行分解，所以，恰當?shù)卦O(shè)定來自半導體激光器19的光強度與射入到光電檢測器的光強度之間關(guān)系就變得很容易。<第十個實施例>
在圖53所示的第十個實施例中，在第一CGH元件21之后，沿著平行光束光路平行放置的偏轉(zhuǎn)裝置是第九個實施例所示的CGH元件23a以及第三CGH元件25和第四CGH元件26，后兩個CGH元件用作CGH元件23b。
在按照第十個實施例的光學設(shè)備230中，沿著來自第一CGH元件21平行光束光路形成的第三CGH元件25和第四CGH元件26，由于其對波長的偏轉(zhuǎn)特性，把第二波長分量直接引到光電檢測器20和半導體激光器19。
所以，在第十個實施例中，第三CGH元件25和第四CGH元件26二者都實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)裝置23的分離功能，因此，沒有必要安裝單獨的偏轉(zhuǎn)光學元件，該光學設(shè)備可以有簡單形式的結(jié)構(gòu)。<第十一個實施例>
在圖54所示第十一個實施例的光學設(shè)備240中，第一輸入終端11，第一輸出終端12，半導體激光器19和光電檢測器20是在第一玻璃板13同一個表面13a上。
在光學設(shè)備240中，反射型CGH元件23a和23b是在第一玻璃板13的另一面上，替代第八個和第九個實施例中所示由透射型CGH元件23a和23b組成的偏轉(zhuǎn)裝置23。
在這個偏轉(zhuǎn)裝置中，考慮到光學元件的三維布置，所以，入射光與來自反射型CGH元件23a和23b的輸出光束并不相交。
被反射型CGH元件23a偏轉(zhuǎn)的第一波長分量通過第二CGH元件22，被引向第一輸出終端12。
另一方面，被反射型CGH元件23b偏轉(zhuǎn)的第二波長分量被反射鏡213反射到輔助CGH元件214，此輔助CGH元件是由具有棱鏡功能的反射型CGH元件形成。輔助CGH元件214引導第二波長分量平行光束到第三CGH元件25以實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)裝置23的功能，也引導第二波長分量到第四CGH元件26。
包含反射型CGH元件23a和23b的偏轉(zhuǎn)裝置23實現(xiàn)相同于透射型CGH元件的衍射功能，但反射型CGH元件有較淺的刻蝕深度，所以，采用反射型偏轉(zhuǎn)裝置的光學設(shè)備較容易制造。若刻蝕深度相同，反射型偏轉(zhuǎn)裝置比透射型偏轉(zhuǎn)裝置可以有較大的偏轉(zhuǎn)角。由于這個原因，反射型偏轉(zhuǎn)裝置更適宜光學設(shè)備240厚度的減小。<第十二個實施例>
在圖55所示按照第十二個實施例的光學設(shè)備310中，作為把已經(jīng)通過第一CGH元件21的多路復用光分成第一和第二波長分量平行光束的偏轉(zhuǎn)裝置23，采用第三個實施例中所示透射型CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置23。
被偏轉(zhuǎn)裝置23分出的1.55μm平行光束被作為反射裝置的反射鏡311反射，從而被引向具有棱鏡功能的輔助CGH元件312，此輔助CGH元件把平行光束再引到第二CGH元件22。
另一方面，被透射型CGH元件23分出的1.3μm平行光束被引到光路分離裝置24，此光路分離裝置是由多層介質(zhì)膜半反射鏡，即分波長濾波器形成的。
與第一個實施例中一樣，光路分離裝置24把第二平行光束分到第一光路27和第二光路28。第一光路27上的平行光束通過第三CGH元件25，到達電檢測器20。第二光路上來自反射鏡313的平行光束到達第四CGH元件26。<第十三實施例>
在圖56所示第十三個實施例(光學設(shè)備)中，作為分解第二波長分量平行光束的光路分離裝置24，可以采用與第一個實施例中相同的透射型CGH元件24，其中第二波長分量平行光束是被第十二個實施例中透射型CGH元件23a和23b分出的。
偏轉(zhuǎn)裝置和光路分離裝置24二者都可以用CGH元件形成，含有這種裝置的光學設(shè)備230適宜于減小尺寸。<第十四個實施例>
在圖57的第十四個實施例(光學設(shè)備330)中，第三CGH元件25和第四CGH元件26安排在第二波長分量平行光束的光路上，第二波長分量是由第十三個實施例中所示透射型CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置23所分出的，第三CGH元件25和第四CGH元件26也用于實現(xiàn)光路分離裝置的光路分離功能。由于這種安排，該設(shè)備結(jié)構(gòu)可以如同第五個實施例中一樣被簡化。<第十五個實施例>
在圖58的第十五個實施例(光學設(shè)備340)中，作為偏轉(zhuǎn)裝置23，可以采用反射型CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置23，此偏轉(zhuǎn)裝置如同第六個實施例中的那個一樣。
被反射型CGH元件分出的第二波長分量被作為反射裝置的反射鏡313反射，并被引向具有棱鏡功能的反射型CGH元件形成的輔助CGH元件314，此元件如同第十一個實施例中的那個一樣。輔助CGH元件314把第二波長分量平行光束引向共同實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)裝置23功能的第三CGH元件25和第四CGH元件26。<第十六個實施例>
在圖59的第十六個實施例(光學設(shè)備410)中，已經(jīng)通過第一CGH元件21的多路復用光被多層介質(zhì)膜制成的分波長濾波器23分成第一波長分量和第二波長分量，此分波長濾波器如同第一個實施例中那個一樣。
第一波長分量平行光束被引向第二CGH元件22，此CGM元件再把光束引到第一輸出終端12。
另一方面，第二波長分量平行光束被半反射鏡形成的光路分離裝置24分成傳到第一路徑的光束和傳到第二路徑的光束，其中半反射鏡是用多層介質(zhì)膜制成，如同上述的那個一樣。
如結(jié)合第十二實施例所描述的，沿著第一路徑傳播的平行光束通過第三CGH元件25到達光電檢測器20。沿著第二路徑傳播的平行光束被作為反射裝置的反射鏡411反射，通過第四CGH元件26之后到達半導體激光器19。<第十七個實施例>
在圖60的第十七個實施例(光學設(shè)備420)中，可以采用與第一個實施例相同的具有棱鏡功能的CGH元件24，替代第十六個實施例中半反射鏡形成的光路分離裝置24。
在第十七個實施例中，被CGH元件24分出并沿著第一路徑27傳播的平行光束通過第三CGH元件25之后到達光電檢測器20。被CGH元件24分出并沿著第二路徑28傳播的平行光束通過第四CGH元件之后到達半導體激光器19。<第十八個實施例>
在圖61的第十八個實施例(光學設(shè)備430)中，在已經(jīng)通過反射型CGH元件的第二波長分量平行光束光路上，此反射型CGH元件如同第十六個實施例中那個一樣，第三CGH元件25和第四CGH元件26共同實現(xiàn)光路分離裝置24的功能。按照這種布置，如同第十五個和第十六個實施例一樣可以簡化光學設(shè)備的結(jié)構(gòu)。<第十九個實施例>
在圖62的第十九個實施例(光學設(shè)備440)中，第一輸入終端11，第一輸出終端12和半導體激光器19和20是在第一玻璃板13的同一面上。
第一CGH元件21，第二CGH元件22，第三CGH元件25和第四CGH元件26是在第一玻璃板13的另一面13b上。如同第十八個實施中那個一樣，分波長濾波器形成的偏轉(zhuǎn)裝置23是在第二玻璃板14的表面14b上，此表面是與粘合到第一玻璃板13上表面14a相對的一個面。
已經(jīng)通過偏轉(zhuǎn)裝置23的第二波長分量平行光束被反射鏡412反射到第三CGH元件25和第四CGH元件26上，此反射鏡是在與第三玻璃板15表面15a相對的一個表面15b上，表面15a粘合到第二玻璃板14上。
在下面的實施例中，我們描述用于光通信終端站的光學設(shè)備，此光學設(shè)備包括共同終端，用于接收一個波長分量光束，輸出另一個波長分量光束，這兩個波長分量出自雙向通信中兩個相反方向的波長分量；輸出終端，用于送出一個波長分量光束到光電檢測器；和輸入終端，用于接收來自光源另一個波長分量光束。<第二十個實施例>
圖63表示按照本發(fā)明另一個實施例的光學設(shè)備1100。圖63中的光學設(shè)備包括第一玻璃板1111，它用與第一個實施例中相同的材料制成；第二玻璃板1112，它有一個粘合到第一玻璃板另一表面1111b上的表面1112a；第三玻璃板1113，它有一個粘合到第二玻璃板1112另一表面1112b上的表面1113a；和第四玻璃板1114，它有一個粘合到第三玻璃板1113另一表面1113b上的表面1114a。
玻璃板1111，1112，1113和1114的厚度分別為T1，T2，T3和T4，其折射率分別為n1，n2，n3和n4。在用折射率n5標明的空間中，光源1116和光檢測器1117是在離第四玻璃板1114另一表面1114b的距離為T5位置處。
面向光檢測器1117的第四玻璃板1114另一表面1114b的一部分是一個射到光檢測器的光輸出終端，這個輸出終端有一個在其上面形成的第一CGH元件1118。采用光電轉(zhuǎn)換元件，如上述的光電檢測器，作為光檢測器1117。
面向光源1116的玻璃板1114另一表面1114b的一部分用作來自光源的光輸入終端，這個輸入終端有一個在其上面形成的第二CGH元件1119。采用發(fā)光元件，如上述的半導體激光器，作為光源1116。
例如，波長為1.5μm的光束入射到第一玻璃板1111上的共同終端1110。另外，共同終端1110射出波長為，例如1.3μm光束，此光束來自光源1116，以下還要描述。
在共同終端1110與第一CGH元件1118和第二CGH元件1119之間，第二十個實施例中有作為偏轉(zhuǎn)裝置的第三CGH元件1120，第四CGH元件1121，和一對第五CGH元件1122(1122a和1122b)。
第四CGH元件1121是在第二玻璃板1112表面1112a上，它具有準直功能，把從共同終端進入的發(fā)散球面波轉(zhuǎn)換成平行光束，并把此平行光束引向偏轉(zhuǎn)裝置1120。
在圖64的例子中，作為偏轉(zhuǎn)裝置的第三CGH元件1120是在第三玻璃板1113表面1113a上。從第四CGH元件1121接收平行光束的偏轉(zhuǎn)裝置1120起到一個線性光柵的作用，把來自入射光路的光分到第一路徑1123a和第二路徑1123b。例如，第一路徑1123a可以是由+1級衍射光路形成的，第二路徑1123b可以是由-1級衍射光路形成的。
在第一路徑1123a上安排第五CGH元件1122a，在第二路徑1123b上安排另一個第五CGH元件1122b。一對第五CGH元件1122a和1122b都具有棱鏡功能，它們是在第三玻璃板1113另一表面1113b上。
一個第五CGH元件1122a把第一路徑1123a上傳播的1.5μm波長分量光束引到第一CGH元件1118，此第一路徑是由偏轉(zhuǎn)裝置1120引導的。所以，從共同終端1110進入的一個波長分量光束被第一CGH元件引導，被CGH元件1118的會聚功能作用引向光檢測器1117。
來自光源1116的發(fā)散球面波光束，更具體地說，例如，另一波長分量1.3μm光束被第二CGH元件1119引到第五CGH元件1122b，第二CGH元件具有會聚功能，起到一個準直透鏡的作用，此光束再被CGH元件1122b的棱鏡功能作用，引到偏轉(zhuǎn)裝置1120的第二路徑1123b上。
所以，來自光源的另一波長分量光束通過第五CGH元件1122b，偏轉(zhuǎn)裝置1120和第四CGH元件1121，然后從共同終端1110射出。
各個CGH元件1118，1119，1121，1120和1122(1122a和1122b)可以用與第一個實施例中相同的方法制成。在設(shè)計這些CGH元件時，例如，把CGH元件考慮成適用于一個波長分量，然后，與另一波長分量相關(guān)的CGH元件可以按照波長差進行修改。
此處，CGH元件考慮成，例如按照1.3μm波長分量相關(guān)的特性，然后，對于波長分量為1.5μm的CGH元件進行由于波長差引起的修正。
第四CGH元件1121具有準直功能。所以，如同第一個實施例中第一CGH元件一樣，根據(jù)公式(5)和(6)得到把發(fā)散球面波轉(zhuǎn)換成平行光束的光程差函數(shù)ρ(x，y)，在此基礎(chǔ)上可以制造所要求的刻蝕掩模。利用此刻蝕掩模對透鏡材料進行刻蝕，能夠制成第四CGH元件1121。
作為偏轉(zhuǎn)裝置的第三CGH元件1120以及第五CGH元件1122a和1122b都具有透射型棱鏡功能。所以，如同第一個實施例中CGH元件24一樣，根據(jù)公式(28)得到把一個平行光束轉(zhuǎn)換成另一個平行光束的光程差函數(shù)ρ(x，y)，在此基礎(chǔ)上可以制造刻蝕掩模。利用此刻蝕掩模進行刻蝕，能夠制成這些CGH元件1120，1122a和1122b。
作為偏轉(zhuǎn)裝置的第三CGH元件1120起到線性光柵的作用，對于這個CGH元件，與第一個實施例中光路分離裝置一樣，可以采用兩個相位級別的CGH元件。
圖64表示一個刻蝕掩模，即有兩個相位級別的衍射效率η與刻蝕深度(以波長為單位)之間關(guān)系，其中豎直軸表示衍射效率，水平軸表示刻蝕深度。
在此曲線圖中，各條特性曲線的形狀隨相位級別的數(shù)目而改變。
根據(jù)圖64的特性曲線可以知道，例如，若設(shè)定的刻蝕深度相當于波長的1.3μm，能夠得到的+1級衍射光強度和-1級衍射光強度大致各為入射光的40％。若設(shè)定的刻蝕深度為波長的60％左右，入射光可以分成約30％的0級光，即直線透射光，以及約30％的+1級衍射光和約30％的-1級衍射光。
衍射效率，換句話說，分成的強度比例與刻蝕深度之間對應(yīng)關(guān)系隨掩模數(shù)目或相位級別數(shù)目而改變。所以，按照所用CGH元件的相位級別數(shù)目選取適當?shù)目涛g深度，相同波長的光束可以按適合的強度比進行分配。
所以，如結(jié)合第一個實施例所描述的，在選取CGH元件相位級別以外再選取CGH元件刻蝕深度，可以把光路按適合的強度比進行分配。例如，光路可以分成第一路徑1123a和第二路徑1123b。
與采用WDM反射鏡作為光路分離裝置情況進行對照，CGH元件形成的光路分離裝置利用高級衍射光能夠在相對寬的范圍內(nèi)選擇衍射方向。利用大的衍射角，就可以減小第三玻璃板1113的厚度T3。
第一CGH元件1118和第二CGH元件1119可以看成把沿著第一路徑1123a和第二路徑1123b傳播的平行光束等同地會聚到像點的CGH元件。
所以，與第一個實施例中CGH元件22一樣，在按照上述公式(10)和(11)的光程差函數(shù)ρ(x，y)基礎(chǔ)上，可以得到第一CGH元件1118和第二CGH元件1119。
另一方面，如已經(jīng)描述過的，CGH元件的焦距和衍射角與光的波長有關(guān)。所以，若CGH元件1121，1120，1122a和1118是按照波長1.3μm設(shè)計的，對于波長分量為1.5μm通信的CGH元件，必須進行波長差的修正。
第四CGH元件1121對于1.3μm波長分量具有合適的會聚功能，但不能把從共同終端進入的1.5μm波長分量轉(zhuǎn)換成平行光束，而是把1.5μm波長分量會聚到距離D2處的像點上。偏轉(zhuǎn)裝置1120對于波長1.5μm和1.3μm的作用也不同。
對于第四CGH元件1120，根據(jù)從公式(27)導出的下列公式，可以得到1.5μm波長分量的像點距離D2。
D2＝5.2(n2T1/n1) …(65)在1.5μm波長分量下的第四CGH元件1121偏轉(zhuǎn)角可以根據(jù)公式(20)進行修正。利用市場上出售的光學CAD程序中光線跟蹤方法，可以完成這個偏轉(zhuǎn)角修正。
為了把這個會聚光轉(zhuǎn)換成平行光束，可以修正第五CGH元件1122a。根據(jù)從公式(65)導出的以下公式，可以得到第五CGH元件1122a到相當?shù)狞c光源距離D4。
(D4/n4)＝(D2/n2)-{(T1/n1)+(T2/n2)+(T3/n3)}…(66)根據(jù)這個關(guān)系式，可以得到第五CGH元件1122a在1.5μm光束時的準直功能。修正第一CGH元件1118，以便使1.5μm平行光束會聚。
可以使第一CGH元件1118實現(xiàn)如圖28和公式(38)所示成像作用而無需提供有準直功能的第五CGH元件1122a。CGH元件1118這一成像作用能夠增補第五CGH元件1122a的準直功能。此時，根據(jù)以下公式可以導出第一CGH元件1118到物點的距離D6。
(D6/n5)＝(D2/n2)-{(T1/n1)+(T2/n2)+(T3/n3)+(T4/n4)}…(67)根據(jù)考慮到公式(67)修正的光程差函數(shù)公式(38)，可以得到具有成像作用的第一CGH1118。
對于上述波長差的修正，如同第一個實施例中一樣，首先對1.5μm波長設(shè)計CGH元件，然后可以引入另一波長1.3μm下的修正。
在按照本發(fā)明第二十個實施例的光學設(shè)備1100中，從共同終端1110進入的一個波長分量1.5μm光束被第四CGH元件1121轉(zhuǎn)換成平行光束，被引導到偏轉(zhuǎn)裝置1120，通過此偏轉(zhuǎn)裝置確定的第一路徑傳輸之后進入第五CGH元件1122a。
通過第一路徑的一個波長分量光束被第五CGH元件1122a偏轉(zhuǎn)到第一CGH元件1118，第一CGH元件把此光束會聚到光檢測器1117。
來自光源1116的另一個波長分量1.3μm光束被第二CGH元件1119的準直功能轉(zhuǎn)換成平行光束，此平行光束被第五CGH元件1122b的棱鏡功能引導，通過第二路徑1123b到偏轉(zhuǎn)裝置。
來自偏轉(zhuǎn)裝置1120的另一波長分量光束被第四CGH元件1121的會聚功能會聚到共同終端1110。
所以，按照采用上述CGH元件的光學設(shè)備1100，此光學設(shè)備可以做成尺寸小的結(jié)構(gòu)以及批量制造，所以能夠提供低成本的光學設(shè)備。<第二十一個實施例>
圖65表示按照本發(fā)明第二十一個實施例的光學設(shè)備1200。
按照圖65所示光學設(shè)備1200，可以免除第二十個實施例中所用的第五CGH元件1122(1122a和1122b)。在此實施例中，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119都具有上述的準直功能和成像功能，還具有棱鏡功能。
按照此光學設(shè)備1200，結(jié)合免除第五CGH元件1122(1122a和1122b)的可能性，就可能去掉第四玻璃板1114，可以進一步減小設(shè)備尺寸和降低制作成本。<第二十二個實施例>
圖66表示按照本發(fā)明第二十二個實施例的光學設(shè)備1210。
在圖66所示第二十二個實施例中，可以免除第二十個和第二十一個實施例中所示具有準直功能的第四CGH元件1121。
由于去掉了第四CGH元件1121，從偏轉(zhuǎn)裝置分別延伸到CGH元件1118和CGH元件1119的第一路徑1123a和第二路徑1123b都是發(fā)散光路徑。所以，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119都具有成像功能。
按照此光學設(shè)備1210，可以免除第四CGH元件1121和第三玻璃板1113。所以，此實施例適宜于進一步減小設(shè)備尺寸和降低制作成本。
在第二十個至第二十二個實施例中，采用透射型CGH元件作為偏轉(zhuǎn)裝置1120，但在以下所示第二十三個至第二十六個實施例中，可以采用反射型CGH元件。
把透射型CGH元件與反射裝置組合能夠得到反射型CGH元件，此反射裝置是用金屬，如鋁或金，汽相淀積方法做成。<第二十三個實施例>
在圖67所示光學設(shè)備1220中，共同終端1111，光源1116和光檢測器1117是在第一玻璃板1111的一個面上。第四CGH元件1121，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119是在第二玻璃板1112的一個面1112a上形成，此面粘合到第一玻璃板1111另一面1111b上。
偏轉(zhuǎn)裝置1120是在第二玻璃板1112另一面1112b上形成，可以采用反射型CGH元件，作為偏轉(zhuǎn)裝置的第三CGH元件1120。
因此，來自第四CGH元件1121的平行光束被反射型第三CGH元件1120反射到第一CGH元件1118和第二CGH元件1119。沿著第一路徑1123a和第二路徑1123b傳播的平行光束被第一CGH元件1118和第二CGH元件1119反射到光檢測器1117和光源1116。
利用刻蝕掩模形成反射型CGH元件和透射型CGH元件的相位刻蝕深度，即刻蝕深度與波長λ之間關(guān)系表示在上述的公式(63)和(64)中。
如上所述，這表示反射性CGH元件在較淺的刻蝕深度下給出與透射型CGH元件相同的衍射效果。
所以，如圖67所示，采用反射型CGH元件的偏轉(zhuǎn)裝置1120在與采用透射型CGH元件的偏轉(zhuǎn)裝置相同刻蝕深度下給出較大的偏轉(zhuǎn)角。而且，采用反射型CGH元件的偏轉(zhuǎn)裝置在較淺的刻蝕深度下給出相同的衍射角，在眾多優(yōu)點之中可以有減小縱橫比的優(yōu)點。
當采用反射型偏轉(zhuǎn)裝置1120時，可以只用兩塊玻璃板，第一玻璃板1111和第二玻璃板1112，形成多層結(jié)構(gòu)1115，所以能簡化此設(shè)備的結(jié)構(gòu)。<第二十四個實施例>
在圖68所示按照第二十四個實施例的光學設(shè)備1230中，反射型第五CGH元件1122b用在第二路徑1123b上。若利用反射型CGH元件的反射作用，光源1116能夠安排在第二玻璃板1112另一面1122b上，光源是在有光檢測器(第一玻璃板1111一個面1111a)相對的一側(cè)。<第二十五個實施例>
如圖69所示，在第二十五個實施例中也采用反射型第三CGH元件1120，可以免除具有準直功能的第四CGH元件1121。在第二十五個實施例的光學設(shè)備1240中，如同在第二十二個實施例中一樣，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119都是如同第二十二個實施例中一樣，在棱鏡功能以外添加成像功能。<第二十六個實施例>
如圖70所示，反射型CGH元件除了用作第三CGH元件1120以外，還可以用作第一CGH元件1118和第二CGH元件1119。
在第二十六個實施例的光學設(shè)備1250中，反射鏡1124a和1124b用在第一路徑1123a和第二路徑1123b上。按照此光學設(shè)備1250，各個光學元件可以安裝在單塊玻璃板1111上，無需使用多塊玻璃板。
作為CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置1120確定的第一路徑1123a和第二路徑1123b，可以采用0級衍射光路或1級衍射光路的組合，或1級衍射光路與2級衍射光路的組合，如在第二十七個至第二十九個實施例中所示。<第二十七個實施例>
在圖71所示光學設(shè)備中，接收來自第四CGH元件1121平行光束的CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置1120有第一路徑1123a和第二路徑1123b，這兩條路徑分別由1級衍射光路和0級衍射光路所規(guī)定，0級衍射光路是一條直線傳播路徑。
所以，在按照第二十七個實施例的光學設(shè)備中，從共同路徑進入并被第四CGH元件1121引向偏轉(zhuǎn)裝置1120的一個波長分量光束通過第一路徑1123a和第一CGH元件1118傳播到光檢測器1117。
從光源1116射出并被第二CGH元件1119引向第二路徑1123b的另一波長分量光束通過偏轉(zhuǎn)裝置1120和第四CGH元件1121傳播，輸出到共同終端1110。
在上述CGH元件形成的偏轉(zhuǎn)裝置1120中，在利用刻蝕掩模制作CGH元件的刻蝕透鏡材料過程中，通過改變刻蝕深度，可以改變0級衍射光路與1級衍射光路的強度比，從而通過調(diào)整刻蝕深度可以得到合適的強度比。
因為0級衍射光路是把衍射光路與入射光路成直線對準而形成的，所以，第三CGH元件1120和第二CGH元件1119能夠同軸地制成。由于這個原因，關(guān)于制造工藝問題，與CGH元件1119用在相對于入射光路有某一角度的高級衍射光路情況比較，CGH元件1119的透鏡數(shù)值孔徑可以增大得多些，所以可提高此CGH元件與光源的耦合效率。<第二十九個實施例>
如圖73的第二十九個實施例所示，第三CGH元件1120可以采用二十七個實施例中，反射型CGH元件。在第二十九個實施例的光學設(shè)備1280中，CGH元件1121，1119和1118能夠在第一玻璃板1111另一面1111b上形成。
與圖27的第二十九個實施例的布置形成對照，CGH元件1121，1119和1118可以在第二玻璃板1112一個面1112a上形成。
然而，CGH元件1121，1119和1118形成在第一玻璃板1111另一面1111b上，此面與表面1111a相對，在面1111a上形成共同終端1110，光源1116和光接收器1117。
這種布置可以使相對的兩個面1111a和1111b上在制造過程中相對地容易對準相應(yīng)的光學元件。
在第二十九個實施例的光學設(shè)備1280中，第三CGH元件1120的2級衍射光路用作第一路徑，第三CGH元件1120的1級衍射光路用作第二路徑1123b。
在第三CGH元件1120中，利用八個相位的CGH元件以及設(shè)定刻蝕深度為波長的1.5倍，可以得到分出光束強度都是入射光強度的40％左右。
另外，在第二十九個實施例中，第三CGH元件1120的0級衍射光路用作到CGH元件1120的入射光路。然而，例如，高級衍射光路可以用作入射光路，0級衍射光路可以用作一條光路(第一路徑1123a或第二路徑1123b)。
以下要描述的第三十個至第三十八個實施例是利用光路中平行地形成兩個CGH元件部分的情況，這兩個CGH元件部分有偏轉(zhuǎn)在互不相同方向的光通量。<第三十個實施例>
在圖74所示光學設(shè)備中，從第一輸入終端1110輸入并被第四CGH元件1121轉(zhuǎn)換成平行光束的一個波長分量輸入光被偏轉(zhuǎn)裝置1120(1120a和1120b)分到第一路徑1123a和第二路徑1123b上，此偏轉(zhuǎn)裝置1120包括第三玻璃板1113一個面1113b上形成的兩個透射型CGH元件1120a和1120b。
偏轉(zhuǎn)裝置1120有其CGH元件部分(1120a和1120b)，這兩個部分平行地如此形成在從第四CGH元件1121延伸的平行光束路徑上，使兩個CGH元件部分1120a和1120b由于其棱鏡功能以不同的偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)光。
一個CGH元件1120a確定第一路徑1123a，另一個CGH元件1120b確定第二路徑1123b。
所以，被第一路徑1123a引導的一個波長分量光束通過第五CGH元件1122a到第一CGH元件1118，并被CGH元件1118的會聚功能引導到光檢測器1117。
從光源1116射出的另一個波長分量光束被第二CGH元件1119準直以便到達第五CGH元件1122b，此CGH元件1122b引導平行光束通過第二路徑1123b到1120b，此CGH元件1120b再引導光束通過第四CGH元件1121到共同終端1110。<第三十一個實施例>
如圖75的第三十一個實施例所示，可以免除第三十個實施例中第五CGH元件1122(1122a和1122b)。在第三十一個實施例的光學設(shè)備1300中，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119在上述準直功能和成像功能以外都添加棱鏡功能。
在光學設(shè)備1300中，連同去除第五CGH元件(1122a和1122b)的可能性，還能去除第四玻璃板1114。所以，該設(shè)備的尺寸和生產(chǎn)成本可進一步下降。<第三十二個實施例>
如圖76的第三十二個實施例所示，可以免除第三十一個實施例中所示第四CGH元件1121。在已經(jīng)去掉第四CGH元件1121的光學設(shè)備中，第三CGH元件部分1120a和第三CGH元件部分1120b都添加準直功能。被第三CGH元件部分1120a和1120b準直的光束被第一CGH元件1118和第二CGH元件1119等同地會聚到光源1116和光檢測器1117。
在光學設(shè)備1310中，除了第四CGH元件1121以外，還可以免除第三玻璃板1113，所以，此實施例適宜于進一步減小設(shè)備尺寸和降低生產(chǎn)成本。<第三十三個實施例>
在第三十二個實施例中，第三CGH元件部分1120a和第三CGH元件1120b都添加準直功能。與此對比，如圖77的第三十三個實施例所示，CGH元件部分1120a和1120b可以做成線性光柵。
在第三十三個實施例的光學設(shè)備1320中，制成線性光柵的第三CGH元件部分1120a和1120b不能準直光。為了補償準直功能的欠缺，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119都具有成像功能。<第三十四個實施例>
在圖78的第三十四個實施例中，與已經(jīng)安裝在有準直能力的第四CGH元件1121中光路相結(jié)合，能夠分別會聚光到光檢測器1117和光源1116的第一CGH元件1118和第二CGH元件1119成平行布置。
第一CGH元件1118安排成會聚來自第四CGH元件1121的一個波長分量平行光束到光檢測器1117。第二CGH元件1119安排成把來自光源1116的另一個波長分量光束轉(zhuǎn)換成平行光束，此平行光束被引導到第四CGH元件1121。
所以，在按照第三十四個實施例的光學設(shè)備1330中，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119承擔起實現(xiàn)第三十個至第三十三個實施例中所示偏轉(zhuǎn)裝置的CGH元件部分1120a和1120b功能。
在第三十四個實施例中，第二CGH元件1119可以與第四CGH元件1121做成同軸的。所以，如結(jié)合第二十七個實施例所描述，的在制造工藝階段，CGH元件1119的透鏡數(shù)值孔徑數(shù)可以做得比第三十三個實施例中第二CGH元件1119大。
到光源1116和光檢測器1117的光強分布是按照CGH元件1118與1119的面積比決定的。所以，盡管光源1116的強度一般很難調(diào)整，但通過設(shè)定光強分布，就可以調(diào)整光源1116相對于光檢測器1117的相對耦合效率，光檢測器的靈敏度一般是可以調(diào)整的。此方法適宜于提高光源1116的相對耦合效率。<第三十五個實施例>
如圖79的第三十五個實施例所示，來自共同終端1110的發(fā)散光可以被引導到第一CGH元件1118和第二CGH元件1119，這兩個CGH元件附加地承擔起實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)裝置的CGH元件1120a和1120b功能，如結(jié)合第三十四個實施例已描述過的。
按照第三十五個實施例的光學設(shè)備1340，在單塊玻璃板上安裝第一CGH元件1118和第二CGH元件1119，能夠?qū)崿F(xiàn)用于雙向通信的光學設(shè)備1340，其中第一CGH元件1118承擔起實現(xiàn)引導一個波長分量的偏轉(zhuǎn)裝置功能，第二CGH元件1119承擔起實現(xiàn)引導另一波長分量的偏轉(zhuǎn)裝置功能。由于這個原因，此設(shè)備的結(jié)構(gòu)可以簡化。
此外，CGH元件1118和1119可以在相同的條件下設(shè)計，為的是使二者都能適用于一個波長分量和另一波長分量。
因而，沒有必要去做這樣的修正，以適用一個波長分量或另一波長分量，由于這個原因，可以簡化設(shè)計工作。
在以下要描述的第三十六個至第三十八個實施例中，實例中用作偏轉(zhuǎn)裝置的兩個反射型CGH元件部分平行地安排在光路上，這兩個反射型CGH元件部分具有互不相同的偏轉(zhuǎn)方向。<第三十六個實施例>
在按照圖80所示第三十六個實施例的光學設(shè)備1350中，共同終端1110，光源1116和光檢測器1117是在第一玻璃板1111一個面1111a上。第四CGH元件1121，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119形成在第二玻璃板1112一個面1112a上，第一玻璃板的另一面1111b粘合到面1112a上。
反射型CGH元件部分1120a和1120b是偏轉(zhuǎn)裝置1120的組成部分，它們平行地形成在第二玻璃板1112另一面1112b上。
在光學設(shè)備1350中，來自第四CGH元件1121的平行光束被反射型第三CGH元件部分1120a和1120b反射，反射后分別指向第一CGH元件1118和第二CGH元件1119，兩個分開的光束傳播通過第一路徑1123a和第二路徑1123b，被第一CGH元件1118和第二CGH元件1119會聚到光檢測器1117和光源1116。<第三十七個實施例>
如圖80所示，具有準直功能的第四CGH元件1121是不需要的，可以從第三十六個實施例中去掉，在該實施例中采用反射型第三CGH元件1120(1120a和1120b)。
在第三十七個實施例的光學設(shè)備1360中，其中去掉了CGH元件1121，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119在棱鏡功能以外都增加了成像功能。<第三十八個實施例>
如圖82的第三十八個實施例所示，反射型CGH元件可以用作第三十五個實施例所示第一CGH元件1118和第二CGH元件1119，更具體地說，可以用作承擔起實現(xiàn)CGH元件部分1120a和1120b功能的第一CGH元件1118和第二CGH元件1119，這兩個CGH元件部分是偏轉(zhuǎn)裝置1120的組成部分。
按照第三十八個實施例的光學設(shè)備1370，在單塊玻璃板上安裝第一CGH元件1118和第二CGH元件1119，可以實現(xiàn)類似于用在雙向通信中光學設(shè)備1340的光學設(shè)備，第一CGH元件1118承擔起引導一個波長分量的偏轉(zhuǎn)裝置功能，第二CGH元件1119承擔起引導另一波長分量的偏轉(zhuǎn)裝置功能，由于這個原因，此設(shè)備的結(jié)構(gòu)可以簡化。
此外，CGH元件1118和1119可以在相同的條件下設(shè)計，為的是使二者都能適用于一個波長分量和另一波長分量。因而，沒有必要去做這樣的修正，以適用一個波長分量或另一個波長分量，由于這個原因，可以簡化設(shè)計工作。
在第三十九至第四十一個實施例中，我們描述這種情況，采用CGH元件與波長有關(guān)的偏轉(zhuǎn)裝置1120。<第三十九個實施例>
在圖83所示的光學設(shè)備中，接收來自第四CGH元件1121平行光束的偏轉(zhuǎn)裝置1120是由帶棱鏡功能的透射型CGH元件形成。
這個透射型CGH元件1120是線性光柵，此線性光柵有光的偏轉(zhuǎn)角，較長波長光的偏轉(zhuǎn)角大于較短波長光的偏轉(zhuǎn)角。
按照偏轉(zhuǎn)角之差，偏轉(zhuǎn)裝置1120對于1.5μm波長分量光束確定有較大偏轉(zhuǎn)角的第一路徑1123a，對于1.3μm波長分量光束確定有較小偏轉(zhuǎn)角的第二路徑1123b。
所以，當一個波長分量光束從共同終端1110進入時，此光束被第四CGH元件1121轉(zhuǎn)換成平行光束并被引導到偏轉(zhuǎn)裝置1120，此偏轉(zhuǎn)裝置偏轉(zhuǎn)平行光束，經(jīng)第一路徑1123a到第一CGH元件1118，具有成像功能或光會聚功能的第一CGH元件會聚此光束到光檢測器1117。
來自光源1116的另一波長分量光束被第二CGH元件119的準直功能或會聚功能引導，經(jīng)第二路徑1123b到偏轉(zhuǎn)裝置1120，此偏轉(zhuǎn)裝置準直該光束，通過第四CGH元件1121到共同終端1110。
CGH元件1120由于它與波長的依賴關(guān)系，即分波長特性，確定兩條光路1123a和1123b，所以，這個偏轉(zhuǎn)裝置1120不會像WDM反射鏡在分波長時遭受光量損失。<第四十個實施例>
如圖84的光學設(shè)備1390所示，可以免除第三十九個實施例中光學設(shè)備1380所用的帶準直功能的第四CGH元件。
由于去掉了第四CGH元件1121，從偏轉(zhuǎn)裝置1120延伸并被分別引到CGH元件1118和1119的第一路徑1123a和第二路徑1123b變成發(fā)散光路。所以，如結(jié)合第二十二個實施例所描述的，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119都具有成像功能。
與光學設(shè)備1380進行比較，光學設(shè)備1390能夠免除第四CGH元件1121和第三玻璃板1113，所以適宜于減小設(shè)備尺寸和降低生產(chǎn)成本。<第四十一個實施例>
在按照圖85所示第四十一個實施例的光學設(shè)備1400中，反射型CGH元件用作分波長型偏轉(zhuǎn)裝置1120。共同終端1110，光源1116和光檢測器1117是在第一玻璃板1111一個面1111a上。第四CGH元件1121，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119是在第二玻璃板1112一個面上，此面粘合到第一玻璃板的另一面上。
分波長型偏轉(zhuǎn)裝置1120是在第二玻璃板1112另一面1112b上，反射型CGH元件用于作為偏轉(zhuǎn)裝置的第三CGH元件1120。
因此，來自第四CGH元件1121的一個波長分量平行光束被反射型第三CGH元件1120反射，反射之后指向第一CGH元件1118，此光束經(jīng)第一路徑1123a被引導到光檢測器1117。來自光源1116的另一波長分量被引導通過第二CGH元件1119，傳播通過第二光路1123b。由于偏轉(zhuǎn)裝置1120的反射，另一波長分量被引導到第四CGH元件1121，經(jīng)CGH元件1121轉(zhuǎn)換后到達共同終端1110。
光學設(shè)備1400的CGH元件1118，1119和1121可以形成在第二玻璃板1112一個面上。然而，如同第二十九個實施例中一樣，在圖85的第四十一個實施例中，CGH元件1118，1119和1121形成在第一玻璃板1111表面1111b上，此表面與有共同終端1110，光源1116和光檢測器1117的表面1111a相對。
在這第四十一個實施例中，在第一玻璃板1111相對的兩個面1111a和1111b上對準相應(yīng)的光學元件是相對容易的，這在制造過程中是有利的。
在第四十二個至第四十五個實施例中，我們描述分波長濾波器用作偏轉(zhuǎn)裝置1120的情況。<第四十二個實施例>
在按照第四十二個實施例的光學設(shè)備1410中，共同終端1110和光檢測器1117是在第一玻璃板1111一個面1111a上。第一CGH元件1118和第四CGH元件1121是在第二玻璃板1112一個面1112a上，此面1112a粘合到第一玻璃板1111另一面1111b上。分波長濾波器1120，如用多層介質(zhì)膜制成的WDM反射鏡，安裝在第二玻璃板1112與第三玻璃板1113之間。
在光學設(shè)備1410中，來自共同終端1110的入射光在通過并被第四CGH元件1121偏轉(zhuǎn)后進入分波長濾波器1120。所以，這個分波長濾波器1120反射一個波長分量的入射平行光束到第一CGH元件1118。被偏轉(zhuǎn)裝置1120反射的一個波長分量光束沿著第一路徑1123a傳播，被引導到第一CGH元件1118，被第一CGH元件1118會聚到光檢測器1117。
分波長濾波器1120透過另一波長分量光束。透射光路確定第二路徑1123b。第二CGH元件件1119是在第三玻璃板1113一個面1113b上，第二路徑1123b延伸到此面1113b。
所以，來自光源1116的另一波長分量光束被第二CGH元件1119引導到第二路徑1123b，分波長濾波器透過另一波長分量光束到第四CGH元件1121，此CGH元件1121把光束會聚到共同終端1110。<第四十三個實施例>
在按照圖87所示第四十三個實施例的光學設(shè)備1420中，在由分波長濾波器1120反射所確定的第一路徑1123a上，反射裝置1410，如反射鏡，是在第一玻璃板1111與第二玻璃板1112之間。
借助這個反射裝置1410，第一路徑1123a可以轉(zhuǎn)向第三玻璃板1113的表面1113b，在此表面上有第二CGH元件1119。
由于反射裝置1401的反射作用，與第一CGH元件1118相匹配的第一CGH元件1118可以在第三玻璃板的表面1113b上，此表面上有第二CGH元件1119，換句話說，這兩個CGH元件在多層結(jié)構(gòu)1115同一表面上。<第四十四個實施例>
如圖88的第四十四個實施例所示，不斷從分波長濾波器1120反射第二路徑1123b的反射鏡1402是在第三玻璃板1113另一面1113b上，此玻璃板的一個面1113a粘合到第二玻璃板1112。
按照第四十四個實施例的光學設(shè)備1430，第二路徑1123b可以借助反射鏡1402指向與第一路徑1123a相同的方向。所以，第二CGH元件可以在第一玻璃板另一面1111b上，在此面1111b上安裝了第一CGH元件1118。
所以，把共同終端1110，光源1116和光檢測器1117安排在同一面上是可行的，換句話說，安排在多層結(jié)構(gòu)1115的同一側(cè)。<第四十五實施例>
為了把第一路徑1123a與第二路徑1123b明顯地分開，來自共同終端1110的入射光被第四CGH元件1121的偏轉(zhuǎn)功能傾斜地引導到分波長濾波器1120。然而，如圖89的第四十五個實施例所示，把共同終端1110安排成與玻璃板1111有一夾角的位置處，來自共同終端1110的入射光能夠傾斜地被引導到分波長濾波器1120，而無需使用第四十二個實施例中所示第四CGH元件1121。
在第四十五個實施例的光學設(shè)備1440中，由于去掉了第四CGH元件1121，從偏轉(zhuǎn)裝置1120到CGH元件1118和1119的第一路徑1123a和第二路徑1123b都是發(fā)散光路。
所以，如第二十二個實施例中所述，第一CGH元件1118和第二CGH元件1119都具有成像功能。
在按照本發(fā)明的光學設(shè)備中，除了各個實施例中所示偏轉(zhuǎn)裝置與光路分離裝置的組合以外，按照光路的各種變化和改動，那些裝置可用在適當?shù)慕M合中。
此外，多層結(jié)構(gòu)的光路可以按照需要進行變化。
按照本發(fā)明的上述光學設(shè)備，衍射作用的計算機產(chǎn)生全息圖能夠承擔準直功能，光會聚功能，偏轉(zhuǎn)功能，光路分離作用和分波長作用，可以是多重功能或根據(jù)需要選取，由于這個原因，光學設(shè)備可以做成小型化的。而且，由于計算機產(chǎn)生全息圖免去了光纖需要的熔融拼接，計算機產(chǎn)生全息圖省去熔融拼接操作和降低生產(chǎn)成本，所以，就可能比普通光纖設(shè)備以較低的成本制作光學設(shè)備。
按照本發(fā)明的上述制造方法，制作含多組光學設(shè)備的多層結(jié)構(gòu)，此光學設(shè)備集成了含許多計算機產(chǎn)生全息圖的光學元件，再把多層結(jié)構(gòu)分成單獨的光學設(shè)備，就能夠以很高的效率制造按照本發(fā)明的光學設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一個用于光通信終端站的光學設(shè)備，此光學設(shè)備有第一輸入終端，接收含互不相同波長分量光束的多路復用光；第一輸出終端，輸出從在所述輸入終端處接收的所述多路復用光中分出的第一波長分量光束；以及一對第二輸入和第二輸出終端，能實現(xiàn)雙向通信，把從所述復用光中分出的第二波長分量光束引到所述第一輸入終端；所述光學設(shè)備包括第一計算機產(chǎn)生全息圖，把來自所述第一輸入終端的所述多路復用光轉(zhuǎn)換成平行光束；偏轉(zhuǎn)裝置，把已經(jīng)通過所述第一計算機產(chǎn)生全息圖的所述多路復用光按照其波長給以偏轉(zhuǎn)；第二計算機產(chǎn)生全息圖，把所述偏轉(zhuǎn)裝置分出的第一波長分量光束引到第一輸出終端；光路分離裝置，分離所述偏轉(zhuǎn)裝置分出的第二波長分量；第三計算機產(chǎn)生全息圖，把通過所述光路分離裝置分出的一條光路傳播的第二波長分量光束引到所述第二輸出終端；以及第四計算機產(chǎn)生全息圖，把來自所述第二輸入終端的第二波長分量光束引導到所述光路分離裝置，為的是把來自第二輸入終端的第二波長分量光束經(jīng)另一條光路，光路分離裝置和第一計算機產(chǎn)生全息圖引到所述第一輸入終端。
2.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第一計算機產(chǎn)生全息圖有產(chǎn)生平行光束的準直功能和偏轉(zhuǎn)所述平行光束的偏轉(zhuǎn)功能，把來自所述第一輸入終端的光束引到所述偏轉(zhuǎn)裝置。
3.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第二計算機產(chǎn)生全息圖有光會聚功能和偏轉(zhuǎn)功能，把所述偏轉(zhuǎn)裝置分出的第一波長分量光束引到所述第一輸出終端。
4.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置是由分波長濾波器形成，以反射第一波長分量光束和傳輸?shù)诙ㄩL分量光束。
5.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述分波長濾波器是由介質(zhì)濾波器形成。
6.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述光路分離裝置是由具有棱鏡功能的透射型計算機產(chǎn)生全息圖形成，以分出第二波長分量光束。
7.按照權(quán)利要求6的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述透射型計算機產(chǎn)生全息圖具有棱鏡功能，把第二波長分量光束分成+1級衍射光和-1級衍射光。
8.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖具有偏轉(zhuǎn)功能和會聚功能，把第二波長分量光束引到所述第二輸出終端。
9.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第四計算機產(chǎn)生全息圖具有準直功能，把來自所述第二輸入終端的第二波長分量光束引到所述偏轉(zhuǎn)裝置。
10.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，還包括依次迭合在一起透明的第一板，第二板和第三板，其中所述第一和第二計算機產(chǎn)生全息圖平行地安裝在一個面上，此面粘合到與有所述第一輸入終端和所述第一輸出終端的所述第一板一個面相對的另一面上，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置是在所述第二板的另一面上，其中所述光路分離裝置是在粘合到所述第二板的所述第三板一個面上，其中所述第三和第四計算機產(chǎn)生全息圖平行地安排在所述第三板的另一面上。
11.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，還包括依次迭合在一起透明的第一板，第二板，第三板和第四板，其中所述第一和第二計算機產(chǎn)生全息圖平行地安裝在一個面上，此面粘合到與有所述第一輸入終端和所述第一輸出終端的所述第一板一個面相對的另一面上，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置是在所述第二板的另一面上，其中所述光路分離裝置是在粘合到所述第二板的所述第三板一個面上，其中所述第三和第四計算機產(chǎn)生全息圖平行地安排在粘合到所述第三板另一面的所述第四板一個面上，其中所述第二輸入和第二輸出終端是在第四板的另一面上。
12.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置是由具有棱鏡功能的透射型計算機產(chǎn)生全息圖形成。
13.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置包括兩個互不相同偏轉(zhuǎn)特性的計算機產(chǎn)生全息圖，這兩個計算機產(chǎn)生全息圖平行地安排在從所述第一計算機產(chǎn)生全息圖延伸的光路上。
14.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置是由反射型計算機產(chǎn)生全息圖形成。
15.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述光路分離裝置是由多層介質(zhì)膜制成的分波長濾波器形成。
16.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三和第四計算機產(chǎn)生全息圖平行地安排在從所述偏轉(zhuǎn)裝置延伸的光路上，這兩個計算機產(chǎn)生全息圖分別實現(xiàn)光路分離裝置的功能。
17.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三和第四計算機產(chǎn)生全息圖平行地安排在從第一計算機產(chǎn)生全息圖延伸的光路上，這兩個計算機產(chǎn)生全息圖實現(xiàn)所述偏轉(zhuǎn)裝置和所述光路分離裝置的功能。
18.按照權(quán)利要求1的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述一對第二輸入和第二輸出終端對應(yīng)光源和光檢測器。
19.一個用于光通信終端站的光學設(shè)備，此光學設(shè)備有用于雙向通信的共同終端，接收一個波長分量光束和輸出另一波長分量光束，另一波長分量光束出自互不相同波長分量光束；輸出終端，送出一個波長分量光束給光檢測器；和輸入終端，接收來自光源另一波長分量光束；此光學設(shè)備包括偏轉(zhuǎn)裝置，把來自所述共同終端的光路按照光波長分成第一光路和第二光路；第一計算機產(chǎn)生全息圖，把進入共同終端的一個波長分量光束會聚到光檢測器；和第二計算機產(chǎn)生全息圖，把來自光源的第二波長分量引導到所述偏轉(zhuǎn)裝置，使第二波長分量光束經(jīng)所述偏轉(zhuǎn)裝置傳到共同終端。
20.按照權(quán)利要求19的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置是由第三計算機產(chǎn)生全息圖形成。
21.按照權(quán)利要求20的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖的高級衍射光路用作至少一條分出的光路。
22.按照權(quán)利要求21的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖是透射型計算機產(chǎn)生全息圖。
23.按照權(quán)利要求21的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖是反射型計算機產(chǎn)生全息圖。
24.按照權(quán)利要求21的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖的+1級衍射光和-1級衍射光的兩條光路用作所述第一光路和第二光路。
25.按照權(quán)利要求21的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖的0級衍射光或2級衍射光和1級衍射光的兩條光路用作所述第一光路和第二光路。
26.按照權(quán)利要求20的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖是由互不相同衍射方向平行地安排在光路上的一對計算機產(chǎn)生全息圖部分形成。
27.按照權(quán)利要求21的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第三計算機產(chǎn)生全息圖形成的所述第一光路和第二光路是利用其衍射角與波長有關(guān)的棱鏡功能。
28.按照權(quán)利要求18的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第一計算機產(chǎn)生全息圖具有光會聚功能，把來自所述偏轉(zhuǎn)裝置的光束引到所述光檢測器，所述第二計算機產(chǎn)生全息圖具有準直功能或成像功能，把來自光源的光束引到所述偏轉(zhuǎn)裝置。
29.按照權(quán)利要求19的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中在所述共同終端與所述偏轉(zhuǎn)裝置之間有第四計算機產(chǎn)生全息圖，此計算機產(chǎn)生全息圖具有得到平行光束的準直功能，把來自所述共同終端的光束引到所述偏轉(zhuǎn)裝置。
30.按照權(quán)利要求19的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述第一和第二計算機產(chǎn)生全息圖平行地安排在所述共同終端，所述光原和所述光檢測器之間，實現(xiàn)所述偏轉(zhuǎn)裝置的功能。
31.按照權(quán)利要求19的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述偏轉(zhuǎn)裝置是由分波長濾波器形成，反射第一波長分量光束，透過第二波長分量光束。
32.按照權(quán)利要求31的用于光通信終端站的光學設(shè)備，其中所述分波長濾波器是由介質(zhì)濾波器形成。
33.一個制造用于光通信終端站的光學設(shè)備的方法，它包括第一計算機產(chǎn)生全息圖，把來自第一輸入終端的多路復用光轉(zhuǎn)換成平行光束；偏轉(zhuǎn)裝置，把已經(jīng)通過所述第一計算機產(chǎn)生全息圖的多路復用光按照其波長給以偏轉(zhuǎn)；第二計算機產(chǎn)生全息圖，把所述偏轉(zhuǎn)裝置分出的第一波長分量光束引到第一輸出終端；光路分離裝置，把所述偏轉(zhuǎn)裝置分出的第二波長分量光束給以偏轉(zhuǎn)；第三計算機產(chǎn)生全息圖，把沿著一條被所述光路分離裝置分出的光路傳播的第二波長分量光束從第二輸出終端引到光檢測器；第四計算機產(chǎn)生全息圖，把來自光源的第二波長分量光束引導到所述光路分離裝置，為的是把來自第二輸入終端經(jīng)另一條路徑，所述光路分離裝置和所述第一計算機產(chǎn)生全息圖的第二波長分量光束引到所述第一輸入終端；所述制造方法包括的步驟為在多個待粘合在一起的透明板的選取聯(lián)結(jié)面上以高密度制成所述計算機產(chǎn)生全息圖，偏轉(zhuǎn)裝置和光路分離裝置；把所述多個板連接在一起形成層狀結(jié)構(gòu)；和在厚度方向上分割所述層狀結(jié)構(gòu)以制成大量所述光學設(shè)備。
34.一個制造用于光通信終端站的光學設(shè)備的方法，它包括第一計算機產(chǎn)生全息圖，把來自第一輸入終端的多路復用光轉(zhuǎn)換成平行光束；偏轉(zhuǎn)裝置，把已經(jīng)通過所述第一計算機產(chǎn)生全息圖的多路復用光按照其波長給以偏轉(zhuǎn)；第二計算機產(chǎn)生全息圖，把所述偏轉(zhuǎn)裝置分出的第一波長分量光束引到第一輸出終端；光路分離裝置，把所述偏轉(zhuǎn)裝置分出的第二波長分量光束給以偏轉(zhuǎn)；第三計算機產(chǎn)生全息圖，把沿著一條被所述光路分離裝置分出的光路傳播的第二波長分量光束從第二輸出終端引到光檢測器；第四計算機產(chǎn)生全息圖，把來自光源的第二波長分量光束引導到所述光路分離裝置，為的是把來自第二輸入終端經(jīng)另一條路徑，所述光路分離裝置和所述第一計算機產(chǎn)生全息圖的第二波長分量光束引到所述第一輸入終端；所述制造方法包括的步驟為在第二透明板的一個聯(lián)結(jié)面上以高密度成對地制成大量的第一和第二計算機產(chǎn)生全息圖，此聯(lián)結(jié)面要粘合到第一透明板上；在所述第二板的另一面上以高密度制成所述偏轉(zhuǎn)裝置；在面向所述第二板的第三透明板一個面上以高密度制成所述偏轉(zhuǎn)裝置，在所述第三板另一面上以高密度制成配對的所述第三和第四計算機產(chǎn)生全息圖；把所述第一板與第三板連接在一起形成層狀結(jié)構(gòu)；以及在厚度方向上分割所述層狀結(jié)構(gòu)以獲得大量單獨的光學設(shè)備。
全文摘要
一個用于光通信終端站的光學設(shè)備,具有生產(chǎn)效率高,制造成本低和尺寸縮小的性能,它包括:第一CGH元件21;分波長濾波器23;第二CGH元件22;光路分離裝置22;第三CGH元件24,把已經(jīng)通過一條光路27的第二波長分量光束引到第二輸出終端18;以及第四CGH元件26,把來自第二輸入終端17的第二波長分量光束引導到光路分離裝置24,為的是把第二波長分量光束經(jīng)另一條光路28傳輸?shù)降谝惠斎虢K端11。
文檔編號G02B6/24GK1199964SQ9810886
公開日1998年11月25日 申請日期1998年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月21日
發(fā)明者佐佐木浩紀, 上條健 申請人:沖電氣工業(yè)株式會社