專利名稱：鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別涉及一種基于雙摻雜鈮酸鋰LiNbO3晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，適于在光層實(shí)現(xiàn)對(duì)波分復(fù)用信號(hào)的信道分離、傳輸、交換、復(fù)用等。
背景技術(shù)：
光分插復(fù)用器(以下簡(jiǎn)稱OADM)是光通訊網(wǎng)絡(luò)中必不可少的重要設(shè)備。OADM節(jié)點(diǎn)的功能是從傳輸系統(tǒng)中選擇地下路(drop)信道中通往本地用戶的信號(hào)，同時(shí)上路(add)由本地用戶發(fā)往另一節(jié)點(diǎn)用戶的信號(hào)，上下路進(jìn)行的同時(shí)不能影響其它波長(zhǎng)信道的傳輸。光分插復(fù)用器的基本原理是波分復(fù)用光信號(hào)首先由解復(fù)用器把復(fù)用的各個(gè)光波解開(kāi)，然后經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)交換單元?jiǎng)討B(tài)選擇上、下路的波長(zhǎng)，最后由復(fù)用器復(fù)用到同一鏈路輸出。OADM在光域中實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的電分插復(fù)用器在時(shí)域內(nèi)所完成的功能，而且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號(hào)，這一點(diǎn)比傳統(tǒng)的電分插復(fù)用器更加優(yōu)越，是克服傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的電子瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵之一。光分插復(fù)用器的應(yīng)用進(jìn)一步增加了整個(gè)通信網(wǎng)的吞吐量，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性、透明性與生存性。用不同的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)用和解復(fù)用，可構(gòu)成不同的光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)。
在先技術(shù)[1](參見(jiàn)Yung-Kuang Chen，Chia-Hsiung Chang，et al，OpticsCommunications，169(1999)，p245-261，Mach-Zehnder fiber-grating-based fixedand reconfigurable multichannel optical add-drop multiplexers for DWDMnetworks)所描述的是一種基于馬赫-澤德干涉儀(MZI)和布拉格光纖光柵(FBG)的可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的多通道光分插復(fù)用器，由若干光分插復(fù)用器模塊和光開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)而成；光分插復(fù)用器模塊由輸入、輸出光耦合器、馬赫-澤德干涉儀及位于干涉儀兩臂上的布拉格光纖光柵構(gòu)成。光分插復(fù)用器模塊的原理是波分復(fù)用(WDM)信號(hào)經(jīng)輸入光耦合器輸入傳輸?shù)今R赫-澤德干涉儀的兩臂，具有特定波長(zhǎng)的光波將被布拉格光纖光柵反射，再次從干涉儀的兩臂上反射回輸入光耦合器，在其中發(fā)生干涉，從而實(shí)現(xiàn)該波長(zhǎng)信號(hào)的下路；同理，在輸出光耦合器上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上路。將若干光分插復(fù)用器模塊和光開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)起來(lái)，形成可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的光分插復(fù)用器，通過(guò)控制各個(gè)光開(kāi)關(guān)的不同組合狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)上下路任意波長(zhǎng)。該裝置的特點(diǎn)是能上下路任意波長(zhǎng)信道，信道間串?dāng)_小。較多的馬赫-澤德干涉儀和布拉格光纖光柵級(jí)聯(lián)起來(lái)，會(huì)增大系統(tǒng)的損耗；系統(tǒng)對(duì)馬赫-澤德干涉儀兩臂的加工精度要求比較高。
在先技術(shù)[2](參見(jiàn)RobertA.Norwood，WestChester，美國(guó)專利2002.5.7，US6385362B1，Hybridintegratedopticaladd-dropmultiplexer)所描述的是一種混合集成式的光分插復(fù)用器。它把兩個(gè)陣列波導(dǎo)光柵(AWG)和一定數(shù)目的光開(kāi)關(guān)采用沉積的技術(shù)集成在同一個(gè)硅基片上，結(jié)構(gòu)緊湊。兩個(gè)陣列波導(dǎo)光柵(AWG)分別作為解復(fù)用器和復(fù)用器，光開(kāi)關(guān)用于選擇上下路的波長(zhǎng)信道并切換光路。AWG型光波分復(fù)用器具有波長(zhǎng)間隔小、通道數(shù)多、通帶平坦等優(yōu)點(diǎn)，非常適合超高速、大容量WDM系統(tǒng)使用。陣列波導(dǎo)光柵(AWG)制作工藝復(fù)雜，插入損耗比較大，波導(dǎo)的長(zhǎng)度容易受外界溫度的影響。
在先技術(shù)[3](參見(jiàn)PierpaoloBoffi，MariaChiara，etal.，IEEEPhoton.Tech.Lett.，12(10)，2000，p1355-1357，1550nm volume holography for opticalcommunication devices)提出了一種基于體全息術(shù)的光通訊波分復(fù)用信號(hào)處理的全光裝置，用單塊LiNbO3晶體實(shí)現(xiàn)了WDM波分解復(fù)用器。其基本思想是用488nm的可見(jiàn)光在光折變LiNbO3:Fe晶體中同一位置處以角度復(fù)用的方式記錄若干全息光柵，用光通訊波段1550nm附近多波長(zhǎng)信號(hào)光束去讀出，衍射后不同波長(zhǎng)的光波以不同的角度射出，從而實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)信號(hào)的解復(fù)用，解復(fù)用后各信號(hào)光波之間分開(kāi)的角度在0.1°左右。該裝置利用體全息光柵的角度和波長(zhǎng)選擇性，可一次分離大量的波長(zhǎng)信道，信道間隔可達(dá)0.8nm甚至更小，信道間串?dāng)_小，特別適用于密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)使用。該裝置在晶體的同一位置復(fù)用多個(gè)全息光柵，使得在記錄后面光柵時(shí)，記錄光波對(duì)前面已經(jīng)記錄的光柵有一定的擦除，從而影響了讀出光柵的衍射效率。解復(fù)用后的光波之間空間間隔比較小，不利于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)之間的空間交換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種LiNbO3晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器(OADM)，可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用及信號(hào)光波之間的空間交換，本發(fā)明裝置應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、穩(wěn)定性高、抗環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，其特征在于它包括波分復(fù)用信號(hào)輸入光纖(101)和與之連接的光纖準(zhǔn)直器(102)；本地上路信號(hào)m束輸入光纖(103-106)和與之連接的m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(107-110)；單塊雙摻雜LiNbO3晶體(112)制成的光波分解復(fù)用器(111)；電光開(kāi)關(guān)組(113)；本地上路、直通信號(hào)m束輸出光纖(135-138)和與之連接的m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(123-126)；本地下路m個(gè)信號(hào)輸出光纖(131-134)和與之連接的m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(127-130)；一個(gè)m×1信道耦合器(139)；波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖(140)，其位置關(guān)系是所說(shuō)的本地上路、直通信號(hào)m束輸出光纖(135-138)與所說(shuō)的m×1信道耦合器(139)的輸入端相連；所說(shuō)的波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖(140)與m×1信道耦合器(139)的輸出端相連；沿輸入光纖(101)傳輸?shù)牟ǚ謴?fù)用信號(hào)(λ1-λ4)經(jīng)光纖準(zhǔn)直器(102)準(zhǔn)直擴(kuò)束后進(jìn)入到光波分解復(fù)用器(111)中，解復(fù)用后的各個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入到電光開(kāi)關(guān)組(113)中；電光開(kāi)關(guān)組(113)選擇需要下路的波長(zhǎng)信道和需要上路、直通的波長(zhǎng)信道，下路的光信號(hào)分別經(jīng)光纖準(zhǔn)直器(127-130)耦合進(jìn)輸出光纖(131-134)；上路和直通的光信號(hào)分別經(jīng)光纖準(zhǔn)直器(123-126)耦合進(jìn)輸出光纖(135-138)，經(jīng)m×1信道耦合器(139)耦合后輸出到波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖(140)。
所述的雙摻雜LiNbO3晶體(112)是一塊長(zhǎng)方體LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體。
所述的光波分解復(fù)用器(111)是由單塊雙摻雜LiNbO3晶體構(gòu)成的包括；波分復(fù)用信號(hào)光束輸入端面A和與之平行的相對(duì)表面B；本地上路信號(hào)光束輸入端面C和與之平行的信號(hào)光束輸出端面D；還包括上下兩個(gè)相對(duì)平行的表面；所述的光束輸入端面A與所述的光束輸出端面D相互垂直，二者分別平行于坐標(biāo)zx、xy面；所述的晶體(112)的光軸c在坐標(biāo)yz面內(nèi)且與z軸的夾角為45°，所述的晶體(112)中預(yù)先記錄了m個(gè)體全息光柵HG1-HG4，它們?cè)诰w(112)中等間距排列，分別位于從光纖準(zhǔn)直器(102)出射的波分復(fù)用光信號(hào)和從m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(107-110)出射的本地上路光信號(hào)傳輸光路的交點(diǎn)上。
所述的電光開(kāi)關(guān)組(113)含有m個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電光開(kāi)關(guān)，是由結(jié)構(gòu)相同的m塊鈮酸鋰晶體(114-117)及附在晶體兩側(cè)的電極(118-122)構(gòu)成的；所說(shuō)的m塊晶體(114-117)并排放置，兩端對(duì)齊，一端緊靠晶體(112)放置，相鄰晶體共用一個(gè)電極，每塊LiNbO3晶體為一具有一45°斜面的長(zhǎng)方體(114)，該晶體(114)有一個(gè)內(nèi)反射面N、一個(gè)光束輸入面E、一個(gè)光束輸出面F和與光束輸出面F平行的平面G，所說(shuō)的光束輸入面E與光束輸出面F垂直，內(nèi)反射面H與光束輸出面F之間的夾角是45°。
所述的電極(118-122)的長(zhǎng)度等于或略小于晶體(114-117)的長(zhǎng)度和寬度。
所述m＝4。
本發(fā)明的技術(shù)效果1.本發(fā)明提出一種基于雙摻雜LiNbO3晶體體全息光柵的光通訊波段信號(hào)處理的全光裝置，用以在光域中實(shí)現(xiàn)WDM信號(hào)的解復(fù)用、空間傳輸、交換，避免了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的光/電、電/光轉(zhuǎn)換及由此引入的信號(hào)衰減、失真、功率損耗。
2.本發(fā)明利用LiNbO3晶體的光折變效應(yīng)，采用雙色光兩中心全息記錄法在LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體中記錄并光固定若干非揮發(fā)性體全息光柵。
3.本發(fā)明中的體全息光柵是采用可見(jiàn)波段的632.8nm的紅光記錄、紅外波段1550nm附近的WDM信號(hào)光來(lái)讀出的；記錄光和讀出光同時(shí)滿足全息光柵的布拉格匹配條件。
4.本發(fā)明利用體全息光柵的角度和波長(zhǎng)選擇性，用單塊雙摻雜LiNbO3晶體實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用，解復(fù)用后的信號(hào)空間隔離度較好，相互之間串?dāng)_較小。
5.本發(fā)明利用晶體的雙折射效應(yīng)和線性電光效應(yīng)，用單塊LiNbO3晶體構(gòu)成了電光開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度快(可達(dá)到ns數(shù)量級(jí))，能夠精確同步，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
6.本發(fā)明通過(guò)控制電光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，可以動(dòng)態(tài)選擇需要上、下路的波長(zhǎng)通道，可同時(shí)上、下路任意路波長(zhǎng)信道，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活。


圖1為本發(fā)明鈮酸鋰晶體體全息光柵光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖。
圖2為晶體112的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部光路圖。
圖3為體全息光柵HG1記錄和讀出的 矢量圖。
圖4為體全息光柵HG1的空間取向和周期示意圖。
圖5為電光開(kāi)關(guān)114的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為未加橫向半波電壓時(shí)晶體114中的光路圖。
圖7為加橫向半波電壓時(shí)晶體114中的光路圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明鈮酸鋰晶體體全息光柵光分插復(fù)用器m＝4的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明鈮酸鋰晶體體全息光柵光分插復(fù)用器包括波分復(fù)用(WDM)信號(hào)輸入光纖101和與之連接的光纖準(zhǔn)直器(OFC)102；本地上路信號(hào)4束輸入光纖103-106和與之連接4個(gè)的光纖準(zhǔn)直器107-110；光波分解復(fù)用器(DMUX)111；電光開(kāi)關(guān)組113；本地上路、直通信號(hào)4束輸出光纖135-138和與之連接的4個(gè)光纖準(zhǔn)直器123-126；本地下路信號(hào)4束輸出光纖131-134和與之連接的4個(gè)光纖準(zhǔn)直器127-130；一個(gè)4×1信道耦合器139；波分復(fù)用(WDM)信號(hào)輸出光纖140；所說(shuō)的本地上路、直通信號(hào)4束輸出光纖135-138與所說(shuō)的4×1信道耦合器139的輸入端相連；所說(shuō)的波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖140與4×1信道耦合器139的輸出端相連。沿輸入光纖101傳輸?shù)牟ǚ謴?fù)用信號(hào)(λ1-λ4)經(jīng)光纖準(zhǔn)直器102準(zhǔn)直擴(kuò)束后進(jìn)入到解復(fù)用器111中，解復(fù)用后的各個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入到電光開(kāi)關(guān)組113中；電光開(kāi)關(guān)組113選擇需要下路的波長(zhǎng)信道和需要上路、直通的波長(zhǎng)信道，下路的光信號(hào)分別經(jīng)4個(gè)光纖準(zhǔn)直器127-130耦合進(jìn)4束輸出光纖131-134；上路和直通的光信號(hào)分別經(jīng)4個(gè)光纖準(zhǔn)直器123-126耦合進(jìn)4束輸出光纖135-138，經(jīng)4×1信道耦合器139耦合后輸出到波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖140。
所說(shuō)的光波分解復(fù)用器111，由單塊雙摻雜LiNbO3晶體112構(gòu)成。所說(shuō)的晶體112是一塊長(zhǎng)方體LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示包括波分復(fù)用(WDM)信號(hào)光束輸入端面A和與之平行的相對(duì)表面B；本地上路信號(hào)光束輸入端面C和與之平行的信號(hào)光束輸出端面D；還包括上下兩個(gè)相對(duì)平行的表面(平行于坐標(biāo)yz面，圖中未標(biāo)出)；所說(shuō)的光束輸入端面A與所說(shuō)的光束輸出端面D相互垂直，二者分別平行于坐標(biāo)zx、xy面；所說(shuō)的晶體112的光軸c在坐標(biāo)yz面內(nèi)且與z軸的夾角為45°。所說(shuō)的晶體112中預(yù)先記錄了四個(gè)體全息光柵HG1-HG4，它們?cè)诰w112中等間距排列，分別位于從光纖準(zhǔn)直器102出射的波分復(fù)用光信號(hào)和從四個(gè)光纖準(zhǔn)直器107-110出射的本地上路光信號(hào)傳輸光路的交點(diǎn)上。
所說(shuō)的波分解復(fù)用器111的波長(zhǎng)解復(fù)用功能是通過(guò)記錄在晶體112中的四個(gè)體全息光柵HG1-HG4的波長(zhǎng)選擇作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作原理結(jié)合圖2說(shuō)明如下WDM信號(hào)光束(包括4個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4)從晶體112的光束輸入端面A垂直入射，在晶體112中沿著坐標(biāo)y方向傳播。所說(shuō)的WDM信號(hào)光波是線偏振光，其振動(dòng)方向平行于坐標(biāo)x方向(o光)。WDM信號(hào)光束到達(dá)所說(shuō)的體全息光柵HG1時(shí)，波長(zhǎng)為λ1的光波由于符合布拉格條件而受到光柵的衍射，衍射光波沿著坐標(biāo)z方向傳播，從晶體112的光束輸出端面D垂直射出；剩余的波長(zhǎng)為λ2、λ3、λ4光波因不符合布拉格條件而直接透過(guò)光柵，在晶體中繼續(xù)沿著坐標(biāo)y方向傳播。同理，當(dāng)剩余信號(hào)光波到達(dá)體全息光柵HG2、HG3、HG4時(shí)，波長(zhǎng)為λ2、λ3、λ4的光波分別受到這三個(gè)光柵的衍射，各個(gè)衍射光波分別沿著平行于坐標(biāo)z方向光路傳播，最后從晶體112的光束輸出端面D上的不同位置垂直射出。可見(jiàn)，利用預(yù)先記錄在LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體中不同位置處的體全息光柵的波長(zhǎng)選擇作用，可以把多波長(zhǎng)信號(hào)在空間上分解成各個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了WDM信號(hào)光波的解復(fù)用。本地上路的四個(gè)單波長(zhǎng)光信號(hào)的波長(zhǎng)分別等于波分復(fù)用的四個(gè)光信號(hào)的波長(zhǎng)，記作λ1，add、λ2，add、λ3，add、λ4，add，但振動(dòng)方向與波分復(fù)用光信號(hào)垂直(e光)。四個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)光束從晶體112的光束輸入端面C上的不同位置垂直入射，分別沿著對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的解復(fù)用信號(hào)光波的光路在晶體112中傳播，到達(dá)體全息光柵HG1-HG4時(shí)，這四個(gè)光波由于都不符合布拉格條件而直接透過(guò)光柵繼續(xù)傳播，最后從晶體112的光束輸出端面D垂直射出。這樣，本地上路的四個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)光波λ1，add-λ4，add分別與對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的解復(fù)用信號(hào)光波沿相同的光路傳播，由于二者振動(dòng)方向相互垂直而不會(huì)發(fā)生干涉串?dāng)_。
所說(shuō)的體全息光柵HG1-HG4的空間取向和周期分別由它們所衍射的波分復(fù)用信號(hào)光波的波長(zhǎng)、振動(dòng)方向、讀出角度和衍射角度等特性所決定四個(gè)體全息光柵HG1-HG4均由可見(jiàn)波段632.8nm的紅光來(lái)記錄，記錄光波和讀出光波同時(shí)滿足體光柵的布拉格條件。下面以光柵HG1為例說(shuō)明LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體中體全息光柵的空間取向、周期以及全息光柵的記錄原理和過(guò)程。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)，WDM信號(hào)光束在晶體112中沿著坐標(biāo)y方向傳播至光柵HG1時(shí)，波長(zhǎng)為λ1的光波受到光柵HG1的衍射，衍射光波沿著坐標(biāo)z方向傳播。按照三維光柵的衍射理論，要使衍射光波的振幅達(dá)到極大值，讀出光波矢量 衍射光波矢量 和光柵矢量 之間必須滿足布拉格匹配條件K→=k→11-k→12----(1)]]>其中矢量 和 對(duì)稱地位于光柵峰值條紋面的兩側(cè)，二者相互垂直，且k11=k12=2πn1λ1,]]>n1為波長(zhǎng)為λ1的讀出信號(hào)光波在晶體112中的折射率；光柵矢量 垂直于光柵的峰值條紋面，其大小為K=2πΛ,]]>A為體全息光柵峰值條紋面之問(wèn)的距離，即光柵周期。圖3在單位圓中給出體全息光柵HG1的 矢量圖，圖中α為讀出光波矢量 與體光柵峰值條紋面之間的夾角(讀出角)，本設(shè)計(jì)方案中α＝45°。從圖中可以直觀地看出讀出光波矢量 衍射光波矢量 和光柵矢量 三者之間滿足的布拉格匹配關(guān)系。由(1)式進(jìn)一步推出讀出光束的波長(zhǎng)λ1、折射率n1、讀出角α和體全息光柵周期Λ之間滿足的布拉格定律2n1Λsinα＝λ1(2)根據(jù)(2)式可以計(jì)算得到體全息光柵HG1的空間周期Λ。圖3給出體全息光柵HG1的空間取向與周期示意圖，可以看出光柵矢量 與光柵的峰值條紋面垂直，且與晶體112的光軸c平行。同理，體全息光柵HG2、HG3、HG4分別對(duì)WDM信號(hào)中波長(zhǎng)為λ2、λ3、λ4的光波產(chǎn)生衍射，各光柵的讀出角都相同(α＝45°)，因此它們的空間取向都與光柵HG1相同，而且光柵矢量 都平行于晶體112的光軸c；由于各信號(hào)光波的波長(zhǎng)和折射率不同，根據(jù)(2)式，各個(gè)體全息光柵的空間周期Λ也各不相同。由于雙摻雜LiNbO3晶體對(duì)光通訊波段1550nm附近光譜范圍內(nèi)的光波幾乎沒(méi)有吸收，在這個(gè)范圍內(nèi)晶體的光折變靈敏度較低，因此，不能用這一光譜范圍內(nèi)的光波在晶體中記錄體全息光柵。可采用對(duì)LiNbO3晶體比較敏感的波長(zhǎng)為632.8nm的紅光對(duì)晶體進(jìn)行非揮發(fā)性全息記錄。對(duì)所說(shuō)的體全息光柵HG1，光柵矢量 與兩個(gè)記錄光波矢量 之間必須滿足布拉格匹配條件K→=k→01-k→02----(3)]]>矢量 對(duì)稱地位于體光柵HG1峰值條紋面的兩側(cè)，且k01=k02=2πn0λ0,]]>λ0為記錄光波在空氣中的波長(zhǎng)，n0為記錄尋常光在LiNbO3晶體中的折射率。由體全息光柵HG1的 矢量圖中(圖3-1)可以直觀看出兩個(gè)記錄光波矢量 讀出光波矢量 衍射光波矢量 和光柵矢量 之間同時(shí)滿足的布拉格匹配關(guān)系，θ為記錄光波矢量 與體光柵峰值條紋面之間的夾角(布拉格角)。由(3)式進(jìn)一步推出記錄光波的波長(zhǎng)λ0、折射率n0、布拉格角θ和體全息光柵周期Λ四者之間所滿足的布拉格定律2n0Λsinθ＝λ0(4)根據(jù)(4)式可計(jì)算得到晶體112中記錄光波與光柵HG1峰值條紋面之間的夾角(布拉格角)θ。由折射定律可進(jìn)一步計(jì)算得到記錄光波從空氣入射到晶體112表面上的入射角θI(空氣中的折射率為1)sinθI＝n0sinθ(5)在LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體中進(jìn)行非揮發(fā)性光固定光折變?nèi)⒂涗?，其記錄和固定原理是Buse等人提出的雙色光兩中心全息記錄法(參見(jiàn)BuseK，AdibiA，et al，Nonvolatile holographic storage in doubly dopedlithium niobate crystals，Nature，1998，397(7)665～668)。在LiNbO3晶體中摻入不同能級(jí)深度雜質(zhì)中心Fe或Ce(淺能級(jí)中心)和Mn或Cu(深能級(jí)中心)，用波長(zhǎng)為632.8nm的紅光記錄體全息光柵，用波長(zhǎng)為365nm的紫外光對(duì)晶體敏化。用來(lái)記錄的紅光只能激發(fā)淺能級(jí)中心的電子，而用來(lái)敏化的紫外光能同時(shí)激發(fā)深能級(jí)和淺能級(jí)中心的電子。LiNbO3Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體非揮發(fā)性光折變?nèi)⒂涗浻腥齻€(gè)步驟1)預(yù)敏化過(guò)程用均勻紫外光照射晶體，使電子通過(guò)導(dǎo)帶從深中心Mn(Cu)激發(fā)到淺中心Fe(Ce)中去，以增加晶體對(duì)記錄紅光的靈敏度；2)紅光記錄過(guò)程在紫外光繼續(xù)照射的同時(shí)用雙紅光成一定夾角入射晶體，紅光的周期性干涉光強(qiáng)同時(shí)引起Mn(Cu)中心和Fe(Ce)中心的電荷重新分布，在兩個(gè)中心形成空間電荷場(chǎng)，進(jìn)而通過(guò)線性電光效應(yīng)在兩個(gè)中心形成折射率調(diào)制的體相位光柵；3)紅光固定過(guò)程關(guān)閉紫外光，只用一束紅光照射晶體，以消除淺中心中記錄的光柵，而保留對(duì)紅光不敏感的深中心的光柵。保留在深中心中的體全息光柵對(duì)紅光不再敏感，從而實(shí)現(xiàn)了光折變體全息光柵的非揮發(fā)性記錄。在雙摻雜LiNbO3晶體中四個(gè)體全息光柵HG1-HG4均采用雙中心非揮發(fā)性光固定全息存儲(chǔ)的方式記錄，采用光通訊波段1550nm附近的信號(hào)光波讀出，記錄光和讀出光同時(shí)滿足光柵的布拉格匹配條件；讀出時(shí)，滿足布拉格條件的光波受到光柵的衍射而從多波長(zhǎng)光束中分離出來(lái)，不滿足布拉格定律的光波將直接透過(guò)光柵而直接傳播。因而利用分布在LiNbO3晶體中不同位置處的體全息光柵的衍射作用，實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用(WDM)信號(hào)光束的解復(fù)用，解復(fù)用后的各個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)光波在空間上充分分開(kāi)，從而有效地避免了串?dāng)_。
所說(shuō)的電光開(kāi)關(guān)組113，包括四個(gè)電光開(kāi)關(guān)EOSW1-EOSW4，分別由四塊結(jié)構(gòu)相同LiNbO3晶體114-117及附在晶體兩側(cè)的電極118-122構(gòu)成；所說(shuō)的四塊晶體114-117并排放置，兩端對(duì)齊，一端緊靠晶體112放置，相鄰晶體共用一個(gè)電極。圖5為電光開(kāi)關(guān)EOSW1的結(jié)構(gòu)圖，包括一塊有一個(gè)45°斜面的長(zhǎng)方體LiNbO3晶體114和附在其兩側(cè)的電極118，119(圖中未標(biāo)出)。所說(shuō)的晶體114有一個(gè)內(nèi)反射面H、一個(gè)光束輸入面E、一個(gè)光束輸出面F和與光束輸出面F平行的平面G。所說(shuō)的光束輸入面E與光束輸出面F垂直，內(nèi)反射面H與光束輸出面F之間的夾角是45°。所說(shuō)的光束輸入面E、光束輸出面F分別平行于坐標(biāo)面xy、xz。所說(shuō)的晶體114的光軸取向垂直于光束輸入面E且與坐標(biāo)z軸平行。所說(shuō)的電極118、119分別安置在晶體114的與坐標(biāo)x軸垂直的兩個(gè)相對(duì)平行側(cè)面上。所說(shuō)的電極118的寬度等于或略小于晶體114的寬度，晶體114的寬度定義為所說(shuō)的光束輸出面F和與之平行的表面G之間的距離；電極118的長(zhǎng)度等于或略小于晶體114的長(zhǎng)度和寬度，晶體114的長(zhǎng)度定義為光束輸出面F和內(nèi)反射面H的交線與光束輸入面E之間的距離。所說(shuō)的電極118、119分別接直流高壓電源的兩極，用于給晶體114加橫向半波電壓。其它三個(gè)電光開(kāi)關(guān)EOSW2-EOSW4的結(jié)構(gòu)與EOSW1完全相同。
所說(shuō)的電光開(kāi)關(guān)EOSW1-EOSW4利用了LiNbO3晶體的雙折射效應(yīng)和線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了正交偏振光束的空間分離和信號(hào)光束的空間交換。這下面結(jié)合EOSW1來(lái)說(shuō)明電光開(kāi)關(guān)的工作原理。圖6給出未加橫向半波電壓(POWEROFF)時(shí)晶體114中的光路圖。正交偏振的兩束信號(hào)光波(λ1，λi，add)沿著同一光路垂直入射到晶體114的光束輸入端面E上，在晶體114中沿著光軸c方向傳播。兩束信號(hào)光波在晶體114內(nèi)反射面H上的入射角都是45°，大于晶體的全反射角(約27°左右)，因而在晶體內(nèi)反射面H上發(fā)生全反射。o光(波長(zhǎng)為λ1)的反射角為45°，反射后在晶體114中沿著坐標(biāo)y方向傳輸，最后從晶體114的光束輸出端面F垂直射出，計(jì)作λ1(o)；e光(波長(zhǎng)為λ1，add)的反射角δ大于45°，反射后與o光的偏離角θ1＝δ-45°，經(jīng)晶體114的光束輸出面F折射后射出，記作λ1，add(e)。e光在光束輸出端面F上的入射角等于它與o光的偏離角θ1，折射角θ2大于θ1，因此在晶體外o光和e光進(jìn)一步偏離。圖7給出加橫向半波電壓(POWERON)時(shí)晶體114中的光路圖，由于LiNbO3晶體的橫向電光效應(yīng)，在光束輸入面E和內(nèi)反射面H之間沿著同一光路傳播的兩束正交偏振光到達(dá)內(nèi)反射面H時(shí)振動(dòng)方向都轉(zhuǎn)動(dòng)了90°；經(jīng)內(nèi)反射面H反射后，原來(lái)的e光沿著o光的光路傳播，最后垂直于光束輸出端面F射出，記作λ1，add(o)；原來(lái)的o光沿著e光的光路傳播，經(jīng)光束輸出端面F折射后射出，記作λ1(e)?？梢?jiàn)，沿著同一光路傳播的兩束正交偏振信號(hào)光，在晶體中經(jīng)過(guò)分別經(jīng)過(guò)一次全反射、一次折射后，將分成沿著不同方向傳播的兩個(gè)線偏振光，實(shí)現(xiàn)了正交偏振光束的空間分離，這對(duì)應(yīng)電光開(kāi)關(guān)的直通狀態(tài)；給晶體114加橫向半波電壓，原來(lái)的o光變成e光，e光變成o光，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光束的空間交換，這對(duì)應(yīng)電光開(kāi)關(guān)的交叉狀態(tài)。
本發(fā)明的工作過(guò)程結(jié)合在發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)圖1進(jìn)一步說(shuō)明如下波分復(fù)用(WDM)信號(hào)(包括4個(gè)波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3、λ4)沿信號(hào)輸入光纖101傳輸，經(jīng)光纖準(zhǔn)直器102準(zhǔn)直擴(kuò)束后從晶體112的光束輸入面A垂直入射到解復(fù)用器111中去。在晶體112中不同位置處預(yù)先記錄的四個(gè)體全息光柵HG1-HG4分別對(duì)波長(zhǎng)為λ1-λ4的信號(hào)光波產(chǎn)生衍射。波分復(fù)用信號(hào)光束經(jīng)過(guò)體全息光柵HG1時(shí)，波長(zhǎng)為λ1的光波被衍射而從多波長(zhǎng)信號(hào)光束中分離出來(lái)，從晶體112的光束輸出端面D垂直射出，然后垂直于晶體114的光束輸入面A進(jìn)入到電光開(kāi)關(guān)EOSW1中，并沿著晶體114的光軸(c)方向傳播；剩余的波長(zhǎng)為λ2、λ3、λ4信號(hào)光波因不符合布拉格條件而直接通過(guò)光柵HG1繼續(xù)傳播到達(dá)光柵HG2，HG2衍射波長(zhǎng)為λ2的信號(hào)光波而透過(guò)波長(zhǎng)為λ3、λ4的信號(hào)光波，衍射光波進(jìn)入到電光開(kāi)關(guān)EOSW2中，并沿著晶體115的光軸方向傳播；同理波長(zhǎng)為λ3、λ4的信號(hào)光波分別受到體全息光柵HG3、HG4的衍射而從剩余信號(hào)光束中分離出來(lái)，進(jìn)入到電光開(kāi)關(guān)EOSW3、EOSW4中，分別沿晶體116、117的光軸方向傳播。本地上路的四個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)(λ1，add、λ2，add、λ3，add、λ4，add)光波沿輸入光纖103-106傳輸，分別經(jīng)光纖準(zhǔn)直器107-110準(zhǔn)直擴(kuò)束后，從晶體112的光束輸入端面C垂直進(jìn)入到解復(fù)用器111中去。四個(gè)上路信號(hào)光波的波長(zhǎng)分別與波分復(fù)用信號(hào)光波的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)相等，但振動(dòng)方向與波分復(fù)用信號(hào)垂直。四個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)光束分別沿著對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的解復(fù)用信號(hào)的光路傳播，到達(dá)體全息光柵HG1-HG4時(shí)因不符合布拉格條件而直接透過(guò)光柵，沿著原來(lái)的光路繼續(xù)傳播，最后從晶體112的輸出端面D垂直射出，分別進(jìn)入到晶體114-117中去。這樣在電光開(kāi)關(guān)組113的每塊晶體中，平行于光軸方向的同一光路上同時(shí)傳播著波長(zhǎng)解復(fù)用信號(hào)光波和相同波長(zhǎng)的本地上路信號(hào)光波。這兩個(gè)正交偏振的信號(hào)光波在晶體中分別經(jīng)過(guò)一次全反射、一次折射后，從晶體的輸出端面射出，出射光波的傳播方向發(fā)生偏離；通過(guò)控制電光開(kāi)關(guān)EOSW1-EOSW4的交叉狀態(tài)(加橫向半波電壓)和直通狀態(tài)(不加橫向半波電壓)可以動(dòng)態(tài)地選擇本地上、下路和直通的波長(zhǎng)信道。電光開(kāi)關(guān)EOSW1-EOSW4選擇的本地下路信號(hào)(λ1，d、λ2，d、λ3，a、λ4，d，)分別由光纖準(zhǔn)直器127-130耦合進(jìn)輸出光纖131-134中；本地上路、直通的光信號(hào)(λ1，、λ2，、λ3，、λ4，)分別經(jīng)光纖準(zhǔn)直器123-126耦合進(jìn)輸出光纖135-138，再經(jīng)4×1信道耦合器139耦合后輸出到波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖140。
本發(fā)明裝置具體實(shí)施例如下晶體112是經(jīng)高溫氧化的LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu單晶。晶體切割成規(guī)格為5×5×30mm3的長(zhǎng)方體，所有的面進(jìn)行光學(xué)拋光，光軸平行于yz平面且與z軸的夾角為45°。采用氦氖激光器作為記錄光源，它發(fā)出波長(zhǎng)為632.8nm的尋常偏振的紅光，光強(qiáng)為600mW/cm2，；100W的球形高壓汞燈，用透紫外的濾光片濾光后經(jīng)匯聚透鏡聚焦作為非偏振的紫外敏化光源，其波長(zhǎng)為365nm，光強(qiáng)為15mW/cm2。記錄紅光在LiNbO3晶體中的折射率為2.28647，在晶體內(nèi)的記錄角θ、在空氣中的入射角θi分別由(3)、(4)兩式得到。采用傳統(tǒng)的對(duì)稱記錄光路，即把記錄尋常光分成強(qiáng)度近乎相等的兩束光對(duì)稱地入射到晶體中，光束的直徑為2mm，記錄光柵矢量平行于晶體的光軸。記錄過(guò)程如下首先用紫外光對(duì)要記錄的部分進(jìn)行1小時(shí)左右的預(yù)敏化，然后用空間調(diào)制的紅光和紫外光同時(shí)照射晶體進(jìn)行光折變?nèi)⒂涗洠涗浄€(wěn)定后，關(guān)閉紫外光，用一束紅光進(jìn)行讀出固定，最終在晶體中記錄了非揮發(fā)性體全息光柵。使按上述方法記錄的四個(gè)體全息光柵HG1-HG4在晶體112內(nèi)部等間距排列，并且位于平行于坐標(biāo)y方向的同一直線上。四個(gè)光柵彼此間隔為6mm，HG1距離晶體112的A端面、HG2距離晶體112的B端面均為6mm。表1列出了四個(gè)體全息光柵HG1-HG4記錄和讀出的相關(guān)參數(shù)ITU-T規(guī)定的1550nm附近的四個(gè)信號(hào)光波的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)λ、尋常偏振的信號(hào)光波在雙摻雜LiNbO3晶體中的折射率no、記錄尋常光波在晶體內(nèi)的記錄角θ、在晶體表面上的入射角θI和記錄的體全息光柵的空間周期Λ。
晶體114-117從同一塊LiNbO3晶體基片上切割下來(lái)，并加工成具有一個(gè)45°內(nèi)反射面的六面體，其光軸平行于晶體的長(zhǎng)度方向。四塊晶體的規(guī)格相同，其長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為45mm、5mm和5mm，晶體的各個(gè)面都進(jìn)行了光學(xué)拋光。電極118-122規(guī)格相同，均由長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為40mm、4mm和1mm的Cu片構(gòu)成。電極118-122外接直流高壓電源，使兩個(gè)相鄰電極的極性相反。LiNbO3晶體的橫向半波電壓是4000V，考慮到晶體通光部分的長(zhǎng)度和厚度之間的縱橫關(guān)系，實(shí)際所加的橫向半波電壓在500V左右。
信號(hào)光波為ITU-T規(guī)定的1550nm附近的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)，各波長(zhǎng)信道之間的間隔為0.8nm，因此它們?cè)谒膲K晶體114-117中的傳播情況幾乎相同。在晶體114-117的內(nèi)反射面上o光和e光入射角均為45°，o光的反射角為45°，最后從晶體的輸出端面垂直射出；e光的反射角δ為46.86°，它與o光的偏離角θ1＝1.86°，最后從輸出端面斜射出晶體，折射角θ2為4.26°。
本實(shí)施例中波分復(fù)用光信道的數(shù)目可靈活擴(kuò)充為8路，16路等，只需要在雙摻雜LiNbO3晶體112中記錄相應(yīng)數(shù)目的體全息光柵，并相應(yīng)擴(kuò)充電光開(kāi)關(guān)組113中晶體的數(shù)目。
本實(shí)施例中波分復(fù)用信號(hào)的信道間隔可為0.4nm甚至更小，可以通過(guò)改變?nèi)⒐鈻诺挠涗浗嵌葋?lái)實(shí)現(xiàn)，從而適用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)。
表1具體實(shí)施例中體全息光柵記錄和讀出相關(guān)參數(shù)

權(quán)利要求
1.一種鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，其特征在于它包括波分復(fù)用信號(hào)輸入光纖(101)和與之連接的光纖準(zhǔn)直器(102)；本地上路信號(hào)m束輸入光纖(103-106)和與之連接的m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(107-110)；單塊雙摻雜LiNbO3晶體(112)制成的光波分解復(fù)用器(111)；電光開(kāi)關(guān)組(113)；本地上路、直通信號(hào)m束輸出光纖(135-138)和與之連接的m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(123-126)；本地下路m個(gè)信號(hào)輸出光纖(131-134)和與之連接的m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(127-130)；一個(gè)m×1信道耦合器(139)；波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖(140)，其位置關(guān)系是所說(shuō)的本地上路、直通信號(hào)m束輸出光纖(135-138)與所說(shuō)的m×1信道耦合器(139)的輸入端相連；所說(shuō)的波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖(140)與m×1信道耦合器(139)的輸出端相連；沿輸入光纖(101)傳輸?shù)牟ǚ謴?fù)用信號(hào)(λ1-λ4)經(jīng)光纖準(zhǔn)直器(102)準(zhǔn)直擴(kuò)束后進(jìn)入到光波分解復(fù)用器(111)中，解復(fù)用后的各個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入到電光開(kāi)關(guān)組(113)中；電光開(kāi)關(guān)組(113)選擇需要下路的波長(zhǎng)信道和需要上路、直通的波長(zhǎng)信道，下路的光信號(hào)分別經(jīng)m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(127-130)耦合進(jìn)m束輸出光纖(131-134)；上路和直通的光信號(hào)分別經(jīng)m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(123-126)耦合進(jìn)m束輸出光纖(135-138)，經(jīng)m×1信道耦合器(139)耦合后輸出到波分復(fù)用信號(hào)輸出光纖(140)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，其特征在于所述的雙摻雜LiNbO3晶體(112)是一塊長(zhǎng)方體LiNbO3:Fe:Mn或LiNbO3:Ce:Cu晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，其特征在于所述的光波分解復(fù)用器(111)是由單塊雙摻雜鈮酸鋰單晶(112)的構(gòu)成的，包括波分復(fù)用信號(hào)光束輸入端面A和與之平行的相對(duì)表面B；本地上路信號(hào)光束輸入端面C和與之平行的信號(hào)光束輸出端面D；還包括上下兩個(gè)相對(duì)平行的表面；所述的光束輸入端面A與所述的光束輸出端面D相互垂直，二者分別平行于坐標(biāo)zx、xy面；所述的晶體(112)的光軸c在坐標(biāo)yz面內(nèi)且與z軸的夾角為45°，所述的晶體(112)中預(yù)先記錄了m個(gè)體全息光柵HG1-HG4，它們?cè)诰w(112)中等間距排列，分別位于從光纖準(zhǔn)直器(102)出射的波分復(fù)用光信號(hào)和從m個(gè)光纖準(zhǔn)直器(107-110)出射的本地上路光信號(hào)傳輸光路的交點(diǎn)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鋰晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，其特征在于所述的電光開(kāi)關(guān)組(113)含有m個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電光開(kāi)關(guān)，是由結(jié)構(gòu)相同的m塊鈮酸鋰晶體(114-117)及附在晶體兩側(cè)的電極(118-122)構(gòu)成的；所說(shuō)的m塊晶體(114-117)并排放置，兩端對(duì)齊，一端緊靠晶體(112)放置，相鄰晶體共用一個(gè)電極，每塊LiNbO3晶體為一具有一45°斜面的長(zhǎng)方體(114)，該晶體(114)有一個(gè)內(nèi)反射面D、一個(gè)光束輸入面E、一個(gè)光束輸出面F和與光束輸出面F平行的平面H，所說(shuō)的光束輸入面E與光束輸出面F垂直，內(nèi)反射面H與光束輸出面F之間的夾角是45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，其特征在于所述的電極(118-122)的長(zhǎng)度等于或略小于晶體(114-117)的長(zhǎng)度和寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體體全息光柵的光分插復(fù)用器，其特征在于所述的m＝4。
全文摘要
一種鈮酸鋰晶體全息光柵的光分插復(fù)用器，包括用單塊雙摻雜LiNbO
文檔編號(hào)H04J14/02GK1424601SQ02155048
公開(kāi)日2003年6月18日 申請(qǐng)日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者劉立人, 董前民, 劉德安, 欒竹, 周煜, 祖繼鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所