專利名稱：具有變跡光譜響應系統的濾光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及導波光學器件領域，該導波光學器件包括光柵，即包括一個能通過光波的部件并且其光學參數以沿光路徑交替的方式變化。
本發明涉及同向耦合器和反向耦合器、導波布喇格反射器、光纖類波型變換器或例如VCSEL空腔布喇格反射器。
上述裝置過濾光波，它們消除波長在選擇范圍之外的光波。
一般的說，當濾光器能夠精確地傳輸選擇波長的光波并能夠精確地濾除其它波長的光波，則說明該濾光器的質量好。換句話說，如果在傳輸的波長范圍內，其光譜響應為大致接近1的常數并且在傳輸的波長范圍外，其光譜響應為大致接近0的常數時，則說明該濾光器的質量好。
然而，當前光柵濾光器的光譜響應的特征是存在副瓣。
為了生產副瓣振幅小的濾光器，換句話說，即為了生產高反射率的濾光器，提出了多種制造方法。比如各種變跡法(apodisation)是技術人員所熟知的方法。
當利用耦合模理論從形式上將光柵裝置描述為干擾區時，所建議的變跡法的要點在于對沿光路徑的耦合系數的變化振幅進行調制。
設計同向耦合器和反向耦合器通常使用的改變耦合系數的振幅的第一種變跡法是通過改變波導管間的距離實現的。在文獻[1]至[3]中說明了這種方法。它會產生約30dB到40dB的副瓣變跡。
附
圖1示出上述類型的波導管間距變化的同向耦合器的俯視圖。
在此裝置中，根據耦合模原理，通過一條或兩條產生沿脈動波導管波動分布耦合系數的波導管的橫向脈動可以引起兩條波導管之間距離的波動。波動周期確定該裝置選擇的起始波長或鎖相長度。
脈動波導管還具有一般的弧形形狀，這樣，在裝置的中心，波導管之間的距離最小，在其兩端，波導管之間的距離最大。因此，在每次脈動計算的平均耦合系數在中心具有最大值而向著波導管的端部會逐漸減小。
在每次脈動時計算的平均耦合系數的這種喇叭形變化減少了濾光器光譜響應的副瓣。
然而，上述方法的一個主要缺點是平均波導管間距的脈動振幅必須在2μm至5μm的范圍內，正弦變化的振幅必須為1μm的數量級。因此，實現這種裝置要求波導管間距變化的精度高，實際上，難于達到這樣高的精度。
此外，耦合系數與波導管間距按非線性的關系有關，并且這往往會增強誤差的副作用并且使得波導管間距具有不確定性。
這種方法還難于實現垂直耦合器并且不能應用于只有一條波導管的部件，例如，如附圖3所示的布喇格反射器或光波型變換器。
第二種方法即調制振幅變化的方法，該方法的要點在于，通過改變波形輪廓或通過改變光纖的折射率，改變耦合系數。
實際上，當波形輪廓發生變化時，難于控制波形的振幅，因此，耦合系數調節應具有足夠的精度。通常，所要求的波形振幅小于1μm。
當光纖的折射率發生變化時，采用非常復雜、非常精確的紫外線輻照技術。在文獻[4]至[7]中說明了這些方法，而且這些方法特別建議在光纖內刻蝕光柵。
第三種方法即周期比值變化方法，在文獻[8]對其進行了說明。對于光柵間距，將周期比值定義為正耦合系數間隔部分的長度與負耦合系數間隔部分的長度的比值。該方法沿光路徑改變此比值。
圖7示出一種本來已知類型的光柵濾光器，沿光路徑調節其周期比值。
該濾光器包括中央波導管，中央波導管的兩側由適于利用這兩部分調節中央波導管段的耦合系數的部分包圍。
更確切地說，被包圍了右側的中央波導管部分具有負耦合系數而被包圍了左側的中央波導管部分具有正耦合系數。
可以認為中央波導管為連續段，各連續段均由耦合系數為負的波導管部分和跟隨其后的耦合系數為正的波導管部分組成。
在圖7至圖9中，在構成濾光器的連續段之間繪出了虛線并從1至8對連續段進行標號。
這些段的長度相同。換句話說，就是這樣排列橫向段以致包括右側部分和左側部分的每對沿波導管具有固定長度。
圖9示出耦合系數沿濾光器在段編號由4到8增加的方向的分布情況。
在圖9所示的圖中，橫坐標代表距離z，沿濾光器在段編號增加的方向測量距離z。縱坐標代表與波導管位置有關的耦合系數k。
因此，一段濾光器由連續的兩個子段組成，其中一個子段的耦合系數為正而另一個子段的耦合系數為負，而它們的絕對振幅相同。
因此，各段形成沿濾光器固定的波瓣，而且各波瓣具有相同的振幅。
根據本來已知的周期比值變化原理，對于光柵的所有段，各段中負波瓣長度與正波瓣長度之間的比值不同。
換句話說，中心段實質上被分為兩等份，其中一部分的耦合系數為正，另一部分的耦合系數為負，而且在濾光器的末端段的有負耦合系數的部分的長度與有正耦合系數的部分的長度之間的差值大。
如圖7所示，有正耦合系數的部分的長度是有負耦合系數的部分長度的兩倍。
在離開裝置的中心的方向上，會增加各段中正耦合系數部分與負耦合系數部分之間的不均衡。換句話說，波導管中一對的右側部分和左側部分之間具有這樣的比例以致其在波導管的中央為最大值并向著波導管的末端方向逐漸減小。
段沿濾光器保持固定長度，負耦合系數部分的長度在離開裝置中心的方向逐漸減小，正耦合系數部分的長度對負耦合系數部分的減小進行補充，在離開裝置中央的方向逐漸增加。
i折射率段的耦合系數平均值被定義為耦合系數平均值Km(i)，圖8所示為其沿波導管的分布情況。
與周期比值的分布一致，對折射率為i的各段計算的耦合系數Km(i)，在波導管的末端的數值小，在波導管的中心的數值大。
在各段中，已知平均耦合系數的這種分布情況會產生變跡光譜響應。
這種方法采用固定光柵高度和固定波導管間距。
這種方法所要求的對段長度的控制比上述參考的各種方法所要求的幾何控制更容易實現。這種方法特別適用于同向耦合器，在同向耦合器中，光柵間距通常為幾十微米。
盡管如此，這種方法還是具有一個主要的缺點，即利用這種方法獲得的裝置通常會產生高輻射損耗。
此外，在利用這種方法獲得的裝置中，鎖相長度隨周期比值變化，這樣在設計濾光器的過程中會產生其它問題。在文獻[8]中對這些問題進行了討論。
另外，還建議了與周期比值變化方法相同的其它變跡法。在文獻[10]至[12]中對這些方法進行了討論。
其中有一種方法，濾光器由具有光柵的部分和不具有光柵的部分構成。通過改變沿濾光器方向具有光柵部分的長度與不具有光柵部分的長度的比會產生變跡。圖4為利用這種方法獲得的濾光器的圖解說明。
這些濾光器具有許多無光柵的部分，因此，它的缺點是總體長度太長。
此外，這種方法似乎不能實現大于20dB的副瓣變跡值。
另外，本來已知的方法還有調節光譜響應的方法，在該方法中，所制造的光柵的間隔長度，即光柵間距沿光柵變化。在制造布喇格反射器的過程中通常使用這些所謂“線性調頻脈沖”方法。
在文獻[13]和[14]建議的方法中，為了展寬濾光器的光譜響應，所以利用光柵間距的線性或準線性單調遞增變化。這種方法不會降低副瓣值。
圖5和圖6示出利用這些方法獲得的裝置。
正如文獻[15]中所討論的那樣，在這些方法中，改變各段平均耦合系數的傳統方法產生副瓣變跡。
本發明的主要目的是建議一種光柵型濾光器，可以利用不具有上述缺點的方法對該光柵型濾光器進行變跡。
根據本發明，利用適于通過光波并根據波長對該光波進行濾波的裝置，可以實現此目的。在這種裝置中，該裝置的光學參數沿光波路徑的方向以這樣的方式變化以致該裝置具有每個均由兩個連續分段組成的一系列段，其中一個分段的光學參數小于平均值，而另一個分段的光學參數大于平均值，其特征在于，該裝置至少有這樣一個區域，即其長度小于、大于該區域內各段的平均長度的各段是交替的。
通過參考僅作為非限制性示例提供的附圖閱讀以下詳細說明，本發明的特征、目的和優勢會更加明顯。所提供的附圖，其中圖1示出現有技術的可變波導管間距同向耦合器的俯視圖；圖2示出圖1所示的同向耦合器沿圖1中的Ⅱ-Ⅱ線的剖面圖；圖3示出現有技術布喇格反射器的透視圖；圖4示出根據通過將沿裝置方向具有光柵和不具有光柵的部分進行交替來改變耦合系數的方法的裝置的示意圖；圖5示出具有線性變化(“線性調頻脈沖”)的光柵間距的裝置的圖解說明；圖6示出準線性的現有技術采樣或步進線性調頻脈沖的光纖光柵的俯視圖；圖7示出具有交替的左側分支部分和右側分支部分的現有技術的波導管的俯視圖；圖8示出沿圖7所示的濾光器的各段的平均耦合系數的分布圖；圖9示出圖7所述的濾光器的一半內的耦合系數的分布圖；圖10示出根據本發明光柵型同向耦合器的俯視圖；圖11示出沿圖10所示的濾光器的耦合系數的分布圖；圖12示出沿圖10所示的濾光器的各段長度的分布圖13示出根據本發明的變跡波導管間距波動濾光器的俯視圖；圖14示出具有由交替的ALAs和GaA層構成的布喇格反射鏡的垂直空腔激光器的剖面圖；圖15示出在根據本發明的變跡同向耦合器中各段長度的分布圖；圖16示出相同同向耦合器的光譜響應圖和相應的非變跡同向耦合器的光譜響應圖；圖17示出根據本發明具有80段的布喇格發射器的段長度分布圖；圖18示出相同布喇格發射器的光譜響應圖和相應的非變跡布喇格反射器的光譜響應圖；圖19示出根據本發明具有180段的布喇格發射器的段長度分布圖；圖20示出圖19所示的布喇格發射器光譜響應圖以及相應的非變跡布喇格發射器的光譜響應圖。
圖21示出根據本發明具有80對雙層對的布喇格反射鏡的光譜響應圖以及相應的非變跡布喇格反射鏡的光譜響應圖；圖22示出根據本發明具有10層的布喇格反射鏡的光譜響應圖以及相應的非變跡布喇格反射鏡；以及圖23示出具有矩形光柵的現有技術的同向耦合器的側視圖；圖10示出根據本發明的同向耦合器。在本來已知的方式中，這種耦合包括第一波導管100，脈動橫向到達波導管的縱向主軸Z；以及直線型第二波導管200，并行擴展到第一波導管100的縱向主方向Z。
根據波動作用，裝置的兩個波導管100和200之間以本來已知的方式耦合，在第一波導管內沿光路徑產生耦合系數分布。
更確切地說，波導管100的任一點的耦合系數的符號依賴于波導管100的上述點位于波導管縱向主軸Z的哪一側。
在位于主軸Z和直線型波導管200之間的振蕩波導管100的各部分內，耦合系數為正，而在直線型波導管200的對側到Z軸上的波動波導管100的各部分內，耦合系數為負。
在圖10中，各段被定義為一系列兩個連續的濾光器部分，這兩個連續的濾光器部分的耦合系數分別為負數和正數。
如果波導管100的某點的耦合系數的符號與波導管100上該點所在的主軸Z一側的耦合系數的符號一致，那么可以用幾何術語將波導管100的段定義為位于主軸Z的相對側的振蕩波導管的兩個連續副瓣的連續性。
在圖10中，沿波導管從左側端向右側端移動，段S-10通過段S0到段S10被橫向虛線分割。因此，段S0為濾光器的中心段，段S10為右側端段，段S-10為左側端段。
因此，S0至S10段組構成波導管的右半部分。
圖11示出耦合系數沿由分段S0至S10構成的濾光器的右半部分中的光路徑變化的分布圖。
盡管未示出耦合系數在濾光器左半部分的分布圖，但是技術人員可以根據對稱性原理利用圖11容易地推斷出濾光器左半部分的分布圖。
在圖11中，將沿濾光器測量的距離z繪到橫坐標，將沿濾光器的相應點(具有橫坐標z)的耦合系數k繪到縱坐標。
在說明根據本發明的濾光器的圖10與說明沿濾光器的耦合系數變化的圖11之間存在直接對應關系。
因此，還利用橫向虛線示出沿濾光器11的結構的各段的分布圖。
因此，可以將根據圖10所示的裝置以及根據圖11所示的耦合系數的分布圖分為段，構成段的兩個子部分之間互相對應。
本發明人發現通過采用段長度沿濾光器的特定分布，與相應的傳統濾光器的光譜響應比較，所獲得的光譜響應的副瓣存在明顯衰減，也就是說，濾光器實質上具有相同的平均段長度，但不是這種特定分布。
“光柵間距”的表述通常是指連續段的固定長度。在本說明書的剩余部分中，“間距”還用于代表濾光器的段長度，但是，在這種情況下，整個濾光器的“間距”不是固定的。圖10和圖11所示的段具有不同的間距。
現在說明根據本發明的段長度的特定分布。
正如在圖10和圖11中看到的那樣，各段長度是這樣分布的，即短段和長段沿波導管的長度方向交替分布。換句話說，段長度沿光柵方向以波動方式變化。
更確切地說，在圖10中，如果選擇任何一組連續段并且已經確定該組中各段的平均長度，那么，其長度在該組中各段的平均長度的上、下的各段交替出現。
換句話說，沿著已選各段的組中的濾光器的方向，長度小于平均長度的段的后面是長度大于平均長度的段，長度大于平均長度的段的后面是長度小于平均長度的段，等等。
在圖10所示的濾光器的任一部分，各段長度的分布沿濾光器在平均段長度的上、下波動。
圖12示出沿圖10所示的濾光器的右側各段長度的分布圖。
連續各段的參考號S0至S10標在橫坐標，而S0至S10各段的長度標在縱坐標。
圖12示出一條水平直線，其縱坐標M相當于S0至S10的各段的平均長度。
可以看出各段的平均長度的分布圖是波動的，即各段的長度在平均長度的上、下交替。對應于兩個連續段的各點被上升的分段和下降的分段交替連接。
根據本發明，各段的長度不必在整個光柵的上、下波動。當僅應用于光柵一部分時，這種波動性分布果然有利。
本發明人發現，與其中不具有此種特性的部分的類似波導管比較，通過使各段的長度至少在光柵波導管的一部分的平均長度的上、下波動，可以明顯改善所獲得的光譜響應。
本發明人對第一種光柵型濾光器與第二種濾光器進行了比較，第一種光柵型濾光器的耦合系數以傳統方式沿光柵波動，第二種濾光器除了有一部分各段長度在平均值的上、下交替的光柵之外與第一種濾光器相同。
發現第二種濾光器的光譜響應的副瓣比第一種濾光器的光譜響應的副瓣存在明顯衰減。
各段長度在平均值的上、下交替的部分的段的長度分布的優勢在于具有附加特性，即段的長度在平均長度的上、下波動的波動振幅沿該部分在離開濾光器中心的方向增加。
因此，在圖12中，中心段S0的長度實質上等于各段的平均長度M，段S1和段S2的長度相對來說偏離平均長度M的程度較小，但是，靠近波導管右側的段S9和S10的長度大于各段的平均長度M。
S0至S10各段的長度在平均長度M的上、下波動，相對于平均長度M的波動差在離開波導管中心C的方向增加。
換句話說，如果測量S0至S10的各段的長度與S0至S10的各段的平均長度的差值，則差值的絕對值對于裝置的所有部分從段S0到S10增加。
如圖12所示，兩個連續段的長度比值，即較大長度與較小長度的比值從濾光器的中心向一端逐漸增加。
本發明人發現，通過至少使濾光器的一部分中的各段的長度相對于平均長度波動，并且使波動的絕對差值沿該部分在離開濾光器中心的方向逐漸增加，可以改善濾光器的變跡。
在參考圖10至圖12所述的優選實施例中，有關段的長度與各段的平均長度之間的差值從裝置的中心位置的0開始增加到端部段S10處的最大值。
各段的長度與各段的平均長度的絕對差值從裝置的中心直到濾光器的末端單調增加，也就是說，至少在濾光器的一半絕對差值單調增加，此種情況是獲得清晰變跡光譜響應的有利分布。
盡管這種方法對于變跡質量有利，但是并不要求差值在濾光器的末端達到最大值。
此外，盡管這種方法對于變跡質量有利，但是無需從等于濾光器各段平均長度的中心開始，即無需事先將裝置中心的差值定義為0。
在這里所描述的優選實施例中，相關段的長度與平均長度之間的絕對差值從濾光器的中心到其各末端線性增加。
因此，各段的長度在平均長度的上、下波動，并且其波動振幅從裝置的中心到濾光器的兩個末端線性增加。
在此，各段的長度分布由等式l(s)=l0×(1(1+ε(s)×(-1)s)給出，其中l(s)為符號s處段的長度，其中s對應于在光柵中從光柵的一端到另一端編號由1至N的段號，其中l0為光柵的平均段長度，并且ε(s)為段s的長度相對于平均長度l0的差值。
ε(s)由ε(s)=c×(2×(s-0.5-(N/2))/N)給出，N為光柵中段的總數，c為常數。
參考本來已知的“線性調頻脈沖變化”方法，c代表線性調頻脈沖，盡管在現有技術的方法中，各段的長度不是波動式分布的，而是單調增加式分布或單調減小式分布。
本領域技術人員知道如何將上述等式應用于其它光柵型濾光器，特別是與耦合模體系一致的濾光器(即作為耦合系數沿光路徑變化點的光柵)的生產過程中。
通過沿光柵少許調整各段的長度分布，就可以由本來已知的光柵獲得根據本發明的變跡裝置。
從傳統的非變跡光柵開始，本領域技術人員完全知道如何根據耦合系數的分布來識別與上述定義一致的各段，并且知道如何確定傳統光柵中各段的平均長度l0。
然后，技術人員就能夠根據本發明(例如，根據上述建議的等式)生產除了各段長度沿光柵波動之外與傳統光柵相同的裝置。利用上述給出的分布等式，技術人員只需使用與光柵的性質和尺寸相配的線性調頻脈沖值c就可以獲得比初始光柵的光譜響應具有有效變跡的光譜響應。
圖13示出根據本發明由平均段長度l0(即“光柵間距的平均值”)為150μm的傳統非變跡同向耦合器制成的同向耦合器。
圖15示出沿具有40段與圖13所示的同向耦合器相同的同向耦合器光柵段長度的分布圖。
根據本發明的變跡同向耦合器的段長度l(s)根據下列等式沿光柵分布l(s)=l0×(1+ε(s)×(-1)s)，其中l0為初始非變跡耦合器的光柵的間距長度，ε(s)為光柵間距的相對變量并由等式ε(s)=c.sin(π.(s-0.5-N/2)/N給出。光柵的各段的平均長度等于150μm。在此，系數c等于-0.72(72％)。
在圖15中，從光柵的一端到另一端分布的段的編號為1到40。將符號為i以微米為單位的段長度Li標在縱坐標上。
圖16用實線示出根據本發明具有40段的同向耦合器的光譜，用虛線示出除了具有等于150μm的固定光柵間距之外類似同向耦合器的頻譜。
請注意，變跡耦合器光譜的副瓣的振幅明顯變小。在此實施例中，第一副瓣的變跡在20dB至30dB之間。
更一般地說，應用上述等式、線性調頻脈沖系數c在-1至1之間的同向耦合器所產生的變跡的第一個副瓣在20dB至30dB之間。
本發明人還制造了布喇格反射器，以波動的方式對其各段的長度進行分布，其線性分布的波動振幅由下列等式獲得l(s)=l0(l+ε(s)×(-1)s)和ε(s)=c(2(s-0.5-(N/2))/N)圖17示出上述這種具有80段、線性調頻脈沖系數c等于-0.85并且平均段長度為0.22μm的布喇格反射器的光柵間距的分布圖。
圖18用實線示出上述這種布喇格反射器的光譜，用虛線示出段長度固定等于0.22μm的布喇格反射器的光譜。副瓣的變跡約為30dB至50dB。
圖19示出在具有180段、整個反射器的平均段長度為0.22μm并且線性調頻脈沖系數c為-0.98的布喇格反射器內波動振幅從裝置的中心開始線性增加的段長度的分布圖。
圖20示出變跡布喇格反射器的光譜和具有相同的平均段長度并且其段長度具有等于平均段長度的固定段長度的布喇格反射器的光譜。同樣，副瓣的變跡約為30dB至50dB。
圖18至圖20說明，與初始的傳統型反射器比較，根據本發明的布喇格反射器沒有擴寬光譜，與利用線性調頻脈沖方法采用具有變化的段長度獲得的效果相反。根據本發明的裝置的光譜寬度稍小于相應的非變跡裝置的光譜寬度。
本發明并不局限于上述描述實施例，它涉及與耦合模體系一致的裝置，并且其沿光柵變化的光學參數即耦合系數。
更一般的說，建議裝置由濾光器組成并具有光柵，換句話說，所建議的裝置的光學參數是沿光路徑在平均值上、下變化的參數而非耦合系數。
本發明并不局限于利用裝置的幾何變化引起光學參數沿光路徑波動的裝置。
一般的說，技術人員在許多光學裝置中可以發現光學參數沿光路徑的變化，它們適于構成一系列連續的段，其中段被定義為由兩個連續的分段組成的部分，一個分段的光學參數大于光學參數的平均值，另一個分段的光學參數小于光學參數的平均值。
與不具有這種段長度分布的裝置比較，利用這種裝置的段長度波動分布生產的裝置的光譜響應顯示出明顯的變跡。
因此，本發明建議，例如，實現垂直空腔VCSEL激光器。正如圖14所示的那樣，這種裝置含有兩個布喇格反射鏡300和400，每個布喇格反射鏡包括連續交替的ALAs層500和GaAs層600。
在兩個布喇格反射鏡300和400之間有兩個間隔層350和450，在間隔層350和450之間為激活層370。
在圖14中，箭頭F示出光通過裝置的方向。
在布喇格反射鏡中，折射率沿光路徑在平均值的上、下波動。這種情況本來已知。
在此，波動參數即折射率。包括高折射率部分和低折射率部分、一層是ALAs另一層是GaAs的一對層是折射率發生變化的位置，其中每對層構成與上述定義一致的段。
與具有固定層對厚度并具有相同層對厚度平均值的反射鏡比較，平行于光路徑進行測量的、至少一部分布喇格反射鏡的段長度的波動分布(在此應用中，即ALAs/GaAs層對的厚度分布)可以明顯改進對布喇格反射鏡的波長選擇。
在本說明書的緒論部分，說明了一種本來已知、可以擴展光譜響應的方法，即“線性調頻脈沖方法”。在此方法中，根據由下列等式確定的大致線性的函數，段長度單調變化。
l(s)=l0(1+ε(s))ε(s)=c(2(s-0.5-N/2)/N)在根據本來已知的線性調頻脈沖方法的裝置中，以及在根據本發明方法的裝置中，c代表段長度與被光柵的各段的平均長度除的各段的平均長度之間的最大差值。
因此，c代表段長度與段的平均長度之間的最大偏差，此差值除以各段的平均長度產生相對均差。在根據上述描述的本發明的布喇格反射器中使用的線性調頻脈沖系數c的值比現有技術的線性調頻脈沖方法通常使用的線性調頻脈沖系數c的值高1至2個數量級。
因此，在現有技術的方法中的線性調頻脈沖系數的數值遠小于根據上述說明的本發明裝置中使用的線性調頻脈沖系數c的數值。
因此，本發明的優勢在于可以影響濾光器(例如使用大線性調頻脈沖值的布喇格反射器)的變跡，這樣獲得的濾光器對產生的誤差和不精確不敏感。
正如從圖11可以看到的那樣，在各段中，耦合系數為負的分段與耦合系數為正的分段具有相同的長度。
因此，鑒于在段S0至S10組中，分段長度具有正耦合系數(更具體地說，光學參數大于S0到S10連續的濾光器區域內的光學參數的平均值)，所以分段的長度分布是在段組內在光學參數為正值的分段的平均長度的上、下波動。
換句話說，沿段S0至S10，耦合系數為正值的分段的長度，從具有正值的一個分段到具有正值的下一個分段交替地小于、大于分段的平均長度。
類似地，耦合系數為負值的分段的長度分布也是其長度從具有負值的一個分段到具有負值的下一個分段，在耦合系數為負值的分段的平均長度的上、下交替。
因此，對于圖11所示的裝置，各段均由兩個分段組成，其中一個分段的耦合系數為正值，另一個分段的耦合系數為負值，并且這兩種類型的分段的長度沿濾光器波動分布。
更確切地說，由兩個短分段組成的段與由兩個長分段組成的段交替出現。
更一般的說，在光柵型裝置中，優勢是采用了區域，在區域中，段長度以及構成這些段的分段的長度是這樣分布的，即光學參數大于區域內的平均值的分段的長度在分段的平均長度的上、下交替。對于光學參數小于區域內的平均值的分段采用同樣的優勢分布。
在此，實質上，每個段均由兩個等長度的分段組成，其中一個分段的耦合系數為正，另一個的耦合系數為負。
但是，顯然，在根據本發明的裝置中不需要改變各段的平均耦合系數。
盡管如此，還是可以制造這樣的裝置，裝置中耦合系數為正值(依次為負值)的分段從一段到另一段保持固定長度，并且裝置中只有耦合系數為負值(依次為正值)的分段的長度為波動型分布。在這種情況下，根據本發明，作為兩個連續分段的長度總和的光柵間距長度為波動型分布，其中一個分段的耦合系數為正，另一個分段的耦合系數為負。
在這種情況下，由于沿裝置，兩個子段的長度的比值不再為常數，所以，周期比值發生變化并且各段的平均耦合系數也發生變化。
盡管如此，在光譜響應質量方面，其耦合系數為正值的分段與其耦合系數為負值的分段具有相同波動型分布的儀器更具優勢。換句話說，優先不改變光柵的耦合系數比值。
此外，在根據圖10至圖12的裝置中，耦合系數為正值的分段的長度分布是這樣的，即長度波動在離開裝置中心部分的方向增加振幅。同樣，耦合系數為負值的分段也具有這種長度分布。
更一般的說，本發明人發現，根據劃分為段的方法，對于光柵型裝置，即對于光學參數沿光柵變化的裝置，通過選用分段的長度使分段的光學參數值大于段組的光學參數的平均值M所實現的上述裝置在光譜響應質量方面具有優勢，段組中段的長度在分段的平均長度的上、下波動，其波動振幅在離開裝置中心的方向逐漸增加。
同樣，光學參數低于光學參數的平均值的分段的長度具有這樣的分布方式，即光學參數低于光學參數平均值M的分段的長度在分段平均長度的上、下波動，其波動振幅在離開裝置中心的方向逐漸增加。
如上所述，與利用周期比值變化的方法實現的裝置相反，根據本發明裝置的各段的子段或分段的光學參數分別大于和小于光學參數的平均值，在同一段中，裝置各段的子段或分段的長度優先具有相同的長度。
因此，在連續段內，無需引入兩個子段長度的比值的確切變化。因此，對各段計算的平均耦合系數在一段和另一段之間保持固定。
實現根據本發明的上述類型的濾光器只需控制各段的長度，而對耦合系數的特定分布沒有確切要求。因此，可以容易地使尺寸大于上述各段的子部分的尺寸與在上述類型濾光器的制造過程中的尺寸一致，并且此制造過程比制造具有周期比值變化的濾光器的制造過程更可靠。
因此，在實現根據本發明光柵的方法中，特別容易控制光柵間距調制，特別是在同向耦合器的情況下，通常，其光柵間距大，一般為幾十微米。
制造根據本發明的濾光器同樣可以在裝置(例如光柵型同向耦合器和反向耦合器)中不產生誤差，在該裝置中必須對其波導管間距偏差進行控制。
制造根據本發明的光柵的方法可以簡化垂直同向耦合器和垂直反向耦合器以及光纖上的光柵的制造過程。
因此，制造根據本發明的濾光器的方法可以應用于這種裝置，即與光柵的光學參數類似，其光學參數存在周期性的裝置。
在未說明的利用耦合模式體系的裝置中，本發明人成功地獲得了布喇格反射鏡(例如構成根據圖14的布喇格反射鏡的布喇格反射鏡)的副瓣變跡。
對于生產如在一個波長反射而在第二個波長具有良好傳輸的反射器，這種變跡特別具有吸引力。在圖21和圖22中繪出這種布喇格反射鏡的模擬光譜。
圖21用實線繪出由80對折射率為3.22和3.38的兩種材料構成的雙層制成的布喇格反射鏡的模擬光譜。更確切地說，繪出上述類型的反射器的光譜，雙層的厚度根據下列等式變化l(s)=l0(1+ε(s)(-1)s)和ε(s)=c(2(s-0.5-N/2)/N，其中線性調頻脈沖系數c=-0.8。
同樣，在圖21中用虛線繪出具有相同段長度分布的布喇格反射鏡的模擬光譜。該圖還示出利用本發明獲得的特定變跡高度值。該示例特別模擬VCSEL激光器的外延生長布喇格反射鏡的實際情況，即上述類型的反射鏡特別適用的應用情況。
圖22繪出僅有10個反射率為1.46和2.2的雙層對的組的模擬光譜。雙層對的厚度根據上述等式變化，并且線性調頻脈沖系數c=-0.25。本發明的此實施例特別適合于制造基于SiO2和TiO2的介質鏡。
在上述變跡方法中，改變周期比值的方法改變各段耦合系數的平均值。
在上述本發明的實施例中，各段耦合系數的平均值保持常數，并且只有在各段獨立確定耦合系數的情況下中，可以說各段的平均耦合系數為常數。
可以更確切地將段的平均耦合系數定義為耦合系數傅立葉變換光柵間距的第一傅立葉系數。
以下將解釋對于與耦合模體系一致的任何光柵，如何確定各段的平均耦合系數。
現在研究具有如圖23所示的長方形光柵的同向耦合器的實例。這里給出的上述類型的耦合器反射率n可以由下式表示n2(x,y,z)=n2(x,y)+η2(x,y)*f(z)其中n為相同結構的反射率，η為周期擾動(在此實例的折線情況下，最一般情況是隨f(z)變化)。在這種情況下，耦合系數可以被表示為下式kij(z)=14ωϵ0∫η(x,y)2f(z)ei*ejdxdy]]>該等式代表光柵區域內重疊的兩個波型e1和e2的積分。文獻[11]中說明了后面兩個等式的推導過程。可以將n2分解為對光柵間距Λ的傅立葉級數。n2=η2(x,y)Σm=-∞m=+∞F(m)exp(i2mπΛz)]]>其中F(m)=14∫-Λ/2Λ/2]]>對于諸如圖23所示的折線光柵，下式給出傅立葉系數F(m)hmπsin(mπΛ.Λ)]]>將耦合系數的傅立葉級數展開表示為k(z)=Σm=-∞m=+∞x(m)exp(-i2mπΛz)]]>并且x(m)=14ωϵ0F(m)∫η2(x,y)e1e2*dxdy]]>由于兩種波導管的有效反射率不同，所以光在兩個波導管中的傳播速度不同。可以將波導管內電場沿主軸z的變化表示為Eij=eijexp(-iβijz-iωt)其中β=2πn/λ。可以明白乘積E1E*2的波動周期為Δ=β1-β2如果函數f(z)具有相同的周期，即如果ΛΔ=2π，則產生最大耦合。
在這種情況下，傅立葉表達式k(z)的第一項x(1)在耦合方面起主導作用，只有它保持不變，其它項均有波動。
可以以更直觀的方式對此進行解釋。在等式kij(z)=14ωϵ0∫η(x,y)2f(z)ei*ejdxdy]]>中，用E1和E2代替e1和e2。可以明白，只有當滿足條件Eij=eijexp(-iβijz-iωt)和ΛΔ=2π時，與積分值成正比的耦合才有效。
對于固定的反射率差值，可以通過下列方法改變k(z)，也就是說·通過直接沿光柵改變η2(通過改變從一段到另一段的光纖上的光柵的振幅h或光柵的反射率η)。
·通過沿光柵改變兩種模式e1e*2的重疊(通過改變一段到另一段的波導管間距)正如文獻[8]所描述的那樣，改變耦合的另一種方法是保持耦合系數振幅不變，但改變比值ρ=Λ+/Λ，這樣就必然改變傅立葉級數展開的第一個系數。對于折線光柵，當ρ=0.5時，x(1)最大，并當ρ發生變化時，x(1)就減小。
正如文獻[11]和[12]所說明的那樣，改變耦合的另一種方法是保持耦合系數的振幅不變，但是引入沒有光柵的部分Λ0。在這種情況下，可以引入超級光柵間距Λs=Λ+Λ0并將其分解為傅立葉級數x(m)=∫Λrk(z)exp(-i2mπΛsz)dz]]>當Λr=Λs時，x(m)的數值最大，當引入沒有光柵的部分Λ0時，x(1)變小。通過沿波導管改變此比值并因此改變x(1)，可以產生變跡(如果超級光柵間距包括n個光柵間距Λf，正是取系數x(1)作為耦合系數的平均值。)上述推論的所有方法均可以應用于反向耦合器。在這種情況下，差別如下E1=e1+exp(-iβ1z-iωt) E2=e2-exp(iβ2z-iωt)Δ=(β1+β2)/2符號-和+表示光波在兩個波導管內傳播到波導管主軸z的左側和右側。
對于布喇格反射器，差別是僅有一個波導管。因此，沒有改變波導管間距的變跡方法。在這種情況下
E1=e+exp(-iβ1z-iωt) E2=e-exp(iβ2z-iωt)Δ=β=β1=β2上述推論的所有方法同樣有效。
因此，在這里建議的本發明的優先實施例中，對光柵的各段定義的第一傅立葉系數保持不變(從一段到另一段，電場e1e*j的重疊以及擾動η2不發生變化)，對于各段，比值Λ+/Λ等于0.5而x(1)保持不變。
可以制造出這樣的光柵，即其正耦合系數部分的耦合系數k+的絕對值與負耦合系數部分的耦合系數k-的絕對值不同。為了實現有效耦合，必須滿足下列條件k+Λ+=k-Λ-其中Λ+和Λ-為分別具有正耦合系數和負耦合系數的分段的長度。實際上，最好是k+～k-并且因此Λ+～Λ-。
根據光柵不再具有周期性的情況，可以實現這樣的事實，即光柵各段定義的第一傅立葉系數保持常數。光柵的各間距具有自身諧振頻率，相反，在上述說明的其它方法中，可以區別共同周期，所有段具有相同的諧振頻率。
盡管如此，本發明還是存在替換方案，該替換方案結合了生產具有光柵(該光柵的段分布與在上述本發明的說明書中建議的段長度分布一致)的濾光器的方法和傳統的變跡方法(例如各段的平均耦合系數沿光柵發生變化的方法)。
本發明人發現，在某些情況下，將根據本發明的段長度的上述分布方法與傳統的變跡方法相結合可以改善所獲得的結果。
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權利要求
1．適于光波通過并根據波長對光波進行濾波的裝置，其中該裝置的光學參數沿光波路徑以這樣的方式發生變化，即該裝置具有一系列段(S-10至S10、500、600)，每段由兩個連續的分段構成，其中一個分段的光學參數小于光學參數的平均值(M)，另一個分段的光學參數大于光學參數的平均值(M)，其特征在于，在該裝置中，至少有一個區域(S-10至S10、500、600)內的各段(S-10至S10、500、600)的長度交替地小于、大于該區域(S-10至S10、500、600)內各段的平均長度。
2．根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述區域(S-10至S10、500、600)內，其光學參數大于光學參數的平均值的分段的長度交替地小于、大于該區域內這些分段的平均長度，并且其特征還在于，其光學參數小于光學參數的平均值(M)的分段的長度交替地小于、大于該區域(S-10至S10、500、600)內這些分段的平均長度。
3．根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，在所述的區域(S-10至S10、500、600)內，構成各段的兩個分段具有相同的長度。
4．根據上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，在所述的區域(S-10至S10、500、600)內，段的長度在平均長度的上、下波動，并且其波動振幅在離開裝置的中心部分的方向逐漸增加。
5．根據權利要求1至4所述的裝置，其特征在于，在所述的區域(S-10至S10、500、600)內，光學參數大于光學參數平均值(M)的分段的長度在這些分段的平均長度的上、下波動，并且其波動振幅在離開裝置中心部分的方向逐漸增加。
6．根據權利要求1至5所述的裝置，其特征在于，光學參數小于光學參數平均值(M)的分段的長度在這些分段的平均長度的上、下波動，并且其波動振幅在離開裝置中心部分的方向逐漸增加。
7．根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，段長度的波動振幅在濾光器的末端最大。
8．根據權利要求4至7所述的裝置，其特征在于，段長度的波動振幅在濾光器的中心為O。
9．根據權利要求4至8之一所述的裝置，其特征在于，段長度的波動振幅在濾光器的中心與至少一端之間以單調的方式增加。
10．根據權利要求4至9之一所述的裝置，其特征在于，段長度的波動振幅在所述區域在離開中心的方向以線性方式增加。
11．根據權利要求10所述的裝置，其特征在于，段(S-10至S10、500、600)長度的波動振幅在裝置的中心(波動振幅為0)與裝置的各端(波動振幅最大)之間以線性方式變化。
12．根據上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，區域包括N個段(S-10至S10、500、600)，沿區域從一端到另一端各段被編號為s，段長度l(s)根據公式l(s)=l0x(l+ε(s)x(-1)s變化，其中l0為平均長度，ε(s)根據公式ε(s)=cx(sin(π.(s-0.5-N/2)/N))變化，c在-1與1之間。
13．根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，c實質上等于0.7。
14．根據權利要求1至12之一所述的裝置，其特征在于，所述區域的各段(S-10至S10、500、600)相對于區域內各段的平均長度的最大差值小于該平均長度的1.0倍。
15．根據權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述區域的各段(S-10至S10、500、600)相對于區域內各段的平均長度的最大差值在該區域內各段的平均長度的0.8倍至1.0倍之間。
16．根據上述權利要求之一所述的裝置，其特征在于，裝置與耦合模體系一致。
17．根據權利要求1至16之一所述的裝置，其特征在于，該裝置構成同向耦合器。
18．根據權利要求1至16之一所述的裝置，其特征在于，該裝置構成反向耦合器。
19．根據權利要求1至16之一所述的裝置，其特征在于，該裝置構成光纖波型變換器。
20．根據權利要求1至15所述的裝置，其特征在于，該裝置構成布喇格反射鏡。
21．根據權利要求1至15所述的裝置，其特征在于，該裝置構成布喇格反射器。
22．根據權利要求16所述的裝置，其特征在于，區域內的各段(S-10至S10、500、600)具有各段耦合系數的平均值，該耦合系數對于區域內的所有各段相同。
全文摘要
本發明涉及可以通過光波并對所述光波的波長進行濾波的裝置,其中該裝置的光學參數沿光波路徑變化,以致該裝置存在一系列段(S
文檔編號G02B6/02GK1311866SQ9980927
公開日2001年9月5日 申請日期1999年6月30日 優先權日1998年7月1日
發明者阿納特爾·魯普, 阿蘭·卡林克 申請人:法國電信公司