光学装置及使用它的整体分光仪器制造方法及图纸

一种光学装置，在该使用周期多层结构的端面作为光入射面或光输出面的光学装置中，不必增加装置的尺寸，并且通过使用周期多层结构中输出光的良好方向性和波长和输出光角度的密切关系，可得到高分辨率。尤其是，通过将多层结构的层面设置的与基体垂直，可得到适于集成的光学装置。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种光学通讯系统和光学测量系统及其类似系统中所使用的光学装置和分光仪器。在波长分割多路光通讯中，要用到光信号分离器(或一种分光镜)对人工叠加的多种波长组成的光信号进行分离/探测，或是在分光测量中用光信号分离器(或一种分光镜)对分析光谱进行测量。光信号分离器需要分光装置如棱镜、滤光器、衍射光栅等。特别是衍射光栅，就是一种典型的分光装置。在石英、硅或类似物的基体表面上形成周期性细波纹结构的装置可用作衍射光栅。由周期性波纹结构所产生的衍射光束相互干涉，沿特定方向产生特定波长的光束。这种特性是多路分解装置的特性之一。附图说明图16所示为使用了这样的衍射光栅的一个分光系统的例子。从光纤21发出的波长多路传输光束30由准直透镜22校准，形成准直光束31。准直光束31入射到衍射光栅23上。经衍射光栅23多路分解后，不同波长的光分量以不同的角度从衍射光栅23射出。射出的光分量32再次通过准直透镜22，在光接收表面24上聚焦形成一组光点40。如果类似光电二极管或光纤端面的光检测器作为光接收装置被分别放置在光点聚集的位置，可得到依预定的波长分离的输出信号。若入射到衍射光栅上的光束具有连续光谱，则根据放置在光接收表面上的光接收装置的间隔可得到离散的光谱输出。对于反射式衍射光栅，有下列表达式Sinθi+Sinθo＝mλ/d其中，m是衍射光栅的衍射级，d是光栅常数，λ是所使用的波长，θi是形成衍射光栅的表面的法线与入射光束(光纤的光轴5)之间的夹角，θo是法线与出射线之间的夹角。当θi保持不变，光接收表面与衍射光栅的距离为L时，波长变化Δx，入射到光接收表面的光束的位置变化Δx可由下式给出Δx＝(Lm/(d·cosθo))·Δλ从而，根据上式计算出光点位置间隔距离，将光接收装置按计算出来的光点间隔放置在光束接收表面，可得到根据波长分离的信号。然而，依赖于从衍射光栅射出的光束的角度，波长是较小的。例如，假设这样的情况在光通讯中1.55μm波段，光束以波长间隔0.8nm(相应的频率间隔为100gHz)进行多路分解。当衍射级m、入射角θi、出射角θo分别为25、71.5°和38.5°时，衍射光栅的光栅常数d为24.7μm。在这个系统中，所得到的与波长距离0.8μm相对应的出射角变化仅为大约0.06°。所以，以间隔50μm排列的光接收装置的距离L为48mm时才能分别接收光束点。也就是说，由于每一个光束接收装置有预定的尺寸，所以光束接收表面上的聚光点的位置变化Δx一般不小于μm的10的数量级。由于衍射常数m和d不能有大的变化，波长变化Δλ较小，因此距离L需要足够大以获得必要的Δx。因此，为了利用衍射光栅来改善多路光信号分离器(分光仪器)的性能，就不可避免地要使用大型装置。根据本专利技术所提供的光学装置包括一个平面基体；和一个在平面基体的表面上形成的周期多层结构，周期多层结构的各个层面与基体表面垂直，多层结构的一个端面至少被用作光束入射面和光束出射面之一。作为例子，周期多层结构的一个周期是由两层不同的材料构成的，并且其中一层可能是空气或真空层。而且，可通过在周期多层结构的对面提供一个反射层来改善周期多层结构的性能。此外，周期多层结构的层面整体上可做弯曲形状。在这样的一种光学装置中，波导、波导层、透镜、光纤固定装置、半导体激光器，等等可被集成在一个基体上，在基体上形成周期多层结构。而且，当周期多层结构的端面被用作光束入射面时，有许多混合波长的光束入射到周期多层结构的端面上，并且光束从位于反射层对面的多层结构表面上根据波长以不同的角度射出，可提供分光装置。在这种情况下，优选基体是平面的和平行的且其厚度不小于0.1mm和不大于2mm。根据本专利技术，在所配置的光学装置中，周期多层结构的端面可作为光入射面或光出射面，并且利用了从多层结构射出的光束的良好方向性和波长与出射光角度的关系。而且，周期多层结构的层面被设为与基体相垂直，因此出射光束与基体平行。从而，通过在同样的一个基体上安置其它的光学装置，可提供一个集成的光学装置。本专利技术所披露的内容与日本专利申请号2000-369025(申请日为2000年12月4日)所包含的主题相关，在这里将其全部合并以参考。图2是本专利技术所述的周期多层结构的示意图。图3所示为不同质材料的两层中的导波光和折射光之间的关系视图。图4所示为周期多层结构中光带图的一个例图。图5为周期多层结构的第一光带中导波光和折射光之间的关系视图。图6为周期多层结构的第二光带中导波光和折射光之间的关系视图。图7为周期多层结构的第三光带中导波光和折射光之间的关系视图。图8a和8b示出周期多层结构的一个实施例的结构视图。图9是评估周期多层结构的光学系统的视图。图10是本专利技术所述分光装置的配置透视图。图11是本专利技术所述分光装置的另外一种配置的平面图。图12是本专利技术所述分光装置的又一配置的平面图。图13是本专利技术所述分光装置的又一配置平面图。图14是本专利技术所述集成光学装置配置的平面图。图15是本专利技术所述集成光学装置另外一种配置的平面图。图16是使用衍射光栅的现有分光装置的视图。在大多数情况下，将这样的光学多层薄膜用作防反射膜、滤光器或类似物，一般都假设光束从最上层表面入射到放置在基体表面上的最下层膜。仅在下面的这个例子中，多层膜的端面，即周期性多层结构暴露的表面被用作光束入射面或光束出射面。有关入射到倾斜多层膜横截面上的光束方向的理论分析已有描述(应用物理B，卷39，第231页，1986)。双折射材料的同偏振分离作用可使用多层膜的性质来得到(所谓的结构双折射)，其折射率随TE和TH偏振光有所不同，这一点已被披露尝试用于由结构双折射产生的偏振光束的分离(Optics Letters卷15，第9期，第516页，1990)。另有报道周期多层膜被用作一维光子晶体以获得大的散射(超棱镜作用)，这是由于第一光带为线状，旁边为带间隙(“关于光子和电磁晶体结构的国际专题研究组”技术文摘，F1-3)。本专利技术的一个特点是周期多层结构的各层在基体上形成，与基体表面垂直，周期多层结构的端面用作光入射面或光出射面。图1所示为本专利技术的一个基本实施例的典型透视图。一个周期多层结构1排列在平行平面基体2的面2a上，因此周期多层结构1的层面与基体垂直。而且，入射光束3从端面1a处射入周期多层结构，因此折射光束4(出射光束)由于光学作用从周期多层结构1的面1b中折射出来。根据本专利技术实施的一个实验，当入射光束(激光束)3以波长λ从端面1a进入周期多层结构1时，除了在周期多层结构1内部产生导波光之外，由于光子晶体作用产生折射光束4。与波长λ相关的折射光4的方向(角θ)不变，因此折射光4是具有良好方向性的平行光束。而且，对于不同的λ值，θ值有很大的不同，所以多层结构1可被用作高分辩率的分光装置。下面将对以上所述现象的原理进行简要的描述。图2是作为本专利技术主题的周期多层结构1的一个例子的透视图。具有折射系数nA、厚度tA的A材料与具有折射系数nB、厚度tB的B材料在Y方向上以层状交错叠放。各层之间的临界面和表面1b在(X，Z)平面上相互平行。此时，临界面和面1b一般称作“层面”。多层结构中的周期a等于(tA+tB)。若当光束入射到周期多层结构1的端面1a(不平行于层面)时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学装置，包括：平面基体；和在上述平面基体上形成的周期多层结构，所述周期多层结构的层面与所述基体表面垂直，所述一个结构端面至少被用作一个光入射面和光出射面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：橘高重雄，奈良正俊，浅井贵弘，中泽达洋，小山正，
申请(专利权)人：日本板硝子株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]