塑料相位光柵型波分復(fù)用／解復(fù)用器的設(shè)計(jì)

戴文海，趙艮春，陳唐榮，莊其仁

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

塑料相位光柵型波分復(fù)用／解復(fù)用器的設(shè)計(jì)

戴文海，趙艮春，陳唐榮，莊其仁

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

采用模壓成型的塑料相位光柵作為波分復(fù)用／解復(fù)用器的分光元件，根據(jù)矩形相位光柵衍射公式，理論分析和仿真其衍射效率和信道分離情況.研究結(jié)果表明：對于一定刻槽深度的塑料相位光柵，＋1級衍射效率和入射角的關(guān)系與理論分析結(jié)果一致，即對于采用的波長分別為575，625，675nm的入射光，當(dāng)刻槽深度為200nm時，＋1級衍射效率最大值所對應(yīng)的入射角為25°左右，此時衍射效率理論值最大可達(dá)0.79；信道間隔為50nm時，從探測器觀察其光斑間隔為230μm左右，大于光纖直徑（200μm），能有效實(shí)現(xiàn)光波分離，可應(yīng)用于塑料光纖波分復(fù)用系統(tǒng).

塑料相位光柵；波分復(fù)用器；光纖到戶；塑料光纖；衍射效率

目前，光纖到戶（FTTH）被認(rèn)為是最理想的入戶方式，因?yàn)樗坏芴峁└蟮膸挘?－2］，而且增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)格式、速率、波長和協(xié)議的透明性，放寬了對環(huán)境條件和供電等方面的要求，簡化了維護(hù)和安裝.但在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，石英光纖芯徑非常細(xì)（SM型光纖直徑為5～10μm），端面處理困難，難以進(jìn)行頻繁的連接，且連接成本昂貴.塑料光纖由于其價(jià)格便宜、接續(xù)快捷、柔韌性好、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，成為短距離寬帶通信網(wǎng)的理想選擇，并有望取代金屬電纜而成為短距離高速率的傳輸介質(zhì)的核心［3－6］.塑料光纖網(wǎng)絡(luò)作為解決最后100／1 000m問題的建設(shè)方案雖然才剛剛起步，但是其未來發(fā)展空間極大 .高速大容量塑料光纖波分復(fù)用（WDM）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［7－8］是一種全新的思路，而廉價(jià)的波分復(fù)用／解復(fù)用器是塑料光纖波分復(fù)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一.基于此，本文提出采用塑料相位光柵來實(shí)現(xiàn)光波分復(fù)用技術(shù).

1 基本原理

塑料相位光柵式WDM器件由準(zhǔn)直透鏡、塑料相位光柵、聚焦透鏡構(gòu)成，如圖1所示.當(dāng)器件用作分光器件時，輸入端位于準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)處，多波長的光信號通過透鏡準(zhǔn)直后，進(jìn)入塑料相位光柵，多波長發(fā)生衍射色散.

中心波長衍射角為αB（等同于入射角），其他波長衍射角與αB相差一個對應(yīng)小量.于中心波長λB為對稱中心向上或向下數(shù)，第n波長（λB＋nΔλ）的衍射角為

根據(jù)光柵衍射方程有

式（1）中：Δλ為DWDM器件信道波長間隔 .這里規(guī)定大于λB的信道波長，其n，Δλ的值取正；否則取負(fù).為計(jì)算方便，以下計(jì)算時，n，Δλ均取正.Δβn為第n波長衍射角與αB的偏差，也只取正值.在光纖通信中一般采用光柵的一級衍射，即m＝1.

圖1 塑料相位光柵解復(fù)用器原理圖Fig.1 Principle diagram of wavelength division demultiplexer based on plastic phase grating

由于λB＝2dsinαB，代入式（1）化簡后得到

把sin（αB＋Δβn）按泰勒展式展開，只取展式的前3項(xiàng)，并代入式（2），經(jīng)整理可得

上式方程有解 .但據(jù)分析，方程中正項(xiàng)解不適合實(shí)際，這樣可得到了第n個信道經(jīng)塑料相位光柵衍射后的角色散偏量為

衍射光波經(jīng)過焦距為F的聚焦透鏡聚焦后，形成各信道波長的焦面圖.第n波長的焦面與中心光軸的縱向高度為yn

焦面上相鄰兩信道高低間隔為

根據(jù)對稱性，n，Δλ取負(fù)數(shù)時，yn，Δyn，n－1相應(yīng)中心光軸可取負(fù)值求出.

塑料相位光柵型波分復(fù)用器的工作原理為上述過程的逆過程.

2 塑料相位光柵的結(jié)構(gòu)與制作

塑料相位光柵型波分復(fù)用器的核心為塑料相位光柵 .為了獲得廉價(jià)的塑料相位光柵，采用模壓技術(shù)在塑料光學(xué)材料上壓制光柵的方法［9］，通過控制模壓溫度、壓力大小和模壓時間來獲得光柵刻槽深度（h）.塑料相位光柵材料采用聚碳酸脂（Polycarbonate，簡稱PC）.PC材料在可見光和近紅外線光譜區(qū)內(nèi)有較高的透光率，透明度可達(dá)到90%，折射率為1.567，機(jī)械性能較高，熔融溫度為300℃左右，耐溫差性極好，在－40～＋80℃的溫度條件下幾何尺寸變化極小，因此適合用于制作成塑料相位光柵.模板采用ICP技術(shù)刻蝕的熔融石英矩形光柵，光柵柵距為0.8～2.2μm規(guī)格.

波長為632.8nm的He－Ne激光垂直入射柵距2.2μm的石英模板光柵（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所）和塑料相位光柵的衍射圖樣比較，如圖2所示.由圖2可見，所復(fù)制的塑料相位光柵和石英模板光柵具有一致的衍射角分布和衍射強(qiáng)度分布特性.

圖2 兩種不同光柵的衍射圖樣比較Fig.2 Diffractive images of quartz template grating and plastic phase grating

圖3為塑料相位光柵的結(jié)構(gòu) .圖3（b）中：光柵的周期為Λ；脊寬為τ；占空比為ρ＝τ／Λ；刻槽深度為h；基底厚度為H；材料折射率為n.設(shè)光線a和b以θ角入射到光柵上，ε為折射角，則光線a和b通過光柵時產(chǎn)生的相位差為

圖3 塑料相位光柵的截面Fig.3 Cross section of plastic phase grating

在標(biāo)量衍射理論的基礎(chǔ)上，采用透過率函數(shù)的Fourier級數(shù)展開和復(fù)振幅的Fourier變換方法，可以得出斜入射下塑料矩形光柵衍射效率的一般表達(dá)式［10］為

式（8）中：m為衍射級次；η0為0級衍射效率；ηm≠0為非0級衍射效率.

為了減小波分復(fù)用器的插入損耗，當(dāng)波分復(fù)用器工作在＋1級衍射時，參數(shù)的選擇應(yīng)使非＋1級衍射光強(qiáng)度最小，而＋1級衍射光強(qiáng)度最大.

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)復(fù)用器／解復(fù)用器的構(gòu)成，利用Fcous Software Inc公司的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX進(jìn)行仿真分析，程序模式采用非共軸模式的仿真界面.模擬了波長分別為575，625，675nm的3種不同光波在刻密度為1 200lp·mm－1，＋1級次衍射下的分離情況.從探測器可以觀察其光斑間隔為230μm左右，大于光纖直徑（200μm），能有效實(shí)現(xiàn)光波分離.

為了得到衍射光柵的最佳衍射效率，用PCGrateMLT2000軟件對工作波長為625nm，刻線密度為1 200lp·mm－1的矩形光柵在自準(zhǔn)入射情況下衍射效率進(jìn)行了仿真 .塑料相位光柵在不同刻槽深度的各級次衍射效率，如圖4所示.由圖4可知：－4級的衍射效率隨著刻槽深度的增加而減小，＋1級衍射效率當(dāng)刻槽深度小于24nm時為零，大于24 nm時，隨著刻槽深度的增加而增大；－1級衍射效率當(dāng)刻槽深度小于28nm時為零，大于28nm時隨著刻槽深度的增加而增大.從理論效率曲線看，衍射效率對刻槽深度是敏感的 .為了獲得高的±1級衍射效率，選取刻槽深度為200nm的衍射光柵.

圖4 不同刻槽深度下的不同級次的衍射效率Fig.4 Diffraction efficiency of different grades under different groove depth

當(dāng)工作波長625nm，刻線密度為1 200lp·mm－1，刻槽深度為200nm的塑料相位光柵在自準(zhǔn)直入射情況下的不同衍射級次在不同偏向角（θ）下的衍射效率，如圖5所示.在PCGrateMLT2000軟件中，偏向角即為入射角的2倍.由圖5可知：入射角從0°到15°存在－1級衍射效率，入射角從32°到85°存在2級衍射效率，入射角從0°到85°存在＋1級衍射效率，并且＋1級的衍射效率比其他級次的衍射效率都高，在偏向角為50°即入射角為25°左右達(dá)到最大.

在刻槽深度為200nm、刻線密度為1 200lp·mm－1的塑料相位光柵，其入射角為25°的自準(zhǔn)直入射情況下，＋1級衍射光衍射效率隨波長（λ）變化的曲線，如圖6所示 .由圖6可以看出：波長為575，625和675nm衍射效率分別為0.77，0.79，0.68，衍射效率都很高，基本能滿足波分復(fù)用器件的要求.

圖5 不同偏向角下不同級次的衍射效率Fig.5 Diffraction efficiency of different grades under different deflection angle

圖6 不同波長下的衍射效率Fig.6 Diffraction efficiency of different wavelengths

4 結(jié)束語

研究一種塑料相位光柵型波分復(fù)用器，介紹廉價(jià)塑料相位光柵的制作方法 .分析了衍射效率與光柵刻槽深度、衍射級次、刻槽深度和光束入射角的關(guān)系，分別對波長為575，625，675nm的衍射級次光線偏離路徑進(jìn)行仿真.結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的塑料相位光柵型波分復(fù)用／解復(fù)用器能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求.

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Design of the Plastic Phase Grating Wavelength Division Multiplexer／De－Multiplxer

DAI Wen－h(huán)ai，ZHAO Yin－chun，CHEN Tang－rong，ZHUANG Qi－ren

（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Using aplastic molding phase grating as a light splitting element for wavelength division multiplexer／de－multiplexer，theoretical analysis and simulation of the diffraction efficiency and channel separation according to the rectangular phase grating diffraction formula have been given in this paper.The results show that a relationship between order＋1of diffraction efficiency and beam incident angle is consistent with the theoretical analysis for a certain groove depth of the plastic phase grating.Specifically，diffraction order of m＝＋1efficiency of up to 0.79corresponding to the angle of indence of about 25°when using the wavelength of incident light，respectively 575，625，675nm，and groove depth of 200 nm.If the channel interval is 50nm，the spot interval of 230μm on the detector surface is greater than fiber diameter（200μm），so the wavelength division multiplexer／demultiplexer based on plastic grating is valid and feasible in actual application.

plastic phase grating；wavelength division multiplexer；fiber to the home；plastic fiber；diffractive efficiency

TN 929.11；TN 253

A

1000－5013（2012）02－0153－04

2011－03－28

莊其仁（1960－），男，教授，主要從事光電子應(yīng)用技術(shù)的研究.E－mail：qrzhuang＠hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目（A0710012）

（責(zé)任編輯：黃曉楠 英文審校：吳逢鐵）