基于达曼光栅的动态光耦合器
达曼光栅原理及应用
达曼光栅原理及应用达曼光栅原理及应用1. 什么是达曼光栅达曼光栅是一种由多个平行金属丝或细缝构成的光学元件，广泛应用于光学领域。
其原理是通过光的衍射效应，实现特定波长的光束的分光和聚焦。
2. 达曼光栅的主要应用达曼光栅具有很多应用领域，以下是其中几个重要的应用： - 光谱仪的分光元件 - 相位补偿元件 - 光纤通信设备的波分复用器 - 光学传感器 - 三维成像系统光谱仪的分光元件在光谱仪中，达曼光栅被用作分光元件，用于将入射光束分离成不同波长的光束。
根据光的衍射原理，特定波长的光会以不同的角度衍射出去，达曼光栅通过合理设计金属丝或细缝的间距和厚度，使得特定波长的光束被衍射到不同的方向，从而实现光谱的分离和测量。
相位补偿元件达曼光栅还可以用作相位补偿元件，用于调节光束的相位。
通过控制光栅的结构参数，如金属丝或细缝的间距和厚度，可以实现对特定波长光束的相位调节。
这种相位调节在激光技术中非常重要，可以用于激光束的调制、激光干涉以及光学信息处理等领域。
光纤通信设备的波分复用器波分复用技术在光纤通信中被广泛应用，达曼光栅在波分复用器中起到关键作用。
波分复用器用于将多个不同波长的光信号合并到同一根光纤中进行传输，达曼光栅作为波分复用器的核心部件，能够将不同波长的光束分离出来，并分别发送到目标接收器。
光学传感器光学传感器是一种利用光学原理测量某些量值的传感器，而达曼光栅可以用于增强光学传感器的性能。
通过在传感器中加入达曼光栅，可以实现对特定波长光的选择性检测，提高传感器的灵敏度和准确度。
在气体传感器、生物传感器等领域，达曼光栅的应用非常重要。
三维成像系统在三维成像系统中，达曼光栅可以用于生成光学图案，实现对三维物体的精确成像和测量。
通过合理设计达曼光栅的结构参数，可以实现对特定波长光的强度调整和相位调节，从而生成复杂的光学图案，用于三维成像和测量。
以上是达曼光栅的几个主要应用领域，在光学技术中，达曼光栅凭借其独特的衍射特性和可调节的结构参数，为许多光学设备和系统的性能提供了关键支持。
达曼光栅原理
达曼光栅原理达曼光栅是一种基于衍射现象的光学元件，可以分析、分离光谱，并被广泛应用于光谱仪、激光干涉仪等领域。
该技术是由法国物理学家达曼于1953年首次提出的，至今已经发展成为一个成熟稳定的技术体系。
一、达曼光栅的基本原理达曼光栅的基本原理是利用光的衍射现象，将入射光束分散成不同波长的衍射光。
当我们向达曼光栅投入白光，可以看到一条连续的光谱线，这条光谱线包括了所有的可见光波长，从蓝光到红光依次排列。
在光谱线上的每一点，光谱的强度表征了对应波长的光线在入射光束中的分布强度。
达曼光栅是一种光学衍射元件，具有许多衍射级别的微小刻槽，这些刻槽可以使入射光束以不同的角度发生衍射，形成不同角度的衍射光，这样就实现了光谱的分离。
这些微小刻槽可以是由物理刻蚀或者光刻技术制备的。
制备时需要依据所需要的光的波长和衍射级别的要求，选择适当的刻槽间距和刻槽深度。
达曼光栅的工作原理可以通过衍射方程进行描述。
设在光栅上刻了N道光阴影条纹，条纹间距为d（即“刻槽间距”），为方便计算，我们把光阴影简化为可表示为复数的复振幅函数f(x)，其形式如下：f(x) = Δ(x) exp(ikx)其中k=2π/λ，λ为入射光的波长，x为横向坐标，Δ(x)为衍射振幅。
根据菲涅尔衍射原理，光栅所产生的衍射是由光栅上的每个光阴影单元产生的，这些光阴影单元在光栅上沿一定距离重复出现，形成一连串的距离为d的光阴影周期。
当光以入射角θ入射时，衍射产生的两个相邻主衍射级之间的夹角Δθ可以表示为：d(sinθ + sinΔθ) = mλ其中m为完全衍射级的阶数，θ为光线入射方向与垂直方向的夹角。
达曼光栅的衍射效果不仅与光学系统的参数有关，还与光栅的制备与参数有关。
为了获得良好的衍射效果，光栅的刻槽间距、刻槽深度、刻槽形状、刻蚀质量、制备工艺等都需要仔细控制。
二、达曼光栅的特点与应用达曼光栅具有高分辨率、高灵敏度、大量产生光谱和多节数值数据等特点，已广泛应用于光学领域。
基于MATLAB的光纤光栅耦合模理论及其谱线特
研究生课程论文封面课程名称 光 电 子 学 论文题目基于MATLAB 的光纤光栅耦 合模理论及其谱线特性毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见基于MATLAB 的光纤光栅耦合模理论及其谱线特性0.前言光纤光栅是近二十几年来迅速发展的光纤器件，其应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的，逐渐在实际中得到应用。
基于平面光栅的半导体激光器外腔反馈光谱合束的研究
基于平面光栅的半导体激光器外腔反馈光谱合束的研究-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述半导体激光器是一种重要的光电器件，广泛应用于通信、激光雷达、医学器械和材料加工等领域。
为了提高半导体激光器的性能和稳定性，外腔反馈光谱合束技术被引入其中。
该技术通过控制光谱合束，可以改善激光器的输出光束质量、频率稳定性和单模特性。
本文旨在对基于平面光栅的半导体激光器外腔反馈光谱合束的研究进行深入探讨。
首先，我们将介绍半导体激光器的基本原理和结构，以便读者对其有一个全面的了解。
接着，我们将重点介绍外腔反馈光谱合束的原理，包括反馈光谱合束的优势和应用场景。
然后，我们将详细讨论平面光栅在半导体激光器中的应用，包括其工作原理和实验结果。
最后，我们将综述半导体激光器外腔反馈光谱合束研究的最新进展，包括新的理论模型、实验方法和应用案例。
通过本文的研究，我们可以深入了解基于平面光栅的半导体激光器外腔反馈光谱合束技术的原理和应用。
该技术有望为半导体激光器的性能提升和应用拓展提供重要的支持。
此外，我们还将讨论该技术的局限性和未来研究方向，以便读者在进一步研究和应用中可以更好地掌握和发展该领域。
在下一节中，我们将介绍半导体激光器的基本概念和原理。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将对研究主题进行概述，并介绍文章的结构和目的。
正文部分将详细介绍半导体激光器、外腔反馈光谱合束原理以及平面光栅在半导体激光器中的应用。
同时，还将综述半导体激光器外腔反馈光谱合束研究的最新进展。
结论部分将对整篇文章进行总结与回顾，并探讨该研究的意义和局限性。
最后，将提出未来研究的方向并得出结论。
通过这样的文章结构，读者可以全面了解半导体激光器外腔反馈光谱合束的研究背景、原理、应用以及最新进展，并且理解该研究的意义和局限性。
此外，文章还将指导读者在未来的研究中探索新的方向。
1.3 目的在此次研究中，我们的目的是通过对基于平面光栅的半导体激光器外腔反馈光谱合束进行研究，探索其在光电子学领域的应用潜力。
基于MATLAB的光纤光栅耦合模理论及其谱线特性
研究生课程论文封面课程名称光电子学论文题目基于MATLAB的光纤光栅耦合模理论及其谱线特性授课学期 2013 学年至 2014 学年第 1 学期学院物理科学与技术学院专业光学学号 2012010887 姓名王璐玮任课教师秦子雄交稿日期 2014年01月01日成绩阅读教师签名日期广西师范大学研究生学院制基于MATLAB的光纤光栅耦合模理论及其谱线特性0.前言光纤光栅是近二十几年来迅速发展的光纤器件，其应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的，逐渐在实际中得到应用。
1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现纤芯参锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅。
光纤的光敏性主要是指光线的折射率在收到某些波长的激光照射后，会发生永久改变的特性。
通常情况需要紫外光照射，折射率会向着增大的方向改变。
具有光敏性的光纤主要是纤芯参锗的光纤，受到紫外光照射后，纤芯折射率会增加，而包层折射率不变。
在光纤光栅的发展过程中，参锗光纤的载氢技术具有重要意义。
参锗光纤本身具有光敏性，单当要求折射率改变较大时，相应就要提高纤芯的参锗浓度，这会影响光纤本身的特性。
1993年，贝尔实验室的Lemaire等用光纤载氢技术增强了光纤的光敏性，这种发发适用于任何参锗的光纤。
通过光纤的载氢能够将在不增加参锗浓度情况下，使光纤的光敏性大大提高。
在平面介质光波导中，布拉格光栅的应用比较早，主要应用于半导体激光器中，而后出现了光纤布拉格光栅，随着光纤光栅写入技术的成熟，光纤光栅在光通信和传感中得到广泛应用，特别是在光通信领域。
光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的特性和应用有许多不同之处，也有类似的地方，都可用于通信和传感等领域。
光纤布拉格光栅的周期一般在微米以下，根据耦合模理论，这样的周期表现为使向前传播的纤芯模与向后传播的纤芯模之间发生耦合，结果在输出端表现为很窄的带阻滤波特性。
作为一种反射型的光纤无源器件，光纤布拉格光栅对温度，应变都有相当程度的敏感特性，其在光纤激光器，波分复用，可调谐光纤滤波器，高速光纤通信系统的色散补偿及光纤传感器等反面有许多重要应用。
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第27卷 第7期2007年7月光 学 学 报AC TA O P TICA SIN ICAVol.27,No.7J uly ,2007文章编号:025322239(2007)072127524基于达曼光栅的动态光耦合器3底彩慧1,2 周常河11中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学实验室,上海2018002中国科学院研究生院,北京100039摘要: 提出了一种基于达曼光栅的动态光耦合器,通过控制装置中达曼光栅位移参量,可实现入射光束的分束或合束以及两者之间的动态转换。
适当选择达曼光栅类型可实现任意N ×M 的动态光耦合。
实验中以1550nm 光波长为例,对1×8达曼动态光耦合器进行测量,测得其实现光开关功能时插入损耗为0.43dB ,实现光分束功能时均匀性达到0.03,单路插入损耗均值为10.5dB 。
该实验装置易于调节、体积小、能耗低,且关键元件达曼光栅制作工艺成熟,易于批量化生产。
特别是在实现中大规模光交换阵列时,该方案就具有更明显的优越性,有实用意义。
关键词: 集成光学;光耦合器;达曼光栅;光分束器;二元光学中图分类号:TN253 文献标识码:A 作者简介:底彩慧(1979-),女,山西人,博士研究生,主要从事光通信器件微集成技术与微光学技术等方面的研究。
E 2mail :dicaihui @导师介绍:周常河(1965-),男,浙江人,研究员,博士生导师,主要从事微结构光学与飞秒信息处理技术等方面的研究。
E 2mail :chazhou @收稿日期:2006206216;收到修改稿日期:2006212215D a m m a n n Gr a t i n g 2B as ed Dy n a mic Op t ical Co up le rDi Caihui 1,2 Zhou Changhe 11I nf or m ation Op tics L abor a tor y ,S ha nghai I nstit ute of Op tics a n d Fi ne Mecha nics , t he Chi nese Aca dem y of Sciences ,S ha nghai 2018002Gr a d ua te U niversit y of t he Chi nese Aca de m y of Scie nces ,Beiji ng 100039Abs t r act : A novel dynamic optical coupler is p resented by employing a specially designed Dammann grating.By cont rolling the shift parameter of Dammann grating ,this device can easily realize the function of either a beam splitter or a combiner and t ransformation between both of them.An arbit rary N ×M dynamic optical coupling can be achieved by choosing an app rop riate Dammann grating.In the experiment a high performance 1×8dynamic coupler achieves good uniformity of 0.03,insertion loss of around 10.5dB for each channel as a splitter and a low insertion loss of 0.43dB as a switch at the wavelengt h of 1550nm.This device has the advantages of easy adjustment ,compact size and low loss.Moreover ,Dammann grating used in the experiment can be easily mass 2fabricated by binary optical technology.In addition ,this system is a p referable app roach in the integral packaging.This device has the unique diff ractive advantages of Dammann 2grating 2incorporated system for dynamic optical coupling of a large fiber array.Note that this method is generally applicable and should be interesting for p ractical use.Key w or ds : integrated optics ;optical coupler ;Dammann grating ;optical splitter ;binary optics1 引 言随着光纤通信干线网的建立,光纤到户(F T T H )的用户网作为未来光通信网发展方向[1],对实现一路到多路及多路到一路的动态光耦合技术的需求将与日俱增,全球市场潜力巨大。
光耦合器是新一代全光网络的关键器件[2]。
其作为分立器件的发展趋势必然是集成化、小型化及动态化。
目前光耦合器的研究主要包括微电子机械光开关、热光效应光开关、光波导光开关和电光开关等[3,4]。
但是这些耦合技术仍存在一定的不足,如偏振依赖性、波长依赖性、温度依赖性等。
特别是需要实现大规模光交换阵列传输时,以上技术均会受到不同程度的限制。
以光纤耦合器为例,传统的方法是采用光纤熔融拉锥法,传输过程中需要复杂的光纤预处理和多个光纤耦合器的串连使用,这必然会增加偏振损耗,缩减传输带宽,导致均匀性下降,插入损耗增加。
为解决这些问题,Pan 等[5]提出了用衍射光学元件实现1×N 光纤耦合技术,将一路输入光分成多路并行阵列输出。
与传统光学方法相比,衍射光学元件作为光纤耦合器中的新型元件具有简单结构、优性能且易于大批量复制生产等优点。
但此装置只能用作光分束器,不能实现动态耦合功能。
达曼分束器具有优均匀性、低损耗、结构紧凑等优良性能。
为实现动态耦合功能,赵欣等[6]提出一种基于互补偶数型达曼光栅的1×N 动态耦合器,通过两互补偶数型达曼光栅之间半周期的相对位移可实现分束功能与合束功能之间的转换。
但是此耦合器需要严格控制两达曼光栅之间的相对位移,否则光栅对准误差产生的零级串扰将严重影响输出光纤阵列的效率和均匀性[7]。
本文提出了一种基于达曼光栅的动态光耦合器,其中达曼光栅表面分为光栅分布区和空白区。
通过调节达曼光栅位移参量,改变光栅与入射光束的相对位置,很容易就实现光分束器与光合束器之间的动态转换功能。
选择适当的达曼光栅类型可实现任意N ×M 的动态耦合。
2 达曼光栅及其特性分析达曼光栅是一种可以将入射单色光在傅里叶变换的远场处高效率地生成均匀光强点阵的相位光栅。
最初在20世纪70年代,Dammann 等[8]在研究多个像复制时提出达曼光栅。
他首次把大规模集成电路工艺引进光学领域,为微光学的发展奠定了基础。
从80年代末至今,由于光计算与光互连的迅速发展,达曼光栅受到了普遍的重视,现已成功设计并制作出了64×64点阵达曼光栅以及圆环形达曼光栅[9,10]。
达曼光栅是一种具有特殊孔径函数的相位型光栅,相位结构呈周期性分布,且每个周期内的相位都是二值的,即(0,π)。
光栅及其谱完全由光栅结构中若干组相位转换点坐标决定。
偶数型达曼光栅具有半周期相位反转特性[11],排除了零级衍射光对制作误差的敏感性,使实际制作的偶数点阵的均匀性容易高于奇数点阵。
3 动态光耦合器原理3.1 工作原理图1是1×8达曼动态光耦合器结构示意图。
装置由光源、输入光纤、位移器、光功率探测器、达曼相位板、输出透镜和输出光纤阵列组成。
相位板放在输出透镜的前焦面上,输出光纤阵列放置在输出透镜的后焦面上。
图11×8动态达曼光栅耦合器结构示意图。
(a )入射光作用于光栅区实现分束功能,(b )入射光作用于空白区实现光开关功能Fig.1Schematic structure of the 1×8dynamic Dammann grating coupler.(a )When incoming light entirely impinges on theDammann 2grating 2distributing area ,it works as a splitter.(b )when incoming light entirely impinges on the blank area ,it f unctions as a switch6721 光 学 学 报 27卷 位移器控制相位板相对入射光束位置移动。
输入输出光纤端口均加有自准直透镜,可对光纤内的传输光束进行准直和扩束,以确保耦合器有很高的衍射效率和优良的均匀性。
当入射光束经过准直后完全照射在相位板的达曼光栅分布区时,就会被均匀地分成多束等光强光束,再由会聚透镜会聚耦合到输出光纤阵列中,从而实现分束功能。
当入射光束经过准直后完全作用在空白区时,由于没有相位变化,光束无偏转地被透镜会聚到位于焦点处的输出光纤中,从而实现光开关功能。
综上所述,选择适当的达曼光栅类型可实现任意N×M的光分束或光合束以及两者之间的动态转换。
3.2 光耦合器的指标光耦合器的重要指标有插入损耗、通道均匀性。
1)插入损耗插入损耗是评价光耦合器性能优劣的主要指标,用分贝(dB)表示,其数学表达式为D=-10lg P outP in,(1)其中P out和P in分别表征某通道输出端口的光功率和输入端口的总功率。
2)耦合器通道的均匀性对于要求均匀分光的光耦合器,实际制作时由于工艺的限制,往往不能做到绝对的均分。
均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参量,其定义为n uni=max(I n)-min(I n)max(I n)+min(I n),(2)其中max(I n)和min(I n)分别为各输出端口功率中的最大值和最小值。