CN101995610B - 超轻薄宽光谱全息天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全息光学天线装置，包括一个光线传播基底，在基底上记录的至少一耦合光栅和至少一频道光栅；其中耦合光栅为输入光栅，将具有一定孔径角的空间光耦合进入基底，使有限孔径内不同波长的光波变换为具有一定相位倾斜的平面波，在基底中进行全反射传播，并使不同波长的入射光波进行一定的光谱分离。至少一频道光栅使入射到其上的平面波耦合出射，进入后续光电转换和信号处理电路，获得输入光携带的信息，实现天线的功能。本发明的光学天线具有制作成本低，装调难度小的优点，不依赖透镜***，可以同时满足超薄尺寸和大孔径的要求。

Description

超轻薄宽光谱全息天线

技术领域

本发明涉及一种全息光学元件，具体的说，涉及一种超轻薄的宽光谱全息天线，以实现自由空间内的光天线功能并进行光电转换。

背景技术

在用于地面的光纤通信技术日趋成熟的同时，人们将目光集中到了自由空间光通信上。自由空间光通信是光纤通信和无线通信的产物，以激光为载体，使用光脉冲调制信号，在真空或大气层中传递信息的通信技术，包括卫星光通信，星地光通信，大气光通信。相对传统的利用电磁波的无线通信方式，自由空间光通信具有发射光束窄，信息容量大，发射装置和功率小，保密性能强，抗电磁干扰，成本较低，安装快速，组网灵活，不用政府特许证，对人体无影响等优点。

光学***是空间光通信***中的重要组成部分，光学天线是上述光学***的核心，这是由于对于任何通信***而言，天线能否正确发射和接收有效信号是通信成败的关键。

在空间光通信***中，传统的光学天线都采用了透镜***来收集/发送携带信息的光信号，透镜***包括了折射、反射、和折射-反射的一系列光学透镜。处于信号传输的需要，通常要求光学天线中的透镜***具有大口径，配合较高的相对安装精度，以实现在传播空间内获得良好的通信效果。然而，随着无线通信传递信息量的增加，以及传播空间中各种障碍物的干扰，对收集透镜的口径要求不断增加，口径的增加伴随着收集/发送信号的加强但也带来一系列的技术难题。大口径的光学透镜制造难度高，引起成本的大幅增加，且大尺寸的光学透镜一般比较笨重，更给装调对准等安装工作带来了难度，大大影响了光学天线的效果，限制了空间光通信技术的发展。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中的问题，提供一种制作简单，可以集成到其他***中，兼具探测功能的全息天线。本发明的全息天线利用基于同一基底的一系列光栅实现光收集/发送、分光/合光，以及光电转换的功能，不依赖透镜***，可以同时满足超薄尺寸和大孔径的要求，且不带来制作难度和成本的增加，也利于安装定位。

根据本发明的宽光谱全息天线，包括：透明的传播基底，至少一耦合光栅以及至少一频道光栅；所述耦合光栅和频道光栅置于传播基底上，频道光栅置于耦合光栅的一侧，携带有信息的空间光信号经所述耦合光栅衍射而进入传播基底，在传播基底内以全反射形式向频道光栅方向传播，到达频道光栅处的光由频道光栅衍射而出射到基底外。

根据本发明的宽光谱全息天线，可以工作在单一波长下，也可以工作在多波长下，且可用作探测器使用。由于采用了光栅，本发明的天线能够适应宽光谱探测范围的需要，还可以通过光栅记录参数的不同来调制光谱范围。在信号强度高的应用中，本发明的天线可以集成到其它***里，实现集成化和小型化。由于光栅的物理性能相对稳定，相比其他传统的光学天线，对使用环境的要求比较小，应用场所广泛。

附图说明

图1为本发明全息天线的原理性结构示意图。

图2为利用本发明的全息天线工作在单一波长信号光情况下的示意图。

图3为对图2所示工作过程中的信号传播示意图。

图4为根据本发明的全息天线工作在多波长信号光情况下的示意图。

图5为对图4所示工作过程中的光路展开示意图。

图6为利用本发明的全息天线工作在多波长信号光情况下的一变形例。

图7为利用本发明的全息天线作一光栅波导信号探测器的实例。

具体实施例

下面将结合附图详细描述本发明的超轻薄宽光谱全息天线的具体技术方案，然而，本发明可以以多种不同形式实施，并且不应该解释为局限于本文所阐述的示例性实施例。

如图1所示，本发明的全息天线包括：传播基底(101)，一耦合光栅H₀(102)，以及一组频道光栅H₁～H_m(103)。以收集信号光进行通信的过程为例，耦合光栅置于传播基底的上表面，此时耦合光栅为透射型光栅，为了增加衍射效率，本发明的天线也可以采用另一种结构，将耦合光栅设置为反射型光栅，置于传播基底的下表面上，无论耦合光栅为透射型光栅还是反射型光栅，均用于收集来自自由空间的信号光，使收集来的光经所述透射型耦合光栅衍射进入传播基底，或者先透过基底而被基底下表面的反射型耦合光栅衍射而进入基底，在衍射角度满足基底的全反射条件时，上述收集来的信号光在基底中发生全反射进行传播，此时传播基底相当于一波导。由于光栅的分光作用，不同波长的信号光的衍射角度不同，每一波长对应的信号光将分别入射到与其相对应的频道光栅，该频道光栅出射相应波长的光信号。而没有被这一频道光栅出射的光继续在基底里传播，直至到达可以使之出射的频道光栅实现出射，或者作为非有效光信号射出基底，基于与耦合光栅类似的原理，频道光栅也可以为透射或者反射型。为了提高出射光波长的单一性，可以在频道光栅的出射侧设置滤光片滤光，仅将能通过滤光片的且相应于此频道光栅出射光波长的光出射。发送信号的过程可视为收集的反向过程，简单的说，通过信号处理过程将需要发送的信息携带在某一波长的光中，将若干携带有信息的不同波长的光分别射入相应位置处的频道光栅，频道光栅对光进行衍射，衍射光进入传播基底进行传播，经各频道光栅进入基底的光均可到达耦合光栅H₀，被H₀衍射并出射，作为被发送的光信号进入自由空间。本发明的全息天线将从自由空间收集来的信号光按照波长分别予以出射，实现了波分复用，从而各波长的光中携带的信息随光一起被相应的接收器接收，经信号处理后得到相应的信息；将携带有相应信息的不同波长的光经不同的频道光栅衍射进入基底混合，传播到达耦合光栅，由耦合光栅发射到自由空间，实现通信。一组频道光栅至少包括一个光栅，置于所述输入耦合光栅的一侧。

受自由空间的开放性影响，光信号的强度不易保持，特别在传播距离较长时。当被收集的光信号较为分散或者较弱时，需要从自由空间中尽可能多的收集光信号，通常将输入用的耦合光栅设置成较大尺寸以增加收集面积从而增加收集到的信号强度，但增强收集信号的方式不限于此，可选择的，对于某一特定波长的光信号，可以利用表面等离子增强等增强方式，在耦合光栅的光入射侧镀一层金属膜来实现。

除用于通信***外，在每个频道光栅的出射光路上设置探测器，如光电转换器等，实现被收集信号的光电转换，使本发明的超轻薄宽光谱全息天线还可用作对光信号的检测器。

根据本发明的第一实施例，本发明的全息天线在单一波长信号光下工作，如目前空间光通信所用的1.31μm，包括传播基底，耦合光栅H₀和频道光栅H₁。耦合光栅H₀收集和发射的光信号均为此单一波长、具有一定视场角并携带有信息的自由空间信息光束，如图2所示。在通信过程中接收信号时，信号光以不同的角度入射到耦合光栅H₀(102)上，被耦合光栅H₀透射并衍射，出射具有不同角度的一组平行光入射进基底(101)，基底的折射率n满足使入射进基底的光在基底内进行全反射而传播，经多次全反射传播之后，入射到位于耦合光栅H₀一侧的频道光栅H₁(104)，频道光栅H₁对光衍射并透射，经出射侧的滤光片(105)滤光后至正对该频道光栅的光电转换器件(106)上，即转换为电信号，对电信号进行信号处理，即获得传输而来的信息。电信号的强度信息反映天线收集到的信号的强度。耦合光栅H₀为一个全息线光栅，其光栅方程为

d(sinβ+nsinθ)＝mλ_c                        (1)

其中，λ_c为再现光波波长，n为基底折射率，β为入射光波的离轴角度，θ为像光波的离轴角度，d为光栅常数，m为衍射级次。从全息光栅的记录方式上来讲，线光栅是用有一定夹角的两束平面波记录的。从光线传播方向的角度来讲，可以认为线光栅就是一个平面反射镜，并且当一束平面波照射到光栅上时，该平面波传播方向的改变角度等于记录时两束平面波的夹角。

同时保证光束在基底中进行全反射传播，基底折射率满足：

nsinθ≥1                (2)

对于耦合光栅H₀，其尺寸可以做到很大，如几倍于H₁的尺寸，以满足对信号的集束作用，以增加输出的信号强度。信号的传播过程的示例性解释可参见图3，根据图3所示，将H₀(102)分成N个部分考虑，以N＝2为例，N1和N2部分中的相同方向入射的信息光束在被衍射后进入基底，通过控制N1和N2两部分的距离(此距离定义为从N1部分衍射的光线经过基底的一次全反射再次回到基底上表面所通过的水平位移)，使从N1衍射的光线通过基底的一次全反射正好入射到N2的对应位置处，并与N2部分中此处的衍射光汇聚并共同向前传播，最终入射到输出耦合光栅H₁中，起到增大信号强度的作用。需要指出，对于图3中的入射到N2部分的光束，当它们衍射进入波导之后，经过基底的全反射会入射到N1部分，在N1部分它会由于发生衍射而损失部分能量，但由于基底折射率全反射的控制，N1部分对光衍射到基底外的效率并不高，整体上看，在基底表面发生反射而继续在基底里传播的光对频道光栅H₁的输出光强度依然有明显的贡献。为了使收集进入基底的光能够尽可能多的在基底中传播，可以在传播基底上不具有光栅的部分镀反射膜，防止光泄漏，减少光能损失，反射膜以满足对信号光波长具有高反射率为宜。

根据本发明的第二实施例，所述的全息天线在多波长信号光情况下的工作，所述的多波长信号可以包括光通信中常见的0.85μm、1.31μm、1.55μm等波长的光信号。在多波长信号光的情况下，本发明的全息天线包括传播基底101，耦合光栅H₀和一组频道光栅H₁～H_m，其中m为大于等于2的自然数。根据图4所示，来自自由空间的两束不同波长的光以相同的视场角入射到耦合光栅H₀(102)，被耦合光栅H₀透射并衍射而进入传播基底(101)，传播基底的折射率满足使经由耦合光栅H₀进入的光能够全反射而传播。由于耦合光栅H₀的色散作用，随着光的传播，不同波长的光束逐渐分开，并最终从与波长相对应的、不同的频道光栅H₁(104)、H₂(107)上分别出射，从而实现将不同波长的光携带的信息予以区分，不同的波长携带不同的信息，通过本发明的全息天线进行通信，大大增加了可容纳的信息量。为了避免在频道光栅上出射时其他没有考虑到的杂散光的干扰，可以在每个频道光栅的光路后光路中相应的基底位置处加入对应波长的增透膜(108)，如图4所示，当某个波长的光已经由频道光栅出射，在与之相对应的下个全反射位置设置的增透膜破坏全反射条件而使该波长的光出射到自由空间，从而避免该波长未被频道光栅衍射的部分杂散光对下一个频道光栅产生影响。

图5给出了根据图4的工作过程展开光路，对基底进行波导展开，设视场角度(针对H₀的入射视场角)为2θ_field，选取+1级衍射，耦合光栅H₀(102)为一个全息线光栅，由公式(1)得其光栅方程为：

d(sinβ+nsinθ)＝λ_c              (3)

并且

-θ_field≤β≤θ_field             (4)

$\frac{\mathrm{\λ}}{d}-\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}}\≤n\sin \mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{d}+\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}}---\left(5\right)$

并且

sinθ_inc≤sinθ≤1                (6)

θ_inc为基底内全反射临界角，

sinθ_inc＝1/n                     (7)

固有

$1+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{d}\≤n-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}}---\left(8\right)$

则可在波导内传播的波长范围为满足

d(1+sinθ_field)≤λ≤d(n-sinθ_field)            (9)

由式(9)可知，波导内可传播的波长和光栅常数d，视场角2θ_field和基底折射率n有关。

在图5中，实线和虚线分别代表两个波长λ₁和λ₂，并且

d(1+sinθ_field)≤λ₁＜λ₂≤d(n-sinθ_field)        (10)

由式(3)可知，对于波长λ₁和λ₂的光波，其全部视场的衍射光在波导内的角度θ_diff1和θ_diff2的范围为：

$\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d}-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}1}\≤\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d}+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]$

$\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{d}-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]\≤{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}2}\≤\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{d}+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]---\left(11\right)$

即如图5所示，其中离轴角度为θ₁和θ₂的两组平行光为λ₁的-5°和+5°视场的衍射光，离轴角度为θ₃和θ₄的两组平行光为λ₂的-5°和+5°视场的衍射光，

${\mathrm{\θ}}_1=\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d}+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right],{\mathrm{\θ}}_2=\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d}-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]$

${\mathrm{\θ}}_3=\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{d}+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right],{\mathrm{\θ}}_4=\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{d}-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]---\left(12\right)$

设两块出射光栅H₁(104)、H₂(107)的间隔为b，则

b＝Dtanθ₃-(Dtanθ₁+a)    (13)

其中D为光波导展开时厚度，a为出射光栅H₁(H₁和H₂的长度相等)的长度。

将式(12)带入式(13)：

$b=D\tan \left\{\arcsin \right[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{d}+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\left]\right\}-$

$\left(D\tan \right\{\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d}+\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]\}+a)$

$=D\left(\tan \right\{\arcsin \left[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{d}+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\right]\}-$

$\tan \left\{\arcsin \right[\frac{1}{n}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d}+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{field}})\left]\right\})-a---\left(14\right)$

则若使两波长的出射光束在空间上分开，要求

b≥0                    (15)

由式(14)可知，两频道光栅的间隔与光线传播距离(即光波导展开厚度D)、基底折射率n、再现光波波长(即信号光波λ₁和λ₂)、视场角2θ_field和出射光栅长度a有关。

若取折射率n＝1.5，光栅常数d＝1.2μm(即每毫米833对线)，视场角度为2θ_field＝10°，则可在波导内传播的波长范围为

1.30μm≤λ≤1.70μm        (16)

选取两个波长λ₁＝1.31μm，λ₂＝1.55μm，由公式(12)可以得出

θ₁＝51.8°，θ₂＝42.0°

θ₃＝66.8°，θ₄＝53.4°        (17)

由式(14)，取b＝0，a＝10mm，得

D＝9.41mm        (18)

若选取基底厚度为3mm，并是光线全反射7次到达H₁，由于反射次数的影响，此时D＝24mm，出射光栅H₁、H₂的间隔由公式(14)得

b＝15.5mm

并且此时光栅H₀与光栅H₁在基底面上的水平距离为11.6mm。

除上述结构外，本发明的天线在多波长下工作时还可以具有如图6所示的结构，以增大收集光的强度，具体为采用两块输入用耦合光栅H₀，图6中在传播基底(101)的左右两侧对称位置记录两个输入用耦合光栅H₀(102)，它们的基本结构相同，都是线光栅，也就是用平面波记录，但是这里要注意的是它们的记录方向是相反的。也就是说当用垂直入射的平行光照射左面的光栅时，正一级衍射在波导中的传播方向向右，而当用垂直入射的平行光照射右面的光栅时，正一级衍射在波导中的传播方向向左。经两块耦合光栅收集而来的光进入基底向置于两块耦合光栅之间的一组频道光栅H₁～H_m(103)传播，根据波长的不同，分别在不同的频道光栅处出射，这种结构的工作过程与图4所示的工作过程类似，不同之处即在于耦合光栅H₀为呈对称的两块，这样可以实现收集光的能力加倍，即通过增加耦合光栅的数量配以相应的分布，也可以提高收集到的信号光的强度。

类似的，由本发明的天线作为探测器使用，探测某一波长信号时，如图7所示，在一传播基底上设置四块不同方向的耦合光栅H₀(102)，一块输出耦合光栅H₁(104)置于基底的中央，以位于耦合光栅分布形状的中央为宜，在H₁上方设置一探测器。其中四块耦合光栅H₀的结构基本相同，但是记录光栅的时候要选取不同方向的物光和参考光，使得当有空间光被衍射而耦合进入基底时，能使光线都朝向中间的输出耦合光栅H₁传播。具体原理和图2所示结构相同。但是因为此时只考虑对某一种波长信号的探测，即单一波长的情况下，为了增加探测的能力而在基底上增加了了耦合光栅的数量，并使这些耦合光栅满足一定的排布规律，如图7所示的上下左右对称排布，从而对于频道光栅(即输出光栅)H₁，就有从上下左右四个方向来的光波，为了使这四个方向的光波都能通过H₁衍射而出射到探测器上，需要把H₁设计成上下左右的正交光栅，即在同一块记录介质上记录两次，并保证这两次记录方向正交。对于耦合光栅的数量和排布也并不局限于图7所示的形式，只要各耦合光栅的记录方式与其在基底上的位置相匹配，能够使光均朝向频道光栅侧衍射即可，同时频道光栅的结构也需要满足匹配。

虽然已经详细示出了本发明的实施例，但是应当明白，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和调整，而不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种宽光谱全息天线，包括：透明的传播基底，至少一耦合光栅以及至少一频道光栅；所述耦合光栅和频道光栅置于传播基底上，频道光栅置于耦合光栅的一侧，携带有信息的空间光信号经所述耦合光栅衍射而进入传播基底，在传播基底内以全反射形式向频道光栅方向传播，到达频道光栅处的光由频道光栅衍射而出射到基底外。

2.如权利要求1所述的全息天线，所述耦合光栅为置于传播基底下表面的反射型光栅，通过反射并衍射的方式将所述空间光信号耦合进传播基底；或者所述耦合光栅为置于传播基底的上表面透射型光栅，通过透射并衍射的方式将所述空间光信号耦合进传播基底。

3.如权利要求1所述的全息天线，所述耦合光栅的尺寸大于所述频道光栅的尺寸。

4.如权利要求1所述的全息天线，所述的耦合光栅的光出射侧设有滤光片，所述滤光片的中心波长与被出射的光波长相对应。

5.如权利要求1或3或4所述的全息天线，所述的耦合光栅为一个，频道光栅为多个，各频道光栅依次排列于所述耦合光栅的一侧，每个频道光栅对应出射一波长的光，在各频道光栅的后光路中相应的基底位置处具有与该已经被出射的光波长相应的增透膜。

6.如权利要求1或3或4所述的全息天线，所述耦合光栅为一个或多个，所述频道光栅为一个，所述多个耦合光栅围绕所述频道光栅呈均匀对称分布。

7.如权利要求6所述的全息天线，所述频道光栅上方设有探测器，所述传播基底的不具有光栅的部分镀反射膜。

8.如权利要求1或3或4所述的全息天线，所述耦合光栅为多个，所述频道光栅也为多个，所述多个频道光栅集中在一起，所述耦合光栅围绕所述频道光栅集中分布的区域呈均匀对称分布，呈对称分布的一对耦合光栅的通过相反的记录方式记录而成，在各频道光栅的后光路中相应的基底位置处具有与该已经被出射的光波长相应的增透膜。

9.如权利要求1所述的全息天线，所述耦合光栅表面镀有实现等离子增强效应的金属薄膜。