CN101726871A - 透明光电陶瓷基可调谐滤波器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透明光电陶瓷的可调谐法布里-珀罗腔滤波器的制备方法，可调谐法布里-珀罗腔滤波器由端面镀有增透膜的准直器(由自聚焦透镜与尾纤组成)，镀有增透膜、高反膜和透明电极的新型铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷，以及圆柱状金属腔体组成、两端镀有高反膜的新型铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷块体形成法布里-珀罗腔，利用光波于电压变化时在腔内发生的双折射效应，并伴随反射形成的多光干涉效应，进行可调谐滤波。该滤波器对后端设备要求低、体积微小、且性能稳定，适于批量化生产，可广泛应用于光纤传感系统。

Description

透明光电陶瓷基可调谐滤波器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型法布里-珀罗腔(Fabry-Perot，以下简称FP)可调谐光学滤波器件，具体地是用具有高电光系数的新型铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷制作可调谐法布里-珀罗腔滤波器。

技术背景

可调谐光滤波器是波分复用系统中的关键组成部分，它在一定波长范围内允许我们选择特定的波长和频率实时通过链路，并可以通过特定的技术来控制和处理光网络中的数据流。特别是随着密集型光波复用传输系统在光通信中的应用，作为复用器与解复用器的核心部分，可调谐滤波器已经成为光网络中不可或缺的器件。

目前主要的制备可调谐法布里-珀罗腔的方法有四种，第一种是由两个在端面上镀膜的光纤插入到玻璃毛细管中构成法布里-珀罗腔，并由压电陶瓷调节腔长。由于光纤外径为125um，毛细管直径为200um，要做到将光纤插入玻璃毛细管中不损坏光纤镀膜端面且保证镀膜端面对正很困难，光纤端面镀膜工艺也十分复杂，因而其制作工艺复杂，成本高；第二种是美国MOI公司的产品是：将光纤穿过插芯(玻璃毛细管或陶瓷插针)，一个端面和插芯端面位于同一平面，并在该端面镀膜。取如此两段镀膜光纤对准置于一个高同心度的腔体中即可形成法布里-珀罗腔，由压电陶瓷调节腔长属于机械调节。该方法与第一种方法比较更易于加工制作，但镀膜端面中纤芯对正很困难，且该高同心度腔体制备成本高，限制了其应用；第三种是北京理工大学提出一种可调谐光纤法布里-珀罗滤波器，将光纤波导固定在一个插芯的内孔中，一个端面位于插芯内孔中，另一个端面和插芯端面位于同一平面。固定光纤波导的插芯内孔中同时插入了一根光纤，该光纤和光纤波导通过插芯内孔自动对准，光纤和光纤波导的两个相邻端面中的一个镀有高反射膜。该插芯的端面，或者另一个带纤插芯的端面，镀高反射膜，形成光纤法泊里-泊罗滤波，由压电陶瓷调节腔长。另外有人提出通过在光纤端面镀膜并且采用V型槽对光来制备可调法布里-珀罗滤波器。

以上三种方法有个共同点是：由光纤两镀膜端面平行，经空气介质或其他介质形成法布里-珀罗腔，再由压电陶瓷的伸缩效应来调节法布里-珀罗腔的腔长，它们都存在相对位置的机械运动，这种机械运动限制了扫描频率的提高。

第四种方法是申请号为99812864.3的专利“非偏振敏感型向列液晶法布里-珀罗波长调谐滤波器”，在两基板的内表面上分别形成有透明电极，在该透明电极上分别镀上反射层，在一反射层上镀单一回归方向排列层以使液晶单一回归方向排列，另一反射层上镀方向一致排列层并被处理成可使液晶呈轴向排列，液晶设置在所述两基板之间，该波长调谐滤波器根据被施加的电压的大小来调谐入射光的波长。这种法布里-珀罗滤波器具有在其整个工作电压范围内完全与入射光的偏振方向无关的传输特性。但是，该滤波器的制备工艺复杂、调节范围较窄，且液晶作为有机物，受环境因素影响，寿命很短。

自1970年透明铁电陶瓷问世后，就引起了广泛重视。随后人们发现这种材料在当代许多新技术如计算技术、显示技术、激光技术、全息存储、微声技术以及光电子学诸领域都有广阔的应用前景。目前铌酸锂晶体作为一种非线性光学晶体材料，在光通信领域得到广泛应用。铌酸锂晶体适合制作光的各种控制耦合和传输器件，如光隔离、放大、波导、调制等器件，但由于它的生长技术长期得不到突破，单晶体的使用寿命短，人们一直在努力寻找性能更好，价格更便宜的新材料以代替铌酸锂晶体。透明光电陶瓷材料PMN-PT在较大程度上克服了上述困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构微型化、生产工艺简单、成本低，且性能稳定，适于批量化生产的可调谐法布里-珀罗腔滤波器的生产方法，可以广泛应用于光纤传感系统。

本发明的优点是；选用铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)透明光电陶瓷：它是多晶材料，不需要光轴对准，可加工成不同的尺寸和形状；组成可调整，变化范围较宽；采用气氛烧结和热压烧结技术制造，生产成本较低；电光系数可达铌酸锂晶体的3倍以上，对电场的反应十分灵敏；在500nm-7000nm大范围内具有良好的透光性；温度依赖性小；具有陶瓷的坚固性和耐久性，并能在高温高压下工作，使用寿命长，因此选用铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)透明光电陶瓷来作可调谐法布里-珀罗腔滤波器。

本发明透明光电陶瓷基可调谐滤波器中的可调谐法布里-珀罗腔滤波器，包括端面镀有增透膜的准直器(由自聚焦透镜与尾纤组成)，镀有增透膜、高反膜、透明薄膜电极的新型铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷，圆柱状金属腔体。该系统中没有活动部件，可实现高速度波长解调，频率得到极大的提高；而且新型铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷为无机材料，温度依赖性小、能在高温高压下工作，其电光系数可达铌酸锂晶体的3倍以上，本发明所得到的新型滤波器的自由谱区较宽，响应频率高，性能稳定，使用寿命长。

本发明的制备方法是：在准直透镜的一个端面镀上增透膜，增透膜的透射率在99.9％以上并形成准直器；在铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷两端分别镀上氧化铟锡透明导电膜作为透明电极；在透明电极外表面镀上高反膜，高反膜的反射率在99.0％左右；在高反膜上再镀一层增透膜，增透膜的透射率在99.9％以上；在圆柱状壳体中间线切割出一个贯通槽，槽的大小与光电透明陶瓷尺寸相配合；将长为2mm，宽为1mm，厚为0.1-0.2mm铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷插在圆柱状壳体中间的槽中，用固化胶粘结；在圆柱状壳体两端分别插入前准直器和后准直器，调节前、后准直器至最佳位置后用固化胶将它粘接在壳体腔内。由于铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)透明光电陶瓷的多晶结构是钙钛矿型，属于一类驰豫材料，具有各向同性的最小能量稳定结构和容易扭曲的电场。在外电场作用下，所有的畴都倾向于外电场排列，即发生极化，光就会产生双折射，从而表现出很强的电光效应。输入光波在通过前准直器后变成平行光进入两端镀有高反膜的PMN-PT光电透明陶瓷块体，即法布里-珀罗腔，在其中发生双折射效应，并且伴随有由反射形成的多光干涉，经法布里-珀罗腔后投射光再由后准直器向外输出。同时，利用PMN-PT光电透明陶瓷的光电效应，在外加电场作用下改变其折射率，达到折射率调谐的目的。由于采用上述技术方案，本发明提供的具有以下有益效果：

(1).整个滤波器的结构尺寸实现微型化，体积只相当于美国MOI公司的三十分之一，甚至更小；

(2).利用PMN-PT光电透明陶瓷的光电效应来调谐入射光的折射率，避免使用压电陶瓷进行腔长调谐存在的相对位置的机械运动，消除了这种机械运动引起的对扫描频率提高的限制；

(3).采用新型PMN-PT光电透明陶瓷材料，它有一系列的优异性能：多晶材料，不需要光轴对准，可加工成不同的尺寸和形状；组成可控制，可变范围较宽；有成熟的气氛烧结和热压烧结技术制造，生产成本较低；电光系数可达铌酸锂晶体的3倍以上，对电场的反应十分灵敏；在500nm-7000nm大范围内具有良好的透光性；温度依赖性小；具有陶瓷的坚固性和耐久性，并能在高温高压下工作，使用寿命长。

(4).通过在PMN-PT光电透明陶瓷块体与透明电极连接的外端面镀上高反膜，从而形成法布里-珀罗腔，取代在光纤端面镀膜降低了制作工艺难度；而且本发明的对光要求降低，减小了整体结构的加工难度。

附图说明

图1为透明光电陶瓷基可调谐滤波器的制备方法结构示意图

图2为前准直器和后准直器结构示意图

其中：1-前准直器，2-前增透膜，3-前高反膜，4-前透明电极，5-铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷，6-圆柱状金属腔体，7-后透明电极，8-后高反膜，9-后增透膜，10-后准直器。a-准直透镜，b-增透膜

具体实施方案

以下结合附图1对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的具体制备方法是：首先，如图2所示：在准直透镜a的一个端面上镀一层增透膜b透射率在99.9％以上，形成准直器，(前准直器和后准直器)。

再如图1所示：在长为2mm，宽为1mm，厚为0.1-0.2mm铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT光电透明陶瓷5的两端分别镀上前透明电极4和后透明电极7(由ITO材料制造)；在前透明电极4和后透明电极7外表面再分别镀上前高反膜3和后高反膜8，反射率在99.0％以上在前高反膜3和后高反膜8上再分别镀一层前增透膜2和后增透膜9透射率也在99.9％以上，保证各膜层的平行度；在圆柱状壳体中间线切割出一个贯通槽，其大小与光电透明陶瓷的尺寸相配合；将PMN-PT光电透明陶瓷5插在圆柱状壳体6中间的槽中，用固化胶粘结；在圆柱状壳体6两端分别插入前准直器1和后准直器10，两个准直器通过圆柱状壳体内腔自动对准，调节准直器后用固化胶将它粘接在壳体腔内。

本发明的工作原理是：PMN-PT透明光电陶瓷的多晶结构是钙钛矿型，属于一类驰豫材料，具有各向同性的最小能量稳定结构和容易扭曲的电场。在外电场作用下，所有的畴都倾向于外电场排列，即发生极化，光就会产生双折射，从而表现出很强的电光效应。增透膜可以减少传输过程中的光波损失。

输入光波在通过前准直器后变成平行光，该平行光穿过前透射膜2和前反射膜3后，进入镀有前透明电极4的PMN-PT光电透明陶瓷块体5中，PMN-PT光电透明陶瓷块体5和前反射膜3、后反射膜8形成了法布里-珀罗腔，光波在其中发生双折射效应，并且伴随有由反射形成的多光干涉；光波经法布里-珀罗腔后，穿过后反射膜8、后透射膜9再传输到后准直器10上面，从而得到输出光波。同时，利用PMN-PT光电透明陶瓷的光电效应，在透明电极上施加外电场，通过改变外加电场强度来改变光电透明陶瓷的折射率，可达到折射率调谐的目的，从而产生滤波器可调谐滤波的作用。

Claims (3)

1.一种透明光电陶瓷基可调谐滤波器制备方法；其特征在于在准直透镜的一个端面镀上增透膜，形成准直器；准直器分为前准直器(1)和后准直器(10)、在铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷(5)的两端分别镀上前透明电极(4)和后透明电极(7)；在前透明电极(4)和后透明电极(7)外表面再分别镀上前高反膜(3)和后高反膜(8)，在前高反膜(3)和后高反膜(8)上再分别再镀一层前增透膜(2)和后增透膜(9)；然后在圆柱状壳体(6)中间线切割出一个贯通槽，其大小与光电透明陶瓷的尺寸相配合；将铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)光电透明陶瓷(5)插在圆柱状壳体(6)中间的槽中，用固化胶粘结；在圆柱状壳体(6)两端分别插入前准直器(1)和后准直器(10)，两个准直器通过圆柱状壳体(6)内腔自动对准，调节准直器后用固化胶将它粘接在壳体腔内。

2.根据权利要求1所述一种透明光电陶瓷基可调谐滤波器其特征在于；准直透镜的一个端面镀上增透膜，增透膜的反射率在99.0％以上。

3.根据权利要求1所述一种透明光电陶瓷基可调谐滤波器其特征在于；在前透明电极(4)和后透明电极(7)外表面镀上前高反膜(3)和后高反膜(8)，高反膜的反射率在99.0％以上。

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