CN103197441B - 可调谐光栅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调谐光栅及其制备方法，包括压电平台，固定在压电平台两侧的电极，复合在压电平台上表面、且栅格间距可随压电平台在一维方向上伸缩的塑形光栅。本发明中的压电平台在电压作用下，可以连续调节压电平台在一维方向上的运动从而改变光栅的间距，从而实现光栅波长的调解，且调谐的波长具有连续性。

Description

可调谐光栅及其制备方法

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种可调谐光栅及其制备方法。

背景技术

现代光通讯及光纤激光领域需要光信号的波长固定。光在发射、传输、放大等过程中由于发光器件本身和调制解调器件等元器件中材料等地缺陷，波长会产生飘移，从而影响整个光路的波长稳定性以及光数据信号的传输，因此在光系统中需要在多个环节对光波长进行选择以过滤掉非期待波长部分。

光栅可以在光路中有效地实现对波长的选择与过滤。通常光栅为固态光栅，主要有分布式布拉格反射器式光栅与光纤布拉格光栅两大类，两种光栅均利用布拉格定理通过反射器对光波波长进行选择，即利用能够实现光波导的情况下，选择特定波长的光可以低损耗地传输的材料，并对传输介质的光学折射率进行有选择地周期性改变，从而实现将不需要的波长过滤，只通过指定波长的光。

在分布式布拉格反射器与光纤布拉格光栅中，通常利用半导体加工工艺法或离子束直接注入离子等方法实现对传输媒介光折射率的改变。这些办法需要使用大型半导体加工设备，方法复杂，设备昂贵，设备使用工艺要求高，对设备使用者的技能要求高，所能够加工出来的器件几何尺寸较小，给较大光斑滤波带来低效率的问题。而且，由于半导体加工的需要，制作光栅的材料均为如硅、二氧化硅或其它氧化物、氮化硅或其它氮化物等无机材料，制成后的光栅在一般工作条件下，只对特定波长的光进行选择。由于光栅本身无法改变工作波长，当需要对不同的光进行选择时，需要更换不同的光栅。而激光元器件由于受工作温度、工作电流等因素的影响，其发射光的波长会产生漂移。通常该波长的漂移特性可以根据物理原理和实验结果进行预测，但是在多个因素同时影响的前提下，实际漂移的特征难以精确定位。

可调谐光栅器件可以解决光在漂移时滤波的问题。可调谐光栅的原理是利用布拉格定理，通过外部因素改变光栅中反射器的几何间距，从而改变滤波特性。最常用的方法是利用光栅传输媒介无机材料的晶格受温度影响的特性，对光栅工作温度进行改变，从而改变反射器的间距来改变通过光的波长。该办法能够在较小范围内实现光栅工作波长的调谐，但是由于无机材料晶格与温度变化之间的线性范围较小，该办法只能在非常小的范围内改变光栅的工作波长。而且温度对晶格的影响是二维方向，反射器间距改变必须限定在一维方向，加上温度不均匀等因素，温度改变会造成器件滤波的混乱。半导体光电器件本身对工作环境温度敏感，热源的存在也会影响其它光学部件工作的稳定性。另外一半通过电加热方法改变光栅材料的温度，当电源切断或断电情况下，光栅温度逐步恢复到周边环境温度，滤波调谐功能随之消失。由于温度变化需要一定时间稳定，利用温度调谐光栅工作波长不具备及时性。

其它能够制作成可调谐光纤的塑形材料无法利用传统的半导体薄膜材料加工工艺进行加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、线性调谐大的可调谐光栅，并可实现实时调谐，维持工作，同时本发明还提供了生产该光栅的方法。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种可调谐光栅，包括压电平台，固定在压电平台两侧的电极，复合在压电平台上表面、且栅格间距可随压电平台在一维方向上伸缩的塑形光栅。

优选地，所述塑形光栅材料为长链有机物。具体优选为有机硅树脂、PMMA、脱氧核糖核酸材料、环氧树脂、丙烯酸树脂或氨基树脂。

优选地，所述压电平台为具有压电特性的无机材料制成。

本发明涉及的制备方法，包括以下步骤：

1）、根据所需光栅的工作波长，制备一个固定栅格间距的光栅模板；

2)、在光栅模板制作完备后，将塑形光栅材料溶于有机溶剂中并用高速旋转涂覆的方法涂覆在光栅模板上，旋转速度保持在500~5000转/分钟，后真空干燥，当液态有机物中的溶液挥发后，剥离形成与模板光栅间距一致的塑形光栅。

3）、采用具有压电特性的无机材料制成矩形压电平台，并在两侧固定电极；

4）将塑形光栅紧密复合在压电平台上。

4、 根据权利要求1所述的可调谐光栅，其特征在于：所述掺杂发光离子在放大介质薄膜层中的原子浓度为0.1%到10%。

本方法中涉及的光栅模板为无机材料衬底制成，通常需满足能够利用半导体加工光刻工艺的需要，该材料可以为单晶材料、多晶材料或非晶材料，优选为氧化物，氮化物，采用材料例如：单晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝或碳化硅等。光栅栅格结构可以利用干涉法、蚀刻、光刻等常用方法制备。

本方法中涉及的塑形光栅材料优选为有机硅树脂、PMMA、脱氧核糖核酸材料、环氧树脂、丙烯酸树脂或氨基树脂，溶剂优选为甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、丁酮。

本发明塑形光栅与压电平台的复合可以通过平整光滑表面利用镜面特征紧密放置实现，也可以通过环氧树脂粘等使两者贴合。塑形光栅在放置的位置上以满足光栅栅格结构与长方体的两侧平行的边缘呈平行角度或正交角度，然后向与栅格平行方向的两个侧面的两个电极加直流或交流电压，如果是直流电压的话，通常电压范围为50~1500V，两个电极的相位均可；如果是交流电压的话，电压范围在120~450V。在电压作用下，压电平台将改变其内部晶格的间距，从而改变塑形光栅的栅格间距,从而改变其中心工作波长，从而实现对光栅工作波长的调谐。本发明光栅的工作波长可以在线性范围内通过压电装置实时地根据需要向长波长或短波长方向调谐，调谐的波长具有连续性和实时性。

电极材料的选择可以为任何导电材料如铜、铝、锡、铟、铟锡氧化物等，电极材料一般通过电镀、离子溅射方法形成与压电材料的接触。

本发明设计的可调谐光栅，结构简单、实用，生产低成本；通过在一维方向改变压电平台内部晶格的间距从而改变光栅工作波长，其线性调谐范围大，而且可实现实时调谐。

附图说明

图1为本发明中塑形光栅与光栅模板的分离结构示意图。

图2为本发明涉及的塑形光栅结构示意图。

图3为本发明可调谐光栅的结构示意图。

图中：1. 光栅模板 2. 塑形光栅 3. 压电平台 4. 电极

具体实施方式

实施例，如图3所示：本发明涉及的可调谐光栅，包括压电平台3，压电平台3两个侧面分别贴有两个电极4，压电平台3上设有塑形光栅2。塑形光栅2在压电平台3电压作用下其结构间距产生变化，从而实现塑形光栅波长的调解，调谐的波长具有连续性。

本发明涉及的制备方法具体如下：

如图1和图2所示：首先制备一个固定栅格的光栅模板1：根据所需的光栅工作波长，选择相应的光栅间距t1,然后在模板上形成光栅，光栅栅格结构可以利用干涉法、蚀刻、光刻等方法制备。光栅模板1由无机材料衬底制成，衬底材料要求平整光滑，该材料通常为氧化物，氮化物，本发明实施例中优选材料为单晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝或碳化硅。

在光栅模板1制作完备后，将有机硅材料在室温下充分溶于丙酮中，均匀混合后，在湿度低于70%的环境里，以600转/分钟的转速旋转涂覆在用硅制作的光栅模板上，涂覆后放置在真空干燥箱内，保持50摄氏度，0.5个大气压的真空24小时，待有机溶剂挥发后，将有机硅形成的塑形光栅2与光栅模板1剥离，即形成与模板光栅间距一致的塑形光栅2。本发明中塑形光栅材料还可为PMMA、脱氧核糖核酸材料、环氧树脂、丙烯酸树脂或氨基树脂等，所涉及的有机溶液可为甲醇、乙醇、乙醚、丁酮等，而本实施例涉及的干燥温度等环境参数可根据所选择的材料设置，主要用于加快有机溶剂的挥发。本实施例中在常温常态下塑形光栅2的栅格间距为t1，另外一个表面为光滑平整面。

采用具有压电特性的无机材料例如压电陶瓷等制成矩形状压电平台3，其表面平整光滑，将塑形光栅2的平整面紧密放置在压电平台3上，并在两侧固定电极4。电极材料的选择可以为任何导电材料如铜、铝、锡、铟、铟锡氧化物等，电极材料一般通过电镀、离子溅射方法形成与压电材料的接触。

如图3所示：将200V的直流电压直接加在电极上，在电压作用下，压电平台3开始改变内部晶格的间距，从而使得塑形光栅2的栅格间距由t1变为t2，塑形光栅2的栅格间距变为t2后其中心工作波长相应改变，从而实现对光栅工作波长的调谐。

本实施例只是利用该方法实现可调谐光栅结构的一种，利用相似的方法可以实现其它类似结构的可调谐光栅。本实施例中最终形成的可调谐光栅的栅格结构处于一维平面，利用该办法还可以在二维平面上实现可调谐光栅。

Claims (3)

1.一种生产可调谐光栅的制备方法，其中所述可调谐光栅包括压电平台，固定在压电平台两侧的电极，复合在压电平台上表面、且栅格间距可随压电平台在一维方向上伸缩的塑形光栅，其特征在于，按以下步骤制备：

1）、根据所需光栅的工作波长，制备一个固定栅格间距的光栅模板；

2)、在光栅模板制作完备后，将塑形光栅材料溶于有机溶剂中并用高速旋转涂覆的方法涂覆在光栅模板上，旋转速度保持在 500~5000 转 / 分钟，后真空干燥，当液态有机物中的 溶液挥发后，剥离形成与模板光栅间距一致的塑形光栅；

3）、采用具有压电特性的无机材料制成矩形压电平台，并在两侧固定电极；

4）将塑形光栅紧密复合在压电平台上。

2.根据权利要求1所述的可调谐光栅的制备方法，其特征在于：光栅模板为无机材料衬底制成。

3. 根据权利要求1所述的可调谐光栅的制备方法，其特征在于：所述塑形光栅的材料为有机硅树脂、PMMA、脱氧核糖核酸材料、环氧树脂、丙烯酸树脂或氨基树脂，溶剂为甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、丁酮。