CN103424897A - 基于光子晶体自准直效应和f-p干涉结构的可调谐光衰减器 - Google Patents

基于光子晶体自准直效应和f-p干涉结构的可调谐光衰减器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光子晶体自准直效应和F-P干涉结构的可调谐光衰减器，用于光通讯中，对入射光进行调节，具有：两块包层玻璃，分别镀附在两块玻璃内侧的用于传导电压的两个透明导电膜层，分别与两块透明导电膜层相连的外界电压接线点，使波长在一定范围内的入射光进行自准直传输的二维空气孔型正方格子光子晶体，以及根据外加电压调节输出光光强的5CB液晶；其中，二维空气孔型正方格子光子晶体包括，三组反射结构模块以及位于反射结构模块之间的十三排具有一定半径的第一空气孔，反射结构模块为五排并列的具有特定半径的第二空气孔；5CB液晶填充于第一空气孔和第二空气孔中。

Description

基于光子晶体自准直效应和F-P干涉结构的可调谐光衰减器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于光子晶体自准直效应和F-P干涉结构的可调谐光衰减器。
背景技术
可调光衰减器（VOA）在光通讯中具有广泛应用。光网络的最基本特性应该是可调，特别是随着DWDM传输系统和EDFA在光通信中的应用，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收端要进行动态饱和的控制等。这些都使得VOA成为其中不可或缺的关键器件。
光子晶体是由不同介质按周期性排列形成的材料，它有很多奇特的光学特性。比如对不同频率的光有不同的禁带宽度，利用这一特性，人们制造了光子晶体全向反射镜；比如自准直特性，光在满足自准直条件时，能在光子晶体内无衍射损耗传输，这一特性为光波导的制造提供了新的思路，相比缺陷波导，其对工艺的要求也大为降低。光子晶体的这些对光的控制特性，使之在集成光学中潜在巨大的应用前景。
光衰减器要求重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便等，一个良好的可调谐光衰减器要求器件必须有尽可能小的插入损耗、小的驱动电压与功率、大的可调动态范围、良好的线性可调或方便的线性补偿，以及调节时对光信号有尽可能小的噪声干扰，随着光通讯技术向集成化的发展，对光衰减器的要求又增加了可集成这一项。
目前市场上供应的可调谐光衰减器主要有传统机械型VOA、基于MEMS技术的VOA和利用固体物理效应型VOA。传统型VOA工艺成熟，光学特性好，但其体积较大，响应速度低，不利于集成；基于MEMS技术的VOA体积小可集成、响应速度快，但工艺复杂、成本高，不利于大规模生产；利用固体物理效应型VOA包括电光型、声光型、热光型和磁光型。固体衰减器的突出优点是速度快，有的可以采用集成光学结构，缺点是插损大（一般3-4dB），串音大，消光比低，功率和发热量过高。
中国专利00127939.4公开了一种电磁驱动微机可变式光衰减器。该衰减器采用挡光片和电磁驱动线圈结构，其缺点是响应时间长，且不能集成。中国专利CN01258531.9公开了一种可变光衰减器，该可变光衰减器包括两组棱镜和一个遮挡板，通过调节放置在光路中的遮挡片来实现光功率的可变衰减。显然，该衰减器结构较复杂，且体积较大，不能集成。中国专利CN200810006791.3公布了一种机械式可变衰减器，光束通过滤波器衰减，该滤波器用具有阻断带和锯齿边缘的光栅来组成图案，具有导螺杆的步进马达提供合适的线性平移，使滤波器平行移动，来达到改变衰减值的目的。这要求步进马达的精度非常高，且响应速度不快，亦不能集成。可见，现在研究的很多可变光衰减器都不适用于向微小化集成化发展的光通讯的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种制作简单、工作稳定性高、可调谐范围大的可集成的可调谐光衰减器，解决集成光学中的可调光衰减问题。本发明基于光子晶体的自准直效应，利用F-P腔的特性，及液晶的可变折射率实现了光衰减的可调谐。对光子晶体的设计，取合适的参数，能使光在光子晶体中几乎无衍射传播，光束不会出现展宽。光子晶体对在其内传播的某些频率的光也有其独特的禁带特性。当填充于光子晶体内空气孔中的介质的折射率发生变化时，光子晶体的禁带特性也会发生变化。此时，作为反射层的光子晶体对光的反射率也会发生变化，两平行的反射层构成了F-P腔，通过F-P腔后输出的光强也会发生变化。
一种基于光子晶体自准直效应和F-P干涉结构的可调谐光衰减器，用于光通讯中，对入射光进行调节，其特征在于，具有：第一包层玻璃，第二包层玻璃，分别镀附在第一包层玻璃和第二包层玻璃内侧的传导电压的第一透明导电膜层和第二透明导电膜层，分别与第一透明导电膜层和第二透明导电膜层相连的外界电压接线点，使波长在一定范围内的入射光进行自准直传输的二维空气孔型正方格子光子晶体，以及根据外加电压调节输出光光强的5CB液晶；
其中，二维空气孔型正方格子光子晶体包括，三组反射结构模块以及位于反射结构模块之间的十三排具有一定半径的第一空气孔，反射结构模块为五排并列的具有特定半径的第二空气孔；
5CB液晶填充于第一空气孔和第二空气孔中。
进一步，本发明提供的可调谐光衰减器还可以具有这样的特征：其中，第一空气孔的半径为0.36a～0.37a。
进一步，本发明提供的可调谐光衰减器还可以具有这样的特征：其中，第二空气孔的半径为0.49a～0.5a。
进一步，本发明提供的可调谐光衰减器还可以具有这样的特征：其中，入射光的波长范围为0.275a～0.28a。
发明作用与效果
本发明提供的是一种基于光子晶体自准直效应和F-P干涉结构的可调谐光衰减器。它包括特殊结构设计的二维空气孔型正方格子光子晶体、5CB液晶、两个透明导电薄层、两个外接电压接线点和两个包层玻璃。硅基光子晶体内三组五排放大的空气孔和期间的13排空气孔形成了F-P腔结构，这些空气孔内填充5CB液晶。透明导电膜层直接镀附在包层玻璃内侧后覆盖于光子晶体中垂直于空气孔的两侧，两个外接电压接线点分别与两个透明导电膜层连接。通过控制施加在接线点上的外加电压的大小来调节液晶折射率，从而调节出射光功率。本发明的优点集中体现在它的可集成，光束无衍射损耗自准直传播和工作性能佳等方面，在集成光通信中很有优势。
附图说明
图1为本发明所涉及的二维空气孔型正方格子光子晶体在实施例中的俯视图；
图2为本发明所涉及的可调谐光衰减器在实施例中的剖面图；
图3为本发明所涉及的可调谐光衰减器在实施例中的出射光强随液晶折射率变化的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。应理解的是，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
以工作波长为1.55μm的可调谐光衰减器为例。器件的主要结构参数如下：
光子晶体的晶格周期：a=5.64μm。
空气孔的半径R1:2.03μm。
放大的空气孔半径R2:2.82μm。
F-P腔的腔长：13排半径为R1的空气孔。
F-P腔的宽度视入射光的宽度而定，这里取入射光宽度为15.5μm，F-P腔的宽度为31μm。
图2为本发明所涉及的可调谐光衰减器在实施例中的剖面图。
如图2所示，在本实施例中的可调谐光衰减器包括：特殊结构设计的二维空气孔型正方格子光子晶体1、5CB液晶2、两个透明导电薄层3、两个外接电压接线点4和两个包层玻璃5。
5CB液晶2，填充于整个F-P腔结构的空气孔中，包括三组五排放大的空气孔和它们间的13排空气孔；
两个包层玻璃5覆盖于光子晶体中垂直于空气孔的两侧；
两个透明导电膜层3分别直接镀附在两个包层玻璃内侧；
两个外接电压接线点4分别与两个透明导电膜层3连接，外加电压通过接线点4施加在两个透明导电膜层3电极上。
本实施例中采用入射光为波长为0.275a的TE偏振的光波。
图1为本发明所涉及的二维空气孔型正方格子光子晶体在实施例中的俯视图。
如图1，2所示，二维空气孔型正方格子光子晶体1，是相对介电常数为12.25的硅基光子晶体，光子晶体的晶格常数为a，空气孔半径R1为0.36a。选其中五排空气孔，这五排空气孔的半径R2设计为0.5a，在左右两边距离这五排放大的光子晶体空气孔为13排空气孔处，分别另取五排空气孔，同样设计其空气孔的半径R2为0.5a，这三组五排放大的空气孔和期间的13排空气孔两两构成一个F-P腔。放大的五排空气孔作为F-P腔的反射结构；
图3为本发明所涉及的可调谐光衰减器在实施例中的出射光强随液晶折射率变化的示意图。
当衰减器工作时，入射光从衰减器的一端垂直F-P腔的反射结构自准直入射到F-P腔中。如图3所示，当所加电压在0-5V间变化时，液晶折射率在1.522-1.706间变化，从F-P腔结构中出射的光的光强也随着发生变化。结合所加电压与出射光功率的关系，如图3所示，随液晶折射率变大，输出光功率几乎是单调增加的，当所加电压使液晶折射率为1.597时，出射光强最小，为入射光功率的0.037%；当所加电压使液晶折射率为1.706时，出射光强最大，为入射光功率的98.15%。
实施例的作用与效果
本实施例中的可调谐光衰减器它的插入损耗约为0.23dB，衰减范围为0.08-34.3dB，控制电压0-5V，响应速度在μs级，该可调谐光衰减器的插入损耗是极低的，衰减范围也很大，能耗也低，在生产该器件时，通过调节光子晶体的晶格常数a的值来获得工作于不同波长的可调谐光衰减器。因此，该可调谐光衰减器具有可集成，光束无衍射损耗自准直传播和工作性能佳等优点，在光集成化发展中很有优势。

Claims (4)

1.一种基于光子晶体自准直效应和F-P干涉结构的可调谐光衰减器，用于光通讯中，对入射光进行调节，其特征在于，具有：
第一包层玻璃，
第二包层玻璃，
分别镀附在所述第一包层玻璃和所述第二包层玻璃内侧的传导电压的第一透明导电膜层和第二透明导电膜层，
分别与所述第一透明导电膜层和第二透明导电膜层相连的外界电压接线点，
使波长在一定范围内的入射光进行自准直传输的二维空气孔型正方格子光子晶体，以及
根据外加电压调节输出光光强的5CB液晶，
其中，所述二维空气孔型正方格子光子晶体包括，三组反射结构模块以及位于所述反射结构模块之间的十三排具有一定半径的第一空气孔，所述反射结构模块为五排并列的具有特定半径的第二空气孔，
所述5CB液晶填充于所述第一空气孔和所述第二空气孔中。
2.根据权利要求1所述的可调谐光衰减器，其特征在于：
其中，所述一定半径为0.36a～0.37a。
3.根据权利要求1所述的可调谐光衰减器，其特征在于：
其中，所述特定半径为0.49a～0.5a。
4.根据权利要求1所述的可调谐光衰减器，其特征在于：
其中，所述一定范围为0.275a～0.28a。
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