CN104835998A - 基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器，属于滤波器设计技术领域；器件结构为光栅-分布式布拉格反射镜-光栅结构。入射波经过左表面光栅分裂为三种衍射光，在布拉格反射镜中传播，最后在右表面光栅处汇聚后垂直出射。透射谱为梳状透射光谱，透射峰处透射率可以达到100％，透射峰半高宽小于1nm，其与峰间距之比小于0.05。通过调整分布式布拉格反射镜的层数可以控制滤波器的数密度和半高宽；通过调整光栅常数可以控制透射峰的位置。对比现有技术，本发明具有带宽窄、峰值透射率大、透射峰位置可调，且为多通道等优点；另外，本发明对分布式布拉格反射镜的结构精度依赖较弱，弱的结构精度依赖性也有利于实际生产。

Description

基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，特别涉及一种基于分布式布拉格反射镜与光栅耦合的多通道电磁波极化滤波器，属于滤波器设计技术领域。

背景技术

在通信系统中，滤波器是重要部分。目前常见的滤波器一般有滤波片、光栅、Fabery-Perot标准具和原子滤波器等。其中，滤波片结构简单，应用最为广泛，但是滤波片对光入射角的要求较高，需要对光路进行精确准直，而且两个波长相近的光之间容易出现相互干扰，造成多波长系统效率很低。Fabery-Perot标准具系统对特定波长具有较高的滤波效果，但是系统复杂昂贵，对工作环境要求较高。原子滤波器需要与特定的吸收线匹配，对激光器的波长和线宽的要求较高。光栅也是一种被大量采用的滤波器元件，其是由大量等宽等间距的平行狭缝或沟道构成。一般来说，作为电磁波滤波器使用的光栅有总槽或沟道数尽量大、光栅常数小并尽量选用高衍射级数光的要求。选用高衍射级数光的要求给光栅在滤波器领域的应用带来了一定困难。Pelletier和Macleod曾讨论过多峰干涉滤波片，并制备了用于汞谱线406nm和436nm的双峰干涉滤波片。而现有的多峰滤波片的透射峰数密度较小，半高宽也较大，通常为1nm，峰值大小不能全部达到1。

随着光学工程和光纤通信技术等的发展，光滤波器产品被应用到各种领域，如波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用和解复用等。此外，对多通道或多路光信号的并行处理，也得到发展。因此，若能实现同一基片上的多极窄透射峰的电磁波极化滤波功能，将非常有益于多通道或多路光信号的处理和相关器件的加工和集成。

发明内容

本发明的目的是为解决在同一基片上实现多极窄透射峰的电磁波极化滤波问题，提供一种基于分布式布拉格反射镜与表面电介质光栅耦合的多极窄透射峰的电磁波极化滤波器。本文后面，为书写方便，将“多极窄透射峰的电磁波极化滤波器”简称为“多通道电磁波极化滤波器”。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于分布式布拉格反射镜与表面介电光栅耦合的多通道电磁波极化滤波器，包括分布式布拉格反射镜和光栅；所述光栅位于分布式布拉格反射镜的左表面和右表面；入射光首先由左表面光栅通过衍射分为零阶和正负一阶三种衍射光，接着在分布式布拉格反射镜中传播，最后通过右表面光栅汇合垂直射出，形成极窄多峰透射光谱。

作为优选，所述光栅材质为电磁波损耗小的电介质，如GaAs。

作为优选，所述分布式布拉格反射镜是使用具有高低折射率差值较大的两种材料层周期性交替组成，其周期数为n+0.5，其中n为任意整数。具体实施例中，n为20到80之间的整数。

作为优选，若多通道电磁波极化滤波器的工作波长设定在波长λ_c附近，则分布式布拉格反射镜的每个周期中两种材料层的厚度分别为h_a＝λ_c/4n_a和h_b＝λ_c/4n_b，其中n_a和n_b分别表示两种材料层在中心波长处折射率。

一种基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器的调谐方法，包括：通过控制分布式布拉格反射镜左右表面光栅的光栅常数来控制透射峰的位置，即增大光栅常数会使透射峰位置在透射谱上向长波方向移动，反之向短波方向移动；通过控制分布式布拉格反射镜的周期数来控制透射峰的数密度以及透射峰的半高宽；通过改变分布式布拉格反射镜的材质以及分布式布拉格反射镜每层的厚度来调整滤波器的工作波长。

有益效果

对比现有技术，本发明利用表面带有光栅结构的分布式布拉格反射镜作为多通道极化滤波器，每个通道的电磁波在此结构的最大透射率为1；透射峰数密度较大，可以达到250峰/微米，半高宽也较小，可以达到0.1nm；而且可以通过调整布拉格反射镜的层数来调整透射峰的数密度和半高宽，通过调整光栅常数调节透射峰值的位置，可以实现横电电磁波和横磁电磁波的极化透射；并且本实施例中滤波器对结构精度的依赖较弱，15％随机厚度涨落不会影响滤波器的主要性质，非常有利于实际生产，便于小型化和集成化。

附图说明

图1是本发明实施例中基于分布式布拉格反射镜与光栅耦合的多通道电磁波极化滤波器结构示意图。

图2是本发明实施例中基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器的透射谱。横坐标为波长,纵坐标为透射率。

图3是本发明实施例中光栅常数对横电电磁波透射行为的影响示意图。横坐标为波长,纵坐标为透射率(图中将不同光栅常数的透射谱沿纵轴排列放在一个坐标系中)。

图4是本发明实施例中光栅常数对横磁电磁波透射行为的影响示意图，横坐标为波长,纵坐标为透射率(图中将不同光栅常数的透射谱沿纵轴排列放在一个坐标系中)。

图5是本发明实施例中分布式布拉格反射镜的周期数(20.5-80.5层)对横电电磁波的透射光谱的影响示意图(图中是将不同分布式布拉格反射镜周期数的透射谱沿纵轴排列放在一个坐标系中)。

图6是本发明实施例中分布式布拉格反射镜的周期数(20.5-80.5层)对TM极化电磁波的透射光谱的影响示意图(图中是将不同分布式布拉格反射镜周期数的透射谱沿纵轴排列放在一个坐标系中)。

图7是本发明实施例中横电电磁波和横磁电磁波透射谱分离示意图。图中实线为横电电磁波透射谱，虚线为横磁电磁波透射谱。

图8是本发明实施例中有15％厚度随机性的分布式布拉格反射镜的透射光谱和无厚度随机性的分布式布拉格反射镜的横电电磁波的透射行为的对比示意图。实线为无厚度随机性分布式布拉格反射镜横电电磁波极化电磁波的透射谱，虚线为有15％厚度随机性的分布式布拉格反射镜TE极化电磁波的透射谱。

图9是本发明实施例中有15％厚度随机性的分布式布拉格反射镜的透射光谱和标准的分布式布拉格反射镜的横磁电磁波极化电磁波的透射行为的对比示意图。实线为无厚度随机性分布式布拉格反射镜横磁电磁波极化电磁波的透射谱，虚线为有15％厚度随机性的分布式布拉格反射镜横磁电磁波极化电磁波的透射谱。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图做进一步说明。具体实施例中，电介质光栅的材料为GaAs，分布式布拉格反射镜的材料是GaAs和AlAs。

实施例1

如图1所示为一种基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器，包括分布式布拉格反射镜和光栅，图中所示为典型的分布式布拉格反射镜，它是由GaAs(砷化镓)层以及AlAs(砷化铝)层周期性交替组成，具体实施例中周期数从20.5到80.5，一个周期为一层AlAs(砷化铝)和一层GaAs(砷化镓)组成，每层厚度分别为h_a＝λ_c/4n_a和h_b＝λ_c/4n_b(λ_c为中心波长，n_a和n_b分别两种夹层对中心波长的折射率)，经过多周期生长形成图中所示的分布式布拉格反射镜结构。之后，在分布式布拉格反射镜的左右两侧分别生长一层GaAs(砷化镓)光栅。L代表光栅常数，其中L_g表示光栅不透光的部分，h_g表示光栅的厚度。

对如图1所示多通道电磁波极化滤波器，电磁波从左到右传播，所述分布式布拉格反射镜的两种材料分别是折射率n_a＝3.58的AlAs和折射率为n_b＝3.0的GaAs；因此AlAs层厚度为h_a＝λ_c/4n_a，GaAs层厚度为h_b＝λ_c/4n_b，设定中心波长λ_c＝900nm。左侧表面的光栅将入射光波分裂为三束光，此三束光发生干涉现象，接着在分布式布拉格反射镜中传播，最后通过右表面光栅汇合射出，形成透射光梳。

按照图1实例设计的器件在860nm～940nm波段的梳状透射谱如图2所示。透射光谱为梳状，透射峰极窄，半高宽量级可以达到0.1nm。

本滤波器可以通过调整光栅常数的大小来进行滤波，使特定波长的光输出。如图3、图4所示，分别为光栅常数对TE(横电电磁波)极化电磁波和TM(横磁电磁波)极化电磁波透射行为的影响示意图，由图中可以看出，随着光栅常数变大(即附图中296nm～304nm)，对应的透射峰逐渐向长波方向移动，因此通过光栅常数的改变实现了透射峰位置的改变。

本滤波器可以通过调整分布式布拉格反射镜的周期数使得透射峰更加密集，透射峰半高宽更窄。如图5和图6所示，分别为分布式布拉格反射镜的周期数(20.5-80.5层)对TE极化电磁波和TM极化电磁波的透射光谱的影响示意图。由图中可以看出随着分布式布拉格反射镜的周期数的变大，对应的透射峰逐渐变多、变得密集、半高宽变得越来越小，当分布式布拉格反射镜的周期数为80的时候，数密度约为4纳米一个峰，因此本滤波器可以达到较大的数密度。

本滤波器还可以实现横电电磁波透射峰和横磁电磁波透射峰的完全分离，如图7所示。实线为横电电磁波透射谱，虚线为横磁电磁波透射谱。

本滤波器对于分布式布拉格反射镜的结构精度的依赖性较弱。当分布式布拉格反射镜每层厚度具有不大于15％的随机性时，滤波器的多峰透射性质基本不会改变，如图8和图9所示。图8展示的是横电电磁波透射谱，实线代表分布式布拉格反射镜无厚度随机性，虚线代表分布式布拉格反射镜有15％厚度随机性。图9展示的是横磁电磁波透射谱，实线代表分布式布拉格反射镜无厚度随机性，虚线代表分布式布拉格反射镜有15％厚度随机性。

综上所述，本发明利用表面带有光栅结构的分布式布拉格反射镜作为多通道极化滤波器，每个通道的电磁波在此结构中的最大透射率为1；而且可以通过调整布拉格反射镜的层数来调整透射峰的数密度和半高宽；可以通过调整光栅常数调节透射峰值的位置；可以实现横电电磁波和横磁电磁波的极化透射；并且由于本发明滤波器对分布式布拉格反射镜的结构精度依赖较弱，非常有利于实际生产，便于小型化和集成化。通过不同介电原材料的选择(材质不同其折射率就不同)、布拉格反射镜每层厚度的选择，以及光栅常数的选择可以实现此种结构滤波器在不同频段的工作。

实施例2

中心波长为λ_c＝900nm的多峰滤波问题。

步骤1，根据中心波长是λ_c＝900nm选择分布式布拉格反射镜的材料为GaAs(砷化镓)层以及AlAs(砷化铝)层，光栅材料选择GaAs。

步骤2，根据分布式布拉格反射镜的材料为AlAs以及GaAs的折射率n_a＝3.58、n_b＝3.0可以知道分布式布拉格反射镜每层的厚度分别为h_a＝λ_c/4n_a＝62.849162nm以及h_b＝λ_c/4n_b＝75nm。

步骤3，根据透射波峰的极化性质、波长、数密度以及滤波的半高宽的要求，选择满足条件的分布式布拉格反射镜的周期数。

步骤4，根据分布式布拉格反射镜中有零阶和正负一阶三束光，确定光栅常数。

本发明创造性的将分布式布拉格反射镜与光栅集成为多通道极化滤波器，具有透射率高、对入射光要求低、对结构无序性依赖较弱等特点，便于生产加工，能够实现多极窄透射峰的电磁波极化滤波器的有效滤波。

上述实施例仅以典型的分布式布拉格反射镜和光栅为例说明了本发明一种基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器结构，根据具体实施环境，还可以将实施例中的分布式布拉格反射镜和光栅以其它材质进行简单的替换。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器，其特征在于：为光栅-分布式布拉格反射镜-光栅结构；所述光栅位于分布式布拉格反射镜的左表面和右表面；入射光从左表面光栅垂直入射，然后由于光栅衍射，入射光被分为零阶和正负一阶三种衍射光，进而在分布式布拉格反射镜中传播，最后通过右表面光栅衍射后垂直射出。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器，其特征在于：所述分布式布拉格反射镜是使用具有高低折射率差值较大的两种材料层周期性交替组成，每个周期中两种材料层的厚度分别为h_a＝λ_c/4n_a和h_b＝λ_c/4n_b，其中n_a和n_b分别表示两种材料层在中心波长处的折射率，λ_c表示滤波器的中心工作波长。

3.一种基于分布式布拉格反射镜的多通道电磁波极化滤波器的调谐方法，其特征在于：通过控制分布式布拉格反射镜左右表面光栅的光栅常数来控制透射峰的位置，即增大光栅常数会使透射峰位置在透射谱上向长波方向移动，反之向短波方向移动；通过控制分布式布拉格反射镜的周期数来控制透射峰的数密度以及透射峰的半高宽；通过改变分布式布拉格反射镜的材质以及分布式布拉格反射镜每层的厚度来调整滤波器的工作波长。