CN105629523B - 一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器及其应用。本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，巧妙利用铌酸锂晶体的特性，基于电光效应改变折射率，从而可动态调节相邻波导的光程差，实现改变器件的可调谐范围；另外，本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，基于电光效应通过在电极加适当电压改变晶体折射率从而改变光程，即改变了相邻波导内不同波长光的相位差，经输出通道波导输出后，不同波长完成解复用，拓展了阵列波导光栅可调谐能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器及其应用，属于光滤波器的技术领域。
背景技术
阵列波导光栅具有平面光波导器件的所有优点，经过二十多年的发展，阵列波导光栅的各方面性能不断得到改进，日臻完善。近年来，随着光纤到户光网络的快速推进，阵列波导光栅在波分复用无源光网络(WDM-PON)中的应用日趋重要，但波导阵列光栅作为交换器件的可调谐能力仍有待开发。
现有技术中的阵列波导光栅都是采用二氧化硅作为波导层。中国专利CN102736177A公开了一种基于PLC技术的阵列波导光栅结构，该阵列波导光栅结构包括：衬底、上包层、下包层和波导芯。其在所选取的衬底上，沉积并生长掺杂B、P二氧化硅层，作为下包层；在下包层上，生长波导芯层；在波导芯层上，预留具有预设形状的波导芯；在下包层和波导芯上，生长能够完全覆盖所述下包层和波导芯的高掺杂B、P二氧化硅层，作为上包层。
采用二氧化硅作为波导层的阵列波导光栅结构具有和标准单模光纤匹配、工艺发展成熟等优点，但是因硅基的光波导器件的调谐多为基于热光效应的应用，仍然存在着波长可调谐范围小、温度稳定性差等不足。
铌酸锂晶体属于无机晶体材料是目前比较成熟的电光材料，具有可观的电光效应，物理化学性能稳定，而且基于铌酸锂晶体的光波导性能良好，制备工艺也相对成熟，己经被广泛用于制备电光强度调制器、相位调制器、倍频器等。但是因铌酸锂存在着双折射的问题，不利于实现器件的偏振不敏感特性，现有技术中无法将铌酸锂应用到阵列波导光栅。
现有技术中阵列波导光栅的制作方法已较为成熟，其中较为常见的是光刻法和腐蚀法。中国专利CN1312479公开了一种镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法，该方法就是通过氧化、光刻、腐蚀等微机械加工技术，制作出位置精确、镜面平整度高且与波导平面绝对垂直的全反射镜，并将此结构应用于无源光器件(如光耦合器、阵列波导光栅等等)中以实现结构紧凑、集成度高、性能好、工艺简单、可以批量生产的光通信器件。另外，中国专利CN100410707也公开了一种利用利用光刻和腐蚀制备有机聚合物阵列波导光栅的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器。
本发明还提供一种利用上述基于铌酸锂的可调谐光滤波器进行调谐的方法。
本发明的技术方案为：
一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器，包括自上而下依次叠加设置的上限制层、铌酸锂波导层和下限制层；上限制层的上表面设置有上电极，下限制层的下表面设置有下电极；所述铌酸锂波导层为上表面设置有阵列波导光栅的铌酸锂薄膜；所述上电极包括相互插接的偶数波导电极和奇数波导电极；偶数波导电极设置有多根偶数插齿；奇数波导电极设置有多根奇数插齿，偶数插齿和奇数插齿交替设置；所述偶数插齿和奇数插齿的长度自外向内依次递减，相邻偶数插齿和奇数插齿的长度相差L；每一根偶数插齿、奇数插齿分别对应一条波导。
铌酸锂薄膜上的阵列波导光栅为通过光刻和腐蚀(干法腐蚀或湿法腐蚀均可)的方法在铌酸锂薄膜上制作出脊波导。
由于相邻偶数插齿和奇数插齿长度的差值相同，因此电极上电压的改变会改变相邻波导内的相位差，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置及各中心波长通带宽度，由此达到可调谐目的。
设第N条偶数插齿的长度为L1，相邻奇数插齿的长度为L1-L，则与上述偶数插齿和奇数插齿相对应的波导内光波的相位差为2πnL/λ，其中n为铌酸锂晶体折射率，λ为光波长。
优选的，偶数波导电极设置有偶数根偶数插齿；奇数波导电极设置有奇数根奇数插齿。
优选的，所述上限制层和下限制层分别为二氧化硅上限制层和二氧化硅下限制层。
优选的，L＝100-200μm；最外侧奇数插齿的长度为5～7mm。
一种利用上述基于铌酸锂的可调谐光滤波器进行调谐的方法，包括步骤如下：
1)中心波长调谐模式：
在奇数波导电极和偶数波导电极上同时加载电压值相同的同相电压，使相邻波导内光波的相位差改变，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置；此工作模式中奇数波导电极和偶数波导电极可视为无差别电极；
电极加电压就会改变折射率，即改变了光程差，从输出结果看就是滤波器输出的中心波长发生改变；衍射极大值出现的位置等价于滤波器输出的中心波长。
2)通带宽度调谐模式：
在奇数波导电极和偶数波导电极上同时加载电压值相同的反相电压，使相邻波导内光波的相位差改变，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置；中心波长不变，通带宽度增加。奇数插齿对应的波导和偶数插齿对应的波导输出的中心波长改变值相同但中心波长移动方向相反(中心波长增大和减小)，因此输出结果显示为中心波长不变，但通带宽度增加，由此达到滤波器通带宽度可调谐目的。
3)中心波长及通带宽度同时调谐：
在奇数波导电极和偶数波导电极上同时加载电压值不相同的电压，使相邻波导内光波的相位差改变，但改变量不同，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置。由于奇数插齿与偶数插齿对应的波导输出中心波长位置略有不同，因此通带宽度与中心波长同时发生改变，由此达到滤波器中心波长及通带宽度同时可调谐目的。
优选的，电极上加载的电压值：
其中，r22为铌酸锂晶体电光系数，no为铌酸锂晶体的o光折射率，m为整数；n为铌酸锂晶体折射率，λ为从波导输出的光波波长。
当相邻波导内光波的相位差为2mπ时，产生衍射极大，所以2πnL/λ＝2mπ，即λ＝nL/m；铌酸锂晶体折射率与电压关系：可得
本发明的有益效果为：
1、本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，巧妙利用铌酸锂晶体的特性，基于电光效应改变折射率，从而可动态调节相邻波导的光程差，实现器件的可调谐功能；
2、本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，基于电光效应通过在电极加适当电压改变晶体折射率从而改变光程，即改变了相邻波导内不同波长光的相位差，经输出通道波导输出后，不同波长完成解复用，拓展了阵列波导光栅可调谐能力；
3、本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，有三种工作状态；通过特有的上电极，在保证输入光为偏振光时，提供了一个中心波长和通带宽度可调谐的方案；有效克服了铌酸锂晶体双折射引起的器件的偏振不敏感特性不利于实现的问题；
4、本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，基于电光效应的调谐解复用过程无电流产生，因此零功耗，无耗能产生。
附图说明
图1为设置有一根波导的基于铌酸锂的可调谐光滤波器的截面图；
图2为阵列波导光栅的结构示意图；
图3为本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器的俯视图；
1、上限制层；2、铌酸锂波导层；3、下限制层；4、上电极；5、波导；6、下电极；7、偶数插齿；8、奇数插齿；9、奇数波导电极；10、偶数波导电极。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1-3所示。
一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器，包括自上而下依次叠加设置的上限制层1、铌酸锂波导层2和下限制层3；上限制层1的上表面设置有上电极4，下限制层3的下表面设置有下电极6；所述铌酸锂波导层2为上表面设置有阵列波导光栅的铌酸锂薄膜；所述上电极4包括相互插接的偶数波导电极10和奇数波导电极9；偶数波导电极10设置有2根偶数插齿7；奇数波导电极9设置有3根奇数插齿8，偶数插齿7和奇数插齿8交替设置；所述偶数插齿7和奇数插齿8的长度自外向内依次递减，相邻偶数插齿7和奇数插齿8的长度相差L，L＝20μm；每一根偶数插齿7、奇数插齿8分别对应一条波导；最外侧奇数插齿7的长度为6mm。
由于相邻偶数插齿和奇数插齿长度的差值相同，因此电极上电压的改变会改变相邻波导内光波的相位差，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置及各中心波长通带宽度，由此达到可调谐目的。
设第N条偶数插齿的长度为L1，相邻奇数插齿的长度为L1-L，则与偶数插齿和奇数插齿相对应的波导内光波的相位差为2πnL/λ，其中n为铌酸锂晶体折射率，λ为光波长。
实施例2
如实施例1所述的基于铌酸锂的可调谐光滤波器，其区别在于，所述上限制层和下限制层分别为二氧化硅上限制层和二氧化硅下限制层。
实施例3
一种利用实施例1-2所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器进行调谐的方法，包括步骤如下：
1)中心波长调谐模式：
在奇数波导电极9和偶数波导电极10上同时加载电压值相同的同相电压，使相邻波导内光波的相位差改变，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置；此工作模式中奇数波导电极9和偶数波导电极10可视为无差别电极；
电极加电压就会改变折射率，即改变了光程差，从输出结果看就是滤波器输出的中心波长发生改变；衍射极大值出现的位置等价于滤波器输出的中心波长。
2)通带宽度调谐模式：
在奇数波导电极9和偶数波导电极10上同时加载电压值相同的反相电压，使相邻波导内光波的相位差改变，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置；中心波长不变，通带宽度增加。奇数插齿8对应的波导和偶数插齿7对应的波导输出的中心波长改变值相同但中心波长移动方向相反(中心波长增大和减小)，因此输出结果显示为中心波长不变，但通带宽度增加，由此达到滤波器通带宽度可调谐目的。
3)中心波长及通带宽度同时调谐：
在奇数波导电极9和偶数波导电极10上同时加载电压值不相同的电压，使相邻波导内光波的相位差改变，但改变量不同，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置。由于奇数插齿8与偶数插齿7对应的波导输出中心波长位置略有不同，因此通带宽度与中心波长同时发生改变，由此达到滤波器中心波长及通带宽度同时可调谐目的。
实施例4
如实施例3所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器进行调谐的方法，电极上加载的电压值：
其中，r22为铌酸锂晶体电光系数，no为铌酸锂晶体的o光折射率，m为整数；n为铌酸锂晶体折射率，λ为从波导输出的光波波长。
当相邻波导内光波的相位差为2mπ时，产生衍射极大，所以2πnL/λ＝2mπ，即λ＝nL/m；铌酸锂晶体折射率与电压关系：可得
Claims (6)
1.一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器，其特征在于，包括自上而下依次叠加设置的上限制层、铌酸锂波导层和下限制层；上限制层的上表面设置有上电极，下限制层的下表面设置有下电极；所述铌酸锂波导层为上表面设置有阵列波导光栅的铌酸锂薄膜；所述上电极包括相互插接的偶数波导电极和奇数波导电极；偶数波导电极设置有多根偶数插齿；奇数波导电极设置有多根奇数插齿，偶数插齿和奇数插齿交替设置；所述偶数插齿和奇数插齿的长度自外向内依次递减，相邻偶数插齿和奇数插齿的长度相差L；每一根偶数插齿、奇数插齿分别对应一条波导。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的可调谐光滤波器，其特征在于，所述上限制层和下限制层分别为二氧化硅上限制层和二氧化硅下限制层。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的可调谐光滤波器，其特征在于，L＝100-200μm；最外侧奇数插齿的长度为5～7mm。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的可调谐光滤波器，其特征在于，偶数波导电极设置有偶数根偶数插齿；奇数波导电极设置有奇数根奇数插齿。
5.一种利用权利要求1-4任意一项所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器进行调谐的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)中心波长调谐模式：
在奇数波导电极和偶数波导电极上同时加载电压值相同的同相电压，使相邻波导内光波的相位差改变，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置；
2)通带宽度调谐模式：
在奇数波导电极和偶数波导电极上同时加载电压值相同的反相电压，使相邻波导内光波的相位差改变，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置；中心波长不变，通带宽度增加；
3)中心波长及通带宽度同时调谐：
在奇数波导电极和偶数波导电极上同时加载电压值不相同的电压，使相邻波导内光波的相位差改变，但改变量不同，进而改变输出波导中各波长衍射极大值出现的位置。
6.根据权利要求5所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器进行调谐的方法，其特征在于，电极上加载的电压值：
其中，r22为铌酸锂晶体电光系数，no为铌酸锂晶体的o光折射率，m为整数；λ为从波导输出的光波波长。
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Granted publication date: 20180831 Termination date: 20190407 |