CN105891961A - 一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导波光学技术领域，具体为一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器。本发明包括:一个圆柱或方柱体与平面光波导的复合透明体；其中圆柱或方柱体沿纵轴成一定角度切开，在一切面上根据透射中心波长，制备平面光波导，平面光波导由不同层数和厚度的薄膜构成；平面光波导具有多个导模；将两个切割体沿切面帖合、固定、密封构成复合体；根据不同阶数的导模对平面光波导的不同入射角，复合体两端面加工成对应的平行平面对，作为相应光传输通道，并在其上制备相应的宽带增透膜；通过旋转复合体以选择不同的光传输通道，即实现不同带宽的滤波效果。每个通带中心波长透射率可达100%，带宽可在nm和pm之间切换，带宽变化量达到一个数量级以上。本发明的滤波器在光通讯，光谱技术等方面有重要应用。

Description

一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器
技术领域
本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器。
背景技术
窄带光学滤波器在光通讯，光谱技术方面是必不可少的光学器件。可产生窄带光学滤波的技术已有很多，如光学薄膜，干涉滤光片，以及基于光栅结构的导模共振滤波器等。但是，这些器件大多结构比较复杂，制备过程复杂。而且各种滤波器一般都只有固定的滤波带宽。如果要改变，只能换不同的滤波器。
本发明提出一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器是基于棱镜耦合的导模共振滤光技术的，与光栅结构的导模共振技术相对应，但是本发明的器件结构中不含有光栅，因此可以在省去制备亚波长的光栅结构的复杂过程，从而可以大大简化工艺，提高器件的质量。并且本发明设计的平面光波导具有多导模特征，不同阶数的导模，其共振通带的带宽不同。本发明设计时根据不同阶数的导模的不同角度通道，设计加工滤波器复合体表面成多对平行平面，并已确定相应入射通道的入射光的方向为正入射，因此使用时只需要旋转固定角度即可实现通道，从而与是带宽的切换，而无需进行角度调整，使用方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于棱镜耦合的导模共振多通道多带宽的光学滤波器。
平面光波导的基本结构为由不同折射率的材料构成的“低-高-低” 三层结构，棱镜耦合是由高折射率材料的棱镜平面与平面光波导帖合，构成 “高-低-高-低”的横向折射率分布结构。在适当的耦合距离的条件下，波导中的导模模式可以被由棱镜耦合的光束所激发，在平面光波导中形成导模。这个导模还可以被平面波导另一侧的第二块棱镜耦合出来，形成传导模。这便是棱镜对平面光波导的导模共振。根据平面光波导的材料和厚度的调节，可以使共振传导的光的带宽受到有效控制。当平面光波导为多导模结构时，不同的阶数的导模，其棱镜耦合的入射角不同，并且，导模发生共振传输时的通带宽度也不同。因此，多导模的棱镜耦合平面光波导结构可实现多通道多带宽的光学滤波作用。
基于上述原理，本发明设计了一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，其通带中心波长透过率可达100%，带宽可在nm和pm之间切换，带宽变化量达到一个数量级以上。其结构如图1 所示。
具体包括：一准直入射光束，一个由柱体经切割形成的两个切割体与平面光波导组成的复合透明体，以下简称复合体；其中，两个切割体是由柱体沿纵轴成一定角度切开而得到的对称的两个部分，在该两个切割体相对的切面之间为平面光波导，该平面光波导由低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层依次迭合构成；该平面光波导设计为对某一中心波长的多模光波导， 整个复合体仍为一柱体；根据不同阶数的导模对平面光波导的入射角，将复合体的两端面加工成相应的多对平行平面，并在其上制备有相应波段的宽带增透膜。
制备时，先把一柱体沿纵轴以一定角度（A）切开，得到对称的两个切割体，在一个切割体切面（斜面）上根据透射中心波长，制备平面光波导；平面光波导由不同层数和厚度的薄膜构成，平面光波导设计为多导模结构；再将两个切割体沿切面帖合，固定，并密封，即构成复合体；根据不同阶数的导模对平面光波导的入射角，将复合体的两端面加工成相应的多对平行平面，并在其上制备相应波段的宽带增透膜。使用时光束沿不同的导模通道透射复合体。
本发明的滤波器在光通、光谱技术等方面有重要应用。本发明基于棱镜耦合的导模共振原理，不需要制备光栅结构，因此具有制备方便、使用简便、带宽可切换的优点。
本发明中，所述准直入射光束为准直光束。
本发明中，所述的复合体两端面，根据不同的导模阶数加工对应的平行平面对，并在其上镀制对应于设计的中心波长的宽带增透膜层。
本发明中，所述的柱体（例如为圆柱或方柱体）切割体的材料折射率高于平面光波导的两个外层低折射率膜层的折射率。
本发明中，所述两个切割体的切面为斜面，当柱体为圆柱体时，其切面为椭圆，当柱体为方柱体时，其切面为矩形。
本发明中，所述两个低折射率膜层和高折射率膜层，其两者折射率高、低是相比较而言的。
所述低折射率膜层的材料可以是空气，或为均匀且对待滤波段透明的气体、液体或固体。
所述（滤波）带宽可角度切换，是指通过旋转复合体使入射光束在相应导模阶数的传输通道中传输，即可实现带宽的角度切换。不同导模阶数的通道所在的角度变化是固定的.
本发明优点：
1、本发明的结构是一种基于棱镜耦合的平面光波导传导结构，相对于光栅耦合的结构，其最大优点是不用光栅，因此省去了制备亚波长光栅的复杂过程，仅以一定的镀膜工艺和表面加工及装配即可完成，可以同样达到100%的透过率，且通带带宽也可达到nm 和pm量级；
2、本发明的另一个优点是，多通道和多带宽。可通过旋转复合体来选择不同的光学通道从而实现不同带宽的滤波作用。根据不同导模对平面光波导的入射角而设计的复合体端面切割角度，可以确保入射光以正入射方式透过该滤波器，而无需复杂的角度调节机构，从而具有使用方便和简便的特点。
附图说明
图1为一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器。
图2为图1所示滤波器结构中平面波导层法线方向的折射率空间分布。
图3 为（波长632.8nm） 的入光束对棱镜耦合结构中平面波导层的强度透过率随入射角的变化关系。
图4为图1所示滤波器的0阶共振导模通道的透射光谱（设复合体的两端面透过率为100%）。带宽: 0.126nm，导模入射角81.1322°。
图5为图1所示滤波器的1阶共振导模通道的透射光谱（设复合体的两端面透过率为100%）。带宽: 0.316nm，导模入射角75.9887°。
图6为图1所示滤波器的2阶共振导模通道的透射光谱（设复合体的两端面透过率为100%）。带宽: 1.006nm，导模入射角70.1692°。
图7为图1所示滤波器的3阶共振导模通道的透射光谱（设复合体的两端面透过率为100%）。带宽: 4.398nm，导模入射角64.2122°。
图8为图1所示滤波器的各阶共振导模通道的透射光谱带宽随导模阶数的变化（设复合体的两端面透过率为100%）。
图中标号：1，2，3，4为准直入射光束对导模阶数为0，1，2，3的导模共振通道的入射面，5，6，7，8为相应通道的输出端面，所有端面均镀制宽带增透膜，9和10为柱体经切割后的两切割体，11，12，13为切割体两切面上制备的平面光波导层，其中11，13为低折射率层，12为高折射率层，14，15，16，17为导模阶数为0，1，2，3的导模共振通道的入射光束的光轴，θM0，θM1，θM2，θM3 为导模阶数为0，1，2，3的导模对平面光波导的平面法线的入射角。
具体实施方式
本发明设计的一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，包括：一个圆柱或方柱体与平面光波导的复合透明体（以下简称复合体），其中将圆柱或方柱体沿纵轴成一定角度切开，在一个切面上根据透射中心波长，制备平面光波导，平面光波导由不同层数和厚度的薄膜构成。再将两个切割体沿切面帖合，固定，并密封，构成复合体。设计平面光波导为多模结构，复合体两端面，根据不同的导模阶数加工对应的平行平面对，并在其上镀制对应于设计的中心波长的宽带增透膜层。通过旋转复合体使入射光束在相应导模阶数的传输通道中传输，即可实现带宽的角度切换。不同导模阶数的通道所在的角度变化是固定的。
本发明的带宽可角度切换滤波器，具体包括：不同导模共振通道的平行平面对（例如，1-5，2-6，3-7，4-8，两个标号表示平面对），一个由柱体经切割形成的两个切割体9 和10，平面光波导层 11，12，13，一准直入射光束入射方向 14，15，16，17。其中，两个切割体是由柱体沿纵轴成一定角度切开而得到的对称的两个部分，在该两个切割体相对的切面之间为平面光波导，该平面光波导由低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层依次迭合构成，平面光波导设计为对某一中心波长的多模光波导。整个复合体仍为一柱体；根据不同阶数的导模对平面光波导的入射角，将复合体的两端面加工成相应的多对平行平面，并在其上制备相应波段的宽带增透膜。结构示意图如图1所示。
根据图1所示的结构，选定一个激光工作波长如: 632.8nm，柱体材料为火石玻璃，折射率1.66，以其作为耦合棱镜体材料，平面波导结构中的低射率膜层（11 和13），取为石英玻璃，折射率为1.45，厚度为500nm，高折射率膜层（12）取材火石玻璃，折射率1.65，厚度为1500nm。整个结构的折射率分布如图2 所示；所建立的坐标系中，沿平面波导的法线N方向取为X。
利用严格的耦合波理论，一束准直光束进入该滤波器后，其在滤波器的各部分的光场的场强表达式，以横电波（TE波）为例，可以计算得出。应用TE波电场矢量在边界处的连续性条件，并假设入射光场在复合体切割体（10）与低折射率层（11）界面处的光场幅度为1，可以解出光在切割体（9）中的光场强度与光在切割体（10）中的光场强度的比值，即透过率：，如图3 所示，可见在从60°到90°的情况下，透射率在64.2122°，70.1692°，75.9887°，和81.1322° 的时候达到100%的透过率，即有4个导模，而且导模的角宽度随入射角的增大而减小。
以中心波长为632.8nm的一定带宽的准直光束透射该滤波器的各阶共振导模通道，其光谱透过率如图4，5，6，7所示。其半高全宽度分别为0.126nm，0.316nm，1.006nm，和4.398nm。 图8显示了上述滤波通道的带宽随通道数的变化情况。可见该滤波器的各阶共振导模通道的中心波长均有100%的透过率，而通带宽度从0阶到3阶依次增加，从0.126nm 到4.398nm。各个共振导模通道的入射角各不相同。因此，可以通过切换入射角来改变滤波通带带宽。
本发明可以在光通讯及光谱技术中可以得到广泛的应用。

Claims (6)

1. 一种带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，其特征在于，包括：一准直入射光束，一个由柱体经切割形成的两个切割体与平面光波导组成的复合透明体，以下简称复合体；其中，两个切割体是由柱体沿纵轴成一定角度切开而得到的对称的两个部分，在该两个切割体相对的切面之间为平面光波导，该平面光波导由低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层依次迭合构成；该平面光波导设计为对某一中心波长的多模光波导， 整个复合体仍为一柱体；根据不同阶数的导模对平面光波导的入射角，将复合体的两端面加工成相应的多对平行平面，并在其上制备有相应波段的宽带增透膜；其中，所述两个低折射率膜层和高折射率膜层，其两者折射率高、低是相比较而言的。
2.根据权利要求1所述的带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，其特征在于，所述准直入射光束为准直光束。
3.根据权利要求1所述的带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，其特征在于，所述切割体的材料折射率高于平面光波导的两个外层低折射率膜层的折射率。
4.根据权利要求1所述的带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，其特征在于，所述柱体为圆柱或方柱体；所述两个切割体的切面为斜面，当柱体为圆柱体时，其切面为椭圆，当柱体为方柱体时，其切面为矩形。
5.根据权利要求1所述的带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，其特征在于，所述低折射率膜层的材料是空气，或为均匀且对待滤波段透明的气体、液体或固体。
6.根据权利要求1所述的带宽可角度切换的多模导模共振光学滤波器，其特征在于，所述带宽可角度切换，是指通过旋转复合体使入射光束在相应导模阶数的传输通道中传输，即可实现带宽的角度切换；不同导模阶数的通道所在的角度变化是固定的。
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