CN106646934A - 基于铌酸锂晶体的多波长可调谐窄带滤波器 - Google Patents

Abstract

基于铌酸锂晶体的多波长可调谐窄带滤波器，以铌酸锂晶体为基底，在沿铌酸锂晶体x，y或z方向上交叉制备布拉格波导光栅和无光栅的波导结构，并在无光栅的波导两侧制备电极结构，构成多波长可调谐窄带滤波器结构。其中各段布拉格波导光栅周期相同，滤波器结构如图1所示。该滤波器利用铌酸锂晶体的电光效应，来实现多波长调谐滤波的功能。本发明的优势：通过改变电极上所加电压，可以实现多波长调谐滤波；滤波器可以通过选择加电压电极的个数，来实现滤波器所滤波长数量的选择；利用铌酸锂晶体的电光特性，调谐速度快，具有广泛的应用前景。

Description

基于铌酸锂晶体的多波长可调谐窄带滤波器

技术领域：

本发明涉及光滤波器，特别是基于铌酸锂晶体的多波长可调谐滤波器。

背景技术：

用光纤光栅或者波导光栅作为一种基本的波长选择性元器件，在光通信和光传感领域有着十分广泛的应用。按光栅周期的大小，可以分为周期长度在100um量级的长周期光栅和周期大小可在1um以下的布拉格光栅，其中短周期的布拉格光栅能将满足布拉格条件的特定波长极大的反射回来，具有窄带滤波的作用。

由于光纤光栅受到光纤材料(石英玻璃)和结构(圆柱包层结构)的限制，只能够实现基于弹光效应(应力)和热光效应(温度)的慢性调谐(调谐速率一般在ms量级)，而且光纤光栅多级级联有很大的损耗，很难实现大规模集成，因而其作用和应用受到很大局限，很难应用到高速实时大容量全光网络中。为了突破光纤材料本身的局限性，用特殊材质的光波导来取代传统光纤制作光栅器件是一种有效的解决途径。

铌酸锂(LiNbO3)晶体是集成光学器件中最常用的无机介电材料，它集电光，声光，非线性，光折变等多种效应于一身，材料的物理化学性能稳定，容易生长大块的高光学质量基片，而且成本低廉，易抛光和加工，不潮解，更重要的是该晶体在0.35um-5um波长范围内的通光性能良好。因而，铌酸锂晶体是目前公认的光电子时代的“光学硅”的主要候选材料之一。基于铌酸锂晶体的快速可调谐的波导光栅可以作为复杂光器件或者系统中的元器件，可以作为传感器、波长转换器、跟踪式滤波器等，有着很广泛的应用。

发明内容:

本发明的目的是改善传统光滤波器调谐速度慢的问题，以及传统光滤波器滤波波长个数的局限性，提出基于铌酸锂晶体的多波长可调谐窄带滤波器结构，该结构以铌酸锂晶体为材料，充分利用其电光特性，来实现多波长可调谐滤波功能。本发明可以实现多波长调谐滤波且滤波波长个数可调。与传统的光滤波器相比，结构简单，调谐方法简单，应用更灵活，具有广泛的应用前景。

本发明的技术方案

基于铌酸锂晶体的多波长可调谐窄带滤波器，以x切，y切或z切的铌酸锂晶体为基底，利用常规的波导制备工艺及光栅刻写技术，在铌酸锂基底上交叉制备布拉格波导光栅结构和无光栅的波导结构，并在无光栅的波导两侧制备电极，构成多波长可调谐窄带滤波器结构；电极结构对称分布于波导两侧。波导及光栅沿x方向，y方向或者z方向，使光的传播为x传，y传或z传，如图1所示。

本发明提出的多波长可调谐窄带滤波器结构中，包含多段布拉格波导光栅，所有布拉格波导光栅段的周期保持一致，周期大小满足λ＝2nΛ，其中λ为滤波器的滤波中心波长，Λ为布拉格光栅周期，n为波导光栅的有效折射率。每一段布拉格波导光栅的长度可以相同或者不同。

本发明提出的滤波器结构中，无光栅波导区域长度L满足关系式：这里λ为所滤波长，n_eff为无光栅区域波导的有效折射率，为光栅相移量，其中可以为0～2π之间的任意值。

本发明提出的滤波器结构中电极结构对称分布于无光栅区域波导两侧，且电极对数N>1。

本发明提出的滤波器，所滤波长为透射波，且滤波器可以双向工作，两端均可以作为输入或输出。

本发明提出的滤波器所滤波长个数可调谐，改变电极上的电压会引起相移量的改变，当有m个相移量(m<N)，k＝1,2,3...，且这m个相移量在附近变化，此时有m个透射波。

本发明提出的滤波器，在电场引起相移量k＝1,2,3...的电极处，相移量变化时保持同步。

本发明提出的滤波器的波长调谐方法是：改变在电极对上所加电压，引起电场范围内折射率的改变，进而引起相移量的变化，当相移量k＝1,2,3...时，的变化会导致透射波长的变化，进而实现调谐滤波的功能。

本发明的优点和有益效果：

本发明提出的多波长可调谐窄带滤波器结构具有以下优点：滤波波长可调谐，且应用铌酸锂晶体的电光特性，调谐速度极快，可以达到ns量级；滤波波长个数可调谐；滤波器滤波范围的中心波长可通过改变光栅周期进行调整；采用电控调谐，调谐方法简单，具有广泛的应用前景。

附图说明：

图1基于铌酸锂晶体的多波长可调谐窄带滤波器。

图2三波长可调谐窄带滤波器等效结构；

图1和图2中，1为铌酸锂晶体基底，2为电极，3为布拉格波导光栅结构，4为波导。

图3三波长可调谐窄带滤波器电场引起相移时的透射谱。

图4三波长可调谐窄带滤波器电场引起相移时的透射谱。

图5三波长可调谐窄带滤波器电场引起相移量为时的透射谱。

图6五波长可调谐窄带滤波器电场引起相移量为时的透射谱。

图7五波长可调谐窄带滤波器电场引起相移量为时的透射谱。

图8五波长可调谐窄带滤波器电场引起相移量为时的透射谱。

具体实施方式：

实施例1：

图1所示滤波器结构，该滤波器以铌酸锂晶体为基底1，在基底上面交叉制备布拉格波导光栅结构3和无光栅的波导结构，并在无光栅的波导4两侧制备电极2，构成多波长可调谐窄带滤波器结构。所有布拉格波导光栅段的周期保持一致，周期大小满足λ＝2nΛ，其中λ为滤波器的滤波中心波长，Λ为布拉格光栅周期，n为波导光栅的有效折射率。

调节电极上所加电压，仅保留三对电极结构使其引起的相移量调整其余所有电场使其引起相移量k＝1,2,3...，这些点等效于无相移点，构成三波长可调谐窄带滤波器结构，其等效图如图2所示。图2中4段布拉格波导光栅等效长度分别为9mm，6mm，6mm，9mm，电极长度均为725.2um，电极间距为10um。图3为电场引起相移时的透射谱，其中横坐标为透射波长，纵坐标为透射率。图4为电场引起相移时的透射谱，图5为电场引起相移量为时的透射谱。

可以看出，改变电极上的电压引起透射波波长的改变，实现了三波长滤波器的调谐滤波的功能。

上述中的相移指的是光栅相移量当光栅相移量改变时透射谱波长就会改变，而相移量与无光栅区域波导长度L以及波导有效折射率n_eff的关系为：

λ为所滤波长。

改变电场(即改变电极上所加电压)，引起电场范围波导有效折射率的改变量为：

其中n_e为铌酸锂晶体的非寻常光折射率，此处表示波导的有效折射率，γ₃₃是铌酸锂晶体的最大电光系数。E_z为加在z方向的电场。

当L固定时，电场和相移量改变量有下式关系：

其中电场V为电压，d为电极之间的距离，可见改变电场大小，可以对相移量进行调节，进而改变透射波长。

实施例2：

在实施例1的基础上，当滤波器等效为包含6段布拉格波导光栅，5对电极，其中光栅段长度分别为9mm，3mm，3mm，3mm，3mm，9mm，电极长度均为725.2um，电极间距为10um时，同时在5对电极上加电压引起相移时，其透射谱如图6所示。同时在5对电极上加电压引起相移时，其透射谱如图7所示。同时在5对电极上加电压引起相移时，其透射谱如图8所示。可以看出，改变电极上的电压引起透射波波长的改变，实现了五波长滤波器的调谐滤波的功能。

Claims (10)

1.基于铌酸锂晶体的多波长可调谐窄带滤波器，其特征在于所述滤波器以铌酸锂晶体为基底，在基底上面交叉制备布拉格波导光栅结构和无光栅的波导结构，并在无光栅的波导两侧制备电极，构成多波长可调谐窄带滤波器结构。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述铌酸锂基底可以为x传，y传，或z传。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述基底上所制备的所有布拉格波导光栅段的周期保持一致，周期大小满足λ＝2nΛ，其中λ为滤波器的滤波中心波长，Λ为布拉格光栅周期，n为波导光栅的有效折射率。

4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述滤波器中每一段布拉格波导光栅长度可以相同或不同。

5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述无光栅波导区域长度L满足关系式，这里λ为所滤波长，n_eff为无光栅区域波导的有效折射率，为光栅相移量，其中可以为0～2π之间的任意值。

6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述电极结构对称分布于无光栅区域波导两侧，且电极对数N>1。

7.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述滤波器所滤波长为透射波，且滤波器可以双向工作，两端均可以作为输入或输出。

8.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述滤波器所滤波长个数可调谐，改变电极上的电压会引起相移量的改变，当有m个相移量，m<N，k＝1,2,3...且这m个相移量在附近变化，此时有m个透射波。

9.根据权利要求8所述的滤波器，其特征在于电场引起相移量k＝1,2,3...的电极处，相移量变化时保持同步。

10.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述滤波器的波长调谐方法是：改变在电极上所加电压，引起电场范围内折射率的改变，进而引起相移量的变化，当相移量k＝1,2,3...时，的变化会导致透射波长的变化，进而实现调谐滤波的功能。