CN106896450A - 一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导波光学技术领域，具体为一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器。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(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；复合体两端面镀制宽带增透膜。本发明的单或多导模波导，可以分别在可见光区域中的紫光、蓝光、绿光及红光等区域形成具有极窄带的多个通带，通带的半高宽度可达皮米(10‑12米)量级，并且各带的中心波长可以通过角度变化实现微调。本发明中的滤波能带具有对称带形，边带透过率极低，具有极好的窄带性质，且容易制成大口径器件，特别适合高精度的光谱测量。

Description

一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器
技术领域
本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器。
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，制备过程麻烦。
本发明提出窄带光学滤波器是基于棱镜耦合的双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。并且由于设计时已确定入射光的方向为正入射，因此无需进行角度调整，使用方便。另外，本发明可以分别在可见光区域中的紫光，蓝光，绿光，及红光等区域形成具有极窄带的多个通带，通带的半高宽度可达皮米(10-12米)量级。并且各带的中心波长可以通过角度变化实现微调，而带宽和透过率几乎不受影响。各带的透过率受所用材料的吸收损耗影响，对市场上可得到的常规材料，各带的透过率一般可以超过92%，有的可达99%。本发明的滤波能带具有对称带形，且边带透过率极低，具有极好的窄带性质。而且，根据本发明制备的滤波器，容易制成大口径器件，特别适合高精度的光谱测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、制备方便的基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器。
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。如果这时将另一块高折射率棱镜底边帖合于平面光波导的另一面，构成 “高-低-高-低-高”的折射率分布，则第二块棱镜可以将波导内传导的导模光耦合出来，形成传导模。这便是棱镜对平面光波导的耦合:输入耦合和输出耦合。通过这样的两步耦合，特定波长的光波可以从平面光波导一侧的棱镜传导到另一侧。根据平面光波导的材料和厚度的调节，可以使传导的光的通带数量及带宽受到有效控制。
基于上述平面光波导的棱镜耦合原理，本发明设计了一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器，本发明可以分别在可见光区域中的紫光，蓝光，绿光，红光等区域形成具有极窄带的多个通带，通带的半高宽度可达皮米(10-12米)量级，其结构如图1 所示。具体包括：一束准直入射光束，一个由柱体（如圆柱或方柱体）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（如圆柱或方柱体）沿纵轴成一定角度A切割，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（斜面）之间为平面光波导，该平面光波导由多层膜迭合构成，并且满足最外面的两层膜的折射率低于内部膜层的折射率；整个复合体仍为一柱体（如圆柱或方柱体）；其中，切割角A满足A小于(90°-θc)的条件，θc= arcsin(n4/n3) 为棱镜（即切割体）3和平面光波导第一膜层4间的临界角，n3和 n4代表棱镜3和平面光波导第一膜层4的折射率。复合体的两端面制有宽带增透膜。使用时，准直入射光束沿复合体纵轴透射。
制备时，先把柱体沿纵轴成一定角度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；再将两个切割体沿切面帖合，固定，并密封，即构成复合体；复合体两端面镀制宽带增透膜。使用时光束沿复合体纵轴透射。
本发明的滤波器在光通讯，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，带宽窄的优点。
本发明中，所述准直入射光束为准直光束。
本发明中，所述的两端面的增透膜层为根据设计的通带的中心波长所镀制的宽带增透膜层。
本发明中，所述的柱体（圆柱或方柱体）切割体的材料折射率高于两个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，所述由多层膜迭合构成的平面光波导，其中膜层数至少为3层，为3层时，依次为低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层。本发明优选膜层数大于等于5层。
本发明中，所述的平面光波导层可以根据要求制成单个导模或多个导模的结构。
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。
本发明中，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。
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加装配即可完成，可以同样达到超过92%的透过率，有的可以达到99%，且通带带宽可达到皮米(10-12米)量级。
2、本发明的另一个优点是，通过设计的切割角度，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。
3、本发明的第三个优点是，各通带的中心波长可以通过角度变化实现微调，而带宽和透过率几乎不受影响。这将有利于器件于现场进行通带的波长校准。
4、本发明的第四个优点是，本发明的滤波通带具有对称带形，且边带透过率极低，具有极好的窄带性质。
5、本发明的第五个优点是，根据本发明制备的滤波器，容易制成大口径器件，特别适合高精度的光谱测量。
根据本发明平面光波导的参数结构，制成单或多导模波导，可以分别在可见光区域中的紫光，蓝光，绿光，及红光等区域形成具有极窄带的多个通带，通带的半高宽度可达皮米(10-12米)量级。并且各带的中心波长可以通过角度变化实现微调，而带宽和透过率几乎不受影响。各带的透过率受所用材料的吸收损耗影响，对市场上可得到的常规材料，各带的透过率一般可以超过92%，有的可达99%。本发明的滤波能带具有对称带形，且边带透过率极低，具有极好的窄带性质。而且，根据本发明制备的滤波器，容易制成大口径器件，特别适合高精度的光谱测量。
附图说明
图1为设计的极窄带滤波器结构示意图。
图2为设计的极窄带滤波器中沿平面光波导法线方向的材料折射率分布，光波长632.8nm。
图3为设计的极窄带滤波器中沿平面光波导法线方向的材料消光系数分布，光波长632.8nm。
图4为设计的极窄带滤波器中所用材料在可见光区的折射率色散。
图5为设计的极窄带滤波器中所用材料在可见光区的消光系数色散。
图6为中心波长为632.8nm 时扫描得到的三个共振导模。
图7为所设计的极窄带滤波器的第二阶共振导模在可见光区的全部通带。
图8为所设计的极窄带滤波器中的第二阶共振导模在紫光区的通带，带宽(半高宽) 26.3pm。
图9为所设计的极窄带滤波器中的第0阶共振导模在红光区的通带，带宽(半高宽)9.29pm。
图10为所设计的极窄带滤波器中的所有共振导模在可见光区的通带的峰值透过率。
图11为所设计的极窄带滤波器中的所有共振导模在可见光区的通带的带宽。
图12为所设计的极窄带滤波器中的第二阶共振导模在紫光区的通带的角度调谐性能。
图13为所设计的极窄带滤波器中的第二阶共振导模在紫光区的通带的角度调谐中，通带的峰值透过率，带宽，及中心波长的变化情况。
图中标号：1为准直入射光束，2和8 为端面增透膜层，3和7 为圆柱或方柱体切割体，4为低折射率膜层，5高折射率膜层，6低折射率膜层，A 为棱镜的纵向切割角，N 为平面光波导的法线方向。
具体实施方式
本发明设计的基于棱镜耦合的多通带窄带光学滤波器，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。复合体两端面镀制宽带增透膜。本发明的窄带滤波器，具体包括:准直入射光束1，端面增透膜层2和8，圆柱或方柱体切割体3和7，平面光波导，由低折射率膜层4，高折射率膜层5，低折射率膜层6构成，结构示意图如图1所示。
所述的平面光波导中的低折射率膜层4为一低折射率膜层，用于连接高折射率膜层5和切割体3，其制备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。
所述的平面光波导中的高折射率膜层5折射率高于低折射率膜层4和6。
所述的平面光波导中的低折射率膜层6为一低折射率膜层，用于连接高折射率膜层5和切割体7。
根据图1所示的结构，选定一个激光工作波长如: 632.8nm，柱体材料为肖特公司(SCHOTT)的火石玻璃，折射率1.6671，以其作为耦合棱镜（3）和（7）的体材料。平面波导结构中的低射率膜层(4)，取熔石英，折射率为1.4570，其厚度为500nm。高折射率膜层(5)取材肖特公司重火石玻璃，折射率1.7496，厚度为1560nm。低折射率膜层(6)取熔石英，折射率1.4570，厚度为500nm。整个结构在632.8nm 波长时的折射率分布如图2 所示；图3 为在波长为632.8nm时所用材料的消光系数的空间分布。 这些参数都是材料的本征参数。图4 和图5 显示了所采用的材料在可见光区域的折射率色散及其消光系数的色散情况。 采用这些材料参数， 我们所设计的滤波器可以更加符合实际制备的结果。计算中，由于材料存在吸收损耗，其折射率为复折射率，表示为:。式中代表复折射率， n 代表实折射率，代表消光系数， j 代表复数符号。
所建立的坐标系中，沿平面波导的法线N方向取为X，而复合体轴线方向取为Z。
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可以用如下方程来表述: 以横电波(TE波)为例，在如图1的坐标系中:
(1)
上式中，下标数字代表光场所在结构区域，Ai，Bi 代表相关本征波的系数。λ代表波在相关区域的本征值， ，ni表示相应区域的折射率，di表示相应区域的厚度，i=3，4，5，6，7，β为沿Z 方向的光的传播矢量。
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(3)与低折射率层(4)界面处的光场幅度为1，可以解出光在切割体(7)中的光场强度与光在切割体(3)中的光场强度的比值，即透过率: 。
表1 列出了本设计所采用的材料及其结构参数。其中，两个耦合棱镜用肖特公司的火石玻璃，产品编号 N-BAF10，平面光波导的衬底层和覆盖层为熔石英，而波导层为肖特的重火石玻璃，产品编号N-SF4。本实例所设计的极窄带带通滤波器的结构参数如表1所示。
根据上述参数，计算所得的透过率如图6所示，波长为632.8nm的入射光以角度扫描入射滤波器，在从临界角θ=θc，（约61°），到θ=90°的角度区间内，在65.554°，73.802°，88.333°三个角度下有共振透射，透射率分别为99.98%，99.86%，和93.43%，分别对应阶数为2，1，0的三个导模。因此，本设计的平面光波导可以支持三个共振导模。
以第2阶共振导模为例，即在入射角为65.554°的情况下，在可见光全区域内扫描波长，图7显示了第2阶共振导模在可见光全区域内的通带情况。可见有4个通带，分别对应于紫光，蓝光，绿光，及红光通带。同理可以计算其他两个共振导模的通带情况。所有共振导模在可见光区的通带，包括峰值透过率， 峰值波长，通带带宽等数据列于表2 中。
图8 显示了第2阶共振导模的紫带的通带情况，所计算的通带带宽（半峰高宽）为26.3pm。相对而言，图9显示了第0阶共振导模的红带的通带情况，所计算的通带带宽为9.29pm。图10 显示了所有3个共振导模的所有通带的峰值透过率。图中可见，通带的透过率基本上都超过92%。只有0阶模的两个短波带和第一阶模的一个短波带透过率较低。第2阶模的全部通带都高于94%。图11显示了所有通带的带宽。可见除了第2阶模的红带带宽超过1.8纳米外，其他各通带带宽均在皮米量级。
图12显示了第2阶共模的紫带的角度调谐特性。角度调谐步长为0.025度。图13显示了在这样的角度调谐下，该通带的峰值透过率，带宽，以及中心波长的变化情况。由图可见， 在上述0.1度的调谐范围内，各量的变化很小。
需要指出的是，上述通带的透过率计算中未考虑耦合棱镜中的损耗，这主要是因为这一损耗要由棱镜的长度决定。必须要先给定一个棱镜的损耗值才能确定棱镜尺寸。 因此， 为与棱镜表面镀膜的损耗可以相比，可以设棱镜内的损耗为1%。这样就可以根据所用的导模阶数来计算出实际使用的器件的长度和截面积。这样一来，表2中的所有峰值透过率就需要扣除1%。这是个小量，不影响总体结论。
因此，我们用一些商业上可以买到的产品，设计了一种简单结构但却可以得到多通带，带宽可达皮米的极窄带光学滤波器。本发明可以在光通讯及光谱技术中可以得到广泛的应用。
表1 多模棱镜耦合光波导极窄带滤波器结构设计参数
。
表2 所有导模通带的参数
。

Claims (9)

1. 一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器，其特征在于，包括：一束准直入射光束，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A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，该平面光波导由多层膜迭合构成，并且满足最外面的两层膜的折射率低于内部膜层的折射率；整个复合体仍为一柱体；其中，切割角A小于(90°-θc)，θc= arcsin(n4/n3) 为切割体和平面光波导第一膜层间的临界角，n3和 n4为切割体和平面光波导第一膜层的折射率；复合体的两端面制有宽带增透膜。
2.根据权利要求1所述的极窄带光学滤波器，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所述的极窄带光学滤波器，其特征在于，所述的两端面的增透膜层为根据设计的通带的中心波长所镀制的宽带增透膜层。
4.根据权利要求1所述的极窄带光学滤波器，其特征在于，所述的柱体切割体的材料折射率高于两个低折射率膜层的折射率。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的极窄带光学滤波器，其特征在于，所述柱体为圆柱体或方柱体。
6.根据权利要求5所述的极窄带光学滤波器，其特征在于，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。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的极窄带光学滤波器，其特征在于，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。
8.根据权利要求7所述的极窄带光学滤波器，其特征在于，所述的平面光波导层为根据要求制成的单个导模或多个导模的结构。
9.根据权利要求8所述的窄带光学滤波器，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。
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