CN109445024B - 一种平顶带型的光学带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导波光学技术领域，具体为一种平顶带型的光学带通滤波器。其通带的顶部具有平顶的形状，两个带边下降很快，边带在可见光区域完全抑制，形成近似方波形状的通带。该滤波器包括:一个方柱体与平面光波导的复合透明体；其中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，波导层具有高、低折射率的周期结构，再加一个高或低折射率材料层，使其前后结构对称；再将两个切割体沿切面帖合、固定，密封成复合体；复合体两端面镀制宽带增透膜。本带通滤波器中心波长透过率可达100%，半高带宽可设计达到22纳米，在光通讯、激光技术、精密光谱技术等方面有重要应用。

Description

一种平顶带型的光学带通滤波器
技术领域
本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种平顶带型的光学带通滤波器。
背景技术
光学带通滤波器在光通讯，光谱技术方面是必不可少的光学器件。可产生带通光学滤波的技术已有很多，如光学薄膜，干涉滤光片，以及基于波导光栅结构的导模共振滤波器等。众所周知，基于波导光栅的窄带光学带通滤波器，在器件制备中会碰到很多技术上的困难，这主要是光栅的周期一般是亚波长的，因此制备精度和制备的成本会比非光栅的均匀结构来得复杂。
通常的滤波器的通带线型是尖顶的近高斯或洛伦兹线型。所谓平顶带型光学带通滤波器，指的是滤波器的通带顶部是近似平的，且具有很高的透过率。两个带边下降很快，使得整个通带形成近似方波的形状。
有文献报道了通过采用二个平面波导的结构形成的具有平顶带型的带通光学滤波器， 其半高带宽只有几个纳米。
本发明提出基于棱镜耦合的平面光波导结构形成的光学带通滤波器，具有三个周期或以上的周期导波层结构，因而可以支持具有三个（或更多）导模形成的能带，具有平顶带型通带，而且具有更宽的能带。
本发明是基于棱镜耦合的平面光波导的导模共振滤光技术，与光栅结构的导模共振技术相比，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工艺，从而可以大大简化器件的制备过程和费用，提高器件的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备简单、性能优异、具有高信号保真的平顶带型的光学带通滤波器。
基于棱镜耦合平面光波导的原理，本发明设计的平顶带型的光学带通滤波器，是基于棱镜耦合导模共振的光学滤波器，其通带的顶部具有平顶的形状，两个带边下降很快，边带在可见光区域完全抑制，形成近似方波形状的通带。其通带中心波长透过率可达100%，通带带宽达22纳米（nm），其结构如图1 所示。
本发明提供的平顶带型的光学带通滤波器，具体包括：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，该平面光波导由耦合层-导波层-耦合层的基本结构构成；其中，两个耦合层分别依附于切割后的两个柱体的斜面，导波层夹于两个耦合层之间，且导波层由高、低两种不同折射率的膜层周期性迭合构成，周期数为3或3以上（通常为3-20），再加一个高（或低）折射率的膜层，使其前后膜层材料对称（即第一层如为高折射率材料的膜层，则最后一层也为高折射率材料的膜层；如第一层如为低折射率材料的膜层，则最后一层也为低折射率材料的膜层）；波导层和两个柱体构成一个复合体，仍为一柱体；复合体的两端面制有宽带增透膜。
制备时，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，本发明所采用的波导层具有高低折射率的周期结构（三个周期或更多），再加一个高（或低）折射率材料层；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。本带通滤波器中心波长透过率可达100%，半高带宽可设计达到22纳米。
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，带宽较宽的优点。
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平面光波导的耦合层的折射率。
本发明中，所述的平面光波导，其外部两侧是低折射率的耦合层，中间层为导波层；该导波层依次由高、低折射率膜层周期性叠合，再加一高折射率膜层构成；或者，该导波层依次由低、高折射率膜层周期性叠合，再加一低折射率膜层构成；导波层的折射率高于两侧的耦合层折射率。
本发明中，所述柱体为圆柱体或方柱体，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，所述两个低折射率耦合层和高折射率导波层，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、本发明的最大优点是通带顶部平坦，两个带边下降很快，边带在可见光区域完全抑制，形成近似方波形状的通带，可对被滤波信号具有很好的保真度；
2、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100%的透过率，且通带带宽也可达到亚纳米量级；
3、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。
附图说明
图1为一种平顶带型的光学带通滤波器的结构示意图。
图2为图1所示滤波器结构中平面波导层法线方向（Ｎ方向）的折射率空间分布。
图3 为（波长632.8nm） 的入光束对图1 所示棱镜耦合结构中平面波导层的横电波（ＴＥ）的强度反射率和透过率随入射角的变化关系。其纵轴为对数坐标轴。
图4为图1所示滤波器的横电波（ＴＥ）在可见光区的透射光谱（设复合体的两端面透过率为100%）。此时入射角为65.25°。
图5为图4 横坐标从0.58微米到0.68微米的范围内的横电波（ＴＥ）的透射光谱（设复合体的两端面透过率为100%）。此时入射角为65.25°。
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为低折射率耦合层，5高折射率导波层，6低折射率耦合层。其中高折射率导波层５中所示的导波层由高低折射率组合的三个周期膜层再加一高折射率膜层构成。导波层也可以由低高折射率组合的周期膜层再加一低折射率膜层构成。导波层的折射率高于两侧的耦合层折射率。
具体实施方式
本发明设计的一种平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，通带的顶部具有平顶的形状，两个带边下降很快，边带在可见光区域完全抑制，形成近似方波形状的通带；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。
具体制备， 可以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，本发明所采用的波导层具有高低折射率的周期结构（三个周期或更多），再加一个高（或低）折射率材料层；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。本带通滤波器中心波长透过率可达100%，半高带宽可设计达到22纳米。
本发明的平顶带型的光学带通滤波器，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，由低折射率耦合层4，高折射率导波层5，低折射率耦合层6构成，其中５中所示的导波层由高低折射率组合的（三个或更多）周期膜层再加一高折射率膜层构成，导波层也可以由低高折射率组合的（三个或更多）周期膜层再加一低折射率膜层构成。导波层的折射率高于两侧的耦合层折射率。其结构示意图如图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1.65，以其作为耦合棱镜体材料. 平面波导结构中的低射率耦合层4和6，取为熔石英，折射率为1.45，厚度均控制在300nm. 高折射率导波层5由两种材料交替组成，两个周期的重火石玻璃和冰晶石，折射率分别为1.73和1.35， 两个周期中两种材料的厚度分别为494nm-450nm 和 516nm和450nm。再在其后增加一层高折射率（1.73）层，厚度为494nm。整个结构的折射率沿平面波导的法线方向的分布如图2 所示。
利用光学传输矩阵的计算方法， 可以计算上述滤波器结构的横电波（TE波）透过率。具体方法可以参考我们发表的论文：Opt. Express 25（11），12121-12130 （2017））。
波长为632.8nm 的准直入射光束对图1 所示棱镜耦合结构中平面波导层的横电波（ＴＥ）的强度反射率和透过率随入射角的变化关系如图3所示，入射角度的范围为62.5°到68.5°， 大于耦合棱镜对耦合层的临界角（61.50°）。其纵轴为对数坐标轴。图3 中可见反射谱中有三个导模共振带，形成三个低反射带，即三个高通带，形成较宽的通带。其导模共振角分别为 65.10°， 65.25°，和65.40°，
以一定带宽的准直光束透射该滤波器，其TE波的光谱透过率如图4所示. 此时入射角为65.25°。可以看到透射谱的顶部具有平顶的形状，两个带边下降很快，边带在可见光区域完全抑制，形成近似方波形状的通带。半高带宽为22nm。
图5为图4 横坐标从0.58微米到0.68微米的范围内的横电波（ＴＥ）的透射光谱（设复合体的两端面透过率为100%）。此时入射角为65.25°。由图5可以更加清楚地看到滤波器通带的平顶形状。中心波长为632.8nm。
因此，本发明实现了一种平顶带型的光学带通滤波器。本发明的光学滤波器，通带的顶部具有平顶的形状，两个带边下降很快，边带在可见光区域完全抑制，形成近似方波形状的通带。本带通滤波器中心波长透过率可达100%，半高带宽可设计达到22纳米，在光通讯、激光技术、 精密光谱技术等方面有重要应用，且制备简单，使用方便。

Claims (7)

1.一种平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，通带的顶部具有平顶的形状，两个带边下降很快，边带在可见光区域完全抑制，形成近似方波形状的通带；具体包括：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，该平面光波导由耦合层、导波层、耦合层依次叠合构成；其中，两个耦合层分别依附于切割后的两个柱体的斜面，导波层夹于两个耦合层之间，且导波层由高、低两种不同折射率的膜层周期性迭合构成，周期数为3或3以上，最后再加一个高或低折射率材料层，使其前后膜层材料对称；波导层和两个柱体构成一个复合体，仍为一柱体；复合体的两端面制有宽带增透膜；
所述柱体切割体的材料折射率高于其相邻的两个耦合层的折射率；
所述平面光波导，其外部两侧是低折射率的耦合层，中间层为导波层；该导波层依次由高、低折射率膜层周期性叠合，再加一高折射率膜层构成；或者，导波层由低、高折射率膜层周期性叠合，再加一低折射率膜层构成；导波层的折射率高于两侧的耦合层折射率。
2.根据权利要求1所述的平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，所述柱体材料为火石玻璃，折射率为1.65；平面波导结构中的两个耦合层的材料为熔石英，折射率为1.45；导波层由火石玻璃和冰晶石两种材料交替组成，火石玻璃和冰晶石，折射率分别为1.73和1.35；整个结构的折射率沿平面波导的法线方向的分布。
3.根据权利要求1或2所述的平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，所述准直入射光束为准直光束。
4.根据权利要求3所述的平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，所述的两端面的增透膜层为根据设计的中心波长所镀制的宽带增透膜层。
5.根据权利要求4所述的平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，所述柱体为圆柱体或方柱体；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。
6.根据权利要求1所述的平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，所述两个低折射率的耦合层以及高折射率的导波层，周期膜层，其两者折射率高、低是相比较而言的。
7.根据权利要求1所述的平顶带型的光学带通滤波器，其特征在于，所述低折射率膜层的材料均匀且对待滤波段透明的气体、液体或固体。
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