CN109445155A - 一种电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导波光学技术领域，具体为一种电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器。其横电波和横磁波的通带的中心波长在未加驱动电信号时不重合；加上适当幅度的驱动电信号时,两种波的通带可实现中心重合,且通带宽度均是窄带；具体为由一个柱体与含液晶的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,在两个切面上分别蒸镀及涂布波导衬底层、透明导电膜层及液晶定向层；再将两个切割体沿切面相隔一定间距帖合，并密封成复合体腔体；腔体内灌注液晶，并使液晶沿切面平行排列；复合体两端面镀制宽带增透膜。本发明中心波长透过率达99%，带宽设计达到纳米量级，在光通讯、激光技术、精密光谱技术等方面有重要应用。

Description

一种电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器
技术领域
本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种电调谐的非偏振型的窄带光学带通滤波器。
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，以及基于波导光栅结构的导模共振滤波器等。这些光学滤波技术主要都是基于偏振光的传输进行设计的, 因此是偏振依赖的，即滤波器的横电波（ＴＥ）和横磁波（ＴＭ）的通带中心是不重合的。所谓横电波（简称ＴＥ波）是光波的偏振方向垂直于平面波导的法线和光波的波矢方向构成的平面的光波，横磁波（简称ＴＭ波）是光波的偏振方向平行于平面波导的法线和光波的波矢方向构成的平面的光波。
所谓非偏振型光学带通滤波器, 指的是滤波器的横电波和横磁波的通带是中心重合的。即通带在这个中心波长下, 即可以通横电波，也可以通横磁波。随着光通讯技术的发展，对非偏振的窄带光学滤波器的需求越来越多。因此，研究对不同偏振态的光波具有相同通带的非偏振型窄带光学滤波器就成为一种理论和实际工作的重要课题。
有文献报道了通过采用二维光栅的波导光栅结构的导模共振滤波器可以实现非偏振型窄带的光学滤波作用，另外，通过采用两层波导层，并控制好两波导层的空间间距，一维波导光栅结构的滤波器也可以实现非偏振型窄带的光学滤波作用。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。
上述这些器件一旦制备完成， 结构固定后， 滤波器的光的通带便随之固定， 但会受到环境条件如温度的变化而发生失配， 即中心不再重合。 或者由于制备工艺参数的不准确， 而使通带中心存在一定的失配。
本发明提出的电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器，是基于棱镜耦合的平面波导的导模共振滤光技术的,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，从而可以简化器件的制备过程。同时， 用液晶层作为波导层的可调谐元件， 在控制电信号的驱动下， 可以使液晶层的分子取向发生改变， 从而改变液晶层的折射率， 达到改变TM光的通带。 在适当幅度的电信号的驱动下， 可以使TE 和TM波的通带达到重合。 这个重合可以方便地控制， 以适应环境（如温度）的变化， 同时也可以减低对器件的制备工艺参数的精度要求。 因而可以方便使用和调整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备简单、性能优异、使用方便的可电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器。
基于棱镜耦合平面光波导的原理和液晶的电光性质, 本发明设计的可电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器，是基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器, 其横电波（ＴＥ）和横磁波（ＴＭ）的通带中心波长一般不重合, 但在波导层中有均匀排列的液晶层，以及在适当幅度的电信号的驱动下，两种波的通带可以实现重合，且两种波的通带宽度均是窄带；其通带中心波长透过率可达100%, 通带带宽达纳米（nm）量级，其结构如图1 所示。
本发明设计的可电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器，具体包括：一准直入射光束，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)， 以及一个外部交流驱动电源；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含液晶的平面光波导，该平面光波导由衬底层-透明导电膜 (ITO) 层-液晶定向（PI）层-液晶层-液晶定向（PI）层-透明导电膜 (ITO) 层-衬底层的基本结构构成；其中，两个衬底层分别依附于切割后的两个柱体的斜面，在两个衬底层上，依次蒸镀及涂布透明导电膜 (ITO) 层及液晶定向 (PI) 层。含液晶的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，可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，在两个切割体切面（斜面）上分别蒸镀及涂布波导衬底层, 透明导电膜层(ITO), 及液晶定向层(PI)。再将两个切割体沿切面相隔一定间距帖合, 固定, 并密封, 构成复合体腔体；腔体内灌注液晶，并使液晶沿切面平行排列; 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。角度（Ａ＝90°-θ），θ要大于切割体与波导衬底层的临界角θc: θc=asin(n4/n3) 。其中，n4和n3分别为切割体与波导衬底层的折射率。θ的值取为在大于临界角且透过率出现峰值的位置。当θ角确定以后，Ａ角的值也就可以确定。在未加驱动电压的情况下，滤波器的横电波(TE)和横磁波(TM)的通带的中心波长是不重合的。当加上适当幅度的驱动电信号时, 两种波的通带可实现中心重合。而且驱动电压信号可以随条件变化， 如温度变化而变化， 从而保持两种波的通带重合情况不因外在条件变化而变化， 方便使用和调整。
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衬底层的折射率。
本发明中，所述的平面光波导, 其外部两侧是低折射率的衬底层, 中间层为导波层，由透明导电膜 (ITO) 层-液晶定向（PI）层-液晶层-液晶定向（PI）层-透明导电膜(ITO) 层构成；导波层的折射率高于两侧的衬底层折射率。
本发明中，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。
本发明中，所述液晶层中液晶的排列为均匀沿面排列。
本发明中，所述液晶层中液晶可以是正性液晶材料，也可以是负性液晶材料。
本发明中，所述透明导电膜 (ITO) 层可与外部驱动电源连接， 用于形成液晶层的驱动电场。
本发明中，所述衬底层的材料为均匀且对待滤波段透明的固体。
本发明优点：
1、本发明的最大优点是可以实现透过滤波器的横电波和横磁波的通带中心的电驱动重合，即实现所谓的电调谐的非偏振型窄带带通光学滤波器， 无需器件发生运动或转动；
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, 使用和调整方便。
附图说明
图1为一种电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器的结构示意图。
图2为未加驱动电压情况下设计的滤波器的TE 和TM 波的通带， 此时准直光的入射 角为65.33°。
图3 为未加驱动电压情况下所设计的滤波器中液晶层内的分子取向示意图。
图4为未加驱动电压情况下所设计的滤波器中液晶层内的分子取向沿层厚度方向的分布结果。
图5为施加驱动电压为1.4伏的情况下设计的滤波器的TE 和TM 波的通带， 此时准直光的入射 角为65.33°。
图６为施加驱动电压为1.4伏的情况下所设计的滤波器中液晶层内的分子取向示意图。
图7 为施加驱动电压为1.4伏的情况下所设计的滤波器中液晶层内的分子取向沿层厚度方向的分布结果。
图8 为施加驱动电压为1.4伏的情况下所设计的滤波器中液晶层内的e光的折射率沿层厚度方向的分布结果。
图9 为施加的驱动电压为1.0伏到1.4伏连续变化时， 滤波器的ＴＭ波的透射光谱的峰值变化情况。 从0.647微米连续变化 到0.622微米。
图10为施加驱动电压为1.245伏的情况下设计的滤波器的TE 和TM 波的通带，两者中心重合，此时准直光的入射 角为65.33°。
图11 为施加驱动电压为1.245伏的情况下所设计的滤波器中液晶层内的分子取向沿层厚度方向的分布结果。
图12 为施加驱动电压为1.245伏的情况下所设计的滤波器中液晶层内的e光的折射率沿层厚度方向的分布结果。
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导波层，6低折射率衬底层。
具体实施方式
本发明设计的一种电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器，包括：一个圆柱或方柱体与含液晶的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，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含液晶的平面光波导，该平面光波导由衬底层-透明导电膜 (ITO) 层-液晶定向（PI）层-液晶层-液晶定向（PI）层-透明导电膜 (ITO) 层-衬底层的基本结构构成；其中，两个衬底层分别依附于切割后的两个柱体的斜面，在两个衬底层上，依次蒸镀及涂布透明导电膜 (ITO) 层及液晶定向 (PI) 层。含液晶的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。
本发明的可电调谐的窄带光学带通滤波器, 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, 含液晶的平面光波导, 由低折射率衬底层4, 及高折射率导波层5, 低折射率衬底层6构成, 其中５中所示的导波层由透明导电膜 (ITO)层-液晶定向（PI）层-液晶层-液晶定向（PI）层-透明导电膜 (ITO) 层构成。 外加驱动电信号由驱动器9通过两个ITO层提供。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衬底层4和6, 取为熔石英, 折射率为1.45, 厚度均控制在500nm. 高折射率导波层5由三种材料组成，透明导电膜 (ITO) 层， 其折射率实部为1.887, 膜层厚度为100nm。液晶定向（PI）层折射率为1.54，厚度为100nm。 忽略上述两个膜层的损耗。中间的液晶层材料为正性液晶5CB， 其o光和e 光的折射率分别为1.532 和1.692， 层厚度为5微米。
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两种光， 即TE 和TM光的透过率。 具体方法可以参考我们发表的论文：Opt. Express 25(11), 12121-12130(2017)）。
根据上述结构参数，准直入射光束1 在输入耦合棱镜（圆柱或方柱体切割体）3中对衬底层4的全反射临界角为61.5°。 设计入射角度为65.33°， 在未对液晶层施加驱动电压的情况下， 上述设计的滤波器的TE 和TM波的光谱透过率如图2所示。可见TE 和TM波的光谱通带中心不重合， TM 波的通带位于TE 波的通带的长波侧。此时，液晶层中的分子沿平面波导层的表面平行均匀排列，分子长轴与导波方向Z轴平行，如图3所示。图4 为液晶层剖面中的液晶分子的排列示意图。
当外部交流驱动电源9通过两ITO膜层施加的电压为1.4伏时， 滤波器的ＴＥ和ＴＭ的透射光谱如图5所示。TM 波的通带位于TE 波的通带的短波侧。此时，液晶层中的分子沿平面波导层的表面成一定角度非均匀排列，如图6所示。分子长轴与导波方向Z轴所成角度沿液晶层的厚度方向有一个空间分布，如图7所示。 此时液晶层内的e光的折射率沿液晶层厚度方向的公布如图剖面中的液晶分子的排列示意图8所示。
当外部交流驱动电源9通过两ITO膜层施加的电压为1.0伏到1.4伏连续变化时，滤波器的ＴＭ波的透射光谱的峰值从0.647微米连续变化 到0.622微米，如图9所示。而这个过程中TE 波的通带是不变的， 因为液晶层的o光的折射率不随外加驱动电压而变化。由图9中可见， 当驱动电压取为1.245伏时， TM 波的峰值波长与0.6328微米的TE 波相交，即TE 和TM波的通带重合。 图10显示了此时的TE 和TM 波的通带。此时TE和 TM波的通带的半高宽带宽分别为0.8nm 和2.3nm。通带的透过率都为100%。 考虑到ITO层及PI层的吸收后， 透过率也可以达到99%。 此时的滤波器中的液晶分子以及e 光折射率在液晶层厚度方向的排列分布分别如图11 和图12 所示。
因此，上述设计具体实现了可电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器， 且调谐电压取值在通常的电压范围内， 便于操作和调整。

Claims (10)

1.一种电调谐的非偏振型窄带光学带通滤波器,其特征在于，其横电波TE和横磁波TM的通带的中心波长在未加驱动电信号时是不重合的；当加上适当幅度的驱动电信号时, 两种波的通带可实现中心重合, 且其通带宽度均是窄带；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含液晶的平面光波导组成的复合透明体，以下简称复合体；以及一个外部交流驱动电源；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含液晶的平面光波导，该平面光波导由衬底层、透明导电膜 层、液晶定向层、液晶层、液晶定向层、透明导电膜层、衬底层依次叠合构成；其中，两个衬底层分别依附于切割后的两个柱体的斜面，在两个衬底层上，依次蒸镀及涂布透明导电膜 层及液晶定向 层；含液晶的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；外部交流驱动电源通过两个透明导电膜层。
2.根据权利要求1所述的非偏振型窄带光学滤波器,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所述的非偏振型窄带光学滤波器,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所述的非偏振型窄带光学滤波器,其特征在于，所述的柱体切割体的材料折射率高于其相邻的两个衬底层的折射率。
5.根据权利要求1-4之一所述的非偏振型窄带光学滤波器,其特征在于，所述的平面光波导, 其外部两侧是低折射率的衬底层, 中间层为导波层，由透明导电膜 层-液晶定向层-液晶层-液晶定向层-透明导电膜 层构成；导波层的折射率高于两侧的衬底层折射率。
6.根据权利要求5所述的非偏振型窄带光学滤波器,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。
7.根据权利要求5所述的非偏振型窄带光学滤波器,其特征在于，所述液晶层中液晶的排列为均匀沿面排列；所述液晶为正性液晶材料，或者为负性液晶材料。
8.根据权利要求5所述的非偏振型窄带光学滤波器,其特征在于，所述透明导电膜 层可与外部驱动电源连接， 用于形成液晶层的驱动电场。
9.根据权利要求1所述的非偏振型窄带光学滤波器,其特征在于，所述外部交流驱动电源为交流电压源，用于对液晶层提供驱动电压， 形成驱动电场。
10.根据权利要求7所述的非偏振型窄带光学滤波器,其特征在于，所述衬底层的材料为均匀且对待滤波段透明的固体。
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