CN111399104B - 一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法 - Google Patents

一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法，包括基座、窄带滤光片和四腔标准具，所述基座上设有窄带滤光片和四腔标准具，所述四腔标准具由四腔融石英配合真空镀膜构成，且各腔融石英之间由一层1/4光学厚度的SiO2耦合成四腔结构，所述窄带滤光片匹配所述四腔标准具，所述窄带滤光片由WMS15基片及镀膜构成；本发明设计成窄带滤光片加四腔标准具组合实现，窄带滤光片通过WMS15基片及镀膜镀膜制备,四腔标准具由四腔融石英配合真空镀膜和键合工艺制作，满足通带10GHz隔离度30dB的间隔小于21GHz，且四腔标准具的滤波输出以自由光谱区为周期的尖顶多峰，应用于波长锁定，能达到双峰及陡峭截止。

Description

一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法。
背景技术
在超高精度光纤陀螺仪项目中,要求通带间隔7GHz(0.056nm)双峰插损小于3dB，21Ghz(0.17nm)波段外隔离度大于30dB的超窄带滤波器,能在太空中使用；
这就需要用到光学干涉滤波器，它是利用干涉原理，截止不需要或有害的波长光源，仅通过信号光，结构简单，使用方便，广泛使用于光通讯，生物识别，及各种光信号探测领域，这类滤波器大部分是真空镀膜技术，镀制多腔结构的膜系在玻璃基片上实现，目前镀膜技术受监控光源带宽，信号处理能力，膜层折射率稳定性等因素限制，在1550nm波段最窄平顶陡峭滤光片通带只能做到30GHz，另一种是标准具做滤波器，可以做1GHz以下通带的滤波器，通常标准具是单腔结构，无法实现平顶和双峰，未见三腔以上结构的标准具，因此，本发明提出一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法，该双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器及其制作方法满足通带10GHz隔离度30dB的间隔小于21GHz。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器，包括基座、窄带滤光片和四腔标准具，所述基座上设有窄带滤光片和四腔标准具，所述四腔标准具由四腔融石英配合真空镀膜构成，且各腔融石英之间由一层1/4光学厚度的SiO2耦合成四腔结构，所述窄带滤光片匹配所述四腔标准具，所述窄带滤光片由WMS15基片及镀膜构成，所述镀膜由高折射率材料、低折射率材料交替组成。
进一步改进在于：所述窄带滤光片抑制所述四腔标准具的傍瓣,且窄带滤光片通带两侧截止区间隔小于两倍的所述四腔标准具的自由光谱区。
进一步改进在于：所述四腔标准具的单臂的反射率在50％-90％，单腔的自由光谱区在0.4-1.8nm。
进一步改进在于：所述高折射率材料为Ta2O5，TiO2，Nb2O5构成的反射臂，所述低折射率材料为SiO2。
一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：准备融石英基片，将其抛成20×20×0.458(t)mm3大小的基片；
步骤二：设定H代表:Ta2O5的1/4中心波长1550nm的光学厚度，折射率2.127；L代表:SiO2的1/4中心波长1550nm的光学厚度，折射率1.451；M代表:融石英基片1714倍中心波长1550nm的1/4光学厚度，折射率1.451；
步骤三：对步骤一处理后的融石英基片的二面各镀膜系:融石英/HLHLHLH0.5L/空气，构成单腔标准具；
步骤四：将单腔标准具切割成1.4mm宽长条，取一、二、三、四四片，将一B面与二A面键合，二B面与三A面键合，三B面与四A面键合，构成键合体；
步骤五：将键合体的一A面和四B面各加镀3/8的光学厚度的SiO2，最外层形成2L消除0.5L的影响，构成半成品；
步骤六：将半成品切割成1.4mm长，构成外形尺寸1.4mm×1.4mm，有效孔径直径0.8mm的四腔标准具；
步骤七：准备WMS15基片,利用激光作光控光源直接监控镀制,再做减薄镀AR，由高折射率材料、低折射率材料交替镀膜，以空气为入射介质，制得1.4mm×1.4mm×1.0mm的窄带滤光片,将四腔标准具和窄带滤光片固定在基座上，得到成品。
进一步改进在于：所述步骤一中，基片的面形小于1/20@633nm，平行度小于0.5秒。
进一步改进在于：所述步骤四中，各面键合均利用一层1/4光学厚度的SiO2。
本发明的有益效果为：本发明设计成窄带滤光片加四腔标准具组合实现，窄带滤光片通过WMS15基片及镀膜镀膜制备,四腔标准具由四腔融石英配合真空镀膜和键合工艺制作，满足通带10GHz隔离度30dB的间隔小于21GHz，且四腔标准具的滤波输出以自由光谱区为周期的尖顶多峰，应用于波长锁定，能达到双峰及陡峭截止。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的步骤一示意图；
图3为本发明的步骤三示意图；
图4为本发明的步骤四示意图；
图5为本发明的步骤五示意图；
图6为本发明的实测数据示意图。
其中：1、基座；2、窄带滤光片；3、四腔标准具。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1所示，本实施例提供了一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器，包括基座1、窄带滤光片2和四腔标准具3，所述基座1上设有窄带滤光片2和四腔标准具3，所述四腔标准具3由四腔融石英配合真空镀膜构成，且各腔融石英之间由一层1/4光学厚度的SiO2耦合成四腔结构，所述窄带滤光片2匹配所述四腔标准具3，所述窄带滤光片2由WMS15基片及镀膜构成，所述镀膜由高折射率材料、低折射率材料交替组成。
所述窄带滤光片2抑制所述四腔标准具3的傍瓣,且窄带滤光片2通带两侧截止区间隔小于两倍的所述四腔标准具3的自由光谱区。
所述四腔标准具3的单臂的反射率在50％-90％，单腔的自由光谱区在0.4-1.8nm。
所述高折射率材料为Ta2O5，TiO2，Nb2O5构成的反射臂，所述低折射率材料为SiO2。
根据图1、2、3、4、5所示，本实施例提供了一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：准备融石英基片，将其抛成20×20×0.458(t)mm3大小的基片，面形小于1/20@633nm，平行度小于0.5秒；
步骤二：设定H代表:Ta2O5的1/4中心波长1550nm的光学厚度，折射率2.127；L代表:SiO2的1/4中心波长1550nm的光学厚度，折射率1.451；M代表:融石英基片1714倍中心波长1550nm的1/4光学厚度，折射率1.451；
步骤三：对步骤一处理后的融石英基片的二面各镀膜系:融石英/HLHLHLH0.5L/空气，构成单腔标准具；
步骤四：将单腔标准具切割成1.4mm宽长条，取一、二、三、四四片，将一B面与二A面键合，二B面与三A面键合，三B面与四A面键合，各面键合均利用一层1/4光学厚度的SiO2，构成键合体；
步骤五：将键合体的一A面和四B面各加镀3/8的光学厚度的SiO2，最外层形成2L消除0.5L的影响，构成半成品；
步骤六：将半成品切割成1.4mm长，构成外形尺寸1.4mm×1.4mm，有效孔径直径0.8mm的四腔标准具3；
步骤七：准备WMS15基片,利用激光作光控光源直接监控镀制,再做减薄镀AR，由高折射率材料、低折射率材料交替镀膜，以空气为入射介质，制得1.4mm×1.4mm×1.0mm的窄带滤光片2,将四腔标准具3和窄带滤光片2固定在基座1上，得到成品。
光学厚度是物理厚度与折射率的乘积；
本发明所制作的滤波器使用的入射角是0度或不大于0.5度。
自由光谱区
Figure BDA0002467128120000061
其中c是光速，n是腔材料的折射率，d为腔的厚度，
Figure BDA0002467128120000062
是入射角，R是干涉臂一面反射率，与透过峰的半高全宽(FWHM)有关。
四腔标准具3满足通带10GHz隔离度30dB的间隔小于21GHz。
中心波长1550nm，H代表:Ta2O5的1/4中心波长的光学厚度(等于折射率乘于物理厚度)，折射率2.127；
L代表:SiO2的1/4中心波长的光学厚度，折射率1.451；
M代表:融石英基片1714倍1/4中心波长光学厚度，折射率1.451；
四腔标准具3的腔材料选用融石英，腔厚457.8um，每臂的膜系结构7层HLHLHLH，反射率87.84％，各腔由一层1/4光学厚度的SiO2耦合成四腔结构。空气/(HLHLHLHMHLHLHLHL)^3HLHLHLHMHLHLHLH/空气。
结果：-30dB的间隔19.2GHz，-3dB的间隔11.2GHz，自由光谱区(FSR)：223GHz(1.782nm@1550nm)
窄带滤光片2的作用是抑制傍瓣,匹配四腔标准具3,中心波长通带宽度大于11.2GHz(0.092nm),-30dB间隔小于446GHz(3.564nm@1550nm)，选取通带宽度0.7nm，-30dB间隔小于1.8nm。
以麦克斯韦方程组为理论基础的薄膜干涉理论，设计窄带滤光片，镀膜是由Ta2O5为高折射率材料，SiO2为低折射率材料特定厚度交替组成，空气为入射介质，日本小原WMS15为基片：
WMS15基片/L(HL)^5H3L3H2LHL(HL)^5HL
(HL)^5HLHLH2L3H3LHL(HL)^5HL
(HL)^5HLHLH2L3H3LHL(HL)^5HL
(HL)^5HLHLH2L3H3LHL(HL)^5HL
(HL)^5H3L3H2LHL(HL)^5H0.278H1.418L/空气
中心波长1550nm，窄带滤光片2的设计光谱,-30dB的间隔1.615nm，-0.5dB的间隔0.813nm。
满足本发明的四腔标准具3的自由光谱区可以在0.9nm-1.8nm范围内，本发明的自由光谱区是1.76nm，考虑温漂影响尽量小，即使在温控环境中也是需要考虑温漂，本发明实测数据见图6。
本发明设计成窄带滤光片2加四腔标准具3组合实现，窄带滤光片2通过WMS15基片及真空镀膜制备,四腔标准具3由四腔融石英配合真空镀膜和键合工艺制作，满足通带10GHz隔离度30dB的间隔小于21GHz，且四腔标准具3的滤波输出以自由光谱区为周期的尖顶多峰，应用于波长锁定，能达到双峰及陡峭截止。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器，包括基座(1)、窄带滤光片(2)和四腔标准具(3)，其特征在于：所述基座(1)上设有窄带滤光片(2)和四腔标准具(3)，所述四腔标准具(3)由四腔融石英配合真空镀膜构成，且各腔融石英之间由一层1/4光学厚度的SiO2耦合成四腔结构，所述窄带滤光片(2)匹配所述四腔标准具(3)，所述窄带滤光片(2)由WMS15基片及镀膜构成，所述镀膜由高折射率材料、低折射率材料交替组成；
所述窄带滤光片(2)抑制所述四腔标准具(3)的傍瓣,且窄带滤光片(2)通带两侧截止区间隔小于两倍的所述四腔标准具(3)的自由光谱区；
所述四腔标准具(3)的单臂的反射率在50％-90％，单腔的自由光谱区在0.4-1.8nm；
所述高折射率材料为Ta2O5，TiO2，Nb2O5构成的反射臂，所述低折射率材料为SiO2。
2.一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：准备融石英基片，将其抛成20×20×0.458mm3大小的基片；
步骤二：设定H代表:Ta2O5的1/4中心波长1550nm的光学厚度，折射率2.127；L代表:SiO2的1/4中心波长1550nm的光学厚度，折射率1.451；M代表:融石英基片1714倍中心波长1550nm的1/4光学厚度，折射率1.451；
步骤三：对步骤一处理后的融石英基片的二面各镀膜系:融石英/HLHLHLH0.5L/空气，构成单腔标准具；
步骤四：将单腔标准具切割成1.4mm宽长条，取一、二、三、四四片，将一B面与二A面键合，二B面与三A面键合，三B面与四A面键合，构成键合体；
步骤五：将键合体的一A面和四B面各加镀3/8的光学厚度的SiO2，最外层形成2L消除0.5L的影响，构成半成品；
步骤六：将半成品切割成1.4mm长，构成外形尺寸1.4mm×1.4mm，有效孔径直径0.8mm的四腔标准具(3)；
步骤七：准备WMS15基片,利用激光作光控光源直接监控镀制,再做减薄镀AR，由高折射率材料、低折射率材料交替镀膜，以空气为入射介质，制得1.4mm×1.4mm×1.0mm的窄带滤光片(2),将四腔标准具(3)和窄带滤光片(2)固定在基座(1)上，得到成品。
3.根据权利要求2所述的一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器的制作方法，其特征在于：
所述步骤一中，基片的面形小于λ/20@633nm，平行度小于0.5秒。
4.根据权利要求2所述的一种双峰超窄带陡峭光学干涉滤波器的制作方法，其特征在于：所述步骤四中，各面键合均利用一层1/4光学厚度的SiO2。
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