CN112578494A - 可调谐滤光片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可调谐滤光片，其为多腔式干涉滤光片，其在1200 nm到1800 nm波长范围内存在透射带，其包括：基板，及在基板表面镀制的滤光膜层；所述的滤光膜层包括多个腔层和设于腔层两端面的反射膜堆，所述的反射膜堆包括交替叠加的多个高折射率层和多个低折射率层，其中，制成高折射率层的材料至少包含Si:H；所述滤光片的腔层数目大于或等于3个；所述滤光片的通带具有中心波长，当滤光片工作温度范围与20摄氏度到85摄氏度温度范围部分重叠时，其中心波长的温度漂移系数大于70 pm/摄氏度，小于300 pm/摄氏度。本发明的滤光片可以通过一次真空镀膜获得，避免了硅片抛光、分别镀两个面反射膜的繁琐过程；易于实现3腔或以上Si:H腔层，滤光片矩形度更高。

Description

可调谐滤光片
技术领域
本发明涉及激光器、光通讯应用器件领域，尤其是滤光片技术领域，具体是可调谐滤光片。
背景技术
可调谐滤光片是光学系统中的重要部件。比如在窄脉冲、宽光谱激光应用中，需要可调谐滤光片选取特定的输出波长；在激光器腔内通过可调谐标准具，可以实现激光模式选择、波长锁定的功能。在光通讯领域中，可调谐滤光片广泛的被用于器件的波长管理和控制，如波长开关、波分复用、色散补偿等。
应用于光通讯领域的可调谐滤光片，其关键性能要求为低的插入损耗、矩形度更好的光谱形状、高反射隔离度、色散可控等。实现波长调谐的途径是多样的，比如基于微机电系统（MEMS）、光纤布拉格光栅、液晶器件等。传统的光学干涉滤光片，也可以通过旋转滤光片、从而调整光线入射角度实现波长调谐。但这些方法或工作原理复杂、或依赖机械结构，难以实现器件的小型化、高可靠性。
光通讯使用的温度调谐滤光片，一般使用法布里-珀罗（Fabry-Perot）结构，并且腔层材料使用Si材料。跟常规的氧化物材料相比，Si材料的温度折射率系数大约高出一个数量级，性质对温度敏感，可以提供较大范围的温度调谐。一般方案是将Si基片双面抛光至良好的光学表面，并在其两侧镀制反射膜，形成单腔标准具结构。由于滤光片插入损耗对腔层的上下表面平行度、散射要求高，抛光的方法要求对腔层厚度、表面平整度、光洁度进行严格控制。在生产上，需要经过硅片抛光、在一个表面镀制反射膜、在另一个表面镀制反射膜的流程，工序周期较长，成本较高。受限于单腔结构，滤光片的矩形度不佳。
文献“可调谐和可切换多腔薄膜滤光片（Tunable and Switchable Multiple-Cavity Thin Film Filters, Journal of Lightwave Technology, Vol. 22, No.1,2004）”报道了一种基于Si:H的多腔薄膜滤光片，该滤光片的一个腔层使用Si:H，其他腔层使用常规的氧化物材料如SiO2、Ta2O5，通过温度调节，可以实现波长的开关功能，但无法实现透射带中心波长可调谐。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种结构简单、光通讯波段的温度可调谐滤光片。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
可调谐滤光片，其为多腔式干涉滤光片，其在1200 nm到1800 nm波长范围内存在透射带，其包括：基板，及在基板表面镀制的滤光膜层；
所述的滤光膜层包括多个腔层和设于腔层两端面的反射膜堆，
所述的反射膜堆包括交替叠加的多个高折射率层和多个低折射率层，其中，制成高折射率层的材料至少包含Si:H；
所述滤光片的腔层数目大于或等于3个；
所述滤光片的通带具有中心波长，当滤光片工作温度范围与20摄氏度到85摄氏度温度范围部分重叠时，其中心波长的温度漂移系数大于70 pm/摄氏度，小于300 pm/摄氏度。
进一步，所述滤光膜层的腔层材料均由Si:H材料制成。
进一步，所述滤光膜层的腔层材料为通过物理气相沉积方法获得，优选为，通过磁控溅射方法获得。
进一步，制成低折射率层的材料至少包括SiO2、Si3N4、Ta2O5、Nb2O5其中的一种或多种。
进一步，滤光片包含可以导电的加热层，所述的加热层设于基板和滤光膜层之间。
进一步，所述相邻的反射膜堆之间还设有耦合层。
进一步，所述的Si:H材料在1200 nm到1800 nm范围内的折射率大于3.2。
进一步，所述的Si:H材料在1200 nm到1800 nm范围内的消光系数小于5×10-5。
进一步，所述滤光片的基板制成材料为熔融石英或者硅材料。
进一步，所述滤光片的透射带的-15 dB带宽不大于1.2 nm。
进一步，所述的滤光片在1200 nm到1800 nm波长范围存在多个透射峰，透射峰在频率上等间隔排列，相邻透射峰的间距不大于50 nm。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本发明方案的滤光片可以通过一次真空镀膜获得，避免了硅片抛光、分别镀两个面反射膜的繁琐过程；易于实现3腔或以上Si:H腔层，滤光片矩形度更高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：
图1为本发明方案的简要结构示意图；
图2为Si:H材料的吸收特性示意图，其中横坐标为波长（nm），纵坐标为消光系数（无量纲）。
图3为Si:H材料的折射率特性示意图，其中横坐标为波长（nm），纵坐标为折射率（无量纲）。
图4为本发明实施例1在25摄氏度时的透过率和波长的关系图，其中横坐标为波长（nm），纵坐标为透过率（dB）。
图5为本发明实施例1在25摄氏度和100摄氏度时的透过率和波长的关系图，其中横坐标为波长（nm），纵坐标为透过率（dB）。
图6为本发明实施例2在25摄氏度时的透过率和波长的关系图，其中横坐标为波长（nm），纵坐标为透过率（dB）。
具体实施方式
如图1所示，其示出了本发明的滤光片101，其包含基板102和滤光膜层；所述基板102的材料选择一般为熔融石英或者硅。本方案中的滤光膜层为多腔式带通滤光片，其包含多个腔层104、108和设于腔层104、108两侧的反射膜堆103、105、107、109。
其中，腔层104、108的材料为使用Si:H进行制成，其光学厚度一般为工作中心波长的1/4λ的偶数倍。反射膜堆103、105、107、109由低折射率材料层103-1和高折射率材料层103-2交替叠加而成，每层的光学厚度一般为工作中心波长的1/4λ厚度的奇数倍。
另外，在相邻两个腔的反射膜堆中间，还有一层低折射率材料构成的耦合层106，其光学厚度一般为工作中心波长的1/4λ厚度的奇数倍。出于示意，图1仅图示了多腔滤光片部分实施结构，其主要包含两个腔层、四个反射膜堆、每个反射膜堆包含4层膜层，但实际可以根据需要进行调整，以达到应用的目的。
本发明的可调谐滤光片，其由Si:H材料制成的腔层104、108的数目大于或等于3个，而且滤光膜层的低折射率层103-1的材料优选为SiO2、Si3N4、Ta2O5、Nb2O5其中的一种或多种。作为可选的，可以在基板102和滤光膜层的中间镀制一层加热层110，其材料有导电性，同时对工作波长透光，一般为ZnO或多晶硅加热层。通过控制该加热层110的电流，可以控制滤光片的工作温度。
图2为Si:H材料的吸收特性示意图，其中横坐标为波长（nm），纵坐标为消光系数（无量纲）。常规工艺通过物理气相沉积获得的Si膜层材料，在1200nm-1800nm波段吸收较大（消光系数大于1×10-4），导致过高的插入损耗而无法使用。Si:H材料在1200nm到1800nm的消光系数小于5×10-5，较好了解决了沉积Si材料的吸收问题。图3为Si:H材料的折射率特性示意图，其中横坐标为波长（nm），纵坐标为折射率（无量纲）。Si:H材料在1200nm到1800nm波长范围内的折射率大于3.2，比块状硅材料的折射率略低。
实施例1
本实施例中，滤光片的工作中心波长为1550.3nm，包含3个Si:H材料制成的腔层，其在1500nm处的折射率为3.40，消光系数为2.54×10-6。其膜系结构如下：
HLHLHLHL 4H LHLHLHLHL
HLHLHLHL 4H LHLHLHLHL
HLHLHLHL 4H LHLHLHL3.12H 1.39L
其中，H代表光学厚度为1/4λ（λ为1550.3nm）的Si:H材料膜层，L代表光学厚度为1/4λ（λ为1550.3nm）的SiO2材料膜层。
图4为本实施例在25摄氏度时的透过率和波长的关系图，该实施例的滤光片的-0.5dB带宽大于0.3nm，-15dB带宽小于1.2nm，透射插入损耗小于0.35dB。该实施例的优点是：受益于腔数的提高，滤光片的抖度、矩形度优于当前可调谐滤光片产品。
图5为本发明实施例1在25摄氏度和100摄氏度时的透过率和波长的关系图。25摄氏度时，该实施例的透射带中心波长为1550.3nm；100摄氏度时，该实施例的透射带中心波长为1559.2nm。在25到100摄氏度范围内，中心波长的热调谐系数为dλ/dT = 119 pm/ºC。
实施例2
本实施例中，滤光片的工作波段为1500nm到1600nm，设计在该波段有多个透射峰，包含3个Si:H腔层，其在1500nm处的折射率为3.40，消光系数为2.54×10-6。其膜系结构如下：
HL 160H LHL HLHL160H LHLHLHL 160H LH
其中，H代表光学厚度为1/4λ（λ为1550nm）的Si:H材料膜层，L代表光学厚度为1/4λ（λ为1550nm）的SiO2材料膜层。图6为本实施例在25摄氏度时的透过率和波长的关系图。在1500nm到1600nm波长范围内，该滤光片存在多个透射峰，透射带在频率上等间隔排列，相邻透射峰的间距为18.3nm，每个透射峰的半高全宽（FWHM）为约0.51nm。该实施例的优点是，通过一次真空镀膜的方法实现了硅标准具的效果，避免了硅片抛光、分别镀两个面反射膜的繁琐过程，便于大批量的生产。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1. 可调谐滤光片，其为多腔式干涉滤光片，其特征在于：其在1200 nm到1800 nm波长范围内存在透射带，其包括：基板，及在基板表面镀制的滤光膜层；
所述的滤光膜层包括多个腔层和设于腔层两端面的反射膜堆，
所述的反射膜堆包括交替叠加的多个高折射率层和多个低折射率层，其中，制成高折射率层的材料至少包含Si:H；
所述滤光片的腔层数目大于或等于3个；
所述滤光片的通带具有中心波长，当滤光片工作温度范围与20摄氏度到85摄氏度温度范围部分重叠时，其中心波长的温度漂移系数大于70 pm/摄氏度，小于300 pm/摄氏度。
2.根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：所述滤光膜层的腔层材料均由Si:H材料制成。
3.根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：所述滤光膜层的腔层材料为通过物理气相沉积方法获得。
4.根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：制成低折射率层的材料至少包括SiO2、Si3N4、Ta2O5、Nb2O5其中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：滤光片包含可以导电的加热层，所述的加热层设于基板和滤光膜层之间。
6. 根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：所述的Si:H材料在1200 nm到1800 nm范围内的折射率大于3.2；所述的Si:H材料在1200 nm到1800 nm范围内的消光系数小于5×10-5。
7.根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：所述相邻的反射膜堆之间还设有耦合层。
8.根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：所述滤光片的基板制成材料为熔融石英或者硅材料。
9. 根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：所述滤光片的透射带的-15 dB带宽不大于1.2 nm。
10. 根据权利要求1所述的可调谐滤光片，其特征在于：所述的滤光片在1200 nm到1800 nm波长范围存在多个透射峰，透射峰在频率上等间隔排列，相邻透射峰的间距不大于50 nm。
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