CN113791473A - 一种热可调的光开关 - Google Patents

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CN113791473A CN202111259202.4A CN202111259202A CN113791473A CN 113791473 A CN113791473 A CN 113791473A CN 202111259202 A CN202111259202 A CN 202111259202A CN 113791473 A CN113791473 A CN 113791473A
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刘哲
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Abstract

本发明公开了一种热可调的光开关，其包括温度控制器和热可调滤波器，所述的热可调滤波器包括光学基体和光学基体上的滤光片膜堆，滤光片膜堆由高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成，其高折射率材料为Si:H或SiOxHy。长波通或者短波通滤光膜堆透过率50%处的波长偏移系数大于90 pm/摄氏度，小于300 pm/摄氏度。本发明可以在800‑4000 nm波段通过温度调控光开关的带宽和中心波长。

Description

一种热可调的光开关
技术领域
本发明涉及光学及光通讯领域，具体涉及一种热可调的光开关。
背景技术
光开关是实现全光网络的核心器件之一，在光通信系统和光纤传感等系统中 中主要用于光信号的选择、交换和调制。目前光开关主要采用的技术有MEMS、 机械式、热光、光电、声光、气泡等。特别是MEMS光开关，其具有体积小、 集成度高，响应速度快和可靠性好。
基于传统的光学带通滤光片的光开关，可以通过调整光线的入射角度对光信 号进行选择和调制实现光开关的功能。但是这类方法一方面依赖机械化，结构复 杂，体积大、稳定性差，另一方面，其透反曲线随角度变化，损耗大。
中国发明专利CN112578494报道了基于Si:H的可调谐滤光片，该滤光片 通过温度调节，实现了透射带中心波长的可调谐，但无法实现透射带带宽可调谐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过温度调整波长和带宽的由热可调长波通、短 波通或带通滤光片构成的光开关。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种热可调的光开关，其包括温度控制器和热可调滤波器，所述的热可调 滤波器包括光学基体和光学基体上的滤光片膜堆，滤光片膜堆由高折射率膜层和 低折射率膜层交替堆叠而成。本发明通过温度控制器进行温度控制，使得热可调 滤波器上的热可调长波通、短波通、带通滤光片光谱的红移，从而实现光开关的 功能。
作为优选，所述光学基体上的热可调的长波通、短波通、带通滤光片膜堆的 高折射率材料为Si:H或SiOxHy，其中Si:H在1200nm到1800nm折射率大于 为3.2，消光系数小于5x10-5。
作为优选，所述光学基体上的滤光片膜堆的低折射率膜层为TiO2、Nb2O5、 Ta2O5、SiO2中的一种或两种以上的混合物；
作为优选，所述光学基体的材料为硅材料或者基于二氧化硅材料的玻璃、蓝 宝石、钢化玻璃其中的一种或两种以上的混合物。
作为优选，所述温度控制器由加热件和散热件组成，其中加热件为TEC或 电阻的加热件，散热件为置于加热件底部的散热片。
作为优选，所述光学基体上的滤光片膜堆由常规的长波通、短波通、带通滤 光片膜堆和热可调的长波通、短波通、带通滤光片膜堆其中的任意一种或一种以 上的滤光片膜堆构成。
作为优选，所述光学基体上的热可调的长波通或者短波通膜堆透过率50％ 的波长偏移系数大于90pm/摄氏度，小于300pm/摄氏度。
本发明可以在800-4000nm波段通过温度调控光开关的带宽和中心波长。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种热可调的光开关的示意图；
图2为实施例1在25摄氏度时，常规带通滤光膜堆和热可调长波通滤光膜 堆透射率和波长的关系图；
图3为实施例1在25摄氏度到100摄氏度范围内，透射率为50％处的波长 和温度的关系图；
图4为实施例1在25摄氏度到100摄氏度时，透过率和波长的关系图；
图5为实施例2由热可调长波通和短波通滤光片构成的光开关的示意图；
图6为实施例2在25摄氏度时，热可调滤波器102-4长波通滤光片和热可 调滤波器102-5短波通滤光片透射率和波长的关系图；
图7为实施例2在热可调滤波器102-4为25摄氏度到100摄氏度和热可调 滤波器102-5为25摄氏度时，透过和波长的关系图。
图8为实施例2在热可调滤波器102-5为25摄氏度到100摄氏度和热可调 滤波器102-4为25摄氏度时，透过和波长的关系图；
图9为实施例2在热可调滤波器102-4短波通膜堆温度和热可调滤波器102-5 长波通膜堆温相同为25摄氏度到100摄氏度时，透过和波长的关系图。
具体实施方式
下面结合应用例对发明进一步说明。
如图1所示，一种热可调的光开关，其结构包括温度控制器101和热可调滤 波器102，热可调滤波器放置于温度控制器101上。热可调滤波器102包括光学 基体102-1和光学基体102-1上的滤光片膜堆，滤光片膜堆由高折射率膜层102-2 和低折射率膜层102-3交替堆叠而成
本发明通过温度控制器101进行温度控制，使得热可调滤波器102上的热可 调长波通、短波通、带通滤光片光谱的红移，从而实现光开关的功能。
作为优选的实施之一，所述光学基体上的热可调的长波通、短波通、带通滤 光片膜堆的高折射率材料为Si:H或SiOxHy，其中Si:H在1200nm到1800nm折 射率大于为3.2，消光系数小于5x10-5。
所述光学基体上的滤光片膜堆的低折射率膜层为TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiO2中的一种或两种以上的混合物；
所述光学基体的材料为硅材料或者基于二氧化硅材料的玻璃、蓝宝石、钢化 玻璃其中的一种或两种以上的混合物。
所述温度控制器由加热件和散热件组成，其中加热件为电阻的加热件，散 热件为置于加热件底部的散热片。
所述光学基体上的滤光片膜堆由常规的长波通、短波通、带通滤光片膜堆和 热可调的长波通、短波通、带通滤光片膜堆其中的任意一种或一种以上的滤光片 膜堆构成。
所述光学基体上的热可调的长波通或者短波通膜堆透过率50％的波长偏移 系数大于90pm/摄氏度，小于300pm/摄氏度。
本发明采用由Si:H薄膜工艺的长波通或短波通滤光片构成的热可调滤波器 102，通过温度控制器101调控温度对热可调滤波器102的带宽和中心波长，从 而实现光开关的功能。
实施例1
本实施例为由热可调短波通滤光片构成的光开关，如图1其结构包括温度控 制器101和热可调滤波器102，热可调滤波器放置于温度控制器101上，所述热 可调滤波器102，包括光学基体、光学基体一侧的常规带通滤光膜堆和另一侧的 热可调长波通滤光膜堆。所述光学基体材料为WMS-15。
所述实施例1通过温度控制器101设定不同的温度，使得热可调滤波器102 上对应的热可调长波通光谱由于温漂产生的红移，常规滤光片光谱在同等温度下 不会红移，从而达到调整常规滤光片膜堆透过带中心波长和带宽的效果。
如图2中黑色虚线所示为常规带通滤光膜堆在25摄氏度时，透过率和波长 的关系图，其为高折射率材料Ta2O5和低折射率材料SiO2在基体上交替堆叠而成 的而成的,其中心波长为1545.25nm,透射率为50％处带宽为24.1nm。
两种折射率材料交替堆叠顺序和膜系厚度如下：
Figure BDA0003324593400000041
如图2中黑色实线所示为热可调长波通滤光膜堆在25摄氏度时，透过率和 波长的关系图，其高折射率材料Si:H和低折射率材料SiO2在基体上交替堆叠而 成，其透射率为50％处对应的波长为1532.3nm。
两种折射率材料交替堆叠顺序和膜系厚度如下：
Figure BDA0003324593400000042
Figure BDA0003324593400000051
如图3为热可调短波通滤光膜堆25摄氏度到100摄氏度范围内，透射率为 50％处的波长和温度的关系图，偏移系数约为128pm/摄氏度。
如图4为本实施例在25摄氏度到100摄氏度时，透过和波长的关系图。25 摄氏度时，该实施例的FWHM为24.1nm，透过带中心波长为1545.25nm。50 摄氏度时，该实施例的FWHM为21.8nm，透过带中心波长为1546.4nm。100 摄氏度时，该实施例的FWHM为15.5nm，透过带中心波长为1549.55nm。
实施例2
本实施例为由热可调长波通和短波通滤光片构成的光开关，其结构包括两个 温度控制器和两个热可调滤波器，其中热可调滤波器都放置于温度控制器上。
如图5所示，所述实施例2通过温度控制器101-1和101-2设定不同的温度 组合，使得热可调滤波器102-4上对应的热可调长波通光谱和102-5上对应的热 可调短波通光谱温漂产生红移，通过不同的温度对应的不同温漂的红移，从而达 到调整透过带中心波长和带宽的效果。
如图5所示两个热可调滤波器102-4和102-5，包括光学基体、基体两侧由 高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成。所述光学基体材料为WMS-15。
如图6中黑色虚线所示为热可调滤波器102-4短波通滤光片在25摄氏度时， 透过率和波长的关系图，其高折射率材料Si:H和低折射率材料SiO2在基体上交 替堆叠而成的而成的,其透过率为50％处对应的波长为1570nm。
两种折射率材料交替堆叠顺序和膜系厚度如下：
Figure BDA0003324593400000061
如图6中黑色实线所示为热可调滤波器102-5长波通滤光片在25摄氏度时， 透过率和波长的关系图，其高折射率材料Si:H和低折射率材料SiO2在基体上交 替堆叠而成，其透射率为50％处对应的波长为1540nm。
两种折射率材料交替堆叠顺序和膜系厚度如下：
Figure BDA0003324593400000071
如下为举例三组不同的温度控制下，实例2透过带中心波长和带宽的变化情 况：
当实施例2在热可调滤波器102-4短波通膜堆温度为25摄氏度到100摄氏 度和热可调滤波器102-5长波通膜堆温度为25摄氏度时，其透过和波长的关系 如图7。25摄氏度时，该实施例的FWHM为30nm，透过带中心波长为1555nm。50摄氏度时，该实施例的FWHM为33.2nm，透过带中心波长为1556.6nm。100 摄氏度时，该实施例的FWHM为39.6nm，透过带中心波长为1559.8nm。
当实施例2在热可调滤波器102-5长波通膜堆温为25摄氏度到100摄氏度 和热可调滤波器102-4短波通膜堆温度为25摄氏度时，其透过和波长的关系如 图8。25摄氏度时，该实施例的FWHM为30nm，透过带中心波长为1555nm。 50摄氏度时，该实施例的FWHM为26.8nm，透过带中心波长为1556.6nm。100 摄氏度时，该实施例的FWHM为20.4nm，透过带中心波长为1559.8nm。
当实施例2在热可调滤波器102-4短波通膜堆温度和热可调滤波器102-5长 波通膜堆温相同为25摄氏度到100摄氏度时，其透过和波长的关系如图9。25 摄氏度时，该实施例的FWHM为30nm，透过带中心波长为1555nm。50摄氏 度时，该实施例的FWHM为30nm，透过带中心波长为1558.2nm。100摄氏度 时，该实施例的FWHM为30nm，透过带中心波长为1564.6nm。
上面结合附图对本发明的实施加以描述，但是本发明不局限于上述的具体实 施方式，上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本发明，本领域的普通技 术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应 技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权 利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种热可调的光开关，其包括温度控制器和热可调滤波器，所述的热可调滤波器包括光学基体和光学基体上的滤光片膜堆，滤光片膜堆由高折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成；热可调的光开关通过温度控制器进行温度控制，使得热可调滤波器上的热可调长波通、短波通、带通滤光片光谱的红移，从而实现光开关的功能。
2.根据权利要求1所述的一种热可调的光开关，其特征在于：所述光学基体上的热可调的长波通、短波通、带通滤光片膜堆的高折射率材料为Si:H或SiOxHy，其中Si:H在1200 nm到1800 nm 折射率大于为3.2，消光系数小于5x10-5。
3.根据权利要求1所述的一种热可调的光开关，其特征在于：所述光学基体上的滤光片膜堆的低折射率膜层为TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiO2中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种热可调的光开关，其特征在于：所述光学基体的材料为硅材料或者基于二氧化硅材料的玻璃、蓝宝石、钢化玻璃其中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种热可调的光开关，其特征在于：所述温度控制器由加热件和散热件组成，其中加热件为TEC或电阻的加热件，散热件为置于加热件底部的散热片。
6.根据权利要求1所述的一种热可调的光开关，其特征在于：所述光学基体上的滤光片膜堆由常规的长波通、短波通、带通滤光片膜堆和热可调的长波通、短波通、带通滤光片膜堆其中的任意一种或一种以上的滤光片膜堆构成。
7.根据权利要求1所述的一种热可调的光开关，其特征在于：所述光学基体上的热可调的长波通或者短波通膜堆透过率50 %的波长偏移系数大于 90 pm/摄氏度，小于300 pm/摄氏度。
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