CN114265145A - 一种具有不同偏振带宽的光学带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于导波光学技术领域，具体为一种具有不同偏振带宽的光学带通滤波器。该光学滤波器,可同时通过横电波和横磁波两种偏振波，其通带的中心波长重合,但通带宽度各不相同，从而对两个偏振波分别形成宽带和窄带的带通滤波作用；具体包括:一个柱体（圆柱或方柱）与平面光波导的复合透明体；将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；平面光波导由不同折射率及厚度的薄膜构成，再将两个切割体沿切面帖合、密封,构成复合体；复合体两端面镀制相应的宽带增透膜。本带通滤波器透过率可达100%,其中窄带宽的通带带宽可达到亚纳米量级，在光通讯、激光技术、精密光谱技术等方面有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种具有不同偏振带宽的光学带通滤波器。
背景技术
不同带宽的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。
本发明所涉及的光学带通滤波器，可对两个偏振波分别形成宽带和窄带的带通滤波作用。即可使一种波(横电(TE)波或横磁(TM)波)的带宽较宽(约20纳米)，而使另一种波(横磁(TM)波或横电(TE)波)的带宽较小，两者相差可达一个数量级。窄带的宽度可达到纳米及亚纳米量级。通带较宽的波具有近似平顶的带型，其通带的两个边沿很陡。并且两种波的通带都具有很好的带外光谱抑制作用，且带型对称。
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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备简单、性能优异、使用方便的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器。
本发明设计的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器，是基于棱镜耦合导模共振的光学带通滤波器,其横电波和横磁波的通带中心波长重合,且两种波的通带宽度(半高全宽)各不相同，一种较宽，一种较窄；从而对两个偏振波分别形成宽带和窄带的带通滤波作用。其结构如图1所示。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，且导波层由不同折射率及厚度的薄膜构成；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，在一个切割体切面(斜面)上根据透射中心波长,制备平面光波导；平面光波导由不同折射率及厚度的薄膜构成；再将两个切割体沿切面帖合，固定，并密封,即构成复合体；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耦合层的临界角θc:θc＝asin(n4/n3)。其中，n4和n3分别为切割体与波导耦合层的折射率。
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(如圆柱或方柱体)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,其两侧是低折射率的耦合层(所谓低折射率是相对于中间导波层的折射率而言)；中间层为导波层，该导波层由不同折射率及厚度的薄膜构成，得到相应性能的带通滤波器。
本发明中，所述导波层由不同折射率及厚度的薄膜构成，例如，采用高折射率材料(如Ti3O5)和低折射率材料(如熔石英层)两种材料，导波层折射率分布依次为高-低-高-低-高，控制各膜层的厚度，即可得到相应性能的带通滤波器。
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导波层，其两者折射率高、低是相比较而言的。
本发明提出的光学带通滤波器，是基于棱镜耦合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，从而可以大大简化器件的制备过程和费用,提高器件的质量。并且由于设计时已确定入射光的方向为正入射,因此无需进行角度调整,使用方便。
本发明优点：
1、可以实现透过滤波器的横电波和横磁波的通带中心重合，且两者具有不同的通带宽度。
2、其最大透过率可达100％。宽带的滤波结构具有近似平顶带型，中间低点透过率也可大于98％。窄带带宽可达到纳米或亚纳米量级。
3、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。
4、本发明的另一个优点是,通过调节准直光的入射角，可以使两个通带可以在一定的波长范围内调谐，这为该滤波器的使用增加了很大的灵活性和适用性。
附图说明
图1为一种具有不同偏振带宽的光学带通滤波器。
图2为图1所示一种滤波器结构中的横电波和横磁波的透过率通带。
图3为图1所示一种滤波器结构中的横电波和横磁波的透过率通带。
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低折射率耦合层。
具体实施方式
根据前述说明,构建一个光学带通滤波器结构图1所示,选定一个工作波长如:632.8nm,柱体可以用两个底角(图1中的A角)为63度的直角三棱镜构成，棱镜材料为ZF6玻璃，折射率1.7497。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1.462,厚度均控制在400nm。导波层5由5层薄膜构成，包含两种材料组成，即高折射Ti3O5层，折射率2.352，和低折射率熔石英层，折射率为1.462。导波层折射率分布依次为高-低-高-低-高，控制各膜层的厚度，即可得到相应性能的带通滤波器。上述结构为公共结构，以下分别构造导波层5以显示两种具有不同偏振带宽的带通滤波器。
1.宽TE窄TM的带通滤波器结构：
这种结构中，导波层5的层膜厚度依次取为：35nm-382.8nm–75.3nm-382.8nm-35n。
利用双棱镜耦合的波导理论,可以对上述结构的不同的偏振光波的光学透过率进行计算。计算方法可参考文献：Optics Express 25(11),12121-12130(2017),IEEEPhotonics Technology Letters,28(23),2705-7,2016及其引用的相关文献。
所得结果如图2所示。其中TE波的通带相对而言是宽带，带宽(半高全宽)约21.0nm。而TM波的通带则是窄带，带宽约1.1nm。两个带的最大透过率均接近100％.TE波的带顶中心低点的透过率可达98.4％。
2.宽TM窄TE的带通滤波器结构：
这种结构中，导模层的5层膜厚度依次取为76.4nm–422.4nm–214.9nm-422.4nm-76.4n。
利用双棱镜耦合的波导理论,可以对上述结构的不同的偏振光波的光学透过率进行计算。所得结果分别如图3所示。其中TM波的通带相对而言是宽带，带宽(半高全宽)约19.6nm。而TE波的通带则是窄带，带宽约0.04nm。两个带的最大透过率均接近100％.TM波的带顶中心低点的透过率可达98.2％。
Claims (8)
1.一种具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,是基于棱镜耦合导模共振的光学带通滤波器,其特征在于，其横电波和横磁波的通带中心波长重合,且两种波的通带宽度各不相同，从而对两个偏振波分别形成宽带和窄带的带通滤波作用；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，且导波层由不同折射率及厚度的薄膜构成；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。
2.根据权利要求1所述的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,其特征在于，所述一定角度记为A，A＝90°-θ，θ大于切割体与波导耦合层的临界角θc，θc＝asin(n4/n3)，其中，n4和n3分别为切割体与波导耦合层的折射率。
3.根据权利要求2所述的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,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1所述的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,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1所述的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,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耦合层的折射率。
6.根据权利要求1-5之一所述的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,其特征在于，所述的平面光波导,其外部两侧是低折射率的耦合层,中间层为导波层，由不同折射率及厚度的薄膜构成，得到相应性能的带通滤波器。
7.根据权利要求6所述的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,其特征在于，所述导波层由不同折射率及厚度的薄膜构成，包括采用高折射率材料和低折射率材料两种材料，导波层折射率分布依次为高-低-高-低-高，控制各膜层的厚度，即可得到相应性能的带通滤波器。
8.根据权利要求6所述的具有不同偏振带宽的光学带通滤波器,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。
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