CN1508575A - 介电体超晶格的光学滤波器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种介电体超晶格光学滤波器及其制造方法，该介电体超晶格光学滤波器是在两正交偏振片之间夹一块单畴介电体晶片构成，该晶片的上、下平面平行，而且该上下平面的法线与该晶片的自极化方向的夹角即方位角为θ，该晶片上平面周期性地布设有金属格栅正电极，该晶片的下平面设有一平面负电极，所述金属格栅电极的周期Λ＝2d，金属格栅电极的宽度为d＝λ₀/2(n_o－n_e)；所需布设的金属格栅电极数N＝1.60λ₀/(2v+1)·Δλ1/2；本发明具有滤波效果好，而且光路调整简单，可以集成的优点。

Description

介电体超晶格的光学滤波器及其制作方法

技术领域：

本发明涉及一种周期性介电体超晶格的光学滤波器及其制作方法，尤其是基于铌酸锂(以下简称LiNbO₃(LN))，钛酸锂(以下简称LiTaO₃(LT))和其他铁电超晶格材料(也可包括其他非铁电的非线性光学材料)的Solc光学滤波器及其制作方法。

背景技术：

介电体超晶格以介电体为基质材料，其微结构的调制，常可通过铁电畴、铁弹畴的调制，组分或异质结构的调制，相结构或结晶学取向的调制等方式来实现；介电体超晶格可以是一维的，也可以是二维或三维的；可以是周期的，也可以是准周期甚至其他复杂结构的。在介电材料中，重要的物理过程是光波的激发与传播。介电体超晶格物理性质的调制，是通过微结构的调制实现的。其微结构调制的尺度可与光波的波长比拟，因此，介电体超晶格的倒格矢，将参与光波的激发与传播过程，产生新的光学效应。在各种结构类型的介电体超晶格中，人们对周期超晶格最重视，研究得最详细。周期性介电体超晶格材料，特别是周期极化的LiNbO3(LN)，LiTaO3(LT)和其他铁电晶体(也可以包括非铁电的非线性光学材料)已被广泛地应用于各种光参量过程，如激光的倍频、和频、光参量振荡和放大等；同时，LiNbO3(LN)，LiTaO3(LT)和其他铁电晶体又是一种双折射晶体，特别的，LiNbO3(LN)，LiTaO3(LT)都是单轴的双折射晶体。对于单轴的晶体来说，还有一个重要的用途就是偏光干涉。

Solc型滤波器是一种基于偏振光干涉原理的光谱滤波器，它在需要具有宽角场或可调谐能力的窄带滤波器的光学系统中起重要的作用。传统的Solc型滤波器是由两块正交偏振镜中间夹有一系列方位角按一定规则排列的半波片构成的，一般分为两种，一种为折叠型，其中半波片的方位角按±θ交错排列；另一种为扇型，半波片的方位角按+θ，+2θ，+3θ，…，+Nθ规律排列。就波的传播来说，Solc滤波器可看成一种周期性介质。晶体的交变方位角对两种本征波的传播都构成周期微扰。这种微扰使快本征波和慢本征波耦合起来，因为这些波以不同的相速度传播，只有当微扰是周期性的，以便保持从快波到慢波发生连续功率转移(反之亦然)所需的关系时，电磁能的完全交换才是可能的。这是周期微扰对相位匹配原理的第一种表现形式。基本的物理解释如下：如果由于静态微扰随距离增加而使功率逐渐从波A转移到波B，则两种波都要以相同的相速度传播。若相速度不同，入射波A就逐渐地与它要耦合的波B异相，这就限制了可交换功率的总分数。但通过引入周期性微扰，每当耦合场和其要耦合的场之间相位差等于π时，微扰符号就发生改变，这样就改变了耦合功率的符号，从而对连续的功率转移保持适当的相位。

传统的Solc滤波器由于使用的是多个分立的双折射晶体，因此其光路的调整比较复杂，且不易于集成化。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述已有技术的缺陷，提供一种介电体超晶格光学滤波器，该光学滤波器的光路应调整简单，而且可望实现集成化。

本发明的构思是选择适当的方位角、长度和厚度的单畴介电体，在介电体表面制作周期性电极结构，利用电场极化的方法来实现如传统Solc滤波器的交变的周期方位角，从而达到快本征波和慢本征波之间的功率耦合，获得所需的滤波效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种介电体超晶格光学滤波器，其特点是在两正交偏振片之间夹一块单畴介电体晶片构成，该晶片的上、下平面平行，而且该上下平面的法线与该晶片的自极化方向的夹角即方位角为θ，该晶片上平面周期性地布设有金属格栅正电极，该晶片的下平面设有一平面负电极，所述金属格栅电极的周期Λ＝2d，金属格栅电极的宽度为d＝λ₀/2(n_o-n_e)

所需布设的金属格栅电极数N＝1.60λ₀/(2ν+1)·Δλ，

式中λ₀-中心波长

    n_o-寻常光折射率

    n_e-非常光折射率

    Δλ-滤波器透射主峰半极大值全带宽

    ν为正整数

所说的介电体可为单畴铌酸锂、单畴钛酸锂或其他单畴铁电晶体。

所述的单畴铌酸锂晶片的厚度D＝0.2～0.5mm。

所述金属格栅电极数为100，金属格栅电极周期Λ＝657.2μm，晶片总长度为3.286cm，θ＝1.8°。

所述的介电体超晶格光学滤波器的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

①确定滤波器透射的中心波长λ₀，计算金属格栅周期Λ及金属格栅电极的宽度d

Λ＝2d＝λ₀/n_o-n_e

②根据透射主峰半极大值全带宽Δλ，计算所需布设的金属格栅电极数N

N＝1.60λ₀/Δλ；

③根据中心波长λ₀的透射率要求计算方位角θ；

④选择单畴铌酸锂晶体按θ切割并抛光成晶片厚度D＝0.5mm，长为3.286cm的薄片；

⑤在该晶片上一面用光刻技术制作周期为Λ＝2d，金属格栅宽度为d的金属格栅正电极，在晶片的另一面制作平面负电极。

所述的介电体超晶格光学滤波器的制造方法，其包括下列步骤：

①确定滤波器透射的中心波长λ₀＝1550nm，Δλ＝0.8nm

n_o＝2.211          n_e＝2.138        d＝λ₀/2(n_o-n_e)＝10.6μm；

②取ν＝15，选定金属格栅电极数N＝1.06×1550nm/(0.8nm×31)＝100；

③方位角θ＝1.8°；

④选单畴铌酸锂晶体按方位角θ＝1.8°切割并抛光成晶片厚度D＝0.5mm，长为3.286cm的薄片；

⑤在该晶片(1)的一面用光刻技术制作周期为657.2μm占空比1∶1的金属格栅正电极(2)，而另一面制作平面负电极(3)。

从物理角度分析，周期性结构能提供一个倒格矢，这一倒格矢G＝2mπ/Λ，Λ为周期大小，可以参与光在介质中的相互作用，补偿快本征光波和慢本征光波之间的相位差，使得快本征波和慢本征波之间的能量转移得以实现。

本发明的科学价值在于首次将周期性介电体超晶格引入传统的双折射相位匹配偏振干涉滤波。本发明的应用价值在于介电体超晶格结构的光学滤波器比传统光学滤波器更易于调整，易于集成化。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

附图说明：

图1为传统的Solc光学滤波器示意图(折叠型)

图2为周期介电体超晶格结构示意图

图3为本发明介电体超晶格光学滤波器结构示意图

图4为如图3所示结构的晶体晶轴方向示意图

具体实施方式：

现以周期性极化LiNbO₃(LN)为例来说明周期介电体超晶格结构如何实现光学滤波功能。图1为传统的折叠型Solc光学滤波器示意图，F和S分别为晶片的快轴和慢轴，各晶片厚度相同，其方位角按±θ交错排列。晶片的相位延迟 $\mathrm{\Λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_o-n_e)d,$ 其中d为晶片的厚度，n_o、n_e分别为晶体的寻常光和非常光折射率，λ为光波波长，当Λ＝(2ν+1)π，ν＝1，2，...时，该晶片称为半波片，此时快本征波与慢本征波之间的功率耦合效率最高，对于该中心波长λ₀，滤波器的透射率T＝sin²2Nθ，其中N为波片的数目。当方位角 $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4N}$ 时，透射率为100％。该滤波器的透射主峰的半极大值全带宽(FWHM)近似地由式Δλ_1/2≈1.60λ₀/(2ν+1)N给出，其中λ₀为透射中心波长。当ν＝0时，晶片为零阶半波片，滤波器的FWHM由式Δλ_1/2≈160λ₀/N给出。

常见的周期性极化LiNbO₃(LN)结构如图2所示，该结构一般采用厚度D＝0.2-0.5mm的Z切LN单畴晶片，在±Z面均精磨，抛光，用光刻技术在+Z面制作周期金属格栅作为电极，金属格栅电极的周期为Λ，对于占空比为1∶1的周期性结构，每个周期内电极的长度为周期的一半，即d＝Λ/2；-Z面对应区域镀平面电极。高压矩形电脉冲正向施加于两电极间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反向。无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向。因为晶体的晶轴方向与自发极化方向有关，因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的反向，这种介电体超晶格常用于准位相匹配的非线性光学参量过程，如倍频，和频，差频等过程。图3为本发明介电体超晶格光学滤波器的结构示意图，LN单畴晶片的Z面与周期金属格栅电极3所在的抛光面不垂直，即晶片的Z面与高压电场方向不一致，有一个夹角θ，因此加高压电场极化后，负畴的自发极化方向并非是与正畴反向，而是有一个夹角2θ，即与正畴自发极化方向关于垂直电场方向对称，如图4所示，因此利用图3所示电极结构对晶片进行高压极化后，将在晶片中形成如图1中所示的交变方位角结构，通过该周期性微扰结构；即可实现快本征波和慢本征波之间的功率耦合，实现光学滤波。

图3是本发明介电体超晶体Solc光学滤波器的结构示意图，由图可见，它是在两正交偏振片之间夹一块单畴介电体晶片1构成，该晶片1的上平面与下平面平行，而且上下平面的法线与该晶片1的自极化方向的夹角为θ，该晶片1上平面周期性地布设有金属格栅正电极2，下平面设有一平面负电极3，所述金属格栅电极的周期Λ＝2d，其中d为金属格栅电极的宽度，

d＝λ₀/2(n_o-n_e)

所布设的金属格栅电极数N＝1.60λ₀/Δλ；

式中λ₀-透射中心波长

    n_o-寻常光折射率

    n_e-非常光折射率

    Δλ-滤波器透射主峰半极大值全带宽

    ν为正整数

下面以透射中心波长为1550nm，FWHM为0.8nm的为例说明本发明介电体超晶体Solc光学滤波器结构制作方法。

1.确定中心波长，金属格栅电极数N和方位角θ

室温下LiNbO₃(LN)晶体对于1550nm波长光的n_o为2.211，n_e为2.138，因此对1550nm波长，其零阶半波片厚度为d＝λ₀/2(n_o-n_e)＝10.6μm，所以用于极化的周期格栅电极的周期应为Λ＝2d＝21.2μm，要求设计的滤波器带宽为0.8nm，则由式Δλ_1/2≈1.60λ₀/N得出所需零阶半波片数目N约为3100，即晶片长度应为3100×10.6μm＝3.286cm，对于中心波长，要达到100％的透射率，每块半波片的方位角θ应为π/3100＝0.001弧度，即进行电极化时晶体的±Z面要与电极面成0.001弧度夹角，由于此角度太小不容易实现，我们可以将半波片设计为高阶，如将半波片设计为15阶，则所需波片数目为100，即对应的金属格栅电极的周期为Λ15＝31Λ＝31×21.2μm＝657.2μm，晶片总长度仍为3.286cm，但此时对中心波长要达到100％透射率，波片的方位角为0.001×31＝0.031弧度，约为1.8°。

2.将LN单畴晶片以方位角θ＝1.8°切割并端面抛光成厚为0.5mm长为3.286cm的薄片。

3.利用光刻技术在晶片上制作周期为657.2μm，占空比为1∶1的金属格栅电极。

将上述制作的介电体超晶格光学滤波器，在室温下利用高电压对晶片进行极化即具有滤波效果。

Claims (6)

1、一种介电体超晶格光学滤波器，其特征在于它是两正交偏振片之间夹一块单畴介电体晶片(1)构成，该晶片(1)的上、下平面平行，而且该上下平面的法线与该晶片(1)的自极化方向的夹角即方位角为θ，该晶片(1)上平面周期性地布设有金属格栅正电极(2)，该晶片(1)的下平面设有一平面负电极(3)，所述金属格栅电极的周期Λ＝2d，金属格栅电极(2)的宽度为d＝λ₀/2(n_o-n_e)

所需布设的金属格栅电极数N＝1.60λ₀/(2ν+1)·Δλ，

式中λ₀-中心波长

    n_o-寻常光折射率

    n_e-非常光折射率

    Δλ-滤波器透射主峰半极大值全带宽

    ν为正整数

2、根据权利要求1所述的介电体超晶格光学滤波器，其特征在于所说的介电体可为单畴铌酸锂、单畴钛酸锂或其他单畴铁电晶体。

3、根据权利要求1所述的介电体超晶格光学滤波器，其特征在于所述的单畴铌酸锂晶片(1)的厚度D＝0.2～0.5mm。

4、根据权利要求1所述的介电体超晶格光学滤波器，其特征在于所述金属格栅电极数为100，金属格栅电极周期Λ＝657.2μm，晶片总长度为3.286cm，θ＝1.8°。

5、根据权利要求1所述的介电体超晶格光学滤波器的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

①确定滤波器透射的中心波长λ₀，计算金属格栅周期Λ及金属格栅电极的宽度d

Λ＝2d＝λ₀/n_o-n_e

②根据透射主峰半极大值全带宽Δλ，计算所需布设的金属格栅电极数N

N＝1.60λ₀/Δλ；

③根据中心波长λ₀的透射率要求计算方位角θ；

④选择单畴铌酸锂晶体按θ切割并抛光成晶片厚度D＝0.5mm，长为3.286cm的薄片；

⑤在该晶片上-面用光刻技术制作周期为Λ＝2d，金属格栅宽度为d的金属格栅正电极，在晶片的另一面制作平面负电极。

6、根据权利要求5所述的介电体超晶格光学滤波器的制造方法，其特征在于：

①确定滤波器透射的中心波长λ₀＝1550nm，Δλ＝0.8nm

n_o＝2.211        n_e＝2.138       d＝λ₀/2(n_o-n_e)＝10.6μm；

②取ν＝15，选定金属格栅电极数N＝1.06×1550nm/(0.8nm×31)＝100；

③方位角θ＝1.8°；

④选单畴铌酸锂晶体按方位角θ＝1.8°切割并抛光成晶片厚度D＝0.5mm，长为3.286cm的薄片；

⑤在该晶片(1)上一面用光刻技术制作周期为657.2μm占空比1∶1的金属格栅正电极(2)，而另一面制作平面负电极(3)。

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