CN1529196A - 非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，属于光通信领域。本发明首先选择适当的长度、厚度的光学超晶格，计算周期性条件下的晶轴偏转角，以及对于单个电畴的传输矩阵，采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，然后根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，最后将晶片置于两块相互垂直的偏振片中间，即得到非周期光学超晶格多波长滤波器，该滤波器是一块单畴介电晶片，晶片的上下表面平行。本发明首次利用非周期光学超晶格来实现多波长olc滤波器，并且该滤波器的滤波中心波长可以由工作温度进行调节。该滤波器是由一块介电体晶体构成，电极结构简单，易于集成，便于光路调节。

Description

非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种可调多波长滤波器的制作方法，具体是一种基于非周期光学超晶格的可调多波长滤波器的制作方法。属于光通信领域。

背景技术

随着光通信的快速发展，广泛应用于光通信系统的各类光学滤波器获得了空前的发展和长足的进步。传统的光学

滤波器是一种基于偏振光干涉的光谱滤波器，是由两块正交偏振器中加一系列方位角按一定规则排列的半波片构成的。就光的传播来说， 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所需的关系时，电磁能的完全交换才成为可能。

滤波器由于使用的是多个分立的双折射晶体，因此光路的调整以及实际的封装过程都相当复杂，且不易制成集成化器件。

非周期光学超晶格(Aperiodic Optical Supperlattice，AOS)是一种新的光学超晶格结构，和周期性的光学超晶格相比，AOS可以为光参量等非线性过程提供更多的倒格失来补偿位相失配。在AOS理论中，光学样品被分成同样大小的区域，每个区域的电畴方向通过模拟退火方法(Simulated Annealing Method，SA Method)设计。在AOS光学超晶格中，虽然畴反转的周期不存在了，但是每个电畴的长度是一个固定值或者是这个固定值的整数倍。把非周期光学超晶格引入非线性光学晶体，可以同时实现多个非线性光学参量过程。

经文献检索发现，X.F.Chen等人在《Optics Letters》(《光学快报》)(28，2003)上发表的“Electro-optic type wavelength filter in periodically poledlithium niobate(《基于周期性极化铌酸锂的电光

型滤波器》)，该文介绍了一种基于介电体周期性超晶格(LN晶体)的

滤波器。它是一块单畴介电体晶片，该晶片的上下表面平行。该晶片的上表面周期性地制作金属格栅电极，利用电场极化的方法来实现传统 滤波器的交叉周期方位角，这种周期性结构可以提供一个倒格矢，这个倒格矢参与光在介质中的作用，补偿快本征光和慢本征光之间的相位差，使得快本征波和慢本征波之间的能量转换成为可能，获得所需的滤波效果。该滤波器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，并且易于调节，便于制成集成化器件，但是该滤波器只能实现单波长滤波。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种基于非周期光学超晶格的可调多波长滤波器的制作方法，使其解决介电体周期性超晶格 滤波器的单波长滤波限制的问题，实现多波长滤波，并且中心波长可由温度调节。

本发明是通过以下的技术方案实现的，本发明首先选择适当的长度、厚度的光学超晶格，计算周期性条件下的晶轴偏转角，以及对于单个电畴的传输矩阵，采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，然后根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，最后将晶片置于两块相互垂直的偏振片中间，即得到非周期光学超晶格多波长滤波器，该滤波器是一块单畴介电晶片，晶片的上下表面平行。本发明制作的滤波器可以提供更多的倒格失来补偿位相失配，从而达到多波长滤波的效果，并且滤波中心波长可以由工作温度进行调节。

以下对本发明作进一步的说明，具体内容如下：

1、选择适当的长度、厚度的光学超晶格，计算周期性条件下的晶轴偏转角，以及对于单个电畴的传输矩阵，具体如下：

①确定滤波器透射的其中一个中心波长λ₁，计算在周期性光学超晶格 滤波器条件下电畴宽度d和周期Λ

Λ＝2d＝λ₁/(n_o1-n_e1)

式中：λ_{α(1，2，3....)}-中心波长

      n_oα-波长为λ_α的寻常光折射率

      n_eα-波长为λ_α的异常光折射率

②根据晶片的总长度L，电畴宽度d，计算电畴数目N以及晶片上下平面法线和该晶片的自极化方向的夹角即方位角θ

     N＝L/d  $2\mathrm{N\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

③选择非周期光学超晶格的电畴宽度l，l是一个随意选择的整数，该数值既要小于周期性滤波器的电畴宽度d，又要在现有的室温电场极化的技术条件下可以实现。

④保持方位角θ不变，利用Jones矩阵计算某个波长通过单个电畴的传输矩阵M₊(正畴)、M_-(负畴)，通过整个非周期光学超晶格的传输函数M，以及整个晶片对于这个波长的透过滤T(λ_α)

M₊＝R(θ)W₀R(-θ)(正畴)，M_-＝R(-θ)W₀R(θ)(负畴)

其中 $R\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 是旋转矩阵， $W_0=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{i\Γ}/2}& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\Γ}/2}\end{array}\right]$ 是单个电畴位相延迟矩阵 $(\mathrm{\Γ}=2\mathrm{\π}(n_e-n_o)\frac{l}{\mathrm{\λ}}).$

$M=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{M}_i=\left[\begin{array}{cc}{M}_{11}& M_{12}\\ M_{21}& M_{22}\end{array}\right]$

T(λ_α)＝|M₂₁|²

2、采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，具体如下：

选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大。

$F=\underset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)-\left\{\max \right[T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)]-\min [T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)\left]\right\}$

其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。

3、根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，构成非周期光学超晶格，具体如下：

根据计算得到的正负畴的排列顺序，用光刻技术在晶片的+Z面制作金属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度l。高压矩形电脉冲施加于上下电极间，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。因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反。这样就在晶体中实现了非周期光学超晶格。

4、利用所得到的非周期光学超晶格，构成多波长滤波器，具体如下：

在z切的非周期光学超晶格晶体的Y方向加上均匀的平面电极，使得晶轴方向偏转方位角θ(正畴)和-θ(负畴)，并将该晶片置于偏振相互垂直的偏振片中间，这样，就完成了非周期光学超晶格多波长滤波器的制作。

所述的光学超晶格为单畴铌酸锂、单畴钽酸锂或其他可改变极化方向的其他铁电晶体。所述的单畴铌酸锂晶片的厚度D＝0.2～1.0mm。通过调节温度，对滤波中心波长进行调节。

从物理的角度分析，非周期性结构相对于周期性结构来说可以提供更多的倒格矢，这个倒格矢可以参与光在介质中的相互作用，补偿不同波长的快本征光和慢本征光之间的相位差，使得不同波长的快本征波和慢本征波之间的能量转移得到实现。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明的科学价值在于首次利用非周期光学超晶格来实现多波长

滤波器，并且该滤波器的滤波中心波长可以由工作温度进行调节。该滤波器是由一块介电体晶体构成，电极结构简单，易于集成，便于光路调节。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例，对本发明方法详细说明。

实施例1 双波长滤波器的制作实例：

(1)、选择适当的长度、厚度的光学超晶格，计算周期性条件下的晶轴偏转角以及对于单个电畴的传输矩阵，具体如下：

①确定滤波器的滤波中心波长1550.1nm，1551.7nm(频率间隔200GHz)。

②选择其中一个中心波长1550.1nm，计算在周期性光学超晶格

滤波器条件下电畴宽度d和周期Λ

    Λ＝2d＝λ₁/(n_o1-n_e1)＝20.8μm

③根据晶片的总长度L＝5cm，电畴宽度d＝10.4μm，计算电畴数目N以及晶片上下平面法线和该晶片的自极化方向的夹角即方位角θ

  θ＝8.9×10^-7rad

④选择非周期光学超晶格的电畴宽度l＝5μm

⑤保持方位角θ不变，利用Jones矩阵计算某个波长通过单个电畴的传输矩阵M₊(正畴)、M_-(负畴)，通过整个非周期光学超晶格的传输函数M，以及整个晶片对于这个波长的透过滤T(λ_α)。

(2)、采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，具体如下：

选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大，得到正负畴的特定排列顺序。

$F=\underset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)-\left\{\max \right[T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)]-\min [T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)\left]\right\}$

其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。

(3)、根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，构成非周期光学超晶格。具体如下：

根据(2)中计算得到的正负畴的排列顺序，用光刻技术在铌酸锂晶片的+Z面制作金属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度l(5μm)。高压矩形电脉冲施加于上下电极间，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。因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反。这样就在LN晶体中实现了非周期光学超晶格。

(4)、利用所得到的非周期光学超晶格，构成多波长滤波器，具体如下：

在非周期光学超晶格LN晶体的±Y面制作平面电极，加上电压使得晶轴的方向与+Z方向产生一个±θ(θ＝8.9×10^-7rad)方位角，也就是说原本同±Z平行的晶轴方向绕X轴转过一个方位角±θ。将这块铌酸锂晶片被放在两块偏振片中间，这两块偏振片的偏振方向相互垂直，分别为Y轴和Z轴方向。这样，就完成非周期光学超晶格双波长滤波器的制作。

(5)、该双波长滤波器的透过率是53％，半波带宽(Full Width at HalfMaxium)为0.51nm。

通过调节温度，该双波长滤波器的滤波中心波长会发生变化，变化率为1.0nm/℃。

实施例2 四波长滤波器的制作实例：

(1)、选择适当的长度、厚度的光学超晶格，计算周期性条件下的晶轴偏转角以及对于单个电畴的传输矩阵，具体如下：

①定滤波器的滤波中心波长1548.5nm，1550.1nm，1551.7nm，1553.3nm(频率间隔200GHz)。

②选择其中一个中心波长1550.1nm，计算在周期性光学超晶格 滤波器条件下电畴宽度d和周期Λ

     Λ＝2d＝λ₁/(n_o1-n_e1)＝20.8μm

③根据晶片的总长度L＝5cm，电畴宽度d＝10.4μm，计算电畴数目N以及晶片上下平面法线和该晶片的自极化方向的夹角即方位角θ

                               θ＝8.9×10^-7rad

④选择非周期光学超晶格的电畴宽度l＝5μm

⑤保持方位角θ不变，利用Jones矩阵计算某个波长通过单个电畴的传输矩阵M₊(正畴)、M_-(负畴)，通过整个非周期光学超晶格的传输函数M，以及整个晶片对于这个波长的透过滤T(λ_α)。

(2)、采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，具体如下：

选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大，得到正负畴的特定排列顺序。

$F=\underset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)-\left\{\max \right[T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)]-\min [T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)\left]\right\}$

其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。

(3)、根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，构成非周期光学超晶格。具体如下：

根据(2)中计算得到的正负畴的排列顺序，用光刻技术在铌酸锂晶片的+Z面制作金属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度l(5μm)。高压矩形电脉冲施加于上下电极间，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。因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反。这样就在LN晶体中实现了非周期光学超晶格。

(4)、利用所得到的非周期光学超晶格，构成多波长滤波器，具体如下：

在非周期光学超晶格LN晶体的±Y面制作平面电极，加上电压使得晶轴的方向与+Z方向产生一个±θ(θ＝8.9×10^-7rad)方位角，也就是说原本同±Z平行的晶轴方向绕X轴转过一个方位角±θ。将这块铌酸锂晶片被放在两块偏振片中间，这两块偏振片的偏振方向相互垂直，分别为Y轴和Z轴方向。这样，就完成非周期光学超晶格四波长滤波器的制作。

(5)、该四波长滤波器的透过率是14％，半波带宽(Full Width at HalfMaxium)为0.51nm。

通过调节温度，该四波长滤波器的滤波中心波长会发生变化，变化率为1.0nm/℃。

Claims (7)

1、一种非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，其特征在于，首先选择适当的长度、厚度的光学超晶格，计算周期性条件下的晶轴偏转角，以及对于单个电畴的传输矩阵，采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，然后根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，最后将晶片置于两块相互垂直的偏振片中间，即得到非周期光学超晶格多波长滤波器。

2、根据权利要求1所述的非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，其特征是，所述的选择适当的长度、厚度的光学超晶格，计算周期性条件下的晶轴偏转角，以及对于单个电畴的传输矩阵，具体如下：

①确定滤波器透射的其中一个中心波长λ₁，计算在周期性光学超晶格 滤波器条件下电畴宽度d和周期Λ；

②根据晶片的总长度L，电畴宽度d，计算电畴数目N以及晶片上下平面法线和该晶片的自极化方向的夹角即方位角θ；

③选择非周期光学超晶格的电畴宽度l，l是一个随意选择的整数，该数值小于周期性滤波器的电畴宽度d，同时在室温电场极化的技术条件下能够实现；

④保持方位角θ，利用Jones矩阵计算某个波长通过单个电畴的传输矩阵M₊、M，通过整个非周期光学超晶格的传输函数M，以及整个晶片对于这个波长的透过滤T(λ_α)。

3、根据权利要求1所述的非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，其特征是，所述的对于单个电畴的传输矩阵，采用模拟退火算法计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，具体如下：

选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大，

$F=\underset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)-\left\{\max \right[T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)]-\min [T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}\right)\left]\right\}$

其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。

4、根据权利要求1所述的非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，其特征是，根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，构成非周期光学超晶格，具体如下：

根据计算得到的正负畴的排列顺序，用光刻技术在晶片的+Z面制作金属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度l，高压矩形电脉冲施加于上下电极间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场使该电畴的自发极化方向反向，因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反，从而在晶体中实现非周期光学超晶格。

5、根据权利要求4所述的非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，其特征是，利用所得到的非周期光学超晶格，构成多波长滤波器，具体如下：

在z切的非周期光学超晶格晶体的Y方向加上均匀的平面电极，使得晶轴方向偏转方位角θ和-θ，并将该晶片置于偏振相互垂直的偏振片中间，完成非周期光学超晶格多波长滤波器的制作。

6、根据权利要求1或2或3或4或5所述的非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，其特征是，所述的光学超晶格为单畴铌酸锂、单畴钽酸锂或其他可改变极化方向的铁电晶体，所述的单畴铌酸锂晶片的厚度D＝0.2～1.0mm。

7、根据权利要求1所述的非周期光学超晶格多波长滤波器的制作方法，其特征是，制作的滤波器是一块单畴介电晶片，晶片的上下表面平行，该滤波器的滤波中心波长由工作温度进行调节。