CN1721887A

CN1721887A - Cwdm滤光片

Info

Publication number: CN1721887A
Application number: CN 200410071703
Authority: CN
Inventors: 张陈益升
Original assignee: Asia Optical Co Inc
Current assignee: Dongguan Xintai optics Co., Ltd.
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: CN100376904C

Abstract

本发明关于一种CWDM滤光片，包括第一部分和第二部分，第一部分包括至少两个法布里－珀罗谐振腔结构；其中，第二部分包括在第一部分上重复以高、低折射率膜层交替堆叠数层非四分之一波长的膜层结构。第一部分的至少两个法布里－珀罗谐振腔结构为通常所采用的结构。非四分之一波长的膜厚是依据预先给定的波长范围，以1470nm为中心波长通过计算机随机产生的。

Description

CWDM滤光片

技术领域

本发明关于一种滤光片，尤其是一种适用于粗波分复用系统(CWDM；coarse wavelength division multiplex)的CWDM滤光片。

背景技术

光滤波器，或者称滤光器(optical filter)是一种波长选择器件，在光纤通信系统和光传感器系统中有着重要应用。光滤波器分为无源和有源两大类型，无源光滤波器的基础是棱镜、衍射光栅和光谱(频率)滤波器；而有源光滤波器是无源器件和可调谐检波器的组合，每个检波器调谐到一个特定的频率。

无源光滤波器中有一种干涉膜型滤光器，其采用高、低折射率的材料以预先设计的厚度(通常为λ/4)沉积在玻璃等材质制成的基片上，以达到要求的波长响应特性。通常，介质膜干涉滤光器由每层厚度为λ/4的高折射率和低折射率的薄膜交叠制成，高折射率层内反射的光线的相位不会偏移，而低折射率层内反射的光线的相位则会偏移180°。由于光线行程的差异(2*λ/4的倍数)，逐次的反射光线在前面重叠复合，产生狭窄波长范围内的高强度反射光束，而在此波长范围以外的输出波长则会突然减小。这类滤光器可用作高通滤光器、低通滤光器或高反射层。而且，由于其光学特性取决于光学膜的反射、透射特性，其光学膜一般镀制成带通滤光片(band-passfilter)、短波通或长波通滤光片(low pass filter or high passfilter)或带止滤光片(band reject filter)。

中国实用新型专利ZL98223744.8提供了一种4.65微米的四半波窄带滤光片，它以三氧化二铝为基底，硒化锌及碲化铅为膜层材料，采用真空镀膜方法制造。膜系设计采用间隔层高级次、多半波结构；截止区域TMAX＜0.3％。但其适用于化工、环保、钢铁、煤矿及医学等微量一氧化碳气体分析领域。

利用先进的镀膜技术可将多层介质膜干涉滤光器制成超窄带型带通滤波器，由此可制作成密集型波分复用器(DWDM，densewavelength division multiplexing)，其复用信道间隔(channelspace)小于1nm。

中国专利申请CN01139082.4公开了一种超窄带通光学薄膜滤光片，包括在一光学玻璃基底上，依次真空蒸镀由低折射率的无序性膜层与高折射率的无序性膜层交替叠层多次组成的底层薄膜，由高折射率的无序性膜层与中间折射率的无序性膜层交替叠层多次组成的中间层薄膜，和由高折射率的无序性膜层与中间折射率的无序性膜层交替叠层多次组成的顶层薄膜。其无序性膜层是由随机涨落的方法产生的。

美国专利USP6,404,521则揭露了一种用于调整DWDM系统透光性的滤光系统，其采用N+1阶的光纤树形结构，当其与一个多层薄膜滤光器相结合时，可以实现光隔离功能。此多层薄膜滤光器可以采用法布里-珀罗标准具(FPE；Fabry-Perot Etalon)。

对于城域网，系统对单模光纤的传输衰减要求不高，也不需要使用光纤放大器。这样可以使用1200-1700nm的宽窗口，将相邻波长间隔放宽到10或20nm同样可以构成数十路的波分复用系统，此即粗波分复用(CWDM，coarse wavelength division multiplex)系统。在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分DWDM和CWDM的主要参数。DWDM系统的波长间距一般为200GHz(1.6nm)、100GHz(0.8nm)或50GHz(0.4nm)，将来的系统中可能会有更窄的间距。但是，CWDM技术则充分利用了城域网传输距离短的特点，不必受EDFA(Erbiumdoped fiber amplifier)放大波段的限制，而是可以在1310-1560nm的整个光纤传输窗口上，以比DWDM系统宽得多的波长间隔进行波分复用。

在复用器(multiplexer)和解复用器(demultiplexer)方面，DWDM和CWDM的造价差别主要是由于CWDM的滤波器包含的层数少，故CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本低。DWDM系统中使用的0.8nm滤波器一般大约有300层，而CWDM系统的20nm滤波器大约有150层。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50％。在CWDM系统中，相邻波长信道的间隔可放宽到20nm，因此可以使用廉价的复用器、解复用器等，从而得以降低CWDM系统的成本。

目前，广为使用的0.8信道间隔的DWDM系统中使用的波分复用器就是采用多层膜干涉滤光器。较为理想的干涉膜滤光器是λ/4多层膜非等厚干涉带通滤波器，其设计思想是λ/4的多层膜由两个高反射的多层膜系(cavity)中间插入匹配层(coupling layer)构成的。两个高反射的多层膜叠加合成的膜系重叠区存在一个反射极小值，插入匹配层的作用是消去反射极小值，即达到反射带展宽。其高反射的多层膜由2n+1层低、高折射率相互交叠的厚度为四分之一中心波长的膜厚构成。

一般的光通讯CWDM滤光片大都采用四分之一波长堆栈数个结构相同的多层膜系而成，但在其1260nm-1640nm波段中除了此滤光片的所属信号外其它的波长范围会产生漏光或噪声。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种适用于粗波分复用系统(CWDM；coarse wavelength division multiplex)的CWDM滤光片。

本发明的技术要点是：提供一种CWDM滤光片，包括第一部分和第二部分，第一部分包括至少两个法布里-珀罗谐振腔结构；其中，第二部分包括在第一部分上重复以高、低折射率膜层交替堆叠数个层的非四分之一膜层结构。

非四分之一波长的膜厚是依据预先给定的波长范围，以1470nm为中心波长通过计算机随机产生的。

第一部分的至少两个法布里-珀罗谐振腔结构遵循此规则：(LH)³6L(HL)³H(LH)³2L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³4L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³4L(HL)³H(LH)U6L(HL)⁴H(LH)³2L(HL)³H(LH)³6L(HL)²H/N_S；其中，N_S表示基板，L表示λ₀/4的低折射率膜层；H表示λ₀/4的高折射率膜层，λ₀表示中心波长。

本发明的中心波长λ₀可为1470nm或者1490nm；峰值透过率大于90％；且其截止波长为：短波1230nm-1457nm，长波1483nm-1830nm。

基板的表面抛光直径为90mm、厚为10mm，可包括氧化硅、钡、锂、钠等元素。

第一部分的相邻两个法布里-珀罗谐振腔结构之间以链接层(coupling layer)连结。每个法布里-珀罗谐振腔结构由两个单数或偶数层的多膜层结构(stack)组成。每个法布里-珀罗谐振腔结构的匹配层(spacer layer)采用偶数倍的四分之一波长低折射率的膜厚。

一般的光通讯CWDM滤光片大都采用四分之一波长堆叠数个结构相同的多层膜系而成，但在其1260nm-1640nm波段中除了此滤光片的所属信号外其它的波长范围会产生漏光或噪声。本发明消除噪声之CWDM滤光片在采用四分之一波长堆栈数个结构相同的谐振腔(cavity)的基础上，继续堆叠数个结构不同的四分之一波长的膜层，使其能够消除此漏光或噪声现象，从而可以在光通讯的波段范围内得到更广泛的应用。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中第一部分的膜层结构示意图；

图2是本发明较佳实施例中第二部分的膜层结构示意图；

图3是本发明CWDM滤光片的膜层结构整体示意图；

图4是本发明CWDM滤光片的第一部分的光谱特性图；及

图5是本发明CWDM滤光片的光谱特性图。

具体实施方式

现结合说明书附图，对本发明CWDM(coarse wavelengthdivision multiplex)滤光片作进一步详细说明。

如图1、2及3所示，本发明关于一种CWDM滤光片1，包括第一部分和第二部分。其中，第一部分包括至少两个法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perot cavity)结构；第二部分包括在第一部分上重复以高、低折射率膜层交替堆叠数层非四分之一波长的膜层结构。

第二部分中交替堆叠的高、低折射率膜层的层数可以是28层、40层、50层、或者60层，等等。具体层数可以根据具体要求和应用环境来确定，本发明以40层为较佳的实施膜层数。

第一部分的至少两个法布里-珀罗谐振腔结构遵循以下规则：(LH)³6L(HL)³H(LH)³2L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³4L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³4L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³2L(HL)³H(LH)³6L(HL)²H/N_S；其中，N_S表示基板，L表示λ₀/4的低折射率膜层；H表示λ₀/4的高折射率膜层，λ₀表示中心波长。

在光通讯常用的八个信道中(1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nm)，本发明主要是针对1470nm这个信道而言，其它信道的设计原理都是根据此信道所延伸的，例如中心波长位移到1490nm的话也可适用本发明。因此，本发明的中心波长λ₀可为1470nm或者1490nm。

本发明CWDM滤光片1的峰值透过率大于90％；且其截止波长为：短波1230nm-1457nm，长波1483nm-1830nm。基板10表面抛光直径为90mm、厚为10mm，可包括氧化硅、钡、锂、钠等元素。低折射率膜层的材质可以采用氧化硅膜，高折射率膜层的材质可以是氧化膜。本发明CWDM滤光片1的各四分之一膜层(低折射率膜层、高折射率膜层等)及基板10的材料可以根据具体要求或条件来确定。

第一部分的相邻两个法布里-珀罗谐振腔结构之间以链接层(coupling layer)连结。每个法布里-珀罗谐振腔结构由两个奇数或偶数层的多膜层结构(stack)组成。每个法布里-珀罗谐振腔结构的匹配层(spacer layer)15采用偶数倍的四分之一波长低折射率的膜厚。

如图1所示，本发明CWDM滤光片1的基板10上面先堆叠高折射率四分之一波长的膜后，再堆叠低折射率四分之一波长的膜，之后再依此顺序堆叠至第136层。其中，第6层以四分之一波长堆叠6次，第20层以四分之一波长堆叠2次，第36层以四分之一波长堆叠6次，第52层以四分之一波长堆叠4次，第68层以四分之一波长堆叠6次，第84层以四分之一波长堆叠4次，第100层以四分之一波长堆叠6次，第116层以四分之一波长堆叠2次，第130层以四分之一波长堆叠6次…以上为本发明消除噪声之CWDM滤光片1用高、低折射率膜层以四分之一波膜堆叠第一阶段的设计，其光谱特性图如图4所示在1260nm-1288nm的波段有噪声。若要消除此噪声，则必须再加上第二阶段的膜层堆叠设计。

第二阶段的设计为在第一阶段设计的最后一层上再以非四分之一波膜堆叠出，就是在第136层上再以高、低折射率材料堆叠非四分之一波长的膜层直至第165层为止，得到本发明的第二部分。

如图1和2所示，本发明一个较佳实施例的膜层结构作为整体亦可描述为：

第一部分：第1层设于玻璃基板10上，为高折射率膜层，膜厚为四分之一波长；第2层为低折射率膜层，堆叠于第1层高折射率膜层上，膜厚为四分之一波长；…第6层为低折射率膜层，堆叠于第5层膜层上，膜厚为6倍的四分之一波长；…第20层为低折射率膜层，堆叠于第19层膜层上，膜厚为2倍的四分之一波长；…第36层为低折射率膜层，堆叠于第36层膜层上，膜厚为6倍的四分之一波长；…第52层为低折射率膜层，堆叠于第51层膜层上，膜厚为4倍的四分之一波长；…第68层为低折射率膜层，堆叠于第67层膜层上，膜厚为6倍的四分之一波长；…第84层为低折射率膜层，堆叠于第83层膜层上，膜厚为4倍的四分之一波长；…第100层为低折射率膜层，堆叠于第99层膜层上，膜厚为6倍的四分之一波长；…第116层为低折射率膜层，堆叠于第115层膜层上，膜厚为2倍的四分之一波长；…第130层为低折射率膜层，堆叠于第129层膜层上，膜厚为6倍的四分之一波长；…第136层为低折射率膜层，堆叠于第135层膜层上，膜厚为四分之一波长。

第二部分：第137层为高折射率膜层，堆叠于第136层膜层上，膜厚为0.6147倍的四分之一波长；第138层为低折射率膜层，堆叠于第137层上，膜厚为0.9150倍的四分之一波长；第139层为高折射率膜层，堆叠于第138层上，膜厚为0.8560倍的四分之一波长；第140层为低折射率膜层，堆叠于第139层膜层上，膜厚为0.8383倍的四分之一波长；第141层为高折射率膜层，堆叠于第140层膜层上，膜厚为0.7836倍的四分之一波长；第142层为低折射率膜层，堆叠于第141层膜层上，膜厚为0.8146倍的四分之一波长；第143层为高折射率膜层，堆叠于第142层膜层上，膜厚为0.7698倍的四分之一波长；第144层为低折射率膜层，堆叠于第143层膜层上，膜厚为0.7993倍的四分之一波长；第145层为高折射率膜层，堆叠于第144层膜层上，膜厚为0.8286倍的四分之一波长；第146层为低折射率膜层，堆叠于第145层膜层上，膜厚为0.9172倍的四分之一波长；第147层为高折射率膜层，堆叠于第146层膜层上，膜厚为0.8540倍的四分之一波长；第148层为低折射率膜层，堆叠于第147层膜层上，膜厚为1.1421倍的四分之一波长；第149层为高折射率膜层，堆叠于第148层膜层上，膜厚为0.8356倍的四分之一波长；第150层为低折射率膜层，堆叠于第149层膜层上，膜厚为0.8967倍的四分之一波长；第151层为高折射率膜层，堆叠于第150层膜层上，膜厚为0.8087倍的四分之一波长；第152层为低折射率膜层，堆叠于第151层膜层上，膜厚为0.8479倍的四分之一波长；第153层为高折射率膜层，堆叠于第152层膜层上，膜厚为0.8031倍的四分之一波长；第154层为低折射率膜层，堆叠于第153层膜层上，膜厚为0.8515倍的四分之一波长；第155层为高折射率膜层，堆叠于第154层膜层上，膜厚为0.8362倍的四分之一波长；第156层为低折射率膜层，堆叠于第155层膜层上，膜厚为0.8571倍的四分之一波长；第157层为高折射率膜层，堆叠于第156层膜层上，膜厚为0.8816倍的四分之一波长；第158层为低折射率膜层，堆叠于第157层膜层上，膜厚为0.8610倍的四分之一波长；第159层为高折射率膜层，堆叠于第158层膜层上，膜厚为0.8008倍的四分之一波长；第160层为低折射率膜层，堆叠于第159层膜层上，膜厚为0.9363倍的四分之一波长；第161层为高折射率膜层，堆叠于第160层膜层上，膜厚为0.8614倍的四分之一波长；第162层为低折射率膜层，堆叠于第161层膜层上，膜厚为0.7339倍的四分之一波长；第163层为高折射率膜层，堆叠于第162层膜层上，膜厚为0.8306倍的四分之一波长；第164层为低折射率膜层，堆叠于第163层膜层上，膜厚为0.8871倍的四分之一波长；第165层为高折射率膜层，堆叠于第164层膜层上，膜厚为0.5526倍的四分之一波长。(第二部分的光谱特性图请参图5所示，所选信道一侧的噪声已经消除)

通常，四分之一波膜的膜厚是在nd＝λ/4时有一个极值，采用穿透式精度0.01％自动监控系统进行膜厚监控，也就是说在膜厚达到极值时(峰值或谷值)光控系统立刻停止监控。高折射率膜层的折射率一般为2.1-2.4，低折射率膜层的折射率一般为1.44。非四分之一波长的膜厚是依据预先给定的波长范围，以1470nm为中心波长通过计算机随机产生的。

一般的光通讯用的CWDM滤光片大都采用四分之一波长堆叠数个结构相同的多层膜系而成，但在其1260nm-1640nm波段中除了此滤光片的所属信号外其它的波长范围会产生漏光或噪声。本发明消除噪声之CWDM滤光片在采用四分之一波长堆叠数个结构相同的谐振腔(cavity)的基础上，继续堆叠数个结构不同的四分之一波长的膜层，使其能够消除此漏光或噪声现象，从而可以在光通讯的波段范围内得到更广泛的应用。

Claims

1、一种CWDM滤光片，包括第一部分和第二部分，第一部分包括至少两个法布里-珀罗谐振腔结构；其中，第二部分包括在第一部分上重复以高、低折射率膜层交替堆叠数层非四分之一波长的膜层结构。

2、如权利要求1所述的CWDM滤光片，其中：第二部分可包括29层交替堆叠的高、低折射率膜层。

3、如权利要求2所述的CWDM滤光片，其中：第二部分的非四分之一波长膜层的膜厚是依据预先给定的波长范围，以1470nm为中心波长通过计算机随机产生的。

4、如权利要求2所述的CWDM滤光片，其中：第一部分的至少两个法布里-珀罗谐振腔结构遵循此规则：(LH)³6L(HL)³H(LH)³2L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³4L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³4L(HL)³H(LH)⁴6L(HL)⁴H(LH)³2L(HL)³H(LH)³6L(HL)²H/N_s；其中，N_s表示基板，L表示λ₀/4的低折射率膜层；H表示λ₀/4的高折射率膜层。

5、如权利要求4所述的CWDM滤光片，其中：第一部分可由136层膜层组成。

6、如权利要求5所述的CWDM滤光片，其中：第二部分的膜层结构为：第137层为高折射率膜层，堆叠于第136层膜层上，膜厚为0.6147倍的四分之一波长；第138层为低折射率膜层，堆叠于第137层上，膜厚为0.9150倍的四分之一波长；第139层为高折射率膜层，堆叠于第138层上，膜厚为0.8560倍的四分之一波长；第140层为低折射率膜层，堆叠于第139层膜层上，膜厚为0.8383倍的四分之一波长；第141层为高折射率膜层，堆叠于第140层膜层上，膜厚为0.7836倍的四分之一波长；第142层为低折射率膜层，堆叠于第141层膜层上，膜厚为0.8146倍的四分之一波长；第143层为高折射率膜层，堆叠于第142层膜层上，膜厚为0.7698倍的四分之一波长；第144层为低折射率膜层，堆叠于第143层膜层上，膜厚为0.7993倍的四分之一波长；第145层为高折射率膜层，堆叠于第144层膜层上，膜厚为0.8286倍的四分之一波长；第146层为低折射率膜层，堆叠于第145层膜层上，膜厚为0.9172倍的四分之一波长；第147层为高折射率膜层，堆叠于第146层膜层上，膜厚为0.8540倍的四分之一波长；第148层为低折射率膜层，堆叠于第147层膜层上，膜厚为1.1421倍的四分之一波长；第149层为高折射率膜层，堆叠于第148层膜层上，膜厚为0.8356倍的四分之一波长；第150层为低折射率膜层，堆叠于第149层膜层上，膜厚为0.8967倍的四分之一波长；第151层为高折射率膜层，堆叠于第150层膜层上，膜厚为0.8087倍的四分之一波长；第152层为低折射率膜层，堆叠于第151层膜层上，膜厚为0.8479倍的四分之一波长；第153层为高折射率膜层，堆叠于第152层膜层上，膜厚为0.8031倍的四分之一波长；第154层为低折射率膜层，堆叠于第153层膜层上，膜厚为0.8515倍的四分之一波长；第155层为高折射率膜层，堆叠于第154层膜层上，膜厚为0.8362倍的四分之一波长；第156层为低折射率膜层，堆叠于第155层膜层上，膜厚为0.8571倍的四分之一波长；第157层为高折射率膜层，堆叠于第156层膜层上，膜厚为0.8816倍的四分之一波长；第158层为低折射率膜层，堆叠于第157层膜层上，膜厚为0.8610倍的四分之一波长；第159层为高折射率膜层，堆叠于第158层膜层上，膜厚为0.8008倍的四分之一波长；第160层为低折射率膜层，堆叠于第159层膜层上，膜厚为0.9363倍的四分之一波长；第161层为高折射率膜层，堆叠于第160层膜层上，膜厚为0.8614倍的四分之一波长；第162层为低折射率膜层，堆叠于第161层膜层上，膜厚为0.7339倍的四分之一波长；第163层为高折射率膜层，堆叠于第162层膜层上，膜厚为0.8306倍的四分之一波长；第164层为低折射率膜层，堆叠于第163层膜层上，膜厚为0.8871倍的四分之一波长；第165层为高折射率膜层，堆叠于第164层膜层上，膜厚为0.5526倍的四分之一波长。

7、如权利要求4所述的CWDM滤光片，其中：所述中心波长λ₀可为1470nm。

8、如权利要求4所述的CWDM滤光片，其中：所述中心波长λ₀可为1490nm。

9、如权利要求4或7或8所述的CWDM滤光片，其中：其峰值透过率大于90％。

10、如权利要求5或8或9所述的CWDM滤光片，其中：其截止波长为：短波1230nm-1457nm，长波1483nm-1830nm。

11、如权利要求4或7或8所述的CWDM滤光片，其中：所述基板的表面抛光直径为90mm、厚为10mm，可包括氧化硅、钡、锂、钠等元素。

12、如权利要求4或7或8所述的CWDM滤光片，其中：第一部分的相邻两个法布里-珀罗谐振腔结构之间以链接层连结。

13、如权利要求12所述的CWDM滤光片，其中：每个法布里-珀罗谐振腔结构由两个单数或偶数层的多膜层结构(stack)组成。

14、如权利要求4所述的CWDM滤光片，其中：每个法布里-珀罗谐振腔结构的匹配层采用偶数倍的四分之一波长低折射率的膜厚。