基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜器件的製作方法
2023-06-05 20:50:01 1
專利名稱：基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜器件。
背景技術：
隨著光通信系統的飛速發展，迫切需要成倍的提升通信容量，而密集波分復用(DWDM)光傳輸系統無疑滿足了提升通信容量的需求，它可以超高速、大容量載入與傳遞信息。20世紀90年代後，DWDM技術迅速實用化，而且因其較低的成本、較簡單的結構形式成為未來寬帶光網絡中的主導技術。光波解復用器是DWDM技術中最關鍵的器件之一，現在工程中最廣為採用的波長復用器就是介質膜濾光型復用器，這是由於介質膜擁有插入損耗低、偏振相關損耗低等特點。但是目前所用的介質膜復用器件多是用成倍增加薄膜的厚度來換取較大色散效果，難以製備，且大多僅適用於某個極窄的頻段，而多波長的分離或復用得用多個介質膜復用器件組合來實現，無法實現多通道的色散分光效果。另外在一些特殊的光學檢測或光譜分析應用中需要將入射光束中的間隔很近的幾個波長的光區分開來，這時只能應用光柵器件，但是光柵器件需要較大的空間，不利於集成化。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜，它可以實現對入射的單束光進行波長高分辨的空間分解，進而構成多波段的光束解復用薄膜器件。
它是在周期高反薄膜兩端增加了厚度遞減的漸變薄膜，薄膜採用了高折射率與低折射率兩種材料，高、低折射率膜層相互交替，高折射率材料膜層厚度自中間向兩端遞減固定量值，遞減厚度的固定量值大於高反薄膜高折射率材料膜層厚度的1/15，低折射率材料膜層與高折射率膜層保持相同的光學厚度。
本發明由規整的周期高反膜與兩端對稱的厚度遞減膜堆構成，採用傳統的薄膜沉積工藝進行製備，方法簡單、製作成本低、易集成。且選用介質材料，有插入損耗小、耐高溫、完全無源、無須溫度控制等特點。本發明在傾斜入射的情況下，能夠將單束多波長的入射光按不同的波長沿不同的空間位置反射出器件，形成反射光束的多波長空間分離。而且能夠對頻率差異很小的入射光實現較大的空間色散，適用於密集波分復用場合。此外，針對多個頻段的入射光，均可以進行色散分離，達到很好的解復用效果，應用前景將會非常廣泛。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜結構示意圖；圖2是三通道波長空間解復用器薄膜結構的反射率光譜曲線示意圖；圖3是三通道波長空間解復用器薄膜結構的空間分離值；圖4是基於兩端厚度遞減結構薄膜的波長空間解復用應用示意圖；圖5是基於兩端厚度遞減結構薄膜的實時高分辨光譜分析應用示意圖；圖中1、周期高反薄膜，2、兩端厚度遞減的漸變薄膜，3、低折射率材料，4、高折射率材料，5、入射光波，6、光纖，7、光電線陣傳感器。
具體實施例方式
基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜是在周期高反薄膜1兩端增加了厚度遞減的漸變薄膜2，薄膜採用了高折射率3與低折射率4兩種材料，高、低折射率膜層相互交替，高折射率材料膜層厚度自中間向兩端遞減固定量值，遞減厚度的固定量值大於高反薄膜1高折射率材料膜層厚度的1/15，低折射率材料膜層與高折射率膜層保持相同的光學厚度。
本發明可以實現對入射的單束光進行波長高分辨的空間分解，進而構成多波段的光束解復用薄膜器件。該器件具有高低折射率交替的多層介質光學幹涉薄膜構成，而且多層薄膜具有1、2-1、2-2三個區域，兩端的2-1、2-2區域膜層厚度向外遞減，如圖1所示。中心1區域是規整的高反膜結構，每個周期由光學厚度相同的高折射率材料H膜層3與低折射率L膜層4構成。在厚度遞減結構的2-1、2-2區域中，3的厚度由1區向兩端每層遞減固定的量值ΔdH，同一周期的4厚度與3厚度保持為一定比例nH/nL。這相當於是由許多個中心波長不同的反射鏡疊加構成的膜繫結構，因此，只要遞減厚度ΔdH足夠大時，各反射鏡的中心波長完全錯開，在周期較多的反射鏡1形成的主反射帶短波側即可形成許多起伏較大的反射次峰。
本發明藉助薄膜光學特徵矩陣原理，利用了薄膜反射位相與空間色散之間的關係。由特徵傳輸矩陣可以知道，當薄膜的反射帶出現較為劇烈的起伏時，反射位相就會發生突變。反射位相的劇烈變化有益於產生大的時間色散延遲，而在一維薄膜結構中，時間色散延遲又基本可以認為與空間色散位移成正比，由此可知，多級次起伏劇烈的反射次峰即可實現多通道的解復用效果。
圖2給出了三通道波長的空間解復用器薄膜結構的反射率光譜曲線示意圖。基板選用BK7(折射率為1.49)，這是一個具有14個高、低折射率膜層對的薄膜器件，其中第6-10個高低折射率膜層對為四分之一波長規整結構高反膜結構，對應圖1中的1區域，中心波長為1410nm，H選用TiO2(折射率為2.077)，對應於圖1中的3，L選用SiO2(折射率為1.437)，對應於圖1中的4。第1-4個高低折射率薄膜對與第11-14個高低折射率薄膜對為厚度遞減結構，分別對應圖1中的2-1、2-2區域，遞減厚度ΔdH取23nm，膜系總物理厚度為4.7μm。
由圖中可以看出，在800-1200nm範圍內，形成了六個起伏較大的反射次峰，從而保證的多通道且較大的空間色散。可以任意選取其中三個起伏最大的反射次峰，以實現三通道波長的空間解復用效果。
需要注意的是，材料的選擇、1、2區域的周期數、遞減厚度ΔdH都是隨意的，只要針對需要解復用的頻段適當選取即可。但是，為了多級次起伏劇烈反射次峰的形成，ΔdH不宜小於1區域周期高反膜高折射率材料膜層厚度的1/15。
兩端厚度遞減結構的薄膜空間解復用器需要在傾斜入射的情況下進行工作，才能實現空間光束分離的功能。圖3給出了一種利用圖2膜系薄膜器件的三通道波長空間分離值，光波入射角為73°。由於這種膜系產生的空間位移依賴於薄膜禁帶附近各向異性的性質，本質上是一種基於群速度的效應，同基於相速度效應的普通稜鏡相比，色散效果甚至可以達到其500倍以上。由圖3可以看出，本發明在708.7nm-712.5nm、751.8nm-755.6nm以及798.4nm-802.4nm三個通道中色散位移的測試結果，其最大空間位移分別達到149.67μm、110.09μm以及99.6μm，相對於薄膜厚度來說，這個色散量是非常驚人的。
實施例1實現多通道波長解復用的基於兩端厚度遞減結構薄膜如圖4所示，當一束多波長的光5入射該薄膜器件時，可以在反射光方向上用一排光纖6將已經通過薄膜器件實現了空間分離的各個波長的光通過光纖導引開，實現波長的解復用。
實施例2實現高分辨光譜分析的基於兩端厚度遞減結構薄膜另外一種應用如圖5所示，可以在反射光位置直接放置CCD探測器接收到反射光斑後，根據不同CCD單元探測到的信號，來確定不同波長的光強度，實現實時的高分辨光譜分析。其中7代表光電線陣傳感器。
權利要求
1.一種基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜，其特徵是在周期高反薄膜(1)兩端增加了厚度遞減的漸變薄膜(2)，整個薄膜採用了高折射率(3)與低折射率(4)兩種材料，高、低折射率膜層相互交替，高折射率材料膜層厚度自中間向兩端遞減固定量值，遞減厚度的固定量值大於高反薄膜(1)高折射率材料膜層厚度的1/15，低折射率材料膜層與高折射率膜層保持相同的光學厚度。
2.根據權利1所述的空間解復用薄膜，其特徵是能夠將單束多波長的入射光按不同的波長沿不同的空間位置反射出器件，形成反射光束的多波長空間分離。
3.根據權利1所述的兩端厚度遞減結構的空間解復用薄膜，其特徵是能夠在傾斜入射情況下對不同頻率的入射光進行空間色散分離。
4.根據權利1所述的兩端厚度遞減結構的空間解復用薄膜，其特徵是能夠對多個頻段的光束進行空間色散分離，實現多通道的分光效果。
5.根據權利1所述的兩端厚度遞減結構的空間解復用薄膜，其特徵是能夠對頻率差異很小的入射光實現大的空間色散，適用於密集波分復用場合。
6.根據權利1所述的兩端厚度遞減結構的空間解復用薄膜，其特徵是器件由介質材料構成，插入損耗小，完全無源，無須溫度控制。
全文摘要
本發明公開了一種基於兩端厚度遞減結構的多通道波長空間解復用薄膜器件。它是在周期高反薄膜兩端增加了厚度遞減的漸變薄膜，整個薄膜採用了高折射率與低折射率兩種材料，高、低折射率膜層相互交替，高折射率材料膜層厚度自中間向兩端遞減固定量值，遞減厚度的固定量值大於高反薄膜中高折射率材料膜層厚度的1/15，低折射率材料膜層與高折射率膜層保持相同的光學厚度。該器件使入射的單束多波長光波在反射時不同的光波在空間上錯位輸出，實現多通道的解復用與合用器件，同時利用反射位相與空間色散位移之間的關係實現了多頻段入射光束的空間解復用功能。由本發明製得的光波長解復用器具有空間色散大，單個器件就能夠分出多個波長，插入損耗小，材料選擇範圍廣，製作工藝方便，製作成本低，耐高溫等優點，適合應用於各種波分復用光學系統中。
文檔編號H04J14/02GK101047463SQ20061005394
公開日2007年10月3日 申請日期2006年10月25日 優先權日2006年10月25日
發明者孫雪錚, 劉旭, 顧培夫 申請人:浙江大學