基於鈮酸鋰晶體的多波長可調諧窄帶濾波器的製作方法

2023-05-02 09:57:36 2

本發明涉及光濾波器，特別是基於鈮酸鋰晶體的多波長可調諧濾波器。

背景技術：
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用光纖光柵或者波導光柵作為一種基本的波長選擇性元器件，在光通信和光傳感領域有著十分廣泛的應用。按光柵周期的大小，可以分為周期長度在100um量級的長周期光柵和周期大小可在1um以下的布拉格光柵，其中短周期的布拉格光柵能將滿足布拉格條件的特定波長極大的反射回來，具有窄帶濾波的作用。

由於光纖光柵受到光纖材料(石英玻璃)和結構(圓柱包層結構)的限制，只能夠實現基於彈光效應(應力)和熱光效應(溫度)的慢性調諧(調諧速率一般在ms量級)，而且光纖光柵多級級聯有很大的損耗，很難實現大規模集成，因而其作用和應用受到很大局限，很難應用到高速實時大容量全光網絡中。為了突破光纖材料本身的局限性，用特殊材質的光波導來取代傳統光纖製作光柵器件是一種有效的解決途徑。

鈮酸鋰(LiNbO3)晶體是集成光學器件中最常用的無機介電材料，它集電光，聲光，非線性，光折變等多種效應於一身，材料的物理化學性能穩定，容易生長大塊的高光學質量基片，而且成本低廉，易拋光和加工，不潮解，更重要的是該晶體在0.35um-5um波長範圍內的通光性能良好。因而，鈮酸鋰晶體是目前公認的光電子時代的「光學矽」的主要候選材料之一。基於鈮酸鋰晶體的快速可調諧的波導光柵可以作為複雜光器件或者系統中的元器件，可以作為傳感器、波長轉換器、跟蹤式濾波器等，有著很廣泛的應用。

技術實現要素：
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本發明的目的是改善傳統光濾波器調諧速度慢的問題，以及傳統光濾波器濾波波長個數的局限性，提出基於鈮酸鋰晶體的多波長可調諧窄帶濾波器結構，該結構以鈮酸鋰晶體為材料，充分利用其電光特性，來實現多波長可調諧濾波功能。本發明可以實現多波長調諧濾波且濾波波長個數可調。與傳統的光濾波器相比，結構簡單，調諧方法簡單，應用更靈活，具有廣泛的應用前景。

本發明的技術方案

基於鈮酸鋰晶體的多波長可調諧窄帶濾波器，以x切，y切或z切的鈮酸鋰晶體為基底，利用常規的波導製備工藝及光柵刻寫技術，在鈮酸鋰基底上交叉製備布拉格波導光柵結構和無光柵的波導結構，並在無光柵的波導兩側製備電極，構成多波長可調諧窄帶濾波器結構；電極結構對稱分布于波導兩側。波導及光柵沿x方向，y方向或者z方向，使光的傳播為x傳，y傳或z傳，如圖1所示。

本發明提出的多波長可調諧窄帶濾波器結構中，包含多段布拉格波導光柵，所有布拉格波導光柵段的周期保持一致，周期大小滿足λ＝2nΛ，其中λ為濾波器的濾波中心波長，Λ為布拉格光柵周期，n為波導光柵的有效折射率。每一段布拉格波導光柵的長度可以相同或者不同。

本發明提出的濾波器結構中，無光柵波導區域長度L滿足關係式：這裡λ為所濾波長，neff為無光柵區域波導的有效折射率，為光柵相移量，其中可以為0～2π之間的任意值。

本發明提出的濾波器結構中電極結構對稱分布於無光柵區域波導兩側，且電極對數N>1。

本發明提出的濾波器，所濾波長為透射波，且濾波器可以雙向工作，兩端均可以作為輸入或輸出。

本發明提出的濾波器所濾波長個數可調諧，改變電極上的電壓會引起相移量的改變，當有m個相移量(m<N)，k＝1,2,3...，且這m個相移量在附近變化，此時有m個透射波。

本發明提出的濾波器，在電場引起相移量k＝1,2,3...的電極處，相移量變化時保持同步。

本發明提出的濾波器的波長調諧方法是：改變在電極對上所加電壓，引起電場範圍內折射率的改變，進而引起相移量的變化，當相移量k＝1,2,3...時，的變化會導致透射波長的變化，進而實現調諧濾波的功能。

本發明的優點和有益效果：

本發明提出的多波長可調諧窄帶濾波器結構具有以下優點：濾波波長可調諧，且應用鈮酸鋰晶體的電光特性，調諧速度極快，可以達到ns量級；濾波波長個數可調諧；濾波器濾波範圍的中心波長可通過改變光柵周期進行調整；採用電控調諧，調諧方法簡單，具有廣泛的應用前景。

附圖說明：

圖1基於鈮酸鋰晶體的多波長可調諧窄帶濾波器。

圖2三波長可調諧窄帶濾波器等效結構；

圖1和圖2中，1為鈮酸鋰晶體基底，2為電極，3為布拉格波導光柵結構，4為波導。

圖3三波長可調諧窄帶濾波器電場引起相移時的透射譜。

圖4三波長可調諧窄帶濾波器電場引起相移時的透射譜。

圖5三波長可調諧窄帶濾波器電場引起相移量為時的透射譜。

圖6五波長可調諧窄帶濾波器電場引起相移量為時的透射譜。

圖7五波長可調諧窄帶濾波器電場引起相移量為時的透射譜。

圖8五波長可調諧窄帶濾波器電場引起相移量為時的透射譜。

具體實施方式：

實施例1：

圖1所示濾波器結構，該濾波器以鈮酸鋰晶體為基底1，在基底上面交叉製備布拉格波導光柵結構3和無光柵的波導結構，並在無光柵的波導4兩側製備電極2，構成多波長可調諧窄帶濾波器結構。所有布拉格波導光柵段的周期保持一致，周期大小滿足λ＝2nΛ，其中λ為濾波器的濾波中心波長，Λ為布拉格光柵周期，n為波導光柵的有效折射率。

調節電極上所加電壓，僅保留三對電極結構使其引起的相移量調整其餘所有電場使其引起相移量k＝1,2,3...，這些點等效於無相移點，構成三波長可調諧窄帶濾波器結構，其等效圖如圖2所示。圖2中4段布拉格波導光柵等效長度分別為9mm，6mm，6mm，9mm，電極長度均為725.2um，電極間距為10um。圖3為電場引起相移時的透射譜，其中橫坐標為透射波長，縱坐標為透射率。圖4為電場引起相移時的透射譜，圖5為電場引起相移量為時的透射譜。

可以看出，改變電極上的電壓引起透射波波長的改變，實現了三波長濾波器的調諧濾波的功能。

上述中的相移指的是光柵相移量當光柵相移量改變時透射譜波長就會改變，而相移量與無光柵區域波導長度L以及波導有效折射率neff的關係為：

λ為所濾波長。

改變電場(即改變電極上所加電壓)，引起電場範圍波導有效折射率的改變量為：

其中ne為鈮酸鋰晶體的非尋常光折射率，此處表示波導的有效折射率，γ33是鈮酸鋰晶體的最大電光係數。Ez為加在z方向的電場。

當L固定時，電場和相移量改變量有下式關係：

其中電場V為電壓，d為電極之間的距離，可見改變電場大小，可以對相移量進行調節，進而改變透射波長。

實施例2：

在實施例1的基礎上，當濾波器等效為包含6段布拉格波導光柵，5對電極，其中光柵段長度分別為9mm，3mm，3mm，3mm，3mm，9mm，電極長度均為725.2um，電極間距為10um時，同時在5對電極上加電壓引起相移時，其透射譜如圖6所示。同時在5對電極上加電壓引起相移時，其透射譜如圖7所示。同時在5對電極上加電壓引起相移時，其透射譜如圖8所示。可以看出，改變電極上的電壓引起透射波波長的改變，實現了五波長濾波器的調諧濾波的功能。