光學超窄帶濾波器的製作方法

2023-05-02 09:53:01 2

專利名稱：光學超窄帶濾波器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學領域，主要是涉及光學器件，具體講是一種光學超窄帶濾波器，可參考光學元件/系統 G02B 6/27 5/20。
光學窄帶濾波器應用很廣，尤其是在當今的資訊時代，通訊事業的迅猛發展，寬帶網的大面積實施，特別是全光網絡的建設，急需大量性能優良、價格低廉的光學超窄帶濾波器。目前用於數據傳輸網的光學窄帶濾波器，大多數是法布裡—珀羅(Fabry-Perot)型光學窄帶濾波器。
現有Fabry-Perot型光學窄帶濾波器有兩種結構形式第一種是「玻璃|高反射膜堆|空氣間隔層|高反射膜堆|玻璃」，在這種結構中，玻璃只是作為高反射膜堆的載體，窄帶濾波器的功能是完全由「高反射膜堆|空氣間隔層|高反射膜堆」所具有的多光束幹涉特性產生的，與其中的玻璃無關。第二種是在玻璃基片上鍍制窄帶濾波膜堆而成，如「玻璃|(LH)72L(HL)7」，再如「玻璃|HLH2LHLHLHLH2LHLHL」，等等，在這種結構中，玻璃仍然只是作為窄帶濾波膜堆的載體，窄帶濾波器的功能是完全由窄帶濾波膜堆的光學幹涉特性產生的，與其中的玻璃無關。第一種結構容易形成超窄帶濾波器，但其通帶波形為三角形，空氣間隔層的光學性能易隨溫度和溼度的變化而變化，因此，這種窄帶濾波器的性能穩定性比較差，只能用於環境條件變化很小的場合。第二種結構形式緊湊簡單，但是，這種全薄膜幹涉窄帶濾波器，對膜層厚度的準確性要求很高，例如光纖通訊中使用的全薄膜幹涉窄帶濾波器要求膜層厚度的誤差不大於0.1％，因此製造極其困難。一個窄帶濾波器有時需要鍍制一百五十多層薄膜，一是膜層的厚度很難準確控制，二是積累誤差嚴重，三是溫度和溼度變化引起的波長漂移嚴重，因而限制了這種光學窄帶濾波器的批量生產和大範圍應用。中國專利96222468《雙半波濾光片》仍然用玻璃僅僅作為濾光片的載體，而採用「空氣」、「光學膠粘劑」、「光學匹配液」作雙半波濾光片的「耦合層」，將兩個單半波濾光片粘接成一個雙半波濾光片，雖然簡化了工藝，也可降低生產成本，但其光學性能的溫度穩定性較差，通帶波長溫漂嚴重，因而工作可靠性差，同時也難以構成矩形度好的超窄帶濾波器。現有這些光學濾波器的性能和造價已不能滿足日益增長的工程需要。
本實用新型的目的是從根本上解決光學窄帶濾波器性能易隨溫度和溼度變化，膜層製作精度要求太高，大批量生產製造困難的問題。通過改變濾波器的光學結構，減少膜層數，改善濾波器性能的溫度和溼度穩定性，分解製造困難，降低器件成本，便於大批量生產，這將有力的推動由光學濾波器支持的密集波分復用(DWDM)技術在包括本地網在內的整個數據通信光纖網絡擴建工程中的廣泛應用。為此，本實用新型要設計一種最適用於光纖通信系統的光學濾波器，替代現行的一百多層全薄膜光學濾波器，使膜層厚度的製造允差由0.1％放鬆到10％；將通帶波形由三角形改善為矩形，使通帶既窄矩形度又好；使窄帶濾波器通帶的波長溫漂由0.05nm/℃減小到0.001nm/℃以下，以增強光學窄帶濾波器對環境的適應能力，並能大幅度降低器件生產成本的光學超窄帶濾波器。
以下結合附圖對本實用新型作詳細說明。


圖1是本實用新型單半波超窄帶濾波器的結構示意圖；圖2是本實用新型多半波超窄帶濾波器的結構示意圖。
本實用新型的實現在於用低膨脹係數的光學介質1作半波長間隔層形成單半波超窄帶濾波器，即在低膨脹係數光學介質1兩個平行表面鍍制高反射膜堆2形成單半波超窄帶濾波器，如
圖1所示；由這樣相同的多個單半波超窄帶濾波器F1、F2、…Fn無間隙串置，構成矩形通帶的多半波超窄帶濾波器。也可以說是將多個用低膨脹係數光學介質1作為半波長間隔層的Fabry-Perot單半波超窄帶濾波器無間隙串置，組成了矩形通帶的Fabry-Perot多半波超窄帶濾波器，如圖2所示。對於單半波超窄帶濾波器來說，由於作為濾波器半波長間隔層的低膨脹係數光學介質1的厚度通常大於0.01mm，比膜層厚度厚100～20000倍，使得這種超窄帶濾波器的膜層總數，4～12層，比具有類似光學性能的全薄膜超窄帶濾波器的膜層數19～51層大大減少，同時，使膜層厚度的製造允差由0.1％放鬆到了10％，這種結構改變從根本上解決了光學超窄帶濾波器製作成本高、批量生產困難的問題；還使超窄帶濾波器通帶的波長溫漂由0.05nm/℃減小到了0.001nm/℃以下，增強了超窄帶濾波器對環境的適應能力。多個用低膨脹係數光學介質1作為半波長間隔層的單半波超窄帶濾波器F1，F2，…Fn無間隙緊密串置，例如光膠，使超窄帶濾波器的通帶波形由三角形改善為矩形，從而擴寬了超窄帶濾波器所允許的使用環境溫度和溼度的變化範圍溫度變化範圍至少擴大兩倍；同時也放寬了使用超窄帶濾波器的儀器和系統對信號光波波長不穩定性的允許波動範圍擴大10～50倍，降低了超窄帶濾波器對使用環境條件和信號光源的單色性及其波長穩定性的苛刻要求，這對降低使用超窄帶濾波器的系統的工程造價提供了可能性。
本實用新型的實現還在於，在低膨脹係數光學介質1兩平行表面鍍制高反射膜堆2形成的單半波超窄帶濾波器的光學結構為「高反射膜堆2|玻璃|高反射膜堆2」，位於兩個高反射膜堆2之間的玻璃，既是高反射膜堆2的載體，又作為超窄帶濾波器的半波長間隔層，形成了玻璃腔型單半波超窄帶濾波器。也可以說是將Fabry-Perot窄帶濾波器中僅僅作為高反射膜堆2支撐體的玻璃基板取消，而將高反射膜堆2直接鍍制在作為半波長間隔層的光學玻璃的兩個平行表面，構成了玻璃腔型Fabry-Perot單半波超窄帶濾波器。由於玻璃厚度大於0.01mm，比膜層厚度厚100～20000倍，光學玻璃半波長間隔層的加入使得與全薄膜超窄帶濾波器具有類似光學性能的玻璃腔型超窄帶濾波器的膜層數大大減少只是全薄膜超窄帶濾波器膜層數的1/5～1/4；同時，使膜層厚度的製造允差由0.1％放鬆到了10％；還使超窄帶濾波器通帶的波長溫漂由0.05nm/℃減小到了0.001nm/℃，增強了超窄帶濾波器對環境的適應能力，降低了超窄帶濾波器對使用環境條件的苛刻要求。單就這樣的單半波超窄帶濾波器，已經形成了一種進步，採用這種結構的單半波超窄帶濾波器，可大大降低生產成本，使其大批量工業化生產和大範圍推廣使用成為可能。
本實用新型的實現還在於，用低膨脹係數的光學介質作半波長間隔層的單半波超窄帶濾波器，是由兩個鍍有相同高反射膜堆2的玻璃無間隙串置構成「高反射膜堆2|玻璃|玻璃|高反射膜堆2」結構的玻璃腔型單半波超窄帶濾波器。由於這種結構中半波長間隔層玻璃兩側的高反射膜堆2具有完全相同的結構和性能，由此構成的超窄帶濾波器具有理想的對稱性，因此，除了具備結構為「高反射膜堆2|玻璃|高反射膜堆2」的單半波超窄帶濾波器的所有優點外，這種單半波超窄帶濾波器的通帶波形更加接近理想波形。
本實用新型用低膨脹係數的光學介質，例如用零膨脹光學玻璃，既作為高反射膜堆的載體，同時又是超窄帶濾波器的半波長間隔層，大大減少了超窄帶濾波器的膜層總數；光學結構的變化，既使超窄帶濾波器通帶的波長溫漂由0.05nm/℃減小到0.001nm/℃以下，增強了對環境的適應能力；也使膜層厚度的製造允差由0.1％放鬆到了10％，解決了Fabry-Perot超窄帶濾波器的因膜層厚度難以精確控制和膜層數很多而形成的製造效率低和製造成本高的問題；將多個玻璃腔型單半波超窄帶濾波器無間隙串置，組成玻璃腔型多半波超窄帶濾波器，將通帶波形由三角形改善為矩形，通帶既窄矩形度又好。總之，本實用新型從根本上解決了光學超窄帶濾波器對膜層製作精度要求高、大批量生產製造困難的問題，降低了器件成本，改善了超窄帶濾波器波形矩形度，增強了超窄帶濾波器性能的溫度和溼度穩定性，是一種最適用於光纖通信系統的超窄帶濾波器。如，製成通道間隔為25GHz、50GHz、100GHz的密集波分復用器使用的光學超窄帶濾波器，能滿足由光學濾波器支持的DWDM在整個數據通信網絡擴建和全光網絡建設工程中的技術要求和使用條件要求，同時又為降低工程造價和成本提供了可能。
實施例1若在厚度分別為0.8mm、0.4mm、0.2mm的零膨脹石英(SiO2)玻璃兩個平行表面鍍制高反射膜堆HLH形成玻璃腔型單半波超窄帶濾波器，再將三個同樣的玻璃腔型單半波超窄帶濾波器串置光膠組成玻璃腔型三半波超窄帶濾波器，即可製成能滿足通道間隔為25GHz、50GHz、100GHz的DWDM要求的光學超窄帶濾波器。
實施例2將高反射膜堆(LH)3鍍制在厚度為0.6mm的平行平板石英玻璃的兩個平行平面，得到結構為(LH)3|(SiO2)|(HL)3、通帶波長寬度為0.02nm的單半波超窄帶濾波器。若將這種單半波超窄帶濾波器製成通帶中心波長連續漸變的系列超窄帶濾波器，替代昂貴的可調協雷射器，就可用廉價的普通光源得到連續漸變的單色光。
權利要求1.一種光學超窄帶濾波器，主要由多層光學薄膜組成，其特徵在於，用低膨脹係數的光學介質(1)作半波長間隔層形成單半波超窄帶濾波器，即在低膨脹係數光學介質(1)的兩個平行表面鍍制高反射膜堆(2)形成單半波超窄帶濾波器，由這樣相同的多個單半波超窄帶濾波器F1、F2、…Fn無間隙串置，構成矩形通帶的多半波超窄帶濾波器。
2.根據權利要求1所述的光學超窄帶濾波器，其特徵在於單半波超窄帶濾波器的光學結構為「高反射膜堆(2)|玻璃|高反射膜堆(2)」，位於兩個高反射膜堆(2)之間的玻璃，既是高反射膜堆(2)的載體，又作為超窄帶濾波器的半波長間隔層，形成了玻璃腔型單半波超窄帶濾波器。
3.根據權利要求1所述的光學超窄帶濾波器，其特徵在於，用低膨脹係數光學介質作間隔層的單半波超窄帶濾波器是由兩個鍍有相同高反射膜堆(2)的玻璃無間隙串置光膠構成「高反射膜堆(2)|玻璃|玻璃|高反射膜堆(2)」結構的玻璃腔型單半波超窄帶濾波器。
專利摘要本實用新型提供了一種光學超窄帶濾波器,通過使用玻璃作幹涉濾波器的間隔層,並將多個這種玻璃腔型單半波超窄帶濾波器串置組成多半波超窄帶濾波器,不僅減少了膜層數,放寬了膜層製造允差,解決了密集波分復用器用超窄帶濾波器的製造難題,而且改善了濾波器的通帶矩形度,提高了器件的環境穩定性。可廣泛應用於各種需要使用光學超窄帶濾波器的場合,如:可滿足光纖寬帶通訊網的工程急需,並且可廣泛用於其他需要單色光的光學系統中。
文檔編號G02B5/20GK2478125SQ0124036
公開日2002年2月20日 申請日期2001年4月30日 優先權日2001年4月30日
發明者盧進軍 申請人:盧進軍