[發(fā)明專利]基于鈮酸鋰波導光柵的波長可調諧窄帶濾波器

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• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106597696A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設計）人: 張愛玲;姚遠
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: G02F1/035
• 分類號: G02F1/035
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權代理有限公司12002
• 代理人: 侯力

技術領域：

本發(fā)明涉及光濾波器，特別是基于鈮酸鋰材料的波長可調諧窄帶濾波器。

背景技術：

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，光折變等多種效應于一身，材料的物理化學性能穩(wěn)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波長范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“光學硅”的主要候選材料之一。基于鈮酸鋰晶體的快速可調諧的波導光柵可以作為復雜光器件或者系統(tǒng)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。

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。

由于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(xiàn)基于彈光效應(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(lián)有很大的損耗，很難實現(xiàn)大規(guī)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(wǎng)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(tǒng)光纖制作光柵器件是一種有效的解決途徑。

發(fā)明內容:

本發(fā)明的目的是解決傳統(tǒng)光濾波器調諧速度慢的問題，提出基于鈮酸鋰波導光柵的波長可調諧窄帶濾波器結構。本發(fā)明提出的濾波器結構，以鈮酸鋰晶體為基底，充分利用鈮酸鋰晶體的電光特性，實現(xiàn)濾波器所濾波長的高速調諧。本發(fā)明提出的結構簡單，通過改變?yōu)V波器結構中電極上的電壓即可實現(xiàn)濾波器波長的調諧；通過增加光柵長度，可以擴展濾波范圍；通過改變光柵周期，可以改變?yōu)V波波段的中心波長；本方案調諧方便，擁有廣泛的應用前景。

本發(fā)明提出的基于鈮酸鋰波導光柵的波長可調諧窄帶濾波器，是以x切y傳或y切x傳的鈮酸鋰晶體為基底，利用常規(guī)的波導制備工藝及光柵刻寫技術，在鈮酸鋰基底上制備相移布拉格波導光柵結構和電極結構，波導及光柵沿x或y方向，使光的傳播方向沿鈮酸鋰晶體的x或y方向，如圖2所示。

本發(fā)明提出的窄帶濾波器結構中相移布拉格波導光柵的相移引入是通過破壞布拉格光柵的周期性結構，使布拉格光柵中包含一段無光柵的波導結構，且相移量的大小和無光柵區(qū)域的長度相關，長度不同則引入的相移量不同。其中相移量和無光柵區(qū)域長度L滿足關系式這里λ為所濾波長，n_eff為無光柵區(qū)域波導的有效折射率。

相移布拉格光柵的周期根據(jù)選擇濾波波段的中心波長進行設定，光柵的長度根據(jù)濾波波段范圍進行設定。當改變布拉格光柵的周期時，濾波器的濾波中心波長會發(fā)生改變，中心波長λ和周期Λ滿足λ＝2nΛ，n為波導光柵的有效折射率。相移布拉格波導光柵長度不同濾波器濾波范圍不同，當增加光柵長度時，可以擴展濾波器的濾波范圍，減小布拉格光柵長度，濾波器的濾波范圍會縮小。

本發(fā)明提出的結構中相移布拉格波導光柵中相移點的位置可以不同，當相移點位于布拉格波導光柵中心時，透射波幅度最大，相移點位置偏離布拉格波導光柵中心越遠，透射波幅度越小，并且未加電壓時相移布拉格波導光柵中相移點引起的初始相移可以為0-2π之間的任意值。

在圖2的基礎上，在相移布拉格波導光柵的相移點波導兩側加電極，構成窄帶濾波器結構，如圖1所示，電極對沿鈮酸鋰晶體z方向上對稱分布在布拉格波導光柵相移點兩側，當加電壓后可以形成沿z方向的電場。

制備好的濾波器結構如圖1所示。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。當選擇一端作為輸入時另一端作為輸出。

本發(fā)明提出的窄帶濾波器結構的調諧方式為：改變在電極上所加電壓(即改變沿z方向的電場)，引起電場范圍內折射率的改變，進而引起濾波器透射波長的改變，實現(xiàn)調諧濾波的功能。

本發(fā)明提出的濾波器結構具有功能可調的特性，當電極上所加電壓引起2π的整數(shù)倍相移時，布拉格相移光柵中等效于無相移點，該濾波器結構具有普通布拉格光柵的反射功能；當電極上所加電壓引起的相移不是2π的整數(shù)倍時，該濾波器結構具有調諧濾波的功能。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果：