專(zhuān)利名稱(chēng)：介電體超晶格的光學(xué)濾波器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種周期性介電體超晶格的光學(xué)濾波器及其制作方法，尤其是基于鈮酸鋰(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LiNbO3(LN))，鈦酸鋰(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LiTaO3(LT))和其他鐵電超晶格材料(也可包括其他非鐵電的非線(xiàn)性光學(xué)材料)的Solc光學(xué)濾波器及其制作方法。
背景技術(shù)：
介電體超晶格以介電體為基質(zhì)材料，其微結(jié)構(gòu)的調(diào)制，?？赏ㄟ^(guò)鐵電疇、鐵彈疇的調(diào)制，組分或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)制，相結(jié)構(gòu)或結(jié)晶學(xué)取向的調(diào)制等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；介電體超晶格可以是一維的，也可以是二維或三維的；可以是周期的，也可以是準(zhǔn)周期甚至其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)的。在介電材料中，重要的物理過(guò)程是光波的激發(fā)與傳播。介電體超晶格物理性質(zhì)的調(diào)制，是通過(guò)微結(jié)構(gòu)的調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。其微結(jié)構(gòu)調(diào)制的尺度可與光波的波長(zhǎng)比擬，因此，介電體超晶格的倒格矢，將參與光波的激發(fā)與傳播過(guò)程，產(chǎn)生新的光學(xué)效應(yīng)。在各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的介電體超晶格中，人們對(duì)周期超晶格最重視，研究得最詳細(xì)。周期性介電體超晶格材料，特別是周期極化的LiNbO3(LN)，LiTaO3(LT)和其他鐵電晶體(也可以包括非鐵電的非線(xiàn)性光學(xué)材料)已被廣泛地應(yīng)用于各種光參量過(guò)程，如激光的倍頻、和頻、光參量振蕩和放大等；同時(shí)，LiNbO3(LN)，LiTaO3(LT)和其他鐵電晶體又是一種雙折射晶體，特別的，LiNbO3(LN)，LiTaO3(LT)都是單軸的雙折射晶體。對(duì)于單軸的晶體來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)重要的用途就是偏光干涉。
Solc型濾波器是一種基于偏振光干涉原理的光譜濾波器，它在需要具有寬角場(chǎng)或可調(diào)諧能力的窄帶濾波器的光學(xué)系統(tǒng)中起重要的作用。傳統(tǒng)的Solc型濾波器是由兩塊正交偏振鏡中間夾有一系列方位角按一定規(guī)則排列的半波片構(gòu)成的，一般分為兩種，一種為折疊型，其中半波片的方位角按±θ交錯(cuò)排列；另一種為扇型，半波片的方位角按+θ，+2θ，+3θ，…，+Nθ規(guī)律排列。就波的傳播來(lái)說(shuō)，Solc濾波器可看成一種周期性介質(zhì)。晶體的交變方位角對(duì)兩種本征波的傳播都構(gòu)成周期微擾。這種微擾使快本征波和慢本征波耦合起來(lái)，因?yàn)檫@些波以不同的相速度傳播，只有當(dāng)微擾是周期性的，以便保持從快波到慢波發(fā)生連續(xù)功率轉(zhuǎn)移(反之亦然)所需的關(guān)系時(shí)，電磁能的完全交換才是可能的。這是周期微擾對(duì)相位匹配原理的第一種表現(xiàn)形式。基本的物理解釋如下如果由于靜態(tài)微擾隨距離增加而使功率逐漸從波A轉(zhuǎn)移到波B，則兩種波都要以相同的相速度傳播。若相速度不同，入射波A就逐漸地與它要耦合的波B異相，這就限制了可交換功率的總分?jǐn)?shù)。但通過(guò)引入周期性微擾，每當(dāng)耦合場(chǎng)和其要耦合的場(chǎng)之間相位差等于π時(shí)，微擾符號(hào)就發(fā)生改變，這樣就改變了耦合功率的符號(hào)，從而對(duì)連續(xù)的功率轉(zhuǎn)移保持適當(dāng)?shù)南辔弧?br> 傳統(tǒng)的Solc濾波器由于使用的是多個(gè)分立的雙折射晶體，因此其光路的調(diào)整比較復(fù)雜，且不易于集成化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述已有技術(shù)的缺陷，提供一種介電體超晶格光學(xué)濾波器，該光學(xué)濾波器的光路應(yīng)調(diào)整簡(jiǎn)單，而且可望實(shí)現(xiàn)集成化。
本發(fā)明的構(gòu)思是選擇適當(dāng)?shù)姆轿唤?、長(zhǎng)度和厚度的單疇介電體，在介電體表面制作周期性電極結(jié)構(gòu)，利用電場(chǎng)極化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)如傳統(tǒng)Solc濾波器的交變的周期方位角，從而達(dá)到快本征波和慢本征波之間的功率耦合，獲得所需的濾波效果。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種介電體超晶格光學(xué)濾波器，其特點(diǎn)是在兩正交偏振片之間夾一塊單疇介電體晶片構(gòu)成，該晶片的上、下平面平行，而且該上下平面的法線(xiàn)與該晶片的自極化方向的夾角即方位角為θ，該晶片上平面周期性地布設(shè)有金屬格柵正電極，該晶片的下平面設(shè)有一平面負(fù)電極，所述金屬格柵電極的周期Λ＝2d，金屬格柵電極的寬度為d＝λ0/2(no-ne)所需布設(shè)的金屬格柵電極數(shù)N＝1.60λ0/(2ν+1)·Δλ，式中λ0-中心波長(zhǎng)no-尋常光折射率ne-非常光折射率Δλ-濾波器透射主峰半極大值全帶寬ν為正整數(shù)所說(shuō)的介電體可為單疇鈮酸鋰、單疇鈦酸鋰或其他單疇鐵電晶體。
所述的單疇鈮酸鋰晶片的厚度D＝0.2～0.5mm。
所述金屬格柵電極數(shù)為100，金屬格柵電極周期Λ＝657.2μm，晶片總長(zhǎng)度為3.286cm，θ＝1.8°。
所述的介電體超晶格光學(xué)濾波器的制作方法，其特征在于包括下列步驟①確定濾波器透射的中心波長(zhǎng)λ0，計(jì)算金屬格柵周期Λ及金屬格柵電極的寬度dΛ＝2d＝λ0/no-ne②根據(jù)透射主峰半極大值全帶寬Δλ，計(jì)算所需布設(shè)的金屬格柵電極數(shù)NN＝1.60λ0/Δλ；③根據(jù)中心波長(zhǎng)λ0的透射率要求計(jì)算方位角θ；④選擇單疇鈮酸鋰晶體按θ切割并拋光成晶片厚度D＝0.5mm，長(zhǎng)為3.286cm的薄片；⑤在該晶片上一面用光刻技術(shù)制作周期為Λ＝2d，金屬格柵寬度為d的金屬格柵正電極，在晶片的另一面制作平面負(fù)電極。
所述的介電體超晶格光學(xué)濾波器的制造方法，其包括下列步驟①確定濾波器透射的中心波長(zhǎng)λ0＝1550nm，Δλ＝0.8nmno＝2.211 ne＝2.138d＝λ0/2(no-ne)＝10.6μm；②取ν＝15，選定金屬格柵電極數(shù)N＝1.06×1550nm/(0.8nm×31)＝100；③方位角θ＝1.8°；④選單疇鈮酸鋰晶體按方位角θ＝1.8°切割并拋光成晶片厚度D＝0.5mm，長(zhǎng)為3.286cm的薄片；⑤在該晶片(1)的一面用光刻技術(shù)制作周期為657.2μm占空比1∶1的金屬格柵正電極(2)，而另一面制作平面負(fù)電極(3)。
從物理角度分析，周期性結(jié)構(gòu)能提供一個(gè)倒格矢，這一倒格矢G＝2mπ/Λ，Λ為周期大小，可以參與光在介質(zhì)中的相互作用，補(bǔ)償快本征光波和慢本征光波之間的相位差，使得快本征波和慢本征波之間的能量轉(zhuǎn)移得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的科學(xué)價(jià)值在于首次將周期性介電體超晶格引入傳統(tǒng)的雙折射相位匹配偏振干涉濾波。本發(fā)明的應(yīng)用價(jià)值在于介電體超晶格結(jié)構(gòu)的光學(xué)濾波器比傳統(tǒng)光學(xué)濾波器更易于調(diào)整，易于集成化。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明


圖1為傳統(tǒng)的Solc光學(xué)濾波器示意圖(折疊型)圖2為周期介電體超晶格結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明介電體超晶格光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)示意4為如圖3所示結(jié)構(gòu)的晶體晶軸方向示意圖
具體實(shí)施例方式現(xiàn)以周期性極化LiNbO3(LN)為例來(lái)說(shuō)明周期介電體超晶格結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波功能。圖1為傳統(tǒng)的折疊型Solc光學(xué)濾波器示意圖，F(xiàn)和S分別為晶片的快軸和慢軸，各晶片厚度相同，其方位角按±θ交錯(cuò)排列。晶片的相位延遲Λ=2πλ(no-ne)d,]]>其中d為晶片的厚度，no、ne分別為晶體的尋常光和非常光折射率，λ為光波波長(zhǎng)，當(dāng)Λ＝(2ν+1)π，ν＝1，2，...時(shí)，該晶片稱(chēng)為半波片，此時(shí)快本征波與慢本征波之間的功率耦合效率最高，對(duì)于該中心波長(zhǎng)λ0，濾波器的透射率T＝sin22Nθ，其中N為波片的數(shù)目。當(dāng)方位角θ=π4N]]>時(shí)，透射率為100％。該濾波器的透射主峰的半極大值全帶寬(FWHM)近似地由式Δλ1/2≈1.60λ0/(2ν+1)N給出，其中λ0為透射中心波長(zhǎng)。當(dāng)ν＝0時(shí)，晶片為零階半波片，濾波器的FWHM由式Δλ1/2≈160λ0/N給出。
常見(jiàn)的周期性極化LiNbO3(LN)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)一般采用厚度D＝0.2-0.5mm的Z切LN單疇晶片，在±Z面均精磨，拋光，用光刻技術(shù)在+Z面制作周期金屬格柵作為電極，金屬格柵電極的周期為Λ，對(duì)于占空比為1∶1的周期性結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期內(nèi)電極的長(zhǎng)度為周期的一半，即d＝Λ/2；-Z面對(duì)應(yīng)區(qū)域鍍平面電極。高壓矩形電脈沖正向施加于兩電極間，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場(chǎng)克服晶體內(nèi)部的矯頑場(chǎng)從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向。無(wú)電極的疇區(qū)域，其電疇的極化方向仍保持原來(lái)的方向。因?yàn)榫w的晶軸方向與自發(fā)極化方向有關(guān)，因此正疇的晶體晶軸方向與負(fù)疇的反向，這種介電體超晶格常用于準(zhǔn)位相匹配的非線(xiàn)性光學(xué)參量過(guò)程，如倍頻，和頻，差頻等過(guò)程。圖3為本發(fā)明介電體超晶格光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，LN單疇晶片的Z面與周期金屬格柵電極3所在的拋光面不垂直，即晶片的Z面與高壓電場(chǎng)方向不一致，有一個(gè)夾角θ，因此加高壓電場(chǎng)極化后，負(fù)疇的自發(fā)極化方向并非是與正疇反向，而是有一個(gè)夾角2θ，即與正疇自發(fā)極化方向關(guān)于垂直電場(chǎng)方向?qū)ΨQ(chēng)，如圖4所示，因此利用圖3所示電極結(jié)構(gòu)對(duì)晶片進(jìn)行高壓極化后，將在晶片中形成如圖1中所示的交變方位角結(jié)構(gòu)，通過(guò)該周期性微擾結(jié)構(gòu)；即可實(shí)現(xiàn)快本征波和慢本征波之間的功率耦合，實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波。
圖3是本發(fā)明介電體超晶體Solc光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見(jiàn)，它是在兩正交偏振片之間夾一塊單疇介電體晶片1構(gòu)成，該晶片1的上平面與下平面平行，而且上下平面的法線(xiàn)與該晶片1的自極化方向的夾角為θ，該晶片1上平面周期性地布設(shè)有金屬格柵正電極2，下平面設(shè)有一平面負(fù)電極3，所述金屬格柵電極的周期Λ＝2d，其中d為金屬格柵電極的寬度，d＝λ0/2(no-ne)所布設(shè)的金屬格柵電極數(shù)N＝1.60λ0/Δλ；式中λ0-透射中心波長(zhǎng)no-尋常光折射率ne-非常光折射率Δλ-濾波器透射主峰半極大值全帶寬ν為正整數(shù)下面以透射中心波長(zhǎng)為1550nm，F(xiàn)WHM為0.8nm的為例說(shuō)明本發(fā)明介電體超晶體Solc光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)制作方法。
1.確定中心波長(zhǎng)，金屬格柵電極數(shù)N和方位角θ室溫下LiNbO3(LN)晶體對(duì)于1550nm波長(zhǎng)光的no為2.211，ne為2.138，因此對(duì)1550nm波長(zhǎng)，其零階半波片厚度為d＝λ0/2(no-ne)＝10.6μm，所以用于極化的周期格柵電極的周期應(yīng)為Λ＝2d＝21.2μm，要求設(shè)計(jì)的濾波器帶寬為0.8nm，則由式Δλ1/2≈1.60λ0/N得出所需零階半波片數(shù)目N約為3100，即晶片長(zhǎng)度應(yīng)為3100×10.6μm＝3.286cm，對(duì)于中心波長(zhǎng)，要達(dá)到100％的透射率，每塊半波片的方位角θ應(yīng)為π/3100＝0.001弧度，即進(jìn)行電極化時(shí)晶體的±Z面要與電極面成0.001弧度夾角，由于此角度太小不容易實(shí)現(xiàn)，我們可以將半波片設(shè)計(jì)為高階，如將半波片設(shè)計(jì)為15階，則所需波片數(shù)目為100，即對(duì)應(yīng)的金屬格柵電極的周期為Λ15＝31Λ＝31×21.2μm＝657.2μm，晶片總長(zhǎng)度仍為3.286cm，但此時(shí)對(duì)中心波長(zhǎng)要達(dá)到100％透射率，波片的方位角為0.001×31＝0.031弧度，約為1.8°。
2.將LN單疇晶片以方位角θ＝1.8°切割并端面拋光成厚為0.5mm長(zhǎng)為3.286cm的薄片。
3.利用光刻技術(shù)在晶片上制作周期為657.2μm，占空比為1∶1的金屬格柵電極。
將上述制作的介電體超晶格光學(xué)濾波器，在室溫下利用高電壓對(duì)晶片進(jìn)行極化即具有濾波效果。
權(quán)利要求
1.一種介電體超晶格光學(xué)濾波器，其特征在于它是兩正交偏振片之間夾一塊單疇介電體晶片(1)構(gòu)成，該晶片(1)的上、下平面平行，而且該上下平面的法線(xiàn)與該晶片(1)的自極化方向的夾角即方位角為θ，該晶片(1)上平面周期性地布設(shè)有金屬格柵正電極(2)，該晶片(1)的下平面設(shè)有一平面負(fù)電極(3)，所述金屬格柵電極的周期Λ＝2d，金屬格柵電極(2)的寬度為d＝λ0/2(no-ne)所需布設(shè)的金屬格柵電極數(shù)N＝1.60λ0/(2ν+1)·Δλ，式中λ0-中心波長(zhǎng)no-尋常光折射率ne-非常光折射率Δλ-濾波器透射主峰半極大值全帶寬ν為正整數(shù)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介電體超晶格光學(xué)濾波器，其特征在于所說(shuō)的介電體可為單疇鈮酸鋰、單疇鈦酸鋰或其他單疇鐵電晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介電體超晶格光學(xué)濾波器，其特征在于所述的單疇鈮酸鋰晶片(1)的厚度D＝0.2～0.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介電體超晶格光學(xué)濾波器，其特征在于所述金屬格柵電極數(shù)為100，金屬格柵電極周期Λ＝657.2μm，晶片總長(zhǎng)度為3.286cm，θ＝1.8°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介電體超晶格光學(xué)濾波器的制作方法，其特征在于包括下列步驟①確定濾波器透射的中心波長(zhǎng)λ0，計(jì)算金屬格柵周期Λ及金屬格柵電極的寬度dΛ＝2d＝λ0/no-ne②根據(jù)透射主峰半極大值全帶寬Δλ，計(jì)算所需布設(shè)的金屬格柵電極數(shù)NN＝1.60λ0/Δλ；③根據(jù)中心波長(zhǎng)λ0的透射率要求計(jì)算方位角θ；④選擇單疇鈮酸鋰晶體按θ切割并拋光成晶片厚度D＝0.5mm，長(zhǎng)為3.286cm的薄片；⑤在該晶片上-面用光刻技術(shù)制作周期為Λ＝2d，金屬格柵寬度為d的金屬格柵正電極，在晶片的另一面制作平面負(fù)電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的介電體超晶格光學(xué)濾波器的制造方法，其特征在于①確定濾波器透射的中心波長(zhǎng)λ0＝1550nm，Δλ＝0.8nmno＝2.211ne＝2.138 d＝λ0/2(no-ne)＝10.6μm；②取ν＝15，選定金屬格柵電極數(shù)N＝1.06×1550nm/(0.8nm×31)＝100；③方位角θ＝1.8°；④選單疇鈮酸鋰晶體按方位角θ＝1.8°切割并拋光成晶片厚度D＝0.5mm，長(zhǎng)為3.286cm的薄片；⑤在該晶片(1)上一面用光刻技術(shù)制作周期為657.2μm占空比1∶1的金屬格柵正電極(2)，而另一面制作平面負(fù)電極(3)。
全文摘要
一種介電體超晶格光學(xué)濾波器及其制造方法，該介電體超晶格光學(xué)濾波器是在兩正交偏振片之間夾一塊單疇介電體晶片構(gòu)成，該晶片的上、下平面平行，而且該上下平面的法線(xiàn)與該晶片的自極化方向的夾角即方位角為θ，該晶片上平面周期性地布設(shè)有金屬格柵正電極，該晶片的下平面設(shè)有一平面負(fù)電極，所述金屬格柵電極的周期Λ＝2d，金屬格柵電極的寬度為d＝λ
文檔編號(hào)G02F1/05GK1508575SQ0215504
公開(kāi)日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者陳險(xiǎn)峰, 石劍虹, 陳英禮, 曾祥龍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)