本發(fā)明屬于導(dǎo)波光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于棱鏡耦合的多通帶極窄帶光學(xué)濾波器。

背景技術(shù)：

窄帶光學(xué)濾波器在光通訊，光譜技術(shù)方面是必不可少的光學(xué)器件?？僧a(chǎn)生窄帶光學(xué)濾波的技術(shù)已有很多，如光學(xué)薄膜，干涉濾光片，以及基于光柵結(jié)構(gòu)的導(dǎo)模共振濾波器等。但是，這些器件大多結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制備過程麻煩。

本發(fā)明提出窄帶光學(xué)濾波器是基于棱鏡耦合的雙導(dǎo)模共振濾光技術(shù)的，與光柵結(jié)構(gòu)的導(dǎo)模共振技術(shù)相對(duì)應(yīng)，但是本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)中不含有光柵，因此可以省去制備亞波長的光柵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜過程，從而可以大大簡化工藝，提高器件的質(zhì)量。并且由于設(shè)計(jì)時(shí)已確定入射光的方向?yàn)檎肷?，因此無需進(jìn)行角度調(diào)整，使用方便。另外，本發(fā)明可以分別在可見光區(qū)域中的紫光，藍(lán)光，綠光，及紅光等區(qū)域形成具有極窄帶的多個(gè)通帶，通帶的半高寬度可達(dá)皮米(10^-12米)量級(jí)。并且各帶的中心波長可以通過角度變化實(shí)現(xiàn)微調(diào)，而帶寬和透過率幾乎不受影響。各帶的透過率受所用材料的吸收損耗影響，對(duì)市場上可得到的常規(guī)材料，各帶的透過率一般可以超過92%，有的可達(dá)99%。本發(fā)明的濾波能帶具有對(duì)稱帶形，且邊帶透過率極低，具有極好的窄帶性質(zhì)。而且，根據(jù)本發(fā)明制備的濾波器，容易制成大口徑器件，特別適合高精度的光譜測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制備方便的基于棱鏡耦合的多通帶極窄帶光學(xué)濾波器。

平面光波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)為由不同折射率的材料構(gòu)成的“低-高-低”三層結(jié)構(gòu)，棱鏡耦合是由高折射率材料的棱鏡平面與平面光波導(dǎo)帖合，構(gòu)成 “高-低-高-低”的橫向折射率分布結(jié)構(gòu)。在適當(dāng)?shù)鸟詈暇嚯x的條件下，波導(dǎo)中的導(dǎo)模模式可以被由棱鏡耦合的光束所激發(fā)，在平面光波導(dǎo)中形成導(dǎo)模。如果這時(shí)將另一塊高折射率棱鏡底邊帖合于平面光波導(dǎo)的另一面，構(gòu)成 “高-低-高-低-高”的折射率分布，則第二塊棱鏡可以將波導(dǎo)內(nèi)傳導(dǎo)的導(dǎo)模光耦合出來，形成傳導(dǎo)模。這便是棱鏡對(duì)平面光波導(dǎo)的耦合:輸入耦合和輸出耦合。通過這樣的兩步耦合，特定波長的光波可以從平面光波導(dǎo)一側(cè)的棱鏡傳導(dǎo)到另一側(cè)。根據(jù)平面光波導(dǎo)的材料和厚度的調(diào)節(jié)，可以使傳導(dǎo)的光的通帶數(shù)量及帶寬受到有效控制。

基于上述平面光波導(dǎo)的棱鏡耦合原理，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于棱鏡耦合的多通帶極窄帶光學(xué)濾波器，本發(fā)明可以分別在可見光區(qū)域中的紫光，藍(lán)光，綠光，紅光等區(qū)域形成具有極窄帶的多個(gè)通帶，通帶的半高寬度可達(dá)皮米(10^-12米)量級(jí)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。具體包括：一束準(zhǔn)直入射光束，一個(gè)由柱體（如圓柱或方柱體）經(jīng)切割形成的兩個(gè)切割體與平面光波導(dǎo)組成的復(fù)合透明體(以下簡稱復(fù)合體)；其中，兩個(gè)切割體是由柱體（如圓柱或方柱體）沿縱軸成一定角度A切割，切開而得到的對(duì)稱的兩個(gè)部分，在該兩個(gè)切割體相對(duì)的切面（斜面）之間為平面光波導(dǎo)，該平面光波導(dǎo)由多層膜迭合構(gòu)成，并且滿足最外面的兩層膜的折射率低于內(nèi)部膜層的折射率；整個(gè)復(fù)合體仍為一柱體（如圓柱或方柱體）；其中，切割角A滿足A小于(90°-θc)的條件，θc= arcsin(n₄/n₃) 為棱鏡（即切割體）3和平面光波導(dǎo)第一膜層4間的臨界角，n3和 n4代表棱鏡3和平面光波導(dǎo)第一膜層4的折射率。復(fù)合體的兩端面制有寬帶增透膜。使用時(shí)，準(zhǔn)直入射光束沿復(fù)合體縱軸透射。

制備時(shí)，先把柱體沿縱軸成一定角度A切開得到對(duì)稱的兩個(gè)切割體，在一個(gè)切割體切面（斜面）上根據(jù)透射中心波長，制備平面光波導(dǎo)；平面光波導(dǎo)由不同層數(shù)和厚度的薄膜構(gòu)成；再將兩個(gè)切割體沿切面帖合，固定，并密封，即構(gòu)成復(fù)合體；復(fù)合體兩端面鍍制寬帶增透膜。使用時(shí)光束沿復(fù)合體縱軸透射。

本發(fā)明的濾波器在光通訊，光譜技術(shù)等方面有重要應(yīng)用。本發(fā)明基于棱鏡耦合的導(dǎo)模共振原理，不需要制備光柵結(jié)構(gòu)，因此具有制備方便，使用簡便，帶寬窄的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明中，所述準(zhǔn)直入射光束為準(zhǔn)直光束。

本發(fā)明中，所述的兩端面的增透膜層為根據(jù)設(shè)計(jì)的通帶的中心波長所鍍制的寬帶增透膜層。

本發(fā)明中，所述的柱體（圓柱或方柱體）切割體的材料折射率高于兩個(gè)低折射率膜層的折射率。

本發(fā)明中，所述兩個(gè)切割體的切面為斜面，當(dāng)柱體為圓柱體時(shí)，其切面為橢圓，當(dāng)柱體為方柱體時(shí)，其切面為矩形。

本發(fā)明中，所述由多層膜迭合構(gòu)成的平面光波導(dǎo)，其中膜層數(shù)至少為3層，為3層時(shí)，依次為低折射率膜層、高折射率膜層、低折射率膜層。本發(fā)明優(yōu)選膜層數(shù)大于等于5層。

本發(fā)明中，所述的平面光波導(dǎo)層可以根據(jù)要求制成單個(gè)導(dǎo)模或多個(gè)導(dǎo)模的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，所述兩個(gè)低折射率膜層和高折射率膜層，其兩者折射率高、低是相比較而言的。

本發(fā)明中，所述低折射率膜層的材料可以是空氣，或?yàn)榫鶆蚯覍?duì)待濾波段透明的氣體、液體或固體。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是一種基于棱鏡耦合的平面光波導(dǎo)傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于光柵耦合的結(jié)構(gòu)，其最大優(yōu)點(diǎn)是不用光柵，因此省去了制備亞波長光柵的復(fù)雜過程，僅以一定的鍍膜工藝加裝配即可完成，可以同樣達(dá)到超過92%的透過率，有的可以達(dá)到99%，且通帶帶寬可達(dá)到皮米(10^-12米)量級(jí)。

2、本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過設(shè)計(jì)的切割角度，可以確保入射光以正入射方式透過該濾波器，而無需復(fù)雜的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而具有使用方便和簡便的特點(diǎn)。

3、本發(fā)明的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，各通帶的中心波長可以通過角度變化實(shí)現(xiàn)微調(diào)，而帶寬和透過率幾乎不受影響。這將有利于器件于現(xiàn)場進(jìn)行通帶的波長校準(zhǔn)。

4、本發(fā)明的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明的濾波通帶具有對(duì)稱帶形，且邊帶透過率極低，具有極好的窄帶性質(zhì)。

5、本發(fā)明的第五個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，根據(jù)本發(fā)明制備的濾波器，容易制成大口徑器件，特別適合高精度的光譜測(cè)量。

根據(jù)本發(fā)明平面光波導(dǎo)的參數(shù)結(jié)構(gòu)，制成單或多導(dǎo)模波導(dǎo)，可以分別在可見光區(qū)域中的紫光，藍(lán)光，綠光，及紅光等區(qū)域形成具有極窄帶的多個(gè)通帶，通帶的半高寬度可達(dá)皮米(10^-12米)量級(jí)。并且各帶的中心波長可以通過角度變化實(shí)現(xiàn)微調(diào)，而帶寬和透過率幾乎不受影響。各帶的透過率受所用材料的吸收損耗影響，對(duì)市場上可得到的常規(guī)材料，各帶的透過率一般可以超過92%，有的可達(dá)99%。本發(fā)明的濾波能帶具有對(duì)稱帶形，且邊帶透過率極低，具有極好的窄帶性質(zhì)。而且，根據(jù)本發(fā)明制備的濾波器，容易制成大口徑器件，特別適合高精度的光譜測(cè)量。

附圖說明

圖1為設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中沿平面光波導(dǎo)法線方向的材料折射率分布，光波長632.8nm。

圖3為設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中沿平面光波導(dǎo)法線方向的材料消光系數(shù)分布，光波長632.8nm。

圖4為設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中所用材料在可見光區(qū)的折射率色散。

圖5為設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中所用材料在可見光區(qū)的消光系數(shù)色散。

圖6為中心波長為632.8nm 時(shí)掃描得到的三個(gè)共振導(dǎo)模。

圖7為所設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器的第二階共振導(dǎo)模在可見光區(qū)的全部通帶。

圖8為所設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中的第二階共振導(dǎo)模在紫光區(qū)的通帶，帶寬(半高寬) 26.3pm。

圖9為所設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中的第0階共振導(dǎo)模在紅光區(qū)的通帶，帶寬(半高寬) 9.29pm。

圖10為所設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中的所有共振導(dǎo)模在可見光區(qū)的通帶的峰值透過率。

圖11為所設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中的所有共振導(dǎo)模在可見光區(qū)的通帶的帶寬。

圖12為所設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中的第二階共振導(dǎo)模在紫光區(qū)的通帶的角度調(diào)諧性能。

圖13為所設(shè)計(jì)的極窄帶濾波器中的第二階共振導(dǎo)模在紫光區(qū)的通帶的角度調(diào)諧中，通帶的峰值透過率，帶寬，及中心波長的變化情況。

圖中標(biāo)號(hào)：1為準(zhǔn)直入射光束，2和8 為端面增透膜層，3和7 為圓柱或方柱體切割體，4為低折射率膜層，5高折射率膜層，6低折射率膜層，A 為棱鏡的縱向切割角，N 為平面光波導(dǎo)的法線方向。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于棱鏡耦合的多通帶窄帶光學(xué)濾波器，包括：一個(gè)圓柱或方柱體與平面光波導(dǎo)的復(fù)合透明體(以下簡稱復(fù)合體)。其中將圓柱或方柱體沿縱軸成一定角度切開，在一個(gè)切面上根據(jù)透射中心波長，制備平面光波導(dǎo)，平面光波導(dǎo)由不同層數(shù)和厚度的薄膜構(gòu)成。再將兩個(gè)切割體沿切面帖合，固定，并密封，構(gòu)成復(fù)合體。復(fù)合體兩端面鍍制寬帶增透膜。本發(fā)明的窄帶濾波器，具體包括:準(zhǔn)直入射光束1，端面增透膜層2和8，圓柱或方柱體切割體3和7，平面光波導(dǎo)，由低折射率膜層4，高折射率膜層5，低折射率膜層6構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

所述的平面光波導(dǎo)中的低折射率膜層4為一低折射率膜層，用于連接高折射率膜層5和切割體3，其制備材料可以是空氣或?yàn)榫鶆蚯覍?duì)待濾波段透明的氣體，液體，或固體。

所述的平面光波導(dǎo)中的高折射率膜層5折射率高于低折射率膜層4和6。

所述的平面光波導(dǎo)中的低折射率膜層6為一低折射率膜層，用于連接高折射率膜層5和切割體7。

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，選定一個(gè)激光工作波長如: 632.8nm，柱體材料為肖特公司(SCHOTT)的火石玻璃，折射率1.6671，以其作為耦合棱鏡（3）和（7）的體材料。平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的低射率膜層(4)，取熔石英，折射率為1.4570，其厚度為500nm。高折射率膜層(5)取材肖特公司重火石玻璃，折射率1.7496，厚度為1560nm。低折射率膜層(6)取熔石英，折射率1.4570，厚度為500nm。整個(gè)結(jié)構(gòu)在632.8nm 波長時(shí)的折射率分布如圖2 所示；圖3 為在波長為632.8nm時(shí)所用材料的消光系數(shù)的空間分布。 這些參數(shù)都是材料的本征參數(shù)。圖4 和圖5 顯示了所采用的材料在可見光區(qū)域的折射率色散及其消光系數(shù)的色散情況。 采用這些材料參數(shù)， 我們所設(shè)計(jì)的濾波器可以更加符合實(shí)際制備的結(jié)果。計(jì)算中，由于材料存在吸收損耗，其折射率為復(fù)折射率，表示為:。式中代表復(fù)折射率， n 代表實(shí)折射率，代表消光系數(shù)， j 代表復(fù)數(shù)符號(hào)。

所建立的坐標(biāo)系中，沿平面波導(dǎo)的法線N方向取為X，而復(fù)合體軸線方向取為Z。

利用嚴(yán)格的耦合波理論，一束準(zhǔn)直光束進(jìn)入該濾波器后，其在濾波器的各部分的光場的場強(qiáng)表達(dá)式可以用如下方程來表述: 以橫電波(TE波)為例，在如圖1的坐標(biāo)系中:

(1)

上式中，下標(biāo)數(shù)字代表光場所在結(jié)構(gòu)區(qū)域，A_i，B_i 代表相關(guān)本征波的系數(shù)。λ代表波在相關(guān)區(qū)域的本征值， ，n_i表示相應(yīng)區(qū)域的折射率，d_i表示相應(yīng)區(qū)域的厚度，i=3，4，5，6，7，β為沿Z 方向的光的傳播矢量。

應(yīng)用TE波電場矢量在邊界處的連續(xù)性條件，并假設(shè)入射光場在復(fù)合體切割體(3) 與低折射率層(4)界面處的光場幅度為1，可以解出光在切割體(7)中的光場強(qiáng)度與光在切割體(3)中的光場強(qiáng)度的比值，即透過率: 。

表1 列出了本設(shè)計(jì)所采用的材料及其結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，兩個(gè)耦合棱鏡用肖特公司的火石玻璃，產(chǎn)品編號(hào) N-BAF10，平面光波導(dǎo)的襯底層和覆蓋層為熔石英，而波導(dǎo)層為肖特的重火石玻璃，產(chǎn)品編號(hào)N-SF4。本實(shí)例所設(shè)計(jì)的極窄帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算所得的透過率如圖6所示，波長為632.8nm的入射光以角度掃描入射濾波器，在從臨界角θ=θc，（約61°），到θ=90°的角度區(qū)間內(nèi)，在65.554°，73.802°，88.333°三個(gè)角度下有共振透射，透射率分別為99.98%，99.86%，和93.43%，分別對(duì)應(yīng)階數(shù)為2，1，0的三個(gè)導(dǎo)模。因此，本設(shè)計(jì)的平面光波導(dǎo)可以支持三個(gè)共振導(dǎo)模。

以第2階共振導(dǎo)模為例，即在入射角為65.554°的情況下，在可見光全區(qū)域內(nèi)掃描波長，圖7顯示了第2階共振導(dǎo)模在可見光全區(qū)域內(nèi)的通帶情況?？梢娪?個(gè)通帶，分別對(duì)應(yīng)于紫光，藍(lán)光，綠光，及紅光通帶。同理可以計(jì)算其他兩個(gè)共振導(dǎo)模的通帶情況。所有共振導(dǎo)模在可見光區(qū)的通帶，包括峰值透過率， 峰值波長，通帶帶寬等數(shù)據(jù)列于表2 中。

圖8 顯示了第2階共振導(dǎo)模的紫帶的通帶情況，所計(jì)算的通帶帶寬（半峰高寬）為26.3pm。相對(duì)而言，圖9顯示了第0階共振導(dǎo)模的紅帶的通帶情況，所計(jì)算的通帶帶寬為9.29pm。圖10 顯示了所有3個(gè)共振導(dǎo)模的所有通帶的峰值透過率。圖中可見，通帶的透過率基本上都超過92%。只有0階模的兩個(gè)短波帶和第一階模的一個(gè)短波帶透過率較低。第2階模的全部通帶都高于94%。圖11顯示了所有通帶的帶寬?？梢姵说?階模的紅帶帶寬超過1.8納米外，其他各通帶帶寬均在皮米量級(jí)。

圖12顯示了第2階共模的紫帶的角度調(diào)諧特性。角度調(diào)諧步長為0.025度。圖13顯示了在這樣的角度調(diào)諧下，該通帶的峰值透過率，帶寬，以及中心波長的變化情況。由圖可見， 在上述0.1度的調(diào)諧范圍內(nèi)，各量的變化很小。

需要指出的是，上述通帶的透過率計(jì)算中未考慮耦合棱鏡中的損耗，這主要是因?yàn)檫@一損耗要由棱鏡的長度決定。必須要先給定一個(gè)棱鏡的損耗值才能確定棱鏡尺寸。 因此， 為與棱鏡表面鍍膜的損耗可以相比，可以設(shè)棱鏡內(nèi)的損耗為1%。這樣就可以根據(jù)所用的導(dǎo)模階數(shù)來計(jì)算出實(shí)際使用的器件的長度和截面積。這樣一來，表2中的所有峰值透過率就需要扣除1%。這是個(gè)小量，不影響總體結(jié)論。

因此，我們用一些商業(yè)上可以買到的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)了一種簡單結(jié)構(gòu)但卻可以得到多通帶，帶寬可達(dá)皮米的極窄帶光學(xué)濾波器。本發(fā)明可以在光通訊及光譜技術(shù)中可以得到廣泛的應(yīng)用。

表1 多模棱鏡耦合光波導(dǎo)極窄帶濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

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表2 所有導(dǎo)模通帶的參數(shù)

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