一种基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器的制作方法

本发明属于光电子技术领域，具体为一种能够通过外部电压来实现光通信波段可调滤波功能的滤波器。

背景技术：

在数字时代的今天，光通信技术正在以超乎想象的速度发展，波分复用(wavelengthdivisionmultiplexer,wdm)使得光通信系统的容量大大增长。随着波分复用(wdm)技术的应用，光通信技术得到迅速的发展，未来光通信技术将向更加智能、高效的方向发展。而可调光滤波器作为波分复用技术中的关键器件，得到了越来越多的关注和研究。可调光滤波器是一种波长选择器件，它的功能是从一段含有不同波长的输入光信号中，根据需要选择出一个特定波长的光信号。因此，可调光滤波器可以被用于不同的光通道中动态地分配波长信号，或在接收端对波长进行选择滤波。

目前研究较成熟的可调滤波器有光纤光栅可调滤波器，它是通过温度变化或者机械装置来实现波长调谐，属于一种手动式可调滤波器。然而，通过温度调谐的滤波器调谐速度较慢，而通过机械调谐的滤波器对机械的稳定性和精确度有很严格的要求，故而使得调谐滤波精度的提高受到限制。

为了克服上述光纤光栅可调滤波器存在的不足之处，提出了通过电路控制的可调谐有源滤波器，例如液晶可调滤波器，morrishr等人对此发表了《imagingspectrometersforfluorescenceandramanmicroscopy:acousto-opticandliquidcrystaltunablefilters》(《用于荧光和拉曼显微镜的成像光谱仪：声光和液晶可调滤波器》)；以及基于ti：linbo3波导光栅的电光可调滤波器，zhangdl等人对此发表了《electro-opticallytunablesuper-broadbandfilterbasedonlongperiodgratinginti:linbo3waveguide》(《基于ti:linbo3波导长周期光栅结构的电光可调谐超宽带滤波器》)。上文提到的液晶可调滤波器是基于f-p腔干涉仪原理和液晶的电控双折射效应的选频原理，通过在液晶层两端施加电压实现电控调谐滤波，然而，液晶可调滤波器存在透射率很低(约25％)，半高宽较大、调谐速度慢等缺点。而上文所提基于ti：linbo3波导光栅的电光可调滤波器，由于存在着驱动电压过高的问题，限制了其在实际中的应用，并且制作工艺复杂，增加了制作成本。

相比于光纤结构的光栅，波导结构的光栅应用于可调谐光滤波器领域中在材料选择、几何参数选择以及光栅和波导的类型选择上更具优势，能够实现更宽的滤波光谱范围，以及更低的插入损耗。2004年加州伯克利大学chang-hasnainc.j.课题组提出一种宽光谱内高反射的亚波长光栅器件，见mateus,c.f.r等人发表的《broad-bandmirror(1.12-1.62μm)usingasubwavelengthgrating》(《利用亚波长光栅做成的宽带(1.12-1.62μm)反射镜》)。随后，该课题组又提出了一种单层亚波长高折射率差的光栅(high-contrastgrating，hcg)，参见michaelc.y.huang等人发表的文章《asurface-emittinglaserincorporatingahigh-index-contrastsubwavelengthgrating》(《一种包含亚波长高对比度光栅的面发射激光器》)。亚波长高对比度光栅(high-contrastgrating，hcg)是具有低折射率材料完全包围高折射率光栅介质结构，并且光栅周期远小于波长的一种光栅结构，与一般光栅不同的是，hcg结构可以产生两种独特的性质：一是可以获得宽带的高反射率或高透射率(反射率或透射率>99％)；二是可以产生高品质因子的谐振(q>10⁵)。近来，亚波长高对比度光栅被用于量子腔体、垂直腔面发射激光器(vcsel)、光机纳米振荡器等应用中。由于亚波长高对比度光栅(high-contrastgrating，hcg)具有高品质因子的特性，cuix等人发表了《high-index-contrastsubwavelengthgratingreflectorsandfilters》(《基于亚波长高折射率差光栅的反射器和滤波器》)，理论分析该滤波器的品质因子可达10⁴，美中不足的是该滤波器只能实现某一特定波长的滤波作用。

鉴于上文所述，为了实现光通信的实用化以及光通信系统的灵活化和可控化，如何设计出一种能够灵活调谐滤波波长的光滤波器，进而能够提供可调谐光滤波器以降低系统的运营成本，在此基础上兼具更优的可调谐性、调谐范围以及精度等性能，以提高整个光通信网络的性能，成为本领域中所要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明能够克服现有技术的不足，提供一种基于亚波长高对比度光栅并且能够通过外界电压调制的电光可调滤波器，与传统手动式可调滤波器相比，本发明有着较高的精确度以及较短的调谐时间，同时也解决了现有电光可调滤波器存在透射率低、驱动电压大等不足，实现了光通信波段的可调滤波。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器，其特征在于，包括：衬底、衬底表面设置有叉指状亚波长光栅，所述叉指状亚波长光栅表面设置有透明导电层，衬底未覆盖叉指状亚波长光栅部分的表面设置有电光材料层；所述透明导电层表面设置有与叉指状亚波长光栅的两个叉指分别电气相通的电极；其中：所述两电极与外部电路相连以使得叉指状亚波长光栅中光栅脊之间形成电场，电光材料层的厚度与叉指状亚波长光栅和透明导电层两者的厚度和相当，并且叉指状亚波长光栅材料的折射率大于衬底材料、光电材料层材料以及透明导电层材料的折射率。

根据本发明具体实施例，本发明中光栅材料的折射率与其余结构层材料的折射率之比应大于1.75。

作为优选实施方式，本发明中衬底的材料为二氧化硅。

作为优选实施方式，本发明光栅的材料为硅，因为硅的折射率高，具有较小的吸收损耗，并且对红外波段到太赫兹波段的色散为零。

定义光栅材料的折射率为n1，衬底材料的折射率为n2，入射波长为λ，则本发明叉指状亚波长光栅的周期λ应满足：λ/n1＜λ＜λ/n2；叉指状亚波长光栅的厚度应尽量小，以减小工艺上的难度。

本发明中透明导电层的材料应为对红外波段透明且有着高导电性，可以采用透明导电膜玻璃，例如氧化铟锡(ito)、二氧化锡镀膜(fto)、氧化锌基薄膜(azo)。

本发明中电极材料可以为任何合适的材料，通常采用金、银、铜、铂、镍、铝中的一种或几种，两电极作为引出电极，与外部控制电路相连，使得两电极之间加载有电压。

作为优选实施方式，电光材料层的电光系数应大于200pm/v，以达到大幅度降低了驱动电压的目的，具体可以采用电光聚合物，优选地，电光材料层还应具有温度稳定性。

本发明中叉指状亚波长光栅(2)的光栅脊等距平行排列，根据本发明具体实施例，光栅脊切面为矩形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明所提供的基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器，结构设计合理，通过电压调制对滤波波长进行调谐，进而基于电场作用对电光材料折的射率进行调控，相比于机械式可调滤波器，大大提高了调谐的精度以及调谐速度；此外，本发明通过合理选择材料对滤波器的性能进行优化，其中：本发明选用电光系数较大的电光材料能够大幅度降低驱动电压，并且由于光电效应作用迅速，能够提高器件的调谐速率；选用硅作为光栅材料，在满足较高的折射率的同时具有红外光吸收损耗极低且对温度不敏感的优势，能够有效降低器件的损耗以及温度对器件的影响，选用二氧化硅(sio2)作为衬底，能够与cmos工艺兼容，具有易于集成的优势。

二、本发明所提供的基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器，能够通过合理选取光栅参数(光栅周期λ、光栅厚度tg、占空比)进而获得高品质因子的谐振，从而实现滤波的功能，并且，通过设计光栅参数可实现滤波光谱范围可调，以及通过选取合适的光栅厚度可以设计成反射型或者透射型的滤波器。

三、本发明所提供的基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器具有结构简单、材料易得，大大降低了成本，有利于大规模的生产和应用。

附图说明

图1为本发明所提供基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器的结构示意图；

图2为图1所示结构的横截面示意图；

图3为本发明实施例1的反射率等高线仿真图；

图4为本发明实施例1的反射谱仿真图；

图5为本发明实施例2的反射谱仿真图；

图6为本发明实施例3的反射谱仿真图；

其中：1为衬底，2为光栅，3为电极，4为电光材料层，5为透明导电层。

具体实施方式

以下通过具体实施例结合说明书附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器，包括：衬底1、衬底1表面设置有叉指状亚波长光栅2，所述叉指状亚波长光栅2表面设置有透明导电层5，衬底1未覆盖叉指状亚波长光栅部分的表面设置有电光材料层4，即使得叉指状亚波长光栅2和透明导电层5均与电光材料层4相接触；所述透明导电层5表面设置有与叉指状亚波长光栅2的两个叉指分别电气相通的电极3；其中：所述两电极3与外部电路相连以使得叉指状亚波长光栅2中光栅脊之间形成垂直于电光材料层4的电场，电光材料层4的厚度与叉指状亚波长光栅2和透明导电层5两者的厚度和相当，并且叉指状亚波长光栅材料的折射率大于衬底材料、光电材料层材料以及透明导电层材料的折射率。

本发明实施例中衬底1的材料优选为二氧化硅，光栅2的材料优选为硅，透明导电层5的材料为氧化铟锡，电光材料层4优选为电光聚合物；

其中：叉指状亚波长光栅2材料的折射率与衬底1材料以及电光材料层4的折射率之比均大于1.75，根据本领域知识及实际需要可以进行合理设定；

定义光栅材料的折射率为n1，衬底材料的折射率为n2，入射波长为λ，则本发明叉指状亚波长光栅的周期λ应满足：λ/n1＜λ＜λ/n2；

叉指状亚波长光栅的厚度应尽量小，以减小工艺上的难度。

本发明基于电光材料的电光效应，可以通过外部电压对电场强度进行调谐，进而控制电光材料层4的材料的折射率，以达到改变亚波长高对比度光栅滤波器的共振波长，实现电控可调滤波。本发明采用高电光系数的电光材料，优选地电光材料的电光系数大于200，一方面能够降低了驱动电压，另一方面电光材料的光电效应作用迅速，提高了器件的调谐速率。

本发明工作原理如下：

入射光采用以垂直于光栅的入射方式，入射光照射至亚波长高折射率光栅后，光栅的导模被激发，在阵列波导中激励起两个低阶模式，由于两个低阶模式之间的干涉效应，亚波长高对比度光栅(hcg)将表现出高反射特性、高透射特性以及高品质因子共振特性。选取合适的光栅结构参数后，当入射波长达到共振波长，满足共振条件，即出现谐振滤波效果。通过外界电压的调制，改变亚波长高对比度光栅(hcg)周围电光材料的折射率，达到共振的波长随之改变，从而实现电控可调谐的滤波特性。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1：

本实施例中仿真参数的设置如下：本实施例中衬底1的材料为二氧化硅，光栅2的材料为硅；光栅周期λ为650nm，占空比为0.5，光栅厚度为1100nm；光栅材料的折射率为3.48，衬底材料的折射率为1.44，电光材料层材料的折射率n0(驱动电压为零时)为1.60。

本实施例采用tm偏振光入射，由于透明导电层5的厚度很小，在仿真过程中可以忽略透明导电层5厚度的影响。本实施例采用严格耦合波分析法进行仿真，利用matlab仿真软件绘制得到如图3所示基于亚波长高对比度光栅的电光可调滤波器的反射率等高线图。

图3中渐变颜色代表反射率大小，根据图中颜色越浅代表反射率越接近于1，颜色越深代表反射率越接近于0。图3中白色虚线区域为亚波长高对比度光栅的高品质因子共振区域。选取合适的光栅厚度tg，满足光栅厚度与光栅周期的比值(tg/λ)在图3中白色虚线区域范围内，以此估算出本实施例电光可调滤波器的共振波长在1510nm～1580nm范围内。

本实施例采用tm偏振光入射，通过严格耦合波分析法进行仿真，利用matlab仿真软件绘制得到如图4所示的反射谱，其中，右上角小图为电光可调滤波器的滤波波长区域反射谱放大图。图中黑色虚线区域为电光可调滤波器的滤波波长区域，由图可知：本实施例电光可调滤波器的中心波长约为1514.5nm。

实施例2：

本实施例中仿真参数的设置如下：本实施例中衬底1的材料为二氧化硅，光栅2的材料为硅；光栅周期λ为650nm，占空比为0.5，光栅厚度为1100nm；光栅材料的折射率为3.48，衬底材料的折射率为1.44，电光材料层材料的折射率为1.65(此时驱动电压不为零)；电光材料选择电光系数r33为300pm/v的电光聚合物。

本实施例采用tm偏振光入射，根据严格耦合波分析法进行仿真，利用matlab仿真软件绘制得到如图5所示的反射谱，其中，右上角小图为电光可调滤波器的滤波波长区域反射谱放大图。

根据泡克尔效应给出的公式：

δn为电光材料层材料的折射率变化量，n0为驱动电压为零时电光材料层的折射率，可以得到此时施加的驱动电压为25v。

图5中黑色虚线区域为电光可调滤波器的滤波波长区域，由图可知：本实施例电光可调滤波器的中心波长约为1526nm。

实施例3：

本实施例中仿真参数的设置如下：本实施例中衬底1的材料为二氧化硅，光栅2的材料为硅；光栅周期λ为650nm，占空比为0.5，光栅厚度为1100nm；光栅材料的折射率为3.48，衬底材料的折射率为1.44，电光材料层材料的折射率为1.70(此时驱动电压不为零)；电光材料选择电光系数r33为300pm/v的电光聚合物。

本实施例采用tm偏振光入射，根据严格耦合波分析法进行仿真，利用matlab仿真软件绘制得到如图6所示的反射谱，其中，右上角小图为电光可调滤波器的滤波波长区域反射谱放大图。

根据泡克尔效应给出的公式：

δn为电光材料层材料的折射率变化量，n0为驱动电压为零时电光材料层的折射率，可以得到此时施加的驱动电压为50v。

图6中黑色虚线区域为电光可调滤波器的滤波波长区域，由图可知：本实施例电光可调滤波器的中心波长约为1535nm。

综上所述，根据仿真结果可得：通过改变驱动电压使得电光材料层5的折射率发生0.1大小的改变，就能实现电光可调滤波器的中心波长由1514.5nm到1535nm的可调滤波范围；并且，随着电光材料层5的折射率增大，共振波长随之增大，由此可以通过控制电场强度来调制共振波长，从而实现电光可调滤波的功能。

以上对本发明所提供的一种基于亚波长高对比度光栅来实现光通信波段可调滤波的方法进行了详尽的介绍与说明，本文在仿真中应用了具体个例对本发明的原理及实施方案进行了阐述和分析，仿真中设计的参数在实际工程设计中可以做适当的改变。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于研究本领域的学者或者技术人员，依据本发明提供的思想，在具体实施方案及应用范围上均会对结构进行优化，对本发明的改进是可能的。综上所述，上述具体实施方案的内容不应理解成对本发明的限制。