本发明实施例涉及光学与光信息技术领域，更具体地，涉及光学滤波器。
背景技术：
近年来，随着信息技术的不断进步，从商业、工业、通信、社会服务等各个领域向人们的日常工作、生活的各个方面逐步加速渗透，互联网、云计算、大数据等现代信息技术深刻改变着人们的生产、生活以及学习方式。
云计算和大数据服务等相关领域的飞速发展推动了对信息交换带宽的巨大需求，无论在长途骨干传输网络还是在本地交换网络中光通信都在承担着至关重要的支撑作用。而光波分复用技术更是大容量宽带光通信应用的关键支撑技术，如目前已投入使用的100g的光互联技术如下表1所示，波分复用技术是长距离光互联的关键技术手段。
表1三种100g光互联技术
其中，mmf为多模光纤(multi-modefiber，mmf)，smf为单模光纤(single-modefiber，smf)，dfb为分布反馈布拉格(distributedfeedbackbrag，dfb)。
波分复用技术是将不同的信息调制在不同的光波长上，从而使得所有的信息在不同的光波长上同时复用传输，而在接收端则需要将不同的光波分离开来，从而可以得到不同波长的光传递的信息，因而需要解复用光学滤波器。目前使用的解复用光学滤波器主要有基于光干涉效应的阵列波导光栅滤波器、法布里帕罗谐振腔滤波器和马赫泽德干涉滤波器，这些都是通过使特定波长的光波透射实现滤波作用。另外，也可以通过使用分布布拉格反射镜将一定光谱范围的入射光反射，实现不同的光波长的滤波作用。而在一些特定的应用场合，如基于垂直腔面发射激光器的垂直集成的收发一体光电芯片中，需要一种特定性能的光学滤波器，即在谐振腔中反射镜的高反射率光谱范围附近提供一个高透射率的光谱范围，使得特定波长范围内的入射光一部分被低损耗的反射，而另一部分被低损耗的透射。
所以现急需提供一种可以实现上述功能的光学滤波器。
技术实现要素：
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种光学滤波器，包括：
第一反射镜，以及至少包含一第二反射镜的法布里-珀罗谐振腔，所述第一反射镜的反射率大于第一预设值；所述第二反射镜的中心波长位于所述第一反射镜的反射谱中以预设波长为中心的第一预设波长范围内；
所述第一反射镜设置在所述法布里-珀罗谐振腔内，在所述第一反射镜的两侧分别设置有光学优化层，所述光学优化层用于使所述光学滤波器在反射光谱区内包含所述预设波长的第二预设波长范围内的反射率小于第二预设值；
所述预设波长为所述第一反射镜的反射谱中短波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长，或所述第一反射镜的反射谱中长波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长。
本发明实施例提供的一种光学滤波器，通过在第一反射镜外嵌套一低q值法布里-珀罗谐振腔，在第一反射镜的两侧分别设置有光学优化层，可以将一定波长范围内的光通过反射镜的反射和透射分为两部分，实现不同波长的光的分离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种光学滤波器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种光学滤波器中第一反射镜的反射谱中第一波腹点的位置示意图；
图3为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图；
图5为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图；
图6为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图；
图7为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图；
图8为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图；
图9为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图；
图10为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图；
图11为本发明另一实施例提供的一种光学滤波器的反射谱示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一实施例提供了一种光学滤波器，包括：第一反射镜1，以及至少包含一个第二反射镜4的法布里-珀罗谐振腔2，所述第一反射镜1的反射率大于第一预设值；所述第二反射镜4的中心波长位于所述第一反射镜1的反射谱中以预设波长为中心的第一预设波长范围内；
所述第一反射镜1设置在所述法布里-珀罗谐振腔2内，在所述第一反射镜1的两侧分别设置有光学优化层，所述光学优化层用于使所述光学滤波器在反射光谱区内包含所述预设波长的第二预设波长范围内的反射率小于第二预设值；
所述预设波长为所述第一反射镜1的反射谱中短波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长，或所述第一反射镜1的反射谱中长波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长。
具体地，如图1所示，图1中在第一反射镜1的两侧分别设置有光学优化层5和6，为便于说明，将光学优化层5记为上光学优化层，将光学优化层6记为下光学优化层。需要说明的是，本发明实施例中采用的法布里-珀罗(fabry-perot，f-p)谐振腔为低品质因数(即低q值)谐振腔。q值是评定光学谐振腔质量好坏的指标，通常可将q值定义为在光学谐振腔内存储的总能量与光学谐振腔内单位时间损耗的能量之比，q值的大小影响着谐振腔的储能，进而影响输出激光的能量。简单地，q值的大小也通过谐振腔反射镜反射的光来近似说明，反射的光越多，透射的光越少，谐振腔q值越大，反射的光越少，即从谐振腔反射镜透过的光越多，谐振腔q值越小。所以本发明实施例提供的光学滤波器在第一反射镜外嵌套一低q值法布里-珀罗谐振腔，使得光学滤波器在一定波长范围反射光的同时，在反射光波长附近的一定波长范围内透射光，通过反射光与透射光实现光的分离。
在本发明实施例中，低q值法布里-珀罗谐振腔的具体q值根据需要进行选取，只要能够使法布里-珀罗谐振腔内的第二反射镜可以透射光即可。作为优选方案，本发明实施例中q值可以在1-100之间进行选择。第二反射镜的反射率大于10％即可，作为优选方案可以选择10％-60％。更进一步地，为法布里-珀罗谐振腔选取合适的q值，第二反射镜的反射率可以选取20％-30％。
图1中，法布里-珀罗谐振腔2的下反射镜为第二反射镜4，上反射镜3既可以是反射镜，也可以是空气界面，还可以是介质膜材料或半导体材料与空气界面一起构成，或是介质膜材料与半导体材料共同构成，以实现反射镜的反射作用。
本发明实施例中的第一反射镜的反射率需要大于第一预设值，这是因为只有第一反射镜的反射率大于第一预设值，才能实现光学滤波器对第一反射镜反射的光进行低损耗的输出。作为优选方案，第一预设值可以选取90％。
对于法布里-珀罗谐振腔中第二反射镜的选择，需要满足一定约束条件，即第二反射镜的中心波长位于第一反射镜的反射谱中以预设波长为中心的第一预设波长范围内。也就是说，第二反射镜的中心波长需要在第一预设波长范围内进行选取。第一预设波长范围的中心为预设波长，预设波长既可以是第一反射镜的反射谱中短波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长，也可以是第一反射镜的反射谱中长波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长。如果有特殊需要，也可以将预设波长同时定义为第一反射镜的反射谱中短波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长和反射谱中长波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长。
如图2所示，图2中点1为第一反射镜的反射谱中短波长方向最靠近反射带的第一个波腹点，点2为第一反射镜的反射谱中长波长方向最靠近反射带的第一个波腹点。
作为优选方案，第一反射镜的反射率是指第一反射镜反射带的反射率，第一反射镜的中心波长可以选择整个光谱范围内的任一波长，具体可选850nm-880nm区间中的任一波长，也可以选择1550nm作为第一反射镜的中心波长。当第一反射镜反射带的中心波长为850nm时，预设波长可以选择800nm-810nm或890nm-900nm等区间中的任一波长。
如图1所示，在第一反射镜1的两侧分别设置有上光学优化层和下光学优化层，由于上光学优化层和下光学优化层的存在，以及选择合适中心波长的第二反射镜，可以使形成的光学滤波器在第一反射镜反射带的一侧或两侧具有低反射光谱区。低反射光谱区内包含预设波长，波长范围为第二预设波长范围。作为优选方案，低反射光谱区还可以以预设波长为中心，本发明实施例中在此不作具体限定。通过调整上光学优化层和下光学优化层的厚度或层数，还可以改变第二预设波长范围。这个低反射光谱区即可实现光学滤波器对光的低损耗透射。
本发明实施例提供的一种光学滤波器，通过在第一反射镜外嵌套一低q值法布里-珀罗谐振腔，在第一反射镜的两侧分别设置有光学优化层，可以将一定波长范围内的光通过反射镜的反射和透射分为两部分，实现不同波长的光的分离。在波分复用技术中，本发明提供的光学滤波器又可称为波分复用解复用光学滤波器，可以实现解复用的功能，为垂直集成的收发一体光电芯片制作提供一种可行性方案。而且，本发明实施例提供的新型光学滤波器结构还可以应用到四合一的光波分复用系统发射单元的光学系统中，从而降低相应光发射单元的成本并提高其性能，为后续波分复用系统的深入研究提供了研究基础。需要说明的是，波分复用技术仅仅是本发明实施例提供的光学滤波器的一个应用场景，对于其他需要将不同波长的光进行分离的场景均可采用本发明实施例提供的光学滤波器实现。
在上述实施例的基础上，所述第一预设值为90％，所述第二预设值为10％。即第一反射镜的反射率需要大于90％，第一反射镜与法布里-珀罗谐振腔形成的光学滤波器在反射光谱区内低反射光谱区(即以预设波长为中心的第二预设波长范围内的反射光谱区)的反射率小于10％。
在上述实施例的基础上，所述第一反射镜为分布布拉格反射镜，第二反射镜也可为分布布拉格反射镜。
在上述实施例的基础上，所述法布里-珀罗谐振腔还包括：第三反射镜；所述第三反射镜为分布布拉格反射镜，或者所述第三反射镜由设定材料与空气界面形成，或者所述第三反射镜由半导体材料与介质膜材料形成。具体地，图1中法布里-珀罗谐振腔的上反射镜3即为第三反射镜。
在上述实施例的基础上，所述光学优化层的材料和厚度根据需要进行设置，以使所述光学滤波器在反射光谱区内以所述预设波长为中心的第二预设波长范围内的反射率小于第二预设值，还可以进一步改变第二预设波长范围。
在上述实施例的基础上，所述光学优化层的层数为1-3层。需要说明的是，本发明实施例中的光学优化层的层数可以是1层，也可以是多层，层数越多成本越大，但是体现出的效果与层数少时相差不大。因此为节约成本，可以将光学优化层设置为1-3层。
在上述实施例的基础上，所述第一预设波长范围为40nm的波长范围，即第二反射镜的中心波长位于第一反射镜的反射谱中预设波长加或减20nm的范围内；所述第二预设波长范围至少为10nm的波长范围，即光学优化层使得光学滤波器形成一个至少为10nm的低反射光谱区。
在上述实施例的基础上，所述光学滤波器还包括：光学滤波器衬底；所述第二反射镜设置在所述光学滤波器衬底上。
所述光学滤波器还包括：入射层，所述入射层设置在上反射镜3的上方。入射光通过入射层进入法布里-珀罗谐振腔2内。
在上述实施例的基础上，所述光学滤波器的材料是介质膜材料或半导体材料，或者由半导体材料与介质膜材料共同形成的材料。具体地，介质膜材料可以为二氧化硅、一氧化硅、氟化镁、氧化铝、氧化钛、氧化铈、氟化铈、硫化锌以及氮化硅等。半导体材料可以为镓砷、铟镓砷、铝镓砷、铟铝镓砷、铟磷、镓氮、铟镓氮、铟镓氮砷以及铟镓砷磷等。
以下通过具体实例对本发明提供的光学滤波器进行介绍。如图3所示为以下具体实例应用的光学滤波器的结构。其中，上反射镜3与分布布拉格反射镜4构成法布里-珀罗谐振腔2，在法布里-珀罗谐振腔2内设置有高反射率分布布拉格反射镜1，在高反射率分布布拉格反射镜1的上侧和下侧分别设置有上光学优化层5和下光学优化层6。分布布拉格反射镜4下面设置有光学滤波器衬底7，上反射镜3上方设置有入射层8。
光学滤波器衬底7的材料为al0.2ga0.8as材料，入射面8的材料(以下简称为入射材料)为al0.3ga0.8as材料，高反射率分布布拉格反射镜1由28对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as四分之一波长厚度的半导体材料层构成，中心波长位于850nm，其短波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长(以下简称短波长第一波腹点波长)位于805nm，法布里-珀罗谐振腔2的上反射镜3由2对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为805nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜4由1对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为805nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔1内的上光学优化层5由100nm厚的al0.9ga0.1as材料构成，下光学优化层6由85nm厚的al0.15ga0.5as材料构成，获得的光学滤波器的反射谱如图4所示；可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长850nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包括短波长第一波腹点波长805nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
光学滤波器衬底7的材料为al0.2ga0.8as材料，入射材料为al0.3ga0.8as材料，高反射率分布布拉格反射镜1由28对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as四分之一波长厚度的半导体材料层构成，中心波长位于850nm，短波长第一波腹点波长位于805nm，法布里-珀罗谐振腔2的上反射镜3由1对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为805nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜4由1对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为805nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的上光学优化层5由100nm厚的al0.9ga0.1as材料构成，下光学优化层6由85nm厚的al0.15ga0.5as材料构成，获得的光学滤波器的反射谱如图5所示；同样可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长850nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包含短波长第一波腹点波长805nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
光学滤波器衬底7的材料为al0.2ga0.8as材料，入射材料为al0.3ga0.8as材料，高反射率分布布拉格反射镜1由28对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as四分之一波长厚度的半导体材料层构成，中心波长位于805nm，其长波长方向最靠近反射带的第一个波腹点对应的波长(以下简称长波长第一波腹点波长)位于850nm，其法布里帕罗谐振腔的上反射镜3由2对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为850nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜4由1对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为850nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的上光学优化层5由37nm厚的al0.9ga0.1as材料构成，下光学优化层6由151nm厚的al0.15ga0.5as材料构成，获得的光学滤波器的反射谱如图6所示；可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长805nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包含长波长第一波腹点波长850nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
光学滤波器衬底7为al0.3ga0.7as材料，入射材料为空气，高反射率分布布拉格反射镜1由20对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as四分之一波长厚度的半导体材料层构成，中心波长位于850nm，短波长第一波腹点波长位于805nm，法布里-珀罗谐振腔2的上反射镜3由空气界面与gaas材料构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜4由2对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为805nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的上光学优化层5由5nm厚的gaas层和158nm厚al0.9ga0.1as层构成，下光学优化层6由165nm厚的al0.15ga0.5as层和114nm厚的al0.9ga0.1as层构成，获得的光学滤波器的反射谱如图7所示；可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长850nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包含短波长第一波腹点波长805nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
光学滤波器衬底7为al0.3ga0.7as材料，入射材料为空气，高反射率分布布拉格反射镜1由20对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as四分之一波长厚度的半导体材料层构成，中心波长位于850nm，其短波长第一波腹点波长位于805nm，法布里-珀罗谐振腔2的上反射镜3由空气界面与gaas材料构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜4由3对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为805nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的上光学优化层5由5nm厚的gaas层和158nm厚的al0.9ga0.1as层构成，下光学优化层6由165nm厚的al0.15ga0.5as层和114nm厚的al0.9ga0.1as层构成，获得的光学滤波器的反射谱如图8所示；可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长850nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包括短波长第一波腹点波长805nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
光学滤波器衬底7为al0.3ga0.7as材料，入射材料为空气，高反射率分布布拉格反射镜1由20对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as四分之一波长厚度的半导体材料层构成，中心波长位于805nm，长波长第一波腹点波长位于854nm，法布里-珀罗谐振腔2的上反射镜3由空气界面与gaas材料构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜4由2对al0.15ga0.85as/al0.9ga0.1as中心波长为850nm的四分之一波长厚度的半导体材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的上光学优化层5由5nm厚的gaas层和233nm厚al0.9ga0.1as层构成，下光学优化层6由40nm厚的al0.15ga0.5as层和197nm厚的al0.9ga0.1as层构成，获得的光学滤波器的反射谱如图9所示；可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长805nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包括长波长第一波腹点波长854nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
光学滤波器衬底7为玻璃材料，入射材料为空气，高反射率分布布拉格反射镜1由10对sio2/tio2四分之一波长厚度的介质膜材料层构成，中心波长位于1550nm，短波长第一波腹点波长位于1360nm，法布里-珀罗谐振腔2的上反射镜3由1对中心波长为1360nm的sio2/tio2四分之一波长厚度的介质膜材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜4由2对中心波长为1360nm的sio2/tio2四分之一波长厚度的介质膜材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的上光学优化层5由5nm厚的tio2层和138nm厚sio2层构成，下光学优化层6由322nm厚的tio2层和101nm厚的sio2层构成，获得的光学滤波器的反射谱如图10所示；可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长1550nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包括短波长第一波腹点波长1360nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
光学滤波器衬底7为玻璃材料，入射材料为空气，高反射率分布布拉格反射镜1由10对sio2/tio2四分之一波长厚度的介质膜材料层构成，中心波长位于1550nm，短波长第一波腹点波长位于1360nm，法布里-珀罗谐振腔2的上反射镜3由2对中心波长为1360nm的sio2/tio2四分之一波长厚度的介质膜材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的第二反射镜由2对中心波长为1360nm的sio2/tio2四分之一波长厚度的介质膜材料层构成，法布里-珀罗谐振腔2的上光学优化层5由5nm厚的tio2层和138nm厚sio2层构成，下光学优化层6由328nm厚的tio2层和93nm厚的sio2层构成，获得的光学滤波器的反射谱如图11所示；可以使光学滤波器在高反射率分布布拉格反射镜1中心波长1550nm附近具有大于40nm的波长范围的反射带，以及具有包括短波长第一波腹点波长1360nm在内的大于10nm的低反射光谱区，可以同时实现光的透射和反射。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。