一种非偏振型窄带光学带通滤波器的制作方法

本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种非偏振型的窄带光学带通滤波器。

背景技术：

窄带光学滤波器在光通讯,光谱技术方面是必不可少的光学器件。可产生窄带光学滤波的技术已有很多,如光学薄膜,干涉滤光片，以及基于波导光栅结构的导模共振滤波器等。这些光学滤波技术主要都是基于偏振光的传输进行设计的,因此是偏振依赖的，即滤波器的横电波(te)和横磁波(tm)的通带中心是不重合的。所谓横电波(简称te波)是光波的偏振方向垂直于平面波导的法线和光波的波矢方向构成的平面的光波，横磁波(简称tm波)是光波的偏振方向平行于平面波导的法线和光波的波矢方向构成的平面的光波。

所谓非偏振型光学带通滤波器,指的是滤波器的横电波和横磁波的通带是中心重合的。即通带在这个中心波长下,即可以通横电波，也可以通横磁波。随着光通讯技术的发展，对非偏振的窄带光学滤波器的需求越来越多。因此，研究对不同偏振态的光波具有相同通带的非偏振型窄带光学滤波器就成为一种理论和实际工作的重要课题。

有文献报道了通过采用二维光栅的波导光栅结构的导模共振滤波器可以实现非偏振型窄带的光学滤波作用，另外，通过采用两层波导层，并控制好两波导层的空间间距，一维波导光栅结构的滤波器也可以实现非偏振型窄带的光学滤波作用。众所周知，基于波导光栅的窄带光学带通滤波器，在器件制备中会碰到很多技术上的困难，这主要是光栅的周期一般是亚波长的，因此制备精度和制备的成本会比非光栅的均匀结构来得复杂。

本发明提出的非偏振型窄带光学带通滤波器，是基于棱镜耦合的导模共振滤光技术的,与光栅结构的导模共振技术相比，本发明的器件结构中不含有光栅，因此可以省去制备亚波长的光栅结构的复杂工艺，从而可以大大简化器件的制备过程和费用,提高器件的质量。并且由于设计时已确定入射光的方向为正入射,因此无需进行角度调整,使用方便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备简单、性能优异、使用方便的非偏振型窄带光学带通滤波器。

基于棱镜耦合平面光波导的原理,本发明设计的非偏振型窄带光学带通滤波器，是基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器,其横电波(te)和横磁波(tm)的通带中心波长重合,且两种波的通带宽度均是窄带；其通带中心波长透过率可达100％,通带带宽达亚纳米(nm)量级，其结构如图1所示。具体包括：一准直入射光束，一个由柱体(如圆柱或方柱体)经切割形成的两个切割体与平面光波导组成的复合透明体(以下简称复合体)；其中，两个切割体是由柱体(如圆柱或方柱体)沿纵轴成一定角度(a)切开而得到的对称的两个部分，在该两个切割体相对的切面(斜面)之间为平面光波导，该平面光波导由耦合层-导波层-耦合层的基本结构构成，其中，两个耦合层分别依附于切割后的两个柱体的斜面，导波层夹于两个耦合层之间，且导波层由高低折射率组合的周期膜层迭合构成。波导层和两个柱体构成一个复合体，仍为一柱体；复合体的两端面制有宽带增透膜。

制备时，可先把柱体沿纵轴成一定角度(a)切开得到对称的两个切割体，在一个切割体切面(斜面)上根据透射中心波长,制备平面光波导；平面光波导由不同层数和厚度的薄膜构成；再将两个切割体沿切面帖合，固定，并密封,即构成复合体；复合体两端面镀制宽带增透膜。使用时光束沿复合体纵轴透射。角度a＝90°-θ，θ要大于切割体与波导耦合层的临界角θc:θc＝asin(n4/n3)。其中，n4和n3分别为切割体与波导耦合层的折射率。一般地，θ的值取为在大于临界角且透过率出现峰值的位置。当θ角确定以后，a角的值也就可以确定。

本发明的滤波器在光通讯，光谱技术等方面有重要应用。本发明基于棱镜耦合的导模共振原理,不需要制备光栅结构,因此具有制备方便,使用简便,带宽窄的优点。

本发明中，所述准直入射光束为准直光束。

本发明中，所述的两端面的增透膜层为根据设计的中心波长所镀制的宽带增透膜层。

本发明中，所述的柱体(圆柱或方柱体)切割体的材料折射率高于平面光波导的耦合层的折射率。

本发明中，所述的平面光波导,其两侧是低折射率的耦合层,中间层为导波层，由高低折射率组合的周期膜层再加一高折射率膜层构成。导波层也可以由低高折射率组合的周期膜层再加一低折射率膜层构成。导波层的折射率高于两侧的耦合层折射率。

本发明中，所述柱体为圆柱体或方柱体，两个切割体的切面为斜面，当柱体为圆柱体时，其切面为椭圆，当柱体为方柱体时，其切面为矩形。

本发明中，所述两个低折射率耦合层和高折射率导波层，其两者折射率高、低是相比较而言的。

所述低折射率膜层的材料可以是空气，或为均匀且对待滤波段透明的气体、液体或固体。

本发明优点：

1、本发明的最大优点是可以实现透过滤波器的横电波和横磁波的通带中心重合，即实现所谓的非偏振型窄带带通光学滤波器；

2、本发明的结构是一种基于棱镜耦合的平面光波导传导结构,相对于光栅耦合的结构,其最大优点是不用光栅,因此省去了制备亚波长光栅的复杂过程,仅以一定的镀膜工艺加装配即可完成,可以同样达到100％的透过率,且通带带宽也可达到亚纳米量级；

3、本发明的另一个优点是,通过设计的切割角度,可以确保入射光以正入射方式透过该滤波器,而无需复杂的角度调节机构,从而具有使用方便和简便的特点。

附图说明

图1为一种非偏振型窄带光学带通滤波器的结构示意图。

图2为图1所示滤波器结构中平面波导层法线方向(n方向)的折射率空间分布。

图3为(波长632.8nm)的入光束对图1所示棱镜耦合结构中平面波导层的横电波(te)的强度透过率随入射角的变化关系。

图4为图1所示滤波器的横电波(te)和横磁波(tm)的透射光谱(设复合体的两端面透过率为100％)。此时入射角为60.180°。

图5为图1所示滤波器横电波(te)和横磁波(tm)的透射光谱(设复合体的两端面透过率为100％)。此时，导波层中的第3层厚度减少10nm。

图6为图1所示滤波器横电波(te)和横磁波(tm)的透射光谱(设复合体的两端面透过率为100％)。此时，导波层中的第3层厚度增加10nm。

图中标号：1为准直入射光束，2和8为端面增透膜层，3和7为圆柱或方柱体切割体，4为低折射率耦合层，5高折射率导波层，6低折射率耦合层。其中高折射率导波层5中所示的导波层由高低折射率组合的周期膜层再加一高折射率膜层构成。导波层也可以由低高折射率组合的周期膜层再加一低折射率膜层构成。导波层的折射率高于两侧的耦合层折射率。

具体实施方式

本发明设计的一种非偏振型窄带光学带通滤波器，包括：一个圆柱或方柱体与平面光波导的复合透明体(以下简称复合体).其中将圆柱或方柱体沿纵轴成一定角度切开,在一个切面上根据透射中心波长,制备平面光波导,平面光波导由不同层数和厚度的薄膜构成.再将两个切割体沿切面帖合,固定,并密封,构成复合体。复合体两端面镀制宽带增透膜。

本发明的窄带滤波器,具体包括:准直入射光束1,端面增透膜层2和8,圆柱或方柱体切割体3和7,平面光波导,由低折射率耦合层4,高折射率导波层5,低折射率耦合层6构成,其中5中所示的导波层由高低折射率组合的周期膜层再加一高折射率膜层构成，导波层也可以由低高折射率组合的周期膜层再加一低折射率膜层构成。导波层的折射率高于两侧的耦合层折射率。其结构示意图如图1所示。

所述的平面光波导中的低折射率耦合层4为一低折射率膜层,用于连接导波层5和切割体3,其制备材料可以是空气或为均匀且对待滤波段透明的气体,液体,或固体。

所述的平面光波导中的高折射率导波层5折射率高于低折射率耦合层4和6。

所述的平面光波导中的低折射率膜层6为一低折射率膜层,用于连接高折射率导波层5和切割体7。

根据图1所示的结构,选定一个激光工作波长如:632.8nm,柱体材料为重火石玻璃,折射率1.75,以其作为耦合棱镜体材料.平面波导结构中的低射率耦合层4和6,取为熔石英,折射率为1.45,厚度均控制在600nm.高折射率导波层5由两种材料组成，材重火石玻璃,折射率1.75,和钡冕牌玻璃，折射率为1.57.两种材料厚度分别取为345nm和200nm构成周期结构，在本实例中，周期数为3，再在其后增加一层高折射率层，厚度为345nm。整个结构的折射率沿平面波导的法线方向的分布如图2所示；所建立的坐标系中,沿平面波导的法线n方向取为x,而复合体轴线方向取为z。

利用严格的耦合波理论,一束准直光束进入该滤波器后,其在滤波器的各部分的光场的场强表达式可以用如下方程来表述:以横电波(te波)为例,在如图1的坐标系中:

上式中下标数字代表光场所在结构区域,a,b代表相关本征波的系数.λ代表波在相关区域的本征值,ni表示相应区域的折射率,di表示相应区域的厚度,i＝3,4,5,6,7,β为沿z方向的光的传播矢量。

应用te波电场矢量在边界处的连续性条件,并假设入射光场在复合体切割体3与低折射率耦合层4界面处的光场幅度为1,可以解出光在切割体7中的光场强度与光在切割体3中的光场强度的比值,即透过率:tm波的透射率公式与之有相似之处，差别在于非指数的地方，本征值λi要除以相应区域内的折射率的平方计算结果如图3所示.可见在从55°到90°的情况下,透射率在多个角度下可时候达到100％的透过率,而且角度范围很小。

以一定带宽的准直光束透射该滤波器,其te和tm波的光谱透过率如图4所示.此时入射角为60.180°。te和tm波的光谱通带中心重合，且带宽均很窄，其半高全宽度分别为0.51nm和0.74nm。

图5和图6分别为导波导5中的第3层中厚度减少和增加10nm以后的te和tm的透射光谱，两者中心波长不再重合。可见通过控制某一膜层的厚度，可以有效控制两种偏振光的通带的中心位置，实现中心重合，从而实现非偏振型窄带光学带通滤波作用。

另外，通过结构参数的优化，我们还在632.8nm波长处实现了带宽为16.5pm和6.8pm的非偏振型窄带光学带通滤波作用，同时，也在光通讯的1.55μm波段，设计了te和tm波的带宽分别为0.58和0.82nm的非偏振型窄带光学带通滤波器结构。