專利名稱：非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)多波長濾波器的制作方法，具體是一種基于非周期光學(xué)超晶格的可調(diào)多波長濾波器的制作方法。屬于光通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光通信的快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)的各類光學(xué)濾波器獲得了空前的發(fā)展和長足的進(jìn)步。傳統(tǒng)的光學(xué) 濾波器是一種基于偏振光干涉的光譜濾波器，是由兩塊正交偏振器中加一系列方位角按一定規(guī)則排列的半波片構(gòu)成的。就光的傳播來說， 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，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)移所需的關(guān)系時(shí)，電磁能的完全交換才成為可能。 濾波器由于使用的是多個(gè)分立的雙折射晶體，因此光路的調(diào)整以及實(shí)際的封裝過程都相當(dāng)復(fù)雜，且不易制成集成化器件。
非周期光學(xué)超晶格(Aperiodic Optical Supperlattice，AOS)是一種新的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)，和周期性的光學(xué)超晶格相比，AOS可以為光參量等非線性過程提供更多的倒格失來補(bǔ)償位相失配。在AOS理論中，光學(xué)樣品被分成同樣大小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的電疇方向通過模擬退火方法(Simulated Annealing Method，SA Method)設(shè)計(jì)。在AOS光學(xué)超晶格中，雖然疇反轉(zhuǎn)的周期不存在了，但是每個(gè)電疇的長度是一個(gè)固定值或者是這個(gè)固定值的整數(shù)倍。把非周期光學(xué)超晶格引入非線性光學(xué)晶體，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)非線性光學(xué)參量過程。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，X.F.Chen等人在《Optics Letters》(《光學(xué)快報(bào)》)(28，2003)上發(fā)表的“Electro-optic type wavelength filter in periodically poledlithium niobate(《基于周期性極化鈮酸鋰的電光 型濾波器》)，該文介紹了一種基于介電體周期性超晶格(LN晶體)的 濾波器。它是一塊單疇介電體晶片，該晶片的上下表面平行。該晶片的上表面周期性地制作金屬格柵電極，利用電場極化的方法來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng) 濾波器的交叉周期方位角，這種周期性結(jié)構(gòu)可以提供一個(gè)倒格矢，這個(gè)倒格矢參與光在介質(zhì)中的作用，補(bǔ)償快本征光和慢本征光之間的相位差，使得快本征波和慢本征波之間的能量轉(zhuǎn)換成為可能，獲得所需的濾波效果。該濾波器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，并且易于調(diào)節(jié)，便于制成集成化器件，但是該濾波器只能實(shí)現(xiàn)單波長濾波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于非周期光學(xué)超晶格的可調(diào)多波長濾波器的制作方法，使其解決介電體周期性超晶格 濾波器的單波長濾波限制的問題，實(shí)現(xiàn)多波長濾波，并且中心波長可由溫度調(diào)節(jié)。
本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明首先選擇適當(dāng)?shù)拈L度、厚度的光學(xué)超晶格，計(jì)算周期性條件下的晶軸偏轉(zhuǎn)角，以及對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，采用模擬退火算法計(jì)算光學(xué)超晶格中每個(gè)電疇區(qū)域的極化方向，然后根據(jù)得到的正負(fù)疇排列順序?qū)M(jìn)行室溫電場極化改變電疇中極化方向，最后將晶片置于兩塊相互垂直的偏振片中間，即得到非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器，該濾波器是一塊單疇介電晶片，晶片的上下表面平行。本發(fā)明制作的濾波器可以提供更多的倒格失來補(bǔ)償位相失配，從而達(dá)到多波長濾波的效果，并且濾波中心波長可以由工作溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
以下對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，具體內(nèi)容如下1、選擇適當(dāng)?shù)拈L度、厚度的光學(xué)超晶格，計(jì)算周期性條件下的晶軸偏轉(zhuǎn)角，以及對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，具體如下①確定濾波器透射的其中一個(gè)中心波長λ1，計(jì)算在周期性光學(xué)超晶格 濾波器條件下電疇寬度d和周期ΛΛ＝2d＝λ1/(no1-ne1)式中λα(1，2，3....)-中心波長noα-波長為λα的尋常光折射率neα-波長為λα的異常光折射率②根據(jù)晶片的總長度L，電疇寬度d，計(jì)算電疇數(shù)目N以及晶片上下平面法線和該晶片的自極化方向的夾角即方位角θN＝L/d2Nθ=π2]]>③選擇非周期光學(xué)超晶格的電疇寬度l，l是一個(gè)隨意選擇的整數(shù)，該數(shù)值既要小于周期性濾波器的電疇寬度d，又要在現(xiàn)有的室溫電場極化的技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)。
④保持方位角θ不變，利用Jones矩陣計(jì)算某個(gè)波長通過單個(gè)電疇的傳輸矩陣M+(正疇)、M-(負(fù)疇)，通過整個(gè)非周期光學(xué)超晶格的傳輸函數(shù)M，以及整個(gè)晶片對(duì)于這個(gè)波長的透過濾T(λα)M+＝R(θ)W0R(-θ)(正疇)，M-＝R(-θ)W0R(θ)(負(fù)疇)其中R(θ)=cosθsinθ-sinθcosθ]]>是旋轉(zhuǎn)矩陣，W0=e-iΓ/200eiΓ/2]]>是單個(gè)電疇位相延遲矩陣(Γ=2π(ne-no)lλ).]]>M=Πi=1NMi=M11M12M21M22]]>T(λα)＝|M21|22、采用模擬退火算法計(jì)算光學(xué)超晶格中每個(gè)電疇區(qū)域的極化方向，具體如下選定模擬退火算法的目標(biāo)函數(shù)F，對(duì)正負(fù)電疇的排列順序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算使得目標(biāo)函數(shù)最大。
F=ΣαT(λα)-{max[T(λα)]-min[T(λα)]}]]>其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。
3、根據(jù)得到的正負(fù)疇排列順序?qū)M(jìn)行室溫電場極化改變電疇中極化方向，構(gòu)成非周期光學(xué)超晶格，具體如下根據(jù)計(jì)算得到的正負(fù)疇的排列順序，用光刻技術(shù)在晶片的+Z面制作金屬格柵作為電極，每個(gè)格柵的寬度為電疇寬度l。高壓矩形電脈沖施加于上下電極間，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向。無電極的疇區(qū)域，其電疇的極化方向仍保持原來的方向。因此正疇的晶體晶軸方向與負(fù)疇的晶軸方向相反。這樣就在晶體中實(shí)現(xiàn)了非周期光學(xué)超晶格。
4、利用所得到的非周期光學(xué)超晶格，構(gòu)成多波長濾波器，具體如下在z切的非周期光學(xué)超晶格晶體的Y方向加上均勻的平面電極，使得晶軸方向偏轉(zhuǎn)方位角θ(正疇)和-θ(負(fù)疇)，并將該晶片置于偏振相互垂直的偏振片中間，這樣，就完成了非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作。
所述的光學(xué)超晶格為單疇鈮酸鋰、單疇鉭酸鋰或其他可改變極化方向的其他鐵電晶體。所述的單疇鈮酸鋰晶片的厚度D＝0.2～1.0mm。通過調(diào)節(jié)溫度，對(duì)濾波中心波長進(jìn)行調(diào)節(jié)。
從物理的角度分析，非周期性結(jié)構(gòu)相對(duì)于周期性結(jié)構(gòu)來說可以提供更多的倒格矢，這個(gè)倒格矢可以參與光在介質(zhì)中的相互作用，補(bǔ)償不同波長的快本征光和慢本征光之間的相位差，使得不同波長的快本征波和慢本征波之間的能量轉(zhuǎn)移得到實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明的科學(xué)價(jià)值在于首次利用非周期光學(xué)超晶格來實(shí)現(xiàn)多波長 濾波器，并且該濾波器的濾波中心波長可以由工作溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。該濾波器是由一塊介電體晶體構(gòu)成，電極結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，便于光路調(diào)節(jié)。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明方法詳細(xì)說明。
實(shí)施例1 雙波長濾波器的制作實(shí)例(1)、選擇適當(dāng)?shù)拈L度、厚度的光學(xué)超晶格，計(jì)算周期性條件下的晶軸偏轉(zhuǎn)角以及對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，具體如下①確定濾波器的濾波中心波長1550.1nm，1551.7nm(頻率間隔200GHz)。
②選擇其中一個(gè)中心波長1550.1nm，計(jì)算在周期性光學(xué)超晶格 濾波器條件下電疇寬度d和周期ΛΛ＝2d＝λ1/(no1-ne1)＝20.8μm③根據(jù)晶片的總長度L＝5cm，電疇寬度d＝10.4μm，計(jì)算電疇數(shù)目N以及晶片上下平面法線和該晶片的自極化方向的夾角即方位角θ
θ＝8.9×10-7rad④選擇非周期光學(xué)超晶格的電疇寬度l＝5μm⑤保持方位角θ不變，利用Jones矩陣計(jì)算某個(gè)波長通過單個(gè)電疇的傳輸矩陣M+(正疇)、M-(負(fù)疇)，通過整個(gè)非周期光學(xué)超晶格的傳輸函數(shù)M，以及整個(gè)晶片對(duì)于這個(gè)波長的透過濾T(λα)。
(2)、采用模擬退火算法計(jì)算光學(xué)超晶格中每個(gè)電疇區(qū)域的極化方向，具體如下選定模擬退火算法的目標(biāo)函數(shù)F，對(duì)正負(fù)電疇的排列順序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算使得目標(biāo)函數(shù)最大，得到正負(fù)疇的特定排列順序。
F=ΣαT(λα)-{max[T(λα)]-min[T(λα)]}]]>其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。
(3)、根據(jù)得到的正負(fù)疇排列順序?qū)M(jìn)行室溫電場極化改變電疇中極化方向，構(gòu)成非周期光學(xué)超晶格。具體如下根據(jù)(2)中計(jì)算得到的正負(fù)疇的排列順序，用光刻技術(shù)在鈮酸鋰晶片的+Z面制作金屬格柵作為電極，每個(gè)格柵的寬度為電疇寬度l(5μm)。高壓矩形電脈沖施加于上下電極間，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向。無電極的疇區(qū)域，其電疇的極化方向仍保持原來的方向。因此正疇的晶體晶軸方向與負(fù)疇的晶軸方向相反。這樣就在LN晶體中實(shí)現(xiàn)了非周期光學(xué)超晶格。
(4)、利用所得到的非周期光學(xué)超晶格，構(gòu)成多波長濾波器，具體如下在非周期光學(xué)超晶格LN晶體的±Y面制作平面電極，加上電壓使得晶軸的方向與+Z方向產(chǎn)生一個(gè)±θ(θ＝8.9×10-7rad)方位角，也就是說原本同±Z平行的晶軸方向繞X軸轉(zhuǎn)過一個(gè)方位角±θ。將這塊鈮酸鋰晶片被放在兩塊偏振片中間，這兩塊偏振片的偏振方向相互垂直，分別為Y軸和Z軸方向。這樣，就完成非周期光學(xué)超晶格雙波長濾波器的制作。
(5)、該雙波長濾波器的透過率是53％，半波帶寬(Full Width at HalfMaxium)為0.51nm。
通過調(diào)節(jié)溫度，該雙波長濾波器的濾波中心波長會(huì)發(fā)生變化，變化率為1.0nm/℃。
實(shí)施例2 四波長濾波器的制作實(shí)例(1)、選擇適當(dāng)?shù)拈L度、厚度的光學(xué)超晶格，計(jì)算周期性條件下的晶軸偏轉(zhuǎn)角以及對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，具體如下①定濾波器的濾波中心波長1548.5nm，1550.1nm，1551.7nm，1553.3nm(頻率間隔200GHz)。
②選擇其中一個(gè)中心波長1550.1nm，計(jì)算在周期性光學(xué)超晶格 濾波器條件下電疇寬度d和周期ΛΛ＝2d＝λ1/(no1-ne1)＝20.8μm③根據(jù)晶片的總長度L＝5cm，電疇寬度d＝10.4μm，計(jì)算電疇數(shù)目N以及晶片上下平面法線和該晶片的自極化方向的夾角即方位角θθ＝8.9×10-7rad④選擇非周期光學(xué)超晶格的電疇寬度l＝5μm⑤保持方位角θ不變，利用Jones矩陣計(jì)算某個(gè)波長通過單個(gè)電疇的傳輸矩陣M+(正疇)、M-(負(fù)疇)，通過整個(gè)非周期光學(xué)超晶格的傳輸函數(shù)M，以及整個(gè)晶片對(duì)于這個(gè)波長的透過濾T(λα)。
(2)、采用模擬退火算法計(jì)算光學(xué)超晶格中每個(gè)電疇區(qū)域的極化方向，具體如下選定模擬退火算法的目標(biāo)函數(shù)F，對(duì)正負(fù)電疇的排列順序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算使得目標(biāo)函數(shù)最大，得到正負(fù)疇的特定排列順序。
F=ΣαT(λα)-{max[T(λα)]-min[T(λα)]}]]>其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。
(3)、根據(jù)得到的正負(fù)疇排列順序?qū)M(jìn)行室溫電場極化改變電疇中極化方向，構(gòu)成非周期光學(xué)超晶格。具體如下根據(jù)(2)中計(jì)算得到的正負(fù)疇的排列順序，用光刻技術(shù)在鈮酸鋰晶片的+Z面制作金屬格柵作為電極，每個(gè)格柵的寬度為電疇寬度l(5μm)。高壓矩形電脈沖施加于上下電極間，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向。無電極的疇區(qū)域，其電疇的極化方向仍保持原來的方向。因此正疇的晶體晶軸方向與負(fù)疇的晶軸方向相反。這樣就在LN晶體中實(shí)現(xiàn)了非周期光學(xué)超晶格。
(4)、利用所得到的非周期光學(xué)超晶格，構(gòu)成多波長濾波器，具體如下在非周期光學(xué)超晶格LN晶體的±Y面制作平面電極，加上電壓使得晶軸的方向與+Z方向產(chǎn)生一個(gè)±θ(θ＝8.9×10-7rad)方位角，也就是說原本同±Z平行的晶軸方向繞X軸轉(zhuǎn)過一個(gè)方位角±θ。將這塊鈮酸鋰晶片被放在兩塊偏振片中間，這兩塊偏振片的偏振方向相互垂直，分別為Y軸和Z軸方向。這樣，就完成非周期光學(xué)超晶格四波長濾波器的制作。
(5)、該四波長濾波器的透過率是14％，半波帶寬(Full Width at HalfMaxium)為0.51nm。
通過調(diào)節(jié)溫度，該四波長濾波器的濾波中心波長會(huì)發(fā)生變化，變化率為1.0nm/℃。
權(quán)利要求
1.一種非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，其特征在于，首先選擇適當(dāng)?shù)拈L度、厚度的光學(xué)超晶格，計(jì)算周期性條件下的晶軸偏轉(zhuǎn)角，以及對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，采用模擬退火算法計(jì)算光學(xué)超晶格中每個(gè)電疇區(qū)域的極化方向，然后根據(jù)得到的正負(fù)疇排列順序?qū)M(jìn)行室溫電場極化改變電疇中極化方向，最后將晶片置于兩塊相互垂直的偏振片中間，即得到非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，其特征是，所述的選擇適當(dāng)?shù)拈L度、厚度的光學(xué)超晶格，計(jì)算周期性條件下的晶軸偏轉(zhuǎn)角，以及對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，具體如下①確定濾波器透射的其中一個(gè)中心波長λ1，計(jì)算在周期性光學(xué)超晶格 濾波器條件下電疇寬度d和周期Λ；②根據(jù)晶片的總長度L，電疇寬度d，計(jì)算電疇數(shù)目N以及晶片上下平面法線和該晶片的自極化方向的夾角即方位角θ；③選擇非周期光學(xué)超晶格的電疇寬度l，l是一個(gè)隨意選擇的整數(shù)，該數(shù)值小于周期性濾波器的電疇寬度d，同時(shí)在室溫電場極化的技術(shù)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)；④保持方位角θ，利用Jones矩陣計(jì)算某個(gè)波長通過單個(gè)電疇的傳輸矩陣M+、M，通過整個(gè)非周期光學(xué)超晶格的傳輸函數(shù)M，以及整個(gè)晶片對(duì)于這個(gè)波長的透過濾T(λα)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，其特征是，所述的對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，采用模擬退火算法計(jì)算光學(xué)超晶格中每個(gè)電疇區(qū)域的極化方向，具體如下選定模擬退火算法的目標(biāo)函數(shù)F，對(duì)正負(fù)電疇的排列順序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算使得目標(biāo)函數(shù)最大，F(xiàn)=ΣαT(λα)-{max[T(λα)]-min[T(λα)]}]]>其中max[…](min[…])是指取[…]中的最大(最小)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，其特征是，根據(jù)得到的正負(fù)疇排列順序?qū)M(jìn)行室溫電場極化改變電疇中極化方向，構(gòu)成非周期光學(xué)超晶格，具體如下根據(jù)計(jì)算得到的正負(fù)疇的排列順序，用光刻技術(shù)在晶片的+Z面制作金屬格柵作為電極，每個(gè)格柵的寬度為電疇寬度l，高壓矩形電脈沖施加于上下電極間，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場使該電疇的自發(fā)極化方向反向，因此正疇的晶體晶軸方向與負(fù)疇的晶軸方向相反，從而在晶體中實(shí)現(xiàn)非周期光學(xué)超晶格。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，其特征是，利用所得到的非周期光學(xué)超晶格，構(gòu)成多波長濾波器，具體如下在z切的非周期光學(xué)超晶格晶體的Y方向加上均勻的平面電極，使得晶軸方向偏轉(zhuǎn)方位角θ和-θ，并將該晶片置于偏振相互垂直的偏振片中間，完成非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，其特征是，所述的光學(xué)超晶格為單疇鈮酸鋰、單疇鉭酸鋰或其他可改變極化方向的鐵電晶體，所述的單疇鈮酸鋰晶片的厚度D＝0.2～1.0mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，其特征是，制作的濾波器是一塊單疇介電晶片，晶片的上下表面平行，該濾波器的濾波中心波長由工作溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器的制作方法，屬于光通信領(lǐng)域。本發(fā)明首先選擇適當(dāng)?shù)拈L度、厚度的光學(xué)超晶格，計(jì)算周期性條件下的晶軸偏轉(zhuǎn)角，以及對(duì)于單個(gè)電疇的傳輸矩陣，采用模擬退火算法計(jì)算光學(xué)超晶格中每個(gè)電疇區(qū)域的極化方向，然后根據(jù)得到的正負(fù)疇排列順序?qū)M(jìn)行室溫電場極化改變電疇中極化方向，最后將晶片置于兩塊相互垂直的偏振片中間，即得到非周期光學(xué)超晶格多波長濾波器，該濾波器是一塊單疇介電晶片，晶片的上下表面平行。本發(fā)明首次利用非周期光學(xué)超晶格來實(shí)現(xiàn)多波長olc濾波器，并且該濾波器的濾波中心波長可以由工作溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。該濾波器是由一塊介電體晶體構(gòu)成，電極結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，便于光路調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)G02B6/30GK1529196SQ03151408
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月29日
發(fā)明者陳險(xiǎn)峰, 顧希, 陳玉萍, 陳英禮 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)