本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種能夠通過(guò)外部電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)光通信波段可調(diào)濾波功能的濾波器。

背景技術(shù)：

在數(shù)字時(shí)代的今天，光通信技術(shù)正在以超乎想象的速度發(fā)展，波分復(fù)用(wavelengthdivisionmultiplexer,wdm)使得光通信系統(tǒng)的容量大大增長(zhǎng)。隨著波分復(fù)用(wdm)技術(shù)的應(yīng)用，光通信技術(shù)得到迅速的發(fā)展，未來(lái)光通信技術(shù)將向更加智能、高效的方向發(fā)展。而可調(diào)光濾波器作為波分復(fù)用技術(shù)中的關(guān)鍵器件，得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究?？烧{(diào)光濾波器是一種波長(zhǎng)選擇器件，它的功能是從一段含有不同波長(zhǎng)的輸入光信號(hào)中，根據(jù)需要選擇出一個(gè)特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。因此，可調(diào)光濾波器可以被用于不同的光通道中動(dòng)態(tài)地分配波長(zhǎng)信號(hào)，或在接收端對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行選擇濾波。

目前研究較成熟的可調(diào)濾波器有光纖光柵可調(diào)濾波器，它是通過(guò)溫度變化或者機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，屬于一種手動(dòng)式可調(diào)濾波器。然而，通過(guò)溫度調(diào)諧的濾波器調(diào)諧速度較慢，而通過(guò)機(jī)械調(diào)諧的濾波器對(duì)機(jī)械的穩(wěn)定性和精確度有很?chē)?yán)格的要求，故而使得調(diào)諧濾波精度的提高受到限制。

為了克服上述光纖光柵可調(diào)濾波器存在的不足之處，提出了通過(guò)電路控制的可調(diào)諧有源濾波器，例如液晶可調(diào)濾波器，morrishr等人對(duì)此發(fā)表了《imagingspectrometersforfluorescenceandramanmicroscopy:acousto-opticandliquidcrystaltunablefilters》(《用于熒光和拉曼顯微鏡的成像光譜儀：聲光和液晶可調(diào)濾波器》)；以及基于ti：linbo3波導(dǎo)光柵的電光可調(diào)濾波器，zhangdl等人對(duì)此發(fā)表了《electro-opticallytunablesuper-broadbandfilterbasedonlongperiodgratinginti:linbo3waveguide》(《基于ti:linbo3波導(dǎo)長(zhǎng)周期光柵結(jié)構(gòu)的電光可調(diào)諧超寬帶濾波器》)。上文提到的液晶可調(diào)濾波器是基于f-p腔干涉儀原理和液晶的電控雙折射效應(yīng)的選頻原理，通過(guò)在液晶層兩端施加電壓實(shí)現(xiàn)電控調(diào)諧濾波，然而，液晶可調(diào)濾波器存在透射率很低(約25％)，半高寬較大、調(diào)諧速度慢等缺點(diǎn)。而上文所提基于ti：linbo3波導(dǎo)光柵的電光可調(diào)濾波器，由于存在著驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高的問(wèn)題，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用，并且制作工藝復(fù)雜，增加了制作成本。

相比于光纖結(jié)構(gòu)的光柵，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光柵應(yīng)用于可調(diào)諧光濾波器領(lǐng)域中在材料選擇、幾何參數(shù)選擇以及光柵和波導(dǎo)的類(lèi)型選擇上更具優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的濾波光譜范圍，以及更低的插入損耗。2004年加州伯克利大學(xué)chang-hasnainc.j.課題組提出一種寬光譜內(nèi)高反射的亞波長(zhǎng)光柵器件，見(jiàn)mateus,c.f.r等人發(fā)表的《broad-bandmirror(1.12-1.62μm)usingasubwavelengthgrating》(《利用亞波長(zhǎng)光柵做成的寬帶(1.12-1.62μm)反射鏡》)。隨后，該課題組又提出了一種單層亞波長(zhǎng)高折射率差的光柵(high-contrastgrating，hcg)，參見(jiàn)michaelc.y.huang等人發(fā)表的文章《asurface-emittinglaserincorporatingahigh-index-contrastsubwavelengthgrating》(《一種包含亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的面發(fā)射激光器》)。亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵(high-contrastgrating，hcg)是具有低折射率材料完全包圍高折射率光柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且光柵周期遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的一種光柵結(jié)構(gòu)，與一般光柵不同的是，hcg結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生兩種獨(dú)特的性質(zhì)：一是可以獲得寬帶的高反射率或高透射率(反射率或透射率>99％)；二是可以產(chǎn)生高品質(zhì)因子的諧振(q>10⁵)。近來(lái)，亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵被用于量子腔體、垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)、光機(jī)納米振蕩器等應(yīng)用中。由于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵(high-contrastgrating，hcg)具有高品質(zhì)因子的特性，cuix等人發(fā)表了《high-index-contrastsubwavelengthgratingreflectorsandfilters》(《基于亞波長(zhǎng)高折射率差光柵的反射器和濾波器》)，理論分析該濾波器的品質(zhì)因子可達(dá)10⁴，美中不足的是該濾波器只能實(shí)現(xiàn)某一特定波長(zhǎng)的濾波作用。

鑒于上文所述，為了實(shí)現(xiàn)光通信的實(shí)用化以及光通信系統(tǒng)的靈活化和可控化，如何設(shè)計(jì)出一種能夠靈活調(diào)諧濾波波長(zhǎng)的光濾波器，進(jìn)而能夠提供可調(diào)諧光濾波器以降低系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，在此基礎(chǔ)上兼具更優(yōu)的可調(diào)諧性、調(diào)諧范圍以及精度等性能，以提高整個(gè)光通信網(wǎng)絡(luò)的性能，成為本領(lǐng)域中所要解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵并且能夠通過(guò)外界電壓調(diào)制的電光可調(diào)濾波器，與傳統(tǒng)手動(dòng)式可調(diào)濾波器相比，本發(fā)明有著較高的精確度以及較短的調(diào)諧時(shí)間，同時(shí)也解決了現(xiàn)有電光可調(diào)濾波器存在透射率低、驅(qū)動(dòng)電壓大等不足，實(shí)現(xiàn)了光通信波段的可調(diào)濾波。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的電光可調(diào)濾波器，其特征在于，包括：襯底、襯底表面設(shè)置有叉指狀亞波長(zhǎng)光柵，所述叉指狀亞波長(zhǎng)光柵表面設(shè)置有透明導(dǎo)電層，襯底未覆蓋叉指狀亞波長(zhǎng)光柵部分的表面設(shè)置有電光材料層；所述透明導(dǎo)電層表面設(shè)置有與叉指狀亞波長(zhǎng)光柵的兩個(gè)叉指分別電氣相通的電極；其中：所述兩電極與外部電路相連以使得叉指狀亞波長(zhǎng)光柵中光柵脊之間形成電場(chǎng)，電光材料層的厚度與叉指狀亞波長(zhǎng)光柵和透明導(dǎo)電層兩者的厚度和相當(dāng)，并且叉指狀亞波長(zhǎng)光柵材料的折射率大于襯底材料、光電材料層材料以及透明導(dǎo)電層材料的折射率。

根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例，本發(fā)明中光柵材料的折射率與其余結(jié)構(gòu)層材料的折射率之比應(yīng)大于1.75。

作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明中襯底的材料為二氧化硅。

作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明光柵的材料為硅，因?yàn)楣璧恼凵渎矢?，具有較小的吸收損耗，并且對(duì)紅外波段到太赫茲波段的色散為零。

定義光柵材料的折射率為n1，襯底材料的折射率為n2，入射波長(zhǎng)為λ，則本發(fā)明叉指狀亞波長(zhǎng)光柵的周期λ應(yīng)滿足：λ/n1＜λ＜λ/n2；叉指狀亞波長(zhǎng)光柵的厚度應(yīng)盡量小，以減小工藝上的難度。

本發(fā)明中透明導(dǎo)電層的材料應(yīng)為對(duì)紅外波段透明且有著高導(dǎo)電性，可以采用透明導(dǎo)電膜玻璃，例如氧化銦錫(ito)、二氧化錫鍍膜(fto)、氧化鋅基薄膜(azo)。

本發(fā)明中電極材料可以為任何合適的材料，通常采用金、銀、銅、鉑、鎳、鋁中的一種或幾種，兩電極作為引出電極，與外部控制電路相連，使得兩電極之間加載有電壓。

作為優(yōu)選實(shí)施方式，電光材料層的電光系數(shù)應(yīng)大于200pm/v，以達(dá)到大幅度降低了驅(qū)動(dòng)電壓的目的，具體可以采用電光聚合物，優(yōu)選地，電光材料層還應(yīng)具有溫度穩(wěn)定性。

本發(fā)明中叉指狀亞波長(zhǎng)光柵(2)的光柵脊等距平行排列，根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例，光柵脊切面為矩形。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

一、本發(fā)明所提供的基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的電光可調(diào)濾波器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，通過(guò)電壓調(diào)制對(duì)濾波波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，進(jìn)而基于電場(chǎng)作用對(duì)電光材料折的射率進(jìn)行調(diào)控，相比于機(jī)械式可調(diào)濾波器，大大提高了調(diào)諧的精度以及調(diào)諧速度；此外，本發(fā)明通過(guò)合理選擇材料對(duì)濾波器的性能進(jìn)行優(yōu)化，其中：本發(fā)明選用電光系數(shù)較大的電光材料能夠大幅度降低驅(qū)動(dòng)電壓，并且由于光電效應(yīng)作用迅速，能夠提高器件的調(diào)諧速率；選用硅作為光柵材料，在滿足較高的折射率的同時(shí)具有紅外光吸收損耗極低且對(duì)溫度不敏感的優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低器件的損耗以及溫度對(duì)器件的影響，選用二氧化硅(sio2)作為襯底，能夠與cmos工藝兼容，具有易于集成的優(yōu)勢(shì)。

二、本發(fā)明所提供的基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的電光可調(diào)濾波器，能夠通過(guò)合理選取光柵參數(shù)(光柵周期λ、光柵厚度tg、占空比)進(jìn)而獲得高品質(zhì)因子的諧振，從而實(shí)現(xiàn)濾波的功能，并且，通過(guò)設(shè)計(jì)光柵參數(shù)可實(shí)現(xiàn)濾波光譜范圍可調(diào)，以及通過(guò)選取合適的光柵厚度可以設(shè)計(jì)成反射型或者透射型的濾波器。

三、本發(fā)明所提供的基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的電光可調(diào)濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料易得，大大降低了成本，有利于大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所提供基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的電光可調(diào)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的反射率等高線仿真圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的反射譜仿真圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的反射譜仿真圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例3的反射譜仿真圖；

其中：1為襯底，2為光柵，3為電極，4為電光材料層，5為透明導(dǎo)電層。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)具體實(shí)施例結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，一種基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的電光可調(diào)濾波器，包括：襯底1、襯底1表面設(shè)置有叉指狀亞波長(zhǎng)光柵2，所述叉指狀亞波長(zhǎng)光柵2表面設(shè)置有透明導(dǎo)電層5，襯底1未覆蓋叉指狀亞波長(zhǎng)光柵部分的表面設(shè)置有電光材料層4，即使得叉指狀亞波長(zhǎng)光柵2和透明導(dǎo)電層5均與電光材料層4相接觸；所述透明導(dǎo)電層5表面設(shè)置有與叉指狀亞波長(zhǎng)光柵2的兩個(gè)叉指分別電氣相通的電極3；其中：所述兩電極3與外部電路相連以使得叉指狀亞波長(zhǎng)光柵2中光柵脊之間形成垂直于電光材料層4的電場(chǎng)，電光材料層4的厚度與叉指狀亞波長(zhǎng)光柵2和透明導(dǎo)電層5兩者的厚度和相當(dāng)，并且叉指狀亞波長(zhǎng)光柵材料的折射率大于襯底材料、光電材料層材料以及透明導(dǎo)電層材料的折射率。

本發(fā)明實(shí)施例中襯底1的材料優(yōu)選為二氧化硅，光柵2的材料優(yōu)選為硅，透明導(dǎo)電層5的材料為氧化銦錫，電光材料層4優(yōu)選為電光聚合物；

其中：叉指狀亞波長(zhǎng)光柵2材料的折射率與襯底1材料以及電光材料層4的折射率之比均大于1.75，根據(jù)本領(lǐng)域知識(shí)及實(shí)際需要可以進(jìn)行合理設(shè)定；

定義光柵材料的折射率為n1，襯底材料的折射率為n2，入射波長(zhǎng)為λ，則本發(fā)明叉指狀亞波長(zhǎng)光柵的周期λ應(yīng)滿足：λ/n1＜λ＜λ/n2；

叉指狀亞波長(zhǎng)光柵的厚度應(yīng)盡量小，以減小工藝上的難度。

本發(fā)明基于電光材料的電光效應(yīng)，可以通過(guò)外部電壓對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)諧，進(jìn)而控制電光材料層4的材料的折射率，以達(dá)到改變亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵濾波器的共振波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)電控可調(diào)濾波。本發(fā)明采用高電光系數(shù)的電光材料，優(yōu)選地電光材料的電光系數(shù)大于200，一方面能夠降低了驅(qū)動(dòng)電壓，另一方面電光材料的光電效應(yīng)作用迅速，提高了器件的調(diào)諧速率。

本發(fā)明工作原理如下：

入射光采用以垂直于光柵的入射方式，入射光照射至亞波長(zhǎng)高折射率光柵后，光柵的導(dǎo)模被激發(fā)，在陣列波導(dǎo)中激勵(lì)起兩個(gè)低階模式，由于兩個(gè)低階模式之間的干涉效應(yīng)，亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵(hcg)將表現(xiàn)出高反射特性、高透射特性以及高品質(zhì)因子共振特性。選取合適的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)后，當(dāng)入射波長(zhǎng)達(dá)到共振波長(zhǎng)，滿足共振條件，即出現(xiàn)諧振濾波效果。通過(guò)外界電壓的調(diào)制，改變亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵(hcg)周?chē)姽獠牧系恼凵渎?，達(dá)到共振的波長(zhǎng)隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)電控可調(diào)諧的濾波特性。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中仿真參數(shù)的設(shè)置如下：本實(shí)施例中襯底1的材料為二氧化硅，光柵2的材料為硅；光柵周期λ為650nm，占空比為0.5，光柵厚度為1100nm；光柵材料的折射率為3.48，襯底材料的折射率為1.44，電光材料層材料的折射率n0(驅(qū)動(dòng)電壓為零時(shí))為1.60。

本實(shí)施例采用tm偏振光入射，由于透明導(dǎo)電層5的厚度很小，在仿真過(guò)程中可以忽略透明導(dǎo)電層5厚度的影響。本實(shí)施例采用嚴(yán)格耦合波分析法進(jìn)行仿真，利用matlab仿真軟件繪制得到如圖3所示基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵的電光可調(diào)濾波器的反射率等高線圖。

圖3中漸變顏色代表反射率大小，根據(jù)圖中顏色越淺代表反射率越接近于1，顏色越深代表反射率越接近于0。圖3中白色虛線區(qū)域?yàn)閬啿ㄩL(zhǎng)高對(duì)比度光柵的高品質(zhì)因子共振區(qū)域。選取合適的光柵厚度tg，滿足光柵厚度與光柵周期的比值(tg/λ)在圖3中白色虛線區(qū)域范圍內(nèi)，以此估算出本實(shí)施例電光可調(diào)濾波器的共振波長(zhǎng)在1510nm～1580nm范圍內(nèi)。

本實(shí)施例采用tm偏振光入射，通過(guò)嚴(yán)格耦合波分析法進(jìn)行仿真，利用matlab仿真軟件繪制得到如圖4所示的反射譜，其中，右上角小圖為電光可調(diào)濾波器的濾波波長(zhǎng)區(qū)域反射譜放大圖。圖中黑色虛線區(qū)域?yàn)殡姽饪烧{(diào)濾波器的濾波波長(zhǎng)區(qū)域，由圖可知：本實(shí)施例電光可調(diào)濾波器的中心波長(zhǎng)約為1514.5nm。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中仿真參數(shù)的設(shè)置如下：本實(shí)施例中襯底1的材料為二氧化硅，光柵2的材料為硅；光柵周期λ為650nm，占空比為0.5，光柵厚度為1100nm；光柵材料的折射率為3.48，襯底材料的折射率為1.44，電光材料層材料的折射率為1.65(此時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓不為零)；電光材料選擇電光系數(shù)r33為300pm/v的電光聚合物。

本實(shí)施例采用tm偏振光入射，根據(jù)嚴(yán)格耦合波分析法進(jìn)行仿真，利用matlab仿真軟件繪制得到如圖5所示的反射譜，其中，右上角小圖為電光可調(diào)濾波器的濾波波長(zhǎng)區(qū)域反射譜放大圖。

根據(jù)泡克爾效應(yīng)給出的公式：

δn為電光材料層材料的折射率變化量，n0為驅(qū)動(dòng)電壓為零時(shí)電光材料層的折射率，可以得到此時(shí)施加的驅(qū)動(dòng)電壓為25v。

圖5中黑色虛線區(qū)域?yàn)殡姽饪烧{(diào)濾波器的濾波波長(zhǎng)區(qū)域，由圖可知：本實(shí)施例電光可調(diào)濾波器的中心波長(zhǎng)約為1526nm。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例中仿真參數(shù)的設(shè)置如下：本實(shí)施例中襯底1的材料為二氧化硅，光柵2的材料為硅；光柵周期λ為650nm，占空比為0.5，光柵厚度為1100nm；光柵材料的折射率為3.48，襯底材料的折射率為1.44，電光材料層材料的折射率為1.70(此時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓不為零)；電光材料選擇電光系數(shù)r33為300pm/v的電光聚合物。

本實(shí)施例采用tm偏振光入射，根據(jù)嚴(yán)格耦合波分析法進(jìn)行仿真，利用matlab仿真軟件繪制得到如圖6所示的反射譜，其中，右上角小圖為電光可調(diào)濾波器的濾波波長(zhǎng)區(qū)域反射譜放大圖。

根據(jù)泡克爾效應(yīng)給出的公式：

δn為電光材料層材料的折射率變化量，n0為驅(qū)動(dòng)電壓為零時(shí)電光材料層的折射率，可以得到此時(shí)施加的驅(qū)動(dòng)電壓為50v。

圖6中黑色虛線區(qū)域?yàn)殡姽饪烧{(diào)濾波器的濾波波長(zhǎng)區(qū)域，由圖可知：本實(shí)施例電光可調(diào)濾波器的中心波長(zhǎng)約為1535nm。

綜上所述，根據(jù)仿真結(jié)果可得：通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電壓使得電光材料層5的折射率發(fā)生0.1大小的改變，就能實(shí)現(xiàn)電光可調(diào)濾波器的中心波長(zhǎng)由1514.5nm到1535nm的可調(diào)濾波范圍；并且，隨著電光材料層5的折射率增大，共振波長(zhǎng)隨之增大，由此可以通過(guò)控制電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)制共振波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電光可調(diào)濾波的功能。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于亞波長(zhǎng)高對(duì)比度光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)光通信波段可調(diào)濾波的方法進(jìn)行了詳盡的介紹與說(shuō)明，本文在仿真中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方案進(jìn)行了闡述和分析，仿真中設(shè)計(jì)的參數(shù)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可以做適當(dāng)?shù)母淖儭Ｒ陨蠈?shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于研究本領(lǐng)域的學(xué)者或者技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明提供的思想，在具體實(shí)施方案及應(yīng)用范圍上均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)是可能的。綜上所述，上述具體實(shí)施方案的內(nèi)容不應(yīng)理解成對(duì)本發(fā)明的限制。