一种基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器制造技术

本发明专利技术属于导波光学技术领域，具体为一种基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器。本发明专利技术包括: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。使用时光束沿复合体纵轴透射，中心透射波长透过率可达100%，带宽可设计达到nm量级。本发明专利技术的滤波器在光通讯，光谱技术等方面有重要应用。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于导波光学
，具体涉及一种基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器。
技术介绍
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，以及基于光栅结构的导模共振滤波器等。但是，这些器件大多结构比较复杂，制备过程复杂。本专利技术提出窄带光学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对应，但是本专利技术的器件结构中不含有光栅，因此可以在省去制备亚波长的光栅结构的复杂过程，从而可以大大简化工艺，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于棱镜耦合的导模共振窄带光学滤波器。平面光波导的基本结构为由不同折射率的材料构成的“低-高-低” 三层结构，棱镜耦合是由高折射率材料的棱镜平面与平面光波导帖合，构成 “高-低-高-低”的横向折射率分布结构。在适当的耦合距离的条件下，波导中的导模模式可以被由棱镜耦合的光束所激发，在平面光波导中形成导模。如果这时将另一块高折射率棱镜底边帖合于平面光波导的另一面，构成 “高-低-高-低-高”的折射率分布，则第二块棱镜可以将波导内传导的导模光耦合出来，形成传导模。这便是棱镜对平面光波导的耦合:输入耦合和输出耦合。通过这样的两步耦合，特定波长的光波可以从平面光波导一侧的棱镜传导到另一侧。根据平面光波导的材料和厚度的调节，可以使传导的光的带宽受到有效控制。基于上述平面光波导的棱镜耦合原理，本专利技术设计了一种基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器，其通带中心波长透过率可达100%，通带带宽达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，该平面光波导由低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层依次迭合构成，整个复合体仍为一柱体（如圆柱或方柱体）；复合体的两端面制有宽带增透膜。制备时，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。本专利技术的滤波器在光通讯，光谱技术等方面有重要应用。本专利技术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。本专利技术中，所述准直入射光束为准直光束。本专利技术中，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。本专利技术中，所述的柱体（圆柱或方柱体）切割体的材料折射率高于两个低折射率膜层的折射率。本专利技术中，所述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。本专利技术中，所述两个低折射率膜层和高折射率膜层，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。本专利技术优点：1、本专利技术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nm 量级；2、本专利技术的另一个优点是，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为一种基于棱镜耦合导模共振的窄带光学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所示滤波器的透射光谱(设复合体的两端面透过率为100%)。图5为图1所示滤波器从500到900nm的可见光波段的透射光谱(设复合体的两端面透过率为100%)。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为低折射率膜层，5高折射率膜层，6低折射率膜层。具体实施方式本专利技术设计的基于棱镜耦合导模共振的窄带光学滤波器，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。本专利技术的窄带滤波器，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，由低折射率膜层4，高折射率膜层5，低折射率膜层6构成，结构示意图如图1所示。所述的平面光波导中的低折射率膜层4为一低折射率膜层，用于连接高折射率膜层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膜层5 折射率高于低折射率膜层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，用于连接高折射率膜层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，柱体材料为火石玻璃，折射率1.56，以其作为耦合棱镜体材料. 平面波导结构中的低射率膜层(4)，取为空气，折射率为1，厚度通过间隙机构控制在200nm. 高折射率膜层(5)取材重火石玻璃，折射率1.75，厚度为200nm。低折射率膜层(6)取熔石英，折射率1.45，厚度为486nm。整个结构的折射率分布如图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: (1)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：，如图3 所示。可见在从40°到90°的情况下，透射率在86.4418°的时候达到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，其光谱透过率如图4所示。其半高全宽度为633.9-631.7=2.2nm。图5显示了该滤波器的从500到900nm的可见光波段的透过率，可见该滤波器的有效滤波效果，即只有一个通带。因此，本专利技术可以在光通讯及光谱技术中可以得到广泛的应用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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沿纵轴成一定角度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之间为平面光波导，该平面光波导由低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层依次迭合构成，整个复合体仍为一柱体；复合体的两端面制有宽带增透膜。

【技术特征摘要】
1.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沿纵轴成一定角度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之间为平面光波导，该平面光波导由低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层依次迭合构成，整个复合体仍为一柱体；复合体的两端面制有宽带增透膜。2.根据权利要求1所述的窄带光学滤波器，其特征在于，所述准直入射光束为准直光束。3.根据权利要求1所述的窄带光学滤波器，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的窄带光学滤波器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建华，陶李，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31