基于铌酸锂波导光栅的波长可调谐窄带滤波器制造技术

基于铌酸锂波导光栅的波长可调谐窄带滤波器，以铌酸锂晶体为基底，在沿铌酸锂晶体x或y方向上制备相移布拉格波导光栅，在相移点两侧加电极，构成波长可调谐窄带滤波器结构，如图1所示。该滤波器利用铌酸锂晶体的电光效应，和相移光栅的选择滤波特性来实现波长可调谐滤波功能。本发明专利技术的优势：增加相移布拉格波导光栅的长度可以扩展滤波范围；制备不同周期的相移布拉格波导光栅，可以得到不同中心波长的滤波器；相移布拉格波导光栅相移点选择在不同的位置可以改变所滤波长的幅度；并且利用电光调谐滤波的方式，调谐速度快，具有广泛的应用前景。

Wavelength tunable narrowband filter based on LiNbO3 waveguide grating

LiNbO3 waveguide grating wavelength tunable narrowband filter based on LiNbO3 substrate preparation phase shift in lithium niobate waveguide grating Prague along the X or Y direction, the phase shift points are added on both sides of the electrode, a wavelength tunable narrowband filter structure, as shown in figure 1. The filter can realize the function of wavelength tunable filter by using the electro-optic effect of lithium niobate crystal and the selective filtering characteristics of phase shifted grating. The advantages of the invention: increase the phase shift Prague waveguide grating length can be extended range filter; phase shift of Prague waveguide grating preparation of different period, filters can be obtained by different wavelength phase-shifting; Prague waveguide grating phase shifting point selection can change the wavelength of the filter amplitude in different locations; and using the electro-optic tunable filter the way of fast tuning speed, and has wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及光滤波器，特别是基于铌酸锂材料的波长可调谐窄带滤波器。
技术介绍
：铌酸锂(LiNbO3)晶体是集成光学器件中最常用的无机介电材料，它集电光，声光，非线性，光折变等多种效应于一身，材料的物理化学性能稳定，容易生长大块的高光学质量基片，而且成本低廉，易抛光和加工，不潮解，更重要的是该晶体在0.35um-5um波长范围内的通光性能良好。因而，铌酸锂晶体是目前公认的光电子时代的“光学硅”的主要候选材料之一。基于铌酸锂晶体的快速可调谐的波导光栅可以作为复杂光器件或者系统中的元器件，可以作为传感器、波长转换器、跟踪式滤波器等，有着很广泛的应用。用光纤光栅或者波导光栅作为一种基本的波长选择性元器件，在光通信和光传感领域有着十分广泛的应用。按光栅周期的大小，可以分为周期长度在100um量级的长周期光栅和周期大小可在1um以下的布拉格光栅，其中短周期的布拉格光栅能将满足布拉格条件的特定波长极大的反射回来，具有窄带滤波的作用。由于光纤光栅受到光纤材料(石英玻璃)和结构(圆柱包层结构)的限制，只能够实现基于弹光效应(应力)和热光效应(温度)的慢性调谐(调谐速率一般在ms量级)，而且光纤光栅多级级联有很大的损耗，很难实现大规模集成，因而其作用和应用受到很大局限，很难应用到高速实时大容量全光网络中。为了突破光纤材料本身的局限性，用特殊材质的光波导来取代传统光纤制作光栅器件是一种有效的解决途径。
技术实现思路
:本专利技术的目的是解决传统光滤波器调谐速度慢的问题，提出基于铌酸锂波导光栅的波长可调谐窄带滤波器结构。本专利技术提出的滤波器结构，以铌酸锂晶体为基底，充分利用铌酸锂晶体的电光特性，实现滤波器所滤波长的高速调谐。本专利技术提出的结构简单，通过改变滤波器结构中电极上的电压即可实现滤波器波长的调谐；通过增加光栅长度，可以扩展滤波范围；通过改变光栅周期，可以改变滤波波段的中心波长；本方案调谐方便，拥有广泛的应用前景。本专利技术提出的基于铌酸锂波导光栅的波长可调谐窄带滤波器，是以x切y传或y切x传的铌酸锂晶体为基底，利用常规的波导制备工艺及光栅刻写技术，在铌酸锂基底上制备相移布拉格波导光栅结构和电极结构，波导及光栅沿x或y方向，使光的传播方向沿铌酸锂晶体的x或y方向，如图2所示。本专利技术提出的窄带滤波器结构中相移布拉格波导光栅的相移引入是通过破坏布拉格光栅的周期性结构，使布拉格光栅中包含一段无光栅的波导结构，且相移量的大小和无光栅区域的长度相关，长度不同则引入的相移量不同。其中相移量和无光栅区域长度L满足关系式这里λ为所滤波长，neff为无光栅区域波导的有效折射率。相移布拉格光栅的周期根据选择滤波波段的中心波长进行设定，光栅的长度根据滤波波段范围进行设定。当改变布拉格光栅的周期时，滤波器的滤波中心波长会发生改变，中心波长λ和周期Λ满足λ＝2nΛ，n为波导光栅的有效折射率。相移布拉格波导光栅长度不同滤波器滤波范围不同，当增加光栅长度时，可以扩展滤波器的滤波范围，减小布拉格光栅长度，滤波器的滤波范围会缩小。本专利技术提出的结构中相移布拉格波导光栅中相移点的位置可以不同，当相移点位于布拉格波导光栅中心时，透射波幅度最大，相移点位置偏离布拉格波导光栅中心越远，透射波幅度越小，并且未加电压时相移布拉格波导光栅中相移点引起的初始相移可以为0-2π之间的任意值。在图2的基础上，在相移布拉格波导光栅的相移点波导两侧加电极，构成窄带滤波器结构，如图1所示，电极对沿铌酸锂晶体z方向上对称分布在布拉格波导光栅相移点两侧，当加电压后可以形成沿z方向的电场。制备好的滤波器结构如图1所示。滤波器所滤波长为透射波，且滤波器可以双向工作，两端均可以作为输入或输出。当选择一端作为输入时另一端作为输出。本专利技术提出的窄带滤波器结构的调谐方式为：改变在电极上所加电压(即改变沿z方向的电场)，引起电场范围内折射率的改变，进而引起滤波器透射波长的改变，实现调谐滤波的功能。本专利技术提出的滤波器结构具有功能可调的特性，当电极上所加电压引起2π的整数倍相移时，布拉格相移光栅中等效于无相移点，该滤波器结构具有普通布拉格光栅的反射功能；当电极上所加电压引起的相移不是2π的整数倍时，该滤波器结构具有调谐滤波的功能。本专利技术的优点和有益效果：本专利技术提出的窄带滤波器结构具有以下优点：滤波波长可调谐，且应用铌酸锂晶体的电光特性，调谐速度极快，可以达到ns量级；滤波范围可通过改变布拉格波导光栅长度进行调整；滤波器滤波范围的中心波长可通过改变光栅周期进行调整；采用电控调谐，调谐方法简单；滤波器具有多重功能，即具有普通布拉格波导光栅的反射功能，又具有调谐滤波的功能；本专利技术滤波器结构简单，调谐方式简单，具有广泛的应用前景。附图说明：图1基于铌酸锂晶体的滤波器结构1。图2基于铌酸锂晶体的相移布拉格波导光栅结构。图3为滤波器结构1电极上加-20V电压时的透射谱，横坐标表示透射波长，纵坐标表示滤波器的透射率。图4为滤波器结构1电极上加10V电压时的透射谱，横坐标表示透射波长，纵坐标表示滤波器的透射率。图5为滤波器结构1电极上加35V电压时的透射谱，横坐标表示透射波长，纵坐标表示滤波器的透射率。图6为光栅长度分别为1cm、2cm、3cm时光栅的透射谱，图中实线为2cm，+号线为3cm，*号线为4cm。图7为滤波器结构电极上加电压引起2π整数倍时滤波器结构的反射谱。具体实施方式：实施例1：如图1所示基于铌酸锂波导光栅的波长可调谐窄带滤波器结构，以x切y传铌酸锂晶体为基底，在其上制备反射中心波长为1550nm的布拉格波导光栅，布拉格波导光栅及布拉格波导光栅中心的无光栅区域波导总长度为3cm，其中无光栅区域长度取725.2um，位于光栅中心。无光栅区域波导两侧制备电极结构，电极间距10um。图3所示为上述结构中，电极上加-20V电压时引起的透射谱，图4为电压为10V时的透射谱，图5电压为35V时的透射谱，可以看出，改变电极上电压引起透射波波长的改变，实现了滤波器的调谐滤波的功能。波导光栅中导波模的折射率n变化可表示为：其中，为光栅周期的平均折射率变化，通常为10-5～10-3量级，s为与折射率调制度有关的条纹可见度，通常视光栅的折射率强弱在0.5～1之间取值，Λ为光栅栅格周期。为光栅相移。当改变光栅相移量时，透射谱波长就会改变，而相移量与无光栅区域波导长度L的关系为：这里λ为所滤波长，neff为无光栅区域波导的有效折射率。改变电场，引起电场范围波导有效折射率的改变量Δne为：其中ne为铌酸锂晶体的非寻常光折射率，此处表示波导的有效折射率，γ33是铌酸锂晶体的最大电光系数。Ez为加在z方向的电场。当L固定时，电场Ez和相移量改变量有下式关系：其中电场V为电压，d为电极之间的距离，Δne为电场引起的有效折射率改变量，可见改变电场大小，可以对相移量进行调节，进而改变透射波长。实施例2：在实施例1的基础上，保持光栅相移量不变时，改变相移布拉格波导光栅长度，可以改变滤波器的滤波范围。图6所示为当保证相移量为90度不变的情况下，改变相移布拉格波导光栅长度分别为1cm、2cm、3cm时光栅的透射谱。可以看出，增加布拉格波导光栅的长度，可以扩展滤波范围。实施例3在实施例1的基础上，当滤波器结构所加电压引起的相移为2π整数倍时，此本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于铌酸锂波导光栅的波长可调谐窄带滤波器，其特征在于所述滤波器结构以铌酸锂晶体为基底，在基底上面制备相移布拉格波导光栅，在相移点两侧加电极，构成波长可调谐窄带滤波器结构。

【技术特征摘要】
1.基于铌酸锂波导光栅的波长可调谐窄带滤波器，其特征在于所述滤波器结构以铌酸锂晶体为基底，在基底上面制备相移布拉格波导光栅，在相移点两侧加电极，构成波长可调谐窄带滤波器结构。2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述铌酸锂基底为x切y传的铌酸锂晶体或y切x传的铌酸锂晶体。3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述相移布拉格波导光栅的周期可以不同，当周期不同时滤波器的滤波中心波长也不同，波长λ和周期Λ满足λ＝2nΛ，n为波导光栅的有效折射率；所述相移布拉格波导光栅的长度也可以不同，相移布拉格波导光栅长度不同时滤波器滤波范围不同，当增加光栅长度时，可以扩展滤波器的滤波范围。4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述相移布拉格波导光栅中的相移是由于破坏布拉格波导光栅的周期结构而引入，且相移量的大小和无光栅区域的长度相关，无光栅区域的长度不同则引入的相移量不同，相移量和无光栅区域长度L满足关系式这里λ为所滤波长，neff为无光栅区域波导的有效折射率。5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述相移布拉格波导光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张爱玲，姚远，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12