一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器
本发明属于光电子器件的一种铌酸锂光学滤波器，具体涉及了一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器。
背景技术：
1、随着社会的发展，人们对网络的通信容量、带宽的需求不断提高，而光子集成技术可以将以往通信设备中的光模块器件，如有源、无源器件等，集成于单一光芯片上，具有高集成度、低成本、高容量和大带宽等优势，在下一代的高速光网络发展中发挥重要的作用。
2、目前，也已成功开发出各种超紧凑型硅光子集成器件用于光学互连、光学传感应用，其中硅光滤波器在波分复用系统和光谱传感中都已作为关键器件被广泛使用。传统的基于的光栅型滤波器存在带宽难以超窄、长距离传输损耗大、电极加热效率低、难以实现大范围精确快速的滤波波长调谐等问题。
技术实现思路
1、为了解决上述关键问题，本发明提出了一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，连续体中的束缚态的方法有效抑制波导中模式的超长距离的传输损耗，实现超低损耗、超窄带带宽的可调谐光子滤波器。同时，通过近侧向加热的方式调控反射中心波长的漂移，实现滤波器波长的连续可调。
2、本发明采用的技术方案为：
3、光学滤波器主要由可调谐滤波层、薄膜铌酸锂平板、介质埋氧层和衬底层自上而下依次层叠组成，所述的可调谐滤波层包括波导、两列光栅阵列和两个加热电极，两个加热电极分别对称分布在波导的两侧，两列光栅阵列分别对称分布在波导的两侧，波导、光栅阵列和加热电极之间两两平行，且光栅阵列设置于加热电极和波导之间。
4、所述的光栅阵列主要由若干个反射光栅沿着波导的长边方向依次均匀间隔排列布设而成，波导、反射光栅和加热电极均放置于在薄膜铌酸锂平板的上表面；介质埋氧层键合于薄膜铌酸锂平板与衬底层之间。
5、所述的光学滤波器通过控制波导宽度，以实现准连续体中的束缚态，光学滤波器中波导的宽度w按照下式处理得到：
6、
7、其中，w为波导的宽度，m为任意非零整数，δφ为反射和透射te模式之间的相位差，λ为反射光栅的波长，nte和ntm分别为te模式跟tm模式的有效折射率。
8、所述光学滤波器通过控制反射光栅的宽度、以及反射光栅与波导之间的间距，从而反射波导泄露的模式，以实现准连续体中的束缚态，反射光栅对波导泄露模式的反射满足以下条件：
9、
10、其中，r表示反射光栅的反射率，θ表示光波入射角，γ是波导中tm模式的复有效折射率的虚部，r和t分别为由于脊壁处的折射率差异而产生的菲涅耳反射和透射系数，j表示为虚部符号。
11、所述反射光栅用于实现超窄带宽的滤波，反射光栅的波长满足布拉格条件：
12、λb＝2λneff
13、其中，λb表示反射光栅的反射中心波长，λ为光栅的锯齿周期，neff为光栅的有效折射率。
14、在侧向加热电极不加载电压的情况下，改变反射光栅的锯齿周期λ，就可以改变反射中心波长。
15、所述加热电极通过控制加载电压以改变反射光栅的有效折射率，加热电极的温度控制方式按照下式处理得到：
16、
17、其中，δλ为反射光栅的波长变化范围，λ为反射光栅的波长，ξ为反射光栅材料的热光系数，α为反射光栅材质的膨胀系数，δt为加热电极控制下的反射光栅温度变化范围。
18、所述加热电极用于对反射光栅进行侧向加热，通过对反射光栅两侧的加热电极施加不同的电压，使得反射光栅的温度发生变化，进而使得反射光栅的有效折射率发生连续的改变，进而反射光栅中心波长产生漂移，实现反射光栅反射中心波长的连续可调谐。
19、所述的波导和n个反射光栅均采用有机聚合物，所述加热电极采用金属材质，薄膜铌酸锂平板采用铌酸锂材质，介质埋氧层采用二氧化硅材质，衬底层采用硅材质。
20、本发明所提出的免刻蚀铌酸锂光学滤波器包括薄膜铌酸锂平台以及薄膜铌酸锂上面的波导、n个反射光栅和光栅两侧的加热电极。波导与反射光栅为有机聚合物材质，两侧加热电极为金属材质，无需对铌酸锂进行刻蚀。通过波导的宽度设置为优选宽可以实现连续体中的束缚态，减少模式泄露带来的侧向泄露损耗，同时在波导两侧放置的反射光栅可以将泄露到铌酸锂平板中的模式反射回波导进一步实现准连续体中的束缚态，减少侧向的损耗并对波导中的模式周期性扰动实现窄带滤波。由于反射光栅与波导分离和波导侧向泄露的抑制，反射光栅只对波导内的模式产生微弱的周期性扰动，进而产生一个超窄带宽的反射谱。另外，采用侧向加热的方式，在反射光栅两侧加载侧向加热电极，通过控制两侧加热电极加载的电压改变反射光栅的有效折射率，使滤波器的中心波长发生漂移进而实现反射中心波长的调谐。本发明在免刻蚀铌酸锂平台上的滤波器具有易于加工，容差大，损耗低，带宽和反射中心波长可以自由调节，消光比高的优点，能够有效实现低损耗、窄带宽的光子滤波，并且根据具体的需求，在物理结构不变的基础上，通过改变加热电极上加载的电压调控滤波器中心波长，可以实现不同反射中心波长的滤波器。
21、本发明通过优选波导的宽度，来实现准连续体中的束缚态，进而减少波导中的模式泄露带来的泄露损耗；通过优选两侧放置的反射光栅的宽度，以及反射光栅与波导的间距，可以反射波导泄露的模式，实现准连续体中的束缚态，进一步减少侧向的泄露损耗；由于准连续体中的束缚态抑制侧向泄露，反射光栅只对波导中的模式产生微弱的扰动，产生超窄带宽的反射谱实现超低损耗滤波效果；采用侧向加热的方法，在反射光栅两侧加载加热电极，通过控制加载的电压改变反射光栅的有效折射率，使反射的中心波长发生偏移，实现滤波波长可调谐。
22、所述反射光栅与波导分离，可以改变反射光栅与波导的间距、光栅周期、光栅宽度、光栅长度等参数实现对不同波长的滤波。进一步的，采用侧向加热的方式，通过对反射光栅两侧的加热电极施加不同的电压，使反射光栅的温度发生变化，进而使得光栅的有效折射率发生连续的改变，中心波长产生漂移，实现反射中心波长的连续可调谐。
23、本发明波导向两侧散射的泄露模，会随着传播距离的增加强度迅速衰减，通过控制反射光栅与波导的距离，一方面可以抑制侧向散射，另一方面由于侧向散射的模式迅速衰减，反射光栅距离波导越远，对波导中模式产生越弱的扰动，由于反射光栅的周期性结构，在布拉格波长附近的窄带内，光被强烈的反射，当反射光栅对波导中模式扰动越弱，反射的带宽越窄。也就是说，通过设计反射光栅与波导的距离，在准连续域束缚态下选择反射的带宽，可以产生一个超窄的反射带宽。
24、本发明提供了一种实现精确、快速、连续可调谐反射中心波长的方法，可以改变反射光栅与波导的距离、反射光栅的周期、宽度、长度等，在侧向加热电极不加载电压的情况下，控制初始的物理结构对不同波长的滤波。本发明通过控制反射光栅的宽度与波导的间距可以实现对波导泄露的模式的全反射，进一步实现连续体中的束缚态。本发明基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，损耗低、带宽反射中心波长可调谐，可以物理结构不变的基础上，仅仅改变加载的电压，实现快速、精确的控制反射中心波长的偏移。
25、本发明的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，能有效实现超低损耗、超窄带宽的光子滤波器，同时在物理结构不变的基础上，有效实现近距离侧向加热的方式以实现滤波中心波长在的高效、大范围连续可调谐。
26、本发明的有益效果为：
27、1、本发明采用反射光栅滤波器，具有光谱响应平坦、波长选择、带宽灵活可调的优点，易于满足各类光通信应用需求。
28、2、本发明滤波器通过反射光栅与波导侧向分离，分离的反射光栅对波导中模式产生极其微弱扰动，形成窄带宽滤波，并控制波导宽度以及反射光栅的位置与形状，实现连续体中的束缚态，抑制侧向模式泄露损耗，有效减小长距离传输损耗。
29、3、本发明无需改变物理结构，采用侧向加热的方式，仅需在反射光栅侧向的加热电极上施加电压，实现滤波器中心波长的高效率、大范围、连续可调控。
30、4、本发明采用免刻蚀铌酸锂方案，只需要一次曝光，无需复杂干法刻蚀，工艺简单，成本低，损耗小，具有很大的实际应用潜力。本发明在薄膜铌酸锂平台获得了一个结构简单、加工制作方便、损耗低、可不改变物理结构快速实现波长调谐的光学滤波器。
技术特征：
1.一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的光栅阵列主要由若干个反射光栅(2)沿着波导(1)的长边方向依次均匀间隔排列布设而成，波导(1)、反射光栅(2)和加热电极(3)均放置于在薄膜铌酸锂平板(4)的上表面，介质埋氧层(5)键合于薄膜铌酸锂平板(4)与衬底层(6)之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的光学滤波器通过控制波导(1)宽度，以实现准连续体中的束缚态，光学滤波器中波导(1)的宽度w按照下式处理得到：
4.根据权利要求1所述的一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述光学滤波器通过控制反射光栅(2)的宽度、以及反射光栅(2)与波导(1)之间的间距，从而反射波导(1)的泄露模式，反射光栅(2)对波导(1)泄露模式的反射满足以下条件：
5.根据权利要求1所述的一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：
6.根据权利要求1所述的一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述加热电极(3)通过控制加载电压以改变反射光栅(2)的有效折射率，加热电极(3)对反射光栅(2)的温度控制按照下式处理得到：
7.根据权利要求1所述的一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述加热电极(3)用于对反射光栅(2)进行侧向加热，通过对反射光栅(2)两侧的加热电极(3)施加不同的电压，使得反射光栅(2)的温度发生变化，以及反射光栅(2)的有效折射率发生连续改变，进而使得反射光栅(2)中心波长产生漂移，并实现反射光栅(2)反射中心波长的连续可调谐。
8.根据权利要求1所述的一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：
技术总结
本发明公开了一种基于准连续体中的束缚态薄膜铌酸锂光学滤波器。光学滤波器由可调谐滤波层、薄膜铌酸锂平板、介质埋氧层和衬底层自上而下依次层叠组成，加热电极和反射光栅均分布在波导的两侧，呈周期性排列的反射光栅设置于加热电极和波导之间，通过设置波导的宽度以实现连续体中的束缚态，减少模式泄露带来的侧向泄露损耗，反射光栅用于将泄露到铌酸锂平板中的模式反射回波导进一步实现准连续体中的束缚态，加热电极用于改变反射光栅的有效折射率。本发明易于加工，容差大，损耗低，能够有效实现低损耗、窄带宽的光子滤波，在物理结构不变的基础上，通过改变加热电极上加载的电压调控滤波器中心波长，可以实现不同反射中心波长的滤波器。
技术研发人员：陈敬业,李杰,赵世,时尧成
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5