[发明专利]一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器

说明书

技术领域

本发明属于导波光学技术领域，具体涉及一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器。

背景技术

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，制备过程麻烦。

本发明提出窄带光学滤波器是基于棱镜耦合的双导模共振滤光技术的，与光栅结构的导模共振技术相对应，但是本发明的器件结构中不含有光栅，因此可以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。另外，本发明可以分别在可见光区域中的紫光，蓝光，绿光，及红光等区域形成具有极窄带的多个通带，通带的半高宽度可达皮米(10^-12米)量级。并且各带的中心波长可以通过角度变化实现微调，而带宽和透过率几乎不受影响。各带的透过率受所用材料的吸收损耗影响，对市场上可得到的常规材料，各带的透过率一般可以超过92%，有的可达99%。本发明的滤波能带具有对称带形，且边带透过率极低，具有极好的窄带性质。而且，根据本发明制备的滤波器，容易制成大口径器件，特别适合高精度的光谱测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、制备方便的基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器。

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，可以使传导的光的通带数量及带宽受到有效控制。

基于上述平面光波导的棱镜耦合原理，本发明设计了一种基于棱镜耦合的多通带极窄带光学滤波器，本发明可以分别在可见光区域中的紫光，蓝光，绿光，红光等区域形成具有极窄带的多个通带，通带的半高宽度可达皮米(10^-12米)量级，其结构如图1 所示。具体包括：一束准直入射光束，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切割，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，该平面光波导由多层膜迭合构成，并且满足最外面的两层膜的折射率低于内部膜层的折射率；整个复合体仍为一柱体（如圆柱或方柱体）；其中，切割角A满足A小于(90°-θc)的条件，θc= arcsin(n₄/n₃) 为棱镜（即切割体）3和平面光波导第一膜层4间的临界角，n3和 n4代表棱镜3和平面光波导第一膜层4的折射率。复合体的两端面制有宽带增透膜。使用时，准直入射光束沿复合体纵轴透射。

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。

本发明的滤波器在光通讯，光谱技术等方面有重要应用。本发明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。

本发明中，所述准直入射光束为准直光束。

本发明中，所述的两端面的增透膜层为根据设计的通带的中心波长所镀制的宽带增透膜层。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，所述由多层膜迭合构成的平面光波导，其中膜层数至少为3层，为3层时，依次为低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层。本发明优选膜层数大于等于5层。

本发明中，所述的平面光波导层可以根据要求制成单个导模或多个导模的结构。