声光可调谐滤波器的制作方法

专利名称：声光可调谐滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学，具体涉及一种声光可调谐滤波器。
现有技术已知一种装置——一种使用加权耦合的集成声光可调谐滤波器(Arijuin Kar-Roy和Chen S.Tsai于IEEE J，Quantum Electronics，1994，vol.30，No.7，pp.1574-1586中发表的“Integrated acoustoopictunable filters using weighted coupling”)，其中，预定的光谱波长是由与声表面波(SAW)共线的光波导内传播的不同偏振导光模在SAW上的声光(AO)转换所滤波。通过改变SAW的频率来调谐被滤波的光波长，且将SAW的频率选择为可满足相互作用波之间相位同步条件。利用仅透过其中一个预定偏振波的交叉偏振片来分离该入射和SAW衍射的光学模。沿传播方向使用相互作用波的耦合因子的额外加权；能将滤波器通带旁瓣降低到-24.4dB。
所述装置的其特征在于具有不足够窄的通带，其带宽受光学各向异性大小和相互作用长度的限制，并且不能在不明显增大装置尺寸的条件下减小带宽。
还已知一种基于LiNbO3制成的薄膜波导中各向异性非共线声光相互作用的声光可调谐滤波器(Bumman Kim和Chen S.Tsai于IEEEJournal of Quantum Electronics，vol.QE-15，No.7，1979年7月，pp.642-647中发表的“Thin Film Tunable Optical Filtering UsingAnisotropic and Noncollinear Acoustooptic Interaction inWaveguides”)，包括一用于传播光束的平面光波导，和沿辐射路径顺序设置的下列装置一光束形成装置；声波换能器(transducer)，适合于产生一能与该束光波相互作用、并导致其在预定波长范围内衍射的声波；以及一用于选择该光束衍射部分的装置，其中利用一声光单元，通过具有不同偏振并在一平面光波导中传播的导光光学模在SAW上的非共线衍射来滤波预定的光谱波长。使用包括一聚焦元件(透镜)的选择装置，在角空间中分离该入射与SAW衍射的光学模。由于相互作用模具有不同传播方向，所以该透镜对角谱进行傅里叶变换，并空间地选择预定光波长上的衍射光束。通过改变声光单元中传播的SAW频率，实现对声光滤波器通带的调谐。该装置的光谱分辨率与光波长和SAW的比成正比，且与使用形成元件产生的光束孔径成反比；在这种情形中，棱镜耦合元件起到将宽光束发射到平面波导中的作用。该声光单元包括一波导介质，光波和声波能在其中传播并相互作用；还包括一声波换能器。在声单元中使用多个定相换能器来激发SAW，能展宽声光相互作用带，并从而增加光波长调谐区域。
所述装置的特征还在于，具有不够窄的通带，其宽度由与SAW相互作用区域中光束孔径的大小决定，并且不能在不明显增大该装置尺寸，并不使其制造更加困难的条件下增大所述通带。应该注意，产生在平面光波导中传播的宽(1-2cm以上)且均匀的光束是一项极为困难的科学工程任务，至今仍未能令人满意地实现。
发明概述本发明的基本目的是研制一种具有极小尺寸和窄通带的声光可调谐滤波器。
如下实现所述目的在一种声光可调谐滤波器中，该声光可调谐滤波器包含一用于传播光束的平面光波导，以及沿光辐射路径顺序设置的下列装置一光束形成装置；声波换能器，适合于产生一能与该束光波相互作用并导致其在预定波长范围内衍射的声波；以及一用于选择所衍射光束部分的装置；根据本发明——该光束形成装置与选择装置其中至少之一是以至少一个位于平面波导的平面中、在所述波导本身内或在其附近的条状波导的形式实现的，并且形式上为与该条状波导的孔径重叠的多个单反射镜，选择多个单反射镜的相对位置和倾角，使得对于任何一对从不同单反射镜反射的光束，保持工作辐射波长上的相差基本上为2π倍数的值。此处π＝3.14159....，是普适常数。
为了保证对光辐射进行更好的滤波，并且使该装置具有较小尺寸，该光束形成装置和选择装置均以条状波导的形式实现是有利的，并且该光束形成装置的条状波导的单反射镜必须沿与该选择装置的反射镜的倾斜方向相反的方向倾斜。
为了保证对多个频道同时滤波〔分支功能(drop function)〕，用多个相似的条状波导来实现该选择装置是有利的，在该波导中，考虑到特定的工作波长而选择其单反射镜的排列和倾角，该特定工作波长仅是一个给定条状波导所固有的，与其他条状波导的工作波长不同。为了便于进一步讨论，下文中将具有相应单反射镜的选择装置的条状波导称为选择元件，将具有光束形成装置的单反射镜的条状波导称为形成元件。
为了通过宽带光信号(通过功能)，光线路径中的最后一个条状波导以与光束形成装置的条状波导相同地实现是有利的。
注意，除了那些用声光单元偏转的波长以外，对所有波长实现宽带光信号的通过(通过功能)。通过包括一或多个选择元件的选择装置，滤波并改变所偏转光束的具有预定波长的一部分的方向。不过，希望所有剩余(未被滤波的)波长能通过该装置。为了这个目的，声光滤波器适合于具有一附加的声波换能器，用于产生射向主换能器、并且能在选择装置的最后和次后条状波导之间的空间中与该束光波相互作用的声波。
为了保证最大限度地扩展光束，该扩展将使该装置尺寸对于预定通带线宽最小化，将单反射镜相对相应条状波导的轴倾斜大约45°角是有利的。
为了保证通过热光效应独立调谐不同光通道所滤波辐射的波长，沿至少一个条状波导设置一其端部与一受控直流或交流电源相连的电极是有利的。
为了保证通过电光效应独立调谐不同光通道所滤波辐射的波长，沿至少一个条状波导设置一对其端部与一受控直流电源相连的电极是有利的。
通过选择光束形成和/或选择元件中每个单反射镜的反射率、位置和倾角的最佳值，可以校正可调谐光学滤波器的调谐带和其抑制带中光谱间隔内的传输线形状和其包络线。例如，为了扩展声光可调谐滤波器的抑制带，使单反射镜以不同间隔彼此间隔开是有利的；并且为了保证对滤波器通带中的旁瓣进行必要的抑制(大于20-30dB)，使单反射镜具有其值从条状波导的中间到其端部减小的不同反射率是有利的。
附图的简要说明通过结合附图描述其特定实施例，进一步讨论本发明，其中

图1表示根据本发明，一具有设置在平面波导中的条状波导的声光可调谐滤波器的示意图；图2表示根据本发明，一在平面波导附近具有多个条状波导并有附加控制电极的声光可调谐滤波器的示意图；图3表示根据本发明，一在平面波导附近具有多个条状波导并有附加控制电极和附加声波换能器的声光可调谐滤波器的示意图；图4表示光束形成元件的辐射强度随平面波导平面中反射光束方向的变化；图5与图4相同，表示光束形成元件的辐射强度随不同光波长的变化；图6表示对于单反射镜的不同倾角，声光可调谐滤波器的传输强度I(O0)变化；图7表示对于不同声波波长，声光可调谐滤波器的传输强度变化；图8表示在单反射镜具有恒定和可变反射率时，声光可调谐滤波器的传输强度变化；图9表示在设置单反射镜的区域中平面和条状波导中光场振幅的变化；图10表示反射率随单反射镜级数的变化；图11表示单反射镜之间具有不同反射率和不同间距时，声光可调谐滤波器的传输强度的特性曲线。
本发明最佳实施方式在固态基板1上或其下(所谓的嵌入波导的情形)，形成一几微米厚、折射率比周围环境(基板和在此情形中为空气的周围上层)大的薄层(图1-3)。所述的层为平面光波导2，即，光束能在所述层中以非常低的损耗(小于1dB/cm)传播。由厚度方向折射率变化的分布决定该结构支持的导(波导)波(模式)数和其光场的空间分布。
在平面光波导2中(图1)，或其附近(图2，3)，设置条状光波导3-7。条状光波导不仅在厚度方向而且在结构的横向具有增大的折射率值，即所述波导是固态表面上面或下面的、厚度为几到几十微米、折射率值大于其周围环境的局部区域。从而所述波导能使窄而且非发散的光束在折射率值增大的区域中沿其轴向传播。可以使用下列技术制造条状和平面波导扩散金属，与盐熔液进行质子交换，溅射折射率比基板大的物质，从汽相或液相外延，通过例如电子和/或光子辐射改善表面层性质。条状光波导3执行光束形成元件的功能，并且具有不同光谱波长的光束能通过其抛光端—输入端8输入。可以通过多种方法将光输入到条状光波导3中，例如通滤波波器-条状光波导9耦合，通过将光辐射聚焦在波导结构边缘上等。
条状光波导3和4-7中的每一个分别具有多个倾斜的单线性光反射镜10和11，反射镜与条状光波导3和4-7的孔径重叠。条状波导4-7还执行用于选择部分光束的装置的功能。光束通过该形成装置，并部分地通过纤维光波导12输出，能用于监测输入信号强度(输出功能)。不过，为了形成最佳装置结构，将较大部分输入光束能量以构成小发散扩展光束14的相干光束13的形式传播到平面光波导中。
当在紧靠平面光波导2附近—距离“a”处设置条状光波导3时(图2，3)，反射光束13通过将它们分离并具有较小折射率的区域“a”。为了减小该装置的光损耗，所述区域的宽度必须足够大，以使条状波导3的入射模光场不能到达平面波导2(即，必须防止辐射衰减)。另一方面，所述距离必须足够小，便于波导模从中通过。在这个方面，按照幅值量级，分离区域“a”的均衡值等于条状光波导3本身的宽度，即大约5-20微毫米。当直接在平面光波导上设置条状光波导3时(参见图1)，所反射的光束简单地从一个波导传播到另一个，从而以可以忽略的损耗穿过它们之间的分隔边界。
所述光束还通过由声波源16产生的声波15传播的区域。通常使用一或多个为与高频交流电场源17连接的梳状电极的定相交叉指型换能器(IDT)作为声波源16。换能器16利用压电效应，激发出在光波导2所占据的次表面区域中传播并能与传导光波有效地相互作用的声表面波(SAW)。扩展光束14的一部分—在工作光波长上满足布喇格相位同步条件—被衍射到SAW上，并改变其传播方向。另外，所衍射的光束从平面光波导2进入设置成条状光波导4和单反射镜11形式的选择装置中，然后所述光束经由输出端18，即波导4的抛光端面(端)从该装置输出到纤维光波导19中。
如下面所讨论的，选择单反射镜11的相对位置和倾角，以对于任何一对从不同单反射镜11反射的光束，将工作辐射波长上的相差保持基本上为2π的倍数。而且，从不同单反射镜11反射的光束的干涉将导致大多数光波仅在工作光波长上同相相加，且该滤波器仅透过一预定光波长。而在所有其他光波长上，将不满足相长干涉条件，通过的信号幅值将降低若干数量级(信号抑制)。在声光和/或电光效应，以及热光或电致伸缩效应(图1-3)的基础上调谐滤波器的工作波长。
在图1所示的声光可调谐滤波器中，该选择装置仅包括一个条状光波导4和一个声波换能器16。不过如果该选择装置包括若干光波导4-7、且每个具有其自己的单反射镜组11(图2)，并且如果使用附加的声波(图3)换能器20(图3)，则必须扩展该装置的功能。因此，该装置具有多通道窄带可调谐光学滤波器的性质。另外，取决于单反射镜11的相对取向，该装置可实现两个重要功能。当光束形成装置和选择装置均以条状波导形式实现时，光束形成装置的条状波导3的单反射镜10沿与选择装置的反射镜11的倾斜方向相反的方向倾斜，从而执行入射辐射的窄带滤波(分支功能)。当辐射路径上最后一个具有单反射镜11的条状波导7以与光束形成装置的条状波导3相同地实现时，宽带光信号通过该最后一个条状波导7(通过功能)，可使用纤维光波导21输出信号。
为了对每个光通道的工作频率进行额外的电子控制在光束形成和/或选择元件的条状光波导3-7紧临近处，设置导电材料条形的电极22和23。当将来自直流受控源24的电场施加给相邻电极22时，在条状波导附近发生电光或电致伸缩效应导致的折射率局部改变，引起所通过光束的波相位改变，偏移光学滤波器的工作波长。通过将来自相应电源25的直流或交流电场施加给单个电极23的端部，由热光效应提供相似的折射率改变(图2)。电流将导致电极23发热，在波导5的区域中产生折射率的局部改变，从而使光学滤波器的工作波长偏移。
根据本发明的声光可调谐滤波器按照如下方式工作。一条窄光束通过输入端8输入到光束形成元件的条状光波导3中(图1-3)，并且在每个单反射镜10处分成两束。一束(具有非常小的强度)被反射，并从条状光波导3传输到平面光波导2中，另一束(与入射光束相比具有略小强度)通过条状光波导3，到达下一个单反射镜10，在该单反射镜上再次分成两束，等等。考虑到相邻反射镜10之间的间隔中光束延迟导致的光相位偏移，所有反射光束13相干相加。所生成的光束14具有宽孔径(比入射孔径大上百倍)，且输出光辐射具有较小发散，该发散是由沿条状波导3横方向光波的相前(optical wave phasefront)的不变性引起的。
波导2平面中由光束形成元件辐射的角谱U(p)描述如下。在不损害一般性的条件下，可以将导(波导)模电场的横向分布表示为exp(-(y/w0)2)，其中w0为条状波导的有效宽度，y为(平面波导平面中的)横坐标。每个反射镜10为2w宽，用反射率Rm和相移kxm描述，其中xm为第m个反射镜的坐标。
为了保证光束的最大扩展，将单反射镜的倾角选作相对条状波导的轴成45°，并且反射镜本身以间隔d严格地周期性间隔开xm＝dm，m＝1，2，3，....M. (1)从而可以得到U(p)如下U(p)=Σm=1Mu0(p)Ψmexp(-ikpxm),---(2)]]>u0(p)=C∫-wwexp(-ikpxm-(x/w0)2)dp,---(3)]]>其中Ψm=rmΠm=1M-1tmm,rm=(Rm)1/2,tm=(Tm)1/2,Tm=1-bRm,]]>C为归一化常数，在所有光谱成分的能量等于所有单反射镜上条状波导的射出能量的条件下确定该常数；ψm是从第m个反射镜上条状光波导进入平面光波导中的光导模的加权函数或转换因子；rm和Rm为就幅值和强度而言第m个单反射镜的反射率；tm和Tm为就幅值和强度而言第m个单反射镜的透射系数；p-为相对轴的观察角的正弦，该轴相当于从单反射镜反射的光束方向；u0(p)为单反射镜发射的角谱；b为考虑反射过程中发生的能量损失的系数，例如由于转换成其他波型(其他偏振态，辐射模式等)。可以证明对于ψm，下面的递归方程式成立ψm2＝ψm-12(1-Rm-1)Rm/Rm-1. (4)这能确定ψm与Rm之间存在的关系。首先，讨论恒定反射率(R＝Rm)的情形，为了简单起见，假设w/w0大于1。从而可以得出下式u0(p)＝Cw0(π)1/2exp(-(kwp/2)2)，(5)U(p)＝C(π)1/2w0exp(-(kwp/2)2)r(1-t(M-1)exp(-ikpdM))/(1-t txp(-ikpd)). (6).
扩展光束强度的角分布表示如下I(p)＝/U(p)/2＝C2πw02exp(-(kwp)2/2)××((1-tM-1)2+4tM-1sin2(kd(1-p)(M-1)/2)/((1-t)2+4tsin2(kd(1-p)/2))(7)当λ0＝1.54微毫米时，在图4中表示出光束形成元件的辐射谱。所述光谱是具有下列宽度的非常窄的峰
Δp＝λ0/(NdM) (8)图4表明峰宽度大小为0.0001弧度量级。计算时假设N＝2.2，单反射镜具有恒定反射率R＝0.002，且以d＝7微毫米的间隔严格地周期性设置，反射镜的数量为M＝1000，反射镜结构的总长度为dM＝0.7cm，条状光波导的有效宽度为w0＝10微毫米。
可以在包括两个协同因子(co-factor)的公式(8)的基础上说明这种窄角谱现象。它们中的第一个u02(p)描述条状光波导导模由单反射镜部分反射形成的有限光源的角谱。该光谱具有大约0.04弧度的宽角度分布，最大值相应于镜面反射光束(p＝0)。第二个协同因子描述角发散(Δp)为大约0.0001弧度的窄线性谱(图4)，并且描述由不同单反射镜引起的干涉的结果。线性谱最大值的位置表示如下kd(1-p)/2＝πmλ(9)其中mλ为干涉级(整数)。真正的角谱(图4)为这两个函数的乘积。从而，由于第一个协同因子，整个线性谱仅存在相应于该干涉级(mλ)的一条线(图4)，从而分布方向最接近于单反射镜产生的镜面反射(p＝0)。在这种情形下，当λ0＝1.54微毫米时，mλ＝10。
因此，当p＝0时，根据公式(9)选择反射镜的排列。这符合光辐射预定波长下干涉级(mλ)和镜面反射光束之一传播方向与该装置发出的扩展光束的角发散(Δp)的精度一致的条件。换句话说，意思是—选择单反射镜的倾角和位置，使得在工作光波长下，从不同单反射镜反射的光束的相差基本上为2π的倍数。
另外，根据公式(9)，当光波长改变时(扫描)，扩展光束的方向性图整体偏移p＝(λm-λ)/λm，(10)其中λm＝dN/mλ。图5表示函数u02(p)的曲线图(参见曲线26)，以及mλ＝10时对于多个波长(27-λ0＝1.50微毫米，28-λ0＝1.54微毫米，29-λ0＝1.55微毫米，30-λ0＝1.60微毫米)光学形成元件发射的角谱。观察到，随着光波长改变，方向性图按照公式(11)发生偏移，且光谱成分的大小与u02(p)成正比地变化。
如果光传播方向反向(图1)，光束选择装置的选择元件的操作与光束形成装置的形成元件的操作相似。即，由于每个单反射镜11上的反射，通过平面光波导2进入条状波导4中的大量相干光束的干涉，形成条状波导4的导光光学模式场。可以证明，假设相对于光束形成光学元件，可用公式(4-10)描述能够到达输出端18的光波的角谱。
衍射光束θ的偏转角取决于光辐射的波长λ0和SAW的频率(f)θ＝θ1+θ2Sinθ1＝λ0/(2Λ*N1)*[1+(Λ/λ0)2(N12-N22)]， (11)Sinθ2＝λ0/(2Λ*N2)*[1-(Λ/λ0)2(N12-N22)]，其中Λ为SAW波长，A＝v/f，v和f为SAW的速度和频率，N1，N2，θ1和θ2分别为入射波和衍射波的有效折射率和布喇格角。对于三个相互作用波(两个光波和一个声波)根据满足相位同步的条件(布喇格条件)推导出公式(11)。由声波相前计算出布喇格角。为了简单起见，进一步讨论各向同性衍射(波类型不改变)的情形，假设N＝N1＝N2，那么θ＝2θB，其中θB＝arcsin(λ0/(2ΛN))， (12)为了使声波与光波束相互作用，后者必须以适当的布喇格角(θ1和θ2)传播。选择光束形成装置和选择装置的单反射镜10，11的相对位置和倾角，以对于从不同单反射镜反射的任何一对光束，将工作辐射波长上的相差保持为其长度基本上为2π的倍数。根据物理学，这相当于来自于不同单反射镜的一个干涉级的传播方向与从相应条状光波导传输到平面光波导中的镜面反射光束所决定的方向一致的情形，反之亦然。
通过改变反射镜的位置和倾角、反射率R与数量M，可以改变滤波信号的大小和线宽，以及声光可调谐滤波器通带外部的旁瓣大小和信号抑制带。反射镜10、11形式上可以为形成为具有其他光学性质的窄条(一般大约为0.2微毫米)的局部区域，例如通过质子交换，离子注入等，并且还可以形成为在光波导表面上的由相同或其他材料制成的沟槽或台阶(大约1-100nm高)。单反射镜的反射率一般为0.005-0.0001，并且能够通过最适宜地选择制造过程和反射镜几何结构来进行控制。反射镜的数量必须足够大(通常，乘积R*M大于2，即，M近似为500-1000)，从而能获得良好的准直特性(角空间中旁瓣的窄方向性和强抑制)和从窄光束到宽光束的高效转换，反之亦然。单反射镜之间的距离通常与光波导的宽度(大约5-20微毫米)相当。
因此，通过条状光波导3的输入端8输送并包括不同光谱波长的光束，将通过光束形成光学元件，并以一组相干光束13的形式传输到平面光波导2中，根据公式(10)其方向性图取决于光辐射波长，并且具有非常窄的宽度(大约0.0001弧度)。另外，通过AO单元并且光波长满足布喇格同步条件的一部分光束，在SAW15上衍射，并朝向选择装置的仅透过具有严格确定波长和传播方向的那部分光辐射的选择元件偏转角度2θB。即选择装置对通过存在声波的区域的光辐射波长进行附加选择。可通过其光谱函数的卷积描述光束形成和选择元件的滤波特性，在元件结构相同时，卷积具有下列形式I(λ0)＝C1∫I(p)I(2θB-θ0-p)dp， (13)其中C1为考虑单反射镜之间为自由间隔时的数值因子(小于或近似为1)。根据公式(13)，为了避免在不存在SAW时(当θB＝0时)信号直接通过，光束形成和选择元件的镜面反射光束的相对倾角(θ0)必须大于从单反射镜反射的光束的衍射发散角(λ0/Nw0)。根据几何学，这相当于在镜面反射光束之间的平面光波导中，如果它们分别通过抛光端面8和18引导到条状光波导3和4中，将形成角度180°-θ0的情形。图6中表示出该条件，其中表示对于两种典型情形，声光滤波器的通过光谱I(λ0)。曲线31相当于θ0＝0的情形，而曲线32相当于θ0＝0.1的情形(即，对于7微毫米的波长，θ0等于SAW上衍射光的偏转角)。显然，在θ0＝0时，该装置发射一组相当于不同干涉级(mλ)的窄次级带。不过，当θ0＝0.1时(即当θ0大于λ0/Nw0≈0.07时)，可观察到声光滤波器传输信号的有效抑制(30dB以上)。由辐射方向性图的角发散(Δp)和光波长改变时方向性图的扫描特性决定通带线宽Δλ。然后根据(10)和(12)Δλ＝λ02/(NdM).(14)根据公式(14)，在尺寸相等时，根据本发明的可调谐滤波器的线宽比标准共线声光滤波器窄大约N/ΔN倍。在具有相同尺寸的铌酸锂基板的情形中，使通带线变窄20倍以上。
注意，声光单元具有附加的对该装置的操作很重要的选择特性。即在AO-相互作用中，仅那些遵循布喇格同步条件的光波参与了相互作用(即，被偏转)。可以证明，对于各相同性衍射的情形，仅选择满足下式的光波长λ＝λm(1+θ0)/(1+λm/(2NΛ)). (15)该式证明在每个固定SAW波长Λ处，将在λm附近找到一组光波长λ，对于每个光波长，同时满足相位同步条件，并提供从光束形成元件的条状光波导到平面光波导中的最有效转换，光在SAW上的有效衍射，从而将工作光波长上衍射辐射的大部分转换到选择元件的条状光波导中。即，该装置在SAW波长改变时具有通带自动调谐特性。注意到，该滤波器同时对若干次级带进行同步通带调谐。可以将它们中的任何一个选作特定类型可调谐滤波器的工作带。
可以通过外部宽带光学滤波器和/或通过仅使用预定波长区域来传输数据，选择工作次级带。例如，对于相当于mλ＝10的次级带，工作波长将接近于1.54微毫米。在该值以下，所有结果将仅与最适用于光纤通信中用的所述次级带有关，所述次级带相当于当前使用的光放大器类型所覆盖的范围(1530-1565nm)。不过所有上述结论自然也适用于其它波长范围，即该滤波器是一种通用装置，因为仅其技术参数，例如传输线宽(参见公式(14))依赖光波长。
能够证明，由下式描述孔径为L的单个叉指型装置发射的SAW上光衍射带的光学宽度ΔλAO2～1.8λ0Λcos(θB)/L.(16)通过将AO单元的滤波特性(公式(16))与形成和选择装置的特性(公式(13))相乘，可以确定声光可调谐滤波器的滤波特性，也可以由声波来控制滤波特性。
图7中表示对于不同SAW波长(33-Λ＝12微毫米，34-Λ＝10微毫米，35-Λ＝8微毫米，36-Λ＝7微毫米，37-Λ＝6微毫米，38-Λ＝5微毫米)，对于mλ＝10，铌酸锂声光可调谐滤波器典型特征的例子。为了简化，考虑SAW上的光衍射效率，该效率近似正比于施加给叉指型装置电极的射频(RF)功率，将所有曲线归一化。显然，当SAW波长从5变到12微毫米时，该装置对1.511微毫米到1.571微毫米的光辐射，即在60nm的调谐带内，提供选择性滤波，大体上相当于在光纤和光放大器中发生信号的最小损耗。图8中表示出该滤波器传输线宽的形状(曲线39)。为了计算，假设对于所有单反射镜反射率为恒量。在0.5(或-3dB)大小处为0.1nm宽，其相当于在光波长上有600个可调谐通道。注意，当信号抑制程度降低时，滤波器传输线适当扩展，例如，在-10dB大小时，该线为0.33nm宽。
通过加权其传输系数，可以减小光学元件旁瓣最大值的大小。在我们的情形中，为了更好地抑制滤波器通带外面的寄生信号，选择单反射镜为具有可变的反射率，在形成和/或选择元件的起始和末端减小反射率。在考虑到滤波器传输线宽和旁瓣抑制大小的均衡要求的基础上选择反射率改变规则。为了证明图8(参见曲线40)所示滤波器的技术性能，还表示出对于加权函数为权重常数(C2)等于5的有限高斯函数(17)时，声光可调谐滤波器的传输。
ψ(m)＝exp{-C2(2m-M)/M]2}，m＝1，2，....M. (17)显然，加权函数的权重或光导模式场从条状光波导到平面光波导中的转换系数，导致在抑制程度较高时，必须改善对寄生信号的抑制，并使声光可调谐滤波器的传输线变窄。例如，对于单反射镜具有可变反射率的情形(曲线40)，在-3dB，带宽为0.1nm；在-10dB，带宽为0.17nm；在-20dB为0.22nm。即，该声光可调谐滤波器在-20dB提供270个独立通道，或者在-10dB提供350个通道；在调谐带(60nm)内对寄生信号的抑制超过35dB。
图9中表示出所用加权函数的类型。注意到，加权函数等于相应单反射镜位置附近平面光波导中光场幅值的相对大小。对于恒定反射率单反射镜，加权函数具有指数函数关系(曲线41)。曲线42表示加权函数为权重常数为5的有限高斯函数型。曲线43表示条状光波导的导光模场通过具有可变反射率的单反射镜时，所述场的变化。图10表示单反射镜反射率的相应变化，该改变提供图9所示加权函数42的预定形状。
存在外部宽带输入滤波器的使用不合需要，并且所要求的信号抑制带如此之宽，以至于同时包括若干次级带的情形。在这种情形中，将形成和/或选择元件的单反射镜设置成彼此不同间隔。在提供所需信号抑制的最佳过程的基础上选择它们的位置。例如，可以将它们的位置相对周期性伪随机排列偏移间隔(d0)的倍数，并对于从不同单反射镜镜面反射，并从条状光波导传输到平面光波导中的光束提供2π的相差。在反射镜设置成45°角的情形中，意味着间隔(d0)的大小等于可调谐滤波器的工作光辐射光波长，除以相应条状光波导的有效折射率(N)。反射镜的这种设置，提供了从不同反射镜形成的光束仅在可调谐滤波器的工作光辐射波长上的相干相加。对于与工作光波长足够远的所有其他光波长，从不同反射镜形成的具有不规则相移延迟的光束相加产生的场将很小，可以被忽略。
如果考虑单反射镜的伪随机排列，用下面的公式(18)代替公式(1)，可以根据公式(1)到(4)和(13)，仅根据数字进行这种类型声光可调谐滤波器的设计xm＝dm+d0Am，m＝1，2，3，....M， (18)其中d0＝λ0/N为反射镜伪随机排列的间距，λ0为可调谐滤波器的工作光辐射的光波长，Am为从-M0到+M0随机变化的一组整数(0，±1，±2，...±M0)，其中M0为反射镜伪随机排列的重数；M0必须小于比值d/d0。使用下式作为伪随机序列发生器Am＝Interger(M0sin(C3m2))， (19)其中C3为参数，在这种情况下C3＝400。
图11表示对于光束形成和选择元件的倾斜反射镜的周期性(曲线44和46)和伪随机(曲线45和47)排列(重数为4)，该声光可调谐滤波器的传输线宽形状。另外，当加权函数为权重常数为5的有限高斯函数(17)时，曲线44和46相应于单反射镜恒定反射率的情形，曲线45和47相应于单反射镜可变反射率的情形。
在滤波器抑制带内整个光波长变化范围中，选择两个接近于1.4微毫米和1.54微毫米的特征间隔，该间隔相应于SAW波长为7微毫米时，分别对于mλ＝11和mλ＝10两个干涉级，声光可调谐滤波器的最大传输。为了更好地论证声光可调谐滤波器的滤波特性，在图11中，对于mλ＝11(曲线44和45)和mλ＝10(曲线46和47)，将传输线形状表示为对数标度。特别是，通过比较曲线46和47，显然与反射率恒定的情形(曲线46)相比，对于单反射镜可变反射率的情形(曲线47)，滤波器通带外部的寄生信号抑制大大增加。
显然，实际上在次级带数目(或干涉级mλ)改变时，相应于间隔为7微毫米严格周期性排列的单反射镜的曲线44和46不变。即，如上所述，为了避免信号从相邻次级带通过，必须使用一附加的宽带滤波器和/或仅用于一个次级带内预定波长范围的数据传输。不过，如果将单反射镜设置成彼此不同间隔(参见曲线45)，那么该声光可调谐滤波器将仅透过由SAW波长确定的一个固定光波长。显然，与相应于mλ＝10的1540nm工作线相比，将相应于mλ＝11的1406微毫米线抑制成高于-40dB。因此，根据(18)单反射镜的伪随机排列提供了从不同反射镜形成的光束仅在一最接近于工作波长的光波长下的相干相加。在与工作波长足够远的所有其他光波长下，由从不同反射镜形成的光束相加所产生的场，具有不规则的相移延迟，为可忽略的那样小。注意，滤波器通带外部信号的抑制程度取决于反射镜伪随机排列的重数和滤波器抑制带总的大小。
注意，声光滤波器选择装置可以包括类似于4的多个条状波导，例如5和6；选择每个所述波导的单反射镜11的位置和倾角，使得它们将特定工作波长考虑在内，该特定工作波长仅是给定条状波导所固有的，不同于其他条状波导的工作波长。根据式(10)和(15)，由声波频率、条状光波导的有效折射率和反射镜的排列间距决定光学滤波器的工作频率。从而，根据公式(10)，所述被滤波辐射的波长改变(δλ/λ＝δN/N＝δd/d)均可以是结构性的，即均由条状波导的参数变化(折射率δN的变化)和/或由单反射镜排列间隔(δd)的等效变化引起的，并且指出何时施加外电场。特别是，当将来自直流受控源24的电场施加给电极对22时，在条状波导6附近出现由于电光效应或电致伸缩效应引起的折射率局部改变，且引起相移，并取代光学滤波器的工作波长。当将交变或恒定电场从相应电源25施加给电极23的端部时(图2)，可由热光效应提供类似的折射率改变。电流使电极23发热，引起波导5区域中折射率的局部改变，从而导致光学滤波器工作波长的偏移。
进一步讨论将辐射路径中最后一个条状波导7形成为与光束形成装置的条状波导3相同的情形。由反射镜10和11的几何结构以及公式(13)得出，该结构能够使宽带光信号通过。实际上，当光波长改变时，形成和选择元件的方向性图执行同步扫描，并且它们之间的角度实际上不变。因此，如果选择条状波导7的反射镜11的取向，使其工作光波长下的方向性图平行于形成元件的方向性图，那么在覆盖工作波长的足够大区域(超过60nm)的所有波长下，大部分光束能量(超过50％)将从该形成元件转移到选择元件。
然而，在该装置的输出端，对于除了那些使用声波偏转的波长以外的所有波长，实现宽带光信号从输入波导9到波导12的通过(通过功能)。注意波导21可以用于宽带光信号的通道(输出功能)，不过将该装置设计得越好(减小损耗)，到达波导12的光强越小(通常，小于10％)。预定波长的一部分偏转光束将被滤波，并且经由条状波导4-6，将它们通过相应选择元件传输到纤维光波导19中(功能为分支1，分支2和分支3)。不过，希望所有剩余(未滤波)波长也可以通过该装置。为了实现这个目的，该声光滤波器配备以附加的声波换能器20，该换能器适合产生沿与主换能器16的声波相反方向的声波，并能在选择装置最后和次后条状波导7和6之间的间隔内与该束光波相互作用。即，第二个声波在紧靠实现通过功能的选择装置的条状波导7的上部传播；从第一声音单元衍射的波的布喇格角与第二声音单元入射波的布喇格角相同(图3)。换句话说，如果从选择装置的条状波导输出镜面反射光束，它们将以布喇格角引导，作为第二声光单元的衍射光波(图3)。由于附加的声波换能器20，包括所有非滤波波长的光束将在第二声波下衍射，(与第一声波下的衍射相比)将沿相反方向偏转，并且可从使用选择元件的装置有效地输出到执行宽带光信号通过功能(通过)的条状波导7上。此外，第二声波将补偿附加的光频多普勒偏移，声波换能器16和20均能工作在同一频率上。
进一步讨论以零度布喇格角(共线的)引导的光束形成和/或选择元件镜面反射光束的特殊情形。根据曲线31的特性(图6)，根据本发明，该装置实现了光学多通道滤波器的功能，能在通过外部交流或直流电场改变折射率δN/N＝δλ/λ的现有可能性内对每个通道的工作光波长进行电子调谐。
根据本发明的声光可调谐滤波器，在高达60nm的调谐带内具有极小尺寸(在我们的例子中工作场小于1cm)、窄通带线(在3dB下为大约0.1nm，在-20dB下为大约0.22nm)，并且对滤波器通带外部的寄生信号高度抑制(超过30dB)。
工业应用性所提出的声光可调谐滤波器能适用于光纤通信中所使用的密集波分复用(DWDM)系统的设计领域，以及用于光辐射的小尺寸可调谐分光计，例如用于远程传感装置——用于探测气体、液体和固体成分的传感器。
可以通过为集成光学和微电子装置开发的已知方法来制造该声光可调谐滤波器。可以将任何已经发展为用于制造具有低损耗(小于，或者大约为1dB/cm)并且有效激发声波的光波导的方法的透明固体，用作制造该装置的材料。这种材料属于铌酸锂和钽酸锂，半导体异质外延结构AIIIBV，包括用于激发SAW的压电层的介质层结构，例如ZnO/SiO2/Si等。最简单并且在技术上相当容易实现的情况是基于由铌酸锂制成的具有良好光学、声光及电光性质的光波导的装置。
权利要求
1.一种声光可调谐滤波器，包括一用于传播光束(14)的平面光波导(2)，以及沿光辐射路径顺序设置的——用于形成光束的装置，声波换能器(16)，适合于产生能与该束光波相互作用并导致其在预定波长范围内衍射的声波(15)，和用于选择该光束的衍射部分的装置，其特征在于至少该光束形成装置和选择装置其中之一为设置在该平面波导(2)的平面中、在所述波导本身内或者在其附近的至少一个条状波导(3)的形式，并且形式上为与条状波导(3)的孔径重叠的多个单反射镜(10)，选择所述单反射镜的相对位置和倾角，使得对于任何一对从不同单反射镜(10)反射的光束(13)，保持工作辐射波长下的相差基本上为2π的倍数。
2.如权利要求1所述的声光滤波器，其特征在于该光束形成装置和选择装置均为条状波导(3和4)的形式，且该光束形成装置的条状波导的单反射镜(10)沿与该选择装置的单反射镜(10)的倾斜方向相反的方向倾斜。
3.如权利要求2所述的声光滤波器，其特征在于该选择装置包括多个相似的条状波导(4-7)，选择每个所述波导的单反射镜(11)的排列和倾角，以对特定波导选择独有的预定波长。
4.如权利要求3所述的声光滤波器，其特征在于辐射路径上的最后一个条状波导(7)以与光束形成装置的条状波导(3)相同地实现。
5.如权利要求4所述的声光滤波器，其特征在于所述滤波器具有附加的声波换能器(20)，该换能器适合于产生沿与主换能器(16)的声波反向引导，并能在该选择装置的最后和次后条状波导(6和7)之间的间隔内与该束光波相互作用的声波。
6.如权利要求1，2中任何一个所述的声光滤波器，其特征在于单反射镜(3-7)相对相应条状波导的轴的倾角为大约45°。
7.如前面任一权利要求所述的声光滤波器，其特征在于单反射镜(10，11)具有不同反射率，从条状波导的中间部分到其端部，其反射率的值减小。
8.如前面任一权利要求所述的声光滤波器，其特征在于彼此以不同间隔设置单反射镜(10，11)。
9.如前面任一权利要求所述的声光滤波器，其特征在于沿至少一个条状波导(5)设置电极(23)，该电极的端部与交流或直流受控电源(25)相连。
10.如权利要求1-8中任一权利要求所述的声光滤波器，其特征在于沿至少一个条状波导(6)设置与直流受控电源(24)相连的一对电极(22)。
全文摘要
一种声光可调谐滤波器，包括用于传播光束(14)的平面光波导(2)，以及沿光辐射路径顺序设置的一用于形成光束的装置；适合于产生声波(15)的声波换能器(16)，该声波能与该束光波相互作用，并导致它们在预定波长范围内衍射；以及一用于选择该光束的衍射部分的装置。该光束形成装置和选择装置以分别设置在该平面波导的平面中的条状波导(3)和(4－7)的形式实现，并且均都具有一组与相应条状波导(3)的孔径重叠的单反射镜(10)和(11)，选择反射镜的相对位置和倾角，以对于从不同单反射镜(10)反射的任何一对光束(13)保持工作辐射波长下的相差，且该相差值基本上为2π的倍数。
文档编号G02F1/11GK1449507SQ01814970
公开日2003年10月15日 申请日期2001年4月17日 优先权日2000年8月4日
发明者安德列·弗拉季米罗维奇·查列夫 申请人:安德列·弗拉季米罗维奇·查列夫