基于各向异性介质的多通道平顶偏振滤波器的设计

作者:顾佩芸;张娟;周益 刊名:光电子.激光 上传者:冯广华

【摘要】以含各向异性介质的中心对称膜层结构为对象,通过对光束入射角及各介质层结构参数的分析,设计了一种应用于密集波分复用(DWDM)系统的TM和TE偏振光均透射的平顶多通道偏振滤波器。给出了100GHz信道间隔的平顶偏振滤波器设计实例,其TM、TE偏振光的透射率均在99.999%以上,半高全宽(FWHM)分别为17.70GHz和19.14GHz,截止度分别约为35.74dB和33.40dB,且两偏振光的各透射窗口的中心频率均符合ITU-T标准。利用光学薄膜设计软件TFCalc对本文设计的结构进行了性能模拟,所得结果与利用传输矩阵法的理论结果几乎完全一致,验证设计此结构的可行性。最后,讨论了各介质膜层折射率对滤波器性能参数的影响。本文设计结构简单,用较少的膜层数就能实现高透射率的偏振滤波。

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1引言光学滤波器[1,2]是光系统中的关键器件。随着密集波分复用(DWDM)系统的不断发展,光滤波器的光谱分辨要求也越来越高。光学偏振滤波器[3]是按光的偏振特性进行滤波的一种光学滤波器,其在消除偏振模色*E-mail:juanzhang@staff.shu.edu.cn散、偏振相关损耗等方面具有重要作用。光学偏振滤波器的光谱特性要求透射的偏振光要有较高的透射率,对截止的偏振光有较高的隔离度,且两种偏振分量的透射带彼此分离。薄膜光学滤波器[410]具有结构简单、成本低和工艺成熟可靠等特点,是目前使用最广泛的一种光学滤波器。对于薄膜偏振滤波器的研究大多是透射TM偏振光而反射TE偏振光,且多为少数几个透射峰[11,12]。近年也有少数TM、TE偏振光都透射的报道[1316]。张文富等人[13]通过在一维光子晶体异质结结构中引入各向异性介质,设计了TM和TE两个偏振态都透射的偏振带通滤波器。赵星星等人[14]提出了缺陷为量子阱的光子晶体结构,在THz波段设计了单通道和双通道的TM和TE偏振态都透射的偏振滤波器。以上这些偏振滤波器都是单个或少数几个透射峰。近期,我们基于各向同性介质的膜腔结构,分别设计得到了应用于DWDM系统的平顶多通道滤波器[17]和TM偏振光透射、TE偏振光截止的平顶多通道偏振滤波器[18]。在此基础上,本文从中心对称的多层薄膜结构出发,通过引入各向异性介质,系统研究了入射角和各介质参数对该结构的平顶偏振滤波特性的影响,设计得到了TM和TE偏振光均透射的平顶多通道偏振滤波器。这种滤波器结构简单,可以用较少的膜层数实现性能良好的偏振滤波功能。文中给出了具体的设计实例,TM、TE偏振光的截止度分别约为35.74dB和33.40dB,透射率都在99.999%以上,且TM、TE偏振光能很好的分离,两偏振光的各透射窗口中心频率符合ITU-T标准。此外,也给出了利用TFCalc软件的该结构滤波器的模拟结果,与设计结果一致。最后,进一步系统研究了各介质层折射率对透射率谱性能的影响。2设计原理中心对称的多层薄膜结构(AB)5C(BA)5中,薄膜A、B和C介质的光学厚度nd=0/4=387.53nm(0=1550nm)。A、B分别为各向同性介质Ta2O5(折射率nA=1.99)、GaAs(折射率nB=3.4)。考虑到各介质均为各向同性介质时,设计偏振滤波器的入射角往往较大[6],因此,C介质选各向异性介质钒酸钇(YVO4)。当TM偏振光在C层传播时,其折射率nC=1.9447;当TE偏振光在C层传播时,其折射率nC=2.1486。该结构的透射特性可通过传输矩阵法计算。TM偏振光和TE偏振光的透射率随不同入射角变化的透射谱,如图1所示。从图1(a)可以看出,当光正入射时,TM和TE偏振光的透射峰未分开,其中心波长相同。图1透射谱随入射角度的变化Fig.1Transmissionspectrawithdifferentincidentangles光电子激光2012年第23卷当入射角分别为10、30和45时,如图1(b)、(c)和(d)所示,此时两偏振光的透射谱慢慢分离,TM、TE偏振光的透射谱间隔分别为1.17、2.89和7.44THz。入射角越大,两偏振光的透射谱分离的越大。随着角度的增大,TM偏振光和TE偏振光的透射带都向高频率方向漂移,且TE偏振光频移的速度比TM偏振光快。由此可知,要使TM、TE偏振光的透射谱分离,光必须以一定角度入射。由类似文献[5]对中心对称结构的介质研究可知,C介质的厚度越大,频率间隔越小。为了得到较小频率间隔应用于DWDM系

参考文献

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