可调谐薄膜滤波器消偏振机理与低角度敏感性研究

The project researches and develops a novel non-polarization broadband angle-tuned tunable thin-film filter for the intelligent optical switching network and dense wavelength division multiplexing system. By the proposed theoretic mathematical models, the wavelength tuning and polarization characteristics can be analyzed, and the 100GHz、50GHz channel spacing angle-tuned thin-film filter stack can be designed and fabricated. The principles and design methods of the low angle sensitivity tunable thin-film filter can also be revealed to expand the wavelength tuning range and to reduce the cost of the angle controlling system. The constraints for the high rectangular degree, low polarization dependent loss and low angle sensitivity can be revealed through the experiment analysis of the device. The advanced theoretical analysis, experiment test and device fabrication will support the further development of the high performance, low cost and non-polarization tunable thin-film filter. With the wide wavelength tuning range, low angle sensitivity and non-polarization, the tunable thin-film filter can be widely used in the modern intelligent optical networks, sensor networks and tunable light source system. It can also be used to fabricate the reconfigurable optical add-drop multiplexer, which is the key apparatus of the DWDM system.

本项目以新颖光交换网络与密集波分复用系统为应用背景，以单片集成的宽波段角度调谐薄膜滤波器为研究对象，将器件波长调谐的消偏振物理研究与器件研制紧密结合、共同实施。通过拟建立的数学模型从理论上分析器件的波长调谐和偏振特性，设计可制备的100GHz和50GHz信道间隔角度调谐薄膜滤波器膜系结构；揭示低角度敏感性可调谐薄膜滤波器的设计原理和方法，以进一步扩大器件的波长调谐范围，降低角度控制系统的设计难度与成本；通过实验手段对研发器件进行测试与分析，探索和印证器件实现高矩形度、低偏振相关损耗和低角度敏感性的限制因素；为进一步开发出高性能、低成本的消偏振可调谐薄膜滤波器奠定先进的理论分析、实验测试和器件制备的基础。具有消偏振特性、宽波长调谐范围和低角度敏感性的可调谐薄膜滤波器在现代智能光网络、传感网络和可调谐光源等方面有重要的应用价值，并可用于构成密集波分复用系统中的关键器件-可重构光分插复用器。

波长可调谐光学滤波器是新颖智能光交换网络与密集波分复用系统中的核心器件。而薄膜干涉滤光片由于具有较低的插损、较高的矩形度和较好的温度稳定性被广泛应用于密集波分复用系统中作为信道选择器件。利用角度调谐，薄膜滤光片可以实现波长调谐。但是角度调谐薄膜滤光片由于严重的偏振敏感性与角度敏感性限制了其入射角度及波长可调谐范围。传统的角度调谐滤光片其入射角度小于15°，有效波长调谐范围小于15nm。本项目对薄膜干涉滤光片在倾斜入射时的光场输出特性、消偏振膜系结构、膜系寻优算法及低角度敏感性膜系结构设计等方面进行了较为深入的理论分析和实验研究，分别从角度调谐薄膜滤光片新结构、消偏振膜系结构和低角度敏感性膜系结构三个方面设计具有更大入射角度及波长可调谐范围的可调谐薄膜滤光片。在薄膜滤光片新结构方面，通过对薄膜滤光片在倾斜入射时的输出光场分布的计算仿真，发现了薄膜滤光片的楔角参量对倾斜入射时的输出光谱特性有着明显的影响，提出了利用楔形结构的薄膜滤光片抑制倾斜入射时透射光斑的展宽现象，从而能提高耦合度、改善了大角度倾斜入射状态下的光谱劣化现象，实验证明该方式能将薄膜滤光片的入射角度在膜系不做改进的情况下增加到17.5°，波长可调谐范围增大10nm。在膜系消偏振机理研究方面，不仅通过调节薄膜滤光片间隔层的等效折射率来抑制倾斜入射时的偏振光中心波长分离现象，还通过对薄膜滤光片反射镜层膜系结构的理论研究及计算来消除倾斜入射时的偏振光带宽分离现象。最终提出了一种利用三种不同折射率材料实现倾斜入射状态下能完全消偏振的100GHz信道间隔薄膜滤光片膜系结构。理论计算该滤光片能实现25°倾斜入射状态下的消偏振。在薄膜滤光片低角度敏感性设计上，理论上分析了薄膜滤光片膜系结构与倾斜入射下波长漂移的关系，提出了利用TiO2和Si等高折射率材料作为间隔层来降低薄膜滤光片角度敏感性的方法。最终利用偏振分束器设计和低角度敏感性薄膜滤光片制备了入射角度可达32°，波长可调谐范围能覆盖整个C波段的可调谐薄膜光学滤波器。