CN1417617A - 智能型薄膜滤波装置 - Google Patents

Abstract

一种智能型薄膜滤波装置包括一多层薄膜滤波层及一电控装置。该多层薄膜滤波层具有法布里－珀罗标准具(Fabry－Perot Etalon)结构，由中间间隔层与两侧多层高反射膜层组成，其一侧为H(LH)^P－1膜系，与之相对应的另一侧为(HL)^P－1H膜系，中间间隔层包含有一光学厚度为透射波长一半的电介质膜层，该电介质膜层由压电材料或其它厚度可控的光学材料如电光、磁光材料等制成。该电控装置接收出射光信号加以分析并自动控制使得该滤波器装置锁定透射预设中心波长，该控制通过改变该中间间隔层的光学厚度而实现。

Description

智能型薄膜滤波装置

【技术领域】

本发明关于一种智能型光学薄膜滤波装置，尤其是指一种可自动调整通带中心波长的智能型薄膜滤波装置。

【背景技术】

随着用户对各种不同业务如电子商务、网络会议等需求的不断提高，单模光纤传输容量的提升也被不断的提出与要求，密集波分复用***即一种极为有效的增加光纤传输容量的方法。波分复用***中，多个不同波长信号光通过波分复用器耦合入同一根单模光纤进行传输，于接收端，该复用多波长信号光利用波分解复用设备将不同波长信号光解复用至不同频道。通常，薄膜滤波装置常被用于解复用设备中以选择特定波长信号光入相应特定频道。为提高每一根单模光纤载波数的最大限度，每相邻不同波长间的间隔往往只有纳米数量级，故波长稍有偏移则可能对相邻传输波长造成干扰，甚至产生串扰，导致网络可靠性与安全性遭至破坏。由此，提供一种通带中心波长被精确锁定的滤波器实为必要。

常规薄膜滤波器请参阅图1，该薄膜滤波器1由高(H)、低(L)不同折射率电介质材料交替叠加于玻璃基板12上而成，每一层薄膜的光学厚度为通带中心波长λ₀的1/4倍，且叠加膜层的中间间隔层10包含两中心膜层，该两中心膜层同为低折射率电介质薄膜(LL)，且每一层膜光学厚度均为通带中心波长λ₀的1/4倍，而使得该中心间隔层10其光学厚度为通带中心波长λ₀的1/2倍，由此多层薄膜构成的薄膜滤波器1构成了一法布里-珀罗标准具(Fabry-PerotEtalon)结构，通常可由GH(LH)^P-1LL(HL)^P-1HA(G为玻璃基板12，P为膜层数，A为空气层)结构符号表示，H(LH)^P-1及(HL)^P-1H分别构成法布里-珀罗干涉***的两个高反射镜，而LL为中间间隔层。为获得最大的通过率，薄膜滤波器1需满足以下等式：

                  2nd·cosθ＝mλ

其中θ为入射信号光的入射角，n为中间间隔层10的折射率，d为该中间间隔层10的几何厚度，λ为通带中心波长。该等式显示，该薄膜滤波器1的通带中心波长λ将随入射角度θ及该中间间隔层10的光学厚度(nd)改变而改变。由此，一旦入射光角度θ有所变化，该薄膜滤波器1的通带中心波长λ亦随之移动，从而延展相应中心波长λ的带宽，限制单根单模光纤可传送的频道数；另外，因该通带中心波长还与间隔层厚度d相关，使得该薄膜滤波器1对镀膜技术及镀膜材料要求极高，稍有偏差便有可能产生不良品，以致提高生产成本。此外，当所需通带波段改变时，该种薄膜滤波器便成为废品，无法被再利用，此对各次***及***厂商的成本控制极为不利。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种智能型薄膜滤波装置，该滤波装置的通带中心波长可自动锁定于所需波长，且该滤波装置的通带中心波长可方便调谐。

本发明的目的是这样实现的：提供一智能型薄膜滤波装置包括一薄膜滤波层及一电控装置，该多层薄膜滤波层具法布里-珀罗标准具结构，由中间间隔层与两侧多层高反射膜层组成，该两侧反射膜系其一侧为H(LH)^P-1膜系，与之相对应另一侧为(HL)^P-1H膜系，该中间间隔层包含有一空间中空层及一电介质膜由压电材料或其它厚度可控的材料如电光、磁光材料等制成。该电控装置接收出射光信号加以频谱分析并自动反馈控制使得该滤波器装置锁定透射预设中心波长，该控制通过改变该中间间隔层电介质膜的厚度来实现。

与已有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用电控装置自动控制该智能型薄膜滤波装置的通带中心波长，使得通带中心波长λ₀具有可调性，于镀膜过程中对膜层厚度控制要求相对降低，从而可提高生产效率和良率。且对于一些不良品，只需调整其中压电介质膜周围电极上的电压，便可获得预设通带中心波长，由此缩小生产成本。另外，如果整个通讯***传输波长标准有所改变，该智能型薄膜滤波装置也可通过改变外加电压而被再利用，从而减少浪费。

【附图说明】

图1是常规薄膜滤波器结构示意图。

图2是本发明智能型薄膜滤波装置第一实施例的薄膜滤波层放大结构示意图。

图3是本发明智能型薄膜滤波装置的电控装置电路图。

图4是本发明智能型薄膜滤波装置第一实施例放大结构示意图。

图5是本发明智能型薄膜滤波装置第二实施例放大结构示意图。

【具体实施方式】

请参阅图2，为本发明智能型薄膜滤波装置第一实施例之薄膜滤波层2的放大结构示意图，其由多层反射膜20和玻璃基底28组成，该多层反射膜20包括一中间间隔层26和两侧反射膜系22、24。该两侧反射膜系22、24交替由较高折射率n_H与较低折射率n_L两种电介质材料叠加而成，其膜层数量均可多达数十层，每一层该交替膜层的光学厚度为预设通带中心波长λ₀的1/4倍，且其与玻璃基底28、中间间隔层26及外接空气相邻的薄膜层均为具有较高折射率n_H的电介质膜。该中间间隔层26包括一空间中空层263与一介质膜261，该介质膜261可由任一光学厚度可控的材料如压电、电光及磁光等材料制成，图2所示该介质膜261是由压电材料制成，该压电介质膜261具有较低的折射率，且其光学厚度为预设通带中心波长λ₀的1/4倍，该压电介质膜261远离中心的边缘部分较中心区域略有凹陷。该中间间隔层26进一步包括两电极262，该电极262如甜甜圈(Donut)般套装于该压电介质膜261两侧远离中心的边缘部分，由此，改变加于该电极262上的电压可改变该压电介质膜261的折射率n’与几何厚度d’，从而改变其光学厚度n’d’。如果我们采用下列符号：

G代表玻璃基底

A代表空气

H代表光学厚度为λ₀/4的高折射率膜层

L代表光学厚度为λ₀/4的低折射率膜层

P代表两侧反射膜系的膜层数(P＝1，2，3……)

L’L’代表光学厚度为半波长的压电介质膜层

n’d’代表该压电介质膜的光学厚度

该薄膜滤波层2两侧反射膜系22、24其靠近压电介质膜261的膜层、反射膜系22靠近外接空气的膜层及反射膜系24靠近玻璃基板28的膜层均为高折射率膜层H，以中间压电介质膜层(L’L’)261为界，靠近空气层上侧反射膜系22为H(LH)^P-1膜系，靠近玻璃基底下侧反射膜系24为(HL)^P-1H膜系，则该薄膜滤波层2由两组交替排列相反的反射膜系H(LH)^P-122、(HL)H^P-124与压电介质膜层(L’L’)261组合而成。并可用下面结构符号表示：

              GH(LH)^P-1L’L’(HL)^P-1HA

由此可知，实质上该薄膜滤波层2已构成为一法布里-珀罗标准具结构，H(LH)^P-1和(HL)H^P-1分别构成法布里-珀罗干涉结构的两个高反射镜，而L’L’则为中间的间隔层。

由光学原理可知，于单层薄膜中，如单层薄膜膜层的光学厚度为某一特定波长的一半时，不管膜层折射率如何，该波长光信号均可透过(反射率R＝0)，就像该膜层并不存在一样，然而该膜层对于其它波长则无此特性。

本发明智能型薄膜滤波装置4中，该压电介质膜261(L’L’)的光学厚度(n’d’)预设为预设通带中心波长λ₀的1/2倍，故该膜层可完全透过波长为λ₀的信号光，就像该膜层并不存在一样。由此，紧靠该压电介质膜261(L’L’)的两层H层就如同靠在一起而构成一HH的1/2λ₀层，因此λ₀又完全透射，由此，该HH膜层又可认为不存在，如此又有一个LL层，HH层……最后整个多层反射膜20对波长为λ₀的信号光的透射率就如同玻璃基底28对该波长透射率一样，完全透过波长为λ₀的信号光。而对于其它波长光信号则因不满足半波长条件，使其透射率迅速下降，每通过一层下降一次，最后被滤掉而不能透过，因而最后只有指定波长λ₀的光信号可透过，从而达到滤波的目的。

然而，实际中要获得最大透过率需满足以下等式：

                 2n’d’·cosθ＝mλ

其中θ为入射信号光的入射角，n’为压电介质膜261的折射率，d’为该压电介质膜261的几何厚度，λ₀为通带中心波长，n’d’为该压电介质膜261的光学厚度。

为减小以致消除入射角θ变动及制程上的缺陷带来的通带中心波长λ₀的偏移，本发明智能型滤波装置4外接一电控装置3来调节该压电介质膜261的光学厚度n’d’。请参阅图3，该电控装置3由一光电二极管30、运算放大器32及线圈34组成，该线圈34与光电二极管加有偏置电压36，运算放大器输出电压38。

组装时，如图4所示，将电控装置3中放大器32输出电压38同压电介质膜261一侧电极262相连，而另一侧电极接地。该电控装置3的反馈机制通过光电二极管30探测光信号，并利用光穿透极值与运算放大器32结合找到透射波长光的极值，同时将结果反映于运算放大器32的输出电压38，该电压38可控制压电介质膜261的折射率n’与其几何厚度d’，进而控制该压电介质膜261的光学厚度n’d’，最终达到控制通带中心波长λ₀的目的。由于通带中心波长λ0的可调性，于镀膜过程中对膜层厚度控制要求相对降低，从而可提高生产效率与良率。且对于一些不良品，只需调整压电介质膜261周围电极262上的电压，便可获得预设通带中心波长，由此缩小生产成本。

另，若整个通讯***传输波长标准有所改变，该薄膜滤波装置可通过改变外加电压而再利用，从而减少浪费。

须说明的是：本发明智能型薄膜滤波装置的电控装置可为任何具以下功能的智能反馈装置，其可探测出射光信号波长并将之转化为电信号加以分析，根据分析结果的不同作出不同的反应，并由此控制薄膜滤波层2中中间间隔层26的介质膜261的光学厚度，从而控制该智能型薄膜滤波装置的通带波长。

请继续参阅图5，为本发明智能型薄膜滤波装置第二实施例，同智能型滤波装置4相似，该智能型薄膜滤波装置4’由多层反射膜20’、玻璃基底28及电控装置3构成。该多层反射膜20’由2个或2个以上GH(LH)^P-1L’L’(HL)^P-1HA膜系组合而成，且该膜系结构可为该第一实施例中多层反射膜20的任意组合。另，各膜系之间可无间隔直接镀附相接。该智能型薄膜滤波装置4’的多个膜系组合而成可获得更佳滤波效果，其滤波所得波形更趋理想的方波形态。

Claims (15)

1.一种智能型薄膜滤波装置包括一玻璃基底、一中间间隔层及两反射膜系，该反射膜系位于该中间间隔层两侧，由高低折射率两种介质交替叠加而成，且其中靠近该玻璃基底、中间间隔层及空气层的薄膜层均为高折射率介质层，其特征在于：该中间间隔层包括有一空间中空层及一光学厚度可控的介质薄膜，且该介质薄膜为低折射率介质。

2.如权利要求1所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该光学厚度可控的介质薄膜由压电材料制成。

3.如权利要求2所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该中间间隔层进一步包括两电极位于该压电介质膜两侧，通过改变电极上的电压可改变该压电介质薄膜的光学厚度。

4.如权利要求3所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该电极如甜甜圈般套装于该压电介质膜两侧远离中心的边缘部分。

5.如权利要求3所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该空间中空层位于该压电介质膜的中央。

6.如权利要求2所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该介质薄膜的预设光学厚度为预设通带中心波长的1/2倍，该两侧多层高反射膜的光学厚度为预设通带中心波长的1/4倍。

7.如权利要求1所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该智能型薄膜滤波装置还包括一调节控制介质薄膜光学厚度的电控装置。

8.如权利要求1所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该光学厚度可控的介质薄膜由电光材料制成。

9.如权利要求1所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该光学厚度可控的介质薄膜由磁光材料制成。

10.一种智能型薄膜滤波装置包括一玻璃基底，至少两多层反射膜系，由高低折射率两种介质交替叠加而成并形成于该玻璃基底上，一中间间隔层，其特征在于：该中间间隔层设置于该至少两多层反射膜系之间，其进一步包括有一空间中空层及一光学厚度可控制的介质薄膜，且该介质薄膜为低折射率介质，其预设光学厚度为预设通带中心波长的1/2倍该至少两多层反射膜系靠近该玻璃基底、中间间隔层及空气层的薄膜层均为高折射率介质层。

11.如权利要求10所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该光学厚度可控的介质薄膜由压电材料制成，其预设光学厚度为预设通带中心波长的1/2倍，且该中间间隔层进一步包括两电极位于该压电介质膜两侧，通过改变电极上的电压可改变该压电介质薄膜的光学厚度。

12.一种智能型薄膜滤波装置包括一玻璃基底，至少两多层反射膜系，由高低折射率两种介质交替叠加而成并形成于该玻璃基底上，一中间间隔层，位于两反射膜系之间，其特征在于：该中间间隔层包括有一空间中空层、一光学厚度可控的低折射率介质薄膜，且该智能型薄膜滤波装置还包括一可根据接收光信号智能控制该中间间隔层中介质薄膜光学厚度的电控装置。

13.如权利要求12所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该中间间隔层中光学厚度可控的介质薄膜由压电材料制成。

14.如权利要求13所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该中间间隔层进一步包括两电极位于该压电介质膜两侧，该电控装置通过控制施加于该电极上的电压而控制该压电介质薄膜的光学厚度。

15.如权利要求14所述的智能型薄膜滤波装置，其特征在于该电控装置可由一光电二极管、一线圈及一运算放大器组成，该运算放大器的输出电压即为控制该中间间隔层中电极的施加电压。

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