基于熱光系數(shù)互補(bǔ)的雙折射光濾波器

劉繼紅， 郭 嘉， 田瑞霞

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

基于熱光系數(shù)互補(bǔ)的雙折射光濾波器

劉繼紅， 郭 嘉， 田瑞霞

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

設(shè)計(jì)出一種基于晶體材料熱光系數(shù)互補(bǔ)的濾波器結(jié)構(gòu)，以提高雙折射光濾波器的溫度穩(wěn)定性。使用LiNbO3對(duì)YVO4進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)光波兩個(gè)正交偏振分量間產(chǎn)生恒定相位差的條件，優(yōu)化晶體波片的厚度比，當(dāng)溫度和波長(zhǎng)分別為20 ℃和1 550 nm時(shí)，計(jì)算出YVO4和LiNbO3波片的最佳厚度比是6.54∶1。實(shí)驗(yàn)采用厚度分別為10 mm和1.515 mm的波片，結(jié)果表明溫度在20±15℃變化時(shí)，雙折射濾波器中心波長(zhǎng)的最大偏移為0.087 5 nm，滿足光纖通信應(yīng)用對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求。

雙折射光濾波器；雙折射晶體；溫度穩(wěn)定性；熱光系數(shù)

雙折射光濾波器結(jié)構(gòu)眾多[1-2]且應(yīng)用廣泛[3-5]，典型的一階結(jié)構(gòu)由依次放置的輸入偏振器、波片和輸出偏振器組成[6]。反映雙折射光濾波器特性的兩個(gè)主要指標(biāo)是通帶譜形和溫度穩(wěn)定性。在Lyot型[7]、Solc型[8]等高階濾波器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通帶譜形易達(dá)到應(yīng)用要求[9-11]，但因雙折射晶體的折射率和厚度對(duì)溫度變化較為敏感，故尋求溫度穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。為提高光濾波器溫度穩(wěn)定性，可使用熱穩(wěn)定性好的材料、將濾波器置于密閉恒溫環(huán)境以及通過(guò)溫度傳感進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)萚12]。

當(dāng)雙折射光濾波器用于密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)時(shí)，要求濾波器具有窄的自由光譜范圍，因此，設(shè)計(jì)只能使用雙折射率較大的晶體材料，而溫度穩(wěn)定性良好的石英等則無(wú)法使用。此外，密閉恒溫和附加傳感器的方法，在此要求下會(huì)造成濾波器結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，且會(huì)增加成本。

本文針對(duì)基于YVO4晶體波片的一階雙折射光濾波器，擬利用晶體材料熱光系數(shù)存在互補(bǔ)的現(xiàn)象[13-14]，通過(guò)LiNbO3補(bǔ)償YVO4的溫度系數(shù)，即把這兩種晶體波片按一定厚度比例組合，增強(qiáng)雙折射光濾波器的溫度穩(wěn)定性。

1 一階雙折射光濾波器性能

在一階雙折射光濾波器中，光波通過(guò)波片后兩個(gè)正交偏振分量之間的相位差為

其中：λ和L分別為光波長(zhǎng)和波片厚度；Δn=ne-no是晶體的雙折射率；ne和no分別是波片中e光和o光的折射率。波片的雙折射率和厚度都與溫度相關(guān)，故濾波器通帶中心波長(zhǎng)會(huì)隨溫度變化漂移。當(dāng)溫度由T1變化到T2時(shí)，相位差的變化為

根據(jù)上式對(duì)基于YVO4波片的雙折射光濾波器溫度特性進(jìn)行仿真，其中波片厚度為10 mm，此時(shí)，濾波器在1 550 nm處的自由光譜范圍約1.18 nm。YVO4波片的熱光系數(shù)和光波傳播方向上的熱膨脹系數(shù)如表1所示[13-14]，仿真中假設(shè)這兩個(gè)系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。濾波器中心波長(zhǎng)隨溫度的偏移如圖1所示，在5～35°C的溫度范圍內(nèi)，最大偏移約0.52 nm。對(duì)于光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般要求濾波器中心波長(zhǎng)偏移不大于其自由光譜范圍的10%，可見(jiàn)，基于YVO4單種晶體的雙折射光濾波器無(wú)法滿足要求。

表1 YVO4和LiNO3兩種晶體的參數(shù)(20°C)

圖1 YVO4雙折射光濾波器的溫度特性

2 溫度穩(wěn)定的雙折射光濾波器

由表1可看出，YVO4和LiNO3的熱光系數(shù)符號(hào)相反，如果把兩種晶體波片依次放置，且光軸同向，則可能構(gòu)成與溫度無(wú)關(guān)的熱穩(wěn)定濾波器。以下對(duì)這種結(jié)構(gòu)中波片的厚度比例進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)溫度由T1變化到T2時(shí)，兩個(gè)波片引起的相位差變化為

代入表1中的參數(shù)，求得最佳厚度比為6.54∶1。

YVO4和LiNbO3波片分別取10 mm和1.53 mm時(shí)，仿真得到的濾波器中心波長(zhǎng)偏移情況如圖2所示，其中溫度在5～35°C之間變化時(shí)，最大偏移約0.11 pm。對(duì)比圖1易見(jiàn)，熱光系數(shù)補(bǔ)償方法能夠顯著提高濾波器的溫度穩(wěn)定性。

圖2 YVO4與LiNbO3組合濾波器的溫度特性

3 實(shí)驗(yàn)與討論

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)所用YVO4和LiNbO3波片由Photoptech公司生產(chǎn)，厚度分別是10 mm和1.515 mm，厚度比為6.6∶1，接近最佳厚度比；偏振器采用晶體偏振分束器，它們的通光方向與波片光軸的夾角為45°C；激光器輸出的光波波長(zhǎng)和光譜寬度分別是1 543 nm和0.1 nm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，把如圖3所示虛線框內(nèi)的部分放入高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱，通過(guò)改變溫度，記錄功率數(shù)值驗(yàn)證濾波器的溫度穩(wěn)定性。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

為了對(duì)比采用單種晶體和組合晶體的濾波器性能，首先測(cè)試只放置YVO4或LiNbO3波片的情況，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 YVO4雙折射光濾波器輸出功率隨溫度的變化

圖5 LiNbO3雙折射光濾波器輸出功率隨溫度的變化

由圖4和圖5可見(jiàn)，溫度變化時(shí)濾波器中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，從而探測(cè)到的光功率不斷變化。擬合的功率曲線具有余弦特征，符合一階雙折射光濾波器的響應(yīng)特征。擬合曲線對(duì)應(yīng)的溫度周期分別約26℃和28.4℃，且LiNbO3對(duì)應(yīng)的周期大于YVO4的。這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所用的波片厚度比大于最優(yōu)厚度比一致，即LiNbO3波片厚度變薄，功率變化對(duì)應(yīng)的溫度周期增大。雖然無(wú)法通過(guò)功率曲線判斷兩種濾波器中心波長(zhǎng)的偏移方向，但由表1的參數(shù)可知，隨著溫度升高，YVO4波片的等效光學(xué)厚度(即Δn1L1)減小，而LiNbO3的增大，因此兩個(gè)濾波器的中心波長(zhǎng)偏移方向應(yīng)該相反。進(jìn)一步，如果溫度變化時(shí)兩個(gè)濾波器中心波長(zhǎng)的偏移速率相同，即兩條曲線具有相同的周期，則可以互相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)溫度無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)。

YVO4和LiNbO3兩種波片組合的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。當(dāng)兩個(gè)波片的光軸平行時(shí)，探測(cè)到的功率在整個(gè)溫度范圍內(nèi)變化很小，與之相反，波片的光軸垂直時(shí)，功率變化曲線具有明顯的周期特性，而且比圖4和圖5中的周期更小。由于功率起伏和濾波器中心波長(zhǎng)漂移對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)，只有組合的兩個(gè)波片光軸平行才能降低波長(zhǎng)隨溫度變化的漂移，否則，比使用一種波片的濾波器穩(wěn)定性更差。溫度變化30℃時(shí)，兩種晶體補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的歸一化功率起伏峰-峰值為0.07，而只使用YVO4波片會(huì)變化1.15個(gè)周期(圖4)，可見(jiàn)，LiNbO3能夠補(bǔ)償YVO4對(duì)溫度的敏感性。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中濾波器的自由光譜范圍是1.25 nm，由歸一化功率起伏峰-峰值可推算出濾波器中心波長(zhǎng)的最大偏移為0.087 5 nm，能夠滿足光纖通信等應(yīng)用的要求。

圖6 YVO4和LiNbO3組合濾波器輸出功率隨溫度的變化

和圖3的理想情況比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大偏差，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)：第一，實(shí)驗(yàn)中所用波片的厚度比不是最佳的，如果二者的厚度比更接近理論計(jì)算值，則濾波器的溫度穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步提高；第二，根據(jù)表1中各參數(shù)設(shè)計(jì)的最優(yōu)厚度比是針對(duì)特定波長(zhǎng)(1 550 nm)和溫度(20℃)的，而實(shí)驗(yàn)中激光器的波長(zhǎng)是1 543 nm，且環(huán)境溫度變化。另外，這里針對(duì)一階雙折射光濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究，而高階雙折射光濾波器可以看成是多個(gè)一階的串聯(lián)，因此，熱光系數(shù)補(bǔ)償方法也適用于高階雙折射濾波器。

4 結(jié)語(yǔ)

使用厚度為1.515 mm的LiNbO3波片對(duì)10 mm厚的YVO4波片進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)溫度變化30℃時(shí)，雙折射濾波器中心波長(zhǎng)的最大偏移只有0.087 5 nm，這說(shuō)明熱光系數(shù)互補(bǔ)方法有效，可提高雙折射光濾波器的溫度穩(wěn)定性。由于條件限制，實(shí)驗(yàn)中所采用的波片厚度比不是最佳取值，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算有較大偏差。另外，本文基于熱光系數(shù)互補(bǔ)方法，只研究了YVO4和LiNbO3這兩種晶體的補(bǔ)償效果，有必要進(jìn)一步研究其他可行晶體組合的性能。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

A birefringent optical filter based on complementary thermo-optic coefficients

LIU Jihong, GUO Jia, TIAN Ruixia

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In order to improve the thermal stability of birefringent optical filters, a filter structure based on the complementary characteristics of thermo-optic coefficients between different crystals is proposed in this paper. In this structure, LiNbO3crystal is chosen to compensate temperature dependence of YVO4crystal. The thickness ratio of LiNbO3and YVO4waveplates is optimized according to a produced constant phase difference between two orthogonal polarization components of incident light. At the wavelength of 1 550 nm and under the temperature of 20 ℃, the calculated optimal thickness ratio is 6.54∶1. During the experiments, the waveplates are adopted with the length of 10 mm and 1.515 mm, respectively. Experimental results show that the maximal drift of the central wavelength of birefringent optical filter is 0.087 5 nm within the temperature range of 20±15 ℃. This meets the requirement for the wave-length stability in fiber-optic communication systems.

birefringent optical filter, birefringent crystal, temperature stability, thermo-optic coefficient

2015-03-01

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA014504)；陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013JK1046)

劉繼紅(1977-)，男，博士，教授，從事光通信技術(shù)研究。E-mail：ong1705@xupt.edu.cn 郭嘉(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣饫w通信。E-mail：316034511@qq.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.06.018

TN913.7

A

2095-6533(2015)06-0082-04