基于一維耦合腔光子晶體的聲光可調(diào)諧平頂濾波器的研究

張若羽 李培麗

(南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院, 南京 210023)

本文利用一維耦合腔光子晶體, 提出了一種聲光可調(diào)諧平頂濾波器.該濾波器利用聲光效應(yīng), 通過(guò)改變超聲波頻率使一維耦合腔光子晶體透射譜的平頂濾波器的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移, 從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的濾波功能.基于傳輸矩陣法和聲光效應(yīng)理論, 建立了這種平頂濾波器的理論模型; 利用COMSOL 軟件, 對(duì)平頂濾波器的矩形度、通帶帶寬、插入損耗、可調(diào)諧特性、加工精度進(jìn)行仿真研究.研究結(jié)果表明, 通過(guò)施加頻率為6—11 MHz的超聲波, 可實(shí)現(xiàn)通帶帶寬為5—6 nm 及中心波長(zhǎng)在1514—1562 nm 范圍內(nèi)可調(diào)諧的平頂濾波器; 在可調(diào)諧范圍內(nèi)通帶帶寬內(nèi)插入損耗不超過(guò)2.23 dB, 最低僅為0.78 dB, 矩形度最低可達(dá)1.4; 加工誤差在 ± 10 nm 內(nèi)平頂濾波器的中心波長(zhǎng)、矩形度、插入損耗、通帶帶寬出現(xiàn)的偏差很小.該平頂濾波器具有易于設(shè)計(jì)和集成、通帶平坦、可調(diào)諧范圍寬、通帶帶寬穩(wěn)定、插入損耗低、品質(zhì)因素高的特點(diǎn), 在光開關(guān)、可調(diào)諧光纖激光器、光纖傳感等光通信領(lǐng)域有重要應(yīng)用.

1 引 言

隨著光通信的普及和發(fā)展, 光濾波器作為光纖通信及光網(wǎng)絡(luò)中最基礎(chǔ)的元器件之一, 需求量巨大且應(yīng)用范圍廣泛, 其技術(shù)水平和產(chǎn)量大小會(huì)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展產(chǎn)生直接影響[1].可調(diào)諧濾波器具有提高光通道的靈活選擇性和降低光器件的工作成本的優(yōu)點(diǎn).聲光可調(diào)諧濾波器是一種基于各向異性晶體在聲光作用下的反常布拉格衍射效應(yīng)制成的可調(diào)諧濾波器[2].近年聲光可調(diào)諧濾波器的制作工藝越來(lái)越成熟, 具有較寬的調(diào)諧帶寬, 可以進(jìn)行多個(gè)波長(zhǎng)選擇[3].聲光可調(diào)諧濾波器在成像光譜技術(shù)、光柵分光技術(shù)、半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧濾光技術(shù)等方面取得重大突破[4].光子晶體聲光可調(diào)諧濾波器[5]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成、調(diào)諧可控, 能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)信息的高效處理, 在光纖通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用, 尤其是波分復(fù)用、頻譜分析等方向.

按照通帶濾波特性分類, 一維光子晶體濾波器可分為平坦型濾波器、波紋型濾波器、線性相移型濾波器[6].其中, 一維光子晶體平坦型濾波器的矩形度達(dá)到一定程度則可稱為一維光子晶體平頂濾波器[7].由于目前對(duì)一維光子晶體可調(diào)諧平頂濾波器研究較少, 本文對(duì)利用聲光效應(yīng)的一維光子晶體可調(diào)諧平頂濾波器進(jìn)行了研究.

1999 年, 加州理工大學(xué)的Yariv 提出在光子晶體中周期或非周期性地引入微腔缺陷可以形成耦合腔波導(dǎo), 并運(yùn)用了緊束縛近似方法對(duì)微腔結(jié)構(gòu)的頻帶進(jìn)行描述[8].2000 年, Bayindir 等在實(shí)驗(yàn)上首次驗(yàn)證耦合腔光子晶體, 并發(fā)展了散射方法、矩陣方法等描述耦合腔結(jié)構(gòu)的其他方法[8].基于這種耦合腔結(jié)構(gòu)對(duì)一維光子晶體的局域現(xiàn)象進(jìn)行廣泛研究, 發(fā)現(xiàn)一維耦合腔光子晶體具有比不存在耦合腔的光子晶體在光子帶隙范圍內(nèi)更高的局域光的能力[9].一維耦合腔光子晶體可應(yīng)用于全光緩存器、全光信號(hào)處理器等光器件.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 為設(shè)計(jì)的基于一維耦合腔光子晶體的聲光可調(diào)諧平頂濾波器結(jié)構(gòu)圖及施加的超聲波波形圖, 圖中光波為平行光, 超聲波為縱波, 均垂直入射, a 為超聲波振幅, 超聲波沿 z 軸傳播, 透射光波依然垂直于一維光子晶體介質(zhì)平面.平頂濾波器由一維光子晶體組成, 結(jié)構(gòu)為(AB)NC(xAxB)K(yAyB)K(AB)N.其中材料A 為氟化鎂, 不屬于聲光材料,折射率 nA=1.38 , 厚度 dA=243 nm ; 材料B 為二氧化碲, 屬于聲光材料, 折射率 nB=2.06 , 厚度dB=162.7 nm ; 缺陷層C 為空氣, 折射率 nC=1 ,厚度 dC=350 nm.缺陷層C 保證了平頂濾波器通帶帶寬透射率較高, 并且使得一維耦合腔光子晶體可調(diào)諧平頂濾波器缺陷模右端低透射區(qū)的波段更寬.取周期數(shù) N =15 , K =10 , 倍數(shù) x =0.37 ,y =0.54.

為了保證兩種材料A, B 在晶體制備過(guò)程中能夠晶格匹配, 因而對(duì)晶格失配度進(jìn)行計(jì)算.晶格失配度的計(jì)算公式[10]:

其中, a1和 a2分別表示交替生長(zhǎng)的兩種材料的晶格常數(shù), a1>a2; d1和 d2分別表示交替生長(zhǎng)的兩種材料的晶面間距; θ1和 θ2分別表示交替生長(zhǎng)的兩種材料的晶面旋轉(zhuǎn)角度.

材料A 氟化鎂屬于四方晶格結(jié)構(gòu), 晶格常數(shù)為 0.462 nm ; 材料B 二氧化碲屬于四方晶系結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)為 0.479 nm.根據(jù)(1)式, 氟化鎂與二氧化碲的晶格失配度為3.5% , 晶體可以順利生長(zhǎng).

2.2 工作原理

氟化鎂和二氧化碲這兩種材料周期性地交替生長(zhǎng), 在一維光子晶體中引入缺陷形成耦合腔, 此時(shí)光子帶隙中就出現(xiàn)了缺陷模[11].如果在一維光子晶體中有多個(gè)耦合腔, 相鄰耦合腔間距較遠(yuǎn)時(shí),缺陷模間的耦合作用較弱, 在帶隙中會(huì)形成較窄且尖銳的通帶; 當(dāng)相鄰耦合腔間距較近時(shí), 缺陷模間的耦合作用較強(qiáng), 缺陷模之間發(fā)生耦合, 此時(shí)形成了一維耦合腔光子晶體結(jié)構(gòu), 這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定缺陷模形成了較寬且平坦的通帶, 在通帶范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)有效濾波[12].

圖1 基于一維耦合腔光子晶體中聲光效應(yīng)的可調(diào)諧平頂濾波器結(jié)構(gòu)圖及超聲波波形圖Fig.1.Structure diagram and ultrasonic waveform of tunable flat top filter based on acousto-optic effect in one-dimensional coupled-cavity photonic crystals.

當(dāng)超聲波作用于一維耦合腔光子晶體時(shí), 一維耦合腔光子晶體中的聲光材料二氧化碲就會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間和空間呈周期性變化的彈性形變, 其折射率和厚度也會(huì)隨之發(fā)生變化[13].一維耦合腔光子晶體折射率和厚度變化后, 缺陷模中心波長(zhǎng)發(fā)生改變.也就是說(shuō), 施加超聲場(chǎng)后一維耦合腔光子晶體形成的缺陷模會(huì)產(chǎn)生漂移, 因而平頂濾波器透射譜缺陷模的中心波長(zhǎng)也會(huì)隨之發(fā)生漂移.

3 理論模型

入射光在一維耦合腔光子晶體中的傳輸特性可用傳輸矩陣法來(lái)分析, 該平頂濾波器的傳輸矩陣M[14]為

其中， mj分別代表光在材料 j 中的傳輸矩陣,j =A,B,C; N , K 為周期數(shù).

施加超聲波后, 聲光材料在應(yīng)力作用下介質(zhì)會(huì)發(fā)生一定形變, 折射率和厚度均會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化.

超聲波產(chǎn)生的應(yīng)變方程為[15]

其中, a 表示振幅, Ω 表示聲波角頻率, t 表示時(shí)間,ks表示超聲波波矢.

其中, f 表示超聲波頻率, v 表示超聲波波速, 超聲波波速與介質(zhì)材料本身有關(guān).

變化的折射率 ? nij和厚度 ? dij可分別表示為:

其中, p11為聲光系數(shù), ? nij和 ? dij分別表示光子晶體異質(zhì)結(jié)第 i 層介質(zhì)對(duì)應(yīng)的材料 j 改變的折射率和厚度, 空氣缺陷不算層數(shù).

由于只有材料B 二氧化碲是聲光材料, 因此變化的折射率和厚度只考慮B 層的情況, 此時(shí) i 為偶數(shù).

當(dāng) 2 N +1 ≤i ≤2N +2K 時(shí), 即在一維耦合腔光子晶體的第2 個(gè)PC 中,

當(dāng)2N +2K+1 ≤i ≤2N +4K 時(shí), 即在一維耦合腔光子晶體的第3 個(gè)PC 中,

當(dāng)2N+4K +1 ≤i ≤4N +4K 時(shí), 即在一維耦合腔光子晶體的第4 個(gè)PC 中,

產(chǎn)生聲光效應(yīng)后引起折射率變化和厚度變化,此時(shí)的折射率 n 和厚度 d 可表示為:

其中, nj和 dj分別表示介質(zhì)材料 j 原本的折射率和厚度.

光的反射系數(shù)r 和透射系數(shù)t[16]可用下式表示:

（4）高校的項(xiàng)目庫(kù)形同虛設(shè)。雖然財(cái)政部門一直提倡和要求高校要完善項(xiàng)目庫(kù)，等專項(xiàng)資金到的時(shí)候，就可以直接從項(xiàng)目庫(kù)挑選項(xiàng)目進(jìn)行資金安排，提高執(zhí)行效率，但是很多高校并未真正建立項(xiàng)目庫(kù)，往往都是等專項(xiàng)資金下達(dá)后，財(cái)務(wù)部門將專項(xiàng)資金切塊給職能部門，職能部門再組織二級(jí)學(xué)院進(jìn)行項(xiàng)目申報(bào)，然后進(jìn)行評(píng)審立項(xiàng)，分配資金額度，最后財(cái)務(wù)部門才下達(dá)預(yù)算，“分蛋糕”過(guò)程需要耗費(fèi)很多時(shí)間，預(yù)算效率低下。

其中, p 的下標(biāo)0 表示入射空間, 下標(biāo)1 表示透射空間.

光的反射率 R 和透射率 T 可以用下式表示:

由(4)式、(8)式—(15)式可看出, 改變超聲波頻率 f 會(huì)使得一維耦合腔光子晶體中聲光材料的折射率 n 和厚度 d 發(fā)生改變, 進(jìn)而對(duì)平頂濾波器中心波長(zhǎng)產(chǎn)生影響.因而本文通過(guò)改變超聲波的頻率對(duì)平頂濾波器中心波長(zhǎng)進(jìn)行控制.

4 仿真結(jié)果及分析

不考慮材料的色散影響和超聲波的損耗問(wèn)題,使用COMSOL Multiphysics 軟件對(duì)基于一維耦合腔光子晶體中聲光效應(yīng)的可調(diào)諧平頂濾波器進(jìn)行仿真研究.

考慮材料本身的吸收損耗對(duì)透射光譜的影響,經(jīng)過(guò)仿真得到如圖2 所示一維耦合腔光子晶體的透射譜, 短線和點(diǎn)劃線分別代表一維耦合腔光子晶體(AB)15C(0.37A0.37B)10和(0.54A0.54B)10(AB)15的透射譜, 實(shí)線代表一維耦合腔光子晶體(AB)15C(0.37A0.37B)10(0.54A0.54B)10(AB)15的透射譜.在一維耦合腔光子晶體(AB)15C(0.37A0.37B)10(0.54A0.54B)10(AB)15中, (AB)15C(0.37A0.37B)10和(0.54A0.54B)10(AB)15兩個(gè)耦合腔間距較近, 缺陷模發(fā)生耦合, 形成了帶寬為1559.9—1565.1 nm的平坦通帶.在這一通帶內(nèi)透射率高, 通帶帶寬為5.2 nm , 半高寬為 1 0 nm , 在通帶帶寬內(nèi)能夠有效濾波.因此能夠?qū)崿F(xiàn)通帶較寬、透射率較高的平頂濾波器.

圖2 一維耦合腔光子晶體的透射譜Fig.2.Transmission spectrum of one-dimensional coupledcavity photonic crystal.

對(duì)一維耦合腔光子晶體施加超聲波, 會(huì)使聲光介質(zhì)的折射率和厚度發(fā)生不同程度的變化, 產(chǎn)生聲光效應(yīng), 從而平頂濾波器中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移.圖3(a)是在不同振幅下平頂濾波器中心波長(zhǎng)與超聲波頻率的關(guān)系圖.可以看出, 未施加超聲波時(shí)平頂濾波器中心波長(zhǎng)為1562 nm.當(dāng)超聲波頻率較小時(shí), 平頂濾波器缺陷模的中心波長(zhǎng)隨著不同振幅下超聲波頻率的增加幾乎不發(fā)生改變; 當(dāng)超聲波頻率增加到一定程度, 超聲波振幅較大時(shí)平頂濾波器中心波長(zhǎng)隨著超聲波頻率的增加先向短波方向產(chǎn)生一定漂移.不同振幅的超聲波均能通過(guò)改變超聲波頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)諧功能.

圖3(b)是在不同超聲波振幅下平頂濾波器中心波長(zhǎng)與透射率的關(guān)系圖.可以看出, 當(dāng)平頂濾波器中心波長(zhǎng)從 1 510 nm 增加到 1 514 nm 的過(guò)程中,中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的透射率從37%急劇增加至90%;當(dāng)繼續(xù)增大平頂濾波器中心波長(zhǎng)至 1 562 nm 的過(guò)程中, 不同振幅下中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的透射率都從90%變?yōu)槠骄徳黾又?7%.因此漂移的平頂濾波器中心波長(zhǎng)范圍為1514—1562 nm.

圖3 不同超聲波振幅下一維耦合腔光子晶體透射譜中心波長(zhǎng)隨超聲波頻率的改變 (a)平頂濾波器中心波長(zhǎng)與超聲波頻率的關(guān)系圖; (b)平頂濾波器中心波長(zhǎng)與透射率的關(guān)系圖Fig.3.Variation of the central wavelength of transmission spectrum of one-dimensional coupled-cavity photonic crystals with different ultrasonic amplitudes: (a) Relationship between the center wavelength of flat top filter and ultrasonic frequency; (b) relationship between the center wavelength of flat top filter and transmissivity.

從圖3(a)可以看出, 超聲波振幅越大, 平頂濾波器中心波長(zhǎng)從 1 562 nm 漂移至 1 514 nm 需要的超聲波頻率就越小.如振幅為 0.4 nm 的超聲波, 僅需頻率為 1 1 MHz 的超聲波即可使平頂濾波器缺陷模中心波長(zhǎng)漂移至 1 514 nm.考慮超聲波發(fā)生器的成本, 利用最小的超聲波頻率達(dá)到最佳的調(diào)諧效果,本文采用振幅為 0.4 nm 、施加頻率為6—11 MHz的超聲波實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧平頂濾波器.

設(shè)置超聲波的振幅為 0.4 nm , 改變超聲波的頻率進(jìn)行仿真.圖4 為平頂濾波器不加超聲波、施加頻率為 8 MHz 和 1 1 MHz 超聲波3 種情況的透射譜.短線、點(diǎn)劃線、實(shí)線分別代表不加超聲波、施加8 MHz 和 1 1 MHz 超聲波的透射譜.當(dāng)不加超聲波時(shí), 此時(shí)1559.9—1565.1 nm 波長(zhǎng)范圍的入射光能夠通過(guò)一維耦合腔光子晶體, 平頂濾波器通帶帶寬為 5.2 nm , 中心波長(zhǎng)為1562 nm, 這一波段可以濾波; 當(dāng)施加頻率為8 MHz 的超聲波時(shí), 1537.3—1542.8 nm 波長(zhǎng)范圍的入射光能夠通過(guò)一維耦合腔光子晶體, 平頂濾波器通帶帶寬為5.5 nm, 中心波長(zhǎng)為1540 nm, 這一波段可以濾波; 當(dāng)施加頻率為11 MHz 的超聲波時(shí), 1511.6—1517.3 nm 波長(zhǎng)范圍的入射光能夠通過(guò)一維耦合腔光子晶體, 平頂濾波器通帶帶寬為5.7 nm, 中心波長(zhǎng)為1514 nm,這一波段可以濾波.因此, 可通過(guò)施加頻率為6—11 MHz 的超聲波實(shí)現(xiàn)平頂濾波器的調(diào)諧功能, 平頂濾波器缺陷模的中心波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為1514—1562 nm, 通帶帶寬為5—6 nm.

圖4 平頂濾波器施加頻率8, 11 MHz 的超聲波和不加超聲波的透射譜Fig.4.Transmission spectra of flat top filter with ultrasonic wave at 8, 11 MHz and without ultrasonic wave.

5 平頂濾波器性能分析

矩形度、通帶帶寬、插入損耗、加工精度是衡量平頂濾波器的重要指標(biāo).本文對(duì)基于一維耦合腔光子晶體中聲光效應(yīng)的可調(diào)諧濾波器的矩形度、通帶帶寬、插入損耗、加工精度分別進(jìn)行研究.

5.1 矩形度

矩形度[17]是指透射譜波形逼近理想方波的程度.矩形度 Rec定義為其中, δ Ft為透射率90%的單個(gè)缺陷模寬度, δ Fs為缺陷模單側(cè)透射率大于10%、小于90%的過(guò)渡帶寬度.矩形度越大則波形越接近理想方波.

平頂濾波器矩形度與中心波長(zhǎng)的關(guān)系如圖5所示, 可以看出在1514—1562 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)矩形度在1.40—1.75 的范圍內(nèi).隨著超聲波頻率的改變, 矩形度相對(duì)穩(wěn)定.平頂濾波器的矩形度最低達(dá)到1.40, 通帶相對(duì)平坦, 符合平頂濾波器的要求.

圖5 平頂濾波器中心波長(zhǎng)與矩形度的關(guān)系圖Fig.5.Relationship between center wavelength of flat top filter and rectangularity.

5.2 通帶帶寬

通帶帶寬[18]是指透射率90%以上的頻譜寬度.通帶帶寬BW 定義為

其中, λ1和 λ2分別表示透射譜中透射率為90%的截止波長(zhǎng).

圖6 平頂濾波器中心波長(zhǎng)與通帶帶寬的關(guān)系Fig.6.Relationship between center wavelength of flat top filter and passband bandwidth.

平頂濾波器通帶帶寬與中心波長(zhǎng)的關(guān)系如圖6所示, 可以看出隨著超聲波頻率的改變, 1514—1562 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)通帶帶寬在5—6 nm 之間.該平頂濾波器在調(diào)諧過(guò)程中通帶帶寬相對(duì)穩(wěn)定, 濾波帶寬在 5.5 nm 左右, 在光通信器件中的光開關(guān)、可調(diào)諧光纖激光器、信號(hào)濾波器等方面有一定應(yīng)用價(jià)值.

5.3 插入損耗

插入損耗[19]是平頂濾波器通帶波段內(nèi)某一波長(zhǎng)下輸出功率與輸入功率之比.插入損耗 Υ 為

其中, Pout是平頂濾波器在通帶波段內(nèi)某一波長(zhǎng)下的輸出功率, Pin是平頂濾波器在通帶帶寬內(nèi)某一波長(zhǎng)下的輸入功率.

考慮到材料本身?yè)p耗的影響, 平頂濾波器插入損耗與中心波長(zhǎng)的關(guān)系如圖7 所示, 其中實(shí)線和短線分別表示入射光在這一中心波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的通帶帶寬內(nèi)的最大插入損耗和最小插入損耗.隨著中心波長(zhǎng)的漂移, 施加不同超聲波頻率時(shí)通帶帶寬內(nèi)對(duì)應(yīng)的最大插入損耗和最小插入損耗變化不大.最大插入損耗在1.72—2.23 dB 范圍內(nèi), 最小插入損耗在0.78—1.07 dB 范圍內(nèi).

圖7 平頂濾波器中心波長(zhǎng)與插入損耗的關(guān)系圖Fig.7.Relationship between center wavelength of flat top filter and insert loss.

5.4 加工精度對(duì)平頂濾波器的影響

圖8 一維光子晶體幾何尺寸偏差與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系 (a) 一維光子晶體幾何尺寸偏差與平頂濾波器中心波長(zhǎng)和通帶帶寬的關(guān)系圖; (b) 一維光子晶體幾何尺寸偏差與平頂濾波器矩形度的關(guān)系圖; (c) 一維光子晶體幾何尺寸偏差與平頂濾波器插入損耗的關(guān)系圖Fig.8.Relationship between geometric size deviation and related parameters of one-dimensional photonic crystal:(a) Relationship between geometric dimension deviation of one dimensional photonic crystal and central wavelength or passband bandwidth of flat top filter; (b) relationship between the geometric size deviation of one-dimensional photonic crystal and rectangularity of flat top filter; (c) relationship between the geometric size deviation of one-dimensional photonic crystal and the insert loss of flat top filter.

在工程上, 制備一維光子晶體的過(guò)程中, 由于工藝水平的限制難免會(huì)出現(xiàn)幾何偏差, 加工精度會(huì)影響到平頂濾波器的中心波長(zhǎng)、通帶帶寬、矩形度、插入損耗等參數(shù).一維光子晶體幾何尺寸偏差與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系如圖8 所示, 正數(shù)代表一維光子晶體厚度較標(biāo)準(zhǔn)增加, 負(fù)數(shù)代表一維光子晶體厚度較標(biāo)準(zhǔn)減少.圖8(a)表示一維光子晶體幾何尺寸偏差與平頂濾波器中心波長(zhǎng)和通帶帶寬的關(guān)系圖,實(shí)線表示通帶帶寬, 短線表示中心波長(zhǎng).可以看出隨著一維光子晶體幾何尺寸偏差從減少–50 nm 到50 nm, 平頂濾波器中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移, 通帶帶寬呈增加趨勢(shì).在 ± 10 nm 的加工精度范圍內(nèi)平頂濾波器中心波長(zhǎng)漂移不超過(guò) 0.6 nm , 通帶帶寬在5—6 nm 范圍內(nèi).圖8(b)表示一維光子晶體幾何尺寸偏差與平頂濾波器矩形度的關(guān)系圖, 可以看出在 ± 10 nm 的加工精度范圍內(nèi)平頂濾波器矩形度出現(xiàn)了一定波動(dòng), 在這一范圍內(nèi)不低于1.55, 滿足平頂濾波器的要求.圖8(c)表示一維光子晶體幾何尺寸偏差與平頂濾波器插入損耗的關(guān)系圖, 實(shí)線表示通帶帶寬內(nèi)最大插入損耗, 虛線表示通帶帶寬內(nèi)最小插入損耗.可以看出在 ± 10 nm 的加工精度范圍內(nèi)最大插入損耗不超過(guò) 2.28 dB , 相較原平頂濾波器的最大插入損耗僅增加 0.05 dB.

綜上所述, ± 10 nm 的加工精度范圍內(nèi)平頂濾波器的中心波長(zhǎng)、通帶帶寬、矩形度、插入損耗出現(xiàn)的偏差很小, 具有容錯(cuò)性.

將近年的平頂濾波器性能與本文的平頂濾波器性能進(jìn)行比較, 如表1 所示.

從表1 可以看出, 近年來(lái)可調(diào)諧平頂濾波器主要使用光器件, 通帶帶寬很窄, 調(diào)諧范圍集中在1550 nm 通信窗口的研究較少, 尚未有利用聲光效應(yīng)進(jìn)行調(diào)諧的濾波器.雖然一維光子晶體易于集成, 但尚未有利用光子晶體材料制作的聲光可調(diào)諧平頂濾波器.因而本文設(shè)計(jì)的聲光平頂濾波器更易集成, 通帶帶寬較寬, 調(diào)諧范圍集中在通信波段,更具有創(chuàng)新性.

6 結(jié) 論

本文利用一維耦合腔光子晶體的聲光效應(yīng), 提出了一種聲光可調(diào)諧平頂濾波器, 建立了這種聲光可調(diào)諧平頂濾波器的理論模型, 利用COMSOL 軟件進(jìn)行仿真研究.研究結(jié)果表明, 對(duì)于不同振幅的超聲波, 平頂濾波器中心波長(zhǎng)隨超聲波頻率的增加向短波方向漂移, 考慮到平頂濾波器通帶帶寬內(nèi)的透射率需超過(guò)90%和超聲波發(fā)生器成本, 選擇振幅為 0.4 nm 的超聲波, 平頂濾波器中心波長(zhǎng)的可調(diào)諧范圍為 1 514 ?1562 nm.平頂濾波器矩形度在1.40—1.75 這一范圍內(nèi), 插入損耗最低為 0.78 dB ,最高不超過(guò) 2.23 dB , 通帶帶寬在 5.5 nm 左右, 調(diào)諧過(guò)程中矩形度、通帶帶寬和插入損耗穩(wěn)定.在實(shí)際工程中, 加工誤差在 ± 10 nm 內(nèi), 平頂濾波器的中心波長(zhǎng)、矩形度、插入損耗、通帶帶寬出現(xiàn)的偏差很小.本文設(shè)計(jì)的可調(diào)諧平頂濾波器易于集成, 透射譜通帶平坦, 具有調(diào)諧功能, 可應(yīng)用于頻譜分析、可調(diào)諧光纖激光器、信號(hào)濾波器等方面.

表1 不同平頂濾波器性能參數(shù)比較Table 1.Comparison of performance parameters of different flat top filters.