摘 要: 用特征矩阵法研究了多腔薄膜梳状滤波器在C波段的偏振特性。结果表明,当入射角较小时,s偏振光和p偏振光有相同或相近的透射特性;当入射角较大时,可以使透射光成为完全的p偏振光,而且在入射角发生很小的变化时,可以使p偏振光通带的中心波长的透射率发生很大的变化;当入射角很大后,s偏振光的透射峰比p偏振光的透射峰的变化快很多。研究表明,多腔薄膜梳状滤波器可以在与偏振和微小的角度变化有关的领域中发挥重要作用。
0 引言
多腔薄膜梳状滤波器因其可以被用来实现密集波分复用(DWDM),而受到了人们的高度重视[1-4]。但在已有的研究中,入射光大都是垂直入射的,而对于斜入射时多腔薄膜梳状滤波器的偏振特性的研究,还未受到人们的关注。我们用特征矩阵法研究了由熔融石英、Ta2O5薄膜、SiO2薄膜组成的多腔薄膜梳状滤波器在C波段的偏振特性。多腔薄膜梳状滤波器可以利用成熟的光学薄膜沉积技术制作,具有结构简单、工艺成熟、环境稳定、插入损耗小、配置灵活、便于批量生产等优点,本研究对于深化人们对多腔薄膜梳状滤波器的透射特性的认识,开辟多腔薄膜梳状滤波器新的使用领域具有重要意义。
1 结构和研究方法
我们所研究的多腔薄膜梳状滤波器的结构式为:LHLHCHLHLHCHLHLHCHLHL。其中, L为SiO2薄膜,H为Ta2O5薄膜,C为熔融石英固体。该多腔薄膜梳状滤波器可以采用的制作方法是:利用电子枪蒸发方法先分别在第一块熔融石英固体的两面上,第二、第三块熔融石英固体的一面上交替镀制SiO2薄膜和Ta2O5薄膜,然后用光学胶合的方法将它们固定在一起[3]。
在我们的研究中取SiO2薄膜和Ta2O5薄膜的折射率分别为1.458和2.05,取SiO2薄膜和Ta2O5薄膜的光学厚度皆为λ04,λ0=1 550 nm,故SiO2薄膜和Ta2O5薄膜的物理厚度分别为265.78和189.02nm。取熔融石英固体的折射率为1.458,厚度为1mm[3,5]。用特征矩阵法[6-9]来研究多腔薄膜梳状滤波器在C波段(1 520~1 570 nm)的透射特性。根据特征矩阵法,当光通过折射率为NI、厚度为di的介质层时,其特征矩阵为
我们用式(5)来研究在不同的入射角下不同的偏振光通过多腔薄膜梳状滤波器的透射特性,由此来探讨多腔薄膜梳状滤波器的偏振特性。
2 结果与讨论
2.1 入射角较小时的偏振性
图1给出了不同入射角下波长在C波段的s偏振光和p偏振光通过多腔薄膜梳状滤波器的透射谱。由图1可见当入射角为0°时,多腔薄膜梳状滤波器有很好的梳状滤波特性,因而它可以被用来实现密集波分复用(DWDM)。由图1可见,随着入射角增大,s偏振光和p偏振光的透射峰的位置逐渐向短波方向移动,透射峰逐渐变宽,透射峰的个数逐渐减少;在入射角达到20°之前,s偏振光和p偏振光有相同或近似相同的透射特性;当入射角进一步增大后,s偏振光的透射峰变得比p偏振光的透射峰窄,s偏振光的透射峰的峰顶的形状的变化也比p偏振光的大,但此时s偏振光的透射峰和p偏振光的透射峰仍能同步地变化。
2.2 入射角较大时的偏振性
图2给出了入射角从56.704°到56.820°的变化过程中,s偏振光和p偏振光通过多腔薄膜梳状滤波器的透射谱的变化的大致情况。由图2(a)、2(h)可见,当入射角为56.704°和56.820°时,只有一定波长范围的p偏振光能透过多腔薄膜梳状滤波器,而s偏振光则完全不能透过多腔薄膜梳状滤波器,s偏振光被多腔薄膜梳状滤波器完全反射,可见利用多腔薄膜梳状滤波器可以实现偏振分离而获得线偏振光。研究表明,当入射角为56.935°,57.050°,57.166°,57.281°,57.397°,
57.513°, 57. 629°, 57. 745°, 57. 861°, 57.977°,58.094°和58.210°时,多腔薄膜梳状滤波器都有如图2(a)或图2(h)那样的透射特性,相继增加的入射角都约为0.116°,而p偏振光的通带的中心波长都相继向短波方向移动了约0.5 nm。故可以通过很小的入射角的变化,来改变p偏振光的通带的中心波长。而进一步的研究发现,通过更小的入射角的变化就可以使图2(h)中p偏振光的通带的中心波长(1 546 nm)的透射率T发生很大的变化,结果如图3所示。
在图3中,当入射角分别为56.805°,56.810°,56.815°和56.820°时,p偏振光的通带的中心波长(1 546 nm)的透射率分别为23.28%,44.72%,81.93%和99.86%,在入射角增加0.005°的过程中,p偏振光的通带的中心波长(1 546 nm)的透射率t分别增加了21.44%,37.21%和17.93%。可见在此过程中,p偏振光的通带的中心波长(1 546 nm)的透射率随入射角的增加是迅速增大的。
进一步的研究还发现,通过微小的入射角的变化可以使图2(f)(或2(g))中s偏振光的禁带的宽度发生明显的变化,结果如图4所示。
在图4中,当入射角分别为56.766°,56.774°,56.782°和56.790°时,s偏振光的禁带的半高宽分别为23.4,31.2,37.5和42.8 nm,在入射角增加0.008°的过程中,s偏振光的禁带的半高宽分别增加了7.8,6.3和5.3 nm。可见在此过程中,s偏振光的禁带的宽度随入射角的增大而显著增大。
2.3 入射角很大后的偏振性
图5是当入射角分别为65°,65.003°,75°和75.003°时,s偏振光和p偏振光通过多腔薄膜梳状滤波器的透射谱。由图5我们可以明显地看出,当入射角很大以后, s偏振光的透射峰要比p偏振光的透射峰窄很多;当入射角增大0.003°后,s偏振光的透射峰发生了很大的变化后,而p偏振光的透射峰却基本没有变化。说明当入射角很大以后,s偏振光的透射峰的变化要比p偏振光的透射峰的变化快很多。
3 结束语
本文对由熔融石英、Ta2O5薄膜、SiO2薄膜组成的多腔薄膜梳状滤波器在C波段的偏振性作了深入细致的研究。研究发现:当入射角较小时,多腔薄膜梳状滤波器对s偏振光和p偏振光有相同或相近的透射特性;当入射角较大时,可以使多通过多腔薄膜梳状滤波器的透射光成为完全的p偏振光,而且如果入射角发生很小的变化,就可以使p偏振光通带的中心波长处的透射率发生很大的变化;当入射角很大后,通过多腔薄膜梳状滤波器的s-偏振光的透射峰比p偏振光的透射峰的变化快很多,当s偏振光的透射峰发生了很大的变化后,p偏振光的透射峰却基本没有变化。这些都表明,多腔薄膜梳状滤波器可以在与偏振和微小的角度变化有关的领域中发挥重要作用。
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作者简介:于志明(1960-),男,江苏灌云人,副教授,主要从事大学物理的教学和研究。
