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)計出一種基于晶體材料熱光系數(shù)互補的濾波器結(jié)構(gòu)，以提高雙折射光濾波器的溫度穩(wěn)定性。使用LiNbO3對YVO4進行補償，根據(jù)光波兩個正交偏振分量間產(chǎn)生恒定相位差的條件，優(yōu)化晶體波片的厚度比，當(dāng)溫度和波長分別為20 ℃和1 550 nm時，計算出YVO4和LiNbO3波片的最佳厚度比是6.54∶1。實驗采用厚度分別為10 mm和1.515 mm的波片，結(jié)果表明溫度在20±15℃變化時，雙折射濾波器中心波長的最大偏移為0.087 5 nm，滿足光纖通信應(yīng)用對波長穩(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主要指標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)計中，通帶譜形易達到應(yīng)用要求[9-11]，但因雙折射晶體的折射率和厚度對溫度變化較為敏感，故尋求溫度穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)成為設(shè)計重點。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)境以及通過溫度傳感進行軟件補償?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，要求濾波器具有窄的自由光譜范圍，因此，設(shè)計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法使用。此外，密閉恒溫和附加傳感器的方法，在此要求下會造成濾波器結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，且會增加成本。

本文針對基于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)存在互補的現(xiàn)象[13-14]，通過LiNbO3補償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，光波通過波片后兩個正交偏振分量之間的相位差為

其中：λ和L分別為光波長和波片厚度；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會隨溫度變化漂移。當(dāng)溫度由T1變化到T2時，相位差的變化為

根據(jù)上式對基于YVO4波片的雙折射光濾波器溫度特性進行仿真，其中波片厚度為10 mm，此時，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)這兩個系數(shù)與溫度無關(guān)。濾波器中心波長隨溫度的偏移如圖1所示，在5～35°C的溫度范圍內(nèi)，最大偏移約0.52 nm。對于光纖通信系統(tǒng)來說，一般要求濾波器中心波長偏移不大于其自由光譜范圍的10%，可見，基于YVO4單種晶體的雙折射光濾波器無法滿足要求。

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)成與溫度無關(guān)的熱穩(wěn)定濾波器。以下對這種結(jié)構(gòu)中波片的厚度比例進行優(yōu)化。

當(dāng)溫度由T1變化到T2時，兩個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，仿真得到的濾波器中心波長偏移情況如圖2所示，其中溫度在5～35°C之間變化時，最大偏移約0.11 pm。對比圖1易見，熱光系數(shù)補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 實驗與討論

實驗裝置如圖3所示。實驗所用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和光譜寬度分別是1 543 nm和0.1 nm。實驗過程中，把如圖3所示虛線框內(nèi)的部分放入高低溫交變實驗箱，通過改變溫度，記錄功率數(shù)值驗證濾波器的溫度穩(wěn)定性。

圖3 實驗裝置

為了對比采用單種晶體和組合晶體的濾波器性能，首先測試只放置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，溫度變化時濾波器中心波長發(fā)生偏移，從而探測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。擬合曲線對應(yīng)的溫度周期分別約26℃和28.4℃，且LiNbO3對應(yīng)的周期大于YVO4的。這一結(jié)果與實驗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，功率變化對應(yīng)的溫度周期增大。雖然無法通過功率曲線判斷兩種濾波器中心波長的偏移方向，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，因此兩個濾波器的中心波長偏移方向應(yīng)該相反。進一步，如果溫度變化時兩個濾波器中心波長的偏移速率相同，即兩條曲線具有相同的周期，則可以互相補償，實現(xiàn)溫度無關(guān)的結(jié)構(gòu)。

YVO4和LiNbO3兩種波片組合的測試結(jié)果如圖6所示。當(dāng)兩個波片的光軸平行時，探測到的功率在整個溫度范圍內(nèi)變化很小，與之相反，波片的光軸垂直時，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漂移對應(yīng)，可見，只有組合的兩個波片光軸平行才能降低波長隨溫度變化的漂移，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，兩種晶體補償對應(yīng)的歸一化功率起伏峰-峰值為0.07，而只使用YVO4波片會變化1.15個周期(圖4)，可見，LiNbO3能夠補償YVO4對溫度的敏感性。實驗結(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，實驗結(jié)果有較大偏差，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩點：第一，實驗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算值，則濾波器的溫度穩(wěn)定性會進一步提高；第二，根據(jù)表1中各參數(shù)設(shè)計的最優(yōu)厚度比是針對特定波長(1 550 nm)和溫度(20℃)的，而實驗中激光器的波長是1 543 nm，且環(huán)境溫度變化。另外，這里針對一階雙折射光濾波器進行了設(shè)計和實驗研究，而高階雙折射光濾波器可以看成是多個一階的串聯(lián)，因此，熱光系數(shù)補償方法也適用于高階雙折射濾波器。

4 結(jié)語

使用厚度為1.515 mm的LiNbO3波片對10 mm厚的YVO4波片進行補償，當(dāng)溫度變化30℃時，雙折射濾波器中心波長的最大偏移只有0.087 5 nm，這說明熱光系數(shù)互補方法有效，可提高雙折射光濾波器的溫度穩(wěn)定性。由于條件限制，實驗中所采用的波片厚度比不是最佳取值，導(dǎo)致實驗結(jié)果與理論計算有較大偏差。另外，本文基于熱光系數(shù)互補方法，只研究了YVO4和LiNbO3這兩種晶體的補償效果，有必要進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

國家863計劃資助項目(2013AA014504)；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃資助項目(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，研究方向為光纖通信。E-mail：316034511@qq.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.06.018

TN913.7

A

2095-6533(2015)06-0082-04