基于热光系数互补的双折射光滤波器

刘继红， 郭 嘉， 田瑞霞

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

基于热光系数互补的双折射光滤波器

刘继红， 郭 嘉， 田瑞霞

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

设计出一种基于晶体材料热光系数互补的滤波器结构，以提高双折射光滤波器的温度稳定性。使用LiNbO3对YVO4进行补偿，根据光波两个正交偏振分量间产生恒定相位差的条件，优化晶体波片的厚度比，当温度和波长分别为20 ℃和1 550 nm时，计算出YVO4和LiNbO3波片的最佳厚度比是6.54∶1。实验采用厚度分别为10 mm和1.515 mm的波片，结果表明温度在20±15℃变化时，双折射滤波器中心波长的最大偏移为0.087 5 nm，满足光纤通信应用对波长稳定性的要求。

双折射光滤波器；双折射晶体；温度稳定性；热光系数

双折射光滤波器结构众多[1-2]且应用广泛[3-5]，典型的一阶结构由依次放置的输入偏振器、波片和输出偏振器组成[6]。反映双折射光滤波器特性的两个主要指标是通带谱形和温度稳定性。在Lyot型[7]、Solc型[8]等高阶滤波器结构的优化设计中，通带谱形易达到应用要求[9-11]，但因双折射晶体的折射率和厚度对温度变化较为敏感，故寻求温度稳定性结构成为设计重点。为提高光滤波器温度稳定性，可使用热稳定性好的材料、将滤波器置于密闭恒温环境以及通过温度传感进行软件补偿等[12]。

当双折射光滤波器用于密集波分复用光纤通信系统时，要求滤波器具有窄的自由光谱范围，因此，设计只能使用双折射率较大的晶体材料，而温度稳定性良好的石英等则无法使用。此外，密闭恒温和附加传感器的方法，在此要求下会造成滤波器结构过于复杂，且会增加成本。

本文针对基于YVO4晶体波片的一阶双折射光滤波器，拟利用晶体材料热光系数存在互补的现象[13-14]，通过LiNbO3补偿YVO4的温度系数，即把这两种晶体波片按一定厚度比例组合，增强双折射光滤波器的温度稳定性。

1 一阶双折射光滤波器性能

在一阶双折射光滤波器中，光波通过波片后两个正交偏振分量之间的相位差为

其中：λ和L分别为光波长和波片厚度；Δn=ne-no是晶体的双折射率；ne和no分别是波片中e光和o光的折射率。波片的双折射率和厚度都与温度相关，故滤波器通带中心波长会随温度变化漂移。当温度由T1变化到T2时，相位差的变化为

根据上式对基于YVO4波片的双折射光滤波器温度特性进行仿真，其中波片厚度为10 mm，此时，滤波器在1 550 nm处的自由光谱范围约1.18 nm。YVO4波片的热光系数和光波传播方向上的热膨胀系数如表1所示[13-14]，仿真中假设这两个系数与温度无关。滤波器中心波长随温度的偏移如图1所示，在5～35°C的温度范围内，最大偏移约0.52 nm。对于光纤通信系统来说，一般要求滤波器中心波长偏移不大于其自由光谱范围的10%，可见，基于YVO4单种晶体的双折射光滤波器无法满足要求。

表1 YVO4和LiNO3两种晶体的参数(20°C)

图1 YVO4双折射光滤波器的温度特性

2 温度稳定的双折射光滤波器

由表1可看出，YVO4和LiNO3的热光系数符号相反，如果把两种晶体波片依次放置，且光轴同向，则可能构成与温度无关的热稳定滤波器。以下对这种结构中波片的厚度比例进行优化。

当温度由T1变化到T2时，两个波片引起的相位差变化为

代入表1中的参数，求得最佳厚度比为6.54∶1。

YVO4和LiNbO3波片分别取10 mm和1.53 mm时，仿真得到的滤波器中心波长偏移情况如图2所示，其中温度在5～35°C之间变化时，最大偏移约0.11 pm。对比图1易见，热光系数补偿方法能够显著提高滤波器的温度稳定性。

图2 YVO4与LiNbO3组合滤波器的温度特性

3 实验与讨论

实验装置如图3所示。实验所用YVO4和LiNbO3波片由Photoptech公司生产，厚度分别是10 mm和1.515 mm，厚度比为6.6∶1，接近最佳厚度比；偏振器采用晶体偏振分束器，它们的通光方向与波片光轴的夹角为45°C；激光器输出的光波波长和光谱宽度分别是1 543 nm和0.1 nm。实验过程中，把如图3所示虚线框内的部分放入高低温交变实验箱，通过改变温度，记录功率数值验证滤波器的温度稳定性。

图3 实验装置

为了对比采用单种晶体和组合晶体的滤波器性能，首先测试只放置YVO4或LiNbO3波片的情况，结果分别如图4和图5所示。

图4 YVO4双折射光滤波器输出功率随温度的变化

图5 LiNbO3双折射光滤波器输出功率随温度的变化

由图4和图5可见，温度变化时滤波器中心波长发生偏移，从而探测到的光功率不断变化。拟合的功率曲线具有余弦特征，符合一阶双折射光滤波器的响应特征。拟合曲线对应的温度周期分别约26℃和28.4℃，且LiNbO3对应的周期大于YVO4的。这一结果与实验所用的波片厚度比大于最优厚度比一致，即LiNbO3波片厚度变薄，功率变化对应的温度周期增大。虽然无法通过功率曲线判断两种滤波器中心波长的偏移方向，但由表1的参数可知，随着温度升高，YVO4波片的等效光学厚度(即Δn1L1)减小，而LiNbO3的增大，因此两个滤波器的中心波长偏移方向应该相反。进一步，如果温度变化时两个滤波器中心波长的偏移速率相同，即两条曲线具有相同的周期，则可以互相补偿，实现温度无关的结构。

YVO4和LiNbO3两种波片组合的测试结果如图6所示。当两个波片的光轴平行时，探测到的功率在整个温度范围内变化很小，与之相反，波片的光轴垂直时，功率变化曲线具有明显的周期特性，而且比图4和图5中的周期更小。由于功率起伏和滤波器中心波长漂移对应，可见，只有组合的两个波片光轴平行才能降低波长随温度变化的漂移，否则，比使用一种波片的滤波器稳定性更差。温度变化30℃时，两种晶体补偿对应的归一化功率起伏峰-峰值为0.07，而只使用YVO4波片会变化1.15个周期(图4)，可见，LiNbO3能够补偿YVO4对温度的敏感性。实验结构中滤波器的自由光谱范围是1.25 nm，由归一化功率起伏峰-峰值可推算出滤波器中心波长的最大偏移为0.087 5 nm，能够满足光纤通信等应用的要求。

图6 YVO4和LiNbO3组合滤波器输出功率随温度的变化

和图3的理想情况比较，实验结果有较大偏差，发生这种现象的原因主要有两点：第一，实验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论计算值，则滤波器的温度稳定性会进一步提高；第二，根据表1中各参数设计的最优厚度比是针对特定波长(1 550 nm)和温度(20℃)的，而实验中激光器的波长是1 543 nm，且环境温度变化。另外，这里针对一阶双折射光滤波器进行了设计和实验研究，而高阶双折射光滤波器可以看成是多个一阶的串联，因此，热光系数补偿方法也适用于高阶双折射滤波器。

4 结语

使用厚度为1.515 mm的LiNbO3波片对10 mm厚的YVO4波片进行补偿，当温度变化30℃时，双折射滤波器中心波长的最大偏移只有0.087 5 nm，这说明热光系数互补方法有效，可提高双折射光滤波器的温度稳定性。由于条件限制，实验中所采用的波片厚度比不是最佳取值，导致实验结果与理论计算有较大偏差。另外，本文基于热光系数互补方法，只研究了YVO4和LiNbO3这两种晶体的补偿效果，有必要进一步研究其他可行晶体组合的性能。

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[责任编辑: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

国家863计划资助项目(2013AA014504)；陕西省教育厅科学研究计划资助项目(2013JK1046)

刘继红(1977-)，男，博士，教授，从事光通信技术研究。E-mail：ong1705@xupt.edu.cn 郭嘉(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为光纤通信。E-mail：316034511@qq.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.06.018

TN913.7

A

2095-6533(2015)06-0082-04