基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì)方法，局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)反射器?腔結(jié)構(gòu)的無序，并以分離因子和強(qiáng)度因子、或者以透過率和強(qiáng)度因子作為無序調(diào)節(jié)效果的判據(jù)；通過對(duì)反射器?腔結(jié)構(gòu)的無序的多次優(yōu)化過程，最終使得所有通道波長(zhǎng)和通道外波長(zhǎng)都達(dá)到預(yù)先設(shè)定的分離因子、強(qiáng)度因子和透過率，透射性能上體現(xiàn)為通道波長(zhǎng)處的接近于1的透過率和通道外波長(zhǎng)處接近于0的透過率，且通道寬度獨(dú)立可調(diào)。所采用反射器?腔結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)多種物理實(shí)現(xiàn)，可以良好滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
【專利說明】
基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于濾光片領(lǐng)域，特別涉及一種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 《自然》雜志2004年發(fā)表了一篇論文，提出"無序是一種新的有序"，"無序器件可能 具有比傳統(tǒng)有序器件更好的性能"，參見參考文獻(xiàn)[1]。在無序介質(zhì)中，波被局域在介質(zhì)內(nèi) 部一即Anderson局域效應(yīng)，參見參考文獻(xiàn)[2]。
[0003] 波在一維無序介質(zhì)中的局域表現(xiàn)為一系列隨機(jī)分布的具有較高透過率和較高強(qiáng) 度分布的共振透過波長(zhǎng)，參見參考文獻(xiàn)[3]。這些共振透過波長(zhǎng)可以用于控制激光輸出光譜 和降低激光工作閾值，文獻(xiàn)報(bào)道的一維無序介質(zhì)包括厚度隨機(jī)分布的分層介質(zhì)（參見參考 文獻(xiàn)[4][5])和光纖Bragg光柵陣列（參見參考文獻(xiàn)[6][7])。但是，上述文獻(xiàn)報(bào)道的局域現(xiàn) 象具有一個(gè)明顯的不足:一維介質(zhì)中引入的無序以及導(dǎo)致的局域都是隨機(jī)的，這意味著無 序引入的共振透過峰在光譜上隨機(jī)分布，且具有隨機(jī)漲落的透過率。
[0004] 因此，上述基于隨機(jī)無序的研究的特點(diǎn)是通道位置隨機(jī)、通道透過率高低不一，不 適用于需要通道位置確定、通道透過率高的具有復(fù)雜光譜選擇性的應(yīng)用領(lǐng)域如受激拉曼散 射成像和熒光成像等領(lǐng)域(參見參考文獻(xiàn)[8] [9])。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì)方法，其目的在于， 克服現(xiàn)有技術(shù)中濾光片無法實(shí)現(xiàn)通道寬度可調(diào)的問題。
[0006] -種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，以反射器-腔結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)通道寬度和 通道強(qiáng)度因子的負(fù)相關(guān)關(guān)系，調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子以改變通道強(qiáng)度因子和分離 因子，從而確定反射器的反射系數(shù)和/或腔的光學(xué)厚度，獲得通道寬度可調(diào)的局域?yàn)V光片；
[0007] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)包括N+1個(gè)反射器(辦，R2，…，RN+1)和N個(gè)腔(Ci，C 2，…，CN);
[0008] 其中，所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子包括反射器的無序因子(〇1，〇2，一，<^ +1)和腔 的無序因子(β?，β2，··· ,?):
[0009] /^+1]
[0010] =(^/, / /,° ,/2 / 4°,···,/^ //°)
[0011] 和(ri，r2, ···'_)分別為有序和無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)中各反射器 從左至右的反射系數(shù);?/Γ，/_ν··Λ；)和（^。，…，㈦分別為有序和無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)中 各腔從左至右的光學(xué)厚度。
[0012] 所述根據(jù)通道寬度和通道強(qiáng)度因子的負(fù)相關(guān)關(guān)系，調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因 子以改變通道強(qiáng)度因子和分離因子時(shí)，是指通道強(qiáng)度因子f int(Aj)按照公式 從而得到通道目標(biāo)寬度《(λ^，并且通道分離
因子和強(qiáng)度因子需滿足以下條件：
[0013] 局域?yàn)V光片通道波長(zhǎng)的分離因子小于10-4且強(qiáng)度因子大于50,同時(shí)，通道波長(zhǎng)透過 率接近1;
[0014] 局域?yàn)V光片通道外波長(zhǎng)的分離因子大于0.2且強(qiáng)度因子小于2,同時(shí)，通道外波長(zhǎng) 透過率接近0;
[0015] 其中，AABragg為局域?yàn)V光片的有序結(jié)構(gòu)的中心反射帶的寬度，λ〇為設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)； 對(duì)于局域?yàn)V光片的任一通道波長(zhǎng)或通道外波長(zhǎng)h，T(h)為透過率為，f de3V(h)為分離因子， 為強(qiáng)度因子，w(\)表示通道寬度，且為半高全寬；
[0021] 為光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度分離 度山以乂廣~時(shí)義滴/^心^^…良^^-^分別為光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè) 面的強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度，lR(Sl，S2，…S2N+2 Aj)和之|2;乂,.^)分別為光從右入射到 反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度；
[0022]
是指光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度 分離度的和；
[0023 ] max [ IL (Si，S2，…S2N+2; λ j)]是指光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最 大強(qiáng)度；
[0024] max[ Ir( Si，S2，…S2N+2; λ』）]是指光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面中的最大強(qiáng) 度；
[0025] max[Il(Si，S2，..52.2 ;λ」)+Ir(Si，S2，..52.2山）]是指光從左入身才到反身才器-腔結(jié) 構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度加上光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最大強(qiáng)度；
[0026] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和透過率采用耦合模方程或傳輸矩陣計(jì)算獲得。
[0027]所述局域?yàn)V光片通道波長(zhǎng)的分離因子小于10-4且強(qiáng)度因子大于50,同時(shí)，通道波長(zhǎng) 透過率接近1，是指局域?yàn)V光片所有通道波長(zhǎng)的分離因子都小于10-4且強(qiáng)度因子都大于50， 同時(shí)，所有通道波長(zhǎng)透過率都接近1;
[0028]所述局域?yàn)V光片通道外波長(zhǎng)的分離因子大于0.2且強(qiáng)度因子小于2,同時(shí)，通道外 波長(zhǎng)透過率接近0,是指局域?yàn)V光片所有通道外波長(zhǎng)的分離因子都大于0.2且強(qiáng)度因子都小 于2，同時(shí)，所有通道外波長(zhǎng)透過率都接近0。
[0029]所述反射器-腔結(jié)構(gòu)至少包括分層介質(zhì)或光纖Bragg光柵陣列；
[0030] 所述分層介質(zhì)結(jié)構(gòu)是指介質(zhì)界面為反射器，介質(zhì)層為腔；
[0031] 所述光纖Bragg光柵陣列是指光纖Bragg光柵為反射器，光纖段為腔。
[0032] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的局域?yàn)V光片采用低吸收率材料制成；
[0033]所述低吸收率材料是指材料的折射率虛部小于0.01。
[0034] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的局域?yàn)V光片采用低吸收率材料制成；
[0035] 所述低吸收率材料是指材料的折射率虛部小于0.01。
[0036] -種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)方法，對(duì)上述的基于無序的寬度可調(diào) 局域?yàn)V光片進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括以下幾個(gè)步驟：
[0037] 步驟1:獲取反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子；
[0038] 所述無序因子包括反射器的反射系數(shù)和腔的光學(xué)厚度的無序因子；
[0039] 步驟2:在當(dāng)前無序因子設(shè)置下，計(jì)算局域?yàn)V光片中所有通道波長(zhǎng)和通道外波長(zhǎng)\ 的透過率T(Aj)、分咼因子fdev(Aj)和強(qiáng)度因子f int(Aj);
[0045] 為光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度分離 度，1辦1，32，~&_;\)和/￡01名,~' +2;2,)分別為光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè) 面的強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度，Ir (Si, S2,…S2N+2; \)和J.K ^.，.民，…5^.+2: 分別為光從右入射到 反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度；
[0046]
是指光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度 分離度的和；
[0047 ] max [ IL (Si, S2,…S2N+2; λ j)]是指光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最 大強(qiáng)度；
[0048] max[lR(Si,S2,"_S2N+2;Xj)]是指光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面中的最大強(qiáng) 度；
[0049] max[lL(Si, S2, ..52.2 ;Xj)+lR(Si, S2, ..52.2 ;λ」）]是指光從左入射到反射器-腔結(jié) 構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度加上光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最大強(qiáng)度；
[0050] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和透過率采用耦合模方程或傳輸矩陣計(jì)算獲得；
[0051] 步驟3:在當(dāng)前無序因子設(shè)置下，判斷是否滿足如下判據(jù)1或判據(jù)2所設(shè)條件，若滿 足任一判據(jù)，則當(dāng)前無序因子設(shè)置即為對(duì)應(yīng)的濾光片所需的設(shè)置，濾光片調(diào)整優(yōu)化過程結(jié) 束，若不滿足，繼續(xù)步驟4:
[0052] 判據(jù)1:以通道分離因子和強(qiáng)度因子作為判斷指標(biāo)，所有通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的分離因子 都小于1〇_4和強(qiáng)度因子都大于50,同時(shí)所有通道外波長(zhǎng)的分離因子都大于0.2和強(qiáng)度因子都 小于2;
[0053]判據(jù)2:以通道透過率和強(qiáng)度因子作為判斷指標(biāo)，所有通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的透過率都大 于0.95和強(qiáng)度因子都大于50,同時(shí)所有通道外波長(zhǎng)的透過率都小于0.01和強(qiáng)度因子都小于 2；
[0054] 步驟4:調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子；
[0055] 步驟5:在調(diào)整后的無序因子設(shè)置下，計(jì)算局域?yàn)V光片中所有通道波長(zhǎng)和通道外波 長(zhǎng)的透過率T(Aj)、分咼因子fdev(Aj)和強(qiáng)度因子f int(Aj);
[0056] 步驟6:判斷相對(duì)于調(diào)整前的無序因子設(shè)置具有的判據(jù)1或判據(jù)2,調(diào)整后的無序因 子是否滿足判據(jù)3或判據(jù)4,若滿足，則將調(diào)整后的無序因子設(shè)置作為下一次無序因子調(diào)整 的基礎(chǔ)，若不滿足，則將調(diào)整前的無序因子設(shè)置作為下一次無序因子調(diào)整的基礎(chǔ)，返回步驟 4：
[0057] 判據(jù)3:所有通道波長(zhǎng)的分離因子都較調(diào)整前更小和強(qiáng)度因子都較調(diào)整前更大，同 時(shí)所有通道外波長(zhǎng)的分離因子都較調(diào)整前更大和強(qiáng)度因子都較調(diào)整前更?。?br>[0058] 判據(jù)4:所有通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的透過率都更大和強(qiáng)度因子都更大，同時(shí)所有通道外波 長(zhǎng)的透過率都更小和強(qiáng)度因子都更??；
[0059] 其中，特定通道的目標(biāo)強(qiáng)度因子由其通道目標(biāo)寬度要求決定。
[0060] 在調(diào)整無序因子時(shí)，依據(jù)通道目標(biāo)寬度計(jì)算通道分離因子，使得濾光片在調(diào)整后 的無序因子下對(duì)應(yīng)的通道分離因子達(dá)到通道分離因子計(jì)算值；
[0061] 通道分離因子計(jì)算值與通道目標(biāo)寬度之間的關(guān)系為：
[0062] 其中，AABragg為局域?yàn)V光片的有序結(jié)構(gòu)的中心反射帶的寬度，λ〇為設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)； 對(duì)于局域?yàn)V光片的任一通道波長(zhǎng)或通道外波長(zhǎng)\，T(\)為透過率為，f de3V(\)為分離因子， fint(Aj)為強(qiáng)度因子，w(\)表示通道寬度，且為半高全寬。
[0063] 所述使得濾光片在調(diào)整后的無序因子下對(duì)應(yīng)的通道分離因子達(dá)到通道分離因子 計(jì)算值中是指分離因子實(shí)際值與分離因子計(jì)算值接近。
[0064] 有益效果
[0065] 本發(fā)明提供了一種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片及其設(shè)計(jì)方法，該局域?yàn)V光片 以無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，利用無序引發(fā)的Anderson局域效應(yīng)，通過大量的研 究，基于客觀存在的Anderson局域效應(yīng)中創(chuàng)造性提出了局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)指標(biāo)-分離因子 和強(qiáng)度因子、或者透過率和強(qiáng)度因子，這與現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)計(jì)思路截然不同；本發(fā)明提出的 無序調(diào)整是對(duì)反射器-腔結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單元同時(shí)進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)，并以判據(jù)1(分離因子和 強(qiáng)度因子)或判據(jù)2(透過率和強(qiáng)度因子)作為調(diào)節(jié)效果的判據(jù)。
[0066] 該局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)通過調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序，并以判據(jù)1(分離因子和強(qiáng) 度因子)或者判據(jù)2(透過率和強(qiáng)度因子)作為無序調(diào)節(jié)效果的判據(jù);通過對(duì)反射器-腔結(jié)構(gòu) 的無序的多次調(diào)整優(yōu)化過程，最終使得所有通道波長(zhǎng)和通道外波長(zhǎng)都達(dá)到預(yù)先設(shè)定的判據(jù) 1(分離因子和強(qiáng)度因子)或者判據(jù)2(透過率和強(qiáng)度因子），透射性能上體現(xiàn)為通道波長(zhǎng)處接 近1的透過率和通道外波長(zhǎng)處接近0的透過率，且各通道寬度為設(shè)計(jì)寬度（由對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度因 子決定）。所采用反射器-腔結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)多種物理實(shí)現(xiàn)，包括基于分層介質(zhì)實(shí)現(xiàn)以及基于 光纖Bragg光柵陣列實(shí)現(xiàn)。基于分層介質(zhì)的局域?yàn)V光片可以實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)（百nm級(jí)）的 一個(gè)或多個(gè)濾光通道，任一通道寬度調(diào)節(jié)范圍從亞nm到數(shù)nm，基于光纖Bragg光柵陣列的局 域?yàn)V光片可以實(shí)現(xiàn)窄光譜范圍內(nèi)（nm級(jí)）的一個(gè)或多個(gè)濾光通道，任一通道寬度調(diào)節(jié)范圍從 亞pm到數(shù)pm，，可以良好滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
[0067] 本發(fā)明提出的局域?yàn)V光片在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定的情況通過調(diào)節(jié)無序因子即可實(shí)現(xiàn)單 個(gè)或多個(gè)通道寬度的獨(dú)立調(diào)節(jié)數(shù)。本發(fā)明提出的局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)自由度包括通道數(shù)量、 通道位置以及通道寬度，可滿足不同領(lǐng)域的相關(guān)需求，且其加工與傳統(tǒng)濾光片完全兼容。
[0068] 此外，該局域?yàn)V光片通過調(diào)節(jié)通道強(qiáng)度因子實(shí)現(xiàn)通道寬度的獨(dú)立可調(diào)，通道波長(zhǎng) 在濾光片結(jié)構(gòu)內(nèi)具有高強(qiáng)度集中；使本發(fā)明所述的局域?yàn)V光片不僅能夠用于濾光，也能夠 應(yīng)用于需要特定波長(zhǎng)的高強(qiáng)度光分布的如光與物質(zhì)相互作用、非線性光學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域，大 大的擴(kuò)展了濾光片的應(yīng)用領(lǐng)域范圍。
【附圖說明】
[0069] 圖1為無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0070] 圖2為實(shí)例1中反射器-腔結(jié)構(gòu)采用分層介質(zhì)的示意圖；
[0071] 圖3為實(shí)例2中反射器-腔結(jié)構(gòu)采用光纖Bragg光柵陣列的示意圖；
[0072] 圖4為基于腔無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的無序因子示意圖；
[0073] 圖5為基于腔無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的透過通道及其寬度示意圖；
[0074]圖6為基于腔無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的無序因子示意圖；
[0075] 圖7為基于腔無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的透過通道及其寬度示 意圖；
[0076] 圖8為基于反射器無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的介質(zhì)層折射率示意圖；
[0077] 圖9為基于反射器無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的透過通道及其寬度示意圖；
[0078] 圖10為基于反射器無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的光柵相位改變示 意圖；
[0079] 圖11為基于反射器無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的透過通道及其寬 度示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0080] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0081] -種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，以反射器-腔結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)通道寬度和 通道強(qiáng)度因子的負(fù)相關(guān)關(guān)系，調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子以改變通道強(qiáng)度因子和分離 因子，從而確定反射器的反射系數(shù)和/或腔的光學(xué)厚度，獲得通道寬度可調(diào)的局域?yàn)V光片；
[0082] -旦無序因子確定，反射器-腔結(jié)構(gòu)中的反射系數(shù)和腔的光學(xué)厚度也相應(yīng)確定； [0083] 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)包括N+1個(gè)反射器(Ri，R2，…，Rn+i)和N個(gè)腔(Ci，C2,…，Cn)，如圖 1所示；
[0084] 其中，所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子包括反射器的無序因子(〇1，〇2，一，<^ +1)和腔 的無序因子(β?，β2，···，?):
[0085] (ανα2,···,αΝ+ι )=(/| /if,r2 /r2°,···,rN_i{ /r^4l)
[0086] (^βι,β2,···,βΝ) =^/j / /(° ,/, //, ,---,/^ / /^rj
[0087] …，和(n，r2,…，rN+1)分別為有序和無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)中各反射器 從左至右的反射系數(shù)，(V；V2°, ···,/》)和（Ills，…，^分別為有序和無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)中 各腔從左至右的光學(xué)厚度。
[0088]反射器-腔結(jié)構(gòu)至少包括分層介質(zhì)或光纖Bragg光柵陣列兩種物理實(shí)現(xiàn)形式，分層 介質(zhì)(如圖2所示)和光纖Bragg光柵陣列（如圖3所示）。光入射到分層介質(zhì)或光纖Bragg光柵 陣列時(shí)，設(shè)定單色入射強(qiáng)度為1。
[0089] 對(duì)于分層介質(zhì)，介質(zhì)界面作為反射器而介質(zhì)層作為腔;對(duì)于光纖Bragg光柵陣列， 光纖Bragg光柵作為反射器，光纖段作為腔。
[0090] 對(duì)于分層介質(zhì)，介質(zhì)界面作為反射器，反射器心的反射系數(shù)為 m)，其中取^為處于第i-Ι層介質(zhì)的折射率，m為第i層介質(zhì)的折射率;介質(zhì)層作為腔，腔匕的 光學(xué)厚度為li = mdi，其中di為厚度。反射器的無序因子改變對(duì)應(yīng)于介質(zhì)折射率的改變，腔 的無序因子改變對(duì)應(yīng)于介質(zhì)層的光學(xué)厚度的改變。
[0091] 用于局域?yàn)V光片設(shè)計(jì)的分層介質(zhì)(無序因子均為1時(shí)）：由50層折射率為2.1或1.4 的交替介質(zhì)層組成，環(huán)境介質(zhì)設(shè)定為的空氣(折射率為1)，設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)為λ〇=1550ηπι，每 個(gè)介質(zhì)層的光學(xué)厚度均為λ〇/4,有序結(jié)構(gòu)的中心反射帶寬度為Δ ABragg = 423nm。
[0092] 局域?yàn)V光片的通道寬度與強(qiáng)度因子呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，通道寬度采用FWHM(full width at half maximum，半最大值全寬度）表示，強(qiáng)度因子采用IF(Intensity factor，強(qiáng) 度因子)表示。
[0093] 基于腔無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片提供了 4個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。圖4為基于腔無序的 分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的無序因子，圖5為基于腔無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的透 過通道及其寬度。
[0094] 設(shè)計(jì)1-4的設(shè)定工作光譜范圍為1475-1625nm。
[0095] 設(shè)計(jì)1具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為0.48nm，根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其IF 為887，其實(shí)際FWHM為0 · 46nm;
[0096] 設(shè)計(jì)2具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為0· 13nm，根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其IF 為 3263，其實(shí)際 FWHM為0 · 12nm;
[0097] 設(shè)計(jì)3具有2個(gè)通道，其位置為1500nm和1600nm，其FWHM為1 · 6 lnm和0 · 8 lnm，根據(jù)位 置和FWHM計(jì)算其IF為233和585，其實(shí)際FWHM為1 · 48nm和1 · 03nm;
[0098] 設(shè)計(jì)4具有2個(gè)通道，其位置為1500nm和1600nm，其FWHM為0.85nm和0.72nm，根據(jù)位 置和FWHM計(jì)算其IF為441和662，其實(shí)際FWHM為0 · 81nm和0 · 91nm。
[0099] 從設(shè)計(jì)1到設(shè)計(jì)2,通道寬度從0.46nm壓縮為0.12nm;從設(shè)計(jì)3到設(shè)計(jì)4,通道1的寬 度從1 · 48nm壓縮到0 · 81nm，而通道2的寬度基本保持不變(從1 · 03nm到0 · 91nm) 〇
[0100]基于反射器無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片提供了 2個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。圖8為基于反射 器無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的介質(zhì)折射率，圖9為基于反射器無序的分層介質(zhì)設(shè)計(jì) 局域?yàn)V光片的透過通道及其寬度。
[0101] 設(shè)計(jì)9-10的設(shè)定工作光譜范圍為1475-1625nm。
[0102] 設(shè)計(jì)9具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為1.25nm，根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其IF 為338，其實(shí)際FWHM為1 · 84nm;
[0103] 設(shè)計(jì)10具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為0 · 40nm，根據(jù)置和FWHM計(jì)算其IF 為 1065，其實(shí)際 FWHM為 0 · 74nm。
[0104] 從設(shè)計(jì)9到設(shè)計(jì)10，通道寬度從1 · 84nm壓縮為0 · 74nm。
[0105] 對(duì)于光纖Bragg光柵陣列，光纖Bragg光柵作為反射器，反射器心的反射系數(shù)為Γι = -tanh(qi | Δ i)qi*/ | qi |，其中qi = riJT Δ niexp(i0i)/A()為復(fù)親合系數(shù)，Δ m為折射率改變， I為相位，為Bragg波長(zhǎng)，Δ i為長(zhǎng)度;光纖段作為腔，腔Ci的的光學(xué)厚度為li = nrffdi，其中 neff為光纖的有效折射率，di為厚度。反射器的無序因子的改變對(duì)應(yīng)于光纖Bragg光柵的相 位改變，腔的無序因子的改變對(duì)應(yīng)于光纖段的光學(xué)厚度的改變。
[0106] 用于局域?yàn)V光片設(shè)計(jì)的光纖Bragg光柵陣列（無序因子均為1時(shí)）：由20個(gè)光纖 Bragg光柵組成，中間被19個(gè)光纖段分開。單個(gè)光纖Bragg光柵的參數(shù):光纖有效折射率為 1.446，折射率改變?yōu)?0- 4，相位為0,8以88波長(zhǎng)1550應(yīng)，長(zhǎng)度3111111。設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)為人0 = 1550nm，每個(gè)光纖段的光學(xué)厚度均為λ〇/2,有序結(jié)構(gòu)的中心反射帶寬度為ΔλΒΜ?；?； = 90ρπι。
[0107] 基于腔無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片提供了 4個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。圖6為基 于腔無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的無序因子，圖7為基于腔無序的光纖 Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的透過通道及其寬度。
[0108] 設(shè)計(jì)5-8的設(shè)定工作光譜范圍為1549 · 97-1550 · 03nm。
[0109] 設(shè)計(jì)5具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為0.29pm，根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其IF 為307，其實(shí)際FWHM為0.27pm;
[0110] 設(shè)計(jì)6具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為0.08pm，根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其IF 為 1195,其實(shí)際 FWHM 為 0.08pm;
[0111] 設(shè)計(jì)7具有2個(gè)通道，其位置為1549 · 98nm和1550 · 02nm，其FWHM為0 · 41pm和0 · 16pm， 根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其IF為175和708，其實(shí)際FWHM為0.36pm和0.15pm;
[0112] 設(shè)計(jì)8具有2個(gè)通道，其位置為1549 · 98nm和1550 · 02nm，其FWHM為0 · 14pm和0 · 46pm， 根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其IF為521和247，其實(shí)際FWHM為0.16pm和0.38pm。
[0113] 從設(shè)計(jì)5到設(shè)計(jì)6，通道寬度從0.27pm壓縮為0.08pm;從設(shè)計(jì)3到設(shè)計(jì)4，通道1的寬 度從0.36pm壓縮到0.16pm，而通道2的寬度從0.15pm擴(kuò)展到0.38pm。
[0114] 基于反射器無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片提供了 2個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。圖10 為基于反射器無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的光柵相位改變，圖11為基于反 射器無序的光纖Bragg光柵陣列設(shè)計(jì)局域?yàn)V光片的透過通道及其寬度。
[0115] 設(shè)計(jì)11-12的設(shè)定工作光譜范圍為1549.97-1550.03nm。
[0116] 設(shè)計(jì)11具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為0.29pm，根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其 IF 為 314,其實(shí)際 FWHM 為 0.15pm;
[0117] 設(shè)計(jì)12具有1個(gè)通道，其位置為1550nm，其FWHM為0.11pm，根據(jù)位置和FWHM計(jì)算其 IF 為 819，其實(shí)際 FWHM為 0.08pm。
[0118] 從設(shè)計(jì)11到設(shè)計(jì)12,通道寬度從0.15pm壓縮為0.08pm。
[0119] 綜上所述，通過調(diào)整反射器-腔的無序因子，可以實(shí)現(xiàn)一到多個(gè)通道寬度的獨(dú)立調(diào) 節(jié)，所得到的實(shí)際FWHM與目標(biāo)FWHM基本一致，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了通道波長(zhǎng)在濾光片結(jié)構(gòu)內(nèi)的高強(qiáng) 度集中，可有效滿足不同領(lǐng)域的具體需求。
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【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，其特征在于，W反射器-腔結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù) 通道寬度和通道強(qiáng)度因子的負(fù)相關(guān)關(guān)系，調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子W改變通道強(qiáng)度 因子和分離因子，從而確定反射器的反射系數(shù)和/或腔的光學(xué)厚度，獲得通道寬度可調(diào)的局 域?yàn)V光片； 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)包括N+1個(gè)反射器(Ri,R2,…,Rn+i)和N個(gè)腔(打,C2,…，Cn); 其中，所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子包括反射器的無序因子(〇1，〇2，-，，〇^)和腔的無 序因子(01,02,…,0N):《，…，也1；)和(η，η，…，靴1)分別為有序和無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)中各反射器從左 至右的反射系數(shù)；?/Γ，4V··，/リ和（h，l2，…，lN)分別為有序和無序的反射器-腔結(jié)構(gòu)中各腔 從左至右的光學(xué)厚度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，其特征在于，所述根據(jù)通道 寬度和通道強(qiáng)度因子的負(fù)相關(guān)關(guān)系，調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子W改變通道強(qiáng)度因子 和分離因子時(shí)，是指通道強(qiáng)度因子按照公式進(jìn)行計(jì)算 獲得，從而得到通道目標(biāo)寬度Κ(λ^)，并且通道分離因子和強(qiáng)度因子需滿足W下條件： 局域?yàn)V光片通道波長(zhǎng)的分離因子小于10-4且強(qiáng)度因子大于50,同時(shí)，通道波長(zhǎng)透過率接 近1; 局域?yàn)V光片通道外波長(zhǎng)的分離因子大于0.2且強(qiáng)度因子小于2,同時(shí)，通道外波長(zhǎng)透過 率接近0; 其中，AAeragg為局域?yàn)V光片的有序結(jié)構(gòu)的中屯、反射帶的寬度，λ〇為設(shè)計(jì)中屯、波長(zhǎng);對(duì)于 局域?yàn)V光片的任一通道波長(zhǎng)或通道外波長(zhǎng)λ^，Τ的）為透過率為，fdev的）為分離因子，fint (λ^)為強(qiáng)度因子，表示通道寬度，且為半高全寬；Δ/(5'|，S;，…S:、、,;;スj為光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度分離度，IL (Sl，S2，...S2N+2;、)和4(A為，...?m為)分別為光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的 強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度，Ir ( Si，S2，... S2N+2 ; Aj )和4 (S，&，... 年.)分別為光從右入射到反射 器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度；是指光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度分離 度的和； max[IL(Sl，S2，…S2N+2A)]是指光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最大強(qiáng) 度； max[IR(Sl，S2，…S2N+2A)]是指光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面中的最大強(qiáng)度； max[ Il( Si, S2，...S2N+2 ; λj )+Ir( Si, S2，...S2N+2 ; λj )]是指光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各 個(gè)面強(qiáng)度加上光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最大強(qiáng)度； 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和透過率采用禪合模方程或傳輸矩陣計(jì)算獲得。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，其特征在于，所述局域?yàn)V光 片通道波長(zhǎng)的分離因子小于10-4且強(qiáng)度因子大于50,同時(shí)，通道波長(zhǎng)透過率接近1，是指局域 濾光片所有通道波長(zhǎng)的分離因子都小于10-4且強(qiáng)度因子都大于50,同時(shí)，所有通道波長(zhǎng)透過 率都接近1; 所述局域?yàn)V光片通道外波長(zhǎng)的分離因子大于0.2且強(qiáng)度因子小于2,同時(shí)，通道外波長(zhǎng) 透過率接近0，是指局域?yàn)V光片所有通道外波長(zhǎng)的分離因子都大于0.2且強(qiáng)度因子都小于2， 同時(shí)，所有通道外波長(zhǎng)透過率都接近0。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，其特征在于，所述 反射器-腔結(jié)構(gòu)至少包括分層介質(zhì)或光纖化agg光柵陣列； 所述分層介質(zhì)結(jié)構(gòu)是指介質(zhì)界面為反射器，介質(zhì)層為腔； 所述光纖化agg光柵陣列是指光纖化agg光柵為反射器，光纖段為腔。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，其特征在于，所述反射器- 腔結(jié)構(gòu)的局域?yàn)V光片采用低吸收率材料制成； 所述低吸收率材料是指材料的折射率虛部小于0.01。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片，其特征在于，所述反射器- 腔結(jié)構(gòu)的局域?yàn)V光片采用低吸收率材料制成； 所述低吸收率材料是指材料的折射率虛部小于0.01。7. -種基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，對(duì)權(quán)利要求1所述的 基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括W下幾個(gè)步驟： 步驟1:獲取反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子； 所述無序因子包括反射器的反射系數(shù)和腔的光學(xué)厚度的無序因子； 步驟2:在當(dāng)前無序因子設(shè)置下，計(jì)算局域?yàn)V光片中所有通道波長(zhǎng)和通道外波長(zhǎng)λ非勺透 過率T(Aj)、分罔因子fdev(^j)和強(qiáng)度因子fint(^j);(Sl，S2,…，S2N+2)為局域?yàn)V光片中從左至右的各反射器面；Δ/( SlΛ，...&,、w;韋.)為光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度分離度，IL (Sl，S2,…S2N+2;、)和/,,心',，&，~5';，,,.:乂,）分別為光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的 強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度，IR(Sl，S2，…S2N+2;、）和4?SlA，…S2Λ，,2Uj)分別為光從右入射到反射 器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度和歸一化強(qiáng)度；是指光左入射和右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面的強(qiáng)度分離 度的和； max[IL(Sl，S2，…S2N+2A)]是指光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最大強(qiáng) 度； max[IR(Sl，S2，…S2N+2A)]是指光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面中的最大強(qiáng)度； max[ Il( Si, S2，...S2N+2 ; λj )+Ir( Si, S2，...S2N+2 ; λj )]是指光從左入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各 個(gè)面強(qiáng)度加上光從右入射到反射器-腔結(jié)構(gòu)時(shí)各個(gè)面強(qiáng)度中的最大強(qiáng)度； 所述反射器-腔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和透過率采用禪合模方程或傳輸矩陣計(jì)算獲得； 步驟3:在當(dāng)前無序因子設(shè)置下，判斷是否滿足如下判據(jù)1或判據(jù)2所設(shè)條件，若滿足任 一判據(jù)，則當(dāng)前無序因子設(shè)置即為對(duì)應(yīng)的濾光片所需的設(shè)置，濾光片調(diào)整優(yōu)化過程結(jié)束，若 不滿足，繼續(xù)步驟4: 判據(jù)1:W通道分離因子和強(qiáng)度因子作為判斷指標(biāo)，所有通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的分離因子都小 于10-4和強(qiáng)度因子都大于50,同時(shí)所有通道外波長(zhǎng)的分離因子都大于0.2和強(qiáng)度因子都小于 2; 判據(jù)2: W通道透過率和強(qiáng)度因子作為判斷指標(biāo)，所有通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的透過率都大于 0.95和強(qiáng)度因子都大于50，同時(shí)所有通道外波長(zhǎng)的透過率都小于0.01和強(qiáng)度因子都小于2; 步驟4:調(diào)整反射器-腔結(jié)構(gòu)的無序因子； 步驟5:在調(diào)整后的無序因子設(shè)置下，計(jì)算局域?yàn)V光片中所有通道波長(zhǎng)和通道外波長(zhǎng) 的透過率T(Aj)、分罔因子fdev(^j)和強(qiáng)度因子；Γ?η1;(λ·：?); 步驟6:判斷相對(duì)于調(diào)整前的無序因子設(shè)置具有的判據(jù)1或判據(jù)2,調(diào)整后的無序因子是 否滿足判據(jù)3或判據(jù)4,若滿足，則將調(diào)整后的無序因子設(shè)置作為下一次無序因子調(diào)整的基 礎(chǔ)，若不滿足，則將調(diào)整前的無序因子設(shè)置作為下一次無序因子調(diào)整的基礎(chǔ)，返回步驟4: 判據(jù)3:所有通道波長(zhǎng)的分離因子都較調(diào)整前更小和強(qiáng)度因子都較調(diào)整前更大，同時(shí)所 有通道外波長(zhǎng)的分離因子都較調(diào)整前更大和強(qiáng)度因子都較調(diào)整前更??； 判據(jù)4:所有通道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的透過率都更大和強(qiáng)度因子都更大，同時(shí)所有通道外波長(zhǎng)的 透過率都更小和強(qiáng)度因子都更??； 其中，特定通道的目標(biāo)強(qiáng)度因子由其通道目標(biāo)寬度要求決定。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于無序的寬度可調(diào)局域?yàn)V光片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在 調(diào)整無序因子時(shí)，依據(jù)通道目標(biāo)寬度計(jì)算通道分離因子，使得濾光片在調(diào)整后的無序因子 下對(duì)應(yīng)的通道分離因子達(dá)到通道分離因子計(jì)算值； 通道分離因子計(jì)算值與通道目標(biāo)寬度之間的關(guān)系為其中，AAeragg為局域?yàn)V光片的有序結(jié)構(gòu)的中屯、反射帶的寬度，λ〇為設(shè)計(jì)中屯、波長(zhǎng);對(duì)于 局域?yàn)V光片的任一通道波長(zhǎng)或通道外波長(zhǎng)λ^，Τ的）為透過率為，fdev的）為分離因子，fint (λ^)為強(qiáng)度因子，表示通道寬度，且為半高全寬。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK106094089SQ201610715371
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月24日
【發(fā)明人】尹紅偉
【申請(qǐng)人】尹紅偉