光学滤波器在众多信号处理领域中扮演着不可或缺的角色，尤其是在通信、光谱分析、传感和成像等技术中。在光学通信领域，通过可调谐波导滤波器实现高速自适应光信号处理系统的波分复用和波长转换功能至关重要。在光谱学应用中，能够进行高分辨率和精确波长选择的可调谐光学滤波器对于识别和分析复杂的光谱细节非常关键，这对于研究吸收、发射和散射光谱具有极大的重要性。在光学传感与成像技术中，可调谐滤波器通过在特定波长范围内分析和探测光信号，促进了高分辨率与高敏感度光学测量和成像的实现。技术的前进推动了对高分辨率光谱学、宽带光通信和精准光学传感技术的需求，从而催生了光学滤波器研究与开发的新浪潮。

为获取可调谐滤波能力，业界采用了多种技术路径，涉及电光、声光、双折射、液晶（LC）和微电子机械系统（MEMS）等类型的可调滤波器。这些技术虽然各有优势，但在实践中也遇到了一些挑战，诸如调节范围的限制、分辨率不足以及复杂的制造工艺。例如，电光可调滤波器可能要求使用较高的驱动电压，从而导致系统能耗提升和复杂度增加。声光滤波器往往体积庞大，调节速度不够迅速。双折射滤波器则需要较长的光路和较为复杂的设备结构，通常由多个组件组成，如双折射晶体、波片和偏振器，以便实现其可调节性，而这些组件的精确对准和校准又往往需要复杂的调整工作，增加了成本。LC设备利用对液晶分子方向的调整来改变光的传输特性，但其调谐范围有限，响应速度较慢，不适合那些需要快速调谐的场合。MEMS技术通过调整微小机械结构来微调滤波特性，但其结构复杂而面临可靠性与稳定性的挑战，再加上分辨率通常有限，对于极窄带滤波的需求来说还不够理想。

近些年波导技术的进步为制造可调谐光学滤波器提供了新的可能性。波导滤波器可以通过调节其结构和材料的特性，实现对光传输的精准控制，进而达到可调滤波效果。研究表明，基于波导的滤波器在多方面展现了其优势：它们不仅能够实现高度集成和小型化，而且波导的材料和结构特性可针对不同的波长范围进行优化和调节。金属薄膜波导（MFW）因其杰出的光学性质，在超窄滤波领域显示出巨大潜力。MFW的核心优势在于其能够在导向层中激发极高阶的本征模式（UOMs），这使得它非常适合作为超窄滤波器的理想选择。MFW滤波器不仅调谐性强，操作波长范围广，而且制造和集成过程相对简便。

在这种背景下，我们结合了高平行度和高精度的压电陶瓷（PZT）与MFW，设计了一款可调谐滤波器（SAPW）。通过施加外部电压，PZT能够对MFW的厚度进行快速而精确的调节，不仅提高了整个系统的可靠性和稳定性，还扩大了调谐范围。PZT与平板波导互相兼容，进一步促进了紧凑型设备设计的发展。该设计通过PZT和BK7板玻璃组成的波导层，上下表面蒸镀银膜，并最终溅射一层金膜来完成。我们将两个SAPW级联，利用游标效应在1064 nm的波长附近实现了51pm半高宽、800ns调制速度及56%效率的超窄带滤波器，这种窄带可调滤波器为高分辨率光谱学、光通信和传感技术的发展提供了新的选择。

图 (a) SAPW示意图和实物图。(b)两个SAPWs的ATR耦合效率。(c)实验光路图。

该工作被发表在“Hongrui Shan, Qiheng Wei, Hailang Dai, and Xianfeng Chen, Quickly tunable ultra-narrow filter via metal film waveguide, Optics Letters, 49(9), 2221-2224 (2024)”.

原文链接: https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-49-9-2221&id=549042