專利名稱：可調(diào)諧光學(xué)濾波器及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種可調(diào)諧光學(xué)濾波器及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著信息社會的深入發(fā)展，數(shù)據(jù)通信對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求呈爆發(fā)性增長。人們對光纖通信系統(tǒng)性能提出越來越高的要求，光纖通信網(wǎng)正朝全光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。對于全光網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要小尺寸、高性能、高穩(wěn)定的光學(xué)器件。而基于光學(xué)微腔的諧振式微型濾波器因可以實現(xiàn)超窄線寬、全波段的濾波，成為未來高性能微型光學(xué)濾波器的理想選擇。光學(xué)微腔因其極高品質(zhì)因子(Q)的回廊模模式(WGM)，引起人們的強烈關(guān)注。其中以幾何結(jié)構(gòu)對稱的微腔的研究最為廣泛，如微球、微盤和平面微環(huán)等?；诠鈱W(xué)微腔的新型光電子器件可以將光強有效約束在微小空間內(nèi)，這為實現(xiàn)下一代小尺寸、低功耗高速集成光路奠定了基礎(chǔ)。作為集成光學(xué)中熱門的功能器件，柱形(環(huán)形)微腔因為制備工藝簡單且易于集成的優(yōu)勢，在光通信和光學(xué)傳感領(lǐng)域有著眾多的應(yīng)用，是低閾值激光器、窄帶濾波器、放大器、光開關(guān)、光時延線等器件和系統(tǒng)的核心功能器件。對于基于微腔的光學(xué)濾波器，其諧振波長、濾波帶寬和消光比是最為關(guān)鍵的性能參數(shù)。諧振波長由微腔的形貌尺寸和折射率分布共同決定；濾波帶寬對應(yīng)于微腔的品質(zhì)因子(Q)，品質(zhì)因子越大，濾波帶寬越??；消光比即諧振深度與耦合方式緊密相關(guān)。錐形光纖因其可實現(xiàn)與微腔超高效率的耦合，成為理想的耦合波導(dǎo)。對波長的調(diào)諧主要通過控制微腔尺寸或折射率分布來實現(xiàn)。近年來，多種基于光學(xué)微腔的可調(diào)諧濾波器有相關(guān)實驗報道，可應(yīng)用于光通信、光學(xué)傳感等眾多領(lǐng)域。諧振式光學(xué)濾波器波長調(diào)諧可以通過改變腔體尺寸或折射率分布來實現(xiàn)。在已經(jīng)報道的成果中，有一種技術(shù)方案采用對微腔施加壓力的方法，壓力的精確控制通常由復(fù)雜的壓電設(shè)備實現(xiàn)，對微腔本身施加壓力后使得微腔發(fā)生彈性形變，這樣諧振波長變隨著形貌尺寸的變化而改變。通常這類調(diào)諧方案整個設(shè)備比較復(fù)雜、尺寸較大，并且利用外加壓力的方案實現(xiàn)大范圍調(diào)諧比較困難。另一種改變微腔尺寸的方法是運用化學(xué)腐蝕，利用氫氟酸對微球外表面腐蝕處理時，微球尺寸連續(xù)地變小，因而諧振波長得到調(diào)諧。但該方案不能實現(xiàn)重復(fù)調(diào)諧，缺乏實用性。另外，通過改變微腔折射率分布實現(xiàn)波長調(diào)諧的方案主要是利用材料的電光或熱光效應(yīng)。微腔折射率在電壓或加熱作用下發(fā)生改變，使波長得到調(diào)諧。采用這類方案的器件易于集成，而且體積小，但它的缺點是調(diào)諧范圍比較小，很難實現(xiàn)全波段的調(diào)諧。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)諧范圍較大、調(diào)諧精度較高的可調(diào)諧光學(xué)濾波器及應(yīng)用。為達上述目的，本發(fā)明提出一種可調(diào)諧光學(xué)濾波器，包括柱形微腔、耦合波導(dǎo)、位移裝置，其中所述柱形微腔橫截面的尺寸沿縱向緩變，所述耦合波導(dǎo)與柱形微腔的共振模式相互耦合，所述位移裝置能夠沿柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點位置。
進一步，其中所述的柱形微腔的材料是二氧化硅，聚合物，半導(dǎo)體，或光學(xué)晶體。進一步，其中所述的柱形微腔的橫截面幾何形狀是圓形，橢圓形，或多邊形。進一步，其中所述的耦合波導(dǎo)是錐形光纖，D型光纖，集成波導(dǎo)，或耦合棱鏡。進一步，其中所述的柱形微腔的橫向尺寸范圍為I微米 3毫米。進一步，其中所述的柱形微腔與耦合波導(dǎo)之間的耦合間距可以調(diào)諧，間距范圍為O 2微米。進一步，其中上述耦合波導(dǎo)的數(shù)量為二，且上述兩個耦合波導(dǎo)對稱的設(shè)置所述柱形微腔的側(cè)面?？烧{(diào)諧光學(xué)濾波器在光學(xué)位移傳感器的應(yīng)用，柱形微腔固定在可感知外界位移的自由移動平臺上，外界的位移量使得柱形微腔與耦合波導(dǎo)之間產(chǎn)生相對位移，柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點位置，使得耦合位置處的微腔直徑發(fā)生改變，共振波長因此會改變；根據(jù)已知首先標(biāo)定的共振波長變化量與位移量之間的對應(yīng)關(guān)系，只要知道共振波長的變化量，就能夠推算出位移的大小。本發(fā)明利用柱形微腔的諧振頻率依賴形貌尺寸的原理，制備一段形貌尺寸沿縱向緩變的柱形微腔，通過機械控制耦合波導(dǎo)與緩變柱形微腔的耦合位置移動，從而實現(xiàn)諧振波長的寬帶調(diào)諧，設(shè)計出全新的光學(xué)可調(diào)諧濾波器。本發(fā)明具有如下有益效果:1、該技術(shù)方案具有通用性，適用于多種微腔和耦合波導(dǎo)組合；2、該調(diào)諧方案具有全波段工作和窄線寬濾波等優(yōu)勢；3、該方案實施簡單。


圖1是本發(fā)明實施例一的可調(diào)諧光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是二氧化硅柱形微腔的制備原理圖和顯微鏡圖像。圖3是圖1中可調(diào)諧光學(xué)濾波器的測試裝置的原理圖。圖4是圖1中的柱形微腔的典型透射譜。圖5是圖1中的可調(diào)諧光學(xué)濾波器波長調(diào)諧結(jié)果示意圖。圖6是本發(fā)明實施例二中的上下載型可調(diào)諧光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明另提出的一種光學(xué)位移傳感器的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)說明:圖1是本發(fā)明實施例一的可調(diào)諧光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例中，柱形微腔的橫截面為圓形。可調(diào)諧光學(xué)濾波器包括柱形微腔1、耦合波導(dǎo)2、位移裝置(圖中未示出)，其中柱形微腔I橫截面的尺寸沿縱向緩變，耦合波導(dǎo)2與柱形微腔I的共振模式相互耦合，位移裝置能夠沿柱形微腔I縱向改變耦合波導(dǎo)I與柱形微腔2之間耦合點位置。光信號經(jīng)耦合波導(dǎo)耦合進入柱形微腔中，激發(fā)回廊模振蕩，其共振波長滿足:λ=2 Rneff/m,其中，R為柱形微腔的半徑，m為WGM角向量子數(shù)，neff為有效折射率。柱形微腔的共振波長由柱形微腔橫截面半徑和折射率分布確定，只要保持折射率分布不變，共振波長對微腔的形貌尺寸有近似線性的依賴關(guān)系。因此只要連續(xù)地改變柱形微腔橫截面半徑，便可以實現(xiàn)共振波長的連續(xù)調(diào)節(jié)。進一步，本實施例中，柱形微腔是一段沿縱向直徑緩變的石英圓柱，耦合波導(dǎo)是錐形光纖，位移裝置是五維位移臺。柱形微腔固定在位移臺上，錐形光纖通過夾具固定并與柱形微腔垂直接觸。調(diào)諧過程是調(diào)節(jié)位移臺移動，柱形微腔與錐形光纖之間有相對位移，錐形光纖與微腔之間耦合點位置相應(yīng)地改變，從而激發(fā)出不同直徑的柱形微腔產(chǎn)生回廊模振蕩，共振波長得到連續(xù)地調(diào)諧。其中，柱形微腔通過對石英柱(比如光纖)加熱熔融后拉制獲得。熔拉過程示意如圖2 (a)所示:將一段去掉涂覆層的光纖固定在一對電機平臺上，電機平臺通過計算機可以精確控制移動方向和速度；加熱源使用CO2激光器或者氫焰?？刂苾蛇呺姍C平臺速度比值，可以拉制出各種直徑緩變的柱形微腔。設(shè)置兩邊電機平臺同向運動速度分別為20 μ m/s和40 μ m/s,位移行程分別是IOmm和20mm,過程中火焰寬度穩(wěn)定在約4mm,經(jīng)拉制后光纖直徑緩變區(qū)長度約2.1mm,粗端直徑即裸光纖直徑為125 μ m,細(xì)端直徑為約86.4 μ m。圖2 (b)為加工后一段直徑漸變的二氧化硅圓柱顯微鏡圖像，實驗結(jié)果與理論完全相符。耦合波導(dǎo)是直徑為3 μ m的錐形光纖，其制備方法與柱形微腔類似:設(shè)置好電機平臺的運動速度、運動行程，和加熱區(qū)間長度，就很容易拉制出低損耗(〈0.2dB)的錐形光纖。圖3是圖1中可調(diào)諧光學(xué)濾波器的測試裝置的原理圖，如圖3所示:測試用可調(diào)諧激光器作為輸入光源輸入到可調(diào)諧光學(xué)濾波器，經(jīng)濾波作用后的輸出光被光電探測器接收轉(zhuǎn)換成電信號，并最終在示波器上顯示出來。示波器顯示出微腔光學(xué)濾波器的透射譜，我們可以測量出光學(xué)濾波器的透射波長位置，及其相應(yīng)的線寬值。圖4是圖1中的柱形微腔的典型透射譜。，此時濾波帶寬為1.5pm (對應(yīng)微腔Q值為106)，耦合效率大于90% (對應(yīng)消光比大于10dB)。調(diào)節(jié)位移臺使柱形微腔相對耦合波導(dǎo)水平移動，波長的調(diào)諧隨位移臺的位移量的關(guān)系如圖5所示。在微腔位置水平移動80 μ m，對應(yīng)共振波長被調(diào)諧了 7.6nm，共振波長對位移量的變化關(guān)系為95.86pm/um ;調(diào)諧范圍超過了自由譜寬長度(約6nm)，因此該可調(diào)諧濾波器可以將波長調(diào)諧到任意波長位置。而且在波長調(diào)諧過程中，濾波器的帶寬和消光比幾乎保持不變，即在大范圍波長調(diào)諧時該光學(xué)濾波器仍能保持窄帶寬和高消光比。該可調(diào)諧光學(xué)濾波器可以應(yīng)用在光學(xué)通信領(lǐng)域，并且具有全波段工作和超窄線寬的優(yōu)勢。另外，除了錐形光纖作為耦合波導(dǎo)外，其他耦合器件，例如D型光纖、集成波導(dǎo)、耦合棱鏡等都可以作為耦合波導(dǎo)；而且，為了獲得更高消光比的濾波效果，可以通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)與微腔之間的耦合系數(shù)，即調(diào)節(jié)耦合波導(dǎo)與柱形微腔的間距來獲得。圖6是本發(fā)明實施例一的上下載型可調(diào)諧光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示。該濾波器在實施例一基礎(chǔ)上增加了一路耦合波導(dǎo)，即，使用一對相同的耦合波導(dǎo)。該濾波器工作基本原理與實施例一相同，即諧振波長依賴于微腔的形貌尺寸。一段形貌緩變的石英柱形微腔固定在可調(diào)位移臺上，兩路錐形光纖對稱地固定在柱形微腔兩邊，同時與微腔模式發(fā)生耦合作用。使用對稱的耦合波導(dǎo)對，當(dāng)輸入的波長等于微腔的共振波長時，它不會從輸入波導(dǎo)透射，而是完全從另一耦合波導(dǎo)輸出。所以利用這樣的特性，我們可以實現(xiàn)可調(diào)諧上下載型光學(xué)濾波器。如圖6所不,包含不同波長的光(λ P λ 2，λ 3)輸入到上下載型光學(xué)濾波器的端口 1，其中波長λ 2滿足微腔諧振條件，通過耦合作用，從濾波器的端口 3輸出；而其它波長(A1, λ 3)由于不滿足共振條件，都從端口 2輸出。同樣，波長λ2能通過端口 4上載到端口 2。通過控制位移臺移動使石英柱與錐形光纖對相對位置發(fā)生改變，耦合處的微腔直徑因此產(chǎn)生變化，共振波長便得到調(diào)諧。只要調(diào)節(jié)位移臺移動，我們就可以上載或下載任一輸入的光波，實現(xiàn)可調(diào)諧的上下載型光學(xué)濾波器。另外，除了錐形光纖作為耦合波導(dǎo)外，其他耦合器件，例如D型光纖、集成波導(dǎo)、耦合棱鏡等都可以作為耦合波導(dǎo)。圖7是本發(fā)明另提出的一種光學(xué)位移傳感器的示意圖。本實施例提供了一種基于形貌緩變的柱形微腔的光學(xué)位移傳感器的應(yīng)用，如圖7所示，光學(xué)位移傳感器包含柱形微腔、耦合波導(dǎo)和可自由移動平臺三個部分。柱形微腔是沿縱向直徑緩變的石英柱形微腔；耦合波導(dǎo)是一段D型光纖或集成波導(dǎo)，用來激發(fā)微腔模式；柱形微腔固定在可感知外界位移的可自由移動平臺上，這樣固定柱形微腔的可自由移動平臺可作為感知位移量的敏感元件。外界的位移量使得柱形微腔與耦合波導(dǎo)之間產(chǎn)生相對位移，使得耦合位置處的微腔直徑發(fā)生改變，共振波長因此會改變。首先標(biāo)定共振波長變化量與位移量之間的對應(yīng)關(guān)系，只要知道共振波長的變化量，我們就可以推算出位移的大小。實驗中，對波長的變化與微腔位移量的關(guān)系進行標(biāo)定得到的比值是95.86pm/ μ m,通常儀器最小波長分辨率達到共振峰線寬的1/50，因此該類型光學(xué)位移傳感器的位移傳感精度達到
0.3nm。綜上所述，本發(fā)明提出一種新穎的、簡單的可調(diào)諧緩變柱形微腔光學(xué)濾波器，其實現(xiàn)途徑是使用一段橫截面尺寸沿柱形微腔縱向緩變的微腔，利用精密的位移調(diào)節(jié)裝置連續(xù)調(diào)節(jié)耦合波導(dǎo)和微腔相對位置，使得耦合點處微腔尺寸發(fā)生連續(xù)的改變，這樣就實現(xiàn)了波長的調(diào)諧過程。
權(quán)利要求
1.調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于，包括柱形微腔、耦合波導(dǎo)、位移裝置，其中所述柱形微腔橫截面的尺寸沿其縱向緩變，所述耦合波導(dǎo)與柱形微腔相互耦合，所述位移裝置能夠沿柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的柱形微腔的材料是二氧化硅，聚合物，半導(dǎo)體，或光學(xué)晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的柱形微腔的橫截面幾何形狀是圓形，橢圓形，或多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所示的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的耦合波導(dǎo)是錐形光纖，D型光纖，集成波導(dǎo)，或耦合棱鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的柱形微腔的橫向尺寸范圍為I微米 3毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于: 所述的柱形微腔與耦合波導(dǎo)之間的耦合間距可以調(diào)諧，間距范圍為O 2微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:上述耦合波導(dǎo)的數(shù)量為二，且上述兩個耦合波導(dǎo)對稱的設(shè)置所述柱形微腔的側(cè)面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器在光學(xué)位移傳感器的應(yīng)用，其特征是柱形微腔固定在可感知外界位移的自由移動平臺上，外界的位移量使得柱形微腔與耦合波導(dǎo)之間產(chǎn)生相對位移，柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點位置，使得耦合位置處的微腔直徑發(fā)生改變，共振波長因此會改變；根據(jù)已知首先標(biāo)定的共振波長變化量與位移量之間的對應(yīng)關(guān)系，只要知道共振波長的變化量，就能夠推算出位移的大小。
全文摘要
本發(fā)明提出一種可調(diào)諧光學(xué)濾波器，包括柱形微腔、耦合波導(dǎo)、位移裝置，其中所述柱形微腔橫截面的尺寸沿縱向緩變，所述耦合波導(dǎo)與柱形微腔的共振模式相互耦合，所述位移裝置能夠沿柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點位置。本發(fā)明具有超窄線寬、寬調(diào)諧范圍以及簡單實用等優(yōu)勢。
文檔編號G02B26/00GK103091831SQ20131001143
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者宋躍江, 陰成龍 申請人:南京大學(xué)