本發(fā)明屬于光纖通信器件與光纖傳感器件領(lǐng)域，具體涉及一種光纖f-p濾波器及其制備方法。

背景技術(shù)：

干涉型濾波器件在光纖通信技術(shù)和光纖傳感領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，可廣泛用于穩(wěn)頻、密集波分復(fù)用系統(tǒng)(dwdm)的信道選擇，以及溫度和應(yīng)力等多物理量的傳感檢測。光濾波器種類繁多、功能各異，常見的光纖型濾波器有馬赫曾德爾干涉型、邁克耳遜干涉型、光纖f-p腔干涉型以及薩格納克干涉型等。這些光纖型器件在信號穩(wěn)頻、選頻、濾波以及物理量傳感監(jiān)測等領(lǐng)域，發(fā)揮了重要的優(yōu)勢。特別是伴隨光纖技術(shù)和新型功能材料技術(shù)的有機結(jié)合，使得基于光纖的干涉型濾波器件的研究與應(yīng)用，在聲、熱、電、機械振動、電磁傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

本征型光纖f-p濾波器的結(jié)構(gòu)，一般由兩根端面均鍍有高反射膜的單模光纖，通過一定裝置對齊后而行成，若將此結(jié)構(gòu)固定在像壓電陶瓷這類可控伸縮材料或裝置上，便可實現(xiàn)控制兩個鍍有高反射模的光纖端面間的距離，即實現(xiàn)對f-p腔長的有效控制，從而實現(xiàn)可調(diào)濾波功能或?qū)ν饨缱饔昧康膫鞲斜O(jiān)測功能。但是，這樣的裝置要求兩根光纖的鍍膜端面嚴格同心平行對準，而且在光纖f-p濾波器工作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)光纖端面偏移錯位甚至產(chǎn)生夾角的問題，從而導(dǎo)致其濾波性能下降。如論文《光纖端面偏移對光纖f-p可調(diào)諧濾波器性能影響》(2016年)一文就仿真、模擬了兩光纖端面發(fā)生徑向偏移和產(chǎn)生傾角時對干涉條紋可見度等性能的影響。所以保證兩光纖處于同一軸線，并且避免光纖端面產(chǎn)生偏移或傾角，成為了提高濾波器性能所必須解決的問題。

另一方面，這種利用光纖端面形成的f-p腔，由于要保證兩端面的嚴格平行對正，在制作過程中對光纖的操作要求非常精細，必須靠外界精密設(shè)備控制初始的腔長，才能使濾波器達到要求的性能。而且，這種通過封裝處理的f-p濾波器級聯(lián)只能通過熔接機進行光纖熔合，勢必導(dǎo)致兩個濾波器間的距離間隔不可能很小，至少在5cm以上甚至更長的距離，這就給濾波器的小型化帶來了無法逾越的問題。

近年來，雖然提出了用飛秒激光器進行光纖f-p腔的制作方法，但由于飛秒激光器價格昂貴、制作成本太高，而限制了飛秒激光在加工光纖微結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。因此，開發(fā)一種制作工藝簡單、低成本的方法來制作光纖f-p濾波器具有重要的應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種光纖f-p濾波器及其制備方法，制備方法工藝操作簡單，解決了現(xiàn)有光纖f-p腔端面加工過程中易產(chǎn)生平移錯位甚至夾角的問題，降低了光纖f-p腔的級聯(lián)間距，實現(xiàn)了級聯(lián)型濾波器的小型化。

為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：包括以下步驟：

1)剝除光纖的涂覆層得到纖芯，并用酒精清洗；

2)將纖芯固定在載玻片上，并將載玻片放置在三維精密微動平臺上，啟動準分子激光器，并調(diào)節(jié)三維精密微動平臺和光路系統(tǒng)使激光光斑聚焦在纖芯的中軸線位置；

3)設(shè)置準分子激光器的脈沖次數(shù)為300～1000次，操作準分子激光器在纖芯上打第一個微孔后，三維精密微動平臺帶動纖芯沿纖芯的軸向移動，準分子激光器在纖芯上等間距或不等間距進行激光打孔，得到至少2個微孔，有2個微孔的纖芯構(gòu)成單個f-p濾波器，有2個以上微孔的纖芯構(gòu)成級聯(lián)型f-p濾波器。

所述微孔為圓形孔、矩形孔或三角形孔。

所述微孔的深度為光纖纖芯直徑的1/2，矩形孔的尺寸為(20um～70um)×(60um～120um)，圓形孔的直徑為10um～120um，三角形孔的邊長為10um～120um。

所述相鄰微孔的間距為0.5～4mm。

所述步驟2)中設(shè)置準分子激光器的輸出波長為193nm、脈沖能量為10～30mj、頻率為300hz。

所述三維精密微動平臺上設(shè)有ccd攝像頭，ccd攝像頭獲取加工過程中纖芯的影像信息，并發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)纖芯的影像信息控制三維精密微動平臺和準分子激光器。

所述準分子激光器的激光輸出端設(shè)有光路系統(tǒng)，光路系統(tǒng)包括依次設(shè)置的凹透鏡、凸透鏡、反射鏡和聚焦透鏡，準分子激光器輸出的激光依次經(jīng)過凹透鏡和凸透鏡擴束整形后形成平行光束，再經(jīng)過傾斜45°放置的反射鏡使光路旋轉(zhuǎn)90°，最后經(jīng)過聚焦透鏡聚焦，使激光束的焦點落在三維精密微動平臺上的纖芯的中軸線位置。

所述光路系統(tǒng)的聚焦透鏡采用沖氮氣的管道密封。

所述準分子激光器為氟化氬準分子激光器。

一種光纖f-p濾波器的制備方法制備出的光纖f-p濾波器，包括光纖纖芯，光纖纖芯上沿軸向等間距或不等間距設(shè)有至少2個微孔。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用準分子激光器，在一根光纖纖芯上一次性連續(xù)刻寫兩個或兩個以上的微米級孔洞，制作出單個光纖f-p濾波器或級聯(lián)型光纖f-p濾波器，利用微孔代替光纖端面，利用光纖纖芯替代空氣介質(zhì)，使傳輸光在微孔間多次反射而形成干涉，由一對微孔構(gòu)成單個f-p濾波器、由多個微孔構(gòu)成級聯(lián)型f-p濾波器。由于微孔產(chǎn)生并固定在光纖內(nèi)部，有效解決了工作過程中端面偏移錯位問題，提高了濾波性能。同時，由于是通過移動精密微動平臺控制微孔間距的，這樣實現(xiàn)了多級f-p腔的無間隔級聯(lián),所制作的多微孔級聯(lián)型光纖f-p濾波器體積比傳統(tǒng)熔接方式制作的濾波器體積更小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低和適合批量加工的特點。

進一步，ccd攝像頭是將獲取的光纖影像轉(zhuǎn)化為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)光纖影像的獲取與存儲，再通過分析控制器的指令和準分子激光器的情況來保證微加工的精度；控制器是在控制軟件中輸入各項指令以及控制準分子激光器的觸發(fā)工作。由于紫外光在空氣中傳輸損耗比較大，所以光路系統(tǒng)的聚焦透鏡是被沖氮氣管道密封的，保證了激光器的功率輸出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備方法采用的加工裝置框圖；

圖2為光路系統(tǒng)示意圖，其中，1-準分子激光器、2-光闌、3-凹透鏡、4-凸透鏡、5-反射鏡、6-聚焦透鏡、7-三維精密微動平臺；

圖3為光纖纖芯上加工單個矩形孔的俯視圖；

圖4a為實施例1光纖纖芯上加工2個矩形孔的俯視圖，圖4b為側(cè)視圖；

圖5為實施例1的光纖f-p濾波器的光譜圖；

圖6a為實施例2光纖纖芯上加工3個矩形孔的俯視圖，圖6b為側(cè)視圖；

圖7為實施例2的級聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖；

圖8a為5個微孔的級聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，圖8b為6個微孔的級聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，圖8c為7個微孔的級聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖；

圖9為光纖f-p濾波器的工作原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的解釋說明。

本發(fā)明的制備方法具體包括以下步驟：

1)剝除光纖的涂覆層得到纖芯，并用酒精清洗；

2)將纖芯固定在載玻片上，并將載玻片放置在三維精密微動平臺上，啟動準分子激光器，并調(diào)節(jié)三維精密微動平臺和光路系統(tǒng)使激光光斑聚焦在纖芯的中軸線位置；

3)設(shè)置準分子激光器的脈沖次數(shù)為300～1000次，準分子激光器的輸出波長為193nm、脈沖能量為10～30mj、頻率為300hz，設(shè)置三維精密微動平臺的步進移動值為0.5～4mm，操作準分子激光器在纖芯上打第一個微孔后，三維精密微動平臺帶動纖芯沿纖芯的軸向移動，準分子激光器在纖芯上等間距或不等間距進行激光打孔，得到至少2個微孔，有2個微孔的纖芯構(gòu)成單個f-p濾波器，有2個以上微孔的纖芯構(gòu)成級聯(lián)型f-p濾波器。

微孔為圓形孔、矩形孔或三角形孔，微孔的深度為光纖纖芯直徑的1/2，矩形孔的尺寸為(20um～70um)×(60um～120um)，圓形孔的直徑為10um～120um，三角形孔的邊長為10um～120um，相鄰微孔的間距為0.5～4mm。

參見圖1，加工裝置包括控制器、ccd攝像頭、準分子激光器、光路系統(tǒng)和三維精密微動平臺，ccd攝像頭設(shè)置在三維精密微動平臺上，ccd攝像頭獲取加工過程中纖芯的影像信息，并發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)纖芯的影像信息控制三維精密微動平臺和準分子激光器。

光路系統(tǒng)包括依次設(shè)置的凹透鏡3、凸透鏡4、反射鏡5和聚焦透鏡6，準分子激光器1輸出的激光依次經(jīng)過凹透鏡3和凸透鏡4擴束整形后形成平行光束，再經(jīng)過傾斜45°放置的反射鏡5使光路旋轉(zhuǎn)90°，最后經(jīng)過聚焦透鏡6聚焦，使激光束的焦點落在三維精密微動平臺7上的纖芯的中軸線位置。準分子激光器1和反射鏡5的輸出端均設(shè)置有光闌2。光路系統(tǒng)的聚焦透鏡采用沖氮氣的管道密封，準分子激光器為氟化氬準分子激光器，型號為braggstarindustrial1000-193-100416，三維精密微動平臺7為微位移電機驅(qū)動線性平臺m-531.dd，控制器為c-862.00。

實施例1：

取一段普通單模光纖，將局部涂敷層剝除5-10mm，然后將其固定在三維精密微動平臺上。通過控制器，初步調(diào)整三維精密微動平臺的x軸(左右方向)和y軸(前后方向)，使光纖的無涂敷層區(qū)處于視場中心；再調(diào)整三維精密微動平臺的z軸(上下方向)，使激光光斑落在光纖上；再次微調(diào)三維精密微動平臺的x軸、y軸和z軸，使激光光斑聚焦在光纖的中心位置；在控制軟件中選擇打孔方式(圓形孔、矩形孔、三角形孔)，設(shè)置激光器輸出的脈沖次數(shù)(300-1000)，打開控制開關(guān)進行微孔加工，控制器自動控制結(jié)束后會停止。

制作完第一個孔后，在控制軟件中設(shè)置步進移動值為1mm，控制精密微動平臺沿光纖軸向移動，微調(diào)精密微動平臺的x軸、y軸和z軸，使激光光斑聚焦在光纖的中心位置，完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，開始加工第二個孔；依據(jù)上述步驟可在光纖上進行不同距離多個微孔的加工。圖3是光纖上加工單矩形孔的俯視圖，圖4a和圖4b分別是在光纖上加工的雙矩形孔俯視和側(cè)視示意圖，兩個矩形孔之間的間距1mm，構(gòu)成了f-p腔的兩個端面，形成了光纖f-p濾波器，其對應(yīng)光譜如圖5所示，其光譜對應(yīng)的自由譜為0.826nm、對比度為11dbm。

實施例2：

在光纖上等間隔加工多個微孔，圖6a和圖6b分別為制作的多光纖f-p腔級聯(lián)濾波器的俯視和側(cè)視圖，制作過程中，將實施例1中的平臺步進移動值設(shè)置為3.5mm，則可實現(xiàn)第一個孔與第二個孔之間的距離為3.5mm、第二個孔與第三個孔之間的距離也為3.5mm，這樣就將兩個腔長為3.5mm的光纖f-p濾波器級聯(lián)起來，形成多光纖f-p腔級聯(lián)型濾波器，其對應(yīng)光譜如圖7所示，其光譜對應(yīng)的自由譜為0.113nm、對比度為5dbm。

按照實施例1和實施例2中所述方法，可以在光纖上加工多孔結(jié)構(gòu)光纖f-p濾波器，圖8a為5個微孔的級聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，其中5個微孔的相鄰孔間距為3mm，其光譜對應(yīng)的自由譜為0.129nm；8b為6個微孔的級聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，6個微孔的相鄰孔間距離為2.5mm，其光譜對應(yīng)的自由譜為0.322nm；圖8c為7個微孔的級聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，7個微孔的相鄰孔間距為2mm，光譜對應(yīng)的自由譜為0.412nm。

本發(fā)明制作的光纖f-p濾波器具有微型化、集成化，系統(tǒng)裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、重復(fù)性好等優(yōu)勢，并且，從實施案例中濾波器的光譜圖看到，本發(fā)明制作的濾波器自由譜范圍能通過控制微孔之間的距離來精確調(diào)節(jié)，增大了濾波器的自由譜范圍，有效實現(xiàn)了濾波器的動態(tài)可調(diào)諧能力。工作原理：

光纖f-p濾波器是一種基于多光束干涉原理的濾波器件，結(jié)構(gòu)上是由相互平行且正對的兩個反射面形成的，其工作原理如圖9所示，入射a反射面的光一部分進入a反射面后被b反射面反射，這些光在a、b反射面間被多次反射相遇滿足干涉條件產(chǎn)生多光束干涉。

根據(jù)多光束干涉原理，其透射特性可表示為：

式中ii為入射光場的光強，it為出射光場的光強，r和t分別為光纖端面的反射率和透射率(在理想情況下，r+t＝1)，δ為相鄰兩光束的相位差，θ為入射角，n為腔中介質(zhì)折射率，lc為腔長。對于制作的光纖f-p濾波器，由微孔充當了f-p腔前后兩平行反射面，n為光纖纖芯的折射率，n0為孔中空氣的折射率。

本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的光纖f-p濾波器制作方法，該制作方法只需用一根光纖，通過控制精密微動平臺，讓激光器沿光纖軸向一次性加工兩個及以上微孔即可形成f-p腔，避免了傳統(tǒng)方法中要求兩光纖端面嚴格同心對正問題，也使光纖f-p濾波器的結(jié)構(gòu)更簡單、穩(wěn)定和小型化。相比于傳統(tǒng)的光纖f-p濾波器，由于f-p腔介質(zhì)是光纖本身，腔面由光纖上加工的微孔充當，并不是光纖的自由斷面，有效避免了使用過程中光纖端面的錯位偏移和傾角增大問題。相比于傳統(tǒng)的光纖f-p濾波器結(jié)構(gòu)，該制作方法降低了調(diào)節(jié)光纖端面之間距離的難度即初始腔長的距離。此種f-p濾波器的腔長是由聚焦后的激光束尺寸和精密微動平臺移動的最小步進值決定，容易實現(xiàn)微米級腔長尺寸控制，能夠精確制作任意腔長的光纖f-p濾波器，易于實現(xiàn)具有不同濾波性能的光纖f-p濾波器件或光纖傳感器件。由于光纖f-p濾波器的腔鏡是由激光加工的微孔，而微孔又可以一次性連續(xù)產(chǎn)生，因此通過電腦控制精密微動平臺沿光纖軸向移動，可進行相同或不同間隔微孔加工，即實現(xiàn)相同腔長或不同腔長f-p器件的有效級聯(lián)。相比于飛秒激光器加工制作方法，本方法的顯著特點是系統(tǒng)裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、重復(fù)性好。