CN100399085C

CN100399085C - 长周期光纤光栅带通滤波方法及实现该方法的带通滤波器

Info

Publication number: CN100399085C
Application number: CNB2006100953243A
Authority: CN
Inventors: 朱永; 符欲梅; 陈伟民
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: CN1975484A

Abstract

本发明提出一种长周期光纤光栅带通滤波方法，它采用两个匹配并连接在一起的长周期光纤光栅LPFG-I和LPFG-II，在LPFG-I后端面纤芯处制作芯模吸收器；光经过LPFG-I后分成纤芯模和包层模，纤芯模被芯模吸收器吸收，而包层模经过两个光栅交界面，传输到LPFG-II中并在其光栅区域处向纤芯模逆向耦合，并回到LPFG-II的芯模中，最后由LPFG-II后端面输出。这种方法消除了LPFG中常规的芯模而利用了包层模，只有符合相位匹配条件的光能通过这个长周期光纤光栅对，形成一个带通滤波器。本发明保持了现有LPFG滤波器的无背向反射、调谐性能好的优点，弥补其不足，将其“带阻”型光谱改变为“带通”型光谱，实现了真正的长周期光纤光栅带通滤波器。

Description

长周期光纤光栅带通滤波方法及实现该方法的带通滤波器

技术领域

本发明属于光纤无源器件领域与微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及长周期光纤光栅带通滤波器。

背景技术

通常说的“光纤光栅”是在光纤中形成周期性折射率变化，进而有目的地控制光纤中模式之间的能量交换，将某个特定波长与其他波长的光分离开来，形成光纤滤波器，它是光纤通信中实现波分复用的一个重要光纤无源器件。

周期在微米数量级的光纤光栅称为光纤布拉格光栅(简称FBG)，这是目前光通信领域最常用的光纤滤波器。其工作原理是“纤芯中正向传输的芯模和背向传输的芯模之间的耦合”。如附图1a所示，在光纤纤芯1-1中正向传播的芯模1-2在光栅区域1-3处与背向传输的芯模1-4发生模式耦合，传播常数满足相位匹配条件

λ_FBG＝2n_core(λ)Λ (1)

的光从正向传播的芯模1-2耦合到背向传播的芯模1-4中形成反射光1-4；式中λ_FBG为满足相位匹配条件的反射波长(有时也叫布拉格波长)，Λ为FBG光栅区域的折射率变化的周期(光栅周期)，n_core(λ)为纤芯等效折射率；其余的光仍然在正向传播的芯模1-5中传输，这样FBG的透射光谱是带阻滤波器、反射光谱是带通滤波器。

更加详细的描述如附图1b所示，工作的时候，光从2X2光纤耦合器1-10的端口1-6进入光路，经过耦合器1-10以后被均匀分成两束；一束由端口1-8出射离开光路系统，另一束由端口1-9进入到FBG1-11中；光在FBG1-11内发生模式耦合，部分光被反射回来，反射光经由端口1-9再一次通过光纤耦合器1-10，再次被均匀分成两束，分别由端口1-6和1-7出射；透过FBG1-11的光则由端口1-12出射。如附图1b，假设在入射端口1-6处的光谱图(横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为功率，单位为dB为平坦光谱)，则由于FBG1-11的选择性反射作用，1-12端口出射的光有部分波长的光被反射，其光谱图呈带阻特征；同理，在端口1-7出射光的光谱图则成带通特征；因此把FBG称为透射型带阻滤波器和反射型带通滤波器。在光通信的波分复用系统中使用时，这种光纤滤波器有几个原理性的缺点：首先，用作带阻滤波器时，其反射光太强，容易给系统带来干扰，特别是影响光通信线路中激光器的工作；其次，用作带通滤波器时，必须配合光纤耦合器1-10使用(参见附图1b)，光由端口1-6进、1-7出，光实际两次经过耦合器1-10，而被分割两次，强度衰减为4倍(6dB)，这大大提高了对通信线路中光强的要求，并增加了系统结构的复杂性；最后，由于FBG的原理为“正向传播芯模与反向传播芯模耦合”，布拉格波长只和纤芯折射率和光栅周期有关，因此这种光纤光栅非常稳定，不容易受外界影响，用作滤波器很难实现工作波长的调谐。因而，尽管FBG在光通信中得到了很好应用，业内仍在继续研究，寻找一种更好的光纤滤波器。

周期在几百微米量级的光纤光栅称为长周期光纤光栅(简称LPFG)；它是上世纪九十年代末发展起来的一种新型光纤无源器件。LPFG的机理是在光纤纤芯正向传输芯模和相同传输方向的包层模之间的耦合；如图2a所示，在光纤纤芯2-1中正向传输的芯模2-4，在光栅区域2-3与包层2-2中的包层模2-5耦合。通常情况下，光栅区域引入的周期性折射率变化幅值非常小，此时芯模2-4中传播常数满足相位匹配条件

λ_LPG＝(n_core(λ)-n_clad(λ))Λ (2)

的波长光能量将从纤芯芯模耦合到包层模2-5中；式中λ_LPFG为LPFG的芯模2-4向包层模2-5耦合的波长，A为LPFG光栅区域的折射率变化的周期(光栅周期)，n_core(λ)为纤芯等效折射率，n_clad(λ)为包层等效折射率。其余的光则仍然在纤芯芯模中传输，形成一个透射型带阻滤波器，见图2b，图2b的横坐标是波长单位是nm，纵坐标是LPFG透过率单位是dB。

LPFG克服了FBG的原理性缺点，具有如下突出优点：

(1)透射光谱对包层模式的等效折射率的变化极为敏感，而包层在光纤外表，很容易改变折射率，这使它具有非常好的调谐性能；(2)LPFG的反射光非常弱，不会对光通系统造成干扰。这两个优点使LPFG成为目前光纤无源器件研究领域的一个热点，成为最有前景的带通滤波器候选技术。

然而，尽管LPFG具有上述优点，它的透射光谱仍然是“带阻”型；其光谱特征与光纤通信波分复用中要求“带通”特征正好完全相反，因此并不能直接在波分复用中使用。因此如何改变LPFG光谱特征，实现带通滤波器已经成为学术界和产业界共同关心的一个难题。

发明内容

本发明的目的正是为了解决现有LPFG滤波器技术中的困难而提出一种长周期光纤光栅带通滤波方法，并同时设计实现该方法的长周期光纤光栅带通滤波器。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：

本发明提出长周期光纤光栅带通滤波方法，该方法采用了两个连接在一起的、完全匹配的长周期光纤光栅；在第一长周期光纤光栅后端面纤芯位置制作一个和纤芯直径相同的芯模吸收器，通过芯模吸收器来阻挡和吸收第一长周期光纤光栅纤芯内的光，而不影响包层模的传输。入射到第一长周期光纤光栅纤芯内的光以芯模的形式传输，并在第一长周期光纤光栅的光栅区域与包层模发生耦合，芯模中满足相位匹配条件的光能量绝大部分耦合到包层模中；经过第一个光栅区域以后，光分作包层模和芯模两部分传输；在第一长周期光纤光栅的后端面，芯模被芯模吸收器吸收，转换成其他形式的能量(热量)传导出去；而包层模则通过两个长周期光纤光栅的界面耦合到第二长周期光纤光栅的包层当中，并以包层模的形式继续传输。包层模达到第二长周期光纤光栅的光栅区域时，由于两个长周期光纤光栅的相位匹配条件相同，包层模的光在第二个光栅区域处向纤芯芯模逆向耦合，绝大部分能量回到第二长周期光纤光栅的芯模中，最后由第二长周期光纤光栅的后端面输出。这种方法消除了通常LPFG中的常规芯模，而利用了LPFG的包层模，而通过“芯模-＞包层模-＞芯模”这样两次模间耦合，只有符合相位匹配的光能通过这个长周期光纤光栅对，形成一个带通滤波器。这种带通滤波器仍然保持了LPFG无背向反射和调谐性能好的优点。

为了实现上述方法，本发明设计了一种长周期光纤光栅带通滤波器，它具有两个完全匹配并连接在一起的长周期光纤光栅，每个长周期光纤光栅都具有纤芯、包层和光栅区域，在第一长周期光纤光栅的后端面的纤芯位置制作有一个芯模吸收器，芯模吸收器与纤芯直径相同。

在长周期光纤光栅后端面制作的一个芯模吸收器主要作用是只阻挡和吸收第一长周期光纤光栅纤芯内的光，而对包层模没有影响，如果阻挡了包层模，则无法在第二长周期光纤光栅的光栅区域时实现包层模向芯模的逆向耦合，而达不到本发明设计的目的。因此纤芯末端的芯模吸收器应当是在纤芯末端制作的直径和纤芯相同的吸收面，本发明选用金属钛化钨镀层、金属钨或者是其他黑色金属或非金属镀层做芯模吸收器。

本发明采取目前先进的微机电系统(MEMS)工艺来制作这个芯模吸收器。具体而言，利用MEMS工艺制作微小器件的能力进行制作，具体步骤如下：

1)制作一对匹配的长周期光纤光栅；

2)取其中一个LPFG，把它的后端面处理成镜面；

3)用专用清洗液处理端面；

4)在光纤端面涂覆一层光刻胶；

5)利用专用模板把该端面遮挡，只在纤芯部分留下一个圆孔，利用紫外光对这个遮挡好的端面进行曝光；

6)然后把曝光后的LPFG放入显影液中，把曝光部分光刻胶去掉；

7)在光纤端面镀上上吸收镀层，其中纤芯部分直接镀上吸收镀层，其余部分镀层则覆盖在光刻胶上；

8)利用光刻胶去除溶液清洗掉剩余光刻胶，同时也将覆盖在胶上的镀层去掉；这样就形成了在纤芯部分的芯模吸收层，这就是本发明设计的芯模吸收器。

采用微机电系统(MEMS)工艺制作的LPFG带通滤波器有如下优点：

1)芯模吸收层(吸收器)性能稳定，适用波长范围广；

2)结构简洁，不改变原有LPFG制作工艺；

3)不改变LPFG的结构，不增大器件几何尺寸；

4)保持了原来LPFG滤波器背向反射小和调谐性能好的优点

5)采用成熟的MEMS工艺，制作精度有保障、制作成品率高，容易上批量，制作成本低。

本发明保持了现有LPFG滤波器的无背向反射、调谐性能好的优点，弥补其不足，将其“带阻”型光谱改变为“带通”型光谱，实现了真正的长周期光纤光栅带通滤波器。

附图说明

图1是光纤布拉格光栅：其中图1a是原理示意图，图1b是透射和反射光谱产生示意图；

图2是普通长周期光纤光栅：其中图2a是原理示意图，图2b是透射光谱图

图3是本发明的一种实施方案的示意图：其中图3a是原理示意图，图3b是透射光谱图

图4是本实施方案中的芯模吸收器的加工工艺框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述：

参见图3a，长周期光纤光栅带通滤波器包括有两个完全匹配并连接在一起的第一长周期光纤光栅(简称LPFG-I)和第二长周期光纤光栅(简称LPFG-II)，在LPFG-I的后端面2-6的纤芯2-1末端制作有一金属钛化钨镀层作为芯模吸收器2-7，芯模吸收器2-7的直径为9微米，与纤芯2-1直径相同。本长周期光纤光栅带通滤波器是采用微机电系统(MEMS)和微纳米制造技术制造，参见图4，工艺流程如下：

1)预处理：

准备一对匹配长周期光纤光栅，取LPFG-I，把它的后端面处理成镜面；

2)清洗：

放硫酸溶液中浸泡10分钟，用蒸馏水冲洗，用氮气吹干；放入丙酮溶液，超声波清洗3分钟，用蒸馏水冲洗，用氮气吹干；

3)涂覆，烘烤：

在上述LPFG的后端面涂覆光刻胶LOR10，在200C°下烘烤5分钟，然后再涂覆3012光刻胶，在150C°下烘烤1分钟；

4)利用专用模板把该端面遮挡，只在纤芯部分留下约9个微米的圆孔；

5)利用紫外光对这个遮挡好的端面进行曝光30秒；

6)把曝光后的LPFG样品放入显影液CD26中显影2分钟，把曝光部分光刻胶去掉，用蒸馏水清洗，用氮气吹干；

7)在显微镜下检查测量该LPFG后端面，看纤芯部分的光刻胶是否去除干净，而其余部分的光刻胶是否完整。合格的样品进入下面程序8)，不合的样品重新进入程序2)清洗。

8)在150C°下烘烤样品3分钟；

9)在通过检查的LPFG样品端面镀上300纳米的钛化钨膜；其中纤芯部镀层直接附着在光纤端面，其余部分镀层膜则覆盖在光刻胶上；

10)利用光刻胶去除溶液CD35清洗镀钛化钨后的样品，去除残留的光刻胶，同时也将覆盖在胶上的镀层去掉，保留纤芯部分钛化钨膜，用蒸馏水清洗，用氮气吹干。

留在在纤芯部分直径9微米左右的钛化钨膜，就是本发明设计的芯模吸收器。在这个镀好芯模吸收器的长周期光纤光栅末端连接另一个匹配的长周期光纤光栅LPFG-II，即可得到本发明的长周期光纤光栅带通滤波器；它由纤芯2-1、包层2-2、第一长周期光纤光栅LPFG-I光栅区域2-3、第一长周期光纤光栅LPFG-I光栅后端面2-6，第一长周期光纤光栅LPFG-I后端面的芯模吸收器2-7，第二长周期光纤光栅LPFG-II前端面2-8，第二长周期光纤光栅LPFG-II光栅区域2-9等组成。因为包层模的有效传输距离很短，所以制作时需要保证LPFG-I光栅区域2-3到LPFG-II光栅区域2-9的距离小于4厘米。

工作的时候，在正向传输的纤芯模2-4在第一长周期光纤光栅LPFG-I的光栅区域2-3与正向传输的包层模2-5发生耦合，满足相位匹配条件的波长的大部分能量耦合到正向传输的包层模2-5中，其余光能量仍然在正向传输的纤芯模4中传输；经过LPFG-I光栅区域以后，光分作包层模和芯模两部分传输；在LPFG-I的后端面2-6，芯模被芯模吸收器2-7吸收，转换成其他形式的能量(热量)传导出去；而包层模则通过LPFG-I后端面2-6和第二长周期光纤光栅LPFG-II前端面2-8耦合到LPFG-II的包层当中，同样以包层模2-5的形式在LPFG-II中继续传输。包层模达到LPFG-II的光栅区域2-9时，由于LPFG-II和LPFG-I的相位匹配条件相同，包层模的光在LPFG-II的光栅区域2-9处向纤芯芯模2-10逆向耦合，LPFG-II的芯模2-10中，最后由LPFG-II的后端面输出。这种方法消除了通常LPFG中的常规芯模，而利用通常遗弃的包层模；利用“芯模-＞包层模-＞芯模”两次模间耦合，只有符合相位匹配的光能通过这个长周期光纤光栅对，形成一个带通滤波器。这种带通滤波器仍然保持了LPFG无背向反射和调谐性能好的优点，其输出光谱如图3b所示。

尽管本发明主要针对光通信/波分复用领域中使用的长周期光纤光栅带通滤波器而设计，然而本发明的应用并不限于光通信领域，可以推广到其他需要光纤带通滤波器的应用领域。另外，尽管本发明实施方式中采用MEMS的工艺，在长周期光纤光栅的后端面镀“钛化钨”制作芯模吸收器；仍然可以利用其它方法、其他吸收介质制作其他工作波长的芯模吸收器，甚至制作其他非吸收膜类型的芯模损耗器，从而实现本发明而不背离权利要求书中所定义的本发明实质和范围。

Claims

1.长周期光纤光栅带通滤波方法，该方法是将两个完全匹配的长周期光纤光栅连接在一起，并在第一长周期光纤光栅后端面的纤芯位置制作一个尺寸和纤芯大小相同的芯模吸收器，用于吸收芯模而保留包层模，在这个镀好芯模吸收器的第一长周期光纤光栅末端连接另一个匹配的第二长周期光纤光栅；入射到第一长周期光纤光栅纤芯内的光以芯模的形式传输，并在其光栅区域与包层模发生耦合，芯模中满足相位匹配条件的光能量绝大部分耦合到包层模中；经过第一个长周期光纤光栅的光栅区域后，光分作包层模和芯模两部分传输，芯模在第一长周期光纤光栅的后端面被芯模吸收器吸收，转换成其他形式的能量传导出去；而包层模则通过两个长周期光纤光栅的界面耦合到第二长周期光纤光栅的包层当中，并以包层模的形式在第二长周期光纤光栅中继续传输；包层模达到第二长周期光纤光栅的光栅区域时，向纤芯芯模逆向耦合，绝大部分能量回到第二长周期光纤光栅的芯模中，最后由第二长周期光纤光栅的后端面输出，实现带通滤波。

2.实现如权利要求1所述方法的长周期光纤光栅带通滤波器，其特征在于：它具有两个完全匹配并连接在一起的长周期光纤光栅LPFG-I和LPFG-II，在第一长周期光纤光栅LPFG-I的后端面(2-6)的纤芯(2-1)末端制作有一个芯模吸收器(2-7)，芯模吸收器(2-7)与纤芯直径相同，在这个镀好芯模吸收器的长周期光纤光栅LPFG-I的末端连接另一个匹配的长周期光纤光栅LPFG-II。

3.根据权利要求2所述的长周期光纤光栅带通滤波器，其特征在于：LPFG-I光栅区域(2-3)到LPFG-II光栅区域(2-9)的距离小于4厘米。

4.根据权利要求2所述的长周期光纤光栅带通滤波器，其特征在于：芯模吸收器(2-7)为一个金属钛化钨或金属钨镀层。