CN100575999C - 频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法，其制作过程是在研磨好的D型光纤轴向研磨平面(1)上依次制作ITO电极(5)、多个半径不同的与光纤芯子(2)发生垂直耦合的聚合物微环(P1，P2……Pn)、聚合物包层(4)和电极圆环(E1，E2……En)。在各个聚合物微环(P1，P2……Pn)上施加不同的偏置电压(V1，V2……Vn)将改变各个聚合物微环(P1，P2……Pn)的谐振频率，通过调整各个聚合物微环(P1，P2……Pn)的偏置电压(V1，V2……Vn)将动态改变滤波器的频域传输函数形状。本发明适用于制作各种动态信道平坦和功率均衡器件。

Description

频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法，属于光纤通信领域。尤其适用于密集波分复用(DWDM)动态信道均衡，增益平坦性优化等技术领域。

背景技术

随着市场需求和技术进步的双重推动，DWDM光纤通信技术向着超长、超高速、大容量以及动态可配置的网络化方向发展。目前在DWDM传输系统中，由于光纤的衰耗、掺铒光纤放大器(EDFA)的增益、色散补偿模块(DCM)的插损以及其他光学部件的增益或损耗都随信号波长不同而不同，使得DWDM系统各通道间信号功率和信噪比不均衡，从而导致DWDM系统传输质量下降。虽然在DWDM系统中已经采用了静态增益平坦滤波器(GFF)来均衡信道间的光功率，但是残余的功率不均衡随着级连链路的增加而不断的累积增大，一般在20个放大器级联应用之后，光纤放大器的增益不平坦度将高达10dB，而且随着信道数目的增减，GFF均衡的灵活性不足，所以迫切需要一种能够动态适应光纤链路和增益变化的动态增益平坦滤波器(DGFF)，来适应波分系统的动态配置。

目前，各大公司制作动态增益平坦滤波器的技术有MEMS技术、平面SiON技术、平面波导回路技术等，然而，这些动态增益平坦滤波器的生产技术因为其技术的复杂性和较低的成品率，使得动态增益平坦滤波器价格居高不下，严重限制了动态增益平坦滤波器的广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是降低动态增益平坦滤波器的成本，提供一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法，该制作方法步骤：

步骤1，选择一根光纤芯子直径为1μm～10μm的阶跃型单模光纤，阶跃型单模光纤的长度为1m～5m；

步骤2，对步骤1中阶跃型单模光纤包层的中部进行轴向研磨，研磨长度为0.5cm～5cm，研磨至距离光纤芯子最近点0.5～5μm，然后抛光；

步骤3，在抛光后的光纤轴向研磨平面上，镀制一层ITO电极；

步骤4，在ITO电极上，旋涂一层1μm～10μm厚的高电光系数聚合物材料，然后用光刻法一次性绘成n个微型圆环的图案，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出n个不同外径的聚合物微环，各个聚合物微环与纤芯发生垂直耦合并构成谐振环，聚合物微环的内外径之差为1μm～10μm，n≥1，且为整数；

步骤5，在ITO电极上，旋涂一层厚度为2μm～20μm的无电光特性的聚合物材料来填充步骤4所刻蚀掉的高电光系数材料，形成聚合物包层；

步骤6，利用电晕极化法对聚合物微环进行极化，极化电压为1KV～100KV，极化温度为高电光系数聚合物材料的玻璃化温度，极化时间为20～200分钟；

步骤7，在极化之后的聚合物包层上，沉淀一层金属薄膜，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺刻蚀成电极圆环。

与聚合物微环发生垂直耦合的光纤芯子的输出功率与输入功率的比值将随输入波长的不同而不同，而在谐振频率处达到最小值，纤芯的输出功率与输入功率的比值可由下式决定：

$\frac{I_2}{I_1}=\frac{a^2-2\mathrm{ra}\cos \left(2\mathrm{\π\β}\right)+r^2}{1-2\mathrm{ra}\cos \left(2\mathrm{\π\β}\right)+r^2{a}^2}$

其中a为单程损耗系数，r为导通系数，β为单程波数，β数值的大小与光频率成正比，与聚合物微环的半径成反比，因此通过改变聚合物微环的半径和加载在电光聚合物上的偏置电压改变β值和聚合物微环的谐振频率，从而动态改变光谱滤波器的传输函数。

使用时，对每个聚合物微环施加不同的偏置电压，由于各个聚合物微环的半径和所加偏置电压不同，每个聚合物微环将具有不同的谐振频率。

步骤4中聚合物微环的不同外径是指聚合物微环的谐振频率不同，各个聚合物微环(P1，P2…Pn)的谐振频率为f＝cm/2πn_effR，其中m为正整数，c为真空中的光速，n_eff为各个聚合物微环(P1，P2…Pn)的有效折射率，R为各个聚合物微环(P1，P2…Pn)的外径。

步骤4中不同外径的聚合物微环之间的最小距离大于10μm，各个聚合物微环的顺序可以任意排列。

步骤4中不同外径的聚合物微环内边界和外边界在研磨平面上的投影分别与光纤芯子在研磨平面上的投影的两边缘相切。

步骤4中不同外径的聚合物微环为同步制作，因此，增加了器件的集成度和性价比。

步骤4中所用高电光系数聚合物材料包括分散红13/聚甲基丙烯酸甲酯(DR13/PMMA)、分散红1/聚碳酸酯(DR13/PC)、掺镧钛酸铅/聚甲基丙烯酸甲酯(PLT/PMMA)、步骤5中聚合物包层所用材料为特氟隆(Teflon)、2-(3-氰基-4，5，5-三甲基-5H-呋喃-2-亚丙)-丙二腈(简称FTC)、美斯特UV15胶。

步骤7中的电极圆环在研磨平面上的投影与聚合物微环在研磨平面上的投影重合。所用电极圆环材料为金电极、银电极、铜电极或铝电极。

本发明的有益效果如下：

本发明利用每一个聚合物微环形成不同谐振频率的滤波器，这些滤波器的不同组合通过调整各个偏置电压做成频域传输函数形状动态调谐的光谱滤波器。本发明制作工艺简单、成本低，适用于各种动态信道平坦和功率均衡器件，具有卓越的灵活性，广范应用于动态增益平坦滤波器(DGFF)，来适应波分系统的动态配置。本发明使用单模光纤作为基体，不但降低了成本，而且有效的减少了器件在光纤通信系统中的插入损耗。

附图说明

图1为频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器俯视图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为图1的B-B阶梯剖面图。

图4为图2的C-C剖面图。

图5为频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器测试图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步说明。

实施例一

一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法：

步骤1，选择一根光纤芯子2直径为1μm的阶跃型单模光纤，阶跃型单模光纤的长度为1m。

步骤2，对步骤1中阶跃型单模光纤包层3的中部进行轴向研磨，研磨长度为0.5cm，研磨至距离光纤芯子2最近点0.5μm，然后抛光，两端未研磨部分作为频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的尾纤。

步骤3，在抛光后的光纤轴向研磨平面1上利用磁控溅射法镀制一层ITO电极5，ITO电极的厚度为50nm。

步骤4，在ITO电极5上利用旋转抛涂机旋涂一层1μm厚的具有高电光系数的分散红13/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺在氧气环境中刻蚀出10个不同半径的分散红13/聚甲基丙烯酸甲酯聚合物微环P1，P2，…，P10，半径分别为10μm，11μm，…，20μm，聚合物微环P1，P2，…，P10的内外径之差为1μm。

步骤5，在分散红13/聚甲基丙烯酸甲酯聚合物微环上利用旋转抛涂机旋涂一层美斯特UV15胶来填充步骤4所刻蚀掉的分散红13/聚甲基丙烯酸甲酯，并作为分散红13/聚甲基丙烯酸甲酯聚合物微环P1，P2，…，P10，美斯特UV15胶的厚度为2μm。

步骤6，利用电晕极化法对分散红13/聚甲基丙烯酸甲酯聚合物微环进行极化，极化电压为1KV，极化温度为145℃，极化时间为20分钟。

步骤7，在聚合物包层4表面沉淀一层Au电极，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺在氧气环境中刻蚀成电极圆环E1，E2，…，E10。

对上述器件的测试过程如下：以掺铒光纤激光器作为光源7，接入一个光隔离器8，以防止光谱滤波器回波损耗过大引起光源的不稳定工作，光隔离器8的另一端接频域传输函数形状动态调谐的光谱滤波器6的一端尾纤，另一端尾纤与光谱测试仪9相连接。利用图5所示的系统结构，通过改变加载在每一个谐振环上的电压V1，V2，…，V10对频域传输函数进行调整，使达到均衡EDFA增益谱线的目的。

实施例二

一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法：

步骤1，选择一根光纤芯子2直径为10μm的阶跃型单模光纤，阶跃型单模光纤的长度为5m。

步骤2，对步骤1中阶跃型单模光纤包层3的中部进行轴向研磨，研磨长度为5cm，研磨至距离光纤芯子2最近点5μm，然后抛光，两端未研磨部分作为频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器尾纤。

步骤3，在抛光后的光纤轴向研磨平面1上利用真空蒸发法镀制一层ITO电极5，ITO电极的厚度为80nm。

步骤4，在ITO薄膜上利用旋转抛涂机旋涂一层10μm厚的具有高电光系数的分散红1/聚碳酸酯薄膜，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺在氧气环境中刻蚀出3个不同半径的分散红1/聚碳酸酯聚合物微环P1，P2，P3，半径分别为200μm，210μm，220μm，聚合物微环P1，P2，P3的内外径之差为10μm。

步骤5，在分散红1/聚碳酸酯聚合物微环上利用旋转抛涂机旋涂一层特氟隆来填充步骤4所刻蚀掉的分散红1/聚碳酸酯，形成分散红1/聚碳酸酯聚合物微环P1，P2，P3的聚合物包层4，特氟隆的厚度为20μm。

步骤6，利用电晕极化法对分散红1/聚碳酸酯聚合物微环进行极化，极化电压为100KV，极化温度为105℃，极化时间为200分钟。

步骤7，在聚合物包层4表面沉淀一层Al电极，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺在氧气环境中刻蚀成电极圆环E1，E2，E3。

对上述器件的测试过程如下：以波分复用/解复用设备作为光源7，接入一个光隔离器8，以防止光谱滤波器回波损耗过大引起光源的不稳定工作，光隔离器8的另一端接频域传输函数形状可动态调谐的光谱滤波器6的一端尾纤，另一端尾纤与光谱测试仪9相连接。利用图5所示的系统结构，通过改变加载在每一个谐振环上的电压V1，V2，V3对频域传输函数进行调整，使得光谱分析仪9上监测到的各信道功率大致相等。

实施例三

一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器的制作方法：

步骤1，选择一根光纤芯子2直径为5μm的阶跃型单模光纤，阶跃型单模光纤的长度为2.5m。

步骤2，对步骤1中阶跃型单模光纤包层3的中部进行轴向研磨，研磨长度为3cm，研磨至距离光纤芯子2最近点2μm处，然后抛光，两端未研磨部分作为频域传输函数形状可动态调谐的光谱滤波器的尾纤。

步骤3，在抛光后的光纤轴向研磨平面1上利用离子镀膜法镀制一层ITO电极5，ITO电极的厚度为100nm。

步骤4，在ITO薄膜上利用旋转抛涂机涂敷一层5μm厚的具有高电光系数的掺镧钛酸铅/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺在氧气环境中刻蚀出1个掺镧钛酸铅/聚甲基丙烯酸甲酯聚合物微环P1，半径为100μm，聚合物微环P1的内外径之差为5μm。

步骤5，在上述器件上利用旋转抛涂机旋涂一层FTC来填充步骤4所刻蚀掉的掺镧钛酸铅/聚甲基丙烯酸甲酯，形成掺镧钛酸铅/聚甲基丙烯酸甲酯聚合物微环P1的聚合物包层4，FTC的厚度为9μm。

步骤6，利用电晕极化法对掺镧钛酸铅/聚甲基丙烯酸甲酯聚合物微环进行极化，极化电压为50KV，极化温度为105℃，极化时间为60分钟。

步骤7，在聚合物包层4表面沉淀一层Ag电极，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺在氧气环境中刻蚀成微型圆环形状E1。

对上述器件的测试过程如下：以单信道激光器作为光源7，接入一个光隔离器8，以防止光谱滤波器回波损耗过大引起光源的不稳定工作，光隔离器8的另一端接频域传输函数形状可动态调谐的光谱滤波器6的一端尾纤，另一端尾纤与光谱测试仪9相连接。利用图5所示的系统结构，通过改变加载在每一个谐振环上的电压V1对频域传输函数进行调整，使得光谱分析仪9上监测到的信道功率大小满足要求。

本发明利用具有光谱透明特性和导电特性的ITO作为下电极，既能够为聚合物微型谐振环提供偏置电压，又不会影响垂直耦合效应。

本发明使用单模光纤作为基体，不但降低了成本，而且有效的减少了器件在光纤通信系统中的插入损耗。

Claims (5)

1.一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器制作方法，其特征在于：该制作方法步骤：

步骤1，选择一根光纤芯子(2)直径为1μm～10μm的阶跃型单模光纤，阶跃型单模光纤的长度为1m～5m；

步骤2，对步骤1中阶跃型单模光纤包层(3)的中部进行轴向研磨，研磨长度为0.5cm～5cm，研磨至距离光纤芯子(2)最近点0.5μm～5μm，然后抛光；

步骤3，在抛光后的光纤轴向研磨平面(1)上，镀制一层ITO电极(5)；

步骤4，在ITO电极(5)上，旋涂一层1μm～10μm厚的高电光系数聚合物材料，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺刻蚀出n个不同外径的聚合物微环(P1，P2…Pn)，聚合物微环(P1，P2…Pn)的内外径之差为1μm～10μm，n≥1，且为整数；

步骤5，在ITO电极(5)上，旋涂一层厚度为2μm～20μm的无电光特性的聚合物材料来填充步骤4所刻蚀掉的高电光系数材料，形成聚合物包层(4)；

步骤6，利用电晕极化法对聚合物微环(P1，P2…Pn)进行极化，极化电压为1KV～100KV，极化温度为高电光系数聚合物材料的玻璃化温度，极化时间为20～200分钟；

步骤7，在极化之后的聚合物包层(4)上，沉淀一层金属薄膜，然后用光刻法和反应离子刻蚀工艺刻蚀成电极圆环(E1，E2，…En)。

2.根据权利要求1所述的一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器制作方法，其特征在于，步骤4中聚合物微环(P1，P2…Pn)的不同外径是指聚合物微环(P1，P2…Pn)的谐振频率不同，各个聚合物微环(P1，P2…Pn)的谐振频率为f＝cm/2πn_effR，其中m为正整数，c为真空中的光速，n_eff为各个聚合物微环(P1，P2…Pn)的有效折射率，R为各个聚合物微环(P1，P2…Pn)的外径。

3.根据权利要求1所述的一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器制作方法，其特征在于，步骤4中不同外径的聚合物微环(P1，P2…Pn)之间的最小距离大于10μm，各个聚合物微环(P1，P2…Pn)的顺序可以任意排列。

4.根据权利要求1所述的一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器制作方法，其特征在于，步骤4中不同外径的聚合物微环(P1，P2…Pn)内边界和外边界在研磨平面(1)上的投影分别与光纤芯子(2)在研磨平面(1)上的投影的两边缘相切。

5.根据权利要求1所述的一种频域传输函数形状动态调谐光谱滤波器制作方法，其特征在于，与聚合物微环(P1，P2…Pn)发生垂直耦合的光纤芯子(2)的输出功率I₂与输入功率I₁的比值将随输入波长的不同而不同，而在谐振频率处达到最小值，纤芯的输出功率I₂与输入功率I1的比值可由下式决定：

$\frac{I_2}{I_1}=\frac{a^2-2\mathrm{ra}\cos \left(2\mathrm{\π\β}\right)+r^2}{1-2\mathrm{ra}\cos \left(2\mathrm{\π\β}\right)+r^2{a}^2}$

其中a为单程损耗系数，r为导通系数，β为单程波数，β数值的大小与光频率成正比，与聚合物微环的半径成反比，因此通过改变聚合物微环的半径和加载在电光聚合物上的偏置电压改变β值和聚合物微环的谐振频率，从而动态改变光谱滤波器的传输函数。

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