CN103091831B

CN103091831B - 可调谐光学滤波器及应用

Info

Publication number: CN103091831B
Application number: CN201310011434.7A
Authority: CN
Inventors: 宋跃江; 阴成龙
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-01-14
Also published as: CN103091831A

Abstract

本发明提出一种可调谐光学滤波器，包括柱形微腔、耦合波导、位移装置，其中所述柱形微腔横截面的尺寸沿纵向缓变，所述耦合波导与柱形微腔的共振模式相互耦合，所述位移装置能够沿柱形微腔纵向改变耦合波导与柱形微腔之间耦合点位置。本发明具有超窄线宽、宽调谐范围以及简单实用等优势。

Description

可调谐光学滤波器及应用

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体地说，是一种可调谐光学滤波器及应用。

背景技术

随着信息社会的深入发展，数据通信对网络带宽的需求呈爆发性增长。人们对光纤通信系统性能提出越来越高的要求，光纤通信网正朝全光网络方向发展。对于全光网络的实现需要小尺寸、高性能、高稳定的光学器件。而基于光学微腔的谐振式微型滤波器因可以实现超窄线宽、全波段的滤波，成为未来高性能微型光学滤波器的理想选择。

光学微腔因其极高品质因子（Q）的回廊模模式（WGM），引起人们的强烈关注。其中以几何结构对称的微腔的研究最为广泛，如微球、微盘和平面微环等。基于光学微腔的新型光电子器件可以将光强有效约束在微小空间内，这为实现下一代小尺寸、低功耗高速集成光路奠定了基础。作为集成光学中热门的功能器件，柱形(环形)微腔因为制备工艺简单且易于集成的优势，在光通信和光学传感领域有着众多的应用，是低阈值激光器、窄带滤波器、放大器、光开关、光时延线等器件和系统的核心功能器件。

对于基于微腔的光学滤波器，其谐振波长、滤波带宽和消光比是最为关键的性能参数。谐振波长由微腔的形貌尺寸和折射率分布共同决定；滤波带宽对应于微腔的品质因子（Q）,品质因子越大，滤波带宽越小；消光比即谐振深度与耦合方式紧密相关。锥形光纤因其可实现与微腔超高效率的耦合，成为理想的耦合波导。对波长的调谐主要通过控制微腔尺寸或折射率分布来实现。近年来，多种基于光学微腔的可调谐滤波器有相关实验报道，可应用于光通信、光学传感等众多领域。

谐振式光学滤波器波长调谐可以通过改变腔体尺寸或折射率分布来实现。在已经报道的成果中，有一种技术方案采用对微腔施加压力的方法，压力的精确控制通常由复杂的压电设备实现，对微腔本身施加压力后使得微腔发生弹性形变，这样谐振波长变随着形貌尺寸的变化而改变。通常这类调谐方案整个设备比较复杂、尺寸较大，并且利用外加压力的方案实现大范围调谐比较困难。另一种改变微腔尺寸的方法是运用化学腐蚀,利用氢氟酸对微球外表面腐蚀处理时，微球尺寸连续地变小，因而谐振波长得到调谐。但该方案不能实现重复调谐，缺乏实用性。另外，通过改变微腔折射率分布实现波长调谐的方案主要是利用材料的电光或热光效应。微腔折射率在电压或加热作用下发生改变，使波长得到调谐。采用这类方案的器件易于集成，而且体积小，但它的缺点是调谐范围比较小，很难实现全波段的调谐。

发明内容本发明的目的在于提供一种调谐范围较大、调谐精度较高的可调谐光学滤波器及应用。

为达上述目的，本发明提出一种可调谐光学滤波器，包括柱形微腔、耦合波导、位移装置，其中所述柱形微腔横截面的尺寸沿纵向缓变，所述耦合波导与柱形微腔的共振模式相互耦合，所述位移装置能够沿柱形微腔纵向改变耦合波导与柱形微腔之间耦合点位置。

进一步，其中所述的柱形微腔的材料是二氧化硅，聚合物，半导体，或光学晶体。

进一步，其中所述的柱形微腔的横截面几何形状是圆形，椭圆形，或多边形。

进一步，其中所述的耦合波导是锥形光纤，D型光纤，集成波导，或耦合棱镜。

进一步，其中所述的柱形微腔的横向尺寸范围为1微米～3毫米。

进一步，其中所述的柱形微腔与耦合波导之间的耦合间距可以调谐，间距范围为0～2微米。

进一步，其中上述耦合波导的数量为二，且上述两个耦合波导对称的设置所述柱形微腔的侧面。

可调谐光学滤波器在光学位移传感器的应用，柱形微腔固定在可感知外界位移的自由移动平台上，外界的位移量使得柱形微腔与耦合波导之间产生相对位移，柱形微腔纵向改变耦合波导与柱形微腔之间耦合点位置，使得耦合位置处的微腔直径发生改变，共振波长因此会改变；根据已知首先标定的共振波长变化量与位移量之间的对应关系，只要知道共振波长的变化量，就能够推算出位移的大小。

本发明利用柱形微腔的谐振频率依赖形貌尺寸的原理，制备一段形貌尺寸沿纵向缓变的柱形微腔，通过机械控制耦合波导与缓变柱形微腔的耦合位置移动，从而实现谐振波长的宽带调谐，设计出全新的光学可调谐滤波器。

本发明具有如下有益效果：

1、该技术方案具有通用性，适用于多种微腔和耦合波导组合；

2、该调谐方案具有全波段工作和窄线宽滤波等优势；

3、该方案实施简单。

附图说明

图1是本发明实施例一的可调谐光学滤波器的结构示意图。

图2是二氧化硅柱形微腔的制备原理图和显微镜图像。

图3是图1中可调谐光学滤波器的测试装置的原理图。

图4是图1中的柱形微腔的典型透射谱。

图5是图1中的可调谐光学滤波器波长调谐结果示意图。

图6是本发明实施例二中的上下载型可调谐光学滤波器的结构示意图。

图7是本发明另提出的一种光学位移传感器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是本发明实施例一的可调谐光学滤波器的结构示意图，本实施例中，柱形微腔的横截面为圆形。可调谐光学滤波器包括柱形微腔1、耦合波导2、位移装置（图中未示出），其中柱形微腔1横截面的尺寸沿纵向缓变，耦合波导2与柱形微腔1的共振模式相互耦合，位移装置能够沿柱形微腔1纵向改变耦合波导1与柱形微腔2之间耦合点位置。

光信号经耦合波导耦合进入柱形微腔中，激发回廊模振荡，其共振波长满足：λ＝2πRn_eff/m，其中，R为柱形微腔的半径，m为WGM角向量子数，n_eff为有效折射率。柱形微腔的共振波长由柱形微腔横截面半径和折射率分布确定，只要保持折射率分布不变，共振波长对微腔的形貌尺寸有近似线性的依赖关系。因此只要连续地改变柱形微腔横截面半径，便可以实现共振波长的连续调节。

进一步，本实施例中，柱形微腔是一段沿纵向直径缓变的石英圆柱，耦合波导是锥形光纤，位移装置是五维位移台。柱形微腔固定在位移台上，锥形光纤通过夹具固定并与柱形微腔垂直接触。调谐过程是调节位移台移动，柱形微腔与锥形光纤之间有相对位移，锥形光纤与微腔之间耦合点位置相应地改变，从而激发出不同直径的柱形微腔产生回廊模振荡，共振波长得到连续地调谐。

其中，柱形微腔通过对石英柱（比如光纤）加热熔融后拉制获得。熔拉过程示意如图2（a）所示：将一段去掉涂覆层的光纤固定在一对电机平台上，电机平台通过计算机可以精确控制移动方向和速度；加热源使用CO₂激光器或者氢焰。控制两边电机平台速度比值，可以拉制出各种直径缓变的柱形微腔。设置两边电机平台同向运动速度分别为20μm/s和40μm/s，位移行程分别是10mm和20mm，过程中火焰宽度稳定在约4mm，经拉制后光纤直径缓变区长度约2.1mm，粗端直径即裸光纤直径为125μm，细端直径为约86.4μm。图2（b）为加工后一段直径渐变的二氧化硅圆柱显微镜图像，实验结果与理论完全相符。

耦合波导是直径为3μm的锥形光纤，其制备方法与柱形微腔类似：设置好电机平台的运动速度、运动行程，和加热区间长度，就很容易拉制出低损耗（<0.2dB）的锥形光纤。

图3是图1中可调谐光学滤波器的测试装置的原理图，如图3所示：测试用可调谐激光器作为输入光源输入到可调谐光学滤波器，经滤波作用后的输出光被光电探测器接收转换成电信号，并最终在示波器上显示出来。示波器显示出微腔光学滤波器的透射谱，我们可以测量出光学滤波器的透射波长位置，及其相应的线宽值。

图4是图1中的柱形微腔的典型透射谱。，此时滤波带宽为1.5pm（对应微腔Q值为10⁶），耦合效率大于90%（对应消光比大于10dB）。调节位移台使柱形微腔相对耦合波导水平移动，波长的调谐随位移台的位移量的关系如图5所示。在微腔位置水平移动80μm，对应共振波长被调谐了7.6nm，共振波长对位移量的变化关系为95.86pm/um；调谐范围超过了自由谱宽长度（约6nm），因此该可调谐滤波器可以将波长调谐到任意波长位置。而且在波长调谐过程中，滤波器的带宽和消光比几乎保持不变，即在大范围波长调谐时该光学滤波器仍能保持窄带宽和高消光比。该可调谐光学滤波器可以应用在光学通信领域，并且具有全波段工作和超窄线宽的优势。

另外，除了锥形光纤作为耦合波导外，其他耦合器件，例如D型光纤、集成波导、耦合棱镜等都可以作为耦合波导；而且，为了获得更高消光比的滤波效果，可以通过调节波导与微腔之间的耦合系数，即调节耦合波导与柱形微腔的间距来获得。

图6是本发明实施例一的上下载型可调谐光学滤波器的结构示意图。如图6所示。该滤波器在实施例一基础上增加了一路耦合波导，即，使用一对相同的耦合波导。该滤波器工作基本原理与实施例一相同，即谐振波长依赖于微腔的形貌尺寸。一段形貌缓变的石英柱形微腔固定在可调位移台上，两路锥形光纤对称地固定在柱形微腔两边，同时与微腔模式发生耦合作用。使用对称的耦合波导对，当输入的波长等于微腔的共振波长时，它不会从输入波导透射，而是完全从另一耦合波导输出。所以利用这样的特性，我们可以实现可调谐上下载型光学滤波器。如图6所示，包含不同波长的光（λ₁，λ₂，λ₃）输入到上下载型光学滤波器的端口1，其中波长λ₂满足微腔谐振条件，通过耦合作用，从滤波器的端口3输出；而其它波长（λ₁，λ₃）由于不满足共振条件，都从端口2输出。同样，波长λ₂能通过端口4上载到端口2。

通过控制位移台移动使石英柱与锥形光纤对相对位置发生改变，耦合处的微腔直径因此产生变化，共振波长便得到调谐。只要调节位移台移动，我们就可以上载或下载任一输入的光波，实现可调谐的上下载型光学滤波器。

另外，除了锥形光纤作为耦合波导外，其他耦合器件，例如D型光纤、集成波导、耦合棱镜等都可以作为耦合波导。

图7是本发明另提出的一种光学位移传感器的示意图。

本实施例提供了一种基于形貌缓变的柱形微腔的光学位移传感器的应用，如图7所示，光学位移传感器包含柱形微腔、耦合波导和可自由移动平台三个部分。柱形微腔是沿纵向直径缓变的石英柱形微腔；耦合波导是一段D型光纤或集成波导，用来激发微腔模式；柱形微腔固定在可感知外界位移的可自由移动平台上，这样固定柱形微腔的可自由移动平台可作为感知位移量的敏感元件。外界的位移量使得柱形微腔与耦合波导之间产生相对位移，使得耦合位置处的微腔直径发生改变，共振波长因此会改变。首先标定共振波长变化量与位移量之间的对应关系，只要知道共振波长的变化量，我们就可以推算出位移的大小。实验中，对波长的变化与微腔位移量的关系进行标定得到的比值是95.86pm/μm，通常仪器最小波长分辨率达到共振峰线宽的1/50，因此该类型光学位移传感器的位移传感精度达到0.3nm。

综上所述，本发明提出一种新颖的、简单的可调谐缓变柱形微腔光学滤波器，其实现途径是使用一段横截面尺寸沿柱形微腔纵向缓变的微腔，利用精密的位移调节装置连续调节耦合波导和微腔相对位置，使得耦合点处微腔尺寸发生连续的改变，这样就实现了波长的调谐过程。

Claims

1.可调谐光学滤波器，其特征在于，包括柱形微腔、耦合波导、位移装置，其中所述柱形微腔横截面的尺寸沿其纵向缓变，所述耦合波导与柱形微腔相互耦合，所述位移装置能够沿柱形微腔纵向改变耦合波导与柱形微腔之间耦合点位置；

柱形微腔的材料是二氧化硅；

所述的柱形微腔的横截面几何形状是圆形、椭圆形或多边形；

所述的耦合波导是锥形光纤或D型光纤；

所述的柱形微腔的横向尺寸范围为1微米～3毫米；

所述的柱形微腔与耦合波导之间的耦合间距能够调谐，间距范围为0～2微米。

2.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征是上述耦合波导的数量为二，且上述两个耦合波导对称的设置在所述柱形微腔的侧面。

3.根据权利要求1-2之一所述的可调谐光学滤波器在光学位移传感器的应用，其特征是柱形微腔固定在可感知外界位移的自由移动平台上，外界的位移量使得柱形微腔与耦合波导之间产生相对位移，柱形微腔纵向改变耦合波导与柱形微腔之间耦合点位置，使得耦合位置处的微腔直径发生改变，共振波长因此会改变；根据已知首先标定的共振波长变化量与位移量之间的对应关系，只要知道共振波长的变化量，就能够推算出位移的大小。