CN103529520B - 基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置和复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置及方法，包括宽带光源（1）、输入光纤（2）、输入薄膜耦合器（3）、波导衬底（4）、激发光注入波导（5）、耦合波导（6）表面等离子体谐振腔（7）、微流体通道（8）、微流体调控装置（9）、输出波导（10）、输出薄膜耦合器（11）、输出光纤（12）、光开关（13）、光开关输出光纤（14）及光谱分析装置（15）。与现有技术相比，本发明既可以进行多路波分复用，又可以调谐每一路的波长；在不改变谐振腔几何尺寸的情况下，通过调控其中注入的液体使一路实现多个波长的输出，填补了以往的技术空白。

Description

基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置和复用方法

技术领域

本发明涉及纳米光子器件的可调谐多路分波器件技术领域。

背景技术

波分复用技术在光通信技术中至关重要。在纳米光子器件中，主要采用布拉格反射结构、侧耦合纳米腔结构、齿状结构作为滤波器来实现波分复用系统的波长选择。但是在波分复用系统中，需要多个波长的选择和输出，这项功能可由基于多谐振腔技术的波导器件实现，但是这些器件不具有可调控性。想要改变器件的谐振波长，只能通过改变滤波器的几何尺寸这一途径，因此波分复用器的每一路只能输出特定的某一个波长。如果需要波分复用器具有多个波长的输出，则系统结构的复杂度将会大大增加。

实现波长调控的方法很多，主要是把波导结构与电光材料、热光材料、半导体以及全光材料复合，以电光、热光、载流子迁移、光克尔等效应对结构中传输的光波长进行调控。但是各种材料在复合的使用中分别存在以下缺陷，以下为三种常用复合材料的缺陷：

1）电光材料的电光系数一般都极小，如常用的铌酸锂晶体（LiNbO₃）的电光系数(dn/dE)只有1.6*10^-10m/V，因此如果想要使电光材料的折射率大范围的变化，必须要使其处在极大的电场强度下。以铌酸锂晶体为例，若要使其折射率改变千分之一，也必须使场强达到10⁷m/V的量级。在这样大的场强下，有可能会击穿材料，导致器件损坏；

2）热光材料的热光系数（dn/dT）一般在10^-4K^-1，如果想要很大程度的改变材料的折射率就需要实现几百度甚至上千度的高温，这在实现上也有一定的困难；

3）光折变晶体也只有在极强的入射光下才能较大程度的改变折射率，如果入射光强不够大，则只能在很小的范围内对波长进行调控。所以需要寻求更好的方法来实现可控波导器件。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置和方法，综合了多路波分复用波导结构和微流体调控技术的优点，采用微流体调控技术对表面等离子体光波导的输出波长进行调控，通过控制波导谐振腔内注入流体液柱的长度来改变等效腔长，进而控制谐振波长和输出波长，由于利用了液体等效折射率大的特点，使得可调控的波长范围极大的增加；同时由于液柱长度可控制，所以可以获得精确的输出波长；并且，这种波分复用装置每一路的输出波长不是固定的，多个波长的复用可以只通过少数几路做到，这极大的减小了波分复用装置的体积。。

本发明提出了一种基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置，该装置包括宽带光源1、输入光纤2、输入薄膜耦合器3、波导衬底4、激发光注入波导5、耦合波导6、表面等离子体谐振腔7、微流体通道8、微流体调控装置9、输出波导10、输出薄膜耦合器11、输出光纤12、光开关13、光开关输出光纤14以及光谱分析装置15；其中：

宽带光源1发出的光经过输入光纤2到达薄膜耦合器3后分为两束，一部分光满足谐振条件mλ＝2nL的波长被耦合入激发光注入波导5中形成表面等离子体波，其中m为谐振波数，λ为等离子体谐振腔的谐振波长，n为谐振腔内等效折射率，L为腔长；另一部分无法耦合入谐振腔的光被沉积在衬底4上的激发光注入波导5衍射；在传输到耦合波导6后，表面等离子体波被分成两束沿各自的耦合波导6进行传输；在耦合波导6与表面等离子体谐振腔7的连接处，符合谐振条件的波长被耦合入表面等离子体谐振腔7，其余的波长被耦合波导6的端面反射；微流体调控装置9通过微流体通道8向表面等离子体谐振腔7中注入流体，控制流体的液柱长度以及种类；微流体调控装置9中的等离子体波耦合入输出波导10中，并传输到输出薄膜耦合器11，耦合入输出光纤12中；光开关13对多路输入进行选通，将选通的一路信号通过光开关输出光纤14传导到光谱分析装置15中进行光谱分析；

所述谐振腔的腔长通过注入流体进行调控，满足

mλ＝2n₁L₁+2n₂L₂，

其中n₁为所通入流体折射率，L₁为流体液柱长度，n₂为腔中未注入流体的空气柱折射率，L₂为空气柱长度。

所述表面等离子体谐振腔7采用由多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列构成多路输出，每一路都通过微流体调控装置进行调控。

对于所述由多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列多路耦合波导输出，有多个输出薄膜耦合器进行收集。

对于多路耦合波导的输出由多条输出光纤进行配合。

本发明还提出了一种基于微流体调控的可调谐多路波分复用方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、宽带光源发出的光通过光纤到达另一侧的薄膜耦合器，通过薄膜耦合器耦合入波导结构中；

步骤2、激发光注入波导中传输的表面等离子体波在耦合波导处被分成两束，满足谐振条件mλ＝2nL的波长被耦合入表面等离子体谐振腔中，其中m为谐振波数，λ为等离子体谐振腔的谐振波长，n为谐振腔内等效折射率，L为腔长。无法耦合入谐振腔的波长将沿激发光注入波导反射；

步骤3、谐振腔的腔长通过注入流体进行调控，满足

mλ＝2n₁L₁+2n₂L₂，

其中n₁为所通入流体折射率，L₁为流体液柱长度，n₂为腔中未注入流体的空气柱折射率，L₂为空气柱长度；

步骤4、等离子体谐振腔中形成的驻波耦合入输出波导中，通过输出波导传输至输出薄膜耦合器中，在此过程表面等离子体波又转化为光波，光波通过耦合器输入到光纤中，进入光开关；

步骤5、将通过光波分复用器输出光纤输出的不同波长范围的光作为信号载体进入后续光路进行处理；通过调节每个谐振腔的液柱长度，即可选择相应的谐振波长进行输出。

所述表面等离子体谐振腔7采用有多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列构成多路输出，每一路都通过微流体调控装置进行调控。

所述有多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列对应多路耦合波导输出，有多个输出薄膜耦合器进行所述输出的收集。

对于多路耦合波导的输出由多条输出光纤进行配合。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

既可以进行多路波分复用，又可以调谐每一路的波长。以往的类似波导，每一路只可以输出某个固定的谐振波长，该波长由谐振腔的几何尺寸决定；本发明可以在不改变谐振腔几何尺寸的情况下，通过调控其中注入的液体使一路实现多个波长的输出，填补了以往的空白。该可调谐多路波分复用装置可对高集成度光波导芯片中的宽频带光信号进行波长分解并传输。

附图说明

图1是本发明的基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置的结构示意图；

图2是本发明的基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置中表面等离子体谐振腔液体调控过程中力的示意图；

图3是本发明的基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置的输出波长与表面等离子体谐振腔内液柱长度关系曲线示意图。

图中：1、光源；2、输入光纤；3、输入薄膜耦合器；4、波导衬底；5、激发光注入波导；6、耦合波导；7、表面等离子体谐振腔；8、微流体通道；9、微流体调控装置；10、激发光输出波导；11、输出薄膜耦合器；12、输出光纤；13、光开关；14、光开关输出光纤；15、光谱分析装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置包括15个部分：

光源1，采用具有宽光谱的ASE光源；

输入光纤2，用来传输光源的输出光，将其导入后端的输出薄膜耦合器8中；

输入薄膜耦合器3，用来将光纤传输的光耦合至波导中，可采用熔锥光纤或薄膜波导；

波导衬底4，使用折射率较大的硅材料作为波导衬底，用来作为放置各波导的基底，又可以对波导中的光起到限制作用；

激发光注入波导5，用来将激发光注入等离子体波导结构中，并将光分割成多路进行传输，使得谐振腔阵列中每个谐振腔的输入光功率相等；

耦合波导6，其谐振腔具有一个上载波导通道和一个下载波导通道，用来将输入耦合波导6的激发光通过倏逝场耦合入该谐振腔中，并且将在腔中形成谐振的特定波长以及耦合出谐振腔，通过波导通道进行输出；

表面等离子体谐振腔7，用来对输入波长进行有选择的输出，不同的腔长和腔形下只有某些特定波长可以形成谐振，不同几何参数的谐振腔阵列可以进行多个不同波长的输出；

微流体通道8，用来连接表面等离子体谐振腔7和流体调控装置9，在其中可以传输不同种类的液体；

微流体调控装置9，用来控制等离子体谐振腔（阵列）中所注入流体的流动行为，由微流体控制器和微流体通道构成，其中微流体控制器可以对流体通道中流体的注入量以及注入种类进行操控，微流体通道是微流体控制器和等离子体谐振腔阵列之间传递流体的通道；

输出波导10，用来耦合表面等离子体谐振腔7中的驻波，经传输后进入输出薄膜耦合器11中；

输出薄膜耦合器11，用来收集经耦合波导6中传输的光信号，并将光信号从波导耦合入光纤进行输出；对于有多个谐振腔构成的多路耦合波导输出，也需要有多个输出薄膜耦合器进行收集；

输出光纤12，用来传导经表面等离子体谐振腔7调制后的信号光，将其输入到其后的光开关13中；对于多路耦合波导输出，需要多条输出光纤进行配合；

光开关13，用于对多路输出光信号进行选通，同一时间只选择一路光信号；

光开关输出光纤14，用于输出经过光开关13选通的光信号，并导入光谱分析装置15进行分析；

光谱分析装置15，对输出光信号进行分析和采集，可采用光谱仪或可调谐滤波器。

宽带光源1发出的光经过输入光纤2到达薄膜耦合器3，一部分光被沉积在衬底4上的激发光注入波导5衍射，另外一部分光通过倏逝波耦合入激发光注入波导5中形成表面等离子体波。在传输到耦合波导6后，表面等离子体波被分成两束沿各自的耦合波导6进行传输。在耦合波导6与表面等离子体谐振腔7的连接处，符合谐振条件的波长被耦合入表面等离子体谐振腔7，其余的波长被耦合波导6的端面反射。微流体调控装置9通过微流体通道8向表面等离子体谐振腔7中注入流体，并可以控制流体的液柱长度以及种类。微流体调控装置9中的等离子体波可以耦合入输出波导10中，并传输到输出薄膜耦合器11，耦合入输出光纤12中。光开关13可以对多路输入进行选通，将选通的一路信号通过光开关输出光纤14传导到光谱分析装置15中进行光谱分析。

如图2所示，本发明的一种多通道光微流体可调波长复用方法，该方法的具体过程如下：

第1、宽带光源发出的光通过光纤到达另一侧的薄膜耦合器，通过薄膜耦合器耦合入波导结构中。由于激发光注入波导的宽度仅有100nm左右，因此由于光的衍射极限为其波长的一半，普通的光波无法耦合入波导。波导表面可以满足相位匹配条件使得大部分光通过倏逝场转化为可以沿金属波导表面传输的表面等离子体波，这种波可以突破衍射极限，在小于光波半波长的波导中进行传输。

第2、激发光注入波导中传输的表面等离子体波在耦合波导处被分成两束，只有满足谐振条件mλ＝2nL的波长可以被耦合入表面等离子体谐振腔中，其中m为谐振波数，λ为等离子体谐振腔的谐振波长，n为谐振腔内等效折射率，L为腔长。无法耦合入谐振腔的波长将沿激发光注入波导反射。

第3、谐振腔的腔长可以通过注入流体进行调控，满足mλ＝2n₁L₁+2n₂L₂，其中n₁为所通入流体折射率，L₁为流体液柱长度，n₂为腔中未注入流体的空气柱折射率，L₂为空气柱长度。由于流体的折射率明显大于空气，因此流体液柱长度的改变对等效腔长的改变很明显。通过流体调控装置可以自由调控从0～L的流体注入长度，并且可以更改注入的流体种类，从而可以大范围的调控谐振腔的腔长进而控制了谐振波长。

第4、等离子体谐振腔中形成的驻波可以耦合入输出波导中，通过输出波导传输至输出薄膜耦合器中，在此过程表面等离子体波又转化为光波，光波通过耦合器输入到光纤中，进入光开关。光开关控制多路输入的输出情况，在同一时间只有一路光可以输出，保证了接收装置不会检测到多路混合的信号；

第5、作为光波分复用器，输出光纤输出的不同波长范围的光可作为信号载体进入后续光路进行处理。通过调节每个谐振腔的液柱长度，即可选择相应的谐振波长进行输出。

如图2所示，在谐振腔中形成谐振的表面等离子体波，其波长满足谐振条件mλ＝2nL，m为谐振波数，λ为等离子体谐振腔7的谐振波长，n为谐振腔7内等效折射率，L为谐振腔7腔长。当通过流体控制系统9在谐振腔7中注入流体时，其谐振条件变为mλ＝2n₁L₁+2n₂L₂，其中n₁为所通入流体折射率，L₁为流体液柱长度，n₂为腔中未注入流体的空气柱折射率，L₂为空气柱长度。通过控制注入流体的液柱长度L₁，即可控制谐振波长λ。

如图3所示，当谐振腔中通入二硫化碳（n=1.6276）,在谐振腔7腔长为400nm时，随着液柱长度由50nm增加到300nm，其谐振波长由1132nm移动到1721nm，实现了大范围的波长调控。

以下为本发明的应用举例。

如果将输入光纤2的前端连接入一个光纤系统中，则从输入光纤2到输出光纤12的部分可作为一个可调谐多路波分复用器在系统中实现可控波长选择的功能。通过人为控制微流体调控装置9中注入表面等离子体谐振腔中的液柱长度，即可进行多路的输出波长选择。同一路的输出，其波长还可以根据需要进行调控，比传统的波分复用器复杂度降低很多。

微流体调控方法是利用滤波器的腔长和等效折射率决定了输出波长值，当人为操控谐振腔中充入液体的体积和种类时，腔长和等效折射率就会相应的改变，从而实现了对滤波器输出波长的调控。利用表面等离子体波导侧耦合结构可以得到具有谐振腔结构的滤波器，利用多个可输出不同波长的滤波器可以构成多路波分复用器，输出多个不同的波长。该装置可有效的实现多个通道多个波长的输出，且可以有效控制输出波长值。并且基于表面等离子体波导技术，该器件的尺寸在亚微米量级，可以适用于大集成度的光学器件。

Claims (8)

1.一种基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置，其特征在于，该装置包括宽带光源(1)、输入光纤(2)、输入薄膜耦合器(3)、波导衬底(4)、激发光注入波导(5)、耦合波导(6)、表面等离子体谐振腔(7)、微流体通道(8)、微流体调控装置(9)、输出波导(10)、输出薄膜耦合器(11)、输出光纤(12)、光开关(13)、光开关输出光纤(14)以及光谱分析装置(15)；其中：

宽带光源(1)发出的光经过输入光纤(2)到达薄膜耦合器(3)后分为两束，一部分光满足谐振条件mλ＝2nL的波长被耦合入激发光注入波导(5)中形成表面等离子体波，其中m为谐振波数，λ为等离子体谐振腔的谐振波长，n为谐振腔内等效折射率，L为腔长；另一部分无法耦合入谐振腔的光被沉积在衬底(4)上的激发光注入波导(5)衍射；在传输到耦合波导(6)后，表面等离子体波被分成两束沿各自的耦合波导(6)进行传输；在耦合波导(6)与表面等离子体谐振腔(7)的连接处，符合谐振条件的波长被耦合入表面等离子体谐振腔(7)，其余的波长被耦合波导(6)的端面反射；微流体调控装置(9)通过微流体通道(8)向表面等离子体谐振腔(7)中注入流体，控制流体的液柱长度以及种类；微流体调控装置(9)中的等离子体波耦合入输出波导(10)中，并传输到输出薄膜耦合器(11)，耦合入输出光纤(12)中；光开关(13)对多路输入进行选通，将选通的一路信号通过光开关输出光纤(14)传导到光谱分析装置(15)中进行光谱分析；

所述谐振腔的腔长通过注入流体进行调控，满足

mλ＝2n₁L₁+2n₂L₂，

其中n₁为所通入流体折射率，L₁为流体液柱长度，n₂为腔中未注入流体的空气柱折射率，L₂为空气柱长度。

2.如权利要求1所述的基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置，其特征在于，所述表面等离子体谐振腔(7)采用由多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列构成多路输出，每一路都通过微流体调控装置进行调控。

3.如权利要求2所述的基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置，其特征在于，对于所述由多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列多路耦合波导输出，有多个输出薄膜耦合器进行收集。

4.如权利要求3所述的基于微流体调控的可调谐多路波分复用装置，其特征在于，对于多路耦合波导的输出由多条输出光纤进行配合。

5.一种基于微流体调控的可调谐多路波分复用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、宽带光源发出的光通过光纤到达另一侧的输出薄膜耦合器，通过输出薄膜耦合器耦合入波导结构中；

步骤(2)、激发光注入波导中传输的表面等离子体波在耦合波导处被分成两束，满足谐振条件mλ＝2nL的波长被耦合入表面等离子体谐振腔中，其中m为谐振波数，λ为等离子体谐振腔的谐振波长，n为谐振腔内等效折射耦合器率，L为腔长，无法耦合入谐振腔的波长将沿激发光注入波导反射；

步骤(3)、谐振腔的腔长通过注入流体进行调控，满足

mλ＝2n₁L₁+2n₂L₂，

其中n₁为所通入流体折射率，L₁为流体液柱长度，n₂为腔中未注入流体的空气柱折射率，L₂为空气柱长度；

步骤(4)、等离子体谐振腔中形成的驻波耦合入输出波导中，通过输出波导传输至输出薄膜耦合器中，在此过程表面等离子体波又转化为光波，光波通过输出薄膜耦合器输入到光纤中，进入光开关；

步骤(5)、将通过光波分复用器输出光纤输出的不同波长范围的光作为信号载体进入后续光路进行处理；通过调节每个谐振腔的液柱长度，即可选择相应的谐振波长进行输出。

6.如权利要求5所述的基于微流体调控的可调谐多路波分复用方法，其特征在于，所述表面等离子体谐振腔(7)采用有多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列构成多路输出，每一路都通过微流体调控装置进行调控。

7.如权利要求6所述的基于微流体调控的可调谐多路波分复用方法，其特征在于，所述有多个谐振腔构成的表面等离子体谐振腔阵列对应多路耦合波导输出，有多个输出薄膜耦合器进行所述输出的收集。

8.如权利要求7所述的基于微流体调控的可调谐多路波分复用方法，其特征在于，对于多路耦合波导的输出由多条输出光纤进行配合。