CN105633519B - 基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器 - Google Patents

基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add‑drop滤波器，包括瓶口形状回音壁模式微腔(1)、输入波导(2)、输出波导(3)、第一位移装置(4)和第二位置装置(5)，其中所述瓶口形状回音壁模式微腔(1)轮廓沿轴向呈近似的抛物线形变化，其另一端用来引出非谐振的光信号，所述输出波导(3)用来引出在微腔中谐振的光信号，所述第一位移装置(4)和第二位置装置(5)使得输入波导和输出波导分别沿瓶口状微腔轴向移动以改变耦合点位置进而改变耦合系数κ1，κ2。本发明实现了对带宽、输出谱效率的稳定精细调谐，克服了传统基于回音壁模式Add‑drop滤波器调谐时易受环境影响的缺点。

Description

基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的可以稳定精细调谐的Add-drop滤波器。
背景技术
光学Add-drop滤波器已经成为许多应用场合的重要部件，包括光学通信，光学传感，和光学信号处理系统等。Add-drop滤波器通常被用来从光学宽谱信号中选择或插入某些特定的波长。Add-drop滤波器有3个重要指标：频谱的选择性(Q值)，输出谱效率，和频谱的可调谐性。
在过去的二十年内，不同种类的光学Add-drop滤波器已经被广泛研究，有全光纤的Add-drop滤波器，也有基于回音壁模式微腔的Add-drop滤波器，它们都有各自的特点和优势。全光纤Add-drop滤波器如CN 201035183Y可以实现较高的输出谱效率并且能够与全光纤系统方便连接。然而，由于其Q值较低～104，可能会破坏滤波器的波长选择性。基于回音壁模式微球腔、微盘腔、微环腔的Add-drop滤波器如Photonics Technology Letters,IEEE,vol.12,pp.1177-1179,2000，Optics Communications,vol.350,pp.230-234,2015，Photonics Technology Letters,IEEE,vol.17,pp.1034-1036,2005，Optics letters,vol.31,pp.2444-2446,2006，Optics letters,vol.34,pp.2557-2559,2009已经得到证明，通过使用输入、输出锥形光纤可以将光高效耦合进、出微腔。然而，在这些工作中，对于带宽和输出谱效率的调谐都是通过调整锥形光纤和微腔之间的纳米量级耦合间距实现的，这种调谐方法并不稳定，因为悬置的锥形光纤极易受到外界机械振动，空气气流，和热波动的影响，耦合间距的纳米量级变化都会对带宽和输出谱功率产生较大的影响。另外，将耦合系统从欠耦合调节到临界耦合再到过耦合只存在～1μm的调谐距离，这就需要非常精确地控制耦合间距，给Add-drop滤波器的实际应用带来困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以对输出谱带宽和输出谱效率进行稳定精细调谐的Add-drop滤波器。其实现途径是利用一种表面纳米量级凸起的瓶口形状微腔的模式场分布特点，使用位移装置调节输入、输出波导和微腔的耦合点位置(微米量级)，进而改变耦合系数κ1，κ2，与此同时保持输入、输出波导和微腔表面的接触，从而实现了对带宽、输出谱效率的稳定精细调谐，克服了传统基于回音壁模式Add-drop滤波器调谐时易受环境影响的缺点。
为实现一种可以稳定精细调谐的Add-drop滤波器，本发明提出一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop结构，包括瓶口形状回音壁模式微腔、输入波导、输出波导、第一、第二位移装置，其中所述瓶口形状回音壁模式微腔轮廓沿轴向呈近似的抛物线形变化，其另一端用来引出非谐振的光信号，所述输出波导用来引出在微腔中谐振的光信号，所述第一、第二位移装置使得输入波导和输出波导分别沿瓶口状微腔轴向移动以改变耦合点位置进而改变耦合系数κ1，κ2。
进一步，所述的瓶口形状回音壁模式微腔的轮廓沿轴向呈近似的抛物线形变化，轴向长度可以为几百μm至几个mm，径向变化在纳米量级。
进一步，所述的瓶口形状回音壁模式微腔的横截面几何形状可以是圆形，或椭圆形。
进一步，所述的输入波导、输出波导可以是锥形光纤、耦合棱镜或集成波导。
进一步，所述的输入波导、输出波导在工作过程中始终与微腔表面接触，微腔尺寸沿轴向的均匀性使其成为输入、输出波导的稳定支撑。
进一步，所述的第一、第二位移装置使得输入波导和输出波导分别沿瓶口形状微腔轴向移动以改变耦合点位置进而改变耦合系数κ1，κ2。
上述基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器的工作原理为：利用回音壁模式微腔的模式场分布依赖腔特定几何形状的原理，制备出一种形貌尺寸沿轴向变化极缓且呈近似抛物线形的瓶口形状微腔。由于径向变化极微小(nm量级)，不能激发出高阶半径模式，且由于微腔的抛物线形状的轮廓，使得激发出的谱十分规则、干净、近等间距(轴向模式分裂产生)。通过位移装置控制输入波导和输出波导分别沿瓶口形状微腔轴向移动可以分别改变耦合系数κ1，κ2。输出谱带宽(Q值)与耦合系数的关系为：
Q＝ω0/κ (1)
κ＝κ0+κ1+κ2 (2)
式中，κ0，κ1，κ2，和κ分别代表腔本征损耗，输入波导-微腔耦合损耗，输出波导-微腔耦合损耗，和系统总损耗。ω0为微腔谐振频率，Q为微腔总的Q值。输出谱效率和耦合系数的关系：
D＝4κ1κ2/(κ0+κ1+κ2)2 (3)
式中，D是输出谱效率，即输出谱的归一化强度。由公式(1)-(3)可知，调节耦合系数κ1，κ2可以对输出谱带宽和输出谱效率进行调谐。且由于该瓶口形状回音壁模式微腔的特殊形状(在轴向长度约几百μm范围内径向变化仅为nm量级)，其模式场在轴向剧烈延伸，将系统从欠耦合调到临界耦合再到过耦合区域允许轴向调节几微米至几十微米(具体值取决于轴向模式数)，再加上调谐过程中输入、输出波导始终和瓶口腔表面相接触，其直径的均匀性为两耦合波导提供可靠支撑，因此，该系统可以实现对输出带宽、输出效率的稳定、精细调谐。
本发明具有以下优点：
(1)该调谐方法可以对输出谱带宽、效率进行稳定精细调节，克服了传统Add-drop滤波器调谐时对外界微小机械振动、空气流动等较为敏感的弱点；
(2)基于该种瓶口形状微腔的Add-drop滤波器输出谱干净，规则，近似等间距，且具有超窄线宽Q～106的特点。
(3)这种瓶口腔的制备简单省时，廉价，且成功率高。
附图说明
图1为基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器的结构示意图；
图2为瓶口形状微腔在商用软件comsol中的轴向1-6阶场分布仿真结果；
图3为瓶口形状微腔加工过程示意图；
图4为图1中滤波器的测试装置原理图；
图5为图1中滤波器的典型透射谱和输出谱示意图，其中图5(a)为典型透射谱示意图，图5(b)为输出谱示意图。
图中标号：1-瓶口形状回音壁模式微腔、2-输入波导、3-输出波导、4-第一位移装置、5-第二位移装置、6-熔接机电极、a-纳米量级凸起区域、b-凹陷区域。
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是本发明提出的基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器的结构示意图。该滤波器包括瓶口形状回音壁模式微腔1、输入波导2、输出波导3、第一位移装置4、第二位移装置5，其中所述瓶口形状回音壁模式微腔的轮廓沿轴向呈抛物线形变化，所述输入波导用以将光耦合进微腔，其另一端用来引出非谐振的光信号，输出波导用来引出在微腔中谐振的光信号，所述位移装置使得输入波导和输出波导分别沿瓶口形状微腔轴向移动以改变耦合点位置进而改变耦合系数κ1，κ2。
进一步，本实施例中，瓶口形状微腔凸起部分轴向长度～400μm，径向呈近似抛物线形，最大变化值～18nm(由微光纤扫描法测得，该方法测量精度0.1nm)，锥形光纤锥腰直径1-3μm，图2是该瓶口形状微腔在商用软件comsol中的轴向1-6阶场分布仿真结果。
其中，瓶口形状回音壁模式微腔的制备是通过光纤熔接机的电弧放电作用加工而成，加工过程示意图如图3所示，整个过程只需几分钟，该方法步骤如下：
步骤1)、将一根中间剥去涂覆层的光纤固定在标准的光纤熔接机的双V形槽上(若希望获得不同直径的瓶口腔可以在剥去涂覆层后用火焰法对光纤进行拉制)；
步骤2)、熔接机进行多次电弧放电，每次放电时间<1s，同时左右马达对光纤两端略施拉力，这一过程使光纤拉伸并在中间产生一个凹陷区，两边各产生一个纳米量级的超光滑凸起，凸起即瓶口形状微腔。
其中，输入、输出波导均为锥腰直径1-3μm的锥形光纤，通过火焰法拉制而成。设置左右两边电机移动速度均为40μm/s，热区范围～4mm，拉制时间～90s。
图4为图1中滤波器的测试装置原理图。可调谐激光器(1550nm波段)作为光源，经过偏振控制器后输入到滤波器中，经过滤波作用后滤波器的Through端由光电探测器1接收，滤波器的Drop端由光电探测器2接收，两个探测器接收的信号均被转化为电信号，并在示波器上显示。另外，信号发生器产生频率20Hz，幅值2.5V的三角波对激光器进行精扫(0.2nm)。示波器上同时显示出微腔Through端口和Drop端口的谱，我们可以得到模式谱的谐振波长和Q值(线宽测量法)。
图5显示了该种瓶口形状回音壁模式微腔的典型透射谱(图5(a)所示)和输出谱(图5(b)所示)，图中为输入光纤在z＝0(瓶口中央)处，输出光纤在z＝30μm处，Q值～106。固定输入光纤位置，轴向移动输出光纤位置，则输出谱强度(效率)和输出谱带宽连续变化，可以观测到轴向一阶模式带宽调谐范围130MHz-385MHz，轴向三阶模式带宽调谐范围57MHz-150MHz，轴向五阶模式带宽调谐范围41MHz-122MHz，各阶模式的输出谱效率均可以从零调到其最大值。由于此时输入光纤在轴向中间位置，由于此时光纤中倏逝场与微腔中模式场的重叠程度非常小(如图2所示)，所有偶数阶模式消失。注意到在整个调谐过程中，输入光纤和输出光纤始终与微腔表面相接触，微腔直径的均匀性为输入、输出波导提供了稳定的支撑，且由于瓶口腔模式场在轴向剧烈延伸，将系统从欠耦合调到临界耦合再到过耦合区域允许轴向调节几微米至几十微米(具体值取决于轴向模式数)，因此，稳定、精细的调谐可以在这种瓶口形状回音壁模式微腔中得以实现。
综上所述，本发明提出了一种可以对输出谱带宽、输出谱效率进行稳定、精细调节的微腔光学滤波器，其实现途径是利用一种表面纳米量级凸起的瓶口形状微腔的模式场分布特点，使用位移装置调节输入、输出波导和微腔的耦合点位置(微米量级)，进而改变耦合系数κ1，κ2，与此同时保持输入、输出波导和微腔表面的接触，从而实现了对带宽、输出谱效率的稳定精细调谐。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的具体实施例并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器，其特征在于：包括瓶口形状回音壁模式微腔(1)、输入波导(2)、输出波导(3)、第一位移装置(4)和第二位移装置(5)，其中所述瓶口形状回音壁模式微腔(1)轮廓沿轴向呈近似的抛物线形变化，输入波导另一端用来引出非谐振的光信号，所述输出波导(3)用来引出在微腔中谐振的光信号，所述第一位移装置(4)和第二位移装置(5)使得输入波导和输出波导分别沿瓶口状微腔轴向移动以改变耦合点位置进而改变耦合系数κ1，κ2；瓶口形状微腔凸起部分轴向长度几百微米，径向呈近似抛物线形，最大变化值在18纳米，锥形光纤锥腰直径1-3μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器，其特征在于：所述的瓶口形状回音壁模式微腔(1)的轮廓沿轴向呈近似的抛物线形变化，轴向长度可以为几百μm至几个mm，径向变化在纳米量级。
3.根据权利要求1所述的一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器，其特征在于：所述的瓶口形状回音壁模式微腔(1)的横截面几何形状是圆形，或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器，其特征在于：所述的输入波导(2)、输出波导(3)是锥形光纤、耦合棱镜或集成波导。
5.根据权利要求1所述的一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器，其特征在于：所述的输入波导(2)、输出波导(3)在工作过程中始终与微腔表面接触，微腔尺寸沿轴向的均匀性使其成为输入、输出波导的稳定支撑。
6.根据权利要求1所述的一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器，其特征在于：所述的第一、第二位移装置(4、5)使得输入波导和输出波导分别沿瓶口形状微腔轴向移动以改变耦合点位置进而改变耦合系数κ1，κ2。
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