CN106526751A - 一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器及其制作方法 - Google Patents

一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器及其制作方法，该温控可调谐光纤滤波器其特征是：至少包括：微纳光纤（1）和平板光波导（2），所述的微纳光纤（1）由单模光纤（3）通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，细腰区长度至少大于或等于平板光波导（2）的长度，将微纳光纤（1）与平板光波导（2）通过光学胶（4）黏贴制成波导耦合结构。本发明提出的滤波器为全光纤结构，不仅光传输损耗低而且滤波稳定性高。通过改变温度即可实现较宽范围的带通与带阻滤波调谐，重复性较高，无需额外复杂的波长校准设备。

Description

一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器及其制作方法
技术领域
本发明所属光纤技术及光学滤波技术领域，特别涉及一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器及其制作方法。
背景技术
光滤波器是一种波长选择器件，它仅允许光信号中特定的波长或频率成分通过，而其他波长成分则会被极大地衰减。根据滤波特性的不同，光滤波器可以分为固定波长滤波器和可调谐滤波器两种。固定波长滤波器允许一个固定的、预先确定的波长通过，而可调谐滤波器则可以动态选择通过的波长或带宽。由于具有波长可调谐、滤波范围宽、插入损耗低且易于与其他光学器件连接等优点，可调谐光纤滤波器近年来已成为一种关键的基本光学元件，在光纤通信、光谱测试、光纤传感和光纤激光器等领域得到了广泛的应用。
目前技术比较成熟的可调谐光纤滤波器主要有以下几种：薄膜光滤波器型、法布里-珀罗腔型（F-P）、声光可调滤波器型、色散体光栅型和光纤光栅型。其中，F-P可调谐光纤滤波器是当前研究最多、应用最广泛的一种光滤波器。F-P可调谐滤波器是建立在法布里－珀罗干涉仪的基础上，主要由压电陶瓷、光纤、自聚焦透镜和高反射镜等组成。压电陶瓷在扫描电压的驱动下会产生机械形变，从而改变F-P干涉仪的腔长，使透过F-P腔的光波长发生变化。
F-P可调谐滤波器具有自由光谱范围宽、精细度高、调谐速度快、功耗低等诸多优点。但是，由于压电陶瓷具有迟滞性、非线性及零点漂移现象，导致F-P可调谐滤波器的稳定性和重复性较差。通常还需要额外的波长标准仪来进一步校准，系统结构较为复杂。此外，F-P干涉仪对反射镜的表面平整度、镀膜精度、镜面反射率及两镜面间的平行度要求都很高，光学加工难度较大。
发明内容
本发明提出一种稳定性高、重复性好且无光路耦合环节的基于微纳光纤波导耦合效应的基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器及其制作方法。
本发明的目的是这样实现的，一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器，其特征是：至少包括：微纳光纤和平板光波导，所述的微纳光纤由单模光纤通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，细腰区长度至少大于或等于平板光波导的长度，将微纳光纤与平板光波导通过光学胶黏贴制成波导耦合结构。
所述的微纳光纤与平板光波导通过光学胶黏贴在玻璃基底上。
所述的微纳光纤与平板光波导通过光学胶粘合在一起，光学胶将微纳光纤的细腰区完全包裹起来。
所述的微纳光纤与平板光波导通过光学胶包裹在一起，固定在温控腔体内。
一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，其特征是：至少包括如下步骤：
通过熔融拉锥工艺将单模光纤拉锥到微纳量级，形成带尾纤的微纳光纤，控制微纳光纤的拉锥长度，得到具有不同腰区直径的微纳光纤；
将制得微纳光纤的腰区置于在平板光波导上，并控制微纳光纤与平板光波导之间的耦合间距使其形成弱波导耦合结构；
将步骤中得到的耦合结构整体固定在玻璃基底，并采用低折射率的光学胶将微纳光纤与平板波导耦合结构完全封装起来；
待光学胶固化后，将制得的耦合结构密封在温控腔体内。
所述的温控腔体的温控采用半导体温度控制芯片、热敏电阻以及温度自动控制电路；通过实时检测热敏电阻得到温度反馈值，产生半导体温度控制芯片的控制电流信号，调节半导体温度控制芯片的工作电流方向及大小，对滤波器进行加热或制冷。
所述耦合间距为0.2μm。
所述平板光波导材料为聚甲基丙烯酸甲酯，长宽厚分别为10mm×5mm×0.02mm，此厚度下光纤滤波器的自由光谱为100nm。
所述微纳光纤的腰区直径为2μm。
所述光学胶为硅凝胶，折射率为1.40。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1光纤滤波器结构示意图；
图2 滤波器的光谱传输示意图；
图3温控可调谐滤波器的封装图；
图4温度变化时，滤波器的带阻波长发生变化。
图中，1、微纳光纤；2、平板光波导； 3、单模光纤；4、光学胶；5、玻璃基底；6、温控腔体；ds为平板波导厚度。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器，至少包括：微纳光纤1和平板光波导2，所述的微纳光纤1由单模光纤3通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，细腰区长度至少大于或等于平板光波导2的长度，将微纳光纤1与平板光波导2通过光学胶4黏贴制成波导耦合结构。
微纳光纤1与平板光波导2通过光学胶4黏贴在玻璃基底5上。
微纳光纤1与平板光波导2通过光学胶4粘合在一起，光学胶4将微纳光纤的细腰区完全包裹起来。
光通过微纳光纤1时，一定比例的光能量将会转移到光纤表面附近的区域以倐逝场形式传播，此时，将平板光波导2与微纳光纤1靠近接触，平板光波导2就会处于微纳光纤1的倐逝场中，两波导的模场将产生交叠。
在特定波长处（称为谐振波长），两波导传输模式的传播常数相等时，波导间就会发生强烈的能量交换，微纳光纤1的光能量将会衰减至最低并全部转移到平板光波导2中，从而在该波长处实现带阻滤波功能。
而在其他波长处，两波导间弱耦合或不耦合，光能量继续留在微纳光纤1中无损耗传输，实现带通滤波功能。
谐振波长的值与滤波器的结构参数（包括微纳光纤1、平板光波导2以及光学胶4的折射率和几何尺寸等）有关。图1中的ds为平板波导厚度。
如图3和图4所示，当外界温度发生变化时，由于热光和热膨胀效应，滤波器的结构参数会改变，从而引起谐振波长变化，即通过滤波器的光波长发生变化。因此，微纳光纤1与平板光波导2通过光学胶4包裹在一起，固定在温控腔体6内，温控腔体6通过温度控制可以动态选择通过或阻止的波长或带宽，实现波长可调谐滤波的功能。
需要指出的是，与基于F-P干涉仪的光纤滤波器相似，本发明提出的这种滤波器其输出光谱为周期性的谐振谱。谐振谱的周期（FSR）取决于平板光波导2的厚度。
平板光波导2越薄，FSR越大。FSR直接决定了光纤滤波器的自由光谱范围。因此，控制平板光波导2的厚度就可以改变该光纤滤波器的自由光谱范围。
一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，至少包括如下步骤：
通过熔融拉锥工艺将单模光纤3拉锥到微纳量级，形成带尾纤的微纳光纤1，控制微纳光纤1的拉锥长度，就可以得到具有不同腰区直径的微纳光纤1。作为本发明的优选实例，所述微纳光纤1的腰区直径约2μm。
将制得微纳光纤1的腰区置于在平板光波导2上，并控制微纳光纤1与平板光波导2之间的耦合间距使其形成弱波导耦合结构。
作为本发明的优选实例，所述耦合间距约0.2μm，所述平板光波导2材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），长宽厚分别为10mm×5mm×0.02mm，此厚度下光纤滤波器的自由光谱为100nm。
将步骤中得到的耦合结构整体固定在玻璃基底5，并采用低折射率的光学胶4将微纳光纤1与平板波导耦合结构完全封装起来。
作为本发明的优选实例，所述光学胶4为硅凝胶，折射率为1.40。
待光学胶4固化后，将制得的耦合结构密封在温控腔体6内。
作为本发明的优选实例，温控腔体6的温控采用半导体温度控制芯片（TEC）、热敏电阻以及温度自动控制电路，属于公知技术，这里不做详细描述。通过实时检测热敏电阻得到温度反馈值，产生TEC片的控制电流信号，调节TEC的工作电流方向及大小，对滤波器进行加热或制冷，并达到所要求的温度值。通过温控腔体6可以改变光纤滤波器的工作温度，从而调谐滤波器的带阻或带通光谱范围。
本发明的可实现的参数：
自由光谱范围：100nm；
光谱精细度：200；
半带宽：0.5nm;
插入损耗：1dB;
温度控制范围：15-45℃。

Claims (10)

1.一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器，其特征是：至少包括：微纳光纤（1）和平板光波导（2），所述的微纳光纤（1）由单模光纤（3）通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，细腰区长度至少大于或等于平板光波导（2）的长度，将微纳光纤（1）与平板光波导（2）通过光学胶（4）黏贴制成波导耦合结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器，其特征是：所述的微纳光纤(1)与平板光波导(2)通过光学胶（4）黏贴在玻璃基底（5）上。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器，其特征是：所述的微纳光纤（1）与平板光波导（2）通过光学胶（4）粘合在一起，光学胶（4）将微纳光纤的细腰区完全包裹起来。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器，其特征是：所述的微纳光纤（1）与平板光波导（2）通过光学胶（4）包裹在一起，固定在温控腔体(6)内。
5.一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，其特征是：至少包括如下步骤：
1）通过熔融拉锥工艺将单模光纤（3）拉锥到微纳量级，形成带尾纤的微纳光纤（1），控制微纳光纤（1）的拉锥长度，得到具有不同腰区直径的微纳光纤(1)；
2）将制得微纳光纤(1)的腰区置于在平板光波导(2)上，并控制微纳光纤(1)与平板光波导(2)之间的耦合间距使其形成弱波导耦合结构；
3）将步骤2）中得到的耦合结构整体固定在玻璃基底(5)，并采用低折射率的光学胶(4)将微纳光纤(1)与平板波导耦合结构完全封装起来；
4）待光学胶(4)固化后，将制得的耦合结构密封在温控腔体(6)内。
6.根据权利要求5所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，其特征是：所述的温控腔体(6)的温控采用半导体温度控制芯片、热敏电阻以及温度自动控制电路；通过实时检测热敏电阻得到温度反馈值，产生半导体温度控制芯片的控制电流信号，调节半导体温度控制芯片的工作电流方向及大小，对滤波器进行加热或制冷。
7.根据权利要求5所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，其特征是：所述耦合间距为0.2μm。
8.根据权利要求5所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，其特征是：所述平板光波导(2)材料为聚甲基丙烯酸甲酯，长宽厚分别为10mm×5mm×0.02mm，此厚度下光纤滤波器的自由光谱为100nm。
9.根据权利要求5所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，其特征是：所述微纳光纤（1）的腰区直径为2μm。
10.根据权利要求5所述的一种基于微纳光纤的温控可调谐光纤滤波器的制作方法，其特征是：所述光学胶（4）为硅凝胶，折射率为1.40。
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