CN107024736A - 一种光滤波器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光滤波器及其控制方法。光滤波器包括微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构；调节结构分别与微腔结构、微光纤结构和吸光性薄膜连接，用于调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，以及微光纤结构与微腔结构之间的距离；微腔结构呈环形设置，微光纤结构位于环形的微腔结构所在平面内，与微腔结构相对设置，并与微腔结构耦合，且微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值；吸光性薄膜沿垂直于环形的微腔结构所在平面的方向，与微腔结构相对设置，并与微腔结构耦合，用于根据与微腔结构之间的距离，调节光滤波器的带宽。通过本发明的技术方案，实现了光滤波器，形成的光滤波器易于集成，且带宽可调。

Description

一种光滤波器及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种光滤波器及其控制方法。

背景技术

光滤波器是利用光学元件对不同波长的光产生不同透过率来进行光滤波的光器件。光滤波器在光信息处理系统、光纤通信及传感以及精密光学测量系统中具有广泛的应用，比如利用光滤波器可以实现稳频以及WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)系统的信道选择、上下话路、复用\解复用等功能。随着集成光子学的快速发展，对能够实现片上光存储、光通信、光调制等功能的光子芯片的需求越来越紧迫，光滤波器就是其中关键的元件。

目前应用较广泛的是传统的棱镜型、干涉型及衍射型滤波器。棱镜型滤波器利用棱镜对不同波长的光有不同的折射率，从而使不同频率的光具有不同偏折角进而实现滤波功能。但棱镜为块状元器件，且带宽较宽，不能用作窄带滤波器。干涉型及衍射型光滤波器对薄膜工艺制备及光栅制备要求较高，且体积相对较大，滤波带宽相对较宽。上述类型的光滤波器难以适应未来高速、大容量光传输的发展需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光滤波器及其控制方法，针对现有技术中光滤波器存在的难易集成、无法实现窄带滤波的缺点，利用微腔结构、微光纤结构和吸光性薄膜构成的耦合系统，实现了光滤波器，所述光滤波器易于集成，且所述滤波器带宽可调。

第一方面，本发明实施例提供了一种光滤波器，包括：

微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构；

所述调节结构分别与所述微腔结构、所述微光纤结构和所述吸光性薄膜连接，用于调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，以及所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离；

所述微腔结构呈环形设置，所述微光纤结构位于环形的所述微腔结构所在平面内，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，且所述微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值；

所述吸光性薄膜沿垂直于环形的所述微腔结构所在平面的方向，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，用于根据与所述微腔结构之间的距离，调节所述光滤波器的带宽。

进一步地，所述吸光性薄膜包括石墨烯薄膜。

进一步地，所述微腔结构的品质因子的范围是[10⁴-10⁸]。

进一步地，所述微光纤结构的直径的范围为[0.5μm-2μm]。

进一步地，所述光滤波器的滤除比例大于80％。

进一步地，所述光滤波器的带宽调节范围为[116.5MHz-2.2GHz]。

进一步地，所述吸光性薄膜的直径大于所述微腔结构的主直径。

第二方面，本发明实施例提供了一种第一方面所述光滤波器的控制方法，包括：

调节所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离，始终保持所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合；

调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，调节所述光滤波器的带宽。

进一步地，所述始终保持所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合包括：

始终保持所述微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值。

进一步地，所述调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，调节所述光滤波器的带宽包括：

所述调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，调节所述微腔结构的品质因子，以调节所述光滤波器的带宽。

本发明实施例提供了一种光滤波器及其控制方法，通过设置光滤波器包括微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构；使调节结构分别与微腔结构、微光纤结构和吸光性薄膜连接，用于调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，以及微光纤结构与微腔结构之间的距离；使微腔结构呈环形设置，微光纤结构位于环形的微腔结构所在平面内，与微腔结构相对设置，并与微腔结构耦合，且微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值；使吸光性薄膜沿垂直于环形的微腔结构所在平面的方向，与微腔结构相对设置，并与微腔结构耦合，用于根据与微腔结构之间的距离，调节光滤波器的带宽。即通过设置微光纤结构的光输出端的功率为最小功率值，以实现滤波功能，且通过调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，实现对光滤波器带宽的调节，克服了现有技术中的光滤波器存在的难易集成、无法实现窄带滤波的缺点，实现了光滤波器，光滤波器易于集成，且滤波器的带宽可调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种光滤波器的结构示意图；

图2为沿图1中AA’方向的剖面结构示意图；

图3为微腔结构的品质因子随吸光性薄膜与微腔结构之间的距离变化图；

图4为光滤波器的带宽随微腔结构的品质因子的变化图；

图5为本发明实施例二提供的一种光滤波器的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种光滤波器的结构示意图，图2为沿图1中AA’方向的剖面结构示意图。结合图1和图2，光滤波器包括微腔结构10、微光纤结构11、至少一层吸光性薄膜12以及调节结构(未示出)。

其中，调节结构(未示出)分别与微腔结构10、微光纤结构11和吸光性薄膜12连接，可以调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，以及微光纤结构11与微腔结构10之间的距离。示例性的，调节结构可以是精密移动控制台，可以分别将微腔结构10、微光纤结构11以及微腔结构10固定于不同的精密移动控制台上，通过移动各精密移动控制台，实现对微光纤结构11与微腔结构10，以及吸光性薄膜12与微腔结构10之间距离的精确调节。

微腔结构10呈环形设置，微光纤结构11位于环形的微腔结构10所在平面内，与微腔结构10相对设置，并与微腔结构10耦合，且微光纤结构11的光输出端的功率达到最小功率值。吸光性薄膜12沿垂直于环形的微腔结构10所在平面的方向，与微腔结构10相对设置，并与微腔结构10耦合，用于根据与微腔结构10之间的距离，调节光滤波器的带宽。示例性的，微腔结构10可以是回音壁式的微环芯腔，也可以是回音壁式的微盘腔。

示例性的，微光纤结构11与微腔结构10之间耦合，即二者之间可以进行能量的传递，通过调节微光纤结构11与微腔结构10之间的距离可以调节微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态。微光纤结构11的光输入端输入能量，当微光纤结构11中的能量能够全部耦合进微腔结构10时，微光纤结构11的光输出端的功率达到最小功率值。针对一定波长范围内的光，此时光滤波器通过保持微光纤结构11与微腔结构10之间恰耦合，使得微光纤结构11的光输出端的功率达到最小功率值，实现了滤波功能。

环形的微腔结构10能够限制微腔结构10内部的部分能量处于微腔结构10内部，另外部分能量则可以进入到微腔结构10的外部，由于吸光性薄膜12具有一定的吸光特性，通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，可以调节微腔结构10的参数。示例性的，图3为微腔结构的品质因子随吸光性薄膜与微腔结构之间的距离变化图，如图3所示，当吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离较远时，吸光性薄膜12对微腔结构10的参数几乎不会产生影响。随着吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离越来越近，吸光性薄膜12能够对微腔结构10的品质因子产生影响。由于吸光性薄膜12具有一定的吸光特性，当吸光性薄膜12靠近微腔结构10时，导致微腔结构10的品质因子下降。

图4为光滤波器的带宽随微腔结构的品质因子的变化图，图4中的曲线从左至右对应的微腔结构10的品质因子依次降低，图4中纵坐标的归一化功率表示微光纤结构11的光输出端的功率与其光输入端的功率的比值，每条曲线中纵坐标低于同一特定值的光能够被光滤波器滤除，曲线中特定值对应的横坐标的区间宽度对应光滤波器的带宽。从图4中可以看出，微腔结构10的品质因子越低，光滤波器的带宽越大。这样，就可以通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，调节微腔结构10的品质因子，且始终保持微光纤结构11与微腔结构10之间恰耦合，即保持微光纤结构11的光输出端的功率始终为最小功率值，在实现光滤波器滤波功能的基础上，实现了对光滤波器带宽的调节。

由于吸光性薄膜12的吸光特性会对微腔结构10的品质因子产生影响，如果仍保持微光纤结构11与微腔结构10之间的距离不变，则微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态会发生变化。为保证微光纤结构11与微腔结构10之间始终保持恰耦合的状态，以实现滤波功能，即实现对部分波长的光的滤除，在调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离的过程中，要不断调节微光纤结构11与微腔结构10之间的距离，使微光纤结构11与微腔结构10之间始终保持恰耦合的状态。

可选的，吸光性薄膜12可以是石墨烯薄膜。石墨烯薄膜具有一定的吸光特性，当石墨烯薄膜与微腔结构10之间的距离较近时，具有吸光特性的石墨烯薄膜对微腔结构10的品质因子产生影响，进而通过对微腔结构品质因子的调节，实现对光滤波器带宽的调节。

可选的，微腔结构10可以是回音壁式的微腔结构10，回音壁式的微腔结构10具有较高的品质因子，例如回音壁式的微腔结构10的品质因子的范围可以是[10⁴-10⁸]，即回音壁式的微腔结构10的品质因子可以存在四个数量级的变化。由于微腔结构10具有较高的品质因子，调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离时，吸光性薄膜12能够使得微腔结构10的品质因子下降，且品质因子下降幅度较大，能够有效提高光滤波器的灵敏度。

可选的，光滤波器的滤除比例可以大于80％。示例性的，在光滤波器能够滤除的光的波长范围内，由于微光纤结构11的消光比无法达到无穷大，光滤波器无法对所述波长范围内的光进行全部滤除，光滤波器的滤除比例则对应光滤波器相对于所述波长范围内的光，能够有效滤除的光所占的比例。光滤波器的滤除比例与微光纤结构11的消光比有关，提高微光纤结构11的消光比，可以有效提高光滤波器的滤除比例。

示例性的，微光纤结构11可以包括光输入端和光输出端，光输出端和光输入端的功率的比值可以大于95:100。示例性的，如果在微光纤结构11的输入端输入1W的光，则在微光纤结构11的输出端能够接收到大于0.95W的光，即微光纤结构11中光传输的损耗要小于5％。如果微光纤结构11的损耗过大，则微光纤结构11的输入端输入的很大一部分光被微光纤结构11本身损耗，导致利用微光纤结构11的消光比下降，既影响光滤波器的滤除比例，也会对光滤波器的灵敏度造成影响。

可选的，光滤波器的带宽调节范围可以为[116.5MHz-2.2GHz]。在调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间距离的过程中，始终保持微光纤结构11与微腔结构10之间恰耦合，通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，调节微腔结构10的品质因子，进而实现对光滤波器带宽的调节。

可选的，微光纤结构11的直径的范围可以是[0.5μm-2μm]。由于微光纤结构11与微腔结构10之间的距离影响微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态，而微光纤结构11的直径会对微光纤结构11与微腔结构10之间的距离产生影响，微光纤结构11的直径过大或过小均会影响微光纤结构11与微腔结构10的恰耦合状态。

可选的，如图2所示，吸光性薄膜12的直径D2可以大于微腔结构10的主直径D1。由于具有一定吸光特性的吸光性薄膜12会对微腔结构10的品质因子产生影响，随着吸光性薄膜12向微腔结构10的靠近，微腔结构10的品质因子下降，以实现对光滤波器带宽的调节。设置吸光性薄膜12的直径D2大于微腔结构10的主直径D1，增强了具有一定吸光特性的吸光性薄膜12对微腔结构10的品质因子的影响，吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离对光滤波器带宽的影响增强，提高了微腔结构10、微光纤结构11以及吸光性薄膜12形成的光滤波器的灵敏度。

示例性的，如图2所示，微腔结构10的主直径D1越大，吸光性薄膜12对微腔结构10的品质因子的影响越大，光滤波器的灵敏度越高。此外，微腔结构10可以是回音壁式的微腔结构10，若微腔结构10的次直径d过小，微腔结构10对光的限制作用越小，即存在更多的光进入微腔结构10的外部，同样能够增强吸光性薄膜12与微腔结构10之间的相互作用，以提高光滤波器的灵敏度。可选的，还可以通过设置吸光性薄膜12的层数，调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的相互作用。吸光性薄膜12的层数越多，其对微腔结构10的作用越强，同样可以提高光滤波器的灵敏度。

需要说明的是，本发明实施例示附图只是示例性的表示各元件的大小，并不代表光滤波器中各元件的实际尺寸。

本发明实施例通过设置光滤波器包括微腔结构10、微光纤结构11、至少一层吸光性薄膜12以及调节结构；使调节结构分别与微腔结构10、微光纤结构11和吸光性薄膜12连接，用于调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，以及微光纤结构11与微腔结构10之间的距离；使微腔结构10呈环形设置，微光纤结构11位于环形的微腔结构10所在平面内，与微腔结构10相对设置，并与微腔结构10耦合，且微光纤结构11的光输出端的功率达到最小功率值；使吸光性薄膜12沿垂直于环形的微腔结构10所在平面的方向，与微腔结构10相对设置，并与微腔结构10耦合，用于根据与微腔结构10之间的距离，调节光滤波器的带宽。即通过设置微光纤结构11的光输出端的功率为最小功率值，以实现滤波功能，且通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，实现对光滤波器带宽的调节，克服了现有技术中的光滤波器存在的难易集成、无法实现窄带滤波的缺点，实现了光滤波器，光滤波器易于集成，且滤波器的带宽可调。

实施例二

在上述实施例的基础上，图5为本发明实施例二提供的一种光滤波器的控制方法的流程示意图，本实施例的技术方案可以应用在需要对光滤波器进行控制的场景，可以由本发明实施例提供的光滤波器来执行。该方法包括：

S110、调节微光纤结构与微腔结构之间的距离，始终保持微光纤结构与微腔结构之间恰耦合。

可选的，始终保持微光纤结构与微腔结构之间恰耦合，可以是始终保持微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值。示例性的，如图1所示，微光纤结构11与微腔结构10之间耦合，即二者之间可以进行能量的传递，通过调节微光纤结构11与微腔结构10之间的距离可以调节微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态。微光纤结构11的光输入端输入能量，当微光纤结构11中的能量能够全部耦合进微腔结构10时，微光纤结构11的光输出端的功率达到最小功率值。针对一定波长范围内的光，此时光滤波器通过保持微光纤结构11与微腔结构10之间恰耦合，使得微光纤结构10的光输出端的功率达到最小功率值，实现了滤波功能。

S120、调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，调节光滤波器的带宽。

可选的，调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，调节微腔结构的品质因子，以调节光滤波器的带宽。如图1所示，环形的微腔结构10能够限制微腔结构10内部的部分能量处于微腔结构10内部，另外部分能量则可以进入到微腔结构10的外部，由于吸光性薄膜12具有一定的吸光特性，通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，可以调节微腔结构10的品质因子。随着吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离越来越近，微腔结构10的品质因子下降，光滤波器的带宽增加。通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，调节微腔结构10的品质因子，且始终保持微光纤结构11与微腔结构10之间恰耦合，即保持微光纤结构11的光输出端的功率始终为最小功率值，在实现光滤波器滤波功能的基础上，实现了对光滤波器带宽的调节。

本发明实施例通过调节微光纤结构与微腔结构之间的距离，始终保持微光纤结构与微腔结构之间恰耦合；并调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，调节光滤波器的带宽，克服了现有技术中的光滤波器存在的难易集成、无法实现窄带滤波的缺点，实现了光滤波器，光滤波器易于集成，且滤波器的带宽可调。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光滤波器，其特征在于，包括：

微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构；

所述调节结构分别与所述微腔结构、所述微光纤结构和所述吸光性薄膜连接，用于调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，以及所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离；

所述微腔结构呈环形设置，所述微光纤结构位于环形的所述微腔结构所在平面内，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，且所述微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值；

所述吸光性薄膜沿垂直于环形的所述微腔结构所在平面的方向，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，用于根据与所述微腔结构之间的距离，调节所述光滤波器的带宽。

2.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述吸光性薄膜包括石墨烯薄膜。

3.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述微腔结构的品质因子的范围是[10⁴-10⁸]。

4.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述微光纤结构的直径的范围为[0.5μm-2μm]。

5.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述光滤波器的滤除比例大于80％。

6.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述光滤波器的带宽调节范围为[116.5MHz-2.2GHz]。

7.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述吸光性薄膜的直径大于所述微腔结构的主直径。

8.一种权利要求1-7所述光滤波器的控制方法，其特征在于，包括：

调节所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离，始终保持所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合；

调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，调节所述光滤波器的带宽。

9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述始终保持所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合包括：

始终保持所述微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值。

10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，调节所述光滤波器的带宽包括：

所述调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，调节所述微腔结构的品质因子，以调节所述光滤波器的带宽。