CN107247310B - 一种光纤f-p滤波器及其制备方法 - Google Patents

一种光纤f-p滤波器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤F‑P滤波器及其制备方法，解决了现有光纤F‑P腔端面加工过程中易产生平移错位甚至夹角的问题，降低了光纤F‑P腔的级联间距，实现了级联型滤波器的小型化，所采用的技术方案为：利用准分子激光器，在一根光纤纤芯上一次性连续刻写两个或两个以上的微米级孔洞，制作出单个光纤F‑P滤波器或级联型光纤F‑P滤波器，利用微孔代替光纤端面，利用光纤纤芯替代空气介质，使传输光在微孔间多次反射而形成干涉，由一对微孔构成单个F‑P滤波器、由多个微孔构成级联型F‑P滤波器。

Description

一种光纤F-P滤波器及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤通信器件与光纤传感器件领域，具体涉及一种光纤F-P滤波器及其制备方法。
背景技术
干涉型滤波器件在光纤通信技术和光纤传感领域中扮演着极其重要的角色，可广泛用于稳频、密集波分复用系统(DWDM)的信道选择，以及温度和应力等多物理量的传感检测。光滤波器种类繁多、功能各异，常见的光纤型滤波器有马赫曾德尔干涉型、迈克耳逊干涉型、光纤F-P腔干涉型以及萨格纳克干涉型等。这些光纤型器件在信号稳频、选频、滤波以及物理量传感监测等领域，发挥了重要的优势。特别是伴随光纤技术和新型功能材料技术的有机结合，使得基于光纤的干涉型滤波器件的研究与应用，在声、热、电、机械振动、电磁传感等领域有着广泛的应用前景。
本征型光纤F-P滤波器的结构，一般由两根端面均镀有高反射膜的单模光纤，通过一定装置对齐后而行成，若将此结构固定在像压电陶瓷这类可控伸缩材料或装置上，便可实现控制两个镀有高反射模的光纤端面间的距离，即实现对F-P腔长的有效控制，从而实现可调滤波功能或对外界作用量的传感监测功能。但是，这样的装置要求两根光纤的镀膜端面严格同心平行对准，而且在光纤F-P滤波器工作过程中经常会出现光纤端面偏移错位甚至产生夹角的问题，从而导致其滤波性能下降。如论文《光纤端面偏移对光纤F-P可调谐滤波器性能影响》(2016年)一文就仿真、模拟了两光纤端面发生径向偏移和产生倾角时对干涉条纹可见度等性能的影响。所以保证两光纤处于同一轴线，并且避免光纤端面产生偏移或倾角，成为了提高滤波器性能所必须解决的问题。
另一方面，这种利用光纤端面形成的F-P腔，由于要保证两端面的严格平行对正，在制作过程中对光纤的操作要求非常精细，必须靠外界精密设备控制初始的腔长，才能使滤波器达到要求的性能。而且，这种通过封装处理的F-P滤波器级联只能通过熔接机进行光纤熔合，势必导致两个滤波器间的距离间隔不可能很小，至少在5cm以上甚至更长的距离，这就给滤波器的小型化带来了无法逾越的问题。
近年来，虽然提出了用飞秒激光器进行光纤F-P腔的制作方法，但由于飞秒激光器价格昂贵、制作成本太高，而限制了飞秒激光在加工光纤微结构方面的应用。因此，开发一种制作工艺简单、低成本的方法来制作光纤F-P滤波器具有重要的应用价值。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种光纤F-P滤波器及其制备方法，制备方法工艺操作简单，解决了现有光纤F-P腔端面加工过程中易产生平移错位甚至夹角的问题，降低了光纤F-P腔的级联间距，实现了级联型滤波器的小型化。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：
1)剥除光纤的涂覆层得到纤芯，并用酒精清洗；
2)将纤芯固定在载玻片上，并将载玻片放置在三维精密微动平台上，启动准分子激光器，并调节三维精密微动平台和光路系统使激光光斑聚焦在纤芯的中轴线位置；
3)设置准分子激光器的脉冲次数为300～1000次，操作准分子激光器在纤芯上打第一个微孔后，三维精密微动平台带动纤芯沿纤芯的轴向移动，准分子激光器在纤芯上等间距或不等间距进行激光打孔，得到至少2个微孔，有2个微孔的纤芯构成单个F-P滤波器，有2个以上微孔的纤芯构成级联型F-P滤波器。
所述微孔为圆形孔、矩形孔或三角形孔。
所述微孔的深度为光纤纤芯直径的1/2，矩形孔的尺寸为(20um～70um)×(60um～120um)，圆形孔的直径为10um～120um，三角形孔的边长为10um～120um。
所述相邻微孔的间距为0.5～4mm。
所述步骤2)中设置准分子激光器的输出波长为193nm、脉冲能量为10～30mJ、频率为300Hz。
所述三维精密微动平台上设有CCD摄像头，CCD摄像头获取加工过程中纤芯的影像信息，并发送给控制器，控制器根据纤芯的影像信息控制三维精密微动平台和准分子激光器。
所述准分子激光器的激光输出端设有光路系统，光路系统包括依次设置的凹透镜、凸透镜、反射镜和聚焦透镜，准分子激光器输出的激光依次经过凹透镜和凸透镜扩束整形后形成平行光束，再经过倾斜45°放置的反射镜使光路旋转90°，最后经过聚焦透镜聚焦，使激光束的焦点落在三维精密微动平台上的纤芯的中轴线位置。
所述光路系统的聚焦透镜采用冲氮气的管道密封。
所述准分子激光器为氟化氩准分子激光器。
一种光纤F-P滤波器的制备方法制备出的光纤F-P滤波器，包括光纤纤芯，光纤纤芯上沿轴向等间距或不等间距设有至少2个微孔。
与现有技术相比，本发明利用准分子激光器，在一根光纤纤芯上一次性连续刻写两个或两个以上的微米级孔洞，制作出单个光纤F-P滤波器或级联型光纤F-P滤波器，利用微孔代替光纤端面，利用光纤纤芯替代空气介质，使传输光在微孔间多次反射而形成干涉，由一对微孔构成单个F-P滤波器、由多个微孔构成级联型F-P滤波器。由于微孔产生并固定在光纤内部，有效解决了工作过程中端面偏移错位问题，提高了滤波性能。同时，由于是通过移动精密微动平台控制微孔间距的，这样实现了多级F-P腔的无间隔级联,所制作的多微孔级联型光纤F-P滤波器体积比传统熔接方式制作的滤波器体积更小。与现有技术相比，具有操作方便、结构简单、成本低和适合批量加工的特点。
进一步，CCD摄像头是将获取的光纤影像转化为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现光纤影像的获取与存储，再通过分析控制器的指令和准分子激光器的情况来保证微加工的精度；控制器是在控制软件中输入各项指令以及控制准分子激光器的触发工作。由于紫外光在空气中传输损耗比较大，所以光路系统的聚焦透镜是被冲氮气管道密封的，保证了激光器的功率输出。
附图说明
图1为本发明制备方法采用的加工装置框图；
图2为光路系统示意图，其中，1-准分子激光器、2-光阑、3-凹透镜、4-凸透镜、5-反射镜、6-聚焦透镜、7-三维精密微动平台；
图3为光纤纤芯上加工单个矩形孔的俯视图；
图4a为实施例1光纤纤芯上加工2个矩形孔的俯视图，图4b为侧视图；
图5为实施例1的光纤F-P滤波器的光谱图；
图6a为实施例2光纤纤芯上加工3个矩形孔的俯视图，图6b为侧视图；
图7为实施例2的级联型F-P滤波器的光谱图；
图8a为5个微孔的级联型F-P滤波器的光谱图，图8b为6个微孔的级联型F-P滤波器的光谱图，图8c为7个微孔的级联型F-P滤波器的光谱图；
图9为光纤F-P滤波器的工作原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
本发明的制备方法具体包括以下步骤：
1)剥除光纤的涂覆层得到纤芯，并用酒精清洗；
2)将纤芯固定在载玻片上，并将载玻片放置在三维精密微动平台上，启动准分子激光器，并调节三维精密微动平台和光路系统使激光光斑聚焦在纤芯的中轴线位置；
3)设置准分子激光器的脉冲次数为300～1000次，准分子激光器的输出波长为193nm、脉冲能量为10～30mJ、频率为300Hz，设置三维精密微动平台的步进移动值为0.5～4mm，操作准分子激光器在纤芯上打第一个微孔后，三维精密微动平台带动纤芯沿纤芯的轴向移动，准分子激光器在纤芯上等间距或不等间距进行激光打孔，得到至少2个微孔，有2个微孔的纤芯构成单个F-P滤波器，有2个以上微孔的纤芯构成级联型F-P滤波器。
微孔为圆形孔、矩形孔或三角形孔，微孔的深度为光纤纤芯直径的1/2，矩形孔的尺寸为(20um～70um)×(60um～120um)，圆形孔的直径为10um～120um，三角形孔的边长为10um～120um，相邻微孔的间距为0.5～4mm。
参见图1，加工装置包括控制器、CCD摄像头、准分子激光器、光路系统和三维精密微动平台，CCD摄像头设置在三维精密微动平台上，CCD摄像头获取加工过程中纤芯的影像信息，并发送给控制器，控制器根据纤芯的影像信息控制三维精密微动平台和准分子激光器。
光路系统包括依次设置的凹透镜3、凸透镜4、反射镜5和聚焦透镜6，准分子激光器1输出的激光依次经过凹透镜3和凸透镜4扩束整形后形成平行光束，再经过倾斜45°放置的反射镜5使光路旋转90°，最后经过聚焦透镜6聚焦，使激光束的焦点落在三维精密微动平台7上的纤芯的中轴线位置。准分子激光器1和反射镜5的输出端均设置有光阑2。光路系统的聚焦透镜采用冲氮气的管道密封，准分子激光器为氟化氩准分子激光器，型号为BraggStarIndustrial 1000-193-100416，三维精密微动平台7为微位移电机驱动线性平台M-531.DD，控制器为C-862.00。
实施例1：
取一段普通单模光纤，将局部涂敷层剥除5-10mm，然后将其固定在三维精密微动平台上。通过控制器，初步调整三维精密微动平台的X轴(左右方向)和Y轴(前后方向)，使光纤的无涂敷层区处于视场中心；再调整三维精密微动平台的Z轴(上下方向)，使激光光斑落在光纤上；再次微调三维精密微动平台的X轴、Y轴和Z轴，使激光光斑聚焦在光纤的中心位置；在控制软件中选择打孔方式(圆形孔、矩形孔、三角形孔)，设置激光器输出的脉冲次数(300-1000)，打开控制开关进行微孔加工，控制器自动控制结束后会停止。
制作完第一个孔后，在控制软件中设置步进移动值为1mm，控制精密微动平台沿光纤轴向移动，微调精密微动平台的X轴、Y轴和Z轴，使激光光斑聚焦在光纤的中心位置，完成相关参数设置后，开始加工第二个孔；依据上述步骤可在光纤上进行不同距离多个微孔的加工。图3是光纤上加工单矩形孔的俯视图，图4a和图4b分别是在光纤上加工的双矩形孔俯视和侧视示意图，两个矩形孔之间的间距1mm，构成了F-P腔的两个端面，形成了光纤F-P滤波器，其对应光谱如图5所示，其光谱对应的自由谱为0.826nm、对比度为11dBm。
实施例2：
在光纤上等间隔加工多个微孔，图6a和图6b分别为制作的多光纤F-P腔级联滤波器的俯视和侧视图，制作过程中，将实施例1中的平台步进移动值设置为3.5mm，则可实现第一个孔与第二个孔之间的距离为3.5mm、第二个孔与第三个孔之间的距离也为3.5mm，这样就将两个腔长为3.5mm的光纤F-P滤波器级联起来，形成多光纤F-P腔级联型滤波器，其对应光谱如图7所示，其光谱对应的自由谱为0.113nm、对比度为5dBm。
按照实施例1和实施例2中所述方法，可以在光纤上加工多孔结构光纤F-P滤波器，图8a为5个微孔的级联型F-P滤波器的光谱图，其中5个微孔的相邻孔间距为3mm，其光谱对应的自由谱为0.129nm；8b为6个微孔的级联型F-P滤波器的光谱图，6个微孔的相邻孔间距离为2.5mm，其光谱对应的自由谱为0.322nm；图8c为7个微孔的级联型F-P滤波器的光谱图，7个微孔的相邻孔间距为2mm，光谱对应的自由谱为0.412nm。
本发明制作的光纤F-P滤波器具有微型化、集成化，系统装置成本低、结构简单、操作方便、重复性好等优势，并且，从实施案例中滤波器的光谱图看到，本发明制作的滤波器自由谱范围能通过控制微孔之间的距离来精确调节，增大了滤波器的自由谱范围，有效实现了滤波器的动态可调谐能力。工作原理：
光纤F-P滤波器是一种基于多光束干涉原理的滤波器件，结构上是由相互平行且正对的两个反射面形成的，其工作原理如图9所示，入射A反射面的光一部分进入A反射面后被B反射面反射，这些光在A、B反射面间被多次反射相遇满足干涉条件产生多光束干涉。
根据多光束干涉原理，其透射特性可表示为：
式中Ii为入射光场的光强，It为出射光场的光强，R和T分别为光纤端面的反射率和透射率(在理想情况下，R+T＝1)，δ为相邻两光束的相位差，θ为入射角，n为腔中介质折射率，Lc为腔长。对于制作的光纤F-P滤波器，由微孔充当了F-P腔前后两平行反射面，n为光纤纤芯的折射率，n0为孔中空气的折射率。
本发明相比于传统的光纤F-P滤波器制作方法，该制作方法只需用一根光纤，通过控制精密微动平台，让激光器沿光纤轴向一次性加工两个及以上微孔即可形成F-P腔，避免了传统方法中要求两光纤端面严格同心对正问题，也使光纤F-P滤波器的结构更简单、稳定和小型化。相比于传统的光纤F-P滤波器，由于F-P腔介质是光纤本身，腔面由光纤上加工的微孔充当，并不是光纤的自由断面，有效避免了使用过程中光纤端面的错位偏移和倾角增大问题。相比于传统的光纤F-P滤波器结构，该制作方法降低了调节光纤端面之间距离的难度即初始腔长的距离。此种F-P滤波器的腔长是由聚焦后的激光束尺寸和精密微动平台移动的最小步进值决定，容易实现微米级腔长尺寸控制，能够精确制作任意腔长的光纤F-P滤波器，易于实现具有不同滤波性能的光纤F-P滤波器件或光纤传感器件。由于光纤F-P滤波器的腔镜是由激光加工的微孔，而微孔又可以一次性连续产生，因此通过电脑控制精密微动平台沿光纤轴向移动，可进行相同或不同间隔微孔加工，即实现相同腔长或不同腔长F-P器件的有效级联。相比于飞秒激光器加工制作方法，本方法的显著特点是系统装置成本低、结构简单、操作方便、重复性好。

Claims (7)

1.一种光纤F-P滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)剥除光纤的涂覆层得到纤芯，并用酒精清洗；
2)将纤芯固定在载玻片上，并将载玻片放置在三维精密微动平台上，启动准分子激光器，并调节三维精密微动平台和光路系统使激光光斑聚焦在纤芯的中轴线位置；
3)设置准分子激光器的脉冲次数为300～1000次，操作准分子激光器在纤芯上打第一个微孔后，三维精密微动平台带动纤芯沿纤芯的轴向移动，准分子激光器在纤芯上等间距或不等间距进行激光打孔，得到至少2个微孔，有2个微孔的纤芯构成单个F-P滤波器，有2个以上微孔的纤芯构成级联型F-P滤波器；
所述微孔为圆形孔、矩形孔或三角形孔；
所述微孔的深度为光纤纤芯直径的1/2，矩形孔的尺寸为(20μm～70μm)×(60μm～120μm)，圆形孔的直径为10μm～120μm，三角形孔的边长为10μm～120μm；
相邻微孔的间距为0.5～4mm。
2.根据权利要求1所述的一种光纤F-P滤波器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中设置准分子激光器的输出波长为193nm、脉冲能量为10～30mJ、频率为300Hz。
3.根据权利要求1所述的一种光纤F-P滤波器的制备方法，其特征在于，所述三维精密微动平台上设有CCD摄像头，CCD摄像头获取加工过程中纤芯的影像信息，并发送给控制器，控制器根据纤芯的影像信息控制三维精密微动平台和准分子激光器。
4.根据权利要求1所述的一种光纤F-P滤波器的制备方法，其特征在于，所述准分子激光器的激光输出端设有光路系统，光路系统包括依次设置的凹透镜、凸透镜、反射镜和聚焦透镜，准分子激光器输出的激光依次经过凹透镜和凸透镜扩束整形后形成平行光束，再经过倾斜45°放置的反射镜使光路旋转90°，最后经过聚焦透镜聚焦，使激光束的焦点落在三维精密微动平台上的纤芯的中轴线位置。
5.根据权利要求4所述的一种光纤F-P滤波器的制备方法，其特征在于，所述光路系统的聚焦透镜采用冲氮气的管道密封。
6.根据权利要求1所述的一种光纤F-P滤波器的制备方法，其特征在于，所述准分子激光器为氟化氩准分子激光器。
7.一种采用权利要求1-6任一项光纤F-P滤波器的制备方法制备出的光纤F-P滤波器，其特征在于，包括光纤纤芯，光纤纤芯上沿轴向等间距或不等间距设有至少2个微孔。
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