CN108828721A - 可调谐带通光学滤波器及其在激光器中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可调谐带通光学滤波器及其在激光器中的应用。所述可调谐带通光学滤波器，包括柱型微腔、耦合波导、位移装置，其中所述柱型微腔横截面尺寸沿纵向连续缓变，所述耦合波导将光耦合进柱形微腔中激发出回音壁模式，所述位移装置改变耦合波导与微腔之间的耦合位置，因而能改变耦合位置处柱型微腔的横截面尺寸。该可调谐带通滤波器应用在激光器中，实现发射激光的连续可调谐。本发明装置简单实用，稳定，调谐范围宽。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件领域，具体来说是一种可调谐带通光学滤波器及其在激光器中的应用。
背景技术
随着信息技术的发展，人们对光纤通信系统的性能提出了越来越高的要求。数据通信对高带宽、高速率通信网络的需求，引导着现在的光纤网络朝着全光网络的方向发展。对于全光网络应用来说，小尺寸、高性能、结构简单稳定的光学器件是其大规模应用和推广的前提。而基于光学微腔的可调谐光滤波器，因其紧凑的结构，超窄的线宽，是应用在全光网络的高性能滤波器的理想选择。
光学微腔是通过全反射约束光波在其中谐振的微米尺度的结构，主要包括微柱、微环、微球等。光波在光学微腔中会形成回音壁模式谐振。因为其高品质因子(Q值)和极小的模式体积，光学微腔被广泛应用在各种微光学器件中，包括传感器、滤波器、激光器等。到目前为止，有很多研究小组对光学微腔作为可调谐滤波器的应用进行了广泛研究。在已经报道的成果中，文献《Monifi F,Friedlein J,Kaya Ozdemir,et al.A Robust andTunable Add–Drop Filter Using Whispering Gallery Mode Microtoroid Resonator[J].Journal of Lightwave Technology,2013,30(21):3306-3315.》使用微环光学微腔和一对光波导构建了一个可调谐滤波器系统。通过调节微腔周围的温度，可以对透射谱进行调谐。文献《Lee Y J,Da E L,Kwon S H.Broadband tunable add/drop filters based ondielectric double-disk microcavities[J].IEEE Photonics Journal,2017,PP(99):1-1.》使用一个双微盘结构的光学微腔，通过调整两个微盘之间间隙的距离，可以达到可调谐的效果。然而，这些前人的研究成果都有两个缺点。第一，传统WGM透射谱的谱型是带阻的洛伦兹谱，具有较高的背景强度。这点限制了其在带通滤波器中的应用。第二，其调谐的实现需要很复杂的装置。例如，对于热调谐来说，严格的密封装置，精确的控温是必须的。而这限制了其在高集成的全光网络中的应用。
2016年，南京大学的宋跃江课题组在《Miao Y,Peng Y,Xiang Y,et al.DynamicFano Resonance in Thin Fiber Taper Coupled Cylindrical Microcavity[J].IEEEPhotonics Journal,2016,PP(99):1-1.》中利用超细光锥与柱形微谐振腔耦合的方法激发了高Q值的，透射谱表现为带通的、向上洛伦兹峰形的线形。激发出这种带通洛伦兹峰谱型的关键在于使用了超细光锥，不仅能有效激发出共振光，而且能有效降低背景透射光的强度，从而产生Fano共振线形的透射谱。进一步通过调整Fano共振参数，就可以实现带通的透射峰。这是南京大学的宋跃江课题组首次发现的使用超细锥进行Fano共振调节的方式。这种带通的透射谱很适合用于微腔中的光学带通滤波器。而且该种微腔光学滤波器结构简单，非常适用于大规模应用和生产。
宋跃江课题组的已授权专利《可调谐带通光学滤波器及应用》(申请公布号CN103091831A)中，也发明了与本发明专利相似的可调谐带通光学滤波器。但是在专利《可调谐带通光学滤波器及应用》中的滤波器透射谱是带阻的洛伦兹谱，这是由于当使用正常尺寸的耦合波导时，耦合中的耦合损耗很小，透射光与耦合光相干产生了洛伦兹谷的频谱。这种滤波器是一种带阻的，非带通滤波器。这种滤波器很难应用在带通的滤波中。
而在本发明中，由于使用细耦合波导，柱形微腔与波导耦合时会带来耦合损耗，产生了弱背景的透射光，同时在透射光和信号光中引入了额外相移，通过Fano共振，产生了向上的带通透射谱。本发明利用Fano共振技术，产生带通的透射谱，与上面提到的发明有明显的技术差别。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种简单实用，稳定，调谐范围宽的可调谐带通光学滤波器及其在激光器中的应用。
为达上述目的，本发明技术方案是，一种可调谐带通光学滤波器，其特征在于，包括柱型微腔、耦合波导、位移装置，其中所述柱型微腔横截面尺寸沿纵向连续缓变，所述耦合波导将光耦合进柱形微腔中产生回音壁模式，所述位移装置固定耦合波导，沿柱型微腔纵向位移，改变耦合波导与微腔之间的耦合位置，因而能改变耦合位置处柱型微腔的横截面尺寸。
所述的柱型微腔的材料是二氧化硅、高分子聚合物或光学晶体。
所述的柱型微腔的三维形状呈现喇叭型或中间为凹槽的双喇叭型，横截面尺寸沿着纵向连续缓变。
所述的柱型微腔的纵截面呈现圆锥曲线形。
所述的柱型微腔的制作方式是二氧化碳激光器熔融和拉伸，火焰熔融和拉伸，化学物质腐蚀。
所述的柱型微腔的横截面尺寸范围是微米和毫米级别；所述的耦合波导是锥形光纤，D型光纤，集成波导，耦合棱镜，或自由空间光耦合。
所述的耦合波导与柱型微腔之间的耦合间距能够调节，范围是0～10微米。
所述的位移装置能够对柱型微腔和耦合波导相对位置进行调节；所述位移装置是精密电动位移台、压电陶瓷位移台或手动位移平台。
本发明在激光器的应用：所述激光器是半导体激光器，光纤激光器，固体激光器或染料激光器，可调谐滤波器应用在激光器中，实现产生激光的连续可调谐。柱型微腔和耦合波导被固定在位移装置上，通过调节位移装置使得微腔与耦合波导之间发生轴向相对位移，改变微腔和耦合波导之间耦合点的位置，使得耦合位置处微腔的尺寸发生改变，共振波长会因此发生改变；把这个可调谐带通光学滤波器安装在激光器的谐振回路中，对激光器的输出波长进行连续调谐。
本发明利用柱型微腔的谐振频率随着其耦合点横截面尺寸变化的原理，制备了一段尺寸沿着纵向连续缓变的柱型微谐振腔。在耦合中得到透射谱表现为向上洛伦兹峰形的回廊模。通过机械控制耦合波导在柱型微腔耦合位置的连续移动，实现了谐振波长可调谐，设计出新型的光学可调谐滤波器，并把它应用在激光器中对输出激光波长进行调谐。
本发明具有如下有益效果：传统的回音壁模式透射谱是带阻的、向下的洛伦兹谱。这种传统的带阻、向下的洛伦兹谱一般用于带阻滤波。为了得到实现带通滤波，必须使用带通的、向上的透射谱。本发明为了得到向上的透射谱，从而可以进行特定波长的带通滤波，通过光纤锥耦合方式得到向上的洛伦兹峰型透射谱。当用细光纤锥进行耦合的时候，由于光纤锥直径很小，因此背景散射很大，令透射谱背景光强度降到很低的程度。细光纤锥最细处横截面直径为0.5-10微米。背景光和谐振光产生干涉，从而产生Fano共振线形的透射谱。可以得到回音壁模式在透射谱上呈现的不是传统的向下尖峰的形状，而是向上的峰形。
1、本发明方案具有通用性，适用于多种微腔和耦合波导的组合；
2、本发明调谐方案具有简单实用、稳定和调谐范围宽的优势；
3、本发明方案适用于全波段工作。
附图说明
图1是本发明的一种可调谐带通光学滤波器的结构示意图；
图2是测得图1中可调谐带通光学滤波器透射谱的装置示意图；
图3是图2中测得的可调谐滤波器透射谱的调谐波形图；
图4是图2中测得的可调谐滤波器透射谱的调谐结果示意图；
图5是图1中可调谐带通光学滤波器应用在光纤激光器中的装置示意图；
图6是图5中测得的可调谐激光的光谱图；
图7是图5中测得的可调谐激光的调谐结果示意图。
具体实施方法
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是本发明实施例的可调谐带通光学滤波器的结构示意图。本实施例中，柱型微腔的横截面形状为圆形，三维形状呈现喇叭型，横截面尺寸沿着纵向连续变化。可调谐带通光学滤波器包括柱型微腔、耦合波导、位移装置(图中未画出)三个部分。
在本实施例中，耦合波导是锥形光纤。它是用火焰熔融和拉伸或二氧化碳激光器熔融拉伸制作而成。对于耦合的结构来说，除了本实施例中说明的锥形光纤之外，D型光纤，集成波导，耦合棱镜，或自由空间光耦合都应该属于本发明的保护范围。
柱形微腔和锥形光纤都分别固定在精密电动位移台上，锥形光纤与柱形微腔垂直。位移装置不只是精密电动位移台，还可以是压电陶瓷位移台，或手动位移平台等，它们可以紧密调节耦合波导和微腔的相对位置。耦合处锥形光纤的直径约为0.5～1.5微米。光从锥形光纤的一端输入，其中一部分入射光直接通过锥形光纤形成背景透射光，另一部分入射光耦合进柱型微腔中形成回音壁模式。耦合进柱形微腔中的光在微腔中形成特定波长的分立回音壁模式。共振波长由柱形微腔横截面尺寸和折射率决定，在折射率不变的情况下，共振波长对微腔的尺寸有近似线形关系。因此只要连续改变柱形微腔横截面半径，就可以实现共振波长的连续调谐。当使用超细光锥耦合时，会产生Fano共振，得到向上洛伦兹峰形的透射谱。这个透射谱很适用于作为带通滤波器。
本实施例中，柱形微腔是一段沿纵向直径缓变的二氧化硅圆柱。它的制作方式是二氧化碳激光器熔融和拉伸，火焰熔融和拉伸或化学物质腐蚀，事实上都有一样的效果。这个柱形微腔除了材料可以是二氧化硅，也可以是高分子聚合物和光子晶体微腔，不同的材料都可以形成回音壁模式。该微腔的尺寸是微米和毫米级，需要多大的尺寸完全取决于实际的需要。柱形微腔和耦合波导分别固定在位移台装置。调谐过程中，使用位移装置改变柱形微腔和耦合波导的相对位置，即可以改变耦合位置处柱形微腔的横截面尺寸，对共振波长进行调节，进而实现了透射谱的可调谐。
图2是测得图1中可调谐带通光学滤波器的测试装置原理图。如图2所示，可调谐激光输入进可调谐滤波器，经过滤波作用后的透射谱被光电探测器收集，转换成电信号在示波器上显示出来。偏振控制器可以控制输入光的偏振态。通过透射谱我们可以测量出光学滤波器的透过波长以及线宽。在本实施例中，光纤锥波导与柱形微腔之间的耦合间距可以是0～10微米。
本实施例通过光纤锥耦合方式得到向上带通的洛伦兹峰型回音壁模式。当用细光纤锥进行耦合的时候，由于光纤锥直径很小，因此背景散射很大，令透射谱背景光强度降到很低的程度。背景光和谐振光产生干涉，从而产生Fano共振线形的透射谱。可以得到回音壁模式在透射谱上呈现的不是传统带阻的、向下的透射谱，而是带通的、向上的峰形。
图3是图2中测得的可调谐滤波器透射谱的调谐波形图。可以看到，透射谱的形状呈现向上的峰形。这些透射谱的Q值能达到7×104。
通过位移装置调节柱形微腔和耦合波导的相对位置，改变了耦合位置处柱形微腔的尺寸，进而改变微腔模式的共振波长，实现了透射谱的可调谐。从图3中可以看出透射谱有一个明显的频移变化。正是透射谱的这个调频特性令其可以作为可调谐滤波器。
图4是图2中测得的可调谐滤波器透射谱的调谐结果示意图。取多个相对位置，记录下透射谱的频移。图中的方形数据点是记录下的透射谱频移，而直线是六个数据的线形拟合。可以看到，通过调节微腔与耦合波导的相对位置，透射谱会有明显的线性频移。根据线性拟合曲线计算得到的调谐系数，即频移与相对位置的比值为0.231nm/mm。
该可调谐滤波器应用在激光器中，实现激光波长的连续可调谐。本实施例中，把图1的可调谐滤波器应用在光纤激光器中。事实上，它可以用于半导体激光器、固体激光器和染料激光器等各种激光器中，因为它只是在激光器的谐振腔中加入该可调谐滤波器，这对于所有类型的激光器都可以达到一样的可调谐效果。图5是图1中可调谐带通光学滤波器应用在光纤激光器中的装置示意图。泵浦光源提供980nm波段的泵浦光，经过波分复用器，在掺铒光纤的增益作用下，产生1550nm波段的宽谱光。而这部分宽谱光被可调谐滤波器进行滤波，得到的是单波长的激光。经过50:50耦合器，一部分光进入光谱仪中，测得其光谱。调节980nm泵浦光源的能量，当超过38.1mW阈值功率时，会有特定波长的激光产生。
图6是图5中可调谐激光的光谱图。本实施例中获得的激光波长在1530nm附近。在图5中得到激光后，调节微腔和耦合波导的相对位置，可以发现激光的波长会产生变化。在不同的相对位置，产生的激光都有稳定和大致相同的功率。图7是图5中可调谐激光的调谐结果示意图。可以看到，激光波长调谐随着柱形微腔和耦合波导相对位置变化呈线性变化。通过计算，其通过线性拟合得到的频移系数为0.225nm/mm。
综上所述，本发明提出一种新型的、简单实用的可调谐缓变柱形微腔光学滤波器及其在激光器中的应用。实现途径是使用一段横截面尺寸沿纵向缓变的柱形微腔，利用位移装置调节耦合波导和微腔的相对位置，使得耦合处微腔尺寸发生连续变化，从而实现波长连续可调谐。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可调谐带通光学滤波器，其特征在于，包括柱型微腔、耦合波导、位移装置，其中所述柱型微腔横截面尺寸沿纵向连续缓变，所述耦合波导将光耦合进柱形微腔中激发出回音壁模式，所述位移装置改变耦合波导与微腔之间的耦合位置，因而能改变耦合位置处柱型微腔的横截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的可调谐带通光学滤波器，其特征在于：所述的柱型微腔的材料是二氧化硅、高分子聚合物或光学晶体。
3.根据权利要求1所述的可调谐带通光学滤波器，其特征在于：所述的柱型微腔的三维形状呈现喇叭型或中间为凹槽的双喇叭型，横截面尺寸沿着纵向连续缓变。
4.根据权利要求1所述的可调谐带通光学滤波器，其特征在于：所述的柱型微腔的纵截面呈现圆锥曲线形。
5.根据权利要求3或4所述的可调谐带通光学滤波器，其特征在于：所述的柱型微腔的制作方式是二氧化碳激光器熔融和拉伸，火焰熔融和拉伸，化学物质腐蚀。
6.根据权利要求1所述的可调谐带通光学滤波器，其特征在于：所述的柱型微腔的横截面尺寸范围是微米和毫米级别；所述的耦合波导是锥形光纤、D型光纤、集成波导、耦合棱镜或自由空间光耦合。
7.根据权利要求3或4所述的可调谐带通光学滤波器，其特征在于：所述的耦合波导与柱型微腔之间的耦合间距能够调节，范围是0~10微米。
8.根据权利要求1所述的可调谐带通光学滤波器，其特征在于：所述的位移装置能够对柱型微腔和耦合波导相对位置进行调节；所述位移装置是精密电动位移台、压电陶瓷位移台或手动位移平台。
9.根据权利要求1-8所述的可调谐带通光学滤波器在激光器中的应用，其特征在于：所述激光器是半导体激光器、光纤激光器、固体激光器或染料激光器，可调谐滤波器应用在激光器谐振腔中，实现产生激光的连续可调谐。
10.根据权利要求9所述的可调谐带通光学滤波器在激光器中的应用，其特征在于：柱型微腔和耦合波导被固定在位移装置上，通过调节位移装置使得微腔与耦合波导之间发生轴向相对位移，改变微腔和耦合波导之间耦合点的位置，使得耦合位置处微腔的尺寸发生改变，共振波长会因此发生改变；把这个可调谐带通光学滤波器安装在激光器的谐振回路中，对激光器的输出波长进行连续调谐。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181116 |