CN108828796A - 基于液芯微腔的温度可调谐滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于液芯微腔的温度可调谐滤波器。包括液芯微腔、耦合波导和液芯温度改变装置；所述温度可调谐滤波器采用耦合波导把光耦合进液芯微腔中，产生回音壁模式；通过液芯温度改变装置改变液芯微腔内部液芯温度，从而改变液芯折射率，令回音壁模式产生频移，实现温度可调谐滤波。本发明提出的温度可调谐滤波器采用耦合波导把光耦合进液芯微腔中，产生回音壁模式。通过液芯温度改变装置改变液芯微腔内部液芯温度，从而改变液芯折射率，令回音壁模式产生频移，实现温度可调谐。该可调谐滤波器可调谐范围广，频率稳定性好。
Description
技术领域：
本发明涉及光学微谐振腔技术和光器件领域，具体来说即基于微纳结构上回音壁模式的温度可调谐滤波器，以及光学滤波器设计和制作技术。
背景技术：
在各种微结构中，回音壁模式(whispering gallery mode,WGM)光学微腔具有超高的品质因子(Q值)和极小的模式体积，吸引了众多研究者的兴趣。WGM光学微腔已经被广泛应用于制作微纳尺度的光学器件，包括传感器、激光器、滤波器等，取得了很多研究成果。
光滤波器对不同的波长有不同的透过率，而WGM微腔会束缚符合特定模式的光在其中谐振，天然符合滤波器的特点。随着光集成芯片技术的发展，人们需要实现小尺寸、高性能、高稳定性的光学器件。WGM微腔有着高品质因子和极小的模式体积，因此大量的研究小组投入到把WGM微腔作为滤波器的研究中。人们希望能制作出可调谐范围大、稳定性好、结构简单，并且可集成到微纳尺度芯片上的光学滤波器。
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.》中利用超细光纤锥与柱形微谐振腔耦合产生Fano共振的方法。在这项工作中，宋跃江课题组使用超细光纤锥与柱形微腔耦合，由于超细光纤锥带来的损耗令耦合背景光急剧下降。分立的共振模式与背景光干涉，产生了非对称的Fano共振谱。通过调节超细光纤锥耦合处直径，可以对干涉状态进行调节，从而激发了高Q值的向上洛伦兹峰形WGM模式。这种向上洛伦兹峰形的模式可以用于光学带通滤波器中。宋跃江课题组也在《Li M,Chen Q,Miao Y,et al.Refractive Index Sensor Based on FanoResonance in Microcapillary Resonator[C]//CLEO:Applications andTechnology.2017:JW2A.56.》中成功利用该技术实现了折射率传感器。
发明内容：
本发明目的在于，提供一种可调谐范围广，简单实用的可调谐滤波器。
为达上述目的，本发明技术方案是一种基于液芯微腔的温度可调谐滤波器，其中所述温度可调谐滤波器包括液芯微腔、耦合波导、液芯温度改变装置。本发明提出的温度可调谐滤波器采用耦合波导把光耦合进液芯微腔中，产生回音壁模式。通过液芯温度改变装置改变液芯微腔内部液芯温度，从而改变液芯折射率，令回音壁模式产生频移，实现温度可调谐的滤波器。
进一步，其中所述的液芯微腔是一种光学微腔，其内芯充满了液体。
进一步，其中所述的光学微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，或光学晶体。
进一步，其中所述的光学微腔是微毛细管腔，微泡腔，或微瓶腔。
进一步，其中所述的液芯微腔空心部分充满液体，液体是纯净水，有机溶液，或无机溶液。
进一步，其中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。
进一步，其中所述的液芯微腔的横截面尺寸范围是微米和毫米级别。
进一步，其中所述的耦合波导与液芯微腔之间的耦合间距能够调节，范围是0～5微米，耦合波导最细处横截面直径为0.5-10微米。
进一步，其中所述的液芯温度改变装置用于改变液芯工作温度，包括半导体TEC，加热棒，加热丝，加热片，红外辐射。
进一步，其中所述液芯温度改变装置附带温度控制器和密封装置。
进一步，其中所述温度控制器精确监测、控制和稳定液芯微腔的工作温度。
进一步，其中所述密封装置需要对可调谐滤波器进行封装和密封，防止外界的温度或震动干扰。
有益效果：本发明制备了液芯微腔，采用耦合波导和液芯微腔的共振模式相互耦合产生回音壁模式，在耦合中得到透射谱表现为向上洛伦兹峰形的回音壁模式。通过液芯温度改变装置改变液芯微腔内部液芯温度，从而改变液芯折射率，令回音壁模式产生频移，实现温度可调谐滤波。
相对于现有的相关技术，该发明有如下有益效果：
1、液芯微腔制作简单，避免其他类型微腔(微盘，微球等)复杂的制作工艺，简单实用；
2、激发向上洛伦兹峰形的回音壁模式，可以实现光学波长选择滤波；
3、温度调谐滤波器可调谐范围广，稳定性高。
附图说明：
图1是本发明的温度可调谐光学滤波器结构示意图(图1(a)通过液芯温度的改变)，以及回音壁模式与液芯作用示意图(图1(b))；
图2是测得图1中可调谐光学滤波器透射谱的实例装置示意图；
图3是利用图2中装置测得的透射谱；
图4是温度变化导致透射谱频移图；
图5是温度变化导致透射谱频移量示意图以及激发的回音壁模式强度分布示意图。其中图5(a)温度的增加时透射谱的频移呈现线性变化，图5(b)和图5(c)分别是高阶模6和高阶模7的纵向模式分布。
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是本发明的温度可调谐光学滤波器结构示意图以及回音壁模式与液芯作用示意图。从图1(a)，在本实施例中，液芯微腔是石英材料的直筒型空心圆柱微腔，液芯部分是乙醇。耦合波导是一个锥形光纤，光从光纤锥一端输入，一部分光耦合进入液芯微腔中形成回音壁模式，另一部分光从另一端输出。在本实施例中，耦合处光纤锥的直径为1微米，且与液芯微腔表面接触。对于材料为高分子聚合物或光学晶体，三维结构是微泡状空心柱型微腔，或微瓶状空心柱形微腔，液芯为纯净水、有机溶液或无机溶液的液芯微腔，事实上也可以适用。因为材料为高分子聚合物或光学晶体，三维结构是微泡状空心柱型微腔，或微瓶状空心柱形微腔的液芯微腔也可以激发出WGM，各种液体也有接近的温度折射率变化系数。本实施例所述的耦合波导是锥形光纤，同时对于D型光纤，集成波导，耦合棱镜，或自由空间光耦合，如果是通过耦合激发向上洛伦兹峰形的WGM，也可以适用于本可调谐滤波器。
在本实施例中，液芯微腔由外直径为125微米的商用石英毛细管制成。这个液芯微腔的尺寸是微米和毫米级别，具体使用多少尺寸应该视乎实际需求。制作方法如下：首先用火焰或高功率激光器去除毛细管表面的涂覆层，然后擦拭干净。接着把毛细管两端封口，浸泡入一定浓度的氢氟酸溶液中进行腐蚀。当毛细管壁厚腐蚀至小于5微米时，把毛细管取出来，用纯净水冲洗干净，然后往毛细管中注入乙醇等。在图1(b)中可以看到，r1为微谐振腔内半径，r2为外半径，在本实施例中，r2-r1为4.9微米。在微谐振腔中存在的回音壁模式能量的一部分存在于谐振腔壁中，另一部分能量分布在液芯中。当微谐振腔壁或液芯的折射率发生变化，会导致回音壁模式的频移。当外界温度改变时，由于热传导，会同时导致液芯、谐振腔壁温度发生变化，达到与外界温度相同，因此液芯的液体和谐振腔壁的折射率也会改变。同时，谐振腔壁由于热膨胀系数的存在，其体积也会发生改变。其频移的公式如下：
在公式中，α是谐振腔材料的热膨胀系数，neff是回音壁模式的有效折射率，κwall和κcore分别是谐振腔和液芯的热光系数。根据该公式，谐振腔壁温度发生变化导致的谐振腔壁折射率变化和谐振腔壁体积的变化对频移的影响很小，可以忽略不计。因此，造成频移的因素主要是液芯的液体因为温度改变从而导致的液体折射率改变。由于液体的折射率变化受到温度变化影响很大，因此极小的温度变化会产生很大的频移，因此该可调谐滤波器调谐范围很广。
在本实施例中，液芯温度改变装置中的液芯温度调节装置是半导体TEC，同时用塑料板制成了方形密封箱。由于密封作用，液芯温度调节装置很容易即可把整个密封空间加热到一个稳定的温度，温度监测控制器用于检测当前密封空间内的温度。除了这种方法，液芯温度调节装置是加热棒，加热丝，红外辐射等，温度监测器是热敏电阻温度传感器，辐射测温仪表，或者集成温度传感器，密封装置是各种材料密封箱、贴片或包裹，也可以起到相同的效果，只要可以进行温度调节、温度监测和密封。
图2是测得图1中可调谐光学滤波器透射谱的装置示意图。从可调谐激光器中发出的激光耦合到光纤中，经过偏振控制器调节偏振态，通过光纤锥将光耦合进液芯微腔中，产生回音壁模式。然后经过光电探测器进行光电转换，利用数据采集系统进行信号的分析与处理。
图3是图2中测得的透射谱。由于使用1微米直径的光纤锥耦合，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。耦合波导和液芯微腔之间的耦合间距可以调节，范围是0-10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。由于超细光纤锥的耦合直径，根据光波导耦合理论，此时激发的回音壁模式是高阶模，也就是径向模数较大的模式。本实施例中被激发的模式是径向模数为6和7的高阶模，分别命名为高阶模6和高阶模7。
通过调节加热器改变密封箱内部温度，记录下不同温度的透射谱，如图4所示，可以看到随着温度的变化，透射谱有很明显的频移。在此处温度T1小于温度T2。随着温度增大，透射谱往波长变小的方向频移。
图5是温度变化导致透射谱频移量示意图以及激发的回音壁模式强度分布示意图。从图5(a)中可看到，随着温度的增加，透射谱的频移呈现线性变化。温度增大，透射谱往波长变小的方向偏移。高阶模6和高阶模7的温度灵敏度分别为-0.264nm/℃和-0.244nm/℃。图5(b)和(c)分别是高阶模6和高阶模7的纵向模式分布。可以看到，高阶模6和高阶模7分布在液芯中的能量占比分别为60.5％和55.9％。由于高阶模6比高阶模7的能量占比更大，因而液芯的折射率变化对其影响更大，因此对温度变化的灵敏度更大。该可调谐滤波器可以用于光通信系统、激光器等，可调谐范围广，频率稳定性好。
另外，也可以看到，由于该可调谐滤波器是通过温度进行可调谐，因此事实上它也可以作为一个温度传感器使用。当改变外界温度，该液芯微腔会产生频移，可以通过频移的大小来获得具体的温度变化数值。这也属于该基于液芯微腔的温度可调谐滤波器的一种使用用途，也应当视为属于本发明的保护范围。
综上所述，本发明提供了一种基于液芯微腔的温度可调谐滤波器。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)
1.一种基于液芯微腔的温度可调谐滤波器，其特征是包括液芯微腔、耦合波导和液芯温度改变装置；所述温度可调谐滤波器采用耦合波导把光耦合进液芯微腔中，产生回音壁模式；通过液芯温度改变装置改变液芯微腔内部液芯温度，从而改变液芯折射率，令回音壁模式产生频移，实现温度可调谐滤波。
2.根据权利要求1所述的液芯微腔，其特征在于：所述的液芯微腔是一种光学微腔，其内芯填充了液体、液体是纯净水、有机溶液或无机溶液。
3.根据权利要求2所述的光学微腔，其特征在于：所述的光学微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，或光学晶体。
4.根据权利要求2所述的光学微腔，其特征在于：所述的光学微腔是微毛细管腔、微泡腔或微瓶腔。
5.根据权利要求1所述的耦合波导，其特征在于：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。
6.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的液芯微腔的横截面尺寸范围是微米或毫米级别。
7.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的耦合波导与液芯微腔之间的耦合间距能够调节，范围是0~5微米，耦合波导最细处横截面直径为0.5-10微米。
8.根据权利要求1-2之一所述的可调谐光学滤波器，其特征在于：所述的液芯温度改变装置用于改变液芯工作温度，包括半导体TEC、加热棒、加热丝、加热片或红外辐射器。
9.根据权利要求8所述的液芯温度改变装置，其特征在于：其附带温度控制器和密封装置；监测、控制和稳定液芯微腔的工作温度。
10.根据权利要求10所述的密封装置，其特征在于：对可调谐滤波器进行封装和密封，防止外界的温度或震动干扰。
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