CN109212671A - 一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器及其制备方法，制备方法：步骤一、微纳光纤的制备；步骤二、微纳光纤结型谐振器的制备；步骤三、光交叉波分复用器的实现。本发明基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器制备方法简单，可肉眼操作，无需借助显微镜；制作原料易得且价格低廉，一根光纤就可以制作出本结构；性能优秀，高Q值、低损耗且机械稳定性好。本发明可以作为光交叉波分复用器使用，还可以作为滤波器使用，应用于激光器、光通信系统等领域。

Description

一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器及其制备方法。

背景技术

光交叉波分复用器(Interleaver)又叫光交叉复用/解复用器，是一种用在光纤通信中密集波分复用(DWDM)系统的光学路由器(Optical router)，也称梳状滤波器(Combfilter)。光交叉波分复用器的解复用功能是把单组输入DWDM光信号分解成两组奇偶信道输出,且两组输出光信号信道间隔两倍于输入光信号信道间隔。现代高速大容量光纤通信系统是在光纤的低损耗窗口缩小信道间隔来增加信道数目,即利用波分复用/密集波分复用(WDM/DWDM)技术作为扩大光纤通信系统容量。随着DWDM技术的发展，信道间隔越来越小，信道间隔为100GHz(0.8nm)的光纤通信系统已经商业化。为了更进一步提高带宽利用率，信道间隔已向50GHz或更窄的方向发展，为了便于在如此小的波长间隔下进行复用和解复用，光交叉波分复用器的出现就是为了实现信道间隔减半，通信容量倍增的目的。

Interleaver的技术实现方法大致有以下几种类型：全光纤马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪型、利用双折射晶体波片的偏振光干涉型、迈克尔逊(G-T)干涉仪型、光纤光栅型、阵列波导光栅(AWG)型、利用多光束干涉原理的法布里伯罗(F-P)腔型。在评估Interleaver时，要测量的参数首先是插损、通带形状、所要求的信道间距间的串扰。经常，在取得平顶通带形状和插损之间采取折中，因为增加的滤波元件经常会增大插损。最后，串扰性能是很关键的，因为Interleaver用作滤波器的前置部位，并决定这集合装置的串扰性能。虽然附加的DWDM滤波器用在Interleaver的输出端，这些滤波器会有更宽的通带，但不能提高毗连信道的串扰性能。即使以上三个基本参数达到了设计目标，还有许多其他参数得考虑。在工作温度范围内这个装置的波长漂移必须被考虑，最大的波长偏移量将用来分析系统的通带性能和串扰。Interleaver是一项新的技术，它结合现有的技术成熟的产品可形成价格经济、可迅速推广应用的大容量的DWDM系统。

微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。微纳光纤的制造工艺和结构特性，微纳光纤对于光场的调制，以及微纳光纤对于输出光束的光束质量的影响等受到人们越来越多的关注。微纳光纤主要用于传导光能，对其而言，光学损耗是重要参数。童利民等人在测试中发现，633nm波长的光在直径为190nm的氧化硅微纳光纤中传输，其传输损耗为1.7dB/mm，与其它同尺寸大小的微纳光波导相比其传输损耗小得多。目前已经报道的氧化硅微纳光纤在1550nm波长处最低损耗约为1.4dB/m。微纳光纤的包层一般为空气或者水等低折射率介质，纤芯和包层折射率差较大，光纤对光场的约束能力很强，因此，微纳光纤弯曲损耗很低，虞华康等对微纳光纤弯曲损耗进行了相对系统的理论研究。同时，因为折射率差较大，传统光纤用来研究其模场分布特性的弱导条件已不再适用。童利民等通过精确求解Maxwell方程组，给出微纳光纤基模的模场分布和群速度色散等特性：一般而言，当微纳光纤直径大于传输光波长时，它对模场的约束能力随着直径减小而增大；当直径减小到波长或亚波长量级时，模场面积将达到一个极小值，相应微纳光纤的光场约束能力达到最大值（如果选择恰当的微纳光纤，模场的等效直径可达到亚波长量级）；若进一步减小微纳光纤直径，它的光场约束能力将逐渐减弱，模场也随之扩散，从而导致相当大比例的光能量（可高达90%）以围绕光纤表面的倏逝波的形式传输。

利用微纳光纤操作简单、倏逝波耦合等特性，目前研究者们成功研制出多种基于微纳光纤的谐振腔。根据谐振腔结构大致可分为三类：圈型谐振腔(loop resonators)、结型谐振腔(knot resonators)和卷型谐振腔(coil resonators)。由于圈型结构耦合区是通过相互作用力来保持，容易受到外界结境干扰，结构不够稳定，童利民等对结型谐振腔耦合区进行改进，通过将微纳光纤相互缠绕，增加微纳光纤间的摩擦力，形成结构更为稳定的结型谐振腔。结型谐振腔可通过拉拽微纳光纤的一端来改变谐振腔的大小，而且谐振腔可以在低折射率衬底表面或者液体中稳定工作。Jiang等用结型谐振腔实现了稀土掺杂的微型激光器。实验使用975nm波长激光作为泵浦光，当最大泵浦功率为12.8mW时，最大输出功率约为8μW。此后他又实现了基于倏逝波增益的微纳光纤结型染料激光器。近期，肖尧等在光学显微镜下将单根CdS纳米线折叠成微结反射镜，形成耦合的复合谐振腔结构，并通过游标效应选模，实现其稳定的低阈值单模激光输出。

微纳光纤具有小尺寸、大表面体积比、强倏逝波传输特性等特点，使它们对外界环境变化表现出高灵敏、快响应速度和较低的探测极限等优势，因此在光学传感方面具有潜在应用价值。此外，微纳光纤在冷原子的俘获与传导、量子光学等领域也具有潜在应用价值。

目前，微纳光纤结型谐振腔已经得到了飞速的发展，单个的结型谐振腔已应用于温度传感、湿度传感、激光器、通信系统等方方面面，比较复杂的多结型谐振腔也逐渐出现并正在研究中。不同结构的多结型谐振腔的特性与单个的结型谐振腔大有不同，是值得深入探索的研究方向。本文提出了一种新型结构的多结型谐振腔，并研究了其结构特性与输出光谱之间的关系，未来可以作为梳状滤波器使用，并应用于光通信系统中。

发明内容

本发明的目的在于先制备一种微纳光纤结型谐振器，这种微纳光纤结型谐振器的输出光谱呈梳状，具有机械稳定性强、损耗低、易于制备的优点，未来可以应用于激光器、光通信系统等领域。然后基于微纳光纤结型谐振器制备出光交叉波分复用器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、微纳光纤的制备：陶瓷微电偶加热器加热至工作温度（约为1300℃），普通单模光纤涂覆层剥去约4cm，固定在微位移平台上，移动位移台将剥去涂覆层部分的光纤放置入加热器中心位置；启动Labview程序控制微位移台移动拉制光纤，将光纤拉锥至锥腰直径5μm左右；

步骤二、微纳光纤结型谐振器的制备：制备上述微纳光纤两根，将其中一根光纤用酒精擦拭过的剪刀从拉锥的末端剪断，拉锥长度为3cm；将这根光纤固定在光学平台边缘，借助镊子绕着一根陶瓷棒将拉锥部分打一个结；用镊子拉住拉锥光纤的末端控制结的直径大小，在此基础上再次打一个直径更大的结，如此形成了一个大环里面套着小环；控制大环和小环的直径比例（大环和小环的直径比例范围2:1~4:1），弯曲拉锥光纤的末端将其套进大环内，形成一个半圈型结构；将多余的拉锥光纤从较细处剪断，放置于光纤位移三维平台上，另一根微纳光纤从拉锥的最细处剪断，放置于另一个光纤位移三维平台上，微调节两个三维平台的位置，使两根光纤靠近，由于范德瓦尔斯力和电磁力的作用，两根光纤吸在一起形成了耦合结构，继续微调两个三维平台，使得耦合结构拉紧，这样可以提高结构在空气中的稳定性；

步骤三、光交叉波分复用器的实现：将制作好的上述微纳光纤结型谐振器平放于低折射率MgF2玻璃（约1.37）上，在耦合处、两根拉锥光纤的末端滴上低折射率紫外胶（约1.34），并用紫外灯固化；将谐振器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起；开启白光光源测量其输出光谱。

本发明的优点和有益效果在于：本发明基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器制备方法简单，可肉眼操作，无需借助显微镜；制作原料易得且价格低廉，一根光纤就可以制作出本结构；性能优秀，高Q值、低损耗且机械稳定性好。本发明可以作为光交叉波分复用器使用，还可以作为滤波器使用，应用于激光器、光通信系统等领域。

附图说明

图1为基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器结构图。

图2为谐振器显微镜图片及其相应光谱特性图。

图2中，（a1）大环和小环的直径比例为2，（a2）为其对应输出光谱图；（b1）大环和小环的直径比例为3，（b2）为其对应输出光谱图；（c1）大环和小环的直径比例为4，（c2）为其对应输出光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、微纳光纤的制备：陶瓷微电偶加热器加热至工作温度（约为1300℃），普通单模光纤涂覆层剥去约4cm，固定在微位移平台上，移动位移台将剥去涂覆层部分的光纤放置入加热器中心位置；启动Labview程序控制微位移台移动拉制光纤，将光纤拉锥至锥腰直径5μm左右；

步骤二、微纳光纤结型谐振器的制备：制备上述微纳光纤两根，将其中一根光纤用酒精擦拭过的剪刀从拉锥的末端剪断，拉锥长度为3cm；将这根光纤固定在光学平台边缘，借助镊子绕着一根陶瓷棒将拉锥部分打一个结；用镊子拉住拉锥光纤的末端控制结的直径大小，在此基础上再次打一个直径更大的结，如此形成了一个大环里面套着小环；控制大环和小环的直径比例（大环和小环的直径比例范围2:1~4:1），弯曲拉锥光纤的末端将其套进大环内，形成一个半圈型结构；将多余的拉锥光纤从较细处剪断，放置于光纤位移三维平台上，另一根微纳光纤从拉锥的最细处剪断，放置于另一个光纤位移三维平台上，微调节两个三维平台的位置，使两根光纤靠近，由于范德瓦尔斯力和电磁力的作用，两根光纤吸在一起形成了耦合结构，继续微调两个三维平台，使得耦合结构拉紧，这样可以提高结构在空气中的稳定性；

步骤三、光交叉波分复用器的实现：将制作好的上述微纳光纤结型谐振器平放于低折射率MgF2玻璃（约1.37）上，在耦合处、两根拉锥光纤的末端滴上低折射率紫外胶（约1.34），并用紫外灯固化；将谐振器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起；开启白光光源测量其输出光谱。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、微纳光纤的制备：陶瓷微电偶加热器加热至约1300℃，普通单模光纤涂覆层剥去约4cm，固定在微位移平台上，移动位移台将剥去涂覆层部分的光纤放置入加热器中心位置；启动Labview程序控制微位移台移动拉制光纤，将光纤拉锥至锥腰直径5μm左右；

步骤二、微纳光纤结型谐振器的制备：制备上述微纳光纤两根，将其中一根光纤用酒精擦拭过的剪刀从拉锥的末端剪断，拉锥长度为3cm；将这根光纤固定在光学平台边缘，借助镊子绕着一根陶瓷棒将拉锥部分打一个结；用镊子拉住拉锥光纤的末端控制结的直径大小，在此基础上再次打一个直径更大的结，如此形成了一个大环里面套着小环；控制大环和小环的直径比例，弯曲拉锥光纤的末端将其套进大环内，形成一个半圈型结构；将多余的拉锥光纤从较细处剪断，放置于光纤位移三维平台上，另一根微纳光纤从拉锥的最细处剪断，放置于另一个光纤位移三维平台上，微调节两个三维平台的位置，使两根光纤靠近，由于范德瓦尔斯力和电磁力的作用，两根光纤吸在一起形成了耦合结构，继续微调两个三维平台，使得耦合结构拉紧，这样可以提高结构在空气中的稳定性；

步骤三、光交叉波分复用器的实现：将制作好的上述微纳光纤结型谐振器平放于低折射率MgF2玻璃上，在耦合处、两根拉锥光纤的末端滴上低折射率紫外胶，并用紫外灯固化；将谐振器一侧尾纤使用光纤焊接机与白光光源熔接在一起，另一侧尾纤用光纤焊接机与光谱仪熔接在一起；开启白光光源测量其输出光谱。

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器的制备方法，其特征在于，步骤三中MgF2玻璃的折射率为1.37；紫外胶折射率为1.34。

3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器的制备方法，其特征在于，所述步骤二中大环和小环的直径比例2:1~4:1。

4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤结型谐振器的光交叉波分复用器的制备方法制造出的光交叉波分复用器。