CN109655974B - 一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米光纤带通滤波器技术领域，具体涉及一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器。目的是为了解决在现有光纤系统的带通滤波器主要是基于干涉、光栅、耦合等技术手段实现，存在带宽窄、应用波段固定、无法调谐且大多现有光纤带通滤波器无法在百纳米的范围实现带通滤波的作用的问题。本发明包括宽谱光源、纳米光纤、光谱仪和光纤针。本发明纳米光纤和光纤针采用普通光纤制作，成本低、加工难度也低；通过移动光纤针来改变其与纳米光纤的接触位置，从而实现对纳米光纤透射光谱的调节，而且光谱调节只需要两者相对位置变化，不受外界环境条件的影响，如温度、湿度等参数。

Description

一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器

技术领域

本发明属于纳米光纤带通滤波器技术领域，具体涉及一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器。

背景技术

光纤波导不仅在网络通信、医学治疗、光纤传感和众多关乎国计民生重要领域诸如半导体工业、航天、国防都有着广阔的应用，而且在半导体研究、表面科学、量子物理，光与物质相互作用等基础学科也有着重要的作用。而其中用于光纤系统的滤波器是将不同波长的光波中选出或滤除特定波长光波的光纤器件。光纤滤波器在光纤通信、光谱测试、光纤传感器、激光光学、原子光学和光纤激光器放大器等应用中具有重要的应用。

阶跃型光纤波导一般情况是由高折射率的纤芯和低折射率的包层构成。激光被束缚在纤芯中传输，光纤包层对激光传输起到了很好的保护作用，激光无法受到外界影响。而相反当将光纤波导的直径通过微加工过程制做成光纤直径在微米以下的光纤，原有的光纤包层成为光传输通道，外部自由空间成为包层，这种光纤被称为纳米光纤。通常纳米光纤由普通光纤熔融拉伸而成，光纤沿其轴向逐渐变细直至直径达到波长量级，直径再逐渐增大过度到普通光纤，整体光纤呈现锥状，故称为锥形纳米光纤。由于纳米光纤直径接近或者小于光波长，其内部传输光在光纤表面形成倏逝场的能量不可忽略甚至所占比重更大，与此同时，倏逝场在光纤外部空间传输，与外界接触，所以此类结构可以与其他微纳结构耦合制作加工成为特定作用的光纤器件。在纳米光纤与微纳结构结合后，微纳结构可以直接与传输在纳米光纤表面的倏逝场接触，这样对倏逝场直接产生影响从而改变纳米光纤的传输特性，构成特定的光纤器件。

在现有光纤系统的带通滤波器主要是基于干涉、光栅、耦合等技术手段实现，存在带宽窄、应用波段固定、无法调谐的问题。大多现有光纤带通滤波器无法在百纳米的范围实现带通滤波的作用，如果同时可以进行波段调谐就更加困难。另外基于干涉、光栅、耦合等技术手段的带通滤波器在加工、耦合器件、调节使用等方面存在成本高、加工复杂等问题。因此亟需一种可调谐大宽带光纤带通滤波器。而本申请基于纳米光纤为基本器件提供一种可调谐大宽带的纳米光纤带通滤波器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器，解决现有光纤带通滤波器无法应用于带宽高于百纳米、带宽应用范围固定无法调谐的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器，包括宽谱光源、纳米光纤、光谱仪和光纤针，所述宽谱光源与纳米光纤的输入端连接，所述纳米光纤的输出端与光谱仪的输入端连接，用来测量纳米光纤输出的透射光谱，所述光纤针的尖端设置在纳米光纤的表面且可以沿纳米光纤的表面移动，用来对带通滤波器的带宽进行大范围调节。纳米光纤和光纤针采用普通光纤制作，成本低、加工难度也低；通过移动光纤针来改变其与纳米光纤的接触位置，从而实现对纳米光纤透射光谱的调节，而且光谱调节只需要两者相对位置变化，不受外界环境条件的影响，如温度、湿度等参数。

作为本发明的一种优选实施方式，所述纳米光纤为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于1微米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径。纳米光纤由普通单模光纤熔融拉伸而成，纳米光纤两端直接与锥形光纤连接并过渡到普通光纤，且光可由普通光纤直接输入纳米光纤，再由普通光纤输出，次结构可以与其他光纤器件直接连接使用。

作为本发明的一种优选实施方式，所述光纤针的尖端为半球形。光纤针的尖端做成半球形，这样半球形尖端与纳米光纤接触时为点接触，接触面积小，不易对纳米光纤造成损伤，另外光纤针加工过程中利用光纤材料二氧化硅的本身的表面张力可以很容易获得半球形尖端，因此加工难度低。

作为本发明的一种优选实施方式，所述光纤针半球形尖端直径为52微米。当光纤针直径大于50微米时，光纤光谱的性质不受光纤针直径的影响，同时直径较大的光纤针加工相对于直径小的加工难度低。

作为本发明的一种优选实施方式，所述宽谱光源为卤钨灯。卤钨灯价格便宜，光谱范围大。

作为本发明的一种优选实施方式，所述可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器的制备方法，包括以下步骤：

1)采用二氧化硅材质的单模裸光纤加工光纤针使其尖端为半球形，加工纳米光纤；

2)将光纤针半球形尖端接触纳米光纤表面；

3)将宽谱光源输出光耦合进入纳米光纤；

4)将纳米光纤输出端与光谱仪连接，测量纳米光纤输出的透射光谱；

5)调整光纤针与纳米光纤接触的位置，接触位置沿着纳米光纤轴向定位为0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米，来调节此带通滤波器的带宽和中心波长等光谱参数。光纤针接触位置沿着纳米光纤轴向定位为0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米，这几个位置由纳米光纤的形状所决定，不同位置对应纳米光纤不同直径，当光纤针接触不同直径的纳米光纤时，会得到不同的透射光谱。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤1)中光纤针的加工过程为：

1)将芯径为5.6微米二氧化硅材质的单模裸光纤两端固定在两个背向运动的平移台上，两个固定点中心位置的光纤放置在二氧化碳激光器光束聚焦焦点处；

2)激光加热裸光纤并拉伸裸光纤；

3)关闭激光，利用光纤切割刀将拉细后的光纤切断；

4)将二氧化碳激光器的激光聚焦至断面处形成半球形尖端光纤针，使光纤针的半球形尖端直径为52微米。利用二氧化碳激光器加工光纤针，二氧化碳激光波长为10.6微米，光纤材料二氧化碳对其吸收剧烈，因此可以集聚大量热量使得光纤熔融并利用二氧化碳自身张力形成半球形光纤针，此技术加工难度低、容易控制、清洁不对光纤器件产生污染。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤1)中纳米光纤是由芯径为5.6微米、波长850nm光适用的单模光纤利用氢氧混合气体产生的高温火焰熔融拉伸得到。利用氢氧混合气体产生的高温火焰熔融拉伸获得纳米光纤，氢氧混合气体产生的高温火焰温度高，可以充分熔融光纤，同时氢氧混合气体产生的高温火焰可以利用平移台移动以控制加热长度，更加容易获得特定形状的纳米光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明纳米光纤和光纤针采用普通光纤制作，成本低、加工难度也低；通过移动光纤针来改变其与纳米光纤的接触位置，从而实现对纳米光纤透射光谱的调节，而且光谱调节只需要两者相对位置变化，不受外界环境条件的影响，如温度、湿度等参数。

2、本发明所述纳米光纤为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于1微米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径，做成这样不仅可以使锥形纳米光纤在不同直径处表面的倏逝场强度不同，也可以使尖端为半球形的光纤针与锥形纳米光纤接触时，在不同波长的传输光造成的损耗不同，因此其输出的光谱也会发生变化。

3、本发明纳米光纤由普通单模光纤熔融拉伸而成，纳米光纤两端直接与锥形光纤连接并过渡到普通光纤，且光可由普通光纤直接输入纳米光纤，再由普通光纤输出，次结构可以与其他光纤器件直接连接使用。

4、本发明光纤针的尖端做成半球形，这样半球形尖端与纳米光纤接触时为点接触，接触面积小，不易对纳米光纤造成损伤，另外光纤针加工过程中利用光纤材料二氧化硅的本身的表面张力可以很容易获得半球形尖端，因此加工难度低。

5、本发明光纤针直径大于50微米，光纤光谱的性质不受光纤针直径的影响，同时直径较大的光纤针加工相对于直径小的加工难度低。

6、本发明所述宽谱光源为卤钨灯，卤钨灯价格便宜，光谱范围大。

7、本发明光纤针接触位置沿着纳米光纤轴向定位为0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米，这几个位置由纳米光纤的形状所决定，不同位置对应纳米光纤不同直径，当光纤针接触不同直径的纳米光纤时，会得到不同的透射光谱。

8、本发明利用二氧化碳激光器加工光纤针，二氧化碳激光波长为10.6微米，光纤材料二氧化碳对其吸收剧烈，因此可以集聚大量热量使得光纤熔融并利用二氧化碳自身张力形成半球形光纤针，此技术加工难度低、容易控制、清洁不对光纤器件产生污染。

9、本发明利用氢氧混合气体产生的高温火焰熔融拉伸获得纳米光纤，氢氧混合气体产生的高温火焰温度高，可以充分熔融光纤，同时氢氧混合气体产生的高温火焰可以利用平移台移动以控制加热长度，更加容易获得特定形状的纳米光纤。

10、利用本发明最终可以获得带宽可调范围达到150-220纳米，中心波长可在900-960纳米范围调节，调节幅度大于60纳米。

11、本发明最大阻隔比大于30dB且通过更改光纤针的直径参数就可以获得其他波段的带通滤波器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的滤波器的透射光谱测量结果；

图中：1-宽谱光源、2-纳米光纤、3-光谱仪、4-光纤针。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细说明：

实施例1

如图1-2，本实施例中的一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器，包括宽谱光源1、纳米光纤2、光谱仪3和光纤针4，所述宽谱光源1与纳米光纤2的输入端连接，所述宽谱光源1为卤钨灯，所述纳米光纤2的输出端与光谱仪3的输入端连接，用来测量纳米光纤2输出的透射光谱，所述纳米光纤2为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于1微米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径，所述光纤针4的尖端设置在纳米光纤2的表面且可以沿纳米光纤2的表面移动，用来对带通滤波器的带宽进行大范围调节，所述光纤针4的尖端为半球形且半球形尖端直径为52微米。

一种所述可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器的制备方法：包括以下步骤：

1)采用二氧化硅材质的单模裸光纤加工光纤针4使其尖端为半球形，加工纳米光纤2；

2)将光纤针4半球形尖端接触纳米光纤2表面；

3)将宽谱光源1输出光耦合进入纳米光纤2；

4)将纳米光纤2输出端与光谱仪3连接，测量纳米光纤2输出的透射光谱；

5)调整光纤针4与纳米光纤2接触的位置，接触位置沿着纳米光纤2轴向定位为0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米，来调节此带通滤波器的带宽和中心波长等光谱参数。

所述步骤1)中光纤针4的加工过程为：

1)将芯径为5.6微米二氧化硅材质的单模裸光纤两端固定在两个背向运动的平移台上，两个固定点中心位置的光纤放置在二氧化碳激光器光束聚焦焦点处；

2)激光加热裸光纤并拉伸裸光纤；

3)关闭激光，利用光纤切割刀将拉细后的光纤切断；

4)将二氧化碳激光器的激光聚焦至断面处形成半球形尖端光纤针，使光纤针4的半球形尖端直径为52微米。

所述步骤1)中纳米光纤2是由芯径为5.6微米、波长为850nm光适用的单模光纤利用氢氧混合气体产生的高温火焰熔融拉伸得到。

工作原理：首先将宽谱光源1卤钨灯与纳米光纤2的输入端连接，纳米光纤2的输出端与光谱仪3的输入端连接，然后将光纤针4半球形尖端接触纳米光纤2表面，调整光纤针4与纳米光纤2接触的位置，接触位置沿着纳米光纤2轴向定位为0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米，以此来对带通滤波器的带宽进行大范围调节。在纳米光纤0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米的位置处，纳米光纤2的直径不同，而不同直径的纳米光纤2表面的倏逝场所占功率的比例不同。因此在光纤针4接触纳米光纤2时，光纤针4对不同比例的倏逝场的散射程度不同，而且对不同波长光的散射也不同，因此可以通过调节光纤针4与纳米光纤2接触位置来改变参与散射过程的纳米光纤2的直径，从而调节透射光谱。光纤针4造成的散射强度与光波长、纳米光纤2直径均存在依赖关系，这种依赖关系对纳米光纤2直径比较敏感，因此可以用于大范围调节滤波器的滤波性质。

本发明的宽谱光源1、纳米光纤2、光谱仪3、光纤针4部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器，其特征在于：包括宽谱光源(1)、纳米光纤(2)、光谱仪(3)和光纤针(4)，所述宽谱光源(1)与纳米光纤(2)的输入端连接，所述纳米光纤(2)的输出端与光谱仪(3)的输入端连接，用来测量纳米光纤(2)输出的透射光谱，所述光纤针(4)的尖端设置在纳米光纤(2)的表面且可以沿纳米光纤(2)的表面移动，用来对带通滤波器的带宽进行大范围调节，所述纳米光纤(2)为锥形纳米光纤，其直径从输入端到锥腰沿着轴向逐渐减小直至小于1微米，从锥腰到输出端沿着轴向逐渐增大到正常直径，所述光纤针(4)的尖端为半球形，所述光纤针(4)半球形尖端直径为52微米，所述纳米光纤(2)是由芯径为5.6微米、波长850nm光适用的单模光纤利用氢氧混合气体产生的高温火焰熔融拉伸得到；

所述光纤针(4)接触位置沿着所述纳米光纤(2)轴向定位为0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米，这几个位置由所述纳米光纤(2)的形状所决定，不同位置对应纳米光纤(2)不同直径，当所述光纤针(4)接触不同直径的纳米光纤(2)时，会得到不同的透射光谱。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器，其特征在于：所述宽谱光源(1)为卤钨灯。

3.一种制备权利要求1-2任一项所述可调谐大带宽纳米光纤带通滤波器的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采用二氧化硅材质的单模裸光纤加工光纤针(4)使其尖端为半球形，加工纳米光纤(2)；

2)将光纤针(4)半球形尖端接触纳米光纤(2)表面；

3)将宽谱光源(1)输出光耦合进入纳米光纤(2)；

4)将纳米光纤(2)输出端与光谱仪(3)连接，测量纳米光纤(2)输出的透射光谱；

5)调整光纤针(4)与纳米光纤(2)接触的位置，接触位置沿着纳米光纤(2)轴向定位为0.5、1.0、1.75、3.0、3.5毫米，来调节此带通滤波器的带宽和中心波长光谱参数；

所述步骤1)中纳米光纤(2)是由芯径为5.6微米、波长850nm光适用的单模光纤利用氢氧混合气体产生的高温火焰熔融拉伸得到；

所述步骤1)中光纤针(4)的加工过程为：

1)将芯径为5.6微米二氧化硅材质的单模裸光纤两端固定在两个背向运动的平移台上，两个固定点中心位置的光纤放置在二氧化碳激光器光束聚焦焦点处；

2)激光加热裸光纤并拉伸裸光纤；

3)关闭激光，利用光纤切割刀将拉细后的光纤切断；

4)将二氧化碳激光器的激光聚焦至断面处形成半球形尖端光纤针，使光纤针(4)的半球形尖端直径为52微米。

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