CN110954992B - 基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔及其制作方法 - Google Patents

基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔及其制作方法，由中空微结构光纤和全光纤微球谐振腔分组成；所述中空微结构光纤由光纤包层(1)、高掺锗光波导阵列以及用于支撑高掺锗光波导阵列的光波导支撑微管阵列构成，所述光波导支撑微管阵列将掺锗光波导阵列与光纤包层(1)隔离开，所述微球(4)填充在中空微结构光纤内部，与高掺锗光波导阵列相切；入射光沿高掺锗光波导阵列传播到与微球(4)的相切点处，耦合到微球(4)的光在与高掺锗光波导阵列相切的微球赤道面(7)内产生光学振荡，构成多通道空分复用的全光纤微球谐振腔。本发明实现了全光纤结构，解决了机械稳定性和高功率宽光谱光耦合的难题。

Description

基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔及其制作方法
技术领域
本发明涉及光学微谐振腔领域，特别是涉及一种多通道空分复用的全光纤微球谐振腔及其制作方法。
背景技术
随着微纳技术的不断发展，新型光学微谐振腔不断取得新的突破，并广泛应用于微纳激光、光传感器、光调制器、光存储器等领域。目前，常见的光学微谐振腔主要包括微球谐振腔、微盘谐振腔、硅基光波导谐振腔三种。
微球谐振腔具有易于制备的优点，但是需要采用微纳光纤作为入射光波导将光耦合到微球谐振腔中，而微纳光纤与微球谐振腔之间的机械稳定性是该类型结构面临的巨大挑战。(B. Sprenger, H. G. L. Schwefel, and L. J. Wang, Whispering-gallery-mode-resonator- stabilized narrow-linewidth fiber loop laser, Opt. Lett. 34,3370 (2009).)。微盘谐振腔相比于微球谐振腔具有更高的模式体积，因此可以产生更高效率的谐振光波模场。但是，通常采用微纳光纤作为入射光耦合的器件，同样面临着光耦合机械稳定性的难题。(D. Chen, A. Kovach, X. Shen, S. Poust, and A. M. Armani, On-Chip Ultra-High-Q Silicon Oxynitride Optical Resonators, ACS photonics 4,2376 (2017).) 。硅基光波导谐振腔采用硅基刻蚀技术将入射光波导与微谐振腔制作在硅基表面，具有很高的集成度和机械稳定性，但是，高功率宽光谱入射光耦合是硅基光波导所面临的技术难题。(Y. Liu, Y. Xuan, X. Xue, P. H. Wang, S. Chen, A. J. Metcalf,J. Wang, D. E. Leaird, M. Qi, and A. M. Weiner, Investigation of modecoupling in normal-dispersion silicon nitride microresonators for Kerrfrequency comb generation, Optica 1, 137 (2014).)。
此外，上述光学微谐振腔均只能实现单通道谐振光输出。随着微纳光学技术的进步，如何提高光学微谐振腔复用能力，提高谐振光输出通道已成为该领域一个新的挑战。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出了一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔及其制作方法，采用中空微结构光纤与微球谐振腔相结合形成全光纤微球谐振腔结构，解决了机械稳定性和高功率宽光谱光耦合的难题；同时，利用不同角度上微球赤道面内光学振荡互不相扰的特性，在微球表面产生光学谐振腔的空分复用作用，实现多通道光输出的目标。
本发明提出了一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔，该微球谐振腔由中空微结构光纤和全光纤微球谐振腔两部分组成；其中：所述中空微结构光纤由光纤包层1、高掺锗光波导阵列以及用于支撑高掺锗光波导阵列的光波导支撑微管阵列构成，所述光波导支撑微管阵列将掺锗光波导阵列与光纤包层1隔离开，所述微球4填充在中空微结构光纤内部，与高掺锗光波导阵列相切；入射光沿高掺锗光波导阵列传播到与微球4的相切点处，耦合到微球4的光在与高掺锗光波导阵列相切的微球赤道面7内产生光学振荡，构成全光纤微球谐振腔，高掺锗光波导阵列中的各个高掺锗光波导与同一个微球内的不同微球赤道面相切，所述中空微结构光纤包含奇数组光传输通道，每一组光传输通道等角度间隔地分布在光纤包层1内壁。
所述微球4从二氧化硅微球、有机高分子微球、硅酸盐玻璃微球、高折射率陶瓷微球或低折射率氟化镁微球中择一设置。
每一组所述光传输通道由高掺锗光波导和光波导支撑微管构成。
各个传输通道对应的微球赤道面上产生互不干扰的光学振荡。
本发明的一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、中空微结构光纤制备：将光纤包层、光波导支撑微和高掺锗光波导预制棒有序排列，采用光纤拉制系统拉制出中空微结构光纤；
步骤2、全光纤微球谐振腔制备：将微球4分散到高挥发性有机溶剂中，通过的毛细现象将微球填充至中空微结构光纤内部，与高掺锗光波导阵列相切；有机溶剂挥发祛除后，微球保留在中空微结构光纤内部，构成多通道空分复用全光纤微球谐振腔结构。
相比于传统的光学微谐振腔，本发明的技术方案具有以下的积极效果：
1、本发明在同一微球谐振腔中实现多通道谐振光的输出；
2、将中空微结构光纤与微球谐振腔相结合，实现全光纤结构，解决了机械稳定性和高功率宽光谱光耦合的难题。
附图说明
图1是本发明的3通道空分复用全光纤微球谐振腔三维结构示意图；
图2是本发明的3通道空分复用全光纤微球谐振腔端面结构示意图；
图3是本发明微球谐振腔工作原理示意图，其中（3a）为端面俯视方向局部图；（3b）为侧面俯视方向局部图；
图4是本发明的5通道空分复用全光纤微球谐振腔端面结构示意图；
图5是本发明的7通道空分复用全光纤微球谐振腔端面结构示意图；
图6是本发明中3通道空分复用全光纤微球谐振腔光谱探测实验装置图；
图7是本发明中光传输通道一微球谐振腔输出光谱曲线示意图；
图8是本发明中光传输通道二微球谐振腔输出光谱曲线示意图；
附图标记：1、光纤包层，21、第一光波导支撑微管，31、第一高掺锗光波导，22、第二光波导支撑微管，32、第二高掺锗光波导，23、第三光波导支撑微管，33、第三高掺锗光波导，4、微球，7、微球赤道面，8、入射光，9、出射光，10、光源，11、准直光束，12、聚焦透镜，13、出射光束，14、准直透镜，15、光谱分析仪。
具体实施方式
本发明提出的一种多通道空分复用的全光纤微球谐振腔结构，采用中空微结构光纤与微球谐振腔相结合，实现全光纤微球谐振腔结构；同时，在微球表面形成光学谐振腔的空分复用作用，实现多通道光输出的目标。
以下结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。
如图1所示，为本发明的基于空分复用的多通道全光纤微球谐振结构示意图，该结构包括光纤包层1、光波导支撑微管、高掺锗光波导和微球4；高掺锗光波导由光波导支撑微管支撑，将光波导与光纤包层1隔离开，提高光波导的传输效率；三组光波导支撑微管阵列和高掺锗光波导阵列构成三个复用通道；微球4填充到中空微结构光纤内部，与高掺锗光波导3阵列相切，构成全光纤微球谐振腔。
例如：第一高掺锗光波导31、第二高掺锗光波导支撑微管32和第三高掺锗光波导支撑微管33及用于支撑光波导的第一光波导支撑微管21、第二光波导支撑微管22和第三光波导支撑管23分别构成三组光传输通道一、二、三。
如图2所示，三对光波导支撑微管21、22、23和高掺锗光波导31、32、33内切于光纤包层1，构成三路光波导传输通道；两两通道之间等角度间隔分布，均呈120°角。因此，在微球4面内，与各个高掺锗光波导相切的微球赤道面7之间亦呈120°角。因此，根据光的波动性可知，在各个不同角度上的微球赤道面7内激发的光学振荡之间不存在交叉干扰，各路光学振荡形成空分复用的效果。
如图3所示，是本发明微球谐振腔工作原理示意图，其中，图（3a）为端面俯视方向局部图；图（3b）为侧面俯视方向局部图。对于每一个复用通道，高掺锗光波导与微球4内的一个微球赤道面7相切。当入射光8沿着高掺锗光波导入射到相切位置时，由于强烈的倏逝场作用，部分光耦合到微球4中，并沿着微球赤道面7形成光学振荡，同时，部分谐振光从入射光耦合位置再次耦合回到高掺锗光波导中，作为出射光9输出。由于微球4填充到中空光纤内部，与高掺锗光波导相切，不存在任何的机械移动部件，因此该全光纤谐振腔具有很高的机械稳定性。此外，利用光纤熔接技术，可以实现高功率宽光谱光到高掺锗光波导的耦。
如图4所示，是本发明的5通道空分复用全光纤微球谐振腔端面结构示意图。五路光波导传输通达与微球4构成五通道空分复用微球谐振腔结构。
如图5所示，是本发明的7通道空分复用全光纤微球谐振腔端面结构示意图。该实施例是与图2、图4的3通道和5通道基于相同原理的七通道空分复用微球谐振腔结构。另一个重要的要求是空分复用的通道数需为奇数路，因为奇数路通道等角度间隔排列，任意两个通道之间的角度差不会等于180°。意味着各个通道光学振荡所在的微球赤道面7存在角度差，不会重合，从而避免了各路通道之间的信号串扰问题。
多通道空分复用光学谐振光谱的实验测试：
如图6所示，是本发明中3通道空分复用全光纤微球谐振腔光谱探测实验装置图。光源10发出的宽带准直光束11经过聚焦透镜12入射到三通道微球谐振腔中的其中一个高掺锗光波导，入射光在微球4表面形成光学振荡后，部分光重新耦合回高掺锗光波导，其出射光束13经过准直头经14后形成平行光束入射到光谱分析仪15。
如图7所示，图7是本发明中光传输通道一微球谐振腔输出光谱曲线示意图。为光谱分析仪15采集的谐振光谱，在1100nn到1600nm宽光谱范围内形成具有一定自由光谱范围的谐振光谱序列。
如图8所示，是本发明中光传输通道二微球谐振腔输出光谱曲线示意图。采用相同的方法，将入射光束聚焦到另一个通道内，采集谐振光谱，得到相类似的谐振光谱序列。
实验结果验证了表明本发明提出的多通道空分复用微球谐振腔结构的可行性。

Claims (5)

1.一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔，其特征在于，该微球谐振腔由中空微结构光纤和全光纤微球谐振腔两部分组成；其中：所述中空微结构光纤由光纤包层（1）、高掺锗光波导阵列以及用于支撑高掺锗光波导阵列的光波导支撑微管阵列构成，所述光波导支撑微管阵列将掺锗光波导阵列与光纤包层（1）隔离开，所述微球（4）填充在中空微结构光纤内部，与高掺锗光波导阵列相切；入射光沿高掺锗光波导阵列传播到与微球（4）的相切点处，耦合到微球（4）的光在与高掺锗光波导阵列相切的微球赤道面（7）内产生光学振荡，构成多通道空分复用的全光纤微球谐振腔，高掺锗光波导阵列中的各个高掺锗光波导与同一个微球内的不同微球赤道面相切，所述中空微结构光纤包含奇数组光传输通道，每一组光传输通道等角度间隔地分布在光纤包层（1）内壁。
2.如权利要求1所述的一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔，其特征在于，所述微球（4）从二氧化硅微球、有机高分子微球、硅酸盐玻璃微球、高折射率陶瓷微球或低折射率氟化镁微球中择一设置。
3.如权利要求1所述的一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔，其特征在于，每一组所述光传输通道由高掺锗光波导和光波导支撑微管构成。
4.如权利要求1所述的基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔，其特征在于，各个传输通道对应的微球赤道面上产生互不干扰的光学振荡。
5.如权利要求1所述的一种基于空分复用的多通道全光纤微球谐振腔的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、中空微结构光纤制备：将光纤包层、光波导支撑微和高掺锗光波导预制棒有序排列，采用光纤拉制系统拉制出中空微结构光纤；
步骤2、全光纤微球谐振腔制备：将微球（4）分散到高挥发性有机溶剂中，通过的毛细现象将微球填充至中空微结构光纤内部，与高掺锗光波导阵列相切；有机溶剂挥发祛除后，微球保留在中空微结构光纤内部，构成多通道空分复用全光纤微球谐振腔结构。
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