CN111487724B - 在纤透射带通回音壁微腔滤波器及其制作方法 - Google Patents

在纤透射带通回音壁微腔滤波器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在纤透射带通回音壁微腔滤波器及其制作方法，包括在光纤一侧形成的包层平面，在包层平面内开设有凹槽，凹槽包括平行于光纤的第一槽边以及垂直于光纤的两个第二槽边，两个第二槽边相对于垂直于第一槽边中心的第一轴线对称，该凹槽内设置有沿第一轴线对称的两个波导结构，针对每个波导结构，其包括棱柱波导和曲线波导，棱柱波导的底面为梯形且其第一侧面设置在对应的第二槽边上，其与第一侧面平行且较小的第二侧面，与曲线波导的第一端连接；曲线波导的第二端延伸至与该第一槽边连接，两个曲线波导都朝着该第一轴线弯曲；凹槽内还设置有位于两个曲线波导之间的回音壁微腔，波导结构内覆盖有从对应第二槽边延伸出且与该光纤的纤芯连接的纤芯段。

Description

在纤透射带通回音壁微腔滤波器及其制作方法
技术领域
本发明属于滤波器领域，具体涉及一种在纤透射带通回音壁微腔滤波器及其制作方法。
背景技术
窄带带通滤波器是光通信系统光信号滤波去噪不可或缺的器件，也是激光器选择激光波长的关键。基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)和法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)的滤波器的带宽受限于工作原理或者加工工艺，其品质因子通常低于105量级。而采用连续全反射限制光场的回音壁微腔的品质因子可达109量级以上，因此回音壁微腔是实现超窄滤波器理想选择。
现有的基于回音壁微腔的滤波器如图1所示，光信号从端口A1传输至第一拉锥光纤20，由第一拉锥光纤20将光信号耦合传输给回音壁微腔1，当利用回音壁微腔1对该光信号进行带阻滤波时，带阻滤波后的光信号被耦合传输给第一拉锥光纤20，从端口A2输出；当利用回音壁微腔1对光信号进行带通滤波时，带通滤波后的光信号被耦合传输给第二拉锥光纤21，从端口B1输出。从图1可以看出，在实现带通滤波时，光信号从端口A1输入后，只能从端口B1输出，输入输出端口在同一侧，现有带通滤波器无法实现光信号透射；其次，采用拉锥光纤来充当耦合器时，其束腰半径需要被拉制为1μm，拉锥光纤很细，使用时很容易被拉断，并且第一拉锥光纤、第二拉锥光纤和回音壁微腔分离设置，三者之间的位置很容易发生变化，因而现有滤波器的稳定性较差；再者，在使用时要求该第一拉锥光纤、第二拉锥光纤与回音壁微腔之间的间距保持在数百纳米量级，由于三者之间的位置很容易发生变化，因此每次使用时都需要利用超高精密微动装置对三者之间的位置进行调试，并且由于三者分离设置，需要分别对三者进行温控和隔振处理，控制难度较大。
发明内容
本发明提供一种在纤透射带通回音壁微腔滤波器及其制作方法，以解决目前基于回音壁微腔的带通滤波器无法实现光信号透射带通滤波、稳定性较差以及调试和控制难度较大的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种在纤透射带通回音壁微腔滤波器，包括在光纤一侧形成的包层平面，在该包层平面内开设有凹槽，该凹槽包括平行于该光纤的第一槽边以及垂直于该光纤的两个第二槽边，两个第二槽边相对于垂直于第一槽边中心的第一轴线对称且位于该第一槽边的同一侧，该凹槽内设置有沿该第一轴线对称的两个波导结构，针对每个波导结构，其包括棱柱波导和曲线波导，该棱柱波导的底面为梯形且其一底面设置在该凹槽的槽底上，其第一侧面设置在对应的第二槽边上，该棱柱波导中与其第一侧面平行且较小的第二侧面，与该曲线波导的第一端连接，且该棱柱波导的其余两侧面均与该凹槽的槽边间隔设置；
该曲线波导的第二端延伸至与该第一槽边连接，该曲线波导的一底面设置在该凹槽的槽底且侧面与该凹槽的槽边间隔设置，两个曲线波导都朝着该第一轴线弯曲；该凹槽内还设置有回音壁微腔，该回音壁微腔位于两个曲线波导之间、与该两个曲线波导以及该凹槽的槽边间隔设置且其中心竖轴与该第一轴线相交；针对每个波导结构，该波导结构内覆盖有从对应第二槽边延伸出且与该光纤的纤芯连接的纤芯段，该纤芯段延长至对应曲线波导的第一端与第三端之间，该第三端为对应曲线波导上距离该回音壁微腔最近的端点；
在进行带通滤波时，该光纤的一端纤芯中传输的光信号被传输至第一波导结构对应的第一纤芯段，再由该第一纤芯段传输给对应的第一曲线波导，该第一曲线波导将该光信号耦合传输给该回音壁微腔，进入激发回音壁模式，由该回音壁微腔对该光信号进行带通滤波，带通滤波后的光信号耦合传输给第二波导结构中的第二曲线波导，进入收集回音壁模式，该第二曲线波导将带通滤波后的光信号传输给该第二波导结构对应的第二纤芯段，再由该第二纤芯段传输给该光纤的另一端纤芯，从而实现在纤透射带通滤波，其中光信号在通过所述棱柱波导覆盖的纤芯段部分时，由所述棱柱波导降低回音壁模式转换过程中引起的损耗。
在一种可选的实现方式中，该凹槽对应光纤位置处光纤的原有纤芯由该两个纤芯段替代。
在另一种可选的实现方式中，该凹槽内的两个纤芯段由该凹槽所处光纤位置处的纤芯形成，该凹槽对应光纤位置处光纤的原有纤芯依次水平穿过该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导，去除掉该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导未覆盖的原有纤芯，从而在该凹槽内形成该两个纤芯段。
在另一种可选的实现方式中，针对每个纤芯段，该纤芯段的水平中轴线与该棱柱波导的水平中轴线平行或者重合。
在另一种可选的实现方式中，该曲线波导为水平截面为弧线的棱柱，该回音壁微腔的水平截面为环形或圆形。
在另一种可选的实现方式中，该棱柱波导沿该光纤方向的长度越长，回音壁模式转换过程中引起的损耗越低。
在另一种可选的实现方式中，该曲线波导的宽度越小，该波导结构与该回音壁微腔的耦合效率越高。
在另一种可选的实现方式中，该凹槽的槽底与该光纤的纤芯下端相切，该回音壁微腔嵌入至该槽底，以使其发生耦合的有效高度等于光纤纤芯直径。
在另一种可选的实现方式中，该棱柱波导和曲线波导与该光纤的包层材料相同。
本发明还提供一种上述在纤透射带通回音壁微腔滤波器的制作方法，包括以下步骤：
S101、对光纤的一侧的包层进行处理，形成包层平面；
S102、对该包层平面之下的包层进行处理，以在该包层平面上形成该凹槽以及该凹槽内的棱柱波导和曲线波导，其中在形成该棱柱波导和曲线波导时，对其形成位置进行选择，以使该光纤的原有纤芯依次水平穿过该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导，在形成该凹槽以及该凹槽内的棱柱波导和曲线波导的同时，去除掉该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导未覆盖的原有纤芯，从而在该凹槽内形成该两个纤芯段。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在光纤上形成包层平面，再在包层平面上形成的凹槽内形成相对于回音壁微腔对称的两个波导结构并使每个波导结构覆盖分别在对应的纤芯段上，光纤中传输的光信号传输给凹槽内的纤芯段后再传输给第一波导结构中的第一曲线波导，第一曲线波导将光信号耦合传输给回音壁微腔，回音壁微腔对光信号进行带通滤波，带通滤波后的光信号耦合传输给第二波导结构中的第二曲线波导，再由第二曲线波导传输给另一纤芯段，从而传输给光纤的纤芯继续进行传输，由此可以实现透射带通滤波；光信号在波导结构中的棱柱波导覆盖的纤芯段部分传输时，棱柱波导可以降低回音壁模式转换过程中引起的损耗；此外，本发明将波导结构、纤芯段和回音壁微腔形成在光纤上，三者位置关系固定，集成化程度高且稳定性好，在使用时不必对三者位置关系进行调试，且可对三者同时进行温控和隔振处理，控制难度较小；相比于拉锥光纤需要拉伸的长度，本发明的尺寸非常小；
2、本发明在形成波导结构和纤芯段时，直接利用光纤本身的材料，使该波导结构由包层蚀刻形成，纤芯段由原有纤芯蚀刻形成，并且基于本发明带通滤波器的结构，一次蚀刻即可使波导结构和纤芯段成型，因而本发明制作工艺非常简单。
附图说明
图1是传统基于回音壁微腔的带通滤波器的一个实施例结构示意图；
图2是本发明在纤透射带通回音壁微腔滤波器的一个实施例立体图；
图3是图2中包层平面的放大图；
图4是本发明包层平面的一个实施例俯视图；
图5是本发明凹槽内结构的正视图；
图6是图5的A-A视图；
图7是本发明在纤透射带通回音壁微腔滤波器的制作方法的一个实施例示意图；
图8是本发明光纤输出端输出的光信号的光谱图；
图9是光信号通过本发明的传输路径示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图2，为本发明在纤透射带通回音壁微腔滤波器的一个实施例立体图。结合图3至图6所示，该在纤透射带通回音壁微腔滤波器可以包括在光纤10一侧形成的包层平面2，在该包层平面2内开设有凹槽6，该凹槽6包括平行于该光纤10的第一槽边61以及垂直于该光纤10的两个第二槽边62，两个第二槽边62相对于垂直于第一槽边61中心的第一轴线对称且位于该第一槽边61的同一侧，该凹槽6内设置有沿该第一轴线对称的两个波导结构，针对每个波导结构，其包括棱柱波导3和曲线波导4，该棱柱波导3的底面为梯形且其一底面设置在该凹槽6的槽底上，其第一侧面设置在对应的第二槽边62上，该棱柱波导3中与其第一侧面平行且较小的第二侧面，与该曲线波导4的第一端连接，且该棱柱波导3的其余两侧面均与该凹槽6的槽边间隔设置。该曲线波导4的第二端延伸至与该第一槽边61连接，该曲线波导4的一底面设置在该凹槽6的槽底且侧面与该凹槽6的槽边间隔设置，两个曲线波导4都朝着该第一轴线弯曲；该凹槽6内还设置有回音壁微腔1，该回音壁微腔1位于两个曲线波导4之间、与该两个曲线波导4以及该凹槽6的槽边间隔设置且其中心竖轴与该第一轴线相交；针对每个波导结构，该波导结构内覆盖有从对应第二槽边62延伸出且与该光纤10的纤芯11连接的纤芯段5(如图6所示)，该纤芯段5延长至对应曲线波导4的第一端与第三端之间，该第三端为对应曲线波导4上距离该回音壁微腔1最近的端点。
在进行带通滤波时，该光纤10的一端纤芯11中传输的光信号被传输至第一波导结构对应的第一纤芯段5，再由该第一纤芯段5传输给对应的第一曲线波导4，该第一曲线波导4将该光信号耦合传输给该回音壁微腔1，进入激发回音壁模式，由该回音壁微腔1对该光信号进行带通滤波，带通滤波后的光信号耦合传输给第二波导结构中的第二曲线波导4，进入收集回音壁模式，该第二曲线波导4将带通滤波后的光信号传输给该第二波导结构对应的第二纤芯段5，再由该第二纤芯段5传输给该光纤10的另一端纤芯，从而实现在纤透射带通滤波，其中光信号在通过所述棱柱波导3覆盖的纤芯段5部分时，由所述棱柱波导3降低回音壁模式转换过程中引起的损耗。其中，该凹槽6对应光纤10位置处光纤的原有纤芯由该两个纤芯段5替代，该曲线波导4可以为弧形波导。
由上述实施例可见，本发明通过在光纤上形成包层平面，再在包层平面上形成的凹槽内形成相对于回音壁微腔对称的两个波导结构并使每个波导结构覆盖分别在对应的纤芯段上，光纤中传输的光信号传输给凹槽内的纤芯段后再传输给第一波导结构中的第一曲线波导，第一曲线波导将光信号耦合传输给回音壁微腔，回音壁微腔对光信号进行带通滤波，带通滤波后的光信号耦合传输给第二波导结构中的第二曲线波导，再由第二曲线波导传输给另一纤芯段，从而传输给光纤的纤芯继续进行传输，由此可以实现透射带通滤波；光信号在波导结构中的棱柱波导覆盖的纤芯段部分传输时，棱柱波导可以降低回音壁模式转换过程中引起的损耗；此外，本发明将波导结构、纤芯段和回音壁微腔形成在光纤上，三者位置关系固定，集成化程度高且稳定性好，在使用时不必对三者位置关系进行调试，且可对三者同时进行温控和隔振处理，控制难度较小；相比于拉锥光纤需要拉伸的长度，本发明的尺寸非常小。
另外，该凹槽6内的两个纤芯段5由该凹槽6所处光纤位置处的纤芯形成，结合图7所示，该凹槽6对应光纤位置处光纤的原有纤芯(图7中阴影部分)依次水平穿过该第一棱柱波导3、部分第一曲线波导4、部分第二曲线波导4和第二棱柱波导3，(例如采用蚀刻等方式)去除掉该第一棱柱波导3、部分第一曲线波导4、部分第二曲线波导4和第二棱柱波导3未覆盖的原有纤芯，从而在该凹槽6内形成该两个纤芯段5。针对每个纤芯段5，该纤芯段5的水平中轴线与该棱柱波导3的水平中轴线平行或者重合。该棱柱波导3和曲线波导4与该光纤10的包层材料相同。本发明在形成波导结构和纤芯段时，直接利用光纤本身的材料，使该波导结构由包层蚀刻形成，纤芯段由原有纤芯蚀刻形成，并且基于本发明带通滤波器的结构，一次蚀刻即可使波导结构和纤芯段成型，因而本发明制作工艺非常简单。其中，与波导结构、回音壁微腔间隔设置的凹槽的槽边，对应与波导结构、回音壁微腔的形状匹配。
本实施例中，该曲线波导4为水平截面为曲线(例如弧形)的棱柱，该回音壁微腔1为球体，且其水平截面为环形或圆形。该棱柱波导3沿该光纤方向的长度越长，回音壁模式转换过程中引起的损耗越低。该曲线波导4的宽度越小，该波导结构与该回音壁微腔1的耦合效率越高(当曲线波导的宽度为1μm时耦合效率可为100％)。结合图5所示，该凹槽6的槽底与该光纤10的纤芯11下端相切，该回音壁微腔1嵌入至该槽底，以使其发生耦合的有效高度等于光纤纤芯直径。当该回音壁微腔1的水平截面为环形时，该回音壁微腔嵌入至该槽底的深度不超过该光纤的纤芯直径；当该回音壁微腔1的水平截面为圆形时，该回音壁微腔嵌入至槽底的深度则大于该光纤的纤芯直径。回音壁微腔1与曲线波导4之间的最小距离可以为数百纳米，此时波导结构与回音壁微腔的耦合效率最高。本发明整个器件的横向和轴向尺寸对应不超过125μm和250μm，尺寸较小，同时充分发挥了回音壁微腔高品质因子(即超窄带宽)的优势。其中，本专利光纤输出端输出的光信号的光谱图如图8所示，光信号通过本发明在纤透射带通回音壁微腔滤波器的传输路径示意图如图9所示。
本发明还提供一种上述在纤透射带通滤波器的制作方法，包括以下步骤：
S101、(例如采用研磨、抛磨等方式)对光纤的一侧的包层进行处理，形成包层平面；
S102、对该包层平面之下的包层进行处理(例如蚀刻等)，以在该包层平面上形成该凹槽以及该凹槽内的棱柱波导和曲线波导，其中在形成该棱柱波导和曲线波导时，对其形成位置进行选择，以使该光纤的原有纤芯依次水平穿过该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导，在形成该凹槽以及该凹槽内的棱柱波导和曲线波导的同时，(例如采用蚀刻等方式)去除掉该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导未覆盖的原有纤芯，从而在该凹槽内形成该两个纤芯段。
在步骤S102中，在形成该棱柱波导和曲线波导，对其形成位置进行选择时，使该光纤的原有纤芯的水平中轴线与该棱柱波导的水平中轴线重合。由此，本发明通过一次蚀刻即可形成凹槽、波导结构和纤芯段，因而制作工艺非常简单。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。

Claims (10)

1.一种在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，包括在光纤一侧形成的包层平面，在该包层平面内开设有凹槽，该凹槽包括平行于该光纤的第一槽边以及垂直于该光纤的两个第二槽边，两个第二槽边相对于垂直于第一槽边中心的第一轴线对称且位于该第一槽边的同一侧，该凹槽内设置有沿该第一轴线对称的两个波导结构，分别为第一波导结构和第二波导结构，针对每个波导结构，其包括棱柱波导和曲线波导，该棱柱波导的底面为梯形且其一底面设置在该凹槽的槽底上，其第一侧面设置在对应的第二槽边上，该棱柱波导中与其第一侧面平行且较小的第二侧面，与该曲线波导的第一端连接，且该棱柱波导的其余两侧面均与该凹槽的槽边间隔设置，其中该第一波导结构包括第一棱柱波导和第一曲线波导，该第二波导结构包括第二棱柱波导和第二曲线波导；
该曲线波导的第二端延伸至与该第一槽边连接，该曲线波导的一底面设置在该凹槽的槽底且侧面与该凹槽的槽边间隔设置，两个曲线波导都朝着该第一轴线弯曲；该凹槽内还设置有回音壁微腔，该回音壁微腔位于两个曲线波导之间、与该两个曲线波导以及该凹槽的槽边间隔设置且其中心竖轴与该第一轴线相交；针对每个波导结构，该波导结构内覆盖有从对应第二槽边延伸出且与该光纤的纤芯连接的纤芯段，该纤芯段延长至对应曲线波导的第一端与第三端之间，该第三端为对应曲线波导上距离该回音壁微腔最近的端点；
在进行带通滤波时，该光纤的一端纤芯中传输的光信号被传输至第一波导结构对应的第一纤芯段，再由该第一纤芯段传输给对应的第一曲线波导，该第一曲线波导将该光信号耦合传输给该回音壁微腔，进入激发回音壁模式，由该回音壁微腔对该光信号进行带通滤波，带通滤波后的光信号耦合传输给第二波导结构中的第二曲线波导，进入收集回音壁模式，该第二曲线波导将带通滤波后的光信号传输给该第二波导结构对应的第二纤芯段，再由该第二纤芯段传输给该光纤的另一端纤芯，从而实现在纤透射带通滤波，其中光信号在通过所述棱柱波导覆盖的纤芯段部分时，由所述棱柱波导降低回音壁模式转换过程中引起的损耗。
2.根据权利要求1所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，该凹槽对应光纤位置处光纤的原有纤芯由该两个纤芯段替代。
3.根据权利要求2所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，该凹槽内的两个纤芯段由该凹槽所处光纤位置处的纤芯形成，该凹槽对应光纤位置处光纤的原有纤芯依次水平穿过该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导，去除掉该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导未覆盖的原有纤芯，从而在该凹槽内形成该两个纤芯段。
4.根据权利要求3所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，针对每个纤芯段，该纤芯段的水平中轴线与该棱柱波导的水平中轴线平行或者重合。
5.根据权利要求1所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，该曲线波导为水平截面为弧线的棱柱，该回音壁微腔的水平截面为环形或圆形。
6.根据权利要求1所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，该棱柱波导沿该光纤方向的长度越长，回音壁模式转换过程中引起的损耗越低。
7.根据权利要求1所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，该曲线波导的宽度越小，该波导结构与该回音壁微腔的耦合效率越高。
8.根据权利要求1所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，该凹槽的槽底与该光纤的纤芯下端相切，该回音壁微腔嵌入至该槽底，以使其发生耦合的有效高度等于光纤纤芯直径。
9.根据权利要求1所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器，其特征在于，该棱柱波导和曲线波导与该光纤的包层材料相同。
10.一种权利要求1至9中任意一项所述的在纤透射带通回音壁微腔滤波器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、对光纤的一侧的包层进行处理，形成包层平面；
S102、对该包层平面之下的包层进行处理，以在该包层平面上形成该凹槽以及该凹槽内的棱柱波导和曲线波导，其中在形成该棱柱波导和曲线波导时，对其形成位置进行选择，以使该光纤的原有纤芯依次水平穿过该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导，在形成该凹槽以及该凹槽内的棱柱波导和曲线波导的同时，去除掉该第一棱柱波导、部分第一曲线波导、部分第二曲线波导和第二棱柱波导未覆盖的原有纤芯，从而在该凹槽内形成该两个纤芯段。
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