CN112904480A - 一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器及其应用，该管状滤光器包括呈管状的滤光器主体，以及布置在滤光器主体上的若干组周期性孔洞结构，相邻两组周期性孔洞结构沿滤光器主体长度方向间隔设置，并形成位于两相邻周期性孔洞结构之间的周期性结构空缺，每组周期性孔洞结构由沿长度方向的n行周期性孔洞单元，其中，n为大于等于2的整数，每行周期性孔洞单元由若干围绕滤光器主体的截面圆心呈中心对称的单元孔洞组成。本发明可以在较大的波长范围内实现高Q值的单一波长筛选，且通过同一器件可实现筛选单一波长和多个波长之间的转换，其在集成光学及微纳光学元件领域有重要应用前景。
Description
技术领域
本发明属于集成光学、微纳光学元器件技术领域，涉及一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器及其应用。
背景技术
光学微腔因其可以过滤和限制特定波长的光，因而在基础理论研究和实际应用上如光电子学、集成光学、光通讯、光计算等领域具有重要的应用前景(Nature 2003,421,925.)。在管状光学微腔中，光在管壁/介质界面处发生全反射，满足一定条件时，入射光可以在环状截面中传播并于自身干涉形成稳定的驻波，这种模式被称为回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)。在这种光学谐振模式下，只有特定波长的光能在微腔中传播，相应的波长称为谐振波长(Adv.Opt.Photonics 2015,7,168.)。
在光学选模和滤波领域，传统的方法是采用法布里-玻罗腔(Fabry–PérotMicroresonator)进行波长筛选，这种方法能实现较高的品质因子(Q值)，但由于其腔体较大，难以集成，限制了其应用(Chin.Opt.Lett.2016,14,112302)。研究表明，回音壁模式微腔具有Q值高、模式体积小和稳定性好等优点，有利于集成，因此在集成光学领域有重要的应用意义(IEEE Photon.Technol.Lett.2020,32,71)。对于回音壁模式微腔腔，实现单一波长筛选的方法通常为利用两个尺寸匹配的微腔的组合，根据游标效应(Vernier Effect)，只在两个微腔均满足谐振条件时产生谐振，其他波长的谐振被抑制，因此可实现单一波长的筛选，但是这种方式的难以调节，且制备工艺较为复杂(Nano Lett.2019,19,1098)。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器及其应用，结合回音壁模式微腔和和分布式反馈效应实现对单一波长的高Q值筛选。通过对其周期性结构进行设计，可实现对筛选波长的调节。同时，这一管状滤光器可在同一结构上可实现筛选单一波长和多个波长的转换，在集成光学方面有很好的应用前景。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，包括呈管状的滤光器主体，以及布置在滤光器主体上的若干组周期性孔洞结构，相邻两组周期性孔洞结构沿滤光器主体长度方向间隔设置，并形成位于两相邻周期性孔洞结构之间的周期性结构空缺，每组周期性孔洞结构由沿长度方向的n行周期性孔洞单元，其中，n为大于等于2的整数，每行周期性孔洞单元由若干围绕滤光器主体的截面圆心呈中心对称的单元孔洞组成。
进一步的，所述的滤光器主体的外径为1-50μm，长度为5-200μm。
进一步的，每行周期性孔洞单元中所含有的单元孔洞的数量为10-50个。
进一步的，所述的单元孔洞呈矩形，其边长为200-2000nm。
进一步的，所述周期性结构空缺沿滤光器主体长度方向的宽度为0.5-5μm。
进一步的，相邻两行周期性孔洞单元沿滤光器主体长度方向的间距为100-2000nm。
本发明的技术方案之二提供了一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器的应用，将该管状滤光器用于筛选特定的波长。
进一步的，使用时，沿垂直于滤光器主体长度方向，将信号输入光纤连接于滤光器主体一侧，信号输出光纤则与滤光器主体相对的另一侧相切，以引出谐振的光信号，实现特定波长的筛选。
更进一步的，当信号输出光纤、信号输入光纤与滤光器主体的连接点位于周期性结构空缺处时，可实现在大于100nm波长范围内的单个波长筛选；
当信号输出光纤、信号输入光纤与滤光器主体的连接点位于滤光器主体两侧且无周期性结构空缺的位置时，可实现筛选得到多个波长。
进一步的，该管状滤光器的工作波长为300-2000nm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)方法设计的管状滤光器器件，其工作的波长范围为300-2000nm。相关理论模拟计算结果表明，利用本发明方法设计的管状滤光器，可以在较大的波长范围内实现单一波长的筛选，且通过同一器件可实现筛选单一波长和多个波长之间的转换。该管状滤光器器件可实现宽谱可调的单一波长筛选，在集成光学领域有重要应用前景。
(2)本发明的方法可实现宽谱可调的单一波长筛选。
(3)本发明可实现筛选单一波长和多个波长之间的转换，器件灵活度高。
附图说明
图1为本发明的滤光器的结构示意图；
图2为该滤光器的使用示意图；
图3为实现较大波长范围内单一波长筛选的模拟结果；
图4为不同截面内孔洞数量下，所筛选波长发生变化的模拟结果；
图5为不同耦合位置下，实现筛选单一波长和多个波长转换的模拟结果；
图中标号：
1-周期性结构空缺，2-单元孔洞，3-滤光器主体，4-信号输入光纤，5-信号输出光纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面先对本发明的管状滤光器进行详细说明。
本发明提供了一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，其结构参见图1所示，包括呈管状的滤光器主体3，以及布置在滤光器主体3上的若干组周期性孔洞结构，相邻两组周期性孔洞结构沿滤光器主体3长度方向间隔设置，并形成位于两相邻周期性孔洞结构之间的周期性结构空缺1，每组周期性孔洞结构由沿长度方向的n行周期性孔洞单元，其中，n为大于等于2的整数，每行周期性孔洞单元由若干围绕滤光器主体3的截面圆心呈中心对称的单元孔洞2组成。
在一些实施方式中，该管状滤光器由由激光直写技术获得，具体的，激光直写技术为本领域现有技术(Lab Chip 2016,16,4406.)。
在一些实施方式中，所述的滤光器主体3的外径为1-50μm，长度为5-200μm。
在一些实施方式中，每行周期性孔洞单元中所含有的单元孔洞2的数量为10-50个。
在一些实施方式中，所述的单元孔洞2呈矩形，其边长为200-2000nm。
在一些实施方式中，所述周期性结构空缺1沿滤光器主体3长度方向的宽度为0.5-5μm。
在一些实施方式中，相邻两行周期性孔洞单元沿滤光器主体3长度方向的间距为100-2000nm。
下面继续对具有周期性孔洞结构的管状滤光器的应用方法进行说明。
本发明还提供了一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器的应用，将该管状滤光器用于筛选特定的波长。具体工作原理为：具体原理为：管状滤光器的周期性孔洞结构可对管内支持的WGM发生模式耦合，实现对特定WGM的选择和其他WGM的削弱，从而达到对特定波长进行筛选的目的。通过改变周期性孔洞结构的参数，周期性结构对WGM的选择效应相应改变，从而可实现对所筛选的波长的调控。通过对光纤与管状滤光器耦合位置的改变，因耦合截面的结构发生变化，可实现筛选单一波长和多个波长之间的转换。
在一些实施方式中，使用时，沿垂直于滤光器主体3长度方向，将信号输入光纤4连接于滤光器主体3一侧，信号输出光纤5则与滤光器主体3相对的另一侧相切，以引出谐振的光信号，实现特定波长的筛选。
更进一步的，通过对光纤与管状滤光器耦合位置的改变，可实现筛选单一波长和多个波长之间的转换。具体为，当信号输出光纤5、信号输入光纤4与滤光器主体3的连接点位于周期性结构空缺1处时，可实现在较大波长范围(具体的，其为大于100nm)内的单个波长筛选；
当信号输出光纤5、信号输入光纤4与滤光器主体3的连接点位于滤光器主体3两侧(即除周期性结构空缺1和周期性孔洞结构以外的其余位置)时，可实现筛选得到多个波长。
在一些实施方式中，该管状滤光器的工作波长为300-2000nm。具体的，通过改变周期性孔洞结构的参数，可对所选波长进行调控。具体的，主要对包括单个孔洞的边长和每行中含有的孔洞数量等进行调控，其他参数保持不变时，增大单个孔洞边长或增加每行中含有的孔洞数量时，所选波长发生蓝移。
在一些实施方式中，通过对光纤与管状滤光器耦合位置的改变，可实现筛选单一波长和多个波长之间的转换。光纤与管状滤光器两侧无周期结构处耦合时，可筛选得到分立的多个波长；光纤与管状滤光器周期结构空缺处耦合时，可筛选得到单个波长。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1
利用该管状滤光器实现单一波长的筛选
(1)利用激光直写技术制备具有周期性孔洞结构的管状滤光器，参见图1所示，该管状滤光器包括呈管状的滤光器主体3，以及布置在滤光器主体3上的两组周期性孔洞结构，两组周期性孔洞结构沿滤光器主体3长度方向间隔设置，并形成位于两相邻周期性孔洞结构之间的周期性结构空缺1，每组周期性孔洞结构由沿长度方向的2行周期性孔洞单元，每行周期性孔洞单元由36个围绕滤光器主体3的截面圆心呈中心对称的单元孔洞2组成，单元孔洞2呈正方形，其边长为700nm，管状滤光器的外径为12.62μm，长度为10μm，周期性结构空缺沿滤光器主体长度方向的宽度为1.5μm，相邻两行周期性孔洞单元沿滤光器主体长度方向的间距为400nm。
(2)利用光纤耦合系统，实现单一波长的筛选。具体可参见图2所示，使光纤系统耦合截面为管状结构的周期性结构空缺1处，将信号输入光纤4置于滤光器主体3一侧，并使信号输出光纤5在滤光器主体3另一侧与其相切，以引出谐振的光信号。(3)可得到在较大范围内的单一波长筛选，模拟结果如图3所示。所筛选模式的Q值高于5000。
实施例2
参考实施例1，改变截面内孔洞的数量，对所筛选单一波长进行调控。
(1)利用激光直写技术制备截面内孔洞数量不同的管状滤光器，具体的，管状滤光器上每行周期性孔洞单元分别由36，37和38个孔洞组成，孔洞呈正方形，其边长为720nm，管状滤光器外径为12.62μm，长度为10μm。
(2)利用光纤耦合系统，对每个管状滤光器分别进行测试。具体可参见图2所示，使光纤系统耦合截面为管状结构的周期性结构空缺1处，将信号输入光纤4置于滤光器一侧，并使信号输出光纤5在滤光器另一侧与其相切，以引出谐振的光信号。
(3)透射光谱显示，改变截面内孔洞数量可使所筛选的单一波长发生移动，模拟结果如图4所示。且其他条件相同时，截面内孔洞越多，所筛选的单一波长相对蓝移越明显。
(4)计算得到，所筛选模式的Q值均高于5000，证明该管状滤光器可筛选得到具有较高的Q值的单一模式。
实施例3
改变光纤与管状滤光器耦合的相对位置，实现筛选单一波长和多个波长之间的转换
(1)参考实施例1，利用激光直写技术制备具有周期结构的管状滤光器。
(2)利用光纤耦合系统，实现单一波长筛选。具体可参见图2所示，使光纤系统耦合截面为管状结构的周期性结构空缺1处，将信号输入光纤4置于滤光器一侧，并使信号输出光纤5在滤光器另一侧与其相切，以引出谐振的光信号。
(3)透射光谱显示，此时滤光器筛选得到单一波长(图5)。
(4)继续利用光纤耦合系统，实现多个波长筛选。移动管状滤光器，控制光纤系统耦合截面为管状结构两侧的无周期性结构空缺1处。
(5)透射光谱显示，此时滤光器筛选得到分立的多个波长(图5)。
(6)通过该管状滤光器，可在同一器件中实现筛选单一波长和多个波长的转换，模拟结果如图5所示。
以上各实施例中，所制备的管状滤光器的直径可以在1-50μm，长度也可以在5-200μm内根据实际情况进行调整，另外，周期性结构空缺沿滤光器主体长度方向的宽度可以在0.5-5μm内调整，相邻两行周期性孔洞单元沿滤光器主体长度方向的间距也可以在100-2000nm内调整，一般保证周期性结构空缺的宽度比相邻两行周期性孔洞单元间距要款，滤光器的周期性孔洞结构在截面内的数量可在10-50之间调整，单个孔洞边长也可在200-2000nm之间改变。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，其特征在于，包括呈管状的滤光器主体，以及布置在滤光器主体上的若干组周期性孔洞结构，相邻两组周期性孔洞结构沿滤光器主体长度方向间隔设置，并形成位于两相邻周期性孔洞结构之间的周期性结构空缺，每组周期性孔洞结构由沿长度方向的n行周期性孔洞单元，其中，n为大于等于2的整数，每行周期性孔洞单元由若干围绕滤光器主体的截面圆心呈中心对称的单元孔洞组成。
2.根据权利要求1所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，其特征在于，所述的滤光器主体的外径为1-50μm，长度为5-200μm。
3.根据权利要求1所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，其特征在于，每行周期性孔洞单元中所含有的单元孔洞的数量为10-50个。
4.根据权利要求1所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，其特征在于，所述的单元孔洞呈矩形，其边长为200-2000nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，其特征在于，所述周期性结构空缺沿滤光器主体长度方向的宽度为0.5-5μm。
6.根据权利要求1所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器，其特征在于，相邻两行周期性孔洞单元沿滤光器主体长度方向的间距为100-2000nm。
7.如权利要求1-6任一所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器的应用，其特征在于，将该管状滤光器用于筛选特定的波长。
8.根据权利要求7所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器的应用，其特征在于，使用时，沿垂直于滤光器主体长度方向，将信号输入光纤连接于滤光器主体一侧，信号输出光纤则与滤光器主体相对的另一侧相切，以引出谐振的光信号，实现特定波长的筛选。
9.根据权利要求8所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器的应用，其特征在于，当信号输出光纤、信号输入光纤与滤光器主体的连接点位于周期性结构空缺处时，可实现在大于100nm波长范围内的单个波长筛选；
当信号输出光纤、信号输入光纤与滤光器主体的连接点位于滤光器主体两侧且无周期性结构空缺的位置时，可实现筛选得到多个波长。
10.根据权利要求7所述的一种具有周期性孔洞结构的管状滤光器的应用，其特征在于，该管状滤光器的工作波长为300-2000nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210604 |
|
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