本發(fā)明專利技術(shù)提出一種可調(diào)諧光學(xué)濾波器，包括柱形微腔、耦合波導(dǎo)、位移裝置，其中所述柱形微腔橫截面的尺寸沿縱向緩變，所述耦合波導(dǎo)與柱形微腔的共振模式相互耦合，所述位移裝置能夠沿柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點(diǎn)位置。本發(fā)明專利技術(shù)具有超窄線寬、寬調(diào)諧范圍以及簡(jiǎn)單實(shí)用等優(yōu)勢(shì)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及光學(xué)器件
，具體地說，是一種可調(diào)諧光學(xué)濾波器及應(yīng)用。
技術(shù)介紹
隨著信息社會(huì)的深入發(fā)展，數(shù)據(jù)通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求呈爆發(fā)性增長(zhǎng)。人們對(duì)光纖通信系統(tǒng)性能提出越來越高的要求，光纖通信網(wǎng)正朝全光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。對(duì)于全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要小尺寸、高性能、高穩(wěn)定的光學(xué)器件。而基于光學(xué)微腔的諧振式微型濾波器因可以實(shí)現(xiàn)超窄線寬、全波段的濾波，成為未來高性能微型光學(xué)濾波器的理想選擇。光學(xué)微腔因其極高品質(zhì)因子(Q)的回廊模模式(WGM)，引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注。其中以幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱的微腔的研究最為廣泛，如微球、微盤和平面微環(huán)等。基于光學(xué)微腔的新型光電子器件可以將光強(qiáng)有效約束在微小空間內(nèi)，這為實(shí)現(xiàn)下一代小尺寸、低功耗高速集成光路奠定了基礎(chǔ)。作為集成光學(xué)中熱門的功能器件，柱形(環(huán)形)微腔因?yàn)橹苽涔に嚭?jiǎn)單且易于集成的優(yōu)勢(shì)，在光通信和光學(xué)傳感領(lǐng)域有著眾多的應(yīng)用，是低閾值激光器、窄帶濾波器、放大器、光開關(guān)、光時(shí)延線等器件和系統(tǒng)的核心功能器件。對(duì)于基于微腔的光學(xué)濾波器，其諧振波長(zhǎng)、濾波帶寬和消光比是最為關(guān)鍵的性能參數(shù)。諧振波長(zhǎng)由微腔的形貌尺寸和折射率分布共同決定；濾波帶寬對(duì)應(yīng)于微腔的品質(zhì)因子(Q)，品質(zhì)因子越大，濾波帶寬越小；消光比即諧振深度與耦合方式緊密相關(guān)。錐形光纖因其可實(shí)現(xiàn)與微腔超高效率的耦合，成為理想的耦合波導(dǎo)。對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)諧主要通過控制微腔尺寸或折射率分布來實(shí)現(xiàn)。近年來，多種基于光學(xué)微腔的可調(diào)諧濾波器有相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道，可應(yīng)用于光通信、光學(xué)傳感等眾多領(lǐng)域。諧振式光學(xué)濾波器波長(zhǎng)調(diào)諧可以通過改變腔體尺寸或折射率分布來實(shí)現(xiàn)。在已經(jīng)報(bào)道的成果中，有一種技術(shù)方案采用對(duì)微腔施加壓力的方法，壓力的精確控制通常由復(fù)雜的壓電設(shè)備實(shí)現(xiàn)，對(duì)微腔本身施加壓力后使得微腔發(fā)生彈性形變，這樣諧振波長(zhǎng)變隨著形貌尺寸的變化而改變。通常這類調(diào)諧方案整個(gè)設(shè)備比較復(fù)雜、尺寸較大，并且利用外加壓力的方案實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)諧比較困難。另一種改變微腔尺寸的方法是運(yùn)用化學(xué)腐蝕，利用氫氟酸對(duì)微球外表面腐蝕處理時(shí)，微球尺寸連續(xù)地變小，因而諧振波長(zhǎng)得到調(diào)諧。但該方案不能實(shí)現(xiàn)重復(fù)調(diào)諧，缺乏實(shí)用性。另外，通過改變微腔折射率分布實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧的方案主要是利用材料的電光或熱光效應(yīng)。微腔折射率在電壓或加熱作用下發(fā)生改變，使波長(zhǎng)得到調(diào)諧。采用這類方案的器件易于集成，而且體積小，但它的缺點(diǎn)是調(diào)諧范圍比較小，很難實(shí)現(xiàn)全波段的調(diào)諧。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種調(diào)諧范圍較大、調(diào)諧精度較高的可調(diào)諧光學(xué)濾波器及應(yīng)用。為達(dá)上述目的，本專利技術(shù)提出一種可調(diào)諧光學(xué)濾波器，包括柱形微腔、耦合波導(dǎo)、位移裝置，其中所述柱形微腔橫截面的尺寸沿縱向緩變，所述耦合波導(dǎo)與柱形微腔的共振模式相互耦合，所述位移裝置能夠沿柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點(diǎn)位置。進(jìn)一步，其中所述的柱形微腔的材料是二氧化硅，聚合物，半導(dǎo)體，或光學(xué)晶體。進(jìn)一步，其中所述的柱形微腔的橫截面幾何形狀是圓形，橢圓形，或多邊形。進(jìn)一步，其中所述的耦合波導(dǎo)是錐形光纖，D型光纖，集成波導(dǎo)，或耦合棱鏡。進(jìn)一步，其中所述的柱形微腔的橫向尺寸范圍為I微米 3毫米。進(jìn)一步，其中所述的柱形微腔與耦合波導(dǎo)之間的耦合間距可以調(diào)諧，間距范圍為O 2微米。進(jìn)一步，其中上述耦合波導(dǎo)的數(shù)量為二，且上述兩個(gè)耦合波導(dǎo)對(duì)稱的設(shè)置所述柱形微腔的側(cè)面。可調(diào)諧光學(xué)濾波器在光學(xué)位移傳感器的應(yīng)用，柱形微腔固定在可感知外界位移的自由移動(dòng)平臺(tái)上，外界的位移量使得柱形微腔與耦合波導(dǎo)之間產(chǎn)生相對(duì)位移，柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點(diǎn)位置，使得耦合位置處的微腔直徑發(fā)生改變，共振波長(zhǎng)因此會(huì)改變；根據(jù)已知首先標(biāo)定的共振波長(zhǎng)變化量與位移量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要知道共振波長(zhǎng)的變化量，就能夠推算出位移的大小。本專利技術(shù)利用柱形微腔的諧振頻率依賴形貌尺寸的原理，制備一段形貌尺寸沿縱向緩變的柱形微腔，通過機(jī)械控制耦合波導(dǎo)與緩變柱形微腔的耦合位置移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)諧振波長(zhǎng)的寬帶調(diào)諧，設(shè)計(jì)出全新的光學(xué)可調(diào)諧濾波器。本專利技術(shù)具有如下有益效果:1、該技術(shù)方案具有通用性，適用于多種微腔和耦合波導(dǎo)組合；2、該調(diào)諧方案具有全波段工作和窄線寬濾波等優(yōu)勢(shì)；3、該方案實(shí)施簡(jiǎn)單。附圖說明圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例一的可調(diào)諧光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是二氧化硅柱形微腔的制備原理圖和顯微鏡圖像。圖3是圖1中可調(diào)諧光學(xué)濾波器的測(cè)試裝置的原理圖。圖4是圖1中的柱形微腔的典型透射譜。圖5是圖1中的可調(diào)諧光學(xué)濾波器波長(zhǎng)調(diào)諧結(jié)果示意圖。圖6是本專利技術(shù)實(shí)施例二中的上下載型可調(diào)諧光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本專利技術(shù)另提出的一種光學(xué)位移傳感器的示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例一的可調(diào)諧光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中，柱形微腔的橫截面為圓形。可調(diào)諧光學(xué)濾波器包括柱形微腔1、耦合波導(dǎo)2、位移裝置(圖中未示出)，其中柱形微腔I橫截面的尺寸沿縱向緩變，耦合波導(dǎo)2與柱形微腔I的共振模式相互耦合，位移裝置能夠沿柱形微腔I縱向改變耦合波導(dǎo)I與柱形微腔2之間耦合點(diǎn)位置。光信號(hào)經(jīng)耦合波導(dǎo)耦合進(jìn)入柱形微腔中，激發(fā)回廊模振蕩，其共振波長(zhǎng)滿足:λ=2 Rneff/m,其中，R為柱形微腔的半徑，m為WGM角向量子數(shù)，neff為有效折射率。柱形微腔的共振波長(zhǎng)由柱形微腔橫截面半徑和折射率分布確定，只要保持折射率分布不變，共振波長(zhǎng)對(duì)微腔的形貌尺寸有近似線性的依賴關(guān)系。因此只要連續(xù)地改變柱形微腔橫截面半徑，便可以實(shí)現(xiàn)共振波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)節(jié)。進(jìn)一步，本實(shí)施例中，柱形微腔是一段沿縱向直徑緩變的石英圓柱，耦合波導(dǎo)是錐形光纖，位移裝置是五維位移臺(tái)。柱形微腔固定在位移臺(tái)上，錐形光纖通過夾具固定并與柱形微腔垂直接觸。調(diào)諧過程是調(diào)節(jié)位移臺(tái)移動(dòng)，柱形微腔與錐形光纖之間有相對(duì)位移，錐形光纖與微腔之間耦合點(diǎn)位置相應(yīng)地改變，從而激發(fā)出不同直徑的柱形微腔產(chǎn)生回廊模振蕩，共振波長(zhǎng)得到連續(xù)地調(diào)諧。其中，柱形微腔通過對(duì)石英柱(比如光纖)加熱熔融后拉制獲得。熔拉過程示意如圖2 (a)所示:將一段去掉涂覆層的光纖固定在一對(duì)電機(jī)平臺(tái)上，電機(jī)平臺(tái)通過計(jì)算機(jī)可以精確控制移動(dòng)方向和速度；加熱源使用CO2激光器或者氫焰。控制兩邊電機(jī)平臺(tái)速度比值，可以拉制出各種直徑緩變的柱形微腔。設(shè)置兩邊電機(jī)平臺(tái)同向運(yùn)動(dòng)速度分別為20 μ m/s和40 μ m/s,位移行程分別是IOmm和20mm,過程中火焰寬度穩(wěn)定在約4mm,經(jīng)拉制后光纖直徑緩變區(qū)長(zhǎng)度約2.1mm,粗端直徑即裸光纖直徑為125 μ m,細(xì)端直徑為約86.4 μ m。圖2 (b)為加工后一段直徑漸變的二氧化硅圓柱顯微鏡圖像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論完全相符。耦合波導(dǎo)是直徑為3 μ m的錐形光纖，其制備方法與柱形微腔類似:設(shè)置好電機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)行程，和加熱區(qū)間長(zhǎng)度，就很容易拉制出低損耗(〈0.2dB)的錐形光纖。圖3是圖1中可調(diào)諧光學(xué)濾波器的測(cè)試裝置的原理圖，如圖3所示:測(cè)試用可調(diào)諧激光器作為輸入光源輸入到可調(diào)諧光學(xué)濾波器，經(jīng)濾波作用后的輸出光被光電探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并最終在示波器上顯示出來。示波器顯示出微腔光學(xué)濾波器的透射譜，我們可以測(cè)量出光學(xué)濾波器的透射波長(zhǎng)位置，及其相應(yīng)的線寬值。圖4是圖1中的柱形微腔的典型透射譜。，此時(shí)濾波帶寬為1.5pm (對(duì)應(yīng)微腔Q值為106)，耦合效率大于90% (對(duì)應(yīng)消光比大于10dB本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于，包括柱形微腔、耦合波導(dǎo)、位移裝置，其中所述柱形微腔橫截面的尺寸沿其縱向緩變，所述耦合波導(dǎo)與柱形微腔相互耦合，所述位移裝置能夠沿柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點(diǎn)位置。
【技術(shù)特征摘要】
1.調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于，包括柱形微腔、耦合波導(dǎo)、位移裝置，其中所述柱形微腔橫截面的尺寸沿其縱向緩變，所述耦合波導(dǎo)與柱形微腔相互耦合，所述位移裝置能夠沿柱形微腔縱向改變耦合波導(dǎo)與柱形微腔之間耦合點(diǎn)位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的柱形微腔的材料是二氧化硅，聚合物，半導(dǎo)體，或光學(xué)晶體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的柱形微腔的橫截面幾何形狀是圓形，橢圓形，或多邊形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所示的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的耦合波導(dǎo)是錐形光纖，D型光纖，集成波導(dǎo)，或耦合棱鏡。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征在于:所述的柱形微腔的橫向尺寸范圍為I微米 3毫米...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：宋躍江，陰成龍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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