一種基於微納光纖的溫控可調諧光纖濾波器及其製作方法與流程

2023-04-25 23:32:36 2

本發明所屬光纖技術及光學濾波技術領域，特別涉及一種基於微納光纖的溫控可調諧光纖濾波器及其製作方法。

背景技術：

光濾波器是一種波長選擇器件，它僅允許光信號中特定的波長或頻率成分通過，而其他波長成分則會被極大地衰減。根據濾波特性的不同，光濾波器可以分為固定波長濾波器和可調諧濾波器兩種。固定波長濾波器允許一個固定的、預先確定的波長通過，而可調諧濾波器則可以動態選擇通過的波長或帶寬。由於具有波長可調諧、濾波範圍寬、插入損耗低且易於與其他光學器件連接等優點，可調諧光纖濾波器近年來已成為一種關鍵的基本光學元件，在光纖通信、光譜測試、光纖傳感和光纖雷射器等領域得到了廣泛的應用。

目前技術比較成熟的可調諧光纖濾波器主要有以下幾種：薄膜光濾波器型、法布裡-珀羅腔型（F-P）、聲光可調濾波器型、色散體光柵型和光纖光柵型。其中，F-P可調諧光纖濾波器是當前研究最多、應用最廣泛的一種光濾波器。F-P可調諧濾波器是建立在法布裡－珀羅幹涉儀的基礎上，主要由壓電陶瓷、光纖、自聚焦透鏡和高反射鏡等組成。壓電陶瓷在掃描電壓的驅動下會產生機械形變，從而改變F-P幹涉儀的腔長，使透過F-P腔的光波長發生變化。

F-P可調諧濾波器具有自由光譜範圍寬、精細度高、調諧速度快、功耗低等諸多優點。但是，由於壓電陶瓷具有遲滯性、非線性及零點漂移現象，導致F-P可調諧濾波器的穩定性和重複性較差。通常還需要額外的波長標準儀來進一步校準，系統結構較為複雜。此外，F-P幹涉儀對反射鏡的表面平整度、鍍膜精度、鏡面反射率及兩鏡面間的平行度要求都很高，光學加工難度較大。

技術實現要素：

本發明提出一種穩定性高、重複性好且無光路耦合環節的基於微納光纖波導耦合效應的基於微納光纖的溫控可調諧光纖濾波器及其製作方法。

本發明的目的是這樣實現的，一種基於微納光纖的溫控可調諧光纖濾波器，其特徵是：至少包括：微納光纖和平板光波導，所述的微納光纖由單模光纖通過熔融拉錐工藝製成兩端直徑不變，中間為微納量級的腰區結構，細腰區長度至少大於或等於平板光波導的長度，將微納光纖與平板光波導通過光學膠黏貼製成波導耦合結構。

所述的微納光纖與平板光波導通過光學膠黏貼在玻璃基底上。

所述的微納光纖與平板光波導通過光學膠粘合在一起，光學膠將微納光纖的細腰區完全包裹起來。

所述的微納光纖與平板光波導通過光學膠包裹在一起，固定在溫控腔體內。

一種基於微納光纖的溫控可調諧光纖濾波器的製作方法，其特徵是：至少包括如下步驟：

通過熔融拉錐工藝將單模光纖拉錐到微納量級，形成帶尾纖的微納光纖，控制微納光纖的拉錐長度，得到具有不同腰區直徑的微納光纖；

將製得微納光纖的腰區置於在平板光波導上，並控制微納光纖與平板光波導之間的耦合間距使其形成弱波導耦合結構；

將步驟中得到的耦合結構整體固定在玻璃基底，並採用低折射率的光學膠將微納光纖與平板波導耦合結構完全封裝起來；

待光學膠固化後，將製得的耦合結構密封在溫控腔體內。

所述的溫控腔體的溫控採用半導體溫度控制晶片、熱敏電阻以及溫度自動控制電路；通過實時檢測熱敏電阻得到溫度反饋值，產生半導體溫度控制晶片的控制電流信號，調節半導體溫度控制晶片的工作電流方向及大小，對濾波器進行加熱或製冷。

所述耦合間距為0.2μm。

所述平板光波導材料為聚甲基丙烯酸甲酯，長寬厚分別為10mm×5mm×0.02mm，此厚度下光纖濾波器的自由光譜為100nm。

所述微納光纖的腰區直徑為2μm。

所述光學膠為矽凝膠，折射率為1.40。

附圖說明

下面結合實施例附圖對本發明作進一步說明：

圖1光纖濾波器結構示意圖；

圖2 濾波器的光譜傳輸示意圖；

圖3溫控可調諧濾波器的封裝圖；

圖4溫度變化時，濾波器的帶阻波長發生變化。

圖中，1、微納光纖；2、平板光波導； 3、單模光纖；4、光學膠；5、玻璃基底；6、溫控腔體；ds為平板波導厚度。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，一種基於微納光纖的溫控可調諧光纖濾波器，至少包括：微納光纖1和平板光波導2，所述的微納光纖1由單模光纖3通過熔融拉錐工藝製成兩端直徑不變，中間為微納量級的腰區結構，細腰區長度至少大於或等於平板光波導2的長度，將微納光纖1與平板光波導2通過光學膠4黏貼製成波導耦合結構。

微納光纖1與平板光波導2通過光學膠4黏貼在玻璃基底5上。

微納光纖1與平板光波導2通過光學膠4粘合在一起，光學膠4將微納光纖的細腰區完全包裹起來。

光通過微納光纖1時，一定比例的光能量將會轉移到光纖表面附近的區域以倐逝場形式傳播，此時，將平板光波導2與微納光纖1靠近接觸，平板光波導2就會處於微納光纖1的倐逝場中，兩波導的模場將產生交疊。

在特定波長處（稱為諧振波長），兩波導傳輸模式的傳播常數相等時，波導間就會發生強烈的能量交換，微納光纖1的光能量將會衰減至最低並全部轉移到平板光波導2中，從而在該波長處實現帶阻濾波功能。

而在其他波長處，兩波導間弱耦合或不耦合，光能量繼續留在微納光纖1中無損耗傳輸，實現帶通濾波功能。

諧振波長的值與濾波器的結構參數（包括微納光纖1、平板光波導2以及光學膠4的折射率和幾何尺寸等）有關。圖1中的ds為平板波導厚度。

如圖3和圖4所示，當外界溫度發生變化時，由於熱光和熱膨脹效應，濾波器的結構參數會改變，從而引起諧振波長變化，即通過濾波器的光波長發生變化。因此，微納光纖1與平板光波導2通過光學膠4包裹在一起，固定在溫控腔體6內，溫控腔體6通過溫度控制可以動態選擇通過或阻止的波長或帶寬，實現波長可調諧濾波的功能。

需要指出的是，與基於F-P幹涉儀的光纖濾波器相似，本發明提出的這種濾波器其輸出光譜為周期性的諧振譜。諧振譜的周期（FSR）取決於平板光波導2的厚度。

平板光波導2越薄，FSR越大。FSR直接決定了光纖濾波器的自由光譜範圍。因此，控制平板光波導2的厚度就可以改變該光纖濾波器的自由光譜範圍。

一種基於微納光纖的溫控可調諧光纖濾波器的製作方法，至少包括如下步驟：

通過熔融拉錐工藝將單模光纖3拉錐到微納量級，形成帶尾纖的微納光纖1，控制微納光纖1的拉錐長度，就可以得到具有不同腰區直徑的微納光纖1。作為本發明的優選實例，所述微納光纖1的腰區直徑約2μm。

將製得微納光纖1的腰區置於在平板光波導2上，並控制微納光纖1與平板光波導2之間的耦合間距使其形成弱波導耦合結構。

作為本發明的優選實例，所述耦合間距約0.2μm，所述平板光波導2材料為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），長寬厚分別為10mm×5mm×0.02mm，此厚度下光纖濾波器的自由光譜為100nm。

將步驟中得到的耦合結構整體固定在玻璃基底5，並採用低折射率的光學膠4將微納光纖1與平板波導耦合結構完全封裝起來。

作為本發明的優選實例，所述光學膠4為矽凝膠，折射率為1.40。

待光學膠4固化後，將製得的耦合結構密封在溫控腔體6內。

作為本發明的優選實例，溫控腔體6的溫控採用半導體溫度控制晶片（TEC）、熱敏電阻以及溫度自動控制電路，屬於公知技術，這裡不做詳細描述。通過實時檢測熱敏電阻得到溫度反饋值，產生TEC片的控制電流信號，調節TEC的工作電流方向及大小，對濾波器進行加熱或製冷，並達到所要求的溫度值。通過溫控腔體6可以改變光纖濾波器的工作溫度，從而調諧濾波器的帶阻或帶通光譜範圍。

本發明的可實現的參數：

自由光譜範圍：100nm；

光譜精細度：200；

半帶寬：0.5nm;

插入損耗：1dB;

溫度控制範圍：15-45℃。