一種基于選擇性填充的類雙芯光子晶體光纖可調諧濾波器的制造方法
【專利摘要】一種基于選擇性填充的類雙芯光子晶體光纖可調諧濾波器，其特征在于通過在固芯光子晶體光纖包層空氣孔中填充高折射率液體得到一種類雙芯結構，在液體柱和石英纖芯區域構成兩個波導，在滿足折射率匹配耦合條件時能夠實現從纖芯到液柱的光場能量耦合，進而在透射光譜中產生一系列的諧振峰。該裝置可應用于多波段可調諧濾波、波分復用/解復用、多參量同時感測以及矢量傳感等領域。與以往報道的基于液體填充的光子晶體光纖濾波器相比，本發明具有對外界參量的感測范圍廣、在多個波段同時存在具有不同溫度和應力特性的諧振峰、良好的諧振波長線性調諧度等特點，并具有諧振波長調諧速率高、調諧范圍寬、插入損耗低、實現方式簡便、光譜穩定性高等優點。
【專利說明】一種基于選擇性填充的類雙芯光子晶體光纖可調諧濾波器
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖通信和光纖傳感【技術領域】，涉及光子晶體光纖的選擇性填充，得到一類雙芯光子晶體光纖可調諧濾波器。該濾波器的主要特點在于工作波長范圍廣、波長調諧速快、調諧手段簡便易行，此外該結構在波分復用/解復用、多參量同時感測以及光纖矢量傳感等領域也具有很好的潛在應用價值。
【背景技術】
[0002]光子晶體光纖(Photonics Crystal Fiber, PCF)又稱微結構光纖(Microstructured Optical Fiber,M0F),是基于光子晶體理論提出的一類新型光纖。由于其光纖截面存在周期性的空氣微孔，與傳統光纖相比，其結構設計更為靈活，且具有傳統光纖無法比擬的無截止單模傳輸、大模場尺寸/小模場尺寸、高非線性以及色散可控等一系列新奇的光學特性，近年來成為光纖光學領域的研究熱點，極大地促進了光纖通信和光纖傳感領域的發展和進步。
[0003]光子晶體光纖根據其導光機理可分為兩類:折射率引導型和光子帶隙引導型。折射率引導型是纖芯折射率大于包層折射率的一類光纖，其傳導機制類似于傳統光纖，是由全內反射形成波導，被廣泛應用于色散控制、非線性光學、多芯光纖、有源光纖器件和光纖傳感等領域。光子帶隙引導型是利用光子帶隙效應把光場束縛在比包層折射率低的纖芯內傳播的一類光纖，可用于高功率導光等。本發明中使用的光子晶體光纖屬于上述第一類光纖，即折射率引導型光纖，其光場能量能被很好地限制在光纖纖芯中傳播。通過對其次近鄰包層中的一個空氣微孔進行選擇性填充高折射率液體，不會改變光在纖芯中的傳輸方式,此外由于液體折射率遠高于光纖基底折射率，因此液體柱也能形成一個光學波導,且同樣具有折射率引導型的導光機制，因此通過上述選擇性填充過程固芯光子晶體光纖會轉變為同時具有固芯和液芯的類雙芯光子晶體光纖，其與常規的雙芯光子晶體光纖傳導特性的不同之處在于由于液體對光的吸收作用，在滿足折射率匹配耦合條件下其透射光譜會在多個波段同時出現耦合諧振峰。
[0004]隨著光纖通信技術和光纖傳感技術的迅速發展，波分復用(WDM)技術被廣泛使用，而光纖濾波器是波分復用系統中的關鍵器件之一。在光纖傳感網絡中，可調諧濾波器可用于WDM的解復用和信號解調等，具有極其重要的作用，此外可調諧濾波器還可用于半導體激光器或光纖激光器中的腔反射鏡和窄帶濾波、光放大器中的噪聲抑制、波長選擇器、波長轉換器以及色散補償器等，近年來可調諧光纖濾波器一直是光纖光學領域的研究熱點之一，如聲、光、電致可調諧濾波器等。目前為止已報道的可調諧光纖濾波器普遍存在波長調諧速率較慢、調諧范圍窄、調諧線性度較差等問題。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是解決現有可調諧光纖濾波器普遍存在波長調諧速率較慢、調諧范圍窄、調諧線性度較差等問題，提供一種基于選擇性填充的類雙芯光子晶體光纖可調諧濾波器，通過控制光纖的環境溫度和施加于光纖上的應力可實現調諧濾波功能。該濾波器可在多波段同時工作，具有波長調諧速率高、調諧范圍廣以及光譜穩定性高等優點，可用于對溫度、應力等參量的同時感測。
[0006]本發明提供的基于選擇性填充的類雙芯光子晶體光纖可調諧濾波器的實現手段是，對固芯光子晶體光纖(PCF)次近鄰包層的一個空氣微孔選擇性填充高折射率液體，形成兼具液體柱和石英柱波導的類雙芯光子晶體光纖結構；在滿足折射率匹配耦合條件(Δ ^=^r^2=0, βρ @2分別為纖芯和液柱中模式的傳輸常數)的情況下，這種光纖在多個波段同時具有多組不同溫度、應力特性的諧振峰，能夠實現基于溫度或應變調諧的可調諧濾波，也能夠應用于對溫度、應力等外界參量的同時感測。
[0007]本發明所使用的PCF基底材料為純石英，包層空氣孔形狀為圓形，直徑為3.67微米，相鄰空氣孔的間距為6.36微米，且按六角形網格狀排列；纖芯位于六角形網格的結點處，同時位于所述PCF截面的幾何中心區域。
[0008]這種新型光纖結構的工作原理如下:基于全內反射原理，在光子晶體光纖纖芯中可同時傳輸LPtll基模和LP11高階模，但與纖芯基模相比，纖芯LP11高階模式的能量很弱，可以忽略，因此僅考慮纖芯基模的作用。由于填充液體的折射率遠大于石英基底的折射率，即滿足全內反射傳輸條件，因此在液體柱區域能夠激起多個局域化包層模式。理論計算表明液柱區域存在包括UV、LPn、LP02, LP31和LP21等系列模式。比較光纖纖芯基模和液柱中的局域化包層模式的色散曲線可以發現，能夠滿足折射率匹配耦合條件的包層模式只有LPc^LP31和LP21模式，并且在三個波段理論上存在數個諧振耦合峰。由于來源于纖芯基模和不同高階液柱模式之間的諧振耦合，這些諧振峰對溫度、應力等參量具有不同的傳感特性，利用這一特點可以實現基于類雙芯光子晶體光纖的溫度/應力調諧的光纖濾波器，也可將其應用于對溫度、應力等外界參量的同時感測。
[0009]實驗研究結果表明在800nnTl400nm的波長范圍內可以獲得4個諧振耦合峰，且各諧振波長的位置及溫度靈敏度與理`論計算符合。與已有報道的其它類型可調諧光纖濾波器相比，這種基于類雙芯PCF的可調濾波器具有調諧速率快、調諧范圍寬、插入損耗小、實現方式簡便、穩定性高以及多波段濾波等優良特性。
[0010]本發明的優點和有益效果:
該濾波器的波長調諧范圍非常廣，可達lOOnm，并隨觀測條件改善還可進一步提高；且調諧線性度很高，光譜穩定性好。能夠實現基于溫度、應力調諧的高靈敏度光學濾波和對溫度、應力的外界參量的同時感測。
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【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明中光子晶體光纖截面的結構示意圖，其中黑色標注為選擇性填充液體的空氣微孔，即在光子晶體光纖次近鄰空氣孔包層中選擇其中一個微孔進行填充。該光纖的結構參數為Λ =6.36微米，d=3.67微米。
[0013]圖2為理論計算得到的25.0°C時光纖纖芯和液柱區域各階模式色散曲線以及液柱附近局域化包層模式的模場分布圖。
[0014]圖3為本發明中選擇性填充后的類雙芯光子晶體光纖在25.0° C時的透射光譜圖。
[0015]圖4為本發明中類雙芯光子晶體光纖在不同溫度下的光譜圖，其中(a)是溫度分別為25° C、30° C、35° C、40° C時的透射光譜圖；(b)是各諧振峰波長隨溫度變化的線性擬合圖。
[0016]圖5為本發明的類雙芯光子晶體光纖在不同應力下的透射光譜圖，(a)為光纖軸向應力分別為0.41376N、0.51176N、.0.60976N、0.70776N時的透射光譜圖；(b)為各諧振峰波長隨應力變化的線性擬合圖。
[0017]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步i兌明。
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【具體實施方式】
[0019]本發明通過對固芯光子晶體光纖(PCF)次近鄰包層的一個空氣微孔選擇性填充折射率為1.52的溫敏液體，如Cargille Labs公司生產的標準折射率匹配液，實現類雙芯光子晶體光纖結構；在滿足折射率匹配耦合條件的情況下，這種光纖在多個波段同時具有多組不同溫度、應力特性的諧振峰。與以往報道的基于液體填充的光子晶體光纖濾波器相比，本發明具有對外界參量的感測范圍廣、在多個波段同時存在具有不同溫度和應力特性的諧振峰、良好的諧振波長線性調諧度等特點，并具有諧振波長調諧速率高、調諧范圍寬、插入損耗低、實現方式簡便、光譜穩定性高等優點。
[0020]本發明所用光子晶體光纖包層由石英構成的基底材料上按六角對稱形網格結構排列的空氣孔形成，空氣孔為圓形，直徑在微米量級，光纖纖芯由石英柱形成，位于六角形網格的結點上，同時位于所述光子晶體光纖的幾何中心區域。填充后的光纖結構特征在于光纖纖芯區域能夠存在LPtll基模和LP11高階模式，液柱區域能夠存在多個包層模式，包括基模和一些高階模式，光場能量能夠通過諧振耦合效應從光纖纖芯耦合到液柱中傳播，由于纖芯中LP11高階模式的能量很低，且其與液柱中各階模式的耦合強度很低，因此在滿足折射率匹配耦合條件的前提之下，諧振耦合主要發生在纖芯基模和液柱中的某些特定模式之間。
[0021]圖1為本發明中光子晶體光纖截面的結構示意圖，其中黑色標注為選擇性填充液體的空氣微孔，即在光子晶體光纖次近鄰空氣孔包層中選擇其中一個微孔進行填充。該光纖的結構參數為Λ =6.36微米，d=3.67微米。在光纖纖芯和液體填充的微孔處分別缺失一個空氣孔使其由單固芯光子晶體光纖轉變為兼具石英纖芯和液芯的類雙芯光子晶體光纖，光場能量能夠在兩芯之間相互稱合傳播。不同于傳統雙芯光子晶體光纖，類雙芯光子晶體光纖的光場能量在石英纖芯和液芯的耦合過程中由于液體對光的吸收作用而存在透射損耗，在特定的波長下呈現不同的模式耦合作用，進而產生具有不同傳感特性的諧振耦合峰。
[0022]圖2為理論計算得到的25.0°C時光纖纖芯和液柱區域各階模式色散曲線以及液柱附近局域化包層模式的模場分布圖。圖2(a)中液芯區域的LPtll基模和LP11高階模式在800nnTl400nm的波長范圍內不能與纖芯LPtll基模發生耦合，而滿足折射率匹配耦合條件的更高階LP02、LP31和LP21模式分別能與纖芯基模在919.13nm、1212.42nm、1262.95nm和1279.52nm附近發生諧振耦合并在透射光譜中出現相應的諧振峰。圖2(b)為液芯區域各階模式的模場分布圖。[0023]圖3為本發明中選擇性填充后的類雙芯光子晶體光纖在25.0° C時的透射光譜圖。在考慮實際填充標準折射率液體液折射率和理論模擬參數存在差異的前提下，對比圖2和圖3可以發現實驗結果與理論分析相符，并且諧振峰分布于多個波段。
[0024]圖4為本發明中類雙芯光子晶體光纖在不同溫度下的透射光譜圖，圖4(a)是溫度分別為25° C、30° C、35° C、40° C時的透射光譜圖。由圖4(a)可以看到，溫度升高時上述諧振峰波長均發生藍移。線性擬合結果表明各諧振波長均具有很高的溫度靈敏度，且由于不同波段諧振峰來源于纖芯基模與液芯區域不同高階模式間的耦合，其溫度靈敏度之間存在一定的差異但均具有很好的線性響應。
[0025]圖5為本發明的類雙芯光子晶體光纖在不同應力下的透射光譜圖。由圖5(a)可以看到隨著應力增加，諧振峰波長出現紅移。線性擬合結果表明同樣由于不同波段的諧振峰來源于纖芯基模與液芯區域不同高階模式間的耦合，各諧振波長具有不同的應力靈敏度。
[0026]理論計算和實驗結果表明，本發明提供的基于選擇性填充的多波段可調諧光子晶體光纖濾波器具有很高的調諧速率，且其調諧范圍寬、穩定性好、諧振波長對溫度和應力呈現不同的傳感特性，此外由于各諧振峰源于纖芯基模與液柱區域不同的高階模式間的耦合，因此其在對于外界參量同時感測方面具有潛在的應用價值。
【權利要求】
1.一種基于選擇性填充的類雙芯光子晶體光纖可調諧濾波器，其特征在于通過對固芯光子晶體光纖(PCF)次近鄰包層的一個空氣微孔選擇性填充高折射率液體，實現類雙芯光子晶體光纖結構；在滿足折射率匹配耦合條件時，即Λ ^=^r^2=0, β ρ β 2分別為纖芯和液柱中模式的傳輸常數，這種光纖在多個波段同時具有多組不同溫度、應力特性的諧振峰，能夠實現基于溫度或應變調諧的可調諧濾波。
2.根據權利要求1所述的可調諧濾波器，其特征在于所使用的PCF基底材料為純石英，包層空氣孔形狀為圓形，直徑為3.67微米，相鄰空氣孔的間距為6.36微米，且按六角形網格狀排列；纖芯位于六角形網格的結點處，同時位于所述PCF截面的幾何中心區域。
3.根據權利要求1所述的可調諧濾波器，其特征在于在多個波段同時具有多組不同溫度、應力特性的諧振峰，能夠應用于對溫度、應力參量的同時感測。
4.根據權利要求1所述的可調諧濾波器，其特征在于所述可調諧濾波器透射光譜中出現的諧振峰是纖芯模式和液柱模式之間諧振耦合作用的結果，且在不同波段能夠同時出現具有不同溫度、應變特性的多組諧振峰，因此基于波長解調能夠實現基于溫度、應力調諧的高靈敏度光學濾波和對溫度、應力參量的同時感測。
5.根據權利要求1所述的可調諧濾波器，其特征在于該濾波器的波長調諧范圍非常廣，且調諧線性度很高，光譜`穩定性好。
【文檔編號】G02B6/02GK103605187SQ201310629687
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】張昊, 劉波, 楊春雪, 梁鵠, 苗銀萍, 王志, 劉艷格 申請人:南開大學