[发明专利]可调谐光学滤波器及应用

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体地说，是一种可调谐光学滤波器及应用。

背景技术

随着信息社会的深入发展，数据通信对网络带宽的需求呈爆发性增长。人们对光纤通信系统性能提出越来越高的要求，光纤通信网正朝全光网络方向发展。对于全光网络的实现需要小尺寸、高性能、高稳定的光学器件。而基于光学微腔的谐振式微型滤波器因可以实现超窄线宽、全波段的滤波，成为未来高性能微型光学滤波器的理想选择。

光学微腔因其极高品质因子（Q）的回廊模模式（WGM），引起人们的强烈关注。其中以几何结构对称的微腔的研究最为广泛，如微球、微盘和平面微环等。基于光学微腔的新型光电子器件可以将光强有效约束在微小空间内，这为实现下一代小尺寸、低功耗高速集成光路奠定了基础。作为集成光学中热门的功能器件，柱形(环形)微腔因为制备工艺简单且易于集成的优势，在光通信和光学传感领域有着众多的应用，是低阈值激光器、窄带滤波器、放大器、光开关、光时延线等器件和系统的核心功能器件。

对于基于微腔的光学滤波器，其谐振波长、滤波带宽和消光比是最为关键的性能参数。谐振波长由微腔的形貌尺寸和折射率分布共同决定；滤波带宽对应于微腔的品质因子（Q）,品质因子越大，滤波带宽越小；消光比即谐振深度与耦合方式紧密相关。锥形光纤因其可实现与微腔超高效率的耦合，成为理想的耦合波导。对波长的调谐主要通过控制微腔尺寸或折射率分布来实现。近年来，多种基于光学微腔的可调谐滤波器有相关实验报道，可应用于光通信、光学传感等众多领域。

谐振式光学滤波器波长调谐可以通过改变腔体尺寸或折射率分布来实现。在已经报道的成果中，有一种技术方案采用对微腔施加压力的方法，压力的精确控制通常由复杂的压电设备实现，对微腔本身施加压力后使得微腔发生弹性形变，这样谐振波长变随着形貌尺寸的变化而改变。通常这类调谐方案整个设备比较复杂、尺寸较大，并且利用外加压力的方案实现大范围调谐比较困难。另一种改变微腔尺寸的方法是运用化学腐蚀,利用氢氟酸对微球外表面腐蚀处理时，微球尺寸连续地变小，因而谐振波长得到调谐。但该方案不能实现重复调谐，缺乏实用性。另外，通过改变微腔折射率分布实现波长调谐的方案主要是利用材料的电光或热光效应。微腔折射率在电压或加热作用下发生改变，使波长得到调谐。采用这类方案的器件易于集成，而且体积小，但它的缺点是调谐范围比较小，很难实现全波段的调谐。

发明内容本发明的目的在于提供一种调谐范围较大、调谐精度较高的可调谐光学滤波器及应用。

为达上述目的，本发明提出一种可调谐光学滤波器，包括柱形微腔、耦合波导、位移装置，其中所述柱形微腔横截面的尺寸沿纵向缓变，所述耦合波导与柱形微腔的共振模式相互耦合，所述位移装置能够沿柱形微腔纵向改变耦合波导与柱形微腔之间耦合点位置。

进一步，其中所述的柱形微腔的材料是二氧化硅，聚合物，半导体，或光学晶体。

进一步，其中所述的柱形微腔的横截面几何形状是圆形，椭圆形，或多边形。

进一步，其中所述的耦合波导是锥形光纤，D型光纤，集成波导，或耦合棱镜。

进一步，其中所述的柱形微腔的横向尺寸范围为1微米～3毫米。

进一步，其中所述的柱形微腔与耦合波导之间的耦合间距可以调谐，间距范围为0～2微米。

进一步，其中上述耦合波导的数量为二，且上述两个耦合波导对称的设置所述柱形微腔的侧面。

可调谐光学滤波器在光学位移传感器的应用，柱形微腔固定在可感知外界位移的自由移动平台上，外界的位移量使得柱形微腔与耦合波导之间产生相对位移，柱形微腔纵向改变耦合波导与柱形微腔之间耦合点位置，使得耦合位置处的微腔直径发生改变，共振波长因此会改变；根据已知首先标定的共振波长变化量与位移量之间的对应关系，只要知道共振波长的变化量，就能够推算出位移的大小。

本发明利用柱形微腔的谐振频率依赖形貌尺寸的原理，制备一段形貌尺寸沿纵向缓变的柱形微腔，通过机械控制耦合波导与缓变柱形微腔的耦合位置移动，从而实现谐振波长的宽带调谐，设计出全新的光学可调谐滤波器。

本发明具有如下有益效果：

1、该技术方案具有通用性，适用于多种微腔和耦合波导组合；

2、该调谐方案具有全波段工作和窄线宽滤波等优势；

3、该方案实施简单。

附图说明

图1是本发明实施例一的可调谐光学滤波器的结构示意图。

图2是二氧化硅柱形微腔的制备原理图和显微镜图像。

图3是图1中可调谐光学滤波器的测试装置的原理图。