一种新型的光波导滤波器的制作方法

本实用新型属于光通信领域，具体涉及一种新型的光波导滤波器。

背景技术：

随着人类科技的飞速发展，光通信领域也蓬勃发展。光子无论在传输速度还是信息携带量方面都远胜电子，各种光器件应运而生。光纤以其高容量、高传输速率和低误码率，成为现代社会信息传输的主流载体。特别是多模光纤，相对于单模光纤传输容量大，信息加载量多，用处十分广泛。然而，在特定的光学系统中，需要将多模光纤中的高阶模式去除，甚至只需要单模输出以适应后续光学系统的需求，就需要用到光学滤波器。光学滤波器的基本原理为加大高阶模式的损耗，可采用的方式多种多样，例如通过合理的设计使得高阶模式不满足全反射条件，或者增加高阶模式的传输损耗。

改变芯层和包层之间的折射率差是比较通用的滤波原则，随着折射率差的减小，高阶模式将不满足全反射条件，从而通过包层耗散，折射率差越小，可容纳的模式数越少，最终实现单模输出。对于折射率差的调节，一般是通过改变包层的折射率来实现，然而，无论是利用电光效应还是热效应，折射率差改变的绝对值一般都在0.01量级左右，其调节的动态范围不大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种新型的光波导滤波器，能够大大增加多模光纤芯层和包层之间的折射率差可调范围，通过调节外加电磁场的强度，可以实现多模滤波和单模输出。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种新型的光波导滤波器，该光波导滤波器包括圆柱形石英基板外壳和热封层，所述圆柱形石英基板外壳和热封层构成液晶盒，所述液晶盒内分布有液晶分子，在所述圆柱形石英基板的外表面均沉积有外层ITO层，所述圆柱形石英基板的内表面上均沉积有DMOAP单分子层，所述液晶分子通过DMOAP单分子层的定向作用垂直于圆柱形石英基板外壳排列，所述液晶分子短轴的折射率小于光波导芯层的折射率、液晶分子长轴的折射率高于光波导芯层的折射率，所述液晶盒整体置于电磁场中，所述电磁场调节液晶分子的排列方向， 从而改变光波导和液晶分子之间的折射率差，抑制多模输出，实现单模输出。

在所述圆柱形石英基板的内表面上均沉积有内层ITO层，所述DMOAP单分子层均沉积在内层ITO层上，有利于增加DMOAP单分子层分布的均匀性。

所述液晶分子为向列相或近晶相。

所述电磁场是由电极或者磁极提供。

所述外层ITO层、内层ITO层的厚度均为微米量级。

所述DMOAP单分子层的制备方法为：将60%wt的DMAOP甲醇溶液取5毫升，然后溶解到100毫升去离子水中，形成浸泡液，将圆柱形石英基板外壳在浸泡液中浸没半小时，得到DMOAP单分子层。

一种新型的光波导滤波器在多模光纤滤波中的应用，多模光纤通入液晶盒后，用热封层封口固定，多模光纤通过5%wt的氢氟酸溶液进行各向同性腐蚀，去除包层，多模光纤去除包层的长度小于圆柱形石英基板外壳的长度，使圆柱形石英基板外壳里面的部分能够感受到环境折射率的变化，从而改变多模光纤芯层和液晶分子之间的折射率差，当外加电磁场作用在液晶分子上时，与电磁场方向不平行的液晶分子会发生旋转，所述多模光纤芯层感受到的液晶分子的折射率逐渐从短轴过度到长轴，通过改变外加电磁场的大小，液晶分子的整体排列进行连续调节，直至液晶分子的折射率大于等于多模光纤芯层的折射率，抑制多模输出，实现单模输出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

①本实用新型将液晶分子作用多模光纤的“包层”，多模光纤中感受到的折射率差即为芯层折射率（n_c）和液晶分子的折射率差，是通过调控液晶分子排列实现多模光纤的滤波和单模输出，而对于液晶分子来说，由于棒状形态，存在两个折射率，n_o和n_e，长轴方向折射率n_e和短轴方向折射率n_o两者之间可以相差高达0.2，能够非常有效的实现模式过滤，并且滤波的动态范围极大，在光开关和光通信领域有着极好的应用潜力和前景；②本实用新型整体装置简单明了，结构紧凑，易于制作；通过外加电磁场调节液晶分子的排列方向，控制多模光纤芯层和包层的折射率差，调节动态范围大。

附图说明

图1为本实用新型整体结构的纵剖面示意图。

图2为本实用新型应用于多模光纤时的结构示意图。

图3为图2的A-A视图。

图4为本实用新型光波导滤波原理示意图。

其中：1－多模光纤；2－石英基板外壳；3－热封层；4－液晶分子；5－外层ITO层；6－DMOAP单分子层；7－电磁场、8－内层ITO层。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1和图2所示，本实施例新型的光波导滤波器，该光波导滤波器包括圆柱形石英基板外壳2和热封层3，所述圆柱形石英基板外壳2和热封层3构成液晶盒，所述液晶盒内分布有液晶分子4，在所述圆柱形石英基板2的外表面均沉积有外层ITO层5，所述圆柱形石英基板2的内表面上均沉积有DMOAP单分子层6，所述液晶分子4通过DMOAP单分子层6的定向作用垂直于圆柱形石英基板外壳2排列，所述液晶分子短轴的折射率小于光波导芯层的折射率、液晶分子长轴的折射率高于光波导芯层的折射率，所述液晶盒整体置于电磁场7中，所述电磁场7调节液晶分子4的排列方向， 从而改变光波导和液晶分子之间的折射率差，抑制多模输出，实现单模输出。

作为优选，本实施例在所述圆柱形石英基板2的内表面上均沉积有内层ITO层8，所述DMOAP单分子层6均沉积在内层ITO层8上。

本实施例中液晶分子4为向列相或近晶相。

作为进一步优选，本实施例电磁场是由电极或者磁极提供。

作为更进一步优选，本实施例外层ITO层5、内层ITO层8的厚度均为微米量级。

本实施例中DMOAP单分子层6的制备方法为：将60%wt的DMAOP甲醇溶液取5毫升，然后溶解到100毫升去离子水中，形成浸泡液，将圆柱形石英基板外壳2在浸泡液中浸没半小时，得到DMOAP单分子层6。

如图3所示，本实施例新型的光波导滤波器在多模光纤滤波中的应用，多模光纤1通入液晶盒后，用热封层3封口固定，多模光纤1通过5%wt的氢氟酸溶液进行各向同性腐蚀，去除包层，多模光纤1去除包层的长度小于圆柱形石英基板外壳2的长度，使圆柱形石英基板外壳2里面的部分能够感受到环境折射率的变化，从而改变多模光纤芯层和液晶分子之间的折射率差，当外加电磁场作用在液晶分子上时，与电磁场方向不平行的液晶分子会发生旋转，所述多模光纤芯层感受到的液晶分子的折射率逐渐从短轴过度到长轴，通过改变外加电磁场的大小，液晶分子的整体排列进行连续调节，直至液晶分子的折射率大于等于多模光纤芯层的折射率，抑制多模9输出，实现单模10输出。

决定光波导中传输的模式数多少的一个因素是芯层和包层之间的折射率差，当芯层和包层之间的折射率差较大时，可以存在较多的模式数在芯层传播；随着芯层和包层之间的折射率差减小时，模式数也相应减小，直至实现单模输出。

在实施例中：所述的多模光纤为芯层直径220微米、折射率1.54的商用光纤，所述的圆柱形石英基板是市场上常见的商用产品，所述的热封层是热固化胶，可以通过有机溶液进行擦除，所述的ITO薄膜是铟锡金属氧化物薄膜，所述的DMOAP为商用产品（CAS：27668-52-6）；所述的液晶为向列相液晶，液晶分子通过DMOAP锚定作用和ITO薄膜相接触，并且通过该锚定作用使得液晶分子整体垂直于ITO薄膜表面排列，即整体径向排列。

本实施例中，当没有外加电磁场时液晶分子初始排列为径向排列，光波导感受到的“液晶分子包层”折射率为n_o（短轴折射率），相比n_c（芯层折射率）可小0.1，实现多模输出；当外加电磁场作用在液晶分子上时，与电场或者磁场方向不平行的液晶分子会发生旋转，使得“液晶包层”的折射率增加，从而降低了芯层和包层之间的折射率差，模式数逐渐减少，此时芯层感受到的液晶分子折射率逐渐从短轴过度到长轴，通过改变外加电磁场的大小，可以对液晶分子的整体排列进行连续调节，当外加电磁场足够大时（例如，对于直径为500微米的圆柱形石英基板外壳，只需提供几伏的电压就可以让液晶分子发生明显的转动）。对于多模光纤中的模式而言，其感受到的液晶分子包层折射率从n_o（短轴方向折射率）变为n_e（长轴方向折射率）。以向列相液晶分子的折射率为例，n_o=1.42，n_e=1.62，初始排列时，折射率差为n_c- n_o=0.12，光纤中可以存在多个模式，截止频率很高；而在足够大的电磁场（以电场为例，只需要几个伏特）条件下，n_e＞n_c，光纤中所有模式都无法进行全反射传播，因而只需要通过合理的调节外加电磁场的强度，可以将n_c- n_o逐渐减小，当截止频率满足单模传播条件时（V=2.405）就可以实现单模输出。由于液晶长轴和短轴之间的折射率差可以达到0.2，完全可以使得“液晶包层”的折射率在足够大的电磁场作用下超过芯层的折射率，也就说明了必然存在合适的电磁场强度使光波导实现单模输出。原理上来说，因为外加电磁场的强度可以控制的非常精确，n_c- n_o的数值也可以控制地非常精确，甚至可以实现光纤中小于任意阶数m（m应不大于在最大折射率差n_c- n_o条件下光纤中允许存在的模式阶数上限）的模式进行传播，过滤大于任意阶数m的模式，从而实现精准的模式调节。

尽管上述实施例已对本实用新型作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本实用新型的精神以及范围之内基于本实用新型公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本实用新型的精神以及范围之内。