一种微腔耦合系统的制备方法和微波光子滤波器与流程

本发明涉及微纳光学器件技术领域，具体涉及一种微腔耦合系统的制备方法和微波光子滤波器。

背景技术：

传统的微波光子滤波器大多数是基于光纤非线性效应，如参量放大以及频率转移等来实现的。受限于光纤器件的结构与性能，这类微波光子滤波器带宽大多数仍不够窄。近些年来，由于光学微腔理论上具有极高的品质因子，更容易得到极窄线宽的光学模式，基于微腔结构的光学器件引起了广泛的关注，因此也出现了许多基于微腔结构的微波光子滤波器。相较于传统的微波光子滤波器，基于微腔结构的微波光子滤波器具有结构简单轻便，更易于实现小型化集成的特点；同时由于微腔结构具有极高的品质因子以及良好的热调谐与电调谐能力，基于微腔结构的微波光子滤波器能够实现更窄的滤波带宽以及具有更好的可调谐性与可重构性。目前常用的微腔结构有微环腔、光子晶体腔、微盘腔以及微球腔等，其主要是利用这些微腔的回音壁模式进行光域上的信号处理从而实现微波光子滤波器的功能。微腔的品质因子(q值)决定了谐振模式的线宽进而影响滤波器的带宽；自由光谱范围(fsr)反应了两相邻模式的间隔大小进而决定了滤波器的频率调谐能力。因此微腔的品质因子、自由光谱范围成为决定滤波器性能的重要指标参数。liuy等人曾在论文“tunablemegahertzbandwidthmicrowavephotonicnotchfilterbasedonasilicamicrospherecavity,”opt.lett.41(21),5078-5081(2016)中提出基于微球腔的高q值实现极窄线宽的微波光子滤波器功能。但是由于加工工艺的困难、材料损耗的限制、耦合条件的苛刻，目前微腔的q值难以进一步提高，因此大部分基于微腔滤波器的带宽仍处于吉赫兹ghz级别，抑制比也无法稳定的达到较高水平，加工制作过程也较为复杂。因此，行业内急需研发一种基于微腔的高抑制比、超窄带宽、低复杂性与高稳定性的微波光子滤波器，其将在微波光子信号处理领域具有重要的实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种微腔耦合系统的制备方法。

本发明的另一目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种微波光子滤波器。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种微腔耦合系统的制备方法，包括：

s1，通过微光纤拉锥装置拉制一根锥区直径为10-20微米的第一锥形光纤，将第一锥形光纤从中间截断，得到尖端直径为10-20微米的光纤尖锥203；

s2，通过微光纤拉锥装置拉制一根用于微腔耦合的第二锥形光纤，所述第二锥形光纤为单模状态；

s3，利用二氧化碳激光加工装置使第一锥形光纤的光纤尖锥熔融并在表面张力的作用下形成微球结构3101；

s4，将所述微球结构3101以过耦合方式贴合在第二锥形光纤的锥区3102，得到微腔耦合系统310。

在本实施例，所述微光纤拉锥装置包括dfb激光器101、电位移平台107、两个相同的电位移滑块102、两个同的第一光纤夹具103、数据采集卡110、第一计算机109、电位移平台控制器108和用于对单模光纤进行加热的氢氧焰高温喷枪106；其中所述两个电位移滑块102安装在电位移平台107的导轨上，所述两个电位移滑块102在电位移平台控制器108的控制下沿导轨移动，所述电位移滑块102与电位移平台控制器108相连；每个电位仪滑块上102均安装有一个光纤夹具；氢氧焰高温喷枪106安装在电位移平台107上且位于两个电位移滑块102之间；待拉锥的单模光纤用第一光纤夹具103固定；待拉锥的单模光纤104一端接dfb激光器101，另一端接数据采集卡110，数据采集卡110还与第一计算机109相连。

在本实施例，步骤s1包括：将待拉锥的单模光纤放置于光纤拉锥台上，并用第一光纤夹具103固定；把氢氧焰高温喷枪106放置在两光纤夹具的中心位置，并对单模光纤进行加热；在计算机108处输入电位移滑块的移动距离，电位移平台控制器108接受第一计算机109的移动指令后，控制电位移滑块102移动进行光纤的拉锥，得到尖端直径为10-20微米的光纤尖锥203。

在本实施例，步骤s2还包括：数据采集卡110实时监测单模光纤104的输出功率的变化；当数据采集卡110监测到单模光纤104的输出为单模时，得到第二锥形光纤。

在本实施例，所述二氧化碳激光加工装置包括激光挡板201、第二光纤夹具202、ccd204，三维调节架205、硒化锌透镜206、氦氖激光器207、第二计算机208、二氧化碳激光器209；第二光纤夹具202固定在三维调节架205上，氦氖激光器207用于对二氧化碳激光器209输出的二氧化碳激光进行校准和定位，硒化锌透镜206用于对二氧化碳激光进行聚焦，激光挡板201用于接收透过的激光，ccd和第二计算机208连接，ccd用于监控微球的形状。

在本实施例，步骤s3包括：将光纤尖锥203尾端的光纤固定在第二光纤夹具202上，调节三维调节架205使激光光斑位于光纤尖锥203的尖端；调节激光功率以及微调光纤尖锥的位置，使光纤尖锥熔融；熔融的光纤尖锥便能够在表面张力的作用下形成微球结构3101。

在本实施例，所述光纤尖锥203的尖端直径为10-20微米。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种微波光子滤波器，包括：可调谐激光器301、矢量网络分析仪302、偏振控制器303、dp-mzm304、正交混频器305、射频放大器306、掺铒光纤放大器307、可调谐光衰减器308、上述的微腔耦合系统310、光谱分析仪309和光电探测器311；可调谐激光器301发出的窄线宽光载波经过偏振控制器303后，由dp-mzm304调制成双边带光波，双边带光波经过掺铒光纤放大器307进行放大后，通过可调节光衰减器308控制进入微腔耦合系统310的双边带光波的光功率；微腔耦合系统310输出的光信号分为两路，一路进入用于实时监测光信号的边带信息的光谱分析仪309，另一路通过光电探测器311后进入用于监测光信号的射频谱的vna302；同时vna302输出射频信号，输出的射频信号经过射频放大器306后通过正交混频器305加载到dp-mzm304上，实现边带的调制。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

(1)本方案的微腔耦合系统制备工艺简单，加工成本低，制作效率较高，重复性较强。在将单模光纤尖锥加工成光纤微球腔的方案中，只需要改变光纤尖锥的直径，合理控制激光器的功率以及焦点位置就能够加工出具有极高品质因子的微球腔。这相较于传统的片上波导刻蚀加工而言，极大的简化了操作的复杂度，而且由于微球腔结构的本征特性，较大的提高微腔的品质因子。同时在加工过程中，由于ccd的监测，能够实时的监测和调节加工工艺。

(2)本方案的微腔耦合系统稳定性高，抗外界干扰能力强。在微球腔微球结构3101的耦合中，采取的是粘合式过耦合的方法，耦合时微腔和锥形光纤紧密的吸附在一起，这种方法在一定程度上会引入一些损耗，但是由于微球腔本身极高的品质因子，这部分损耗影响并不大，于此同时粘合的牢固的耦合方法会使整个耦合系统更加稳定，对外界环境扰动的免疫能力更强。

(3)本方案的微波光子滤波器具有超窄的滤波带宽15mhz，超高的带外抑制比>55db，较宽的频率调谐范围0-10ghz。由低损耗低色散单模光纤加工成的微球腔具有极高的品质因子，确保了该滤波器具有超窄的滤波带宽。同时适当的选取微球的尺寸，可以合理优化谐振模式的自由光谱范围，提高滤波器频率调谐范围。最后通过基于dp-mzm的特殊边带调制技术极大的改善了滤波器的抑制比。原本由于微腔和锥形光纤的过耦合的方式，微腔的光学模式的消光比变得较小，通过特殊边带处理技术，使得通过pd光电转换时将边带信号实现rf上的相互抵消，从而极大的提高滤波器的抑制比。

附图说明

图1是本发明的微腔耦合系统的制备方法的流程示意图。

图2是本发明的微光纤拉锥装置的结构示意图。

图3是本发明的二氧化碳激光加工装置的结构示意图。

图4是本发明的微波光子滤波器的结构示意图。

图5是本发明的微波光子滤波器的带宽与抑制比的测试结果图。

图6为本发明的微波光子滤波器的调谐能力的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、一种微腔耦合系统的制备方法，包括：

s1，通过微光纤拉锥装置拉制一根锥区直径为10-20微米的第一锥形光纤，将第一锥形光纤从中间截断，得到尖端直径为10-20微米的光纤尖锥203；参见图2，所述微光纤拉锥装置包括dfb激光器101，电位移平台107、两个相同的电位移滑块102、两个同的第一光纤夹具103、数据采集卡110、第一计算机109、电位移平台控制器108和用于对单模光纤进行加热的氢氧焰高温喷枪106；其中所述两个电位移滑块102安装在电位移平台107的导轨上，所述两个电位移滑块102在电位移平台控制器108的控制下沿导轨移动，所述电位移滑块102与电位移平台控制器108相连；每个电位仪滑块上102均安装有一个光纤夹具；氢氧焰高温喷枪106安装在电位移平台107上且位于两个电位移滑块102之间；待拉锥的单模光纤用第一光纤夹具103固定；待拉锥的单模光纤104一端接dfb激光器101，另一端接数据采集卡110，数据采集卡110还与第一计算机109相连。所述光纤尖锥203的尖端直径为15微米。

在本实施例，通过光纤切割刀或者刀片将第一锥形光纤从中间截断，得到尖端直径为10-20微米的光纤尖锥203；

在本实施例，步骤s1包括：

将待拉锥的单模光纤放置于光纤拉锥台上，并用第一光纤夹具103固定；

把氢氧焰高温喷枪106放置在两光纤夹具的中心位置，并对单模光纤进行加热；

在计算机108处输入电位移滑块的移动距离，电位移平台控制器108接受第一计算机109的移动指令后，控制电位移滑块102移动进行光纤的拉锥，得到尖端直径为10-20微米的光纤尖锥203。

s2，通过微光纤拉锥装置拉制一根用于微腔耦合的第二锥形光纤，所述第二锥形光纤为单模状态；在本实施例，步骤s2还包括：数据采集卡110实时监测单模光纤104的输出功率的变化；当数据采集卡110监测到单模光纤104的输出为单模时，得到第二锥形光纤。第二锥形光纤的锥区3102直径1微米左右，损耗小于10％。

s3，利用二氧化碳激光加工装置使第一锥形光纤的光纤尖锥熔融并在表面张力的作用下形成微球结构3101；参见图3，所述二氧化碳激光加工装置包括激光挡板201，第二光纤夹具202，ccd204，三维调节架205，硒化锌透镜206，氦氖激光器207，第二计算机208，二氧化碳激光器209；第二光纤夹具202固定在三维调节架205上，氦氖激光器207用于对二氧化碳激光器209输出的二氧化碳激光进行校准和定位，硒化锌透镜206用于对二氧化碳激光进行聚焦，激光挡板201用于接收透过的激光，ccd和第二计算机208连接，ccd用于监控微球的形状。

在本实施例，步骤s3包括：

将光纤尖锥203尾端的光纤固定在第二光纤夹具202上，调节三维调节架205使激光光斑位于光纤尖锥203的尖端；

调节激光功率以及微调光纤尖锥的位置，使光纤尖锥熔融；

熔融的光纤尖锥便能够在表面张力的作用下形成微球结构3101。通过改变光纤尖锥203的直径以及激光焦点的位置便能够控制微球的尺寸以及球形。

s4，将所述微球结构3101以过耦合方式贴合在第二锥形光纤的锥区3102，得到微腔耦合系统310。由于微球结构3101的超高本征q值，即使微腔耦合系统310处于过耦合状态仍具有较高的q值。最后将微腔耦合系统310接入信号处理系统，形成下述的微波光子滤波器，通过dp-mzm实现两个边带幅度和相位的任意调控，当两个边带幅度的差值等于谐振模式的消光比，相位相差±π时能够实现信号的完全抵消，从而极大的提高了微波光子滤波器的抑制比。

参见图4-6、基于上述微腔耦合系统的一种微波光子滤波器，包括：可调谐激光器301，矢量网络分析仪302，偏振控制器303，dp-mzm304，正交混频器305，射频放大器306，掺铒光纤放大器307，可调谐光衰减器308，微腔耦合系统310，光谱分析仪309，光电探测器311；可调谐激光器301发出的窄线宽光载波经过偏振控制器303后，由dp-mzm双平行马赫-曾德尔调制器304调制成双边带光波，双边带光波经过掺铒光纤放大器307进行放大后，通过可调节光衰减器308控制进入微腔耦合系统310的双边带光波的光功率；微腔耦合系统310输出的光信号分为两路，一路进入用于实时监测光信号的边带信息的光谱分析仪309，另一路通过光电探测器311后进入用于监测光信号的射频谱的vna302；同时vna302输出射频信号，输出的射频信号经过射频放大器306后通过正交混频器305加载到dp-mzm304上，实现边带的调制。

在本实施例，微波光子滤波器的工作原理为，首先调节第二锥形光纤的耦合位置使微球结构3101处于粘合的过耦合状态并且拥有较为纯净的光谱，得到微腔耦合系统310。然后通过光纤熔接机将微腔耦合系统310的输入端和可调节光衰减器308的输出端连接，将微腔耦合系统310的输出端和光谱分析仪309的输入端、光电探测器311的输入端均连接；接着通过调节可调谐光衰减器308，控制微腔耦合系统310的输入功率，减小微腔耦合系统310热效应造成的影响，并通过调节偏振控制器303得到纯净且高q值的光学模式；最后通过调节dp-mzm304的三个偏置电压使得通过光电探测器311后的两个边带能够完全抵消，在矢量网络分析仪302上能够观察到实现的超高抑制比的微波信号，同时能够通过光谱分析仪309实时监测两个边带的变化，方便进行实时反馈调节。

如图5所示，本实施例的陷波滤波器的带宽为15mhz，其抑制比为56db，综合考虑滤波器的带宽以及抑制比，这是目前所知同类滤波器中性能最优秀的。图6反应了该滤波器0-10ghz范围内的调谐能力，可以看出该滤波器在10ghz范围内具有良好的调谐能力，其滤波器的性能也能够保持稳定。

本发明实施例中光纤拉锥装置可以拉制不同尺寸的的微光纤以便制作不同直径尺寸的光纤尖锥，此方法不受限制于单模光纤的直径与材料，可较为方便的制作不同尺寸以及不同材料的光纤尖锥，进而能够加工出不同直径与材料的品质因子极高的的微球腔。此方案极大减下微腔加工工艺的复杂性；同时由于加工的微球腔带有光纤柄，相较于片上器件更易于进行后续的各种操作。另外此方案，微腔耦合时采用的锥形光纤进行粘合式的过耦合方式进行耦合。一方面这种耦合方式相较于片上波导器件的光纤透镜耦合，棱镜耦合或者光栅耦合而言，更容易操作耦合效率也更高；另一方面这种耦合方式锥形光纤和微腔粘合在一起，空气扰动不会造成太大的影响，耦合系统也会更加稳定。最后此方案还通过基于dp-mzm的特殊边带调制方案来提高滤波器的抑制比，该方法相较于片上结构的优化设计更为成熟稳定且容易操作。此为除去本方案选取的实施例微球结构3101，基于光纤的微瓶腔，微泡腔，微管腔，微环腔同样可以适用该方案。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。