一种低插入损耗的可调光纤法布里珀罗滤波器

本发明涉及一种光纤通讯系统和光纤传感系统中使用的光器件，特别涉及一种低插入损耗的可调光纤法布里珀罗滤波器。

背景技术：

1、光纤法布里珀罗(fabry-perot,fp)滤波器是一种十分重要的光学器件，它在光纤通讯系统和光纤传感系统领域具有广泛的应用，如光通讯中光性能监测、光噪声的滤除，波分复用系统中通道的选择和锁定，以及激光光源的波长调谐；光纤传感领域中的波长解调和光谱分析等。

2、光纤法布里珀罗滤波器由一对端面镀有高反膜的光纤以及两个高反膜形成的法布里珀罗腔构成。法布里珀罗滤波器工作的基本原理是多光束干涉，当腔长为半波长的整数倍时，相应波长对应的光场满足法玻腔的谐振条件，具有最大的透射率；调整光纤法布里珀罗微腔的参数，如腔体的几何长度以及腔内介质的折射率便可调整法布里珀罗腔对应的谐振波长，从而改变其透射特性。

3、光纤法布里珀罗滤波器的性能可以用自由光谱区范围(free spectral range,fsr)、精细度(finess,f)、带宽(半高宽频率带宽、full width half maximum,fwhm)以及峰值透射率(插入损耗)来描述。其中自由光谱范围为相邻峰值透射的频率间隔，对于法布里珀罗滤波器有fsr＝c/2nl,c为真空光速,n为法布里珀罗腔内部介质折射率,l为法布里珀罗腔长；精细度反映了法珀腔透射曲线的精细程度，其由腔内损耗κ决定，有f＝2π/κ；带宽反映了滤波器的调制速度，一般有对于法玻腔一般有：fwhm＝fsr/f；峰值透射率反映了滤波器的插入损耗，对于光纤法布里珀罗系统而言有t＝4t1*t2*η1*η2/κ2,(在db单位下峰值透射率为t(db)＝10logt，插入损耗＝-t(db)＝-10logt(db)),其中t1、t2分别为两端镜的透射率，η1、η2分别为腔模与两光纤支持模式的耦合效率。

4、要想得到高f数、低插入损耗的法布里珀罗腔滤波器，控制腔内损耗κ以及控制腔模与光纤模式的耦合效率η1(η2)都是十分重要的。腔内损耗除了两端镜的透射率t1、t2外，还主要包括光纤径向、角度偏移造成的损耗，以及光纤端面、镀膜不理想造成的损耗；腔模与光纤模式的耦合效率η1(η2)反映了腔体出射模式与光纤模式的空间上的重叠程度，腔体出射模式的具体形状由腔体的几何形状以及腔内折射率分布决定，光纤径向、角度便移也会对腔模与光纤模式的耦合效率造成一定的影响。总的来说要想得到高f数、低插入损耗的法布里珀罗腔需要精确控制光纤之间、光纤与腔体的对准，减少镀膜损耗，以及合理设计腔体结构。

5、常见的光纤精确对准方法是借助光纤陶瓷芯来实现的，一般将两根光纤同时插入同一个陶瓷芯，或者将两根光纤分别插入不同的陶瓷芯，两陶瓷芯再利用光纤法兰对准；低损耗高反镀膜一般通过表面沉积介质或者半导体布拉格光栅来实现；常用可得到高耦合效率的光纤法布里珀罗滤波器的腔体结构有三种(如图3)，一种是在同一根光纤的两平面端分别镀上高反膜(图3a)，一种是分别在光纤的平面端镀上高反膜并在两光纤中间加入一段波导结构(图3b)，另一种是直接在一根或者两根光纤端面引入凹面结构并分别镀上高反膜(图3c)。上述三种结构有不同的使用范围：图3a所示结构适用于腔体较长的结构，其一般腔长在1～2cm,对应自由光谱范围小于10ghz；图3b结构其腔长一般在1mm以上，对应自由光谱范围小于100ghz；图3c所示结构腔长一般在20μm及以下的，对应于自由光谱范围为大于7.5thz。本文主要研究的是图3c所示结构，主要应用范围是一些需要宽自由光谱范围的领域，如光纤传感领域的波长的解调和光谱分析、制备可调单频或少频激光器、充当更高性能的窄带滤波器等。

6、现在常用的平凹或者凹凹结构光纤法布里珀罗滤波器的凹面结构一般是利用带细小硬质颗粒的软研磨板对光纤端面进行机械研磨，利用这种方法制备的凹面一般面型粗糙度不高，且面型曲率半径不方便调节，此外制备过程需要高精度的定位以使凹面加工在光纤纤芯范围以及让凹面圆心位于纤芯中轴延长线上，以使得制备的腔体出射模式的传播方向与光纤模式的传播方向一致从而提高耦合效率。

7、在上述背景下，本发明提出一种通过湿法腐蚀结合加热回流或物理刻蚀方法在磨平处理后的光纤纤芯处直接加工出尺寸为0.8-2倍纤芯直径、曲率半径可调节的球形凹面，基于此可以方便地构建不同腔长(20μm及以下)情况下低插入损耗的可调光纤法布里珀罗微腔滤波器。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有机械研磨制备凹面光纤fp腔镜存在的面型粗糙度不高、定位难度大、曲率半径不方便调节的问题，提出一种加工凹面法布里珀罗腔镜的方法，用来构建高f数、低插入损耗的可调光纤法布里珀罗滤波器。

2、为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、本发明公开了一种低插入损耗的可调光纤法布里珀罗滤波器，包括两根相对的光纤，在两根光纤相对的两个端面的两个纤芯处制备的凹面，附着在两根光纤相对的两个端面上的低损高反射层，设有用于夹持固定两根光纤的通孔，且用于对准两个光纤及纤芯凹面的两个辅助装置，开设有与辅助装置对应的通孔且与辅助装置垂直设置的底板，所述的底板用于嵌套且固定辅助装置，连接两个平行的底板、用于调节腔长的中空伸缩装置。本发明通过湿法腐蚀结合加热回流或物理刻蚀方法在磨平处理后的光纤端面纤芯处直接加工出与纤芯位置对准、尺寸为0.8-2倍纤芯直径的球形凹面，在这基础上在两光纤端面构建低损耗的反射膜层，借助其他辅助手段实现光纤对准，从而实现高f数、低插损的光纤法布里珀罗滤波器。此外通过将压电陶瓷等方式改变光纤法布里玻罗腔的腔长从而实现光纤法布里珀罗滤波器透射性能的调节。

4、作为进一步地改进，本发明所述的凹面为通过湿法腐蚀结合加热回流或物理刻蚀方法制备、所述的凹面的中心为纤芯的中心、所述的凹面的尺寸d0为0.8-2倍纤芯直径的球形凹面。

5、作为进一步地改进，本发明所述的湿法腐蚀结合加热回流为利用特殊的化学试剂使得光纤纤芯和包层腐蚀速率不同，从而在纤芯处出现凹坑结构，然后利用火焰加热或c02激光加热或电加热方式，熔融凹坑结构表面，通过表面张力形成球形凹面。

6、作为进一步地改进，本发明所述的物理刻蚀方法为聚焦离子束刻蚀或c02激光烧蚀或飞秒激光直写在纤芯位置直接加工出球形凹面。

7、作为进一步地改进，本发明所述的特殊的化学试剂包括hf/nh4f溶液、hf气体或hf溶液。

8、作为进一步地改进，本发明所述的光纤端面是指光纤切割之后利用研磨和抛光手段制备的与光纤轴垂直的平整端面，以提高腔模与光纤模式的耦合效率同时保证法布里珀罗腔镜达到更小的腔长。光纤经过磨平处理，具体是指利用各种研磨、抛光手段使得光纤端面与光纤纤芯内光场模式的传播方向垂直(小于0.5°)，以提高腔模与光纤模式的耦合效率同时保证法布里珀罗腔镜可以达到更小的腔长。

9、作为进一步地改进，本发明所述的低损高反射膜层的反射率>95％且膜层损耗远小于膜层透射率，所述的低损高反射膜层主要包括利用物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延生长方法得到的介质、半导体布拉格反射层。但不排除能做到低损耗的金属高反膜、金属介质混合高反膜。

10、作为进一步地改进，本发明所述的腔长在2-20μm之间,凹面的曲率半径在20-620μm之间。

11、作为进一步地改进，本发明所述的辅助装置为光纤陶瓷芯或光纤跳线，所述的底板为嵌有光纤法兰的平板，所述的中空伸缩装置为压电陶瓷或通过调节温度来改变腔长的高热膨胀系数物质。将压电陶瓷置于光纤端镜中间或固定与光纤端镜的一侧或两侧从而通过电致伸缩改变腔长、在两光纤端中间或底座之间引入高热膨胀系数物质从而通过调节温度来改变腔长等利用热膨胀改变腔长。

12、作为进一步地改进，本发明所述的光纤为单模光纤或多模光纤，所述的光纤材质为高纯度石英或掺杂石英玻璃，所述的光纤形式上为裸光纤或光纤跳线，应用波长范围包含可见光或近红外波段。

13、光纤辅助对准方法包括但不限于两光纤插入同一根陶瓷芯或不同根陶瓷芯再插入同一光纤法兰、两光纤跳线插入同一光纤法兰、精准调节架调节对准。本发明应用的结构包括但不限于一端光纤凹面一端光纤平面的平凹结构和两端光纤均凹面的凹凹结构。

14、本发明为一种低插入损耗的可调光纤法布里珀罗滤波器。本发明的光纤法布里珀罗滤波器包括了两根相对的光纤1，在两根光纤相对的两个端面的两个纤芯处制备的凹面2，附着在两根光纤相对的两个端面上的低损高反射层3，用于夹持固定两根光纤且对准光纤及纤芯凹面2的两个辅助装置4，固定两个辅助装置的两个底板5，连接两个底板并用来调节腔长的中空伸缩装置6。本发明利用物理刻蚀方法、或湿法腐蚀结合加热回流等方法在磨平处理后的光纤端面纤芯位置形成一个光滑、近圆形、尺寸d0为0.8-2倍纤芯直径的凹面，通过镀高反膜以及精密对准制备出高低插损的可调法布里珀罗微腔滤波器，其理论插损小于0.22db。本发明可以根据实际工作波长，针对不同类型的光纤，在端面纤芯处设计加工最优曲率半径的凹面，以达到所需要的器件要求。

15、与现有技术相比，本发明的优点是：

16、(1)本发明加工的凹面直接与纤芯区域匹配，便于实现更高的耦合效率。

17、(2)本发明使用预先磨平处理的光纤从而可以使得光纤法布里珀罗滤波器实现更高的耦合效率和更小的腔长。

18、(3)本发明的凹面横向尺寸与纤芯直径相当，从而可以保证很小的凹面深度，从而得到更小的腔长

19、(4)本发明制备的凹面粗糙度高(约0.25nm)、近圆性好,面型引入的损耗小(约4.1*10-6)。

20、(5)本发明得到的光纤法布里珀罗滤波器理论上可以在高f数(f<15000)情况下得到低致0.22db的插入损耗。

21、(6)本发明制备的凹面曲率半径可方便调节。

22、(7)本发明得到的光纤法布里珀罗滤波器适用于于多种不同类型的光纤以及多种不同的自由光谱范围。