基于传输单模光纤实现不同声光滤波器性能的光纤制备方法

摘要

本发明属于光电子技术领域,采用商售传输用单模光纤,对其外径进行刻蚀;具体包括:根据器件性能要求决定其外径大小,根据所采取的刻蚀方法和实际工艺条件事先标定刻蚀速率,然后根据要求的外径大小和刻蚀速率通过控制时间来局部地减小该光纤的外径,以实现等效地改变声光作用区的光纤折射率分布。本方法工艺简单,比较容易控制,容易实现较长的均匀声光作用区,而且光纤的芯区没有破坏,既可以实现器件不同的性能又可以保持单模光纤损耗低的优点;除此之外光纤外径可以随意设计,还可以采用不同的单模光纤,带来了很大的器件性能的设计余地。

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，特别涉及基于传输单模光纤的声光器件工作性能的设计和实现的方法。

背景技术

近些年来，随着波分复用光通信技术广泛得到实用，相应的光电子技术产业已经成为当今高技术领域的主要产业之一。光纤通信系统发展的下一步目标是宽带、高速、大容量和网络化。在未来的高速光纤网络中，为了克服电子器件速度偏低的瓶颈效应，许多原来在电的层面上实现的控制功能如路由变换，上下话路等，将在光的层面上实现，这就需要一类可动态变化的波长相关的器件，如光滤波器，光开关，光衰减器，光波长变换器等。这一类器件貌似不同，实际上它们的共同特性是波长选择性，它们共同的器件基础是可调谐光滤波器。

作为一种基本的器件，可调谐滤波器有以下几个主要指标：滤波带宽，可调谐范围，调谐速率，消光比等。不同的应用场合所关心的主要指标一般不同，比如，用于波分复用系统的波长选择器件时，要求滤波带宽很窄；用于可调光衰减器时，一般希望衰减特性与波长无关，即工作带宽非常宽；而用于放大器增益均衡时则要求滤波谱形状可以随意调整。此外，考虑实际应用的要求和环境等，一般还要求器件的体积小，插入损耗小，功耗低等。

多年来，人们曾研究过多种可用于光纤系统的滤波器，包括通过微机械或压电效应调节的F-P滤波器，基于双光束或多光束干涉的滤波器，基于电光效应或声光效应的光滤波器以及光纤光栅等。由它们的工作机制和工艺难度等因素决定，这些滤波器各有优缺点，并且在不同程度和不同场合得到应用，但是，尚没有能够胜任高速且动态可调，并且损耗小、体积小、功耗小的器件。比如，基于压电效应F-P腔的滤波器目前虽然得到较广泛的应用，但其调谐速度在毫秒量级，不能满足未来高速光网络的要求。基于体器件的电光效应或声光效应的滤波器，调谐速度较高，但光纤尾纤耦合引入的插入损耗约在数dB。光纤光栅的体积小，插入损耗小，带宽和滤波谱形状有很强的可设计性，但使用中只能靠温度进行调整，动态范围有限。

1986年，H.J.Shaw等人初次报导了在光纤上实现的声光效应。至今为止，已见报导的有在双模光纤上、普通单模光纤上、双折射光纤上以及熔烧拉锥光纤和熔烧光纤耦合器上实现的声光效应。这一类基于光纤声光效应的器件可以实现多种波长相关的功能，可以通过改变声波频率或声波强度实现波长调谐和幅度调节，而且调谐范围可达数十纳米，调谐速率可达微秒量级。其中，基于传输用市售单模光纤的声光器件由于材料成本低，工艺简单，插入损耗小，易于与光纤传输系统兼容而最具吸引力。

光导纤维(简称光纤)由光纤芯子和包在光纤芯子外面的包层构成，光纤芯和包层均为玻璃(二氧化硅)材料，芯子的折射率比包层略高，以形成光波导。为了增加柔韧性，包层外面还有一层涂敷层。按国际通用标准，传输用单模光纤的包层直径(简称外径)均为125μm，芯子直径(简称芯径)约为几个微米，有些光纤的折射率沿半径逐渐变化，没有明确的芯径。涂敷层的直径大约250μm或更大，没有严格的规定。

已有的基于传输单模光纤的声光器件的基本装置如图1所示，图中11表示传输单模光纤，12表示剥去涂敷层的光纤段，这是声光作用的区域，13表示铝锥，14表示电声换能器。电声换能器产生的声波以纵波形式经过一个铝锥的传输后，能量集中在锥尖处，并在锥尖处耦合进入光纤。声波在光纤中以挠行波的形式传输(图中的箭头15表示)，造成了等效的折射率变化，如图2所示。图2中21表示在挠行声波的作用下发生了形变的一段光纤，22、23和24分别表示形变光纤中各点处形变的情况，其中坐标y表示光纤横截面上的坐标轴，坐标n表示折射率。这种形变可以等效为折射率的改变。在声波作用下产生的这种周期性的折射率微扰的作用类似于长周期光纤光栅，如果使用的光纤是单模光纤，则会引起芯模到包层模的耦合。不同的是长周期光纤光栅的折射率微扰是固定的，使用中只能靠热胀冷缩略作调节；而声波作用产生的微扰可以通过加在电声换能器上的电压和频率来改变。由于挠行声波引起的折射率微扰是非圆对称的，参与耦合的包层模也是非圆对称的，通常是芯模LP₀₁到包层模LP₁₁^cl，LP₁₂^cl，LP₁₃^cl等的耦合。由声光效应产生的条件决定，产生耦合的芯模、包层模和声波三者必须满足波矢匹配条件，因此声波作用下的模式耦合是一个波长相关的过程。经耦合进入包层的光在光纤中继续传输时遇到涂敷层会被吸收掉，而不满足波矢匹配条件没有耦合进入包层的光则无损耗地通过，这就形成了带阻型的光滤波。这里的相位匹配条件指的是参与耦合的两个光波模式的拍长等于声波的波长，在一定声波频率下，芯模中不同波长的部分可能和不同的包层模分别同时满足相位匹配条件，所以在某一声波频率下有可能同时看到几个带阻滤波峰，它们分别对应于芯模LP₀₁到LP₁₁^cl，LP₁₂^cl，LP₁₃^cl等几个不同包层模的耦合。在满足相位匹配的中心波长附件，由于匹配条件不能完全满足，耦合效率相对变小，因此形成具有一定带宽的滤波谱。当声波频率发生改变，满足匹配条件的中心波长发生改变，滤波峰发生移动，这就是声光滤波器的可调谐特性。

图3所示的是采用30cm长的Lucent TrueWave单模光纤(非零色散位移光纤)所得到的滤波谱。这种光纤是一种在光纤通信系统中用于传输的单模光纤。测量时所加声波频率为2.9MHz。图中可以同时看到在1500nm、1534nm和1594nm处有三个滤波峰，它们分别对应于LP₀₁→LP₁₁^cl(峰31)、LP₀₁→LP₁₂^cl(峰32)和LP₀₁→LP₁₃^cl(峰33)的模式转换。仔细测量得到这三个滤波峰的-3dB带宽分别为1.04nm、1.33nm和1.46nm。略微改变声波频率后重新测量三个滤波峰的峰值波长，可以得到它们的波长调谐度分别为0.11nm/kHz、0.123nm/kHz和0.148nm/kHz。整个装置的插入损耗在0.1dB以下。

上述结果证明了使用传输用单模光纤实现声光滤波是可能的，但还存在一些问题：

1)图3所示的这些声光滤波的谱特性如带宽、声波频率和滤波峰中心波长的关系以及调谐度等参数主要取决于光纤的折射率分布(光纤截面上折射率沿半径的变化)，使用不同折射率分布的光纤可以得到不同的器件性能。目前传输用单模光纤有普通单模光纤、色散位移光纤、非零色散位移光纤，色散补偿光纤等多种，它们的折射率分布根据不同的性能要求有所不同。但所有传输用单模光纤是针对传输特性的需要设计的，它们的差别对于声光效应而言差别不太大，在声波作用下得到的结果和图3大同小异，因此，直接采用商售传输光纤不能实现不同性能的滤波器。若采用非传输用的光纤或为声光效应特殊设计的光纤有可能得到不同要求的滤波器性能，但和传输光纤连接时会引入较大的插入损耗，失去了和光纤传输系统兼容的意义。

2)原理上，随着声波频率改变，光滤波峰值波长可以随意移动。但采用商售传输光纤得到的滤波谱和图3显示的大体相同，由于耦合到不同包层模形成的多滤波峰同时存在，因此实际可使用的单峰区域的可调谐范围只有数十纳米，例如，图3中，从峰31至峰32只有34nm。

3)和基于体材料的声光器件相比，基于光纤的声光耦合效率是很高的。但是，在商售传输光纤中，声波的分布区域是125μm(光纤的外径)，而芯模光波的分布区域在10μm左右，声波和光波的交叠程度仍然不大，限制了声光耦合系数的提高，为了达到足够的声光转换效率，声光作用区的长度不能太短，例如，为得到图3所示结果，声光作用区长度为30cm。

总之，基于传输用单模光纤设计制作声光滤波器的好处是和光纤通信系统兼容，缺憾是光纤参数已经固定，与之相应的器件特性参数也均已决定，可设计的余地不大。因此需要寻找一种可以局部地改变光纤折射率的办法，这样可以只改变声光作用区内的折射率分布以实现不同的器件性能；而又保留其它部分的光纤不变以保持与传输系统兼容的优点。

目前，已见文献报导的可以局部改变光纤折射率分布的办法是熔烧拉锥的方法，即将光纤局部加热，在融化的状态下拉细。由于只能局部拉细，必然形成锥状，直径均匀的区域不可能很长；而且随着外径变细芯径同时变小，当外径小到一定程度时芯区几乎消失，这时，外径和空气之间形成的是一段多模的光波导。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新的基于传输单模光纤实现不同声光滤波器性能的光纤设计和制备方法。本方法工艺简单，比较容易控制，容易实现较长的均匀声光作用区，而且光纤的芯区没有破坏，既可以实现器件不同的性能又可以保持单模光纤损耗低的优点；除此之外光纤外径可以随意设计，还可以采用不同的单模光纤，带来了很大的器件性能的设计余地。

本发明提出一种基于传输单模光纤实现不同声光滤波器性能的光纤制备方法，其特征在于，采用商售传输用单模光纤，对其外径进行刻蚀；具体包括：根据器件性能要求决定其外径大小，根据所采取的刻蚀方法和实际工艺条件事先标定刻蚀速率，然后根据要求的外径大小和刻蚀速率通过控制时间来局部地减小该光纤的外径，以实现等效地改变声光作用区的光纤折射率分布。

本发明所说的刻蚀方法包括化学刻蚀或等离子体刻蚀方法，均属常规技术手段；所说根据工艺条件事先标定刻蚀速率然后通过控制时间达到不同外径的方法也属常规技术手段。

本发明的工作原理及效果：

使用本发明制备的单模光纤构成的声光滤波器的实验装置如图4所示。其中：41为原始的单模光纤段，42为剥去涂敷层的光纤段，43为经过刻蚀的光纤段。44和45分别为铝锥和电声换能器，声波传输如箭头46所示。除经过刻蚀的光纤段外，该装置和图1所示相同。使用本发明方法刻蚀过的光纤，器件的性能可以有如下改变：

1、耦合转换效率的提高 $>>\eta >=>>>\kappa >0>2>>>>\kappa >0>2>>+>>\delta >2>>>>>sin>2>>[>L>>>(>>\kappa >0>2>>+>>\delta >2>>)>>>1>/>2>>>]>->->->->>(>1>)>>>s>$ >>>\kappa >0>>=>>\pi >\lambda >>>>>ϵ>0>>>\mu >0>>>>>n>0>\underset{}{}$$₀为耦合系数，它由参与耦合的芯模模场、包层模模场ψ₁(x，y)、ψ₂(x，y)以及声波引起的折射率改变Δn(x，y)的交叠积分决定，如式(2)所示。当光纤外包层刻蚀减小后，芯模模场基本不变，包层模场变集中，而且声波作用的区域也集中，因此相同声波功率下得到的耦合系数κ₀变大，有利于耦合转换效率η的提高。

理论和实验结果说明通过本发明的光纤外径刻蚀方法，可以使声波的功耗降低一个数量级左右，或者可以在相同功耗条件下减小作用区长度，这样有利于缩小器件体积，便于实用。

2、谐振声波频率的变化及调谐范围的加大 $>>>L>B>>>(>\lambda >)>>=>>>2>\pi >>>>\beta >01>>->>\beta >>1>\mu >>>>>->->->->>(>3>)>>>s>$ >>f>=>>>\pi R>>C>ext>>>>>L>B>>2>>>->->->->>(>4>)>>>s>参与声光模式转换的两个光波模式的拍长L$$_B由(3)式表示。其中β₀₁和β_1μ分别表示参与耦合作用的芯模(下标01)和包层模(下标1μ)的传播常数。当光纤的外径被刻蚀变小，芯模的传播常数近似不变而包层模的传播常数随外径而改变，两者差别增大因此拍长随之变小。(4)式表示谐振声波频率f和拍长L_B的关系。式中，C_ext为弹性波的声速，是一个和材料有关的常数，R为光纤半径。

(4)式说明，一方面光纤外径变小使声波频率降低，另一方面拍长变短使声波频率升高。图5所示是理论计算得到的LP₀₁→LP₁₁^cl(曲线51)、LP₀₁→LP₁₂^cl(曲线52)和LP₀₁→LP₁₃^cl(曲线53)三种模式耦合情况下谐振声波频率随刻蚀光纤外径变化的关系(光波波长1550nm)。图中曲线说明，当光纤外径较大时，光纤外径的变化起主要作用，光纤外径减小到一定程度后，拍长的变化起主要作用，谐振声波频率的最小值分别发生在外径为25μm(LP₀₁-LP₁₁^cl模，f＝860kHz)，61μm(LP₀₁-LP₁₂^cl模，f＝1.84MHz)和97μm(LP₀₁-LP₁₃^cl模，f＝2.79MHz)。可以看出，芯模到不同包层模耦合的谐振声波频率随着光纤外径减小改变的速度是不同的。如果考虑比较容易实现的0～5MHz的声光频率范围内，当光纤外径小于40μm的时候就可以不考虑芯模到LP₁₃^cl模的耦合了，而当光纤外径小于20μm的时候，只需考虑芯模到LP₁₁^cl模的耦合。

概括地说，随着光纤外径的减小，基模到不同包层模耦合的谐振声波频率的差越来越大，也就是在相同声波频率下，芯模到不同包层模转换所对应的中心波长间隔越来越大，因而可实用的单峰区域的可调谐范围也越大。

3、色散参数和带宽的改变 $>>\Delta \lambda >=>>>0.8>>L>B>>>L>>>1>N>>\lambda >->->->->>(>5>)>>>s>$ >>N>=>>>\partial >>L>B>>>>\partial >\lambda >>>/>>>L>B>>\lambda >>->->->->>(>6>)>>>s>(5)式表示单个滤波峰的-3dB带宽\Delta \lambda ，式中L为作用区的光纤长度，\lambda 为光波波长。N为光纤的色散参数，由(6)式表示，主要由光纤的模间色散特性决定。当光纤外径被刻蚀变小时，包层模的传播常数改变因而光纤的色散特性也随之改变。图6所示是理论计算得到的LP$$₀₁→LP₁₁^cl曲线61)、LP₀₁→LP₁₂^cl(曲线62)和LP₀₁→LP₁₃^cl(曲线63)三种模式耦合对应的光纤色散参数N随刻蚀光纤外径变化的关系(光波波长1550nm)。可见，随着光纤外径被刻蚀减小，色散参数减小，由(5)式，单个滤波峰的带宽增大。因此通过设计合适的光纤外径，可以得到需要的滤波带宽。

4、特殊外径值和调谐特性的改变 $>>\Delta \lambda >=>>>>>0.8>L>>·>>L>B>2>>>(>>\lambda >0>>)>>>>>>\partial >2>>>L>B>>>(>\lambda >)>>>>\partial >>\lambda >2>>>>>>->->->->>(>7>)>>>s>$ >>T>=>>>\partial >\lambda >>>\partial >f>>>=>->>\lambda >>2>f>>>>1>N>>->->->->>(>8>)>>>s>从图6还可以看到，当光纤外径很小时，色散参数N＝-1。对于芯模到各包层模的耦合，各存在一个令N值为零的临界外径值，它们分别为19.6\mu m(LP$$₀₁-LP₁₁^cl，谐振声波频率f＝897KHz)，31μm(LP₀₁-LP₁₂^cl，f＝2.64MHz)和43μm(LP₀₁-LP₁₃^cl，f＝4.86MHz)。当光纤外径取这些值时，(5)式不再适用，这时的-3dB带宽可以由(7)式计算得到，计算结果说明其值可达数百纳米。(8)式表示声光滤波器中心波长随声波谐振频率的变化，即调谐度。

随着光纤外径变小，色散参数值变小；单位声波频率的改变得到的滤波峰移动增大，即调谐度增大。当光纤外径较大时，随着声波频率增加滤波峰向短波长方向移动；当外径小于临界值后，色散参数N值取负，滤波峰随声波频率增加向长波长方向移动。在N值为零附近，拍长不随波长改变，也就是说，声波频率对波长没有选择性，滤波带宽可达数百纳米。

附图说明

图1为已有的光纤声光器件的基本装置示意图；

图2为声波作用下光纤的等效折射率变化示意图；

图3为在未经刻蚀的单模光纤上得到的声光滤波谱曲线图；

图4为采用本发明的刻蚀型光纤声光滤波器的实验装置示意图；

图5为理论计算得到的三种模式耦合情况下谐振声波频率随刻蚀光纤外径变化的关系曲线图；

图6为理论计算得到的三种模式耦合情况下单模光纤的色散参数N随刻蚀光纤外径变化的关系曲线图；

图7为本发明的实施例1制备的外径为72μm的包层匹配单模光纤的实测声光滤波谱曲线图；

图8为本发明制备的实施例1外径为56μm的包层匹配单模光纤的实测声光滤波谱曲线图；

图9为本发明制备的实施例1外径为25μm的包层匹配单模光纤的实测声光滤波谱曲线图；

图10为本发明的实施例2制备外径为21μm的包层匹配单模光纤的实测声光滤波谱曲线图；

图11为本发明的实施例3制备外径为50μm的色散补偿单模光纤的实测声光滤波谱曲线图。

具体实施方式

本发明的基于传输单模光纤实现不同声光滤波器性能的光纤制备方法结合附图及三种实施例的制备过程及其效果详细说明如下：

实施例1：

将三段包层匹配单模光纤的外径采用化学刻蚀方法，分别局部地刻蚀至72μm、56μm和25μm，刻蚀段的长度均为8厘米。刻蚀光纤外径值的设计方法是：根据要求的带宽和允许的作用区长度由(5)式计算出N值，然后由图6相应曲线决定刻蚀光纤的外径。所用光纤的原始外径为125μm，芯径为8.3μm，芯区和包层区的折射率差为0.33％。使用浓度约40％的氢氟酸，室温下标定得到刻蚀速率约为-60μm/30分钟，然后控制刻蚀时间得到每段光纤要求的外径大小。用图4所示实验装置测得的滤波谱分别显示于图7、图8和图9。

图7是光纤外径为72μm时测得的声光滤波谱，所用声波频率为1430kHz，压电陶瓷电压为25V，电功耗为120mW；测得滤波峰中心波长为1526nm，中心波长调谐度为0.31nm/kHz，带宽为6.4nm。图8是光纤外径为56μm时的声光滤波谱，所用声波频率为1020kHz，压电陶瓷电压为14V，电功耗为35mW；测得滤波峰中心波长为1574.8nm，中心波长调谐度为0.53nm/kHz，带宽7.6nm。图9是光纤外径为25μm时的声光滤波谱，所用声波频率为818kHz，压电陶瓷电压为2.5V，电功耗为1.1mW；测得滤波峰中心波长为1540.8nm，中心波长调谐度为2.75nm/kHz，带宽为30.2nm。

总结上述3个测试结果可见，随着外径减小，电功耗减小，谐振声波频率下降，带宽增加。符合以上理论分析的结果。

实施例2：

将一段与实施例1所用相同的包层匹配单模光纤用常规等离子体刻蚀的方法将外径局部刻蚀至21μm(由图6可知LP₀₁-LP₁₁^cl模式的临界值约为19.5μm)，刻蚀段的长度为5.5cm。使用图4所示实验方法得到的滤波谱示于图8。所用声波频率为867kHz，压电陶瓷电压为2.4V，电功耗约为1.1mW，测得带宽349nm。

可见，当外径被刻蚀至临界值附件时，得到的滤波带宽有量级上的增加。

实施例3：

将一段色散补偿光纤的外径采用和实施例1相同的方法局部刻蚀至50μm，刻蚀段的长度为8cm。该光纤的原始外径为125μm，色散量为80ps/nm/km。使用图4所示实验方法得到的滤波谱如图11所示。测量时所用声波频率为1.935MHz，压电陶瓷电压为20V。图中，峰111的中心波长为1464.4nm，对应LP₀₁-LP₁₁^cl模式耦合，峰112的中心波长为1590.6nm，对应LP₀₁-LP₁₂^cl模式耦合。两个峰的带宽均约为2nm，中心波长相距126nm，这样，改变声波频率可以得到的单峰区域可调谐范围为126nm。

和图3所示的采用未经刻蚀的非零色散位移光纤的滤波谱相比，本实施例所得到的滤波谱宽度相差不大，但实际可使用的单峰区域的可调谐范围从图3所示的34nm增加至126nm。