本發(fā)明屬于光纖通信器件與光纖傳感器件領(lǐng)域，具體涉及一種光纖f-p濾波器及其制備方法。

背景技術(shù)：

干涉型濾波器件在光纖通信技術(shù)和光纖傳感領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，可廣泛用于穩(wěn)頻、密集波分復(fù)用系統(tǒng)(dwdm)的信道選擇，以及溫度和應(yīng)力等多物理量的傳感檢測(cè)。光濾波器種類繁多、功能各異，常見的光纖型濾波器有馬赫曾德爾干涉型、邁克耳遜干涉型、光纖f-p腔干涉型以及薩格納克干涉型等。這些光纖型器件在信號(hào)穩(wěn)頻、選頻、濾波以及物理量傳感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，發(fā)揮了重要的優(yōu)勢(shì)。特別是伴隨光纖技術(shù)和新型功能材料技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，使得基于光纖的干涉型濾波器件的研究與應(yīng)用，在聲、熱、電、機(jī)械振動(dòng)、電磁傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

本征型光纖f-p濾波器的結(jié)構(gòu)，一般由兩根端面均鍍有高反射膜的單模光纖，通過一定裝置對(duì)齊后而行成，若將此結(jié)構(gòu)固定在像壓電陶瓷這類可控伸縮材料或裝置上，便可實(shí)現(xiàn)控制兩個(gè)鍍有高反射模的光纖端面間的距離，即實(shí)現(xiàn)對(duì)f-p腔長的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波功能或?qū)ν饨缱饔昧康膫鞲斜O(jiān)測(cè)功能。但是，這樣的裝置要求兩根光纖的鍍膜端面嚴(yán)格同心平行對(duì)準(zhǔn)，而且在光纖f-p濾波器工作過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)光纖端面偏移錯(cuò)位甚至產(chǎn)生夾角的問題，從而導(dǎo)致其濾波性能下降。如論文《光纖端面偏移對(duì)光纖f-p可調(diào)諧濾波器性能影響》(2016年)一文就仿真、模擬了兩光纖端面發(fā)生徑向偏移和產(chǎn)生傾角時(shí)對(duì)干涉條紋可見度等性能的影響。所以保證兩光纖處于同一軸線，并且避免光纖端面產(chǎn)生偏移或傾角，成為了提高濾波器性能所必須解決的問題。

另一方面，這種利用光纖端面形成的f-p腔，由于要保證兩端面的嚴(yán)格平行對(duì)正，在制作過程中對(duì)光纖的操作要求非常精細(xì)，必須靠外界精密設(shè)備控制初始的腔長，才能使濾波器達(dá)到要求的性能。而且，這種通過封裝處理的f-p濾波器級(jí)聯(lián)只能通過熔接機(jī)進(jìn)行光纖熔合，勢(shì)必導(dǎo)致兩個(gè)濾波器間的距離間隔不可能很小，至少在5cm以上甚至更長的距離，這就給濾波器的小型化帶來了無法逾越的問題。

近年來，雖然提出了用飛秒激光器進(jìn)行光纖f-p腔的制作方法，但由于飛秒激光器價(jià)格昂貴、制作成本太高，而限制了飛秒激光在加工光纖微結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。因此，開發(fā)一種制作工藝簡單、低成本的方法來制作光纖f-p濾波器具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種光纖f-p濾波器及其制備方法，制備方法工藝操作簡單，解決了現(xiàn)有光纖f-p腔端面加工過程中易產(chǎn)生平移錯(cuò)位甚至夾角的問題，降低了光纖f-p腔的級(jí)聯(lián)間距，實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)型濾波器的小型化。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：包括以下步驟：

1)剝除光纖的涂覆層得到纖芯，并用酒精清洗；

2)將纖芯固定在載玻片上，并將載玻片放置在三維精密微動(dòng)平臺(tái)上，啟動(dòng)準(zhǔn)分子激光器，并調(diào)節(jié)三維精密微動(dòng)平臺(tái)和光路系統(tǒng)使激光光斑聚焦在纖芯的中軸線位置；

3)設(shè)置準(zhǔn)分子激光器的脈沖次數(shù)為300～1000次，操作準(zhǔn)分子激光器在纖芯上打第一個(gè)微孔后，三維精密微動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)纖芯沿纖芯的軸向移動(dòng)，準(zhǔn)分子激光器在纖芯上等間距或不等間距進(jìn)行激光打孔，得到至少2個(gè)微孔，有2個(gè)微孔的纖芯構(gòu)成單個(gè)f-p濾波器，有2個(gè)以上微孔的纖芯構(gòu)成級(jí)聯(lián)型f-p濾波器。

所述微孔為圓形孔、矩形孔或三角形孔。

所述微孔的深度為光纖纖芯直徑的1/2，矩形孔的尺寸為(20um～70um)×(60um～120um)，圓形孔的直徑為10um～120um，三角形孔的邊長為10um～120um。

所述相鄰微孔的間距為0.5～4mm。

所述步驟2)中設(shè)置準(zhǔn)分子激光器的輸出波長為193nm、脈沖能量為10～30mj、頻率為300hz。

所述三維精密微動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有ccd攝像頭，ccd攝像頭獲取加工過程中纖芯的影像信息，并發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)纖芯的影像信息控制三維精密微動(dòng)平臺(tái)和準(zhǔn)分子激光器。

所述準(zhǔn)分子激光器的激光輸出端設(shè)有光路系統(tǒng)，光路系統(tǒng)包括依次設(shè)置的凹透鏡、凸透鏡、反射鏡和聚焦透鏡，準(zhǔn)分子激光器輸出的激光依次經(jīng)過凹透鏡和凸透鏡擴(kuò)束整形后形成平行光束，再經(jīng)過傾斜45°放置的反射鏡使光路旋轉(zhuǎn)90°，最后經(jīng)過聚焦透鏡聚焦，使激光束的焦點(diǎn)落在三維精密微動(dòng)平臺(tái)上的纖芯的中軸線位置。

所述光路系統(tǒng)的聚焦透鏡采用沖氮?dú)獾墓艿烂芊狻?/p>

所述準(zhǔn)分子激光器為氟化氬準(zhǔn)分子激光器。

一種光纖f-p濾波器的制備方法制備出的光纖f-p濾波器，包括光纖纖芯，光纖纖芯上沿軸向等間距或不等間距設(shè)有至少2個(gè)微孔。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用準(zhǔn)分子激光器，在一根光纖纖芯上一次性連續(xù)刻寫兩個(gè)或兩個(gè)以上的微米級(jí)孔洞，制作出單個(gè)光纖f-p濾波器或級(jí)聯(lián)型光纖f-p濾波器，利用微孔代替光纖端面，利用光纖纖芯替代空氣介質(zhì)，使傳輸光在微孔間多次反射而形成干涉，由一對(duì)微孔構(gòu)成單個(gè)f-p濾波器、由多個(gè)微孔構(gòu)成級(jí)聯(lián)型f-p濾波器。由于微孔產(chǎn)生并固定在光纖內(nèi)部，有效解決了工作過程中端面偏移錯(cuò)位問題，提高了濾波性能。同時(shí)，由于是通過移動(dòng)精密微動(dòng)平臺(tái)控制微孔間距的，這樣實(shí)現(xiàn)了多級(jí)f-p腔的無間隔級(jí)聯(lián),所制作的多微孔級(jí)聯(lián)型光纖f-p濾波器體積比傳統(tǒng)熔接方式制作的濾波器體積更小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低和適合批量加工的特點(diǎn)。

進(jìn)一步，ccd攝像頭是將獲取的光纖影像轉(zhuǎn)化為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)光纖影像的獲取與存儲(chǔ)，再通過分析控制器的指令和準(zhǔn)分子激光器的情況來保證微加工的精度；控制器是在控制軟件中輸入各項(xiàng)指令以及控制準(zhǔn)分子激光器的觸發(fā)工作。由于紫外光在空氣中傳輸損耗比較大，所以光路系統(tǒng)的聚焦透鏡是被沖氮?dú)夤艿烂芊獾模ＷC了激光器的功率輸出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備方法采用的加工裝置框圖；

圖2為光路系統(tǒng)示意圖，其中，1-準(zhǔn)分子激光器、2-光闌、3-凹透鏡、4-凸透鏡、5-反射鏡、6-聚焦透鏡、7-三維精密微動(dòng)平臺(tái)；

圖3為光纖纖芯上加工單個(gè)矩形孔的俯視圖；

圖4a為實(shí)施例1光纖纖芯上加工2個(gè)矩形孔的俯視圖，圖4b為側(cè)視圖；

圖5為實(shí)施例1的光纖f-p濾波器的光譜圖；

圖6a為實(shí)施例2光纖纖芯上加工3個(gè)矩形孔的俯視圖，圖6b為側(cè)視圖；

圖7為實(shí)施例2的級(jí)聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖；

圖8a為5個(gè)微孔的級(jí)聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，圖8b為6個(gè)微孔的級(jí)聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，圖8c為7個(gè)微孔的級(jí)聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖；

圖9為光纖f-p濾波器的工作原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。

本發(fā)明的制備方法具體包括以下步驟：

1)剝除光纖的涂覆層得到纖芯，并用酒精清洗；

2)將纖芯固定在載玻片上，并將載玻片放置在三維精密微動(dòng)平臺(tái)上，啟動(dòng)準(zhǔn)分子激光器，并調(diào)節(jié)三維精密微動(dòng)平臺(tái)和光路系統(tǒng)使激光光斑聚焦在纖芯的中軸線位置；

3)設(shè)置準(zhǔn)分子激光器的脈沖次數(shù)為300～1000次，準(zhǔn)分子激光器的輸出波長為193nm、脈沖能量為10～30mj、頻率為300hz，設(shè)置三維精密微動(dòng)平臺(tái)的步進(jìn)移動(dòng)值為0.5～4mm，操作準(zhǔn)分子激光器在纖芯上打第一個(gè)微孔后，三維精密微動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)纖芯沿纖芯的軸向移動(dòng)，準(zhǔn)分子激光器在纖芯上等間距或不等間距進(jìn)行激光打孔，得到至少2個(gè)微孔，有2個(gè)微孔的纖芯構(gòu)成單個(gè)f-p濾波器，有2個(gè)以上微孔的纖芯構(gòu)成級(jí)聯(lián)型f-p濾波器。

微孔為圓形孔、矩形孔或三角形孔，微孔的深度為光纖纖芯直徑的1/2，矩形孔的尺寸為(20um～70um)×(60um～120um)，圓形孔的直徑為10um～120um，三角形孔的邊長為10um～120um，相鄰微孔的間距為0.5～4mm。

參見圖1，加工裝置包括控制器、ccd攝像頭、準(zhǔn)分子激光器、光路系統(tǒng)和三維精密微動(dòng)平臺(tái)，ccd攝像頭設(shè)置在三維精密微動(dòng)平臺(tái)上，ccd攝像頭獲取加工過程中纖芯的影像信息，并發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)纖芯的影像信息控制三維精密微動(dòng)平臺(tái)和準(zhǔn)分子激光器。

光路系統(tǒng)包括依次設(shè)置的凹透鏡3、凸透鏡4、反射鏡5和聚焦透鏡6，準(zhǔn)分子激光器1輸出的激光依次經(jīng)過凹透鏡3和凸透鏡4擴(kuò)束整形后形成平行光束，再經(jīng)過傾斜45°放置的反射鏡5使光路旋轉(zhuǎn)90°，最后經(jīng)過聚焦透鏡6聚焦，使激光束的焦點(diǎn)落在三維精密微動(dòng)平臺(tái)7上的纖芯的中軸線位置。準(zhǔn)分子激光器1和反射鏡5的輸出端均設(shè)置有光闌2。光路系統(tǒng)的聚焦透鏡采用沖氮?dú)獾墓艿烂芊猓瑴?zhǔn)分子激光器為氟化氬準(zhǔn)分子激光器，型號(hào)為braggstarindustrial1000-193-100416，三維精密微動(dòng)平臺(tái)7為微位移電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性平臺(tái)m-531.dd，控制器為c-862.00。

實(shí)施例1：

取一段普通單模光纖，將局部涂敷層剝除5-10mm，然后將其固定在三維精密微動(dòng)平臺(tái)上。通過控制器，初步調(diào)整三維精密微動(dòng)平臺(tái)的x軸(左右方向)和y軸(前后方向)，使光纖的無涂敷層區(qū)處于視場中心；再調(diào)整三維精密微動(dòng)平臺(tái)的z軸(上下方向)，使激光光斑落在光纖上；再次微調(diào)三維精密微動(dòng)平臺(tái)的x軸、y軸和z軸，使激光光斑聚焦在光纖的中心位置；在控制軟件中選擇打孔方式(圓形孔、矩形孔、三角形孔)，設(shè)置激光器輸出的脈沖次數(shù)(300-1000)，打開控制開關(guān)進(jìn)行微孔加工，控制器自動(dòng)控制結(jié)束后會(huì)停止。

制作完第一個(gè)孔后，在控制軟件中設(shè)置步進(jìn)移動(dòng)值為1mm，控制精密微動(dòng)平臺(tái)沿光纖軸向移動(dòng)，微調(diào)精密微動(dòng)平臺(tái)的x軸、y軸和z軸，使激光光斑聚焦在光纖的中心位置，完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，開始加工第二個(gè)孔；依據(jù)上述步驟可在光纖上進(jìn)行不同距離多個(gè)微孔的加工。圖3是光纖上加工單矩形孔的俯視圖，圖4a和圖4b分別是在光纖上加工的雙矩形孔俯視和側(cè)視示意圖，兩個(gè)矩形孔之間的間距1mm，構(gòu)成了f-p腔的兩個(gè)端面，形成了光纖f-p濾波器，其對(duì)應(yīng)光譜如圖5所示，其光譜對(duì)應(yīng)的自由譜為0.826nm、對(duì)比度為11dbm。

實(shí)施例2：

在光纖上等間隔加工多個(gè)微孔，圖6a和圖6b分別為制作的多光纖f-p腔級(jí)聯(lián)濾波器的俯視和側(cè)視圖，制作過程中，將實(shí)施例1中的平臺(tái)步進(jìn)移動(dòng)值設(shè)置為3.5mm，則可實(shí)現(xiàn)第一個(gè)孔與第二個(gè)孔之間的距離為3.5mm、第二個(gè)孔與第三個(gè)孔之間的距離也為3.5mm，這樣就將兩個(gè)腔長為3.5mm的光纖f-p濾波器級(jí)聯(lián)起來，形成多光纖f-p腔級(jí)聯(lián)型濾波器，其對(duì)應(yīng)光譜如圖7所示，其光譜對(duì)應(yīng)的自由譜為0.113nm、對(duì)比度為5dbm。

按照實(shí)施例1和實(shí)施例2中所述方法，可以在光纖上加工多孔結(jié)構(gòu)光纖f-p濾波器，圖8a為5個(gè)微孔的級(jí)聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，其中5個(gè)微孔的相鄰孔間距為3mm，其光譜對(duì)應(yīng)的自由譜為0.129nm；8b為6個(gè)微孔的級(jí)聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，6個(gè)微孔的相鄰孔間距離為2.5mm，其光譜對(duì)應(yīng)的自由譜為0.322nm；圖8c為7個(gè)微孔的級(jí)聯(lián)型f-p濾波器的光譜圖，7個(gè)微孔的相鄰孔間距為2mm，光譜對(duì)應(yīng)的自由譜為0.412nm。

本發(fā)明制作的光纖f-p濾波器具有微型化、集成化，系統(tǒng)裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)，并且，從實(shí)施案例中濾波器的光譜圖看到，本發(fā)明制作的濾波器自由譜范圍能通過控制微孔之間的距離來精確調(diào)節(jié)，增大了濾波器的自由譜范圍，有效實(shí)現(xiàn)了濾波器的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧能力。工作原理：

光纖f-p濾波器是一種基于多光束干涉原理的濾波器件，結(jié)構(gòu)上是由相互平行且正對(duì)的兩個(gè)反射面形成的，其工作原理如圖9所示，入射a反射面的光一部分進(jìn)入a反射面后被b反射面反射，這些光在a、b反射面間被多次反射相遇滿足干涉條件產(chǎn)生多光束干涉。

根據(jù)多光束干涉原理，其透射特性可表示為：

式中ii為入射光場的光強(qiáng)，it為出射光場的光強(qiáng)，r和t分別為光纖端面的反射率和透射率(在理想情況下，r+t＝1)，δ為相鄰兩光束的相位差，θ為入射角，n為腔中介質(zhì)折射率，lc為腔長。對(duì)于制作的光纖f-p濾波器，由微孔充當(dāng)了f-p腔前后兩平行反射面，n為光纖纖芯的折射率，n0為孔中空氣的折射率。

本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的光纖f-p濾波器制作方法，該制作方法只需用一根光纖，通過控制精密微動(dòng)平臺(tái)，讓激光器沿光纖軸向一次性加工兩個(gè)及以上微孔即可形成f-p腔，避免了傳統(tǒng)方法中要求兩光纖端面嚴(yán)格同心對(duì)正問題，也使光纖f-p濾波器的結(jié)構(gòu)更簡單、穩(wěn)定和小型化。相比于傳統(tǒng)的光纖f-p濾波器，由于f-p腔介質(zhì)是光纖本身，腔面由光纖上加工的微孔充當(dāng)，并不是光纖的自由斷面，有效避免了使用過程中光纖端面的錯(cuò)位偏移和傾角增大問題。相比于傳統(tǒng)的光纖f-p濾波器結(jié)構(gòu)，該制作方法降低了調(diào)節(jié)光纖端面之間距離的難度即初始腔長的距離。此種f-p濾波器的腔長是由聚焦后的激光束尺寸和精密微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的最小步進(jìn)值決定，容易實(shí)現(xiàn)微米級(jí)腔長尺寸控制，能夠精確制作任意腔長的光纖f-p濾波器，易于實(shí)現(xiàn)具有不同濾波性能的光纖f-p濾波器件或光纖傳感器件。由于光纖f-p濾波器的腔鏡是由激光加工的微孔，而微孔又可以一次性連續(xù)產(chǎn)生，因此通過電腦控制精密微動(dòng)平臺(tái)沿光纖軸向移動(dòng)，可進(jìn)行相同或不同間隔微孔加工，即實(shí)現(xiàn)相同腔長或不同腔長f-p器件的有效級(jí)聯(lián)。相比于飛秒激光器加工制作方法，本方法的顯著特點(diǎn)是系統(tǒng)裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、重復(fù)性好。