一种基于SPR原理的宽范围可调光纤滤波器

一种基于spr原理的宽范围可调光纤滤波器
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种基于spr原理的宽范围可调光纤滤波器，可用于在不同波段实现良好的宽带偏振滤波功能，属于光纤滤波技术领域。
(二)

背景技术：

2.光纤滤波器是波分复用(wdm)光通信系统和传感系统中基本的关键器件之一，波长可调谐、插入损耗低、与光纤通信系统易于集成的全光纤可调谐滤波器，正受到科研工作者的青睐。根据光的干涉和衍射原理设计而成的光纤滤波器主要用来滤除信号中无用的频率(波长)成分。根据光的干涉和衍射原理，结合光纤的导光特性,开发了多种光纤滤波器结构，如基于干涉的光纤滤波器，基于光纤光栅的光纤滤波器，基于耦合器的光纤滤波器，基于双折射lyot和solc的sacnac环型光纤滤波器，基于声光调制机制的声光滤波器和基于微结构光纤光子晶体光纤为基本元件的光纤光滤波器。
3.光纤中表面等离子体共振(spr)是指，当光从折射率较大的纤芯入射到折射率较小的包层界面处时，在满足入射角大于临界角的条件下，纤芯与包层的界面处可发生全反射，由于全反射发生时传输光并不是全部返回高折射率的纤芯区域，而是部分进入到包层区域约一个波长量级的深度，并沿着纤芯与包层的界面继续向前传播一段波长量级的距离最后再返回纤芯，此时，界面处透射出去的电磁能量将全部返回到界面以内并不发生能量损耗。这个沿界面传播的电磁波为倏逝波，当金属界面的表面等离子体与入射光激发的倏逝波符合相位匹配并且传播方向一致的条件时，就会激发光纤spr效应，在光纤反射光谱中出现一个明显的损耗峰，也就是共振吸收峰，而此时的波长即共振波长。
4.随着光通信技术和光传感的发展，光纤滤波器的设计制造也更为多元化，以往的光纤滤波器都存在着滤波不足，范围窄，价格贵和制备难等问题。
5.文献cn201810346092.7公开的具有可调谐宽带偏振滤波功能的光子晶体光纤，提出了一种具有可调谐宽带偏振滤波功能的新型结构的光子晶体光纤，该光纤由于本身具有高双折射特性，不用改变既定光纤结构，仅仅通过改变所填充液体折射率，就可以实现不同波长处的宽带偏振滤波功能，虽然该发明也应用了spr的原理，但是光子晶体光纤的制备以及普适性并没有那么高，对于后续的发展作用不强，并且该滤波器有滤波不足的问题。
6.文献cn201920365606.3公开的一种高损伤阈值偏振滤波器，提出了基于空芯反谐振光纤与spr结合，在实现好的偏振性能的同时消除因材料本身带来的固有损耗及光学非线性等其他损耗，但是该滤波器具有所涉及的光纤制作复杂，并且存在所应用范围窄等问题。
7.文献cn201910311900.0公开的一种全保偏型宽带可控光纤滤波器，提出了全保偏型宽带可控光纤滤波器，但是整体结构过于繁琐，所应用的范围也过于集中,主要还是在1500nm左右。
8.文献cn202011586538.7公开的一种可调超窄带光纤滤波器，提出了由两个或两个以上的光纤环级联而成，每一个光纤环是由两个光纤耦合器通过两对端口对应连接形成的
环状光纤结构，虽然该滤波器可同时实现高透射、超窄带滤波和大自由光谱范围，但是该滤波器都是作用在1550nm左右附近波段，所应用范围过于局限。
9.文献cn201910948040.1公开的一种光纤型超宽带带阻滤波器，提出了运用第一单模光纤、涂覆涂层的啁啾长周期光纤光栅和第二单模光纤组合出的超宽带滤波器，但是光纤光栅价格贵，不利于大量制备，结构上也并不简便，同时作用范围也依然是传统的1200～1800nm之间。
10.文献cn201920860337.8公开的一种宽带可变的波长可调谐光纤滤波器，提出了由光束发射装置、光束接收装置、机械转镜、聚焦元件、光栅和全反射镜组成的滤波器，该滤波器所用结构过于繁琐，并且要求精度很高，虽然有可调作用，但是作用波长传感效果好的部分较窄。
11.文献“贾平岗，左方俊，刘磊等.表面等离子体共振型光子晶体光纤偏振滤波器性能优化设计方法[j].重庆大学学报,2021,44(9):139-146.”提出了一种常见的基于表面等离子体共振的光子晶体光纤为载体，通过局部参数调整设计，提出了基于spr效应的pcf偏振滤波器性能优化设计方法，但其讨论的滤波范围作用的最好的部分集中于1400nm左右，半宽度也很窄，可调性差。
[0012]
文献“c.liu,ly.wang,fm.wang et al.tunable single-polarization bimetal-coated and liquid-filled photonic crystal fiber filter based on surface plasmon resonance[j].appl.opt.,2019,58(32):6308-6314.”提出一种基于表面等离子体共振(spr)的双金属涂层单偏振光子晶体光纤(pcf)滤波器，可以同时在1310nm和1560nm处进行滤波，但其并不能实现可调特性，只能在固定波长进行滤波操作。
[0013]
文献“ec.chen,s.liu,p.lu et al.tunable 2mu m fiber laser utilizing amodified sagnac filter incorporating cascaded polarization maintaining fibers[j].ieee photon.journal,2020,12(1).”提出了一种基于改进的sagnac滤波片的宽可调谐2μm光纤激光器，该滤波器结合了级联偏振保持光纤使用自由调谐步骤可以获得超过40nm的调谐范围，范围从1859nm到1901nm，但是其滤波范围过窄，制备复杂。
[0014]
本发明公开了一种基于spr原理的宽范围可调光纤滤波器，可用于宽范围可调的滤波作用，该器件易于集成，对于宽范围可调滤波器件的研究具有重要的实际价值。它采用宽谱光源通过隔离器经过两个镀有不同金属膜，封装在折射率不同的固定匹配液的侧抛d型光纤，并且将两光纤进行级联处理，根据等离子体共振机理，从而选择性的吸收特定波长的能量，达到理想的滤波效果。与之前的技术相比，本发明可以充分滤波，所应用的波长范围宽，性价比更高，制备简单，适合大规模生产制造。
(三)

技术实现要素：

[0015]
本发明目的在于提供一种制备简易，性价比高，可调性好的宽谱滤波系统。
[0016]
为实现上述本文发明的目的，我们采用的技术路线如下：
[0017]
一种基于spr原理的宽范围可调光纤滤波器。由宽谱光源1、涂有金属膜的光纤2、涂有金属膜的光纤3、光谱分析仪4以及隔离器5组成。光纤2由侧抛d型的光纤201，表面所镀金属膜202和二维材料薄膜203以及封装固定折射率匹配液204组成，光纤3由侧抛d型光纤301，表面镀所金属膜302和二维材料薄膜303以及封装固定折射率匹配液304组成。从宽谱
光源入射的光经过隔离器进入光纤2、3，在镀有金属膜的部分产生表面等离子体波，由于对于两个光纤封装液体折射率不同，就可以选择吸收特定波长能量，达到滤波的效果。
[0018]
上文所述的光纤spr是等离激元的一种入射光和金属导体表面的自由电子相互作用产生的一种机理，即光线从光密介质入射到光疏介质，当入射角大于全反射临界角时，会发生全反射现象，而如果两种介质表面有一层金属膜，全反射时会产生倏逝波将进入金属膜，并与金属膜中的自由电子发生相互作用，从而激发沿着金属薄膜表面传播的等离子体波，当入射角的角度或者波长满足一定的条件时，入射光的大部分能量会转换成表面等离子体波的能量，从而使反射光能量突然下降，而我们所采用的是波长调制的方法，存在共振波长，共振峰对环境折射率的变化很敏感，折射率的变化会导致共振峰的漂移，这就是spr现象应用于折射率传感的原理。共振峰的特征参数不仅与金属膜的种类和厚度有关，还与光纤的参数和外界环境折射率的大小有关。
[0019]
通过理论可知，以下为k
sp
和kz的公式
[0020][0021][0022]
由上述公式可知，光纤spr的透射率与外部环境的折射率，金属层的介电常数以及金属膜层的厚度存在关系，这也是我们进一步对性能进行优化的依据。
[0023]
在对滤波器中所使用的光纤的选择上，虽然光纤的种类有所差异，但是均能实现本专利所设计的功能，因此我们专利中的光纤类型按模式分类可分为：相对折射率范围为0.005～0.01，数值孔径为0.12～0.2单模光纤或符合本发明的具有相应相对折射率范围以及数值孔径的多模光纤，按光纤材料和结构可分为：石英光纤或者相对折射率范围为0.5～0.8，数值孔径为0.08～0.35的微结构光纤或者符合本发明的具有相应相对折射率范围以及数值孔径的塑料光纤等。专利中所使用的光纤可以为以上光纤种类的任意一种，对其中的任一种光纤的选择都根据本专利的构思，而达到不同性能的滤波效果。
[0024]
在决定光纤的形式之后，由理论可知，这种spr效应主要是对光纤传播中的倏逝场的利用，为了增大倏逝场，我们采用去除包层的光纤，这种特殊光纤的形式可以为单d型光纤或双侧抛d型光纤或抛去一定包层的圆形光纤。
[0025]
为了使光纤中的光场能够正常传输同时又能增加倏逝场的强度，我们通过侧抛包层的方式，使剩余包层的厚度在0.5-1μm。
[0026]
在增大倏逝场之后充分利用spr的原理成为接下来要解决的关键问题，我们采用金属膜加上二维材料的增敏介质的方案。首先，对于光纤2和光纤3中金属薄膜202，302所镀金属膜种类搭配可以有很多种，如贵金属金或者银或者金银混合，基于光纤spr的原理和各个金属折射率的色散特性不同，在光纤上镀不同金属膜，对于所应用的波长范围也不同，这也证明了本发明滤波器的所应用范围之广。
[0027]
为了能够更好地利用这种倏逝场，上述所镀金属膜厚度为20～50nm，在此区间内的共振波长会随厚度的增加而红移，根据所需滤波波长以及和二维材料之间的作用效果可以在制备光纤时，选择所镀膜的厚度。
[0028]
同时，为了继续增强spr现象的灵敏度以及提高性能，结合二维材料的独特的量子
限域效应，量子相干性和表面效应，我们选择二维材料石墨烯或者mos2作为增敏物质，
[0029]
根据前期的仿真优化，本发明中滤波器所选择的二维材料层数为1～4层，厚度为0.34～2.6nm，选择层数和厚度适合的二维材料，根据本发明的滤波器所需，与金属膜厚度匹配变化，从而共同具备调谐共振峰半峰宽，共振峰波长以及透射峰强度的作用。
[0030]
根据研究计算可得，在本发明滤波器的测量范围内有效折射率范围为1.4496～1.4473，根据此范围我们可以拟合出有效折射率曲线，可准确的令spr出现。
[0031]
对于本发明的滤波器来说，当光纤2，3作为未级联时，可实现滤波器的窄带滤波操作，基于spr原理实现对于所滤波长的调控，实现可调窄带的滤波操作。由透射率公式：
[0032][0033]
其中λ为波长，im(n
eff
)为有效折射率虚部，l指传感长度。l的范围控制在1-3μm。
[0034]
根据上式计算可得，光纤spr的共振峰透射率为0～0.3，透射峰半峰宽控制在15～20nm。
[0035]
对于宽带滤波，我们采用多级联的方式来实现，由于两根光纤所镀金属膜以及二维材料的不同，共振波长也是不一样的，当两根光纤级联之后，共振峰会呈现变宽的效果，实现宽带滤波，随着匹配液的改变，共振峰的位置会发生改变，达到可调节波长的效果。
[0036]
上述中外部封装不同浓度的溶液进行共振波长的调谐，溶液的浓度在1.33-1.36之间。
[0037]
通过公式(3)可分别得出光纤2与光纤3共振峰透射率，将其值代入总透射率公式,即下式中可计算出最终透射光谱图：
[0038]
t
总
＝t1·
t2ꢀꢀꢀ
(4)
[0039]
其中t1，t2分别为光纤2，光纤3的共振峰透射率，为了研究光纤的传输特性，我们进一步计算了光纤的损耗，以证明本发明滤波充分的特点，光纤损耗公式如下：
[0040][0041]
上式公式中λ为波长，im(n
eff
)为有效折射率虚部。我们的波长选用400-1300nm，通过公式计算在所滤波长内，光纤损耗范围为21～100db/cm，共振峰透射率为0～0.3，由于本发明透射率低，光纤损耗大，可实现充分滤波。
[0042]
鉴于本发明的光纤滤波器的可调性以及作用的波长位置、峰宽不一样，应用于实际中时可以更好地完成所需，所以光纤2、光纤3的组合，基于所用光纤的特性不相同，产生的组合方式也不同。
[0043]
通过对于两个光纤传感原件的设计，不仅单个光纤的共振峰半峰宽很宽，透射率低，级联后的整体更是增大了所滤波长的范围，通过对判别电路的设定，可以达到可调充分滤波的效果。
[0044]
调谐金属膜层以及二维材料的厚度和外部折射率，本专利设计的滤波器可在400～1300nm实现滤波带宽为(100
±
20)nm。
[0045]
上述描述了本专利的理论设计部分，对于实验制备上，主要包括去包层、镀膜工艺、封装工艺，简要概述如下：
[0046]
由于需要让表面等离子体波充分产生，以备后续可充分滤波，首先要将光纤包层剥离，其次我们运用轮式光纤侧边抛磨法制备侧抛d型光纤，采用固定有研磨料或研磨砂纸
的旋转砂轮对放置在水平面上的光纤进行来回研磨。结合前期对于光纤的仿真数据，选择将光纤包层剩余厚度抛至0.5-1μm，具体实施可根据光纤的类型改变，来匹配相应的光纤剩余包层厚度，在这个基础上镀金属薄膜和二维材料，这对于共振峰的产生以及透射峰的深度起到有益效果。
[0047]
为了进行可调宽带滤波，本发明利用光纤熔接机将光纤2，光纤3级联在一起。首先利用剥线钳将光纤的涂覆层剥去，并通过光纤切割刀将两种去除涂覆层后的光纤端面切割平整，最后通过酒精棉片或去离子水将光纤表面冲洗干净保证传感区域无杂质影响，然后将处理好的光纤2与光纤3放入光纤熔接机中，在熔接机的显示界面选择合适的熔接模式将纤芯对准过后进行熔接，实现级联操作。
[0048]
光纤2与光纤3中的外部固定折射率固化封装204，304，采用紫外固化技术，将所要应用的不同折射率的物质附于二维材料上面，再利用紫外光固化。紫外可固化材料，是通过紫外光引发聚合的高分子材料，最常见的紫外光固化材料有三大类，丙烯酸酯类，环氧树脂类和乙烯醚类。
[0049]
光纤镀膜工艺关系到是否可以精准在光纤抛面上镀上所设计的金属膜，本发明的光纤镀膜流程如下：首先采用物理剥离化学腐蚀的方式加工一定长度只剩下裸露纤芯的传感层域，然后将去除涂覆层和包层的光纤从夹具中取下，使用丙酮、酒精和蒸馏水对光纤纤芯裸露区进行多次清洗。保证镀膜前待镀膜区域表面洁净。因为本发明所设计的基于spr原理的光纤滤波器对膜层厚度、均匀性以及与光纤粘附性要求较高，所以本发明将采用磁控溅射真空镀膜设备镀膜，真空镀膜仪溅射室中心位置是一个可以水平方向360
°
旋转圆形卡槽，卡槽上放置一个可以取下的小圆盘，可以将光纤镀膜用的夹具放置在这个圆盘上然后固定在卡槽上。为了能够保证光纤侧面传感区域膜层厚度均匀，光纤侧面镀膜时不仅需要匀速转动光纤镀膜夹具圆盘，还需要光纤自身同样匀速转动，保证镀膜的均匀性。将光纤放置好后，电机开启后将带动光纤匀速转动，沉积环境真空环境压力设置为在4.5
×
10-6
torr下，本发明沉积速率约为0.2nm/s，在对光纤镀膜时，在同样镀膜条件下根据所需薄膜厚度来设置沉积时间，从而进行控制金属膜厚度。
[0050]
近些年来，二维材料越来越受到大家的青睐，它们具备卓越的物理特异，如比表面积大、机械强度高、导电性能好和生物相容性好，有相当高的响应率、高的电子迁移率、优良的吸收和发射特性等等。由于其优势，可以将二维材料应用于各个领域的研究，尤其是在提高spr传感器的灵敏度方面显示出极大的优势。本发明根据每种二维材料的特性不同，其薄膜203以及薄膜303可以选择具备高电子迁移率、拓扑保护状态、可调的能带结构和较高的热导率的二维材料，如石墨烯，mos2等，根据滤波器所应用的场景可任意选择合适的二维材料，方便生产生活中的应用。
[0051]
经由上述的技术方案可知，本发明的优点如下：
[0052]
与现有技术相比，本发明能够在该系统结构中有选择性的对所需波长进行滤波，并且与其他同类型专利相比，具有良好的可调性，波长范围宽，可以进行宽范围滤波，基于spr的原理，可实现充分滤波，制备工艺简单，性价比高，应用范围广等优点。
(四)附图说明
[0053]
图1为一种基于spr原理的宽范围可调光纤滤波器。其特征是：它由宽谱光源1、涂
有金属膜的光纤2、涂有金属膜的光纤3、光谱分析仪4以及隔离器5组成。光纤2由侧抛d型的光纤201，表面所镀金属膜202和二维材料薄膜203以及封装固定折射率匹配液204组成，光纤3由侧抛d型光纤301，表面镀所金属膜302和二维材料薄膜303以及封装固定折射率匹配液304组成。
[0054]
图2为d型光纤侧抛镀膜图。其特征是：它由纤芯1，包层2，金属膜层3，二维材料层4组成。
[0055]
图3为圆形光纤镀膜示意图。其特征是：它由纤芯1，包层2，金属膜层3，二维材料层4组成。
[0056]
图4为宽谱滤波效果图一，其特征是，滤波范围为650～730nm。
[0057]
图5为宽谱滤波效果图二，其特征是，滤波范围为1000～1160nm。
(五)具体实施方式
[0058]
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
[0059]
图1给出了一种基于spr原理的宽范围可调光纤滤波器的实例图。系统由宽谱光源1、涂有金属膜的光纤2和光纤3，光谱分析仪4和隔离器5组成。光纤2由侧抛d型的光纤201，表面所镀金属膜202和二维材料薄膜203以及封装固定折射率匹配液204组成，光纤3由侧抛d型光纤301，表面镀所金属膜302和二维材料薄膜303以及封装固定折射率匹配液304组成。宽谱光源1经隔离器5输入到光纤2，在光纤2和光纤3侧抛区域形成倏逝场进入金属薄膜，并与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发由金属薄膜表面传播的表面等离子体波，于封装固定折射率204和304的折射率不同，根据等离子体共振机理，从而选择性的吸收特定波长的能量。通过光纤2和光纤3的级联，透射出的光谱被光谱分析仪4接收，从而实现宽范围可调的滤波作用。
[0060]
下面结合具体实施例对本发明所述的一种基于spr原理的宽范围可调光纤滤波器作进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。
[0061]
实施例1为宽谱滤波1。
[0062]
将光纤侧抛为如图2的d型光纤，剩余包层为0.5μm，在光纤2上镀上40nm的金膜和单层石墨烯，用折射率为1.33的折射率匹配液进行封装，在光纤3上镀上40nm金膜和单层石墨烯，并用折射率为1.36的折射率匹配液进行封装，打开宽谱光源经过隔离器，在侧抛区域形成倏逝场进入金属薄膜，激发表面等离子体共振，透射出的光被光谱吸收仪接收，取得相应的峰值波长。根据图4所示，可看到共有两个透射峰，峰值在665nm和710nm处出现，透射率在0.1～0.13，由于光纤2，3的级联结构，经过后续处理，宽谱范围为80nm，光纤损耗为25db/cm,可以进行很好地滤波效果。
[0063]
实施例2为宽谱滤波2。
[0064]
使用如图3的圆型光纤，在光纤2上镀上50nm的金膜和20nm的tio2，用折射率为1.35的折射率匹配液进行封装，在光纤3上镀上50nm金膜和20nm的tio2，并用折射率为1.36的折射率匹配液进行封装，打开宽谱光源经过隔离器，在镀膜区域形成倏逝场进入金属薄膜，激发表面等离子体共振，透射出的光被光谱吸收仪接收，取得相应的峰值波长。根据图5所示，可看到共有两个透射峰，峰值在1000nm和1060nm处出现，透射率在0.08～0.1，由于光纤的级联结构，经过后续处理，宽谱滤波范围为120nm，光纤损耗为780db/cm,可以进行充分
滤波。
[0065]
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。