D型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法

本发明属于全光纤集成光学器件领域，尤其涉及一种d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法。

背景技术：

1、回音壁模式(wgm)谐振腔因其高q值、小模式体积、强光场局域和对周围环境的高灵敏度，广泛应用于光学频率梳、光学传感器、非线性光学、光调制器等领域。近年来，片上wgm谐振腔因其易于集成、平面几何构图和高传输效率而得到了深入研究。然而，这些设备通常需要外部输入和输出端口，增加了wgm谐振腔集成的复杂性。

2、文献“femtosecond laser microprinting of a fiber whispering gallerymode resonator for highly-sensitive temperature measurements”与文献“micro-ring resonator devices prototyped on optical fiber tapers by multi-photonlithography”均提出了利用多光子聚合技术在锥型光纤上三维加工微环的方法。虽然结构的集成化和灵活性得到提高，但如此小的尺寸使得锥形光纤较为脆弱，且微纳光纤容易受到外界环境的影响，由于没有额外的衬底缺乏可扩展性。文献“"in-fiber whispering-gallery-mode resonator fabricated by femtosecond laser micromachining”利用浅抛光d型光纤中的纤芯作为波导耦合微腔，文献“two-dimensional tapered opticalfiber core for whispering gallery mode excitation”设计了d型光纤上飞秒激光减材波导制作，但是以上两种设计方法结构表面粗糙，耦合效率和微腔q值受限。文献“in-fiberpolymer microdisk resonator and its sensing applications of temperature andhumidity”在空心光纤中利用双光子聚合设计了wgm耦合微纳波导结构，但是光纤结构可扩展性较差，未能充分利用抛光区域作为衬底的可能性，且光纤纤芯和微纳波导直接耦合会产生较大的模式失配，降低了耦合效率。同时多光纤熔接提高了工艺复杂性，降低了结构强度。

3、上述研究表明，通过简单的耦合方法实现与光纤直接集成的可扩展、高质量、高鲁棒性和稳定的wgm谐振腔仍然是一项具有挑战性的任务。

技术实现思路

1、本发明主要目的是提供一种d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，聚合物谐振腔侧耦合到侧面抛光d型单模光纤中的聚合物弯曲微纳波导；采用飞秒激光烧蚀制备d型光纤，侧壁倾斜，聚合物wgm谐振腔和锥形波导采用飞秒激光诱导双光子聚合技术(tpp)打印；通过弯曲的波导充分利用d型光纤抛光表面形成的衬底，使光纤上直接集成外径100μm微环成为可能；d型光纤中的平坦区域可以看作是容纳不同种类光学元件的衬底，天然两个端口用于耦合光的进出，显著增强光纤直接集成设备加工的可扩展性；将结构置于不同温度下测量透射谱的变化，可实现温度传感器的应用，灵敏度达-193pm/℃，超过相似结构的灵敏度两倍以上(文献“in-fiber polymer microdisk resonator andits sensingapplications of temperature and humidity”)。本发明具有高鲁棒性、高扩展性、高耦合效率、高紧凑度、高灵敏度和高q值的优点。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构，利用弯曲结构使微纳波导位于d型光纤抛光区域的边缘位置；大直径聚合物wgm谐振腔侧耦合微纳波导；利用d型光纤抛光区域的侧壁倾角与锥型聚合物光纤渐变区域，提高从纤芯到微纳波导的耦合效率。d型光纤中的平坦区域用于容纳不同种类光学元件的衬底，d型光纤两个端口用于耦合光的进出。

4、本发明公开的d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构的加工方法为：

5、步骤一：利用飞秒激光烧蚀实现单模光纤侧面抛光，制成d型单模光纤。设计的抛光深度为71μm～73μm，使纤芯完全暴露并保留了足够的平坦的抛面区域作为衬底。抛光区域两端的侧壁倾角有一定的倾角，在方便加工的同时可提高光纤纤芯与锥型波导的耦合效率。

6、作为优选，步骤一中，对d型单模光纤抛光深度为72.5μm。

7、步骤二：将抛光区域浸没于光刻胶中并烘干。

8、步骤三：利用飞秒激光双光子聚合技术在抛光区域打印微环谐振腔和与微腔耦合的弯曲锥型波导。连接抛光区域侧壁的波导截面为6μm～9μm×19μm～21μm，兼顾波导与纤芯耦合的模式匹配和弯曲波导的中激发的高阶模式数量，用于提高传输效率。锥型渐变区域长度为10μm～20μm，用于减少模式失配造成的损耗。渐变完成前波导均附着在抛面形成的衬底上，垂直衬底方向的波导截面宽度不变，保证波导的稳定性。渐变后波导横截面为0.6μm～1μm×8μm～10μm，悬空，具有微纳光纤波导的强光场局域特点，适用于与微环谐振腔耦合。微环谐振腔外径为100μm，为目前光纤直接耦合wgm谐振腔中直径最大。微环截面为3μm～5μm×19μm～21μm，在保证结构稳定的前提下减少高阶模式的生成。微腔与波导间隔0.5μm～1μm，保证微腔与波导的强耦合效应。

9、作为优选，连接抛光区域侧壁的波导截面为6μm×20μm。锥型渐变区域长度为10μm。渐变后波导横截面为1μm×10μm。微环截面为5μm×20μm，在保证结构稳定的前提下减少高阶模式的生成。微腔与波导间隔1μm。

10、步骤四：将光纤浸没于酒精中，将未被光固化的光刻胶去除，获得处理后的d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构。

11、步骤五：将结构置于不同温度下测量透射谱的变化，可实现温度传感器的应用，灵敏度达-193pm/℃。

12、进一步地，利用本征模式展开法优化d型光纤抛光区域侧壁倾角与锥型波导渐变区域长度，提高从纤芯到微纳波导的耦合效率。

13、所述耦合效率主要取决于仿真中各元胞的波导截面光场分布的重叠积分公式，重叠积分公式如下：

14、

15、其中和分别是两个相邻元胞中元胞1的第m模式和元胞2的第n个模式的电场、磁场分布，是波导截面方向仿真区域。通过不停迭代优化最终的传输透射率。

16、进一步地，微环谐振腔与锥型波导耦合优化方法为：微纳波导与微环谐振腔的距离决定二者的耦合效率，微纳波导的长度决定耦合结构的加工稳定性和鲁棒性。

17、微纳波导与微环谐振腔的距离取决于以下公式：

18、

19、其中q0是微腔的固有品质因子，qex是引入波导后产生的品质因子，二者与微腔和波导耦合后结构的总品质因子qtot的关系为：

20、

21、利用变分时域有限差分法(varfdtd)仿真计算微环谐振腔固有品质因子q0，计算微腔和波导不同间距耦合后结构的总品质因子qtot，当q0＝2qtot时得最高耦合效率，此时微腔与波导的间距即为最优间距d1。

22、进一步地，微纳波导最短长度确定方法为：

23、微纳波导结构脆弱，过长的微纳波导加工中易变形，加工后易断裂，因此在与微腔耦合时，选用尽量短的微纳波导长度。波导渐变区域与微环的距离要足够远，防止渐变区域与微环产生耦合。利用本征模有限差分法(fde)计算波导模式在波导外的电场分布，根据电场分布确定合适的，根据几何关系，当微环外半径为r，微纳波导截面宽度为w时，微纳波导最短长度l计算公式如下：

24、当时

25、

26、当时

27、

28、其中，d1为微环谐振腔到微纳波导的距离，w1为宽波导的截面宽度，l1为波导锥型渐变区域长度，

29、进一步地，利用三阶贝塞尔曲线设计弯曲波导：

30、三阶贝塞尔曲线公式如下：

31、b(t)＝(1-t)3p0+3(1-t)2tp1+3(1-t)t2p2+t3p3 (0≤t≤1)    (2)

32、其中p0、p1、p2、p3分别为贝塞尔曲线的四个控制点。通过调控四个点的位置可以灵活调控波导的弯曲形状和波导出入口位置。

33、有益效果：

34、1、本发明公开的d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，将微环谐振腔侧耦合到侧面抛光d型单模光纤中的聚合物微纳波导，配合弯曲波导，微环谐振腔的外径达到100μm，显著提高光纤集成耦合微环谐振腔尺寸的设计上限。

35、2、本发明公开的d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，通过调控wgm谐振腔微环的尺寸和位置，配合调控弯曲波导的出入端口，微环与波导尺寸和位置调控均有很好的自由度，显著提高光纤集成耦合微环谐振腔尺寸的灵活性。

36、3、本发明公开的一种d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，d型光纤中的平坦区域用于容纳不同种类光学元件的衬底，将d型光纤抛面区域作为光学结构的衬底，显着增强光纤直接集成设备加工的可扩展性、可集成性。

37、4、本发明公开的一种d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，波导中加入锥型渐变区域，明显提高光纤纤芯与锥型波导的耦合效率。

38、5、本发明公开的一种d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，微纳波导由渐变区域波导提供支撑实现悬空，渐变后波导悬空，能够减少模式串扰。

39、6、本发明公开的一种d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，采用飞秒激光烧蚀制备d型光纤，d型光纤侧壁倾斜，更易于激光加工；聚合物wgm谐振腔和锥形波导采用飞秒激光诱导双光子聚合技术(tpp)打印，具有易于实现的优点。

40、7、本发明公开的一种d型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构及加工方法，传感器结构可实现温度传感应用，灵敏度达-193pm/℃。