一种基于离子液体填充的单边孔微结构光纤激光可调谐滤波器

1.本发明属于光纤通信和光纤传感技术领域，涉及微结构光纤的液体填充技术，并基于离子液体的光敏特性和微结构光纤的谐振耦合效应，得到一种单边孔微结构光纤可调谐滤波器。


背景技术：

2.微结构光纤(microstructured optical fiber，mof)是一类基于光子晶体理论提出的新型光纤。由于其光纤截面存在周期性的微孔，与传统光纤相比，其结构设计更为灵活，且具有传统光纤无法比拟的无截止单模传输、大模场尺寸/小模场尺寸、高非线性以及色散可控等一系列新奇的光学特性，近年来成为光纤光学领域的研究热点，极大地促进了光纤通信和光纤传感领域的发展和进步。
3.随着光纤通信技术和光纤传感技术的迅速发展，可调谐光纤滤波器已得到了广泛应用，如公开号cn 115097658 a(公开日：2022年9月23日)，公开了一种温度调谐光纤滤波器。该申请提出了一种温度调谐的光纤滤波器，可以通过改变环境温度实现可调谐滤波，但该滤波器在外界环境温度为30℃时，在1017nm附近的光谱带宽仅为8.2nm；文献chen yufang et al,“all-optical tunable fiber filter based on phosphate glass microspheres”,chinese journal oflasers,2021,48(01),114-122.提出了一种基于磷酸盐玻璃微球腔的全光调谐光纤滤波器，该光纤滤波器使用的磷酸盐玻璃光纤直径在200～500μm之间，制备时需要满足包层玻璃和纤芯玻璃的转移温度匹配以及包层玻璃和纤芯玻璃热膨胀系数相匹配两个条件，加工难度大且成本高，因此其实际应用受限；此外，文献li xuan et al,“study on spectrum properties ofultra-narrow band fiber bragg gratings for optical fibers”,chinese journal oflasers,2023,50(14):02.则分析了超长超窄带光纤布拉格光栅滤波器的制作条件，研究发现其制作工艺复杂、成本较高、波长依赖性相对较强，以上限制了此类滤波器的实际应用。而文献申晓月,郑来芳,李芸.“基于光纤光栅的高精度大量程可调谐滤波器设计”,电子技术与软件工程,2022(22):4.提出了一种基于光纤光栅的高精度大量程可调谐滤波器，并申请了相关国家发明专利(一种滤波方向可调谐的微结构光纤宽带偏振滤波器，专利号：cn 112859234 b，授权公告日：2022年4月29日)。该专利方案通过改变光纤光栅周围环境温度和应力条件来实现可调谐光学滤波，但其工作波长范围为30-50nm，因此实际应用受限。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有可调谐光纤滤波器普遍存在的调谐范围有限、调谐灵敏度低、调谐线性度较差等问题，提供一种基于光敏离子液体填充的微结构光纤激光可调谐滤波器，能够综合离子液体在外界激光照射下的折射率响应特性以及微结构光纤的谐振耦合效应，通过调节外界照明激光功率实现可调谐滤波功能。该可调谐滤波器可在多波段同
时工作，具有波长调谐灵敏度高、工作波长范围广、非接触式调谐方式、调谐手段简便易行、结构紧凑、与现有光纤系统兼容性好、功能可扩展性强和光谱稳定性高等优点，可应用于光纤通信、传感、激光器以及集成光学等领域，同时可用于激光功率、样品折射率的感测。
5.本发明的技术方案
6.基于光敏离子液体填充的单边孔微结构光纤激光可调谐滤波器，所述单边孔微结构光纤截面具有纤芯和单边孔结构，通过对微结构光纤(mof)的边孔填充未加激光照明时折射率为1.5461的光敏离子液体(1-戊基-3-甲基咪唑碘盐)，使得微结构光纤纤芯模式与边孔内的各阶液柱模式发生谐振耦合，以形成兼具液柱波导和纤芯波导的类双芯微结构光纤结构。在满足相位匹配耦合条件的情况下，即δβ＝β
c-β
l
＝0，βc、β
l
分别为纤芯模式和液柱模式的传输常数，该光纤结构在多个波段同时具有多组不同激光光强响应特性的谐振峰，能够实现基于激光强度调谐的可调谐光学滤波，同时能够基于波长解调实现对激光功率和边孔内样品折射率的感测。
7.本发明所使用的mof基底材料为纯石英，包层边孔形状为圆形，纤芯直径为8.74微米，包层直径为125微米。边孔中心与纤芯中心间的距离为32.051微米，填充边孔半径为20微米。石英包层在1550nm处的折射率为1.444，比纤芯折射率低0.005。
8.这种新型光纤结构的工作原理如下：
9.导根据光机制不同，可以将微结构光纤分为折射率引导型光纤和带隙引导型光纤。在折射率引导型光纤中，光纤的纤芯折射率通常大于包层折射率，因此基于全内反射机制可形成光纤波导。带隙引导型光纤则是基于光子带隙效应把光场束缚在比包层折射率低的纤芯区域内传播，此类光纤可用于低损耗光传输等领域。基于全内反射原理，在微结构光纤纤芯中可同时传输lp
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基模和高阶模，但与纤芯基模相比，纤芯高阶模式的能量可以忽略，因此仅考虑纤芯基模的作用。由于未加激光照明时填充离子液体的折射率为1.5461，远大于石英基底的折射率，因此满足全内反射传输条件的情况下在液体填充区域能够激发多个局域化的高阶液柱模式。理论计算表明在1430-1640nm波段存在液柱模式lp
6,13
、lp
8,11
、lp
7,11
、lp
3,13
、lp
10,10
和lp
4,12
可以和纤芯模式之间发生耦合，并导致光纤透射光谱中多个谐振峰的出现。由于纤芯基模和不同高阶液柱模式之间的谐振耦合，这些谐振峰对外界激光强度具有不同的响应特性，利用这一特点可以实现基于激光强度调谐的光学滤波器，也可将其应用于对外界激光功率和边孔内填充液体样品折射率的同时感测。
10.模拟研究结果表明该结构在1430-1640nm波长范围内有6个谐振峰。与已有报道的其它类型光纤光强传感器相比，这种基于光敏离子液体填充的单边孔微结构光纤激光调谐滤波器具有调谐灵敏度高、谐振调谐线性度高、实现方式简便、光谱稳定性好和现有的光纤系统兼容性好等优良特性。
11.本发明的优点和有益效果：
12.该滤波器件基于外界激光照明的非接触式调谐方式，在多个谐振波长附近展现出线性度高、稳定性好的波长调谐特性，在拥有较高波长调谐灵敏度的同时，依托于光纤平台的便携性优势能够实现对外界激光光强的高精度检测。此外，该滤波器的主要优点在于能够综合离子液体在外界激光照射下的折射率响应特性以及微结构光纤中的谐振耦合效应，具有工作波长范围广、调谐灵敏度高、调谐手段简便易行、与光纤系统兼容性好等优点，此外其在多参量传感、波分复用/解复用、全光调谐系统、集成光子学等领域也具有很好的潜
在应用价值。
附图说明
13.图1为本发明中微结构光纤截面的结构示意图，其中，1为光纤纤芯，2为填充光敏离子液体的边孔。该光纤的纤芯直径和包层直径分别为8.74μm和125μm。填充边孔中心与纤芯中心间的距离为32.051μm，填充边孔半径为20μm。石英包层在1550nm处的折射率为1.444，比纤芯折射率低0.005。
14.图2为边孔内填充液体折射率在1.5455-1.5461范围内以步长0.0002变化时纤芯模式和不同高阶液柱模式有效折射率随波长的分布曲线，插图为对应高阶液柱模式的模场分布。
15.图3为图2中各谐振峰波长随边孔内填充离子液体折射率的变化曲线和线性拟合结果。
16.图4为离子液体折射率随照射激光功率上升和下降变化的响应曲线和线性拟合结果。
17.图5为图2中各谐振峰波长随激光功率变化的漂移曲线和线性拟合结果。
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
具体实施方式
19.本发明通过对单边孔微结构光纤的包层边孔填充光敏离子液体，在满足相位匹配耦合条件的情况下，这种光纤在多个波段同时具有多组谐振峰。与其他光强传感器件相比，本发明具有波长灵敏度高、谐振调谐线性度高、插入损耗小、实现方式简便、以及稳定性好等优良特性。
20.本发明所用的单边孔微结构光纤由石英构成的基底材料和单侧圆形边孔构成，其中边孔填充光敏离子液体(1-戊基-3-甲基咪唑碘盐)。填充后的光纤结构特征在于光纤纤芯区域能够存在lp
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基模和高阶模式，液柱区域能够存在多个高阶模式，当纤芯基模与液柱高阶模式存在模场交叠时，会发生光场能量的谐振耦合效应，即纤芯中的部分能量将耦合至液柱区域传输，在满足相位匹配耦合条件下，光纤的透射光谱将在特定波长位置处出现谐振耦合损耗峰。
21.图1为本发明中微结构光纤截面的结构示意图，其中数字标注1为光纤纤芯，数字标注2为填充光敏离子液体的边孔。该光纤的纤芯直径和包层直径分别为8.74μm和125μm。边孔中心与纤芯的中心间的距离为32.051μm，填充孔半径为20μm。石英包层在1550nm处的折射率为1.444，比纤芯折射率低0.005。该微结构光纤同时支持纤芯模式和边孔内的液柱模式，在满足匹配条件的特定波长处两者会发生谐振耦合。微结构光纤的光场能量在纤芯模式和液柱模式的耦合过程中由于液体对光的吸收作用而导致光纤透射光谱中损耗谐振峰的出现，其波长位置对边孔内离子液体的折射率变化具有高度敏感响应特性。
22.图2为边孔内填充液体折射率在1.5455-1.5461范围内以步长0.0002变化时纤芯模式和不同液柱模式有效折射率随波长的分布曲线，曲线上方插图展示了各阶液柱模式的模场分布。可以发现纤芯模式与各阶液柱模式的色散曲线相交，因此光纤透射光谱会在两类色散曲线交叠处发生纤芯模式向液柱模式的耦合而出现窄带谐振峰。由图2可以看到，当
填充液体折射率为1.5461时微结构光纤的纤芯lp
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基模在满足折射率匹配耦合条件时分别在1448.5nm、1460.7nm、1502.0nm、1552.1nm、1582.7nm、1622nm附近能够与高阶液柱模式发生谐振耦合，导致光纤透射光谱中出现一系列相应的谐振损耗峰。
23.图3为图2中各谐振峰波长随边孔内填充离子液体折射率的变化曲线。通过比较1430-1640nm范围内所有谐振峰的波长漂移，可以看到各谐振峰波长随着离子液体折射率的增加向长波方向线性漂移，其线性拟合度可达到0.99以上，并且可以发现1552.1nm附近的lp
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谐振峰的波长漂移灵敏度最高，可以达到9765.39nm/riu。
24.图4为离子液体折射率对激光功率的响应曲线。从图中可以发现，对于激光功率逐渐升高和下降的不同过程，离子液体折射率与激光功率之间呈现线性单调递减关系，其线性拟合度均达到0.999。
25.图5为根据图3和图4的折射率变化关系得到的各谐振峰波长随激光功率变化的漂移曲线。可以发现随着激光功率的增加谐振波长出现蓝移，而随着激光功率的减小谐振波长会发生红移，激光功率上升和下降过程中相同照射激光功率所对应的谐振波长位置符合较好，且波长调谐灵敏度接近，以上说明该调谐过程具有良好的回复性。线性拟合结果表明由于不同波段的谐振峰来源于纤芯基模与液芯区域不同高阶模式间的耦合，各谐振波长的激光功率灵敏度有所不同，此外可以看到各谐振波长随激光功率漂移的线性拟合度均可达到0.99以上。
26.本发明提出的基于离子液体填充的单边孔微结构光纤激光可调谐滤波器具有工作波长范围广、结构紧凑、非接触式光控调谐方式、光谱稳定性好和波长调谐灵敏度高等优点，此外由于谐振波长的位置以及波长调谐灵敏度取决于所填充的离子液体材料种类，因此通过对离子液体材料种类的选择能够实现对不同波段谐振峰的波长调谐，同时可以基于不同波段的波长解调实现对外界激光功率的感测。

技术特征：
1.一种基于离子液体填充的单边孔微结构光纤可调谐滤波器，其特征在于通过对微结构光纤(microstructuredopticalfiber,mof)的边孔填充未加激光照明时折射率为1.5461的光敏离子液体，使得微结构光纤纤芯模式与边孔内的各阶液柱模式发生谐振耦合，当满足折射率匹配耦合条件时，即δβ＝β
c-β
l
＝0，β
c
、β
l
分别为纤芯和液柱模式的传输常数，该光纤透射光谱中在多个波段会出现多个具有不同激光功率响应特性的谐振峰，能够实现基于激光强度调谐的可调谐滤波。2.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所使用的mof基底材料为纯石英，包层边孔形状为圆形，纤芯直径为8.74微米，包层直径为125微米；边孔中心与纤芯中心间的距离为32.051微米，填充边孔半径为20微米；石英包层在1550nm处的折射率为1.444，比纤芯折射率低0.005。3.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所述光敏离子液体为1-戊基-3-甲基咪唑碘盐。4.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所述可调谐滤波器的透射光谱中在多个波段同时存在多组对激光强度敏感的谐振峰，能够基于波长解调实现对激光功率的感测。5.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所述可调谐滤波器透射光谱中出现的谐振峰是纤芯模式和边孔液柱模式之间谐振耦合作用的结果，在不同功率激光照明下，在不同波段能够同时出现具有激光强度响应特性的多组谐振峰，因此基于波长解调能够实现基于激光光强调谐的高灵敏度光学滤波以及基于波长解调的激光功率感测。6.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所述可调谐滤波器可以对1430-1640nm波长范围内的多个谐振峰同时进行激光调谐，且调谐线性度高。7.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所述可调谐滤波器基于激光照明的非接触式调谐方式，对传感结构本身没有影响，且与现有光纤系统的兼容性好。8.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所述可调谐滤波器通过在边孔内填充折射率高于基底的液体样品，能够形成纤芯模式与液柱模式之间的谐振耦合，从而导致微结构光纤透射光谱中谐振峰的出现，因此能够基于波长解调实现对样品折射率的高灵敏度感测。

技术总结
一种基于离子液体填充的单边孔微结构光纤激光可调谐滤波器，所述光纤截面具有纤芯和单边孔结构，在边孔中填充有折射率高于石英基底的光敏离子液体材料，当光纤轴向传输光满足纤芯模式和边孔内液柱模式之间的相位匹配条件时，在特定波长处会发生纤芯模式和液柱模式之间的谐振耦合现象，从而导致在光纤透射光谱中出现一系列对边孔内液体折射率变化具有高灵敏度响应特性的谐振损耗峰。进一步通过施加外界激光照明以改变离子液体的折射率，可实现对微结构光纤透射光谱谐振波长的动态调谐。本发明具有波长调谐灵敏度高、非接触式调谐方式、与现有光纤系统兼容性好、功能可扩展性强等优点，可应用于光纤通信、传感、激光器以及集成光学等领域。成光学等领域。成光学等领域。


技术研发人员：张昊 龙啸 杨妙玲 于博 钟鸿坤 高雪晨 蔡建宇
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/28