本發(fā)明屬于光學(xué)濾波領(lǐng)域，具體涉及一種基于級聯(lián)相變材料復(fù)合微球腔的動(dòng)態(tài)可調(diào)光學(xué)濾波方法。

背景技術(shù)：

1、ge2sb2te5(gst)相變材料具有可逆的晶態(tài)和非晶態(tài)兩種穩(wěn)定相態(tài)，通過改變激勵(lì)條件(如熱場、電場等)，gst相變材料的折射率、光學(xué)損耗等光學(xué)性質(zhì)在相變過程中會發(fā)生顯著變化，由于這種可控的折射率等性質(zhì)的變化，這一特性使其成為動(dòng)態(tài)調(diào)控光學(xué)特性的重要功能材料。此外，通過精確控制gst層的厚度與相態(tài)分布，為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光學(xué)器件的開發(fā)與應(yīng)用提供一種全新的可能。

2、光學(xué)回音壁模式是指光在微腔內(nèi)沿著微腔表面反射多次的傳播方式，形成一種穩(wěn)定的電磁波場模式。這種模式在微腔中形成局部增強(qiáng)的光場，能夠顯著提高光與物質(zhì)之間的相互作用，使得光的探測和調(diào)控更加高效。其中，光纖微球腔是作為一種具有高品質(zhì)因子(q值)、小模體積的光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)，因其高諧振靈敏度、多模分布、低制作成本、簡易操作等特性備受關(guān)注。此外，利用錐形光纖的細(xì)長錐形區(qū)域能夠與微小尺寸的微球腔可以實(shí)現(xiàn)高效耦合，進(jìn)而大幅降低光學(xué)損耗。

3、通常，傳統(tǒng)的光學(xué)濾波器類型包括光纖光柵濾波器、薄膜干涉濾波器、法布里-珀羅濾波器、聲光和電光調(diào)諧濾波器等，各類濾波器雖展現(xiàn)了良好的濾波性能，但存在需要引入外部激勵(lì)進(jìn)行輔助、動(dòng)態(tài)調(diào)諧范圍有限、調(diào)諧速度較慢等各個(gè)性能指標(biāo)存在相互制約的情況，綜合考慮光學(xué)濾波中動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)速度、諧調(diào)波長、精度及穩(wěn)定性的高性能需求，在不引入外部激勵(lì)的條件下，需要一種更為穩(wěn)定且精準(zhǔn)調(diào)諧的大范圍動(dòng)態(tài)濾波方法。通過不同相態(tài)(晶態(tài)/非晶態(tài))層分布的gst相變材料與光纖微球腔結(jié)合以級聯(lián)形式組合，可以實(shí)現(xiàn)諧振波長的精確調(diào)節(jié)，無需外界激勵(lì)，減少了響應(yīng)延遲，具備長期運(yùn)行的可靠性；每個(gè)復(fù)合微腔的諧振波長因gst相態(tài)層分布的差異而獨(dú)立，具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍和光譜覆蓋，以及多窗口濾波能力，可同時(shí)處理多信道信號；利用錐形光纖與光纖微球腔可實(shí)現(xiàn)高效耦合，且復(fù)合微腔仍具備較高的品質(zhì)因子，濾波區(qū)域的選擇性也將得到提升。這種方法不僅避免了引入外部激勵(lì)進(jìn)行輔助操作時(shí)的影響，其級聯(lián)形式的復(fù)合微腔設(shè)計(jì)可靈活調(diào)整微腔數(shù)量與排列順序，為全光纖光學(xué)傳感系統(tǒng)集成提供了一種新的思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于級聯(lián)相變材料復(fù)合微球腔的動(dòng)態(tài)可調(diào)光學(xué)濾波方法，可實(shí)現(xiàn)無需外界激勵(lì)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、更寬的動(dòng)態(tài)范圍、多窗口濾波能力、快速響應(yīng)與高可靠性等優(yōu)異性能，具體設(shè)計(jì)為由多個(gè)有不同相態(tài)層分布的ge2sb2te5(gst)復(fù)合微球腔以級聯(lián)形式存在作為濾波區(qū)域的核心結(jié)構(gòu)。

2、本發(fā)明提供一種基于級聯(lián)相變材料復(fù)合微球腔的動(dòng)態(tài)可調(diào)光學(xué)濾波方法，布置光源信號輸入?yún)^(qū)域、濾波區(qū)域、光譜信號接收區(qū)域；所述濾波區(qū)域由多個(gè)具有相同半徑尺寸不同相態(tài)層分布的復(fù)合微球腔與錐形光纖耦合組成；所述復(fù)合微球腔等間距放置形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)；所述光源信號輸入?yún)^(qū)域提供可調(diào)諧入射光源并通過濾波區(qū)域中的錐形光纖以倏逝波的形式進(jìn)行傳輸，滿足耦合條件的復(fù)合微球腔耦合將產(chǎn)生回音壁模式，光譜信號接收區(qū)域獲得拓寬光譜覆蓋范圍以及較大動(dòng)態(tài)濾波范圍，并進(jìn)一步分析。

3、進(jìn)一步地，所述復(fù)合微球腔包括光纖微球腔和其外層涂覆混合相態(tài)的gst相變材料；所述混合相態(tài)的gst相變材料包括非晶態(tài)層和晶態(tài)層；所述錐形光纖和光纖微球腔采用單模光纖制作。

4、進(jìn)一步地，所述光纖微球腔的半徑為15～40μm；所述混合相態(tài)的gst相變材料總厚度50～200nm；所述混合相態(tài)的gst相變材料單層厚度≥10nm，且每層厚度應(yīng)保持一致；所述混合相態(tài)的gst相變材料總厚度占光纖微球腔半徑的0.3％～0.5％。

5、進(jìn)一步地，所述混合相態(tài)的gst相變材料總層數(shù)n與濾波區(qū)域級聯(lián)的復(fù)合微球腔數(shù)量n關(guān)系如下：

6、n＝n+1

7、進(jìn)一步地，所述濾波區(qū)域中的復(fù)合微球腔的gst相變材料非晶態(tài)層層數(shù)從的輸入端到輸出端依次減少；所述濾波區(qū)域中的復(fù)合微球腔的gst相變材料晶態(tài)層的層數(shù)從的輸入端到輸出端依次增加；所述晶態(tài)層層數(shù)由最外層遞增至最內(nèi)層，由全非晶態(tài)層過渡為全晶態(tài)層；所述全非晶態(tài)層過渡為全晶態(tài)層使gst相變材料的平均折射率均勻改變，以確保各個(gè)獨(dú)立的復(fù)合微球腔呈現(xiàn)連續(xù)的透射窗口，進(jìn)而滿足較好的動(dòng)態(tài)范圍拓展。

8、進(jìn)一步地，所述復(fù)合微球腔涂覆的混合相態(tài)的gst相變材料的平均有效折射率為：

9、neff(gst)＝(neff(1)·d(1)+neff(2)·d(2)+…+neff(n-1)·d(n-1)+neff(n)·d(n))/(d(n)·n)

10、其中，neff(i)為第i層的相態(tài)折射率(1≤i≤n)，當(dāng)?shù)趇層為晶態(tài)層時(shí)，neff(i)＝nagst＝6.61+1.07i，當(dāng)?shù)趇層為非晶態(tài)層時(shí)，neff(i)＝ncgst＝3.90+0.047i；d(i)為第i層的相態(tài)層厚度。

11、進(jìn)一步地，所述級聯(lián)的復(fù)合微球腔所涂覆的gst相變材料層存在差異分布，即晶態(tài)層與非晶態(tài)層的比例有所差異；所述光纖微球腔表面的gst相變材料為利用磁控濺射裝置將晶態(tài)gst相變材料或非晶態(tài)gst相變材料沉積在微球腔表面制備，通過控制裝置的作用功率與濺射時(shí)間控制gst材料層的厚度，光纖微球腔通過旋轉(zhuǎn)基底臺保持動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而保證材料在球面上分布均勻，重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)多層gst相態(tài)分布的結(jié)構(gòu)；所述非晶態(tài)gst相變材料通過將晶態(tài)gst相變材料進(jìn)行加熱處理獲得；所述加熱溫度為150～250℃。

12、進(jìn)一步地，所述濾波區(qū)域中，當(dāng)錐形光纖與復(fù)合微球腔滿足耦合條件時(shí)，各個(gè)復(fù)合微球腔將產(chǎn)生回音壁模式；所述復(fù)合微球腔產(chǎn)生回音壁模式與入射光波長滿足如下關(guān)系：

13、2πrneff＝mλ

14、其中：r為微球腔半徑；neff為微球腔的等效折射率；m為模式階數(shù)；λ為諧振波長。

15、進(jìn)一步地，所述光源信號輸入?yún)^(qū)域包括自發(fā)輻射放大光源、可諧調(diào)激光器、偏振控制器；所述自發(fā)輻射放大光源、和可諧調(diào)激光器相連接提供輸入光源信號；所述自發(fā)輻射放大光源、可諧調(diào)激光器再與偏振控制器進(jìn)行連接用于控制輸入光源信號的傳輸模式；所述傳輸模式包括tm模式或te模式；所述光譜信號接收區(qū)域包括光譜分析儀和與光電探測器相連的示波器；所述光譜信號接收區(qū)域與濾波區(qū)域中光譜信號輸出端相連接，用于光譜信號的收集與分析。

16、進(jìn)一步地，所述光源信號輸入?yún)^(qū)域入射波長經(jīng)濾波區(qū)域的輸出波長拓寬諧振波長漂移量δλ：

17、δλ＝λ0(δneff(gst)·dgst)/r

18、其中，λ0為入射波長；δneff(gst)為相鄰復(fù)合微球腔的差值；dgst為ge2sb2te5相變材料相態(tài)層的總厚度。

19、本發(fā)明的有益效果在于：

20、1.本發(fā)明方法的濾波區(qū)域中的錐形光纖和光纖微球腔(sn)都為單模光纖所制作，具備更高的耦合效率；另外，利用磁控濺射裝置將gst相變材料與光纖微球腔結(jié)合，并精準(zhǔn)控制gst材料的沉積位置、尺寸和厚度，所以主裝置的成本低。

21、2.本發(fā)明方法通過不同相態(tài)層分布的gst相變材料與微球腔組合，實(shí)現(xiàn)諧振波長的精確調(diào)節(jié)，無需外界溫度或電場激勵(lì)，減少了響應(yīng)延遲，具備更高的穩(wěn)定性和可靠性。

22、3.本發(fā)明方法采用多個(gè)復(fù)合微球腔級聯(lián)設(shè)計(jì)，且每個(gè)復(fù)合微球腔的諧振特性因gst相態(tài)層分布差異而獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)多窗口濾波，顯著擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和光譜覆蓋能力。

23、4.本發(fā)明方法級聯(lián)形式的復(fù)合微球腔設(shè)計(jì)可以靈活調(diào)整其數(shù)量與排列順序，便于與光學(xué)傳感系統(tǒng)集成，且制備工藝相對簡單。