【资讯】三维多通道波导光栅滤波器

• 抽象的

  分布式光纤光栅通过在纤芯中叠加不同周期的光栅来实现宽光谱响应，表现出出色的能力。这显着拓宽了光纤光栅的设计灵活性和潜在应用。然而，由于光子依次通过不同周期的光栅，不仅不可避免地存在信号串扰，而且给集成带来了挑战。在这项研究中，提出了一种三维（3D）四通道滤波器，并使用飞秒激光写入在光纤兼容材料中实现。该滤波器由 3D 分束器和四个平行的不同周期布拉格波导光栅 (WG) 组成。通过设计每条路径的光栅周期，在 50 nm 光谱间隔内紧凑地实现多个设计波长的并行滤波和反射1450–1600纳米波长。四通道滤波器整体尺寸为15.5 mm × 1 mm × 1 mm（迄今为止报道的分布式光纤光栅的最高集成度）。我们的技术将增强 3D 集成光子器件的激光制造技术，并作为高度集成的原位测量和多参数解耦传感的强大且通用的解决方案。 

关键词：

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• 光纤布拉格光栅/ 

• 波导光栅滤波器/ 

• 三维/ 

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• 飞秒激光直写

• 介绍

  光纤布拉格光栅(FBG)是通过光纤1-6的芯内的周期性折射率调制形成的光学波长敏感器件。装置中入射波和反射波之间的反向传播耦合的强度与光纤光栅7-9的结构密切相关。只有满足布拉格反射条件的光波才能被反射，从而使该器件具有优异的波长选择特性10。此外，该器件在折射率和周期方面对环境变化表现出优异的响应特性。设备反射光谱的中心波长可能随环境变化11。通过测试其反射光谱，可以提取有关温度、应力和折射率等环境因素的信息。因此，基于光纤光栅的波长选择性和环境响应特性，光纤光栅被广泛应用于滤波、通信、传感等领域12 - 20。反射光谱的中心波长由光栅周期和光栅阶数决定，通常会在跨越数百纳米的带宽内产生单个反射峰。

  为了同时反射多个离散波长并提高通信滤波和多参数传感能力，分布式光纤光栅至关重要21 – 23。这些光栅是由多个不同周期的子光栅沿纵向层叠而成。 2010年，Graham D. Marshall采用激光逐点写入方法制作了一系列具有复杂透射和反射光谱的光纤光栅。该演示展示了激光逐点写入在创建各种复杂光栅结构方面的多功能性和优势24。 2021年，王一平教授在蓝宝石光纤内制作了由布拉格光栅（BG）组成的分布式光纤光栅，并研究了其反射光谱特性和高温响应特性25。同年，王鹏飞教授在光纤内制造了超紧凑光纤光栅和马赫曾德干涉仪，从而能够同时测量应变和温度26。分布式光纤光栅的多波长反射和宽光谱响应的优点极大地扩展了光纤光栅器件的设计灵活性和应用范围27-32 。

  然而，在分布式光纤光栅中，当光子依次通过不同周期的子光栅结构时，光的多次反射会导致严重的串扰33。此外，在同一光纤上不同纵向位置处集成多个光栅降低了器件的纵向集成密度。子光栅位于光纤内不同的纵向位置。这不可避免地增加了光栅之间的间距，导致多参数原位传感的空间分辨率降低。通过并行集成多个子光栅来实现跨多个通道的并行滤波和传感是增强光栅器件性能的一种有前景的策略。近年来，飞秒激光技术已经能够分析并实现新型材料中的高质量 3D 结构34 − 36，在微观世界的表征和操纵中发挥着至关重要的作用。此外，用这种技术制造的光波导器件在经典信息和量子信息中都有广泛的应用37-41 。飞秒激光直写是实现多个子光栅42-46横向3D集成的重要技术方案。

  本研究利用飞秒激光直写技术，实现了基于熔融石英材料内不同周期BG的多通道3D滤波器的一步制作。该滤波器由级联在同一芯片上的 3D 波导光学分束器和平行阵列 BG 组成。经过3D光学分束器后，光线被均匀地分成四束空间平行的光束，并分别传输到不同周期的BG结构，并利用飞秒激光技术进行原位集成。波长范围内的并行滤波和反射1450到1600nm 是在 15.5 mm × 1 mm × 1 mm 芯片上实现的，四个中心波长间隔为 50 nm，3 dB 带宽约为 0.37 nm。滤波器中的所有波导光栅（WG）长度均为6 mm，排列在边长为127 μm的正方形的顶点上，表现出优异的紧凑集成特性和明显强大的可扩展性。我们的技术将增强 3D 集成光子器件的激光制造技术，并作为高度集成的原位测量和多参数解耦传感的强大且通用的解决方案。

  实验装置

  3D 波导分束器和具有不同周期的 BG，形成 3D 多通道滤波器，是在熔融石英内创建的。这是通过使用 515 nm 飞秒激光进行连续扫描和逐点曝光来实现的。 3D集成多通道WGs滤波器示意图如图1所示。使用数值孔径 (NA) 为 0.55 的物镜，将脉冲宽度为 290 fs 的飞秒激光聚焦到熔融石英表面下方 170 μm 的位置。激光器以 500 kHz 的重复频率运行。滤波器左侧连接宽带单模光纤，将宽带光输入滤波器并收集反射光。经过不同周期的光栅反射后，四个不同波长的反射峰将重新进入光纤。

  

  图 1.  3D 集成多通道 WG 滤波器的示意图：( a ) 1:1 平面分束器。 ( b ) 1:1 3D 分束器。 ( c ) 不同时期并行安排的工作组。 ( d ) 附在尺子上的过滤器示意图。

  
  

  熔融石英固定在 3D 空气轴承线性位移台上，该台以 0.3 mm/s 的速度连续扫描以创建 3D 光波导。飞秒激光的功率为 150 mW，在物镜之前检测到。 3D波导分束器由两级定向耦合器（DC）组成。第一级分光器采用平面布局，如图1(a)所示。耦合长度和耦合距离分别为 0.52 mm 和 6 μm，DC 实现了 0.5 : 0.5 分束。二级分路器由两个空间排列的DC组成，如图1(b)所示。耦合长度和耦合距离分别为 0.63 mm 和 6 μm，分光器实现了入射光的 0.25 : 0.25 : 0.25 : 0.25 分束。所有 DC 的分光性能均使用1550纳米激光。通过积分光纤和波导的模式重叠，计算菲涅尔损耗（0.29 dB），并测试插入损耗（5.67 dB），分别得到耦合损耗（1.25 dB）和传播损耗（0.22 dB/cm）。 DC弯曲部分半径为40mm时，弯曲损耗为1.31dB/cm。

  通过逐点曝光在波导上原位形成BG，如图1(c)所示。飞秒脉冲的不同曝光时间和激光功率在原始波导上产生折射率调制区域，从而产生WG的周期性折射率分布。在实验中，逐点曝光时间从0.5毫秒到20毫秒不等，激光功率范围从50毫瓦到450毫瓦。宽带单模光纤一端封装有滤波器第一级定向耦合器的输入端口，另一端通过光纤分路器连接超连续谱光源和光谱仪。光纤封装一体化多通道滤波器实物照片如图1(d)所示。设备整体尺寸长15.5毫米，宽和厚均为1毫米。在BG内，前向和后向传播模式之间发生耦合，并且只有满足布拉格共振条件的光才会被反射。反射方程如下

  米我=2�L,

  (1)

  其中m表示光栅阶数，Λ表示光栅周期，n表示波导芯层的有效折射率，λ表示产生谐振的反射波长。

  入射光经过3D波导分光器后被分成四束，每束光到达平行排列的不同周期性WG单元滤光片。这些滤光片产生λ的反射光作为中心波长。多个不同波长的反射光再次穿过3D波导分光器，被宽带单模光纤收集，进入光谱仪。不同周期的WG平行排列在边长为127μm、中心距离上表面为170μm的正方形的顶点位置处。基于并行WG的滤波器具有紧凑的3D集成优势，并克服了光信号多次通过不同周期光栅导致的信噪比降低和带宽有限的问题。抛光波导端面的显微镜图像、模场能量分布图以及横纵模能量提取曲线如图2所示。四分束器中光模场的能量分布为了解光在器件内的分布提供了宝贵的见解，如图2(b)所示。图2(b)所示的模场的横向和纵向强度提取曲线如图2(c)所示。这些曲线提供了有关模场能量的提取和分布的更多细节。

  

  图 2.  显微镜下 3D 波导分束器横截面图像、模式能量分布图和模式能量提取曲线。 ( a ) 具有四个波导的波导分路器的抛光横截面的显微镜图像。 ( b ) 一比四分束器的光模场能量分布图。 ( c )图(b)中模场的横向和纵向强度提取曲线。

  
  

  实验中，采用不同的器件耦合间距和耦合长度来保证3D波导分束器的均匀性。图 2(a)显示了具有四个输出波导横截面的抛光耦合器的显微图像。从图像中可以观察到横截面的上半部分是黑色的，而下半部分是白色的。黑色区域代表飞秒激光直接作用造成的损坏区域，导致折射率降低。较亮的下部代表材料的致密区域，作为波导的核心层，可以限制光线47、48。同一深度的波导截面是一致的。不同深度处波导横截面的横向宽度保持相对不变，约为4μm。然而，不同深度的波导横截面的纵向尺寸存在明显差异，随着波导深度的增加，纵向尺寸逐渐增大。例如，深度为106.5μm的上层波导的长度为26.5μm，而深度为233.5μm的下层波导的长度为36.2μm。这是由于焦点区域内激光的椭圆能量分布，其沿光轴呈现细长的椭圆体形状。椭球体的横截面尺寸由物镜的数值孔径决定，并且在不同深度处保持恒定。然而，由于聚焦效应，椭球体的长度随着深度而增加。

  3D 一比四分束器采用 1550 nm 半导体激光器进行表征。激光通过光纤输入到分光器的输入端口，输出端口的光能量分布如图2(b)所示。值得注意的是，四个端口之间的光能量分布没有明显的差异。用光功率计测量四个端口的光功率，分别为1.108、1.005、1.122和1.149 mW。由第一级分光器确定的端口 1 和 3、2 和 4 处的能量之和分别为 2.23 和 2.154 mW。因此，第一级分光比为0.51:0.49。根据端口1和端口3以及端口2和端口4的能量比，可以得到二级分光器的分光比分别为0.50:0.50和0.47:0.53。此外，提取了3D分束器中四个波导的强度分布，如图2（c）所示。从图像中提取的横向和纵向数据点用红色和蓝色球体标记，并用相应颜色绘制数据点高斯拟合得到的曲线。可以观察到模场具有椭圆形状。波导1至4的模场的横向和纵向宽度分别为6.59、7.15、6.48、6.48μm和8.83、9.67、9.42、9.42μm。不同深度的波导的模场尺寸没有表现出显着的变化。 3D均匀分束器和紧凑集成并行波导的制造为多通道WG的逐点刻录奠定了基础。

  光栅的特性受到WG逐点表征参数的显着影响。在此实验装置中，激光的单脉冲能量和逐点曝光时间受到控制。飞秒激光精确聚焦在材料内 170 μm 的深度，单脉冲能量范围为 300 至 540 nJ，曝光时间为 1 至 100 ms。逐点激光曝光后的光学显微图像如图3(a)所示。用于曝光的激光是垂直偏振的。图像显示，曝光点呈圆形，具有良好的对称性，并且没有任何明显的偏振依赖性。此外，它呈现出中心区域较暗、外围较亮的环状结构，这与图2（a）一致，波导的上端显得较暗，而下部较亮。这可能是由于用显微镜检查波导上端稀疏区域时亮料致密区域的散焦状态，受到物镜景深的影响。

  

  图 3.  不同激光曝光参数与曝光点大小之间的关系。 ( a ) 在材料内部 170 μm 深度处使用不同的激光单脉冲能量和曝光时间进行单点曝光后显示光学显微镜图像。 ( b ) 根据激光曝光时间的变化绘制提取的曝光点轮廓。 ( c ) 绘制了提取的曝光光斑轮廓，涉及激光单脉冲能量的变化。

  
  

  曝光点形貌与激光曝光时间和单脉冲能量变化之间的关系提供了进一步的见解，如图3（b）和3（c）所示。图3(b)中，从下到上不同颜色的曲线表示单脉冲能量为300nJ、激光曝光时间为1ms至100ms的曝光点形貌提取曲线。在图3(c)中，这些曲线也从下到上具有不同的颜色，描绘了激光曝光时间为 1 ms、单脉冲能量范围为 300 至 540 nJ 的曝光点形貌提取曲线。图中红色箭头所示的间距用于确定曝光点的直径。随后，用黑色文字标注图3（a）第一行和第一列中的曝光点的大小，并用不同颜色的虚线框勾勒出不同曝光参数的曝光点。从曲线中可以看出，随着曝光时间的增加，曝光点的直径没有显着变化。随着单脉冲能量的增加，曝光点的直径从2.75μm逐渐增大到4.01μm。

  此外，放大了四组参数生成的曝光点图像，包括曝光时间1 ms和单脉冲能量300、480和540 nJ，以及曝光时间25 ms和单脉冲能量。 480 新泽西州。这些图像垂直排列在图3(a)的右侧。光斑尺寸的变化与之前描述的规则一致。考虑到单脉冲能量为 300 nJ 的曝光光斑直径较小，在研究曝光时间和光栅阶次对 WG 反射光谱的影响时选择该值。此外，在考察激光功率和光栅阶数对WG反射光谱的影响时，选择1 ms的曝光时间，因为曝光时间对曝光点尺寸的影响可以忽略不计。接下来，我们利用这四组参数来制作WG，并使用傅里叶变换方法表征光栅周期。不同制备条件下WG的表征如图4所示。

  

  图4.  不同激光刻写条件下WG的光学显微镜图像、光栅图像的强度提取曲线以及强度曲线的傅里叶变换频谱曲线。左侧的红线描绘了 WG 的部分显微视图及其强度提取曲线。右侧的蓝线描绘了对强度曲线进行傅里叶变换后的光谱曲线。 ( a ) 不带光栅的单直波导。 ( b ) 三阶光栅，单脉冲能量为 480 nJ，曝光时间为 1 ms。 ( c ) 三阶光栅，单脉冲能量为 480 nJ，曝光时间为 25 ms。 ( d) 三阶光栅，单脉冲能量为 300 nJ，曝光时间为 1 ms。 ( e ) 三阶光栅，单脉冲能量为 540 nJ，曝光时间为 1 ms。

  
  

  采用图 3所示的四组激光参数来制造 WG 结构。利用傅里叶变换方法来评估光栅的周期特性。 WG 内的波导由熔融石英制成，深度为 170 μm，扫描速度为 0.3 mm/s，飞秒激光单脉冲能量为 300 nJ。图 4显示了在不同条件下制造的 WG 的特性。工作组的局部显微镜图像及其强度提取曲线在图像中用红线标记。强度分布的傅里叶变换谱曲线由右侧的蓝线表示。无光栅的纯直波导如图4(a)所示。强度曲线没有表现出折射率调制周期，并且傅里叶变换光谱曲线缺乏可辨别的空间频率。周期为 1.66 μm 的光栅设计（构成目标波长为1600nm）用于光栅直写的单脉冲能量为480 nJ，曝光时间为1和25 ms，分别如图4（b）和4（c）所示。值得注意的是，相应的频谱图表现出明显的周期性，空间频率为0.6018微米-1。同样，周期为 1.61 μm 的光栅设计（形成目标波长为1550nm）用于光栅直写，曝光时间为1ms，单脉冲能量为300和540nJ，分别如图4（d）和4（e）所示。相应的谱图表明，不同单脉冲能量下WG的空间频率为0.6213微米-1。计算确定箭头指向0.6018和0.6213光谱曲线上的 WG 周期分别为 1.662 和 1.610 μm。这些值与实验设计的周期一致，证实单点曝光时间和激光脉冲能量对光栅周期性的影响最小。研究了波导的反射率和 3 dB 带宽，重点关注其光学特性，同时考虑了曝光时间、单点脉冲能量和光栅阶次。

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