CN116202648A - 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 - Google Patents
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Abstract
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，属于全光纤集成光学器件领域。本发明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；大外径聚合物WGM微环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，显著增强光纤直接集成设备加工的可扩展性。测量样品在不同温度下的折射率变化，灵敏度达‑193pm/℃，能够实现温度测量应用。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。
Description
技术领域
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
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。
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。
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。
发明内容
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。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
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。
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：
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。
作为优选，步骤一中，对D型单模光纤抛光深度为72.5μm。
步骤二：将抛光区域浸没于光刻胶中并烘干。
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。
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。
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。
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/℃。
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。
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：
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。
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。
微纳波导与微环谐振腔的距离取决于以下公式：
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：
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。
进一步地，微纳波导最短长度确定方法为：
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：
当
时
当
时
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，
进一步地，利用三阶贝塞尔曲线设计弯曲波导：
三阶贝塞尔曲线公式如下：
B(t)＝(1-t)3P0+3(1-t)2tP1+3(1-t)t2P2+t3P3 (0≤t≤1) (2)
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。
有益效果：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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/℃。
附图说明
图1是D型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构示意图。
图2是微环谐振腔与锥型波导的几何关系图。其中，R为微环外半径，W为微纳波导截面宽度，L为微纳波导长度，D1为微环谐振腔到微纳波导的距离，D2为微环与锥型波导间距，W1为宽波导的截面宽度，L1为波导锥型渐变区域长度，W2＝(W1-W)/2，
图3是外径100μm微环谐振腔截面宽度分别为2、3、4、5、6、7μm时的透射谱。
图4(a)是微纳波导截面电场分布图。
图4(b)是宽波导截面电场分布图。
图5是飞秒激光加工D型光纤集成聚合物环形谐振腔的加工轨迹图。
图6是D型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构共聚焦显微成像图。
图7(a)是加工的D型光纤集成聚合物环形谐振腔传输透射谱和1505nm波长附近的谐振透射放大图。
图7(b)是加工的D型光纤集成聚合物环形谐振腔用作温度传感器，在25℃～50℃的传输透射谱变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例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，利用弯曲结构设计使微纳波导位于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。微环谐振腔外径为100μm，截面为5μm×20μm，微环谐振腔与波导间隔为1μm。
利用D型光纤自带衬底的优点，通过大直径微环谐振腔腔与弯曲锥型波导侧耦合方法实现与光纤直接集成的聚合物环形谐振腔温度传感器结构。
D型光纤侧壁倾斜，更易于激光加工。利用EME计算优化D型光纤中锥型波导结构参数，抛光深度72.5μm，连接抛光区域侧壁的宽波导截面为6μm×20μm，用于提高与纤芯的耦合效率。锥型渐变区域长度为10μm，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，保证了波导的稳定性。渐变后波导横截面为1μm×10μm，用于50x物镜聚焦飞秒激光引导双光子聚合加工尺寸，渐变后波导悬空，具有微纳波导的强光场局域特点。
为实现大直径微环设计，利用三阶贝塞尔曲线设计弯曲波导。利用varFDTD计算分析外径100μm微环在不同截面宽度下高阶模的生成，图3为截面宽度分别为2、3、4、5、6、7μm时的透射谱，综合结构强度，表明截面宽度在4μm-6μm范围内可在结构鲁棒性较高的基础上减少高阶模生成，宽度为5μm作为优选。
利用varFDTD计算分析微环与微纳波导间距。微环截面宽度设为5μm。通过计算外径为100μm微环固有品质因子Q0和微腔和波导不同间距耦合后结构的总品质因子Qtot，得到最佳耦合距离约0.8μm。
利用FDE计算微纳波导最短长度。由图4所示电场分布可知，波导宽度越小波导外光场分布空间越大，光场在距离微纳波导截面边缘4μm时电场强度已小于10-12，其对微腔的耦合强度可忽略不计，因此设D2＝4μm。此时
微纳波导最短长度计算结果为36.6μm。
实施例2：
本实施例公开的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，D型单模光纤微环谐振腔侧耦合弯曲锥型聚合物波导：
样品准备：用双面胶将裁减的硅片粘贴至载玻片上，提高飞秒激光加工时反射式成像的质量。用耐高温胶带在硅片上将光纤固定。
飞秒激光烧蚀制备带倾角D型单模光纤：飞秒激光器经过OPA晶体倍频后产生波长515nm高斯光束，电动衰减片与电子快门分别调节能量和控制激光通断，20X物镜聚焦。将样品放置在移动台上，焦平面落在光纤圆柱面上表面。使激光垂直于单模光纤延伸方向竖扫扫面，激光功率8mW，扫描速度1mm/s，相邻轨迹间距1μm。每扫一层，焦平面向垂直纤芯方向向下移动2μm扫面，共扫描35面。采用去离子水在超声清洗机中清洗加工后样品5分钟，取出晾干。
双光子聚合加工D型光纤抛面上弯曲聚合物波导与侧耦合的微环谐振腔：
用滴管在飞秒激光抛光D型光纤区域滴光刻胶SZ2080，并盖上盖玻片，放入加热炉摄氏度95度一个小时去除水分。飞秒激光器产生的波长1030nm高斯光束经电动衰减片和电子快门分别调节能量，控制激光通断，使用50X物镜聚焦。将样品放置在移动台上，D型光纤抛面位于焦平面。利用实施例1中的优化参数设计加工轨迹如图5，实现结构的打印。其中，为了设计方便，微纳波导长度为40μm。激光功率4mW，扫描速度0.2mm/s，相邻轨迹间距0.3μm。扫描完成后将样品浸入酒精以完全去除未被光固化的光刻胶，获得D型单模光纤弯曲锥型波导与微环谐振腔侧耦合集成结构样品，如图6；将样品两端分别连接宽谱光源与光谱仪，测量其结构透射结果如图7(a)；结构用作温度传感器，恒温箱控制温度，测量样品在不同温度下的折射率变化，实现温度测量应用，在25℃～50℃的传输透射谱变化如图7(b)。
采用Light Conversion pH2飞秒激光器，光强分布为高斯形，激光波长1030nm，重频200kHz。所用20X和50X两种物镜均为奥林巴斯消色差反射式成像物镜。所用光谱仪型号为AQ6370D，光源采用Amonics的宽谱光源。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.D型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构，其特征在于：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。
2.如权利要求1所述的D型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构，其特征在于：微环谐振腔外径为100μm，微环截面为3μm～5μm×19μm～21μm，微腔与波导间隔0.5μm～1μm。
3.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，用于加工如权利要求1所述的D型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构，其特征在于：包括如下步骤，
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；通过对D型单模光纤抛光，使纤芯完全暴露并保留足够的平坦的抛面区域作为衬底；抛光区域两端的侧壁加工有倾角，在方便加工的同时提高波导纤芯与锥型波导的耦合效率；
步骤二：将抛光区域浸没于光刻胶中并烘干；
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；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，渐变后波导悬空具有微纳光纤波导的强光场局域特点，用于与微环谐振腔耦合；微环谐振腔外径为100μm；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；
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。
4.如权利要求3所述的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，其特征在于：步骤一中，对D型单模光纤抛光深度为71μm～73μm。
5.如权利要求3所述的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，其特征在于：连接抛光区域侧壁的波导截面为6μm～9μm×19μm～21μm；锥型渐变区域长度为10μm～20μm；渐变后波导横截面为0.6μm～1μm×8μm～10μm；微环谐振腔外径为100μm，微环与波导间隔为0.5μm～1μm；微环谐振腔截面为5μm×20μm，在保证结构稳定的前提下减少高阶模式的生成。
6.如权利要求3所述的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，其特征在于：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光纤渐变区域长度，提高从纤芯到微纳波导的耦合效率；
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：
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。
7.如权利要求3所述的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，其特征在于：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；
微纳波导与微环谐振腔的距离取决于以下公式：
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：
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。
8.如权利要求7所述的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，其特征在于：微纳波导最短长度确定方法为：
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微环与锥型波导间距D2，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：
当
时
当
时
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，W2＝(W1-W)/2，
9.根据权利1所述的D型光纤集成聚合物环形谐振腔温度传感器结构的应用，其特征在于：将样品两端分别连接宽谱光源与光谱仪，恒温箱控制温度，测量样品在不同温度下的折射率变化，实现温度测量应用。
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| CN202211560216.4A CN116202648A (zh) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | 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 |
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2022
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