專利名稱：基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微結構光纖和光纖光柵及其應用技術領域，特別是涉及一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器。
背景技術：
孩吏結構光纖(Microstructure Optical Fiber),又稱光子晶體光纖(PhotonicCrystal fiber)或多孔光纖(Holey fiber),其沿光纖軸向^要照一定-見律分布著延伸的空氣孔，按照導光機理的不同可分為兩種折射率引導型微結構光纖和光子帶隙型微結構光纖。前者與傳統(tǒng)光纖的導光機制類似，纖芯折射率高于周圍由空氣孔組成的包層有效折射率，光被約束在纖芯中傳輸；而光子帶隙型微結構光纖的包層具有周期性的折射率分布，通過光子帶隙效應將光限制在低折射率的纖芯缺陷中傳導。
微結構光纖具有特殊的傳導機制和靈活設計的結構，表現(xiàn)出許多普通光纖所不具備的優(yōu)異特性，如無截止波長單模傳導特性、可設計的色散特性和高雙折射特性等等。特別是纖芯及包層具有空氣孔分布的微結構光纖，為填充各種材料進入微結構光纖提供了空間和條件，這一特點可以極大地拓寬微結構光纖的應用領域，設計并研制出更多的新型可調諧微結構光纖器件。光纖光柵是一種重要的光無源器件，將普通的光纖光柵寫制技術與微結構光纖結合起來，可以實現(xiàn)具有特殊光鐠及耦合特性的微結構光纖光柵。1999年，B. J.Eggleton等人成功利用相位掩模法寫制了世界上第一根光子晶體光纖光柵。1999年，A. A. Abramov等人報道了一種空氣孔中填充溫敏聚合物材料的長周期微結構光纖光柵而形成的可調諧寬帶濾波器。2008年，Thomas Geemaert等人報道了在高雙折射微結構光纖上用紫外曝光法寫制出布拉格光柵，兩反射諧振峰間隔約為2.1nm。
然而，上述濾波器還存在實現(xiàn)方式不靈活、可調諧方式少、調諧范圍窄等問題。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，該濾波器的實現(xiàn)方式靈活、調諧方式多樣、調諧范圍寬、且可實現(xiàn)電調諧，能夠廣泛應用于可調諧激光器、光纖傳感器等領域，適合大恥漠的推廣應用，具有重大的生產(chǎn)實踐意義。
為此，本發(fā)明提供了 一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，其特征在于，由功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵和控制裝置構成，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵位于該控制裝置內，所述控制裝置用于產(chǎn)生、加載和調節(jié)控制能夠使雙折射光纖中的功能材料的折射率發(fā)生改變的電場、溫度、光場、磁場或聲場。
優(yōu)選地，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵為在功能材料填充的雙折射微結構光纖纖芯中形成的具有折射率周期變化的光纖光柵。
優(yōu)選地，通過利用飛秒激光或紫外激光的相位掩模曝光方法在微結構光纖纖芯形成折射率周期變化的光纖光^L
優(yōu)選地，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖為通過將液體或流
體狀的功能材料填充到微結構光纖的所有或部分空氣孔中，利用填充材料的各向異性或微結構光纖本身的結構非對稱性所形成的具有雙折射特性的
微結構光纖。
優(yōu)選地，所述孩i結構光纖為沿光纖軸向具有按照一定M^律分布的空氣孔結構的圓對稱或非圓對稱光纖。
優(yōu)選地，所述一定規(guī)律分布的空氣孔結構為在光纖橫截面內呈三角形、矩形、或蜂窩形排列的空氣孔結構，所謂空氣孔的形狀為圓形或橢圓形。
優(yōu)選地，所述孩i:結構光纖纖芯為純硅、摻鍺硅、摻硼硅或硼鍺共摻珪。
優(yōu)選地，所述功能材料為其折射率隨外加電場、溫度、磁場、聲場或光場的改變而變化的電光材料、溫敏材料、光敏材料、磁光材料或聲光材料。
優(yōu)選地，所述電光材料為液晶，所述溫敏材料為溫敏聚合物，所迷光敏材料為二硫化碳或光折變有機物，所述磁光材料為磁敏材料，所述聲光材料為聲敏材料。
由以上本發(fā)明提供的技術方案可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了 一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，該濾波器的實現(xiàn)方式靈活、調諧方式多樣、調諧范圍寬、且可實現(xiàn)電調諧，能夠廣泛應用于可調諧激光器、光纖傳感器等領域，適合大規(guī)^莫的推廣應用，具有重大的生產(chǎn)實踐意義。


圖1是基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光纖光柵濾波器
示意圖2是功能材料填充微結構光纖光柵的放大示意圖3是功能材料填充微結構光纖光柵的縱向剖面示意圖4a、圖4b、圖4c、圖4d分別是幾種典型的高雙折射微結構光纖的橫截面結構示意圖5是實施例中高雙折射微結構光纖截面示意圖6是實施例中高雙折射微結構光纖色散曲線圖7是實施例中基于材料填充的雙折射微結構光纖布拉格光柵波長隨填充功能材料折射率的變化曲線圖8是實施例中基于材料填充的雙折射微結構光纖布拉格光柵波長間隔隨填充功能材剩-折射率的變4匕曲線圖9是實施例中填充特定溫度敏感材料的高雙折射微結構光纖布拉格光柵波長隨施加溫度的變化曲線圖。
圖10是實施例中填充特定溫度敏感材料的高雙折射微結構光纖布拉格光柵波長間隔隨施加溫度的變化曲線圖。
具體實施例方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
圖1是基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光纖光柵濾波器示意圖。
參見圖1,本發(fā)明提供了一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，由功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵和控制裝置構成，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵位于該控制裝置內，參
見圖2、圖3。
在本發(fā)明中，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵是指在功能材料填充的雙折射微結構光纖纖芯中形成的具有折射率周期變化的光纖光柵，具體為通過利用飛秒激光或紫外激光的相位掩才莫曝光方法在孩i結構光纖纖芯形成周期折射率調制(即折射率周期變化)的光纖光4冊。
需要說明的是，所述微結構光纖纖芯可以是純硅或摻鍺硅、摻硼硅、硼鍺共摻硅等材料。在本發(fā)明中，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖是指將液體或流體狀的功能材料填充到微結構光纖的所有或部分空氣孔中，利用填充材料的各向異性或4鼓結構光纖本身的結構非對稱性(參見圖4a、圖4b、圖4c、圖4d所示的幾種微結構光纖)，所形成的具有雙折射特性的微結構光纖。
上述微結構光纖是指沿光纖軸向具有按照 一定規(guī)律分布的空氣孔結構的圓對稱或非圓對稱光纖，所述一定規(guī)律分布的空氣孔結構是指在光纖橫截面內呈三角形、矩形、蜂窩形或者其他規(guī)則以及不規(guī)則排列的空氣孔結構，所謂空氣孔的形狀可以為圓形、橢圓形等形狀。
在本發(fā)明中，所述功能材料是指其折射率隨外加電場、溫度、磁場、聲場或光場的改變而變化的電光材料(如液晶)、溫敏材料(如溫敏聚合物)、光敏材料(如二硫化碳或光折變有機物)、磁光材料或聲光材料(如磁敏或聲敏材料)等。
所述控制裝置的作用為用于產(chǎn)生、加載和調節(jié)控制能夠使雙折射光纖中的功能材料的折射率發(fā)生改變的電場、溫度、光場、 -磁場或聲場。例如為電源、導線和兩個金屬平板組成的電場加載裝置、高靈敏度溫控箱裝置、高功率激光照射致光壽丈材料發(fā)生非線性效應裝置等。
在本發(fā)明中，所述可調諧是指所述的雙通道光柵濾波器的通道波長或通道波長間隔的可調諧。
需要說明的是，與普通熊貓型等保偏光纖類似，本發(fā)明提供的基于功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵具有兩個分離的反射型諧振峰。對于布拉^"光柵(即采用紫外激光的相位掩模曝光方法形成的光纖光^f，前向傳輸?shù)睦w芯基模向后向傳輸纖芯基模耦合，形成反射諧振峰，由諧振條件
6幾 ( i );
在光柵周期A確定的情況下，諧振波長義由對應的模式有效折射率"^
唯一決定。在功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵中，引起基模兩個相
互正交的偏振態(tài)的有效折射率出現(xiàn)差別，于是出現(xiàn)布拉格諧振波長的分離。
可以推導出諧振波長差公式如下
△/I = 、 _
=2""砂八-2" 砂八
=25A (2); 其中，^與"w分別為兩個方向垂直的偏振態(tài)有效折射率，B為功能 材料填充微結構光纖的模式雙折射。通過改變施加到功能材料填充的雙折 射微結構光纖光柵上的電場、溫度、光場、磁場或聲場來改變填充材料的
折射率，通過改變材料填充微結構光纖的雙折射特性，可使得"喻與"啦得
到調整，從而改變兩個諧振峰的位置，同時"喻與"承變化效率的不同，導 致諧振波長差^隨折射率變化而改變，并最終實現(xiàn)波長位置和波長間隔可 調諧的雙通道光纖光柵濾波器，這是本發(fā)明最基本的理論出發(fā)點。 下面結合實施例來進一步說明本發(fā)明。
圖5為實施例中使用的微結構光纖的橫截面圖，光纖纖芯摻雜鍺材料， 1550nm處材料折射率為1.458，基底材料采用純石英玻璃，1550nm處材 料折射率為1.444，光纖包層中的橢圓空氣孔位于三角形柵格的結點上，x 方向相鄰空氣孔中心的間距設為八二1.5^im， y方向相鄰空氣孔中心的高度 設為A-2.5pm,摻鍺纖芯的半徑Flpm,橢圓空氣孔x方向短軸dx=0.9^im, y方向長軸dy-2.5^m。在這種光纖中傳導的纖芯基才莫才莫式有x， y兩個正 交的偏振方向，圖6是由有限元方法理論模擬計算得到的這種光纖中傳導 模式的色散曲線(有限元理論是本領域公知的方法，關于利用有限元方法 分析微結構光纖的方法可參見文獻A. Cucinotta, S. Selleri， et al.， "Holey fiber analysis through the finite-element method," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 14， pp. 1530-1532,2002)。從圖中可以看到在1550 nm處，兩個 偏振方向有效折射率分別為1.406938和1.401907，差值約為5*10_3。將光 纖載氫處理后，用商用柵格周期為L074iim的布拉格光柵模板，利用相位掩模紫外曝光技術，可在光纖上寫制出諧振波長在1550nrn附近的布拉格 光柵。由前述布拉格諧振條件義=2"e#A可得對應于兩偏振方向的布拉格反
射波長分別為15H.05nm和1505.65nm，波長間隔為5.4nm。
如果從1到1.444改變空氣孔處填充物材料折射率，得到布拉格光柵波 長及波長間隔隨填充功能材料折射率的變化曲線分別如圖7、圖8所示， 從圖7、圖8中可以看到兩個諧振波長分別向長波方向漂移了大約40nm 和35nm，波長間隔由5.4 nm逐沐斤減小為0.0 nm。
具體實現(xiàn)上，如果選定功能性材料為折射率溫度^t感材料，在1550nm 處，在常溫25攝氏度下初始材料折射率為1.35，溫敏系數(shù)d"自/必=4*1(T4 XT1。選取溫度范圍25攝氏度到IOO攝氏度，同樣利用有限元方法理論計
算出模式有效折射率 ，結合上述布拉格諧振條件;1 = 2 #八，可以得到
布拉格光柵波長及波長間隔的調諧結果如圖9、圖IO所示。在75攝氏度 的溫度變化范圍內，兩諧振波長分別向長波方向漂移了 5.5nm和5nm，波 長間隔減小0.5nm。可得到波長調諧效率約為60pm/。C和波長間隔調諧效 率為6pm7t:。
綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了一種基于功能材料 填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，該濾波器的實現(xiàn)方式靈活、 調諧方式多樣、調諧范圍寬、且可實現(xiàn)電調諧，能夠廣泛應用于可調諧激 光器、光纖傳感器等領域，適合大規(guī)模的推廣應用，具有重大的生產(chǎn)實踐 意義。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的 普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進 和潤飾，這些改進和潤飾也應^見為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1、一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，其特征在于，由功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵和控制裝置構成，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵位于該控制裝置內，所述控制裝置用于產(chǎn)生、加載和調節(jié)控制能夠使雙折射光纖中的功能材料的折射率發(fā)生改變的電場、溫度、光場、磁場或聲場。
2、 如權利要求1所述的光柵濾波器，其特征在于，所述功能材料填充 的雙折射微結構光纖光柵為在功能材料填充的雙折射微結構光纖纖芯中形 成的具有折射率周期變化的光纖光^h
3、 如權利要求2所述的光柵濾波器，其特征在于，通過利用飛秒激光 或紫外激光的相位掩模曝光方法在微結構光纖纖芯形成折射率周期變化的 光纖光柵。
4、 如權利要求2所述的光柵濾波器，其特征在于，所迷功能材料填充 的雙折射微結構光纖為通過將液體或流體狀的功能材料填充到微結構光 纖的所有或部分空氣孔中，利用填充材料的各向異性或微結構光纖本身的 結構非對稱性所形成的具有雙折射特性的微結構光纖。
5、 如權利要求4所述的光柵濾波器，其特征在于，所述微結構光纖為 沿光纖軸向具有按照一定規(guī)律分布的空氣孔結構的圓對稱或非圓對稱光 纖。
6、 如權利要求5所述的光柵濾波器，其特征在于，所述一定規(guī)律分布 的空氣孔結構為在光纖橫截面內呈三角形、矩形、或蜂窩形排列的空氣孔 結構，所謂空氣孔的形狀為圓形或橢圓形。
7、 如權利要求2所述的光柵濾波器，其特征在于，所述微結構光纖纖 芯為純硅、摻鍺硅、摻硼硅或硼鍺共"l參硅。
8、 如權利要求1至7中任一項所述的光柵濾波器，其特征在于，所述 功能材料為其折射率隨外加電場、溫度、光場、磁場或聲場的改變而變化 的電光材料、溫敏材料、光敏材料、；茲光材料或聲光材料。
9、 如權利要求8所述的光柵濾波器，其特征在于，所述電光材料為液 晶，所述溫敏材料為溫敏聚合物，所述光敏材料為二硫化碳或光折變有機 物，所述磁光材料為磁敏材料，所述聲光材料為聲敏材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，由功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵和控制裝置構成，所述功能材料填充的雙折射微結構光纖光柵位于該控制裝置內，所述控制裝置用于產(chǎn)生、加載和調節(jié)控制能夠使雙折射光纖中的功能材料的折射率發(fā)生改變的電場、溫度、光場、磁場或聲場。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明公開了一種基于功能材料填充微結構光纖的可調諧雙通道光柵濾波器，該濾波器的實現(xiàn)方式靈活、調諧方式多樣、調諧范圍寬、且可實現(xiàn)電調諧，能夠廣泛應用于可調諧激光器、光纖傳感器等領域，適合大規(guī)模的推廣應用，具有重大的生產(chǎn)實踐意義。
文檔編號G02B6/02GK101520555SQ200910068499
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權日2009年4月17日
發(fā)明者波 劉, 劉艷格, 昊 張, 志 王, 許劍波, 冰 鄒 申請人:南開大學