專利名稱：一種基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電子器件制備領域，特別是一種基于Mie散射的光纖衰減器的結構 單元及其應用。
背景技術：
當光路中傳輸?shù)哪芰砍^預定值時，需要對其進行衰減，這時需要用到光衰減器。 在光通信和光傳感中，傳統(tǒng)光衰減原理主要包括以下幾種1、控制兩光纖耦合時的對準精 度，產(chǎn)生耦合誤差，并利用該誤差實現(xiàn)光衰減；2、利用光纖的彎曲損耗，即破壞波導內(nèi)全反 射條件來實現(xiàn)光衰減；3、在光路中增加吸收體或反射元件，進行光衰減；4、周期性改變光 纖芯層或包層折射率，從而在纖芯模與包層模之間產(chǎn)生共振耦合，使光能由纖芯向包層傳 遞，并在傳輸過程中逐漸泄露出光纖而損耗掉?；谝陨显淼目烧{(diào)光衰減器通常需要利 用較為復雜的熱控或電控機械裝置，以便控制諸如光纖耦合時的對準精度、光纖彎度、折射 率變化量、吸收體的有效長度等物理量，從而實現(xiàn)對衰減強度的控制，其往往伴隨有接入損 耗大、響應速度慢、對波長過于敏感、機械穩(wěn)定性差的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題，提供一種具有可實現(xiàn)寬波段均勻光衰減、 衰減幅度可調(diào)范圍大、背向反射小，且結構簡單、易于集成、對波導結構不會產(chǎn)生破壞、耐高 溫、高可靠性、低接入損耗、控制使用方便、成本低廉的光纖衰減器的結構單元及其制造方 法。本發(fā)明的技術方案
一種基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元，包括包層、纖芯和改性區(qū)，改性區(qū)位于包 層和纖芯之間并在包層和纖芯內(nèi)任意擴展，所述改性區(qū)在包層和纖芯內(nèi)任意擴展包括對稱 分布或非對稱分布，其填充部位為全部充滿纖芯區(qū)、部分充滿纖芯區(qū)、擴展到纖芯區(qū)之外、 將包層與纖芯區(qū)均充滿、僅局限在光纖包層和部分跨越包層與纖芯區(qū)各種類型。一種所述基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元的制造方法，利用超短脈沖激光 輻照光纖，產(chǎn)生任意分布狀態(tài)的材料改性區(qū)，并通過調(diào)節(jié)加工參數(shù)實現(xiàn)對改性區(qū)的折射率、 密度、沿光纖徑向尺寸和改性區(qū)長度的控制，所述超短脈沖激光為由摻鈦藍寶石飛秒脈沖 激光振蕩器、放大器和光參量放大器輸出的脈沖激光；所述調(diào)節(jié)加工參數(shù)包括激光波長 為200 nm - 5000 nm ；脈沖寬度為10 fs - 100 ps ；激光功率為0. 01 mff - 500 mff ；激光 偏振態(tài)為線偏振、圓偏振或橢圓偏振；激光脈沖重復頻率為1 Hz - 100 kHz;聚焦焦點處激 光光斑截面的直徑為0. 1 μ m - 30 μ m ；激光聚焦焦長為1. 6 mm - 32 mm ；焦斑的位置在 光纖包層或纖芯內(nèi)；激光掃描或光纖運動速度為1 ym/s - 10 mm/s。一種所述基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元的制造裝置，由刻寫光路、YZ定 位監(jiān)測光路、XZ定位監(jiān)測光路、透射譜探測光路和光纖波導固定架構成，刻寫光路包括800 nm飛秒激光系統(tǒng)、第一反射鏡、第二反射鏡、第一光闌、圓形漸變衰減器、第二光闌、800 nm
3全反介質(zhì)鏡和聚焦裝置；TL定位監(jiān)測光路包括第一濾光片、第一聚焦透鏡、第一 CXD和第 一監(jiān)視器瓜定位監(jiān)測光路包括照明光、狹縫裝置、反射鏡、第二聚焦透鏡、第二濾光片、第 二 CXD和第二監(jiān)視器；傳輸譜探測光路包括、寬帶光源、第三聚焦透鏡和OSA ；光纖波導固定 架為凹形結構，固定架上設有兩個用于固定光纖的凹槽，并通過固定夾片夾緊待加工光纖， 該固定架安裝在一個XYZ三維平移臺上?！N所述基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元的應用，由一個或任意多個基于 Mie散射的光纖衰減器結構單元級聯(lián)構成可調(diào)光纖衰減器，光纖衰減器對入射光的總體衰 減程度通過改變單位長度改性區(qū)的Mie散射的強弱來控制，或者通過增加衰減結構單元中 改性區(qū)的長度和衰減結構單元的數(shù)量來調(diào)節(jié)。本發(fā)明的優(yōu)點是1)與現(xiàn)有其它衰減方法相比可以實現(xiàn)更接近均勻的寬波段光衰 減；2)衰減量大且范圍可控，單個器件的衰減強度可實現(xiàn)0-25 dB可調(diào)節(jié)且易于實現(xiàn)，即可 以通過改變激光加工參數(shù)來改變單個基本衰減結構單元中改性區(qū)的衰減量，同時也可以通 過將兩個以上的衰減結構單元的級聯(lián)組合后使用，不同衰減結構單元的間隔也可以適當調(diào) 節(jié)；3)背向反射小，且不會對主要波導結構產(chǎn)生破壞；4)器件本身有很好的溫度特性，可在 1200 °C的環(huán)境下工作，可靠性高；5)當器件本身為光纖器件時，其接入損耗低，使用方便， 無附加元件，易于集成；6)結構簡單，成本低廉。


圖1是本發(fā)明光纖衰減器的基本結構單元示意圖，圖中
i).為改性區(qū)域充滿纖芯；
ii).為改性區(qū)域部分充滿纖芯區(qū)；
iii).為改性區(qū)域擴展到纖芯區(qū)之外；
iv).為改性區(qū)域?qū)鼘优c纖芯區(qū)均充滿； ν).為改性區(qū)域僅局限在光纖包層；
Vi).為改性區(qū)域部分跨越包層與纖芯區(qū)。圖2是一種光纖改性區(qū)掃描電鏡圖片。圖3是光纖Mie散射顯微鏡照片。圖4是刻寫光纖衰減器的裝置示意圖，虛線部分表示光線路徑，
圖中1.800 nm飛秒激光；2.第一反射鏡；3.第二反射鏡；4.第一光闌；5.圓形漸變 衰減器；6.第二光闌；7. 800 nm全反介質(zhì)鏡；8.聚焦裝置；9.待加工光纖；10.光纖波導 固定架；11.第一濾光片；12.第一聚焦透鏡；13.第一 CXD ;14.第一監(jiān)視器；15.照明 光；16.狹縫；17.反射鏡；18.第二聚焦透鏡；19.第二濾光片；20.第二 CXD ；21.第二監(jiān) 視器；22.寬帶光源；23.第三聚焦透鏡；24. OSA ；25.固定夾片。圖5是將光纖夾在光纖波導固定架上的放大示意圖。圖6是本發(fā)明可調(diào)光纖衰減器的結構示意圖。圖7是衰減強度與改性區(qū)長度的關系曲線。圖8是衰減強度與激光輻照量的關系曲線。圖9是衰減強度與脈沖寬度的關系曲線。圖10是衰減強度與級聯(lián)的關系曲線。
具體實施例方式以下結合本發(fā)明的實施例參照附圖進行詳細敘述。實施例1
Mie散射光衰減器結構單元的制造裝置如附圖4所示。具體制造過程包括以下步驟 1)準備待加工光纖將待加工光纖(9)安裝在光纖波導固定架(10)上，即將待加工光 纖拉直后，兩端分別夾在一個安裝于三維平移臺上的光纖波導固定架的兩端，光波導的固 定架(10)安裝在一個由計算機控制的三維平移臺上。2)產(chǎn)生飛秒激光束由飛秒激光系統(tǒng)(1)輸出一束超短脈沖激光，實驗所采用的 激光中心波長為800 nm ；激光脈沖寬度為50 fs ；激光脈沖重復頻率為1 kHz ；激光偏振態(tài) 為水平線偏振；聚焦焦點處激光光斑截面的直徑約為0. 8 μ m ；激光聚焦焦長為6. 4 mm ；焦 斑的位置在光纖纖芯內(nèi)；根據(jù)不同刻制要求激光功率選在0.5 mW與1.5 mW之間；光纖運動 速度在10 μπι/s與30 μπι/s之間。3)激光聚焦到待加工光纖上該激光通過可變衰減器(5)后經(jīng)過800 nm全反鏡 (7 )反射后，再通過聚焦裝置(8 )聚焦到待加工光纖(9 )上。而后通過計算機程序控制光纖 沿著其軸向運動，以及控制光纖被刻寫的范圍；
4)監(jiān)視待加工光纖TL維度的定位和刻寫情況激光聚焦到待加工光纖(9)上以后，其 熒光透過800 nm全反鏡(7)，經(jīng)由800 nm濾光片(11)和聚焦透鏡(12)成像于CCD (13) 上，實現(xiàn)將定位情況與刻寫圖像實時傳輸?shù)奖O(jiān)視器(14)，根據(jù)監(jiān)視器(14)中的圖像可以即 時用計算機程序調(diào)整光纖Π維度的位置；
5)監(jiān)視待加工光纖TL維度的定位和刻寫情況將一個與飛秒激光系統(tǒng)(1)光束方向 平行設置的照明光源(15)發(fā)出的光束通過反射鏡(17)反射到待加工光纖(9)上，經(jīng)過聚焦 透鏡(18)和800 nm濾光片(19)后，使光纖(9)清晰的成像于置于光纖(9)正上方的CXD (20)中，并將定位情況與刻寫圖像傳輸?shù)奖O(jiān)視器(21)根據(jù)監(jiān)視器(21)中的圖像可以即時 用計算機程序調(diào)整光纖TL維度的位置。附圖7是衰減幅度隨改性區(qū)長度變化的關系曲線。由圖7中結果可見，當其它條 件不變時，增加改性區(qū)長度會使器件的衰減能力增加。附圖8是衰減量隨制造過程中所用 激光輻照量的變化曲線。由圖8中結果可見，當改性區(qū)長度一定時，激光輻照量越大，器件 的衰減能力越強。改性的程度和尺寸及填充狀態(tài)隨激光輻照參數(shù)發(fā)生變化。在需要對傳輸 光進行衰減的實際應用中，只需將該光衰減器接入光纖系統(tǒng)中就可對全光譜范圍的光進行 有效衰減。實施例2
附圖9為按照實施例1中給出的步驟，使用中心波長為800 nm、平均光功率為3 mW、重 復頻率為1 kHz的飛秒激光，聚焦物鏡為10倍物鏡，光纖運動速度為0.01 mm/s條件下，所 刻制的改性區(qū)長度為2 mm的光衰減器的衰減特性，即衰減幅度隨激光脈沖寬度變化的關系 曲線。光纖改性區(qū)掃描電鏡測試結果如附圖2所示，其輻照激光功率為100 mW，頻率為 1000 Hz，脈寬為50 fs，樣品移動速度為0.05 mm/s。由圖可知，改性區(qū)內(nèi)物質(zhì)組織狀態(tài)發(fā) 生變化，形成了微顆粒分布，可對入射光造成Mie散射，實現(xiàn)對入射光功率的衰減。實驗觀測到的一個非載氫單模光纖纖芯改性區(qū)的典型散射圖像如附圖3所示。實施例3
一種基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元的應用，由三個基于Mie散射的光纖衰減 器結構單元級聯(lián)構成可調(diào)光纖衰減器，光傳輸衰減強度的實時可調(diào)性可通過使用具有不同 衰減量的基本衰減結構單元來實現(xiàn)。如附圖6中的01、02、03為三個具有不同衰減量的基 本衰減結構單元，A1、A2、A3分別是各自對應的陣列光開關的輸入端，B1、B2、B3是對應的陣 列光開關的輸出端，A為輸入光接口、B為輸出光接口。將這些不同的光衰減器單元與陣列 光開關組合，根據(jù)需要選擇具有特定衰減量的衰減單元接入光路。
具體實施方式
以選擇衰 減單元Oi為例，則只需將其陣列開關的輸入端Ai與輸入光接口 A連接，其對應的輸出端Bi 與輸出光接口 B相連(其中i= 1，2，3)，便可實現(xiàn)對衰減量的控制和調(diào)節(jié)。另外也可通過兩 個或多個基本衰減結構單元的級聯(lián)來擴展衰減量的控制范圍。
具體實施方式
以選擇Oi與 Oj級聯(lián)為例，將Oi的光開關輸出端Bi先與Oj的光開關的輸入端Aj相連接，再將級聯(lián)后的 衰減器的輸入端Ai以及輸出端Bj分別與輸入光接口 A和輸出光接口 B相連(其中i Φ j= 1，2，3)。附圖10中曲線分別為采用一段衰減結構單元以及將兩段衰減結構單元級聯(lián)和將 三段衰減結構單元級聯(lián)后的衰減特性。
權利要求
1.一種基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元，其特征在于包括包層、纖芯和改性 區(qū)，改性區(qū)位于包層和纖芯之間并在包層和纖芯內(nèi)任意擴展，所述改性區(qū)在包層和纖芯內(nèi) 任意擴展包括對稱分布或非對稱分布，其填充部位為全部充滿纖芯區(qū)、部分充滿纖芯區(qū)、擴 展到纖芯區(qū)之外、將包層與纖芯區(qū)均充滿、僅局限在光纖包層和部分跨越包層與纖芯區(qū)各 種類型。
2.一種如權利要求1所述基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元的制造方法，其特征 在于利用超短脈沖激光輻照光纖，產(chǎn)生任意分布狀態(tài)的材料改性區(qū)，并通過調(diào)節(jié)加工參數(shù) 實現(xiàn)對改性區(qū)的折射率、密度、沿光纖徑向尺寸和改性區(qū)長度的控制，所述超短脈沖激光為 由摻鈦藍寶石飛秒脈沖激光振蕩器、放大器和光參量放大器輸出的脈沖激光；所述調(diào)節(jié)加 工參數(shù)包括激光波長為200 nm - 5000 nm ；脈沖寬度為10 fs - 100 ps ；激光功率為0.01 mff - 500 mW;激光偏振態(tài)為線偏振、圓偏振或橢圓偏振；激光脈沖重復頻率為1 Hz - 100 kHz;聚焦焦點處激光光斑截面的直徑為0.1 μπι - 30 μ m;激光聚焦焦長為1.6 mm - 32 mm;焦斑的位置在光纖包層或纖芯內(nèi)；激光掃描或光纖運動速度為1 ym/s - 10 mm/s。
3.—種如權利要求1所述基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元的制造裝置，由刻寫 光路、^定位監(jiān)測光路、)(Z定位監(jiān)測光路、透射譜探測光路和光纖波導固定架構成，刻寫光 路包括800 nm飛秒激光系統(tǒng)、第一反射鏡、第二反射鏡、第一光闌、圓形漸變衰減器、第二光 闌、800 nm全反介質(zhì)鏡和聚焦裝置；H定位監(jiān)測光路包括第一濾光片、第一聚焦透鏡、第 一 CCD和第一監(jiān)視器瓜定位監(jiān)測光路包括照明光、狹縫裝置、反射鏡、第二聚焦透鏡、第二 濾光片、第二 CXD和第二監(jiān)視器；傳輸譜探測光路包括、寬帶光源、第三聚焦透鏡和OSA ；光 纖波導固定架為凹形結構，固定架上設有兩個用于固定光纖的V形凹槽，并通過固定夾片 夾緊待加工光纖，該固定架安裝在一個XYZ三維平移臺上。
4.一種如權利要求1所述基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元的應用，由一個或任 意多個基于Mie散射的光纖衰減器結構單元級聯(lián)構成可調(diào)光纖衰減器，光纖衰減器對入射 光的總體衰減程度通過改變單位長度改性區(qū)的Mie散射的強弱來控制，或者通過增加衰減 結構單元中改性區(qū)的長度和衰減結構單元的數(shù)量來調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種基于Mie散射的光纖衰減器的結構單元，其原理是利用激光直寫技術對光纖局部改性，即改性區(qū)產(chǎn)生非均勻物質(zhì)結構，該結構可對入射光產(chǎn)生Mie散射，實現(xiàn)光衰減功能，通過控制改性區(qū)的折射率、密度、沿光纖徑向尺寸和改性區(qū)域的長度，實現(xiàn)對此類光衰減器的衰減能力的有效調(diào)節(jié)，由一個或任意多個基于Mie散射的光纖衰減器結構單元級聯(lián)構成可調(diào)光纖衰減器。利用此方法制備的光衰減器，不僅可實現(xiàn)寬波段均勻光衰減，衰減量可調(diào)范圍大，無背向或弱背向反射，而且用于波導結構的光子晶體光纖時，不會對其整體的導波特性產(chǎn)生破壞。此類衰減器結構簡單，成本低廉，能夠耐高溫，可靠性高，接入損耗低，體積小，易于集成。
文檔編號G02B6/26GK102096155SQ201110007879
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權日2011年1月14日
發(fā)明者孫小燕, 張楠, 朱曉農(nóng), 趙捷峰, 黃鵬 申請人:南開大學