專利名稱：一種基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有雙重濾波功能的光纖光柵微結(jié)構(gòu)分束器。
背景技術(shù)：
光子代替電子，集成光路代替集成電路將極大的提高人類處理信息的速度和能力。而研究和制作各種功能型光學(xué)器件并最終實(shí)現(xiàn)光學(xué)集成是光學(xué)領(lǐng)域研究者的重要目標(biāo)之一。多模光纖是科學(xué)家們最早研制應(yīng)用的光纖結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的模式干涉導(dǎo)致多模光纖徑向光場分布隨光纖軸向距離變化而呈周期變化。多模光纖內(nèi)多模式干涉效應(yīng)最為廣泛的研究是基于單模-多模-單模(SMS)光纖結(jié)構(gòu)，即利用單模光纖作為引入端將光引入到多模光纖內(nèi)，接著再次利用單模光纖將光從多模光纖的另外一端引出。利用SMS結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)位移、折射率以及多參量同時(shí)的測量，并可以研究應(yīng)變響應(yīng)。在光纖通訊中，SMS結(jié)構(gòu)被期望實(shí)現(xiàn)濾波功能，2006年Optics Letters上發(fā)表了加拿大Toronto大學(xué)的Waleed S. Mohammed 博士等的利用SMS中模式干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶通濾波的論文，展示了 13nm的3dB帶寬，該濾波器相對于傳統(tǒng)的濾波器具有0. 4dB低插入損耗、結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉等特點(diǎn)。另一方面，自從K. 0. Hill等人于1978年首次研制出世界上第一個(gè)光纖光柵，即光纖布拉格光柵以來，無論是光纖光柵的寫入方法、理論研究還是應(yīng)用都獲得了飛速發(fā)展。在光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵的基礎(chǔ)上人們已先后研制出一些具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵，比如啁啾光纖光柵、高斯光纖光柵、高斯變跡光纖光柵、相移光纖光柵、超結(jié)構(gòu)光纖光柵、傾斜光纖光柵、長周期光纖光柵等。新型光子晶體光纖和微納光纖的出現(xiàn)，更加為光纖光柵的發(fā)展增添了新元素，可以相信，光纖光柵必將在通信、傳感及其相關(guān)領(lǐng)域獲得進(jìn)一步的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。通常意義上的光纖光柵一般都是在單模光纖內(nèi)制作，多模光纖內(nèi)制作光柵光譜響應(yīng)相對復(fù)雜，不能夠制作傳統(tǒng)意義上的濾波器，但在光纖傳感領(lǐng)域，多模光纖內(nèi)寫入光柵可以具有不同于單模光柵光譜響應(yīng)的特點(diǎn)，可以用于多參量傳感。多模光纖光柵還被用來提供特定要求的光纖激光反饋。但多模光纖中各種模式分布會隨著激勵條件、光纖彎曲等因素發(fā)生變化，因而多模光纖光柵光譜無法穩(wěn)定。如果能夠控制多模光纖內(nèi)模式分布情況，將使得利用多模光纖光柵的光譜響應(yīng)相對穩(wěn)定，從而使多模光纖光柵像單模光纖光柵那樣應(yīng)用廣泛。本發(fā)明將SMS結(jié)構(gòu)與光纖光柵技術(shù)相結(jié)合,提出一種具有雙重濾波功能的光纖光柵微結(jié)構(gòu)分束器。該器件不同于簡單的多模光纖光柵器件，構(gòu)造具有橫向?yàn)V波特性的單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)中的多模光纖內(nèi)寫入縱向?yàn)V波光柵，實(shí)現(xiàn)橫縱雙重光纖濾波。該濾波器件在能夠具備了多模光纖光柵的光譜響應(yīng)特性的同時(shí)，保證了器件的穩(wěn)定和可控性。利用這種結(jié)構(gòu)在多模光纖段穩(wěn)定激勵起的數(shù)個(gè)模式與光柵的相互作用以及模式相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)分束，可廣泛應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域，作為用于波分復(fù)用的前置器件
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)簡單、具有雙重濾波功能的光纖光柵微結(jié)構(gòu)分束器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的寬譜光源(I)連接單模光纖(2)的輸入端，單模光纖(2)的輸出端連接多模光纖
(4)的輸入端，在多模光纖中寫入長周期光柵，多模光纖(4)的輸出端連接CXD探測器。多模光纖纖芯直徑為125 μ m > d ^ 105 μ m。單模光纖與多模光纖可以通過錯位焊接連接在一起。
多模光纖還可以由包括雙芯光纖、環(huán)形芯光纖和三芯光纖在內(nèi)的特種光纖代替。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明能夠通過控制單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)的橫向?yàn)V波特性來控制多模光纖中激勵的模式，相對于簡單的在多模光纖內(nèi)寫入光柵將具有極高的穩(wěn)定性和可控性。采用的光纖材料和器件均為標(biāo)淮光纖通信元件，相對于以往的分束器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、精度高的優(yōu)點(diǎn)。


圖I是基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是多模光纖內(nèi)部激勵起的模式振幅仿真結(jié)果；圖3是單模光纖和大芯徑多模光纖錯位焊接示意圖；圖4是單模光纖和特種光纖的雙芯光纖耦合連接示意圖；圖5是單模光纖和多模光纖之間的偏軸量為3 μ m時(shí)不同模式的激勵系數(shù)仿真結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括寬譜光源I、單模光纖2、單模與多模光纖對接面3、多模光纖4、寫入長周期光柵5、CCD探測裝置6。寬譜光源I連接單模光纖2的輸入端，單模光纖2的輸出端連接多模光纖4的輸入端，二者耦合形成單模與多模光纖對接面3，在多模光纖4中寫入長周期光柵，多模光纖4的輸出端連接CCD探測器。寬譜光源I發(fā)出的光進(jìn)入單模光纖2后，單模光纖內(nèi)的單模光場將耦合進(jìn)多模光纖4中，由于多模光纖的模式傳輸特性，光在大芯徑多模光纖中有選擇的激勵起數(shù)個(gè)模式，各個(gè)模式的激勵強(qiáng)度取決于單模光纖內(nèi)光波模式和多模光纖內(nèi)各模式的模場匹配情況，可以借助耦合模理論給出分析，個(gè)別幾個(gè)滿足匹配條件的模式會耦合具有較大的強(qiáng)度，不滿足匹配條件的模式耦合獲得的強(qiáng)度較小。當(dāng)多模光纖內(nèi)寫入光柵后，被激勵起的各模式將和光柵之間再次發(fā)生模式耦合，也是具有選擇性的，并且不同波長的光在多模光纖中激勵不同的模式，導(dǎo)致耦合后的強(qiáng)度各不相同。與光柵再次耦合的模式也取決于入射光的波長，不同模式進(jìn)行選擇性耦合，形成不同的自聚焦光斑，用CCD根據(jù)光斑大小形狀判別對應(yīng)的波長，達(dá)到實(shí)現(xiàn)分束的目的。本發(fā)明首先是結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取。單模光纖是標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖SMF-28，纖芯直徑8· 2μπι，包層直徑125 μ m ;多模光纖是階躍型MMF，纖芯直徑105 μ m，包層直徑125 μ m。在基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器結(jié)構(gòu)中，多模光纖內(nèi)部所激勵的模式主要受波長和結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制，為了實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)分束，波長是個(gè)可變的參數(shù)，而結(jié)構(gòu)參數(shù)則是固定的。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括大芯徑多模光纖參數(shù)、單模光纖和多模光纖焊接時(shí)纖芯對準(zhǔn)的尺寸，刻寫光柵的參數(shù)。其中大芯徑多模光纖的長度是個(gè)非常重要的參數(shù)，它決定了 CCD所探測到光斑的質(zhì)量，不同波長的光在多模光纖中激勵不同的模式。當(dāng)單模光纖正軸對接多模光纖時(shí)，內(nèi)部激勵起的模式振幅結(jié)果(圖中為耦合系數(shù))如圖2所示。由圖可知，一定半徑的多模光纖，其耦合系數(shù)的峰值都對應(yīng)一個(gè)特定的模式，激勵起的數(shù)個(gè)模式與光柵相互作用產(chǎn)生模式間干涉，導(dǎo)致形成的自聚焦光斑因波長而異，從而實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)分束。其次是多模光纖內(nèi)光柵的寫入。多模光纖光柵的成柵過程與普通光纖光柵的制備過程類似，利用紫外激光和位相掩模板，與普通光纖光柵的制備過程差別在于多模光纖光柵在制作過程中相位掩膜板的焦點(diǎn)需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)必須利用具備自動旋轉(zhuǎn)功能的光纖支架。在寫入光柵時(shí)，通過沿光纖軸旋轉(zhuǎn)單模-多模光纖來實(shí)現(xiàn)光柵的均勻?qū)懭耄瑥亩鴮?shí)現(xiàn)長周期光纖光柵的高質(zhì)量寫入。
多模光纖內(nèi)部模場激勵的控制方法還可以利用單模光纖與大芯徑多模光纖錯位焊接來實(shí)現(xiàn)，其中起主要作用的多模光纖還可以采用特種光纖。圖3為單模光纖和大芯徑多模光纖錯位焊接示意圖，圖4為單模光纖與特種光纖耦合連接示意圖。圖3的結(jié)構(gòu)包括寬譜光源I、單模光纖2、多模光纖3、寫入長周期光柵4、CCD探測裝置5。在進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)中心波長取1550nm,單模光纖和多模光纖之間的偏軸量為3 μ m時(shí)不同模式的激勵系數(shù)如圖5所示。圖4的結(jié)構(gòu)包括寬譜光源I、單模光纖2、特種光纖3、寫入長周期光柵4、CXD探測裝置5，特種光纖主要采用雙芯光纖，除此之外采用環(huán)形芯光纖和三芯光纖也可實(shí)現(xiàn)。若特種光纖為雙芯光纖，等效于單模光纖與兩個(gè)光纖進(jìn)行錯位焊接；若特種光纖為環(huán)形芯光纖，等效于單模光纖與多個(gè)光纖進(jìn)行錯位焊接；若特種光纖為三芯光纖，等效于單模光纖與三個(gè)光纖進(jìn)行錯位焊接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是(I)本發(fā)明利用單模-多模-單模光纖光柵制成雙重濾波器件，拓展光纖光柵種類，并給出了這種光纖光柵的制備方法。該光柵不同于普通的多模光纖光柵，能夠通過控制單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)的橫向?yàn)V波特性來控制多模光纖中激勵的模式，相對于簡單的在多模光纖內(nèi)寫入光柵將具有極高的穩(wěn)定性和可控性。(2)本發(fā)明利用單模-多模-單模光纖光柵雙重濾波結(jié)構(gòu)制成光纖光柵微結(jié)構(gòu)分束器，該結(jié)構(gòu)利用不同波長的光在多模光纖中激勵起不同的模式，各模式間進(jìn)行選擇性耦合，同時(shí)獲得不同尺寸的光斑，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)分束。(3)本發(fā)明采用特種光纖，將特種光纖引入微結(jié)構(gòu)分束器的制作中，拓展了特種光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。(4)本發(fā)明采用的光纖材料和器件均為標(biāo)淮光纖通信元件，相對于以往的分束器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、精度高的特點(diǎn)，容易獲得，有利于推廣。
權(quán)利要求
1.一種基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器，其特征在于寬譜光源(I)連接單模光纖(2)的輸入端，單模光纖(2)的輸出端連接多模光纖(4)的輸入端，在多模光纖中寫入長周期光柵，多模光纖(4)的輸出端連接CCD探測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器，其特征在于所述的多模光纖纖芯直徑為125 μ m > d ^ 105 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器，其特征在于所述的單模光纖與多模光纖可以通過錯位焊接連接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種基于單模-多模光纖光柵的雙重濾波微結(jié)構(gòu)分束器，其特征在于所述的多模光纖還可以由包括雙芯光纖、環(huán)形芯光纖和三芯光纖在內(nèi)的特種光纖代替。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有雙重濾波功能的光纖光柵微結(jié)構(gòu)分束器。本發(fā)明由寬譜光源(1)連接單模光纖(2)的輸入端，單模光纖(2)的輸出端連接多模光纖(4)的輸入端，在多模光纖中寫入長周期光柵，多模光纖(4)的輸出端連接CCD探測器。多模光纖纖芯直徑為125μm＞d≥105μm。單模光纖與多模光纖可以通過錯位焊接連接在一起。多模光纖還可以由包括雙芯光纖、環(huán)形芯光纖和三芯光纖在內(nèi)的特種光纖代替。本發(fā)明相對于簡單的在多模光纖內(nèi)寫入光柵將具有極高的穩(wěn)定性和可控性。采用的光纖材料和器件均為標(biāo)淮光纖通信元件，相對于以往的分束器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、精度高的特點(diǎn)。
文檔編號G02B6/293GK102830464SQ20121032577
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者劉艷磊, 張建中, 彭石軍, 孫偉民 申請人:哈爾濱工程大學(xué)