CN109541752B - 一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器 - Google Patents

一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其为一种全光纤光控系统，包括超连续/单波长光源、光隔离器、离子液体集成光子带隙光纤(ILF‑PBGF)、温控箱、耦合器、控制光源、光放大器，所述器件之间都通过单模光纤连接。通过将温度敏感的高折射率离子液体注入MOF的包层孔来形成ILF‑PBGF。控制光进入光纤后会迅速耦合到光纤高折射率液柱中，并对其产生影响，使得ILF‑PBGF带隙漂移，此时在带隙边界的波长位置处可实现光衰减效应，越靠近带隙边缘，消光比越大。通过调整控制光功率的大小或温控箱的温度来获得不同波长处不同大小的消光比。本发明的衰减器具有高可靠性、易接入全光网络、抗电磁干扰等特性，可被广泛应用于光通讯和光传感领域。

Description

一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器
技术领域
本发明属于光纤领域，具体涉及一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器。
背景技术
控制光的输出特性(包括脉冲持续时间、波长及传输特性)在光纤通信系统和光纤传感系统中都起着重要作用而广泛引起了学者的研究兴趣。传统的控制技术主要是基于电或机械力实现的，这些技术现已很成熟且稳定，但其体积庞大且易受电磁干扰。作为一种新型技术，全光控制技术由于体积小、抗电磁干扰而得到了广泛的研究。其中基于全光纤的光控系统因其具有高可靠性、易于接入全光网络以及抗电磁干扰能力强等特点而成为最近的研究热点。
Guo J(文献Guo J,Liu Y,Wang Z,et al.Broadband optically controlledswitching effect in a microfluid-filled photonic bandgap fiber[J].Journal ofOptics,2016,18(5):055706.)和Yu J(文献Yu J,Liu Y,Luo M,et al.SingleLongitudinal Mode Optofluidic Microring Laser Based on a Hollow-coreMicrostructured Optical Fiber[J].IEEE Photonics Journal,2017,PP(99):1-1.)通过侧泵浦光控制技术分别实现了全光开关和单纵模微环激光器，但这两种全光控制系统都是基于空间光实现的，使得该系统稳定性差且难以接入全光网络系统。Anashkina E A(文献Anashkina E A,Andrianov A V,Yu K M,et al.Generating femtosecond opticalpulses tunable from 2 to 3 μm with a silica-based all-fiber laser system[J].Optics Letters,2014,39(10):2963-6.)实现了一种基于二氧化硅全光纤激光系统的可调谐飞秒光脉冲，但全光纤系统由具有不同特性的光纤组成(包括掺铒光纤，SMF-28，色散减少光纤，色散光纤，GTWave光纤和GeO2掺杂光纤)，其结构和制造工艺相当复杂。Gao F(文献Gao F,Wang Y,Xu L,et al.Light-controllable fiber interferometer utilizingphotoexcitation dynamics in colloidal quantum dot[J].Optics Express,2018,26(4):3903.)利用胶体量子点(CQDs)开发出了一种光控光纤干涉仪(FI)，用于传输光谱的全光控制。然而，该全光纤光控系统是在干涉仪辅助的情况下实现的，其不能通过控制激光直接控制透射光，并且蚀刻工艺和沉积技术需要用CQD制造，这将破坏光纤的结构并使得微结构光纤的纤芯暴露，其制造过程很复杂。Li Y(文献,Gao L,Zhu T,et al.Graphene-assisted all-fiber optical-controllable laser[J].IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics,2017,PP(99):1-1.)提出了一种石墨烯辅助的全光纤光控激光器，其结构简单，不使用任何辅助结构。然而，文献中报道的光可控系统是依赖于特殊的光响应材料实现的，这意味着石墨烯的严重吸收将导致大的插入损耗。此外，由强光引起的石墨烯的不均匀分布将破坏引导的周期性指数结构。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器。本发明的技术方案如下：
一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其为一种全光纤光控系统，包括光源、控制光源、光隔离器、离子液体集成光子带隙光纤(ILF-PBGF)、温控箱、光耦合器和光放大器，所述光源的输出端连接光隔离器的一端，光隔离器的另一端连接离子液体集成光子带隙光纤的一端；所述控制光源的输出端连接光放大器的输入端，光放大器的输出端连接光耦合器，光耦合器再连接到离子液体集成光子带隙光纤的另一端；所述离子液体集成光子带隙光纤设置在温控箱中。各器件之间是通过单模光纤连接的。
控制光进入光纤后会迅速耦合到光纤高折射率液柱中，从而对液体折射率产生影响，使得ILF-PBGF带隙漂移，此时在带隙边界的波长位置处可实现光衰减效应，越靠近带隙边缘，消光比越大。
所述微结构光纤(MOF)包层空气孔共有五层，按六角形排布，所有小孔大小均匀，直径为3.5μm，相邻小孔间距为5.58μm，纤芯直径为7.3μm。
所述光源可在超连续光和单波长光之间进行调节，其工作光谱范围为600nm到1700nm。所述光隔离器用于防止控制光进入光源。所述温控箱用于保持ILF-PBGF 3环境温度的稳定性。
所述光耦合器为工作波长1550nm、1*2、50:50的耦合器，接在光源的输出端，用于将控制光反向耦合到离子液体带隙光纤中，以减少控制光对输出光谱的串扰。
所述控制光源是一输出波长在1570nm附近的激光器，其输出光可在ps量级脉冲宽度的脉冲光和连续光之间进行调节，最大输出功率约24mW，并可利用光放大器进一步提高光功率。通过调整控制光的功率大小来使得ILF-PBGF的带隙漂移不同的距离，从而获得不同波长处不同大小的消光比。
所述ILF-PBGF是利用真空泵将温度敏感的高折射率离子液体抽入微结构光纤(MOF)的包层空气孔来实现的，所注入离子液体的长度为5cm。所述温度敏感的高折射率离子液体为碘化-1-丁基-3-甲基咪唑(1-Butyl-3-methylimidazolium Iodide,[BMIM]I)，分子式为C8H15IN2。在25℃时，其有效折射率为1.5695，高于MOF硅衬底的有效折射率，从而引入高折射率液柱，使得MOF的包层折射率高于纤芯折射率，实现微结构光纤的光子带隙效应。
所述温控箱温度为41℃，控制光源的光功率从0mW增加到250mW时，ILF-PBGF带隙边缘漂移9nm，这不受控制光源种类(脉冲光或连续光)的影响。所述温控箱温度为41℃，控制光源的光功率为20.8mW时，在1540nm处获得约8dB的消光比，可通过提高控制光的光功率，使光子带隙的漂移距离增加，从而获得更大的消光比。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出并实现了一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其为一种全光纤光控系统，包括超连续/单波长光源、光隔离器、离子液体集成光子带隙光纤(ILF-PBGF)、温控箱、耦合器、控制光源、光放大器，所述器件之间都通过单模光纤连接。通过调整控制光功率或者温控箱的温度获得不同波长处不同大小的消光比。研究表明，带隙的漂移不受控制光源的种类的影响，且越靠近带隙边缘，消光比越大。本发明的衰减器是基于全光纤全光控制系统实现的，具有高可靠性、易接入全光网络、抗电磁干扰等特性，可被广泛应用于光通讯和光传感领域。
附图说明
图1a是本发明所述的一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器示意图，图中各个器件之间都通过单模光纤连接，构成全光纤系统；图1b为离子液体集成光子带隙光纤(ILF-PBGF)示意图，颜色较深的部分具有更高折射率。
图2为波长在带隙内或带隙外的模场图。在带隙波长内，光束可以被限制在光纤纤芯进行传输，如图2a；而在带隙波长外，光束不能够被约束在纤芯中传输，部分能量会被耦合到包层，如图2b。
图3a为具体实施例1中不同控制光功率下ILF-PBGF的传输谱的变化趋势，图3b为脉冲控制激光的光谱。
图4a为具体实施例2中不同控制光功率下ILF-PBGF的传输谱的变化趋势，图4b为连续控制光的光谱。
图5为具体实施例3中多个波长位置处的单波长光响应。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，所述光衰减器为一全光纤光控系统，如图1a所示：包括光源1、光隔离器2、离子液体集成光子带隙光纤(ILF-PBGF)3、温控箱4、光耦合器5、控制光源6、光放大器7。所述器件之间都通过单模光纤8连接，构成全光纤系统。如图1b所示，所述离子液体集成光子带隙光纤(ILF-PBGF)3是通过将温度敏感的高折射率离子液体9注入微结构光纤(MOF)的包层小孔来形成的。所述控制光进入光纤后会迅速耦合到光纤高折射率液柱中，从而对液体折射率产生影响，使得ILF-PBGF 3带隙漂移，此时在带隙边界的波长位置处可实现光衰减效应。
如图1a所示，所述光源1可在超连续光和单波长光之间进行调节，其工作光谱范围为600nm到1700nm。所述光隔离器2用于防止控制光进入光源1。所述温控箱4用于保持ILF-PBGF 3环境温度的稳定性。所述光耦合器5为工作波长1550nm、1*2、50:50的耦合器，接在光源1的输出端，用于将控制光反向耦合到离子液体带隙光纤3中，以减少控制光对输出光谱的串扰。所述控制光源6是一输出波长在1570nm附近的激光器，其输出光可在ps量级脉冲宽度的脉冲光和连续光之间进行调节，最大输出功率约24mW，并可利用光放大器7进一步提高光功率。通过调整控制光的功率大小来使得ILF-PBGF 3的带隙漂移不同的距离，从而获得不同波长处不同大小的消光比。所述光谱仪的最高分辨率为0.02nm。
如图1b所示，所述ILF-PBGF 3是利用真空泵将温度敏感的高折射率离子液体9注入微结构光纤(MOF)的包层小孔来实现的，所注入离子液体的长度为5cm，使得包层折射率高于纤芯折射率，实现微结构光纤的光子带隙效应。所述温度敏感的高折射率离子液体9为碘化-1-丁基-3-甲基咪唑(1-Butyl-3-methylimidazolium Iodide,[BMIM]I)，分子式为C8H15IN2。在25℃时，其有效折射率为1.5695，使得包层折射率高于纤芯折射率，实现微结构光纤的光子带隙效应。所述微结构光纤(MOF)包层小孔共有五层，每层按六角形排布，所有小孔大小均匀，直径约3.5μm，相邻小孔间距为5.58μm，纤芯直径为7.3μm。在温度T＝25℃时，波长在带隙内或带隙外的模场如图2所示。如图2a，在带隙波长内，光束是被限制在光纤纤芯进行传输的；而在带隙波长外，光束不能够被约束在纤芯中传输，部分能量会被耦合到包层，如图2b。
在实例1中，由于常用的通信波段为1330nm和1550nm，因此，将ILF-PBGF3加温至41℃以选择1300nm～1560nm的带隙进行光控实验。选择超连续光源作为信号光源1，将控制光源6调为脉冲光，中心波长为1570nm，ILF-PBGF 3的传输谱在不同控制光功率下的变化趋势和脉冲控制激光的光谱分别如图3a和3b所示。由图3a可以看出，随着控制光功率的增加，带隙出现蓝移，关闭控制光后，带隙可以恢复到原来的波长位置；当脉冲控制光功率从10mW增加到250mW时，ILF-PBGF 3的带隙边界漂移了9nm。
实施例2，将脉冲控制光源6调节为连续光，不同控制光功率下ILF-PBGF的传输谱的变化趋势和连续控制光的光谱分别如图4a、图4b所示。从图4a可以看出，ILF-PBGF 3的传输谱的光响应与图3a一致，当连续控制光从10mW上升到250mW时，ILF-PBGF 3的带隙边界同样漂移9nm。因此，离子液体带隙光纤的带隙漂移只与控制光功率有关，而不受激光种类的影响。
在实例3中，将ILF-PBGF 3加温至41℃以选择1300nm～1560nm的带隙，将控制激光功率设置为20.8mW，中心波长为1570nm；将信号光源更换为单波长可调谐光源1，将其最大波长设为1540nm以防止泄露的部分控制激光对信号光源1产生影响；调节光源1波长来观察在不同位置所产生的消光比，多个波长位置处的单波长光响应如图5所示，其中黑色部分为未输入控制光的各波长信号光输出功率谱，红色部分则是输入20.8mW控制光之后的情况。由如5可以看出，不同波长处具有不同的消光比，越靠近带隙边缘，消光比越大。在波长1540处的消光比约为8dB。
终上所述，本可调光衰减器具有全光纤光控系统，高可靠性、易接入全光网络、抗电磁干扰等特性。可通过调整控制光功率或者温控箱的温度获得不同波长处不同大小的消光比，可被广泛应用于光通讯和光传感领域。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其特征在于：其为一种全光纤全光控系统，包括光源（1）、光隔离器（2）、离子液体集成光子带隙光纤（3）、温控箱（4）、光耦合器（5）、控制光源（6）和光放大器（7），所述光源（1）的输出端连接光隔离器（2）的一端，光隔离器（2）的另一端连接离子液体集成光子带隙光纤（3）的一端；所述控制光源（6）的输出端连接光放大器（7）的输入端，光放大器（7）的输出端连接光耦合器（5），光耦合器（5）再连接到离子液体集成光子带隙光纤（3）的另一端；所述离子液体集成光子带隙光纤（3）设置在温控箱（4）中；所述光源（1）、光隔离器（2）、离子液体集成光子带隙光纤（3）、光耦合器（5）、光放大器（7） 和控制光源（6）各器件之间是通过单模光纤（8）连接的。
2.根据权利要求1所述一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其特征在于：所述离子液体集成光子带隙光纤（3）是通过将温度敏感的高折射率离子液体（9）注入微结构光纤的包层空气孔来形成的。
3.根据权利要求2所述一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其特征在于：所述高折射率离子液体（9）为碘化-1-丁基-3-甲基咪唑，分子式为C8H15IN2。
4.根据权利要求3所述一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其特征在于：所述微结构光纤包层空气孔共有五层，按六角形排布，所有小孔大小均匀，直径为3.5μm，相邻小孔间距为5.58μm，纤芯直径为7.3μm。
5.根据权利要求1或2或3或4所述一种基于全光纤光控系统的可调谐光衰减器，其特征在于：所述述控制光源（6）采用激光器，其输出光可在ps量级脉冲宽度的脉冲光和连续光之间进行调节。
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