CN101414093A - 一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，由功能材料填充的双折射微结构光纤、控制装置、四端口光方向耦合器，偏振控制器和环形器构成；功能材料填充的双折射微结构光纤位于控制装置内，功能材料填充的微结构光纤的两端分别与光方向耦合器和偏振控制器的端口相连，光方向耦合器的端口与环形器相连，环形器两个端口分别为干涉仪的输入端口和反射输出端口，光方向耦合器的端口b为干涉仪的透射输出端口。本发明的优点是：与普通的光纤环形镜干涉仪相比较，该可调谐干涉仪的最大优点是实现方式灵活、调谐方式多样、调谐范围宽以及可实现电调谐等，能广泛应用于可调谐滤波器、光开关、可变光衰减器等光学器件的制造领域。

Description

一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪

技术领域

本发明涉及微结构光纤及其应用技术领域，特别是一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪。

背景技术

微结构光纤(Microstructure Optical Fiber)，又称光子晶体光纤(Photonic Crystalfiber)或多孔光纤(Holey fiber)，是近年来迅速发展起来的一种具有较高科研价值和广阔市场应用前景的新型光纤，其沿光纤轴向按照一定规律分布着延伸的空气孔。微结构光纤根据导光机理的不同可分为两种：折射率引导型微结构光纤和光子带隙型微结构光纤。前者与传统光纤的导光机制类似，纤芯折射率高于周围由空气孔组成的包层有效折射率，光被约束在纤芯中传输；而光子带隙型微结构光纤的包层具有周期性的折射率分布，通过光子带隙效应将光限制在低折射率的纤芯缺陷中传导。

微结构光纤具有特殊的传导机制和灵活设计的结构，表现出许多普通光纤所不具备的独一无二的优异特性，如无截止单模特性、高双折射特性、奇特的多芯和多模耦合特性等。特别是纤芯及包层具有空气孔分布的微结构光纤，为填充各种材料进入微结构光纤提供了空间和条件，这一特点可以极大地拓宽微结构光纤的应用领域，设计并研制出更多的新型可调谐微结构光纤器件。比如已有报道的电场可调谐的材料填充光子带隙光纤(R.T.Bise etal，“Tunable photonic band gap fiber，”OFC 2002，466-468，17-22 Mar 2002)、电控的液晶填充光子带隙光纤偏振仪(T.T.Alkeskjold and A.Bjarklev，“Electrically controlled broadbandliquid crystal photonic bandgap fiber polarimeter”，Opt.Lett.32，1707-1709，2007)、液晶填充的光子带隙长周期光纤光栅(D.Noordegraaf et al，＂Electrically and mechanically inducedlong period gratings in liquid crystal photonic bandgap fibers，＂Opt.Express 15，7901-7912，2007)、材料填充的可调谐高双折射微结构光纤(C.Kerbage et al.，＂Highly tunablebirefringent microstructured optical fiber，＂Opt.Lett.27,842-844，2002)、材料填充的双芯光子带隙光纤(Jiangbing Du，Yange Liu et al，“Thermally tunable dual-core photonic bandgapfiber based on the infusion of a temperature-responsive liquid”，Optics Express，16(6)：4263-4269，Mar.2008.)等等。然而，据我们所知，基于功能材料填充的微结构光纤可调谐干涉仪未见文献及专利报道。

发明内容

本发明的目的就是针对上述情况，提供一种实现方式灵活、调谐方式多样、调谐范围宽、可实现电调谐的基于功能材料填充的微结构光纤可调谐干涉仪。

本发明的技术方案：

一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，由功能材料填充的双折射微结构光纤、控制装置、四端口光方向耦合器，偏振控制器和环形器构成；功能材料填充的双折射微结构光纤位于控制装置内，功能材料填充的微结构光纤的一端与四端口光方向耦合器的端口c相连，另一端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与四端口光方向耦合器的端口d相连；四端口光方向耦合器的端口a与环形器的②端口相连，环形器的①端口作为干涉仪的输入端口，环形器的③端口作为干涉仪的反射输出端口，四端口光方向耦合器的端口b为干涉仪的透射输出端口。

所述的功能材料填充的双折射微结构光纤是指将液体或流体状的功能材料通过加压方法或减压方法填充到微结构光纤的所有或部分空气孔中形成的具有双折射特性的微结构光纤。

所述微结构光纤是指沿光纤轴向按照一定规律分布的空气孔结构的圆对称或非圆对称光纤，所谓一定规律分布的空气孔结构是指在光纤横截面内呈三角形、矩形、蜂窝形或者其他规则以及不规则排列。

所述的功能材料是指其折射率随外加电场、温度、磁场、声场或光场的改变而变化的电光材料、温敏材料、磁光材料、声光材料或光敏材料。

所述的控制装置的作用是能使功能材料填充的双折射光纤中的功能材料的折射率发生改变的电场、温度、磁场、声场或光场的产生、加载和调节控制。

所述的四端口光方向耦合器、偏振控制器和环形器的工作波长范围位于功能材料填充的双折射微结构光纤的低损耗工作波长带宽范围内。

本发明的工作原理是：将液态或流体状的功能材料填充到具有空气孔分布结构的微结构光纤中，利用填充材料的各向异性或微结构光纤本身的结构非对称性，实现材料填充的双折射微结构光纤；通过改变施加到功能材料填充的双折射微结构光纤上的电场、磁场、温度、声场或光场来改变填充材料的折射率，从而实现材料填充双折射微结构光纤的双折射特性调谐；将该功能材料填充的双折射微结构光纤与四端口光方向耦合器相结合形成光纤环形镜型干涉仪。在该可调谐干涉仪中，光从输入端口经环形器的①端口和②端口进入四端口光方向耦合器中，然后被分成功率基本相等的两束光分别从c端口和d端口输出并分别沿顺时针和逆时针经过功能材料填充的双折射微结构光纤，两束光传播一周后再回到耦合器时，由于功能材料填充的双折射微结构光纤的双折射效应，两束光之间会产生附加的相位差，从而产生干涉；通过改变施加到功能材料填充的微结构光纤上的电场、磁场、温度、声场或光场，实现该干涉仪的调谐。

本发明的优点是：与普通的光纤环形镜干涉仪相比较，该可调谐干涉仪的最大优点是实现方式灵活、调谐方式多样、调谐范围宽以及可实现电调谐等，能广泛应用于可调谐滤波器、光开关、可变光衰减器等光学器件的制造领域。

附图说明

图1是基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪的结构示意图。

图2是通过加压方法将功能材料挤入微结构光纤的示意图。

图3是通过减压方法将功能材料吸入微结构光纤的示意图。

图4是实施例中微结构光纤未填充功能材料的显微镜观测端面结构图。

图5是实施例中微结构光纤填充功能材料后的显微镜观察端面结构图。

图6是实施例中利用宽带光源测量的液晶填充微结构光纤的传输光谱。

图7是实施例中利用宽带光源测量的液晶填充微结构光纤环形镜干涉仪的透射光谱。

图8是实施例中不同外加电压下的液晶填充微结构光纤环形镜干涉仪的透射光谱。

图9是实施例中液晶填充微结构光纤环形镜干涉仪的透射波长极小值随外加电压变化的曲线。

图10是实施例中不同外加温度下的液晶填充微结构光纤环形镜干涉仪的透射光谱。

具体实施方式

实施例：结合附图说明。

一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，参见图1，由功能材料填充的双折射微结构光纤、控制装置、四端口光方向耦合器，偏振控制器和环形器构成；功能材料填充的双折射微结构光纤位于控制装置内，功能材料填充的微结构光纤的一端与四端口光方向耦合器的端口c相连，另一端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与四端口光方向耦合器的端口d相连；四端口光方向耦合器的端口a与环形器的②端口相连，环形器的①端口作为干涉仪的输入端口，环形器的③端口作为干涉仪的反射输出端口，四端口光方向耦合器的端口b为干涉仪的透射输出端口。

图2、图3分别为通过加压装置和减压装置将功能材料挤入微结构光纤的示意图。

图4为实施例中使用的微结构光纤的横截面图，该光纤由武汉长飞光纤光缆有限责任公司研制，所用基质材料为纯的二氧化硅材料，其包层分布着三角形排列的五层空气孔，平均孔间距为5.8μm，空气孔平均直径为3.5μm，由于包层有效折射率低于纤芯，该光纤通过折射率引导效应导光。用于填充的功能材料为德国Merk公司生产的MD A-00-1444型液晶，其本身为各向异性材料，其寻常光和非常光的折射率分别为n_o＝1.5071和n_e＝1.6849。我们利用图3所示的减压方法将该功能材料填充到微结构光纤的全部空气孔中，填充长度约为25mm。

图5为填充液晶后在显微镜下观察到的微结构光纤的横截面图。填充液晶后，该光纤包层有效折射率高于纤芯，其传导机制由折射率引导转变成光子带隙导光。然后将该液晶填充的微结构光纤封装在两个电极片之间，然后对电极片施加1K赫兹的交流电。图6是在施加不同电压下得到该液晶填充微结构光纤的传输谱，所用测试光源为基于高非线性光子晶体光纤的超连续光源，光谱范围为600nm-1750nm。

由图6可见，在测试宽带光源的光谱范围内该光纤有三个带隙，即有三个低损耗传导波段，在1550nm波段有一个波长范围大于200nm的低损耗窗口。电压从0V增加到90V的过程中，导光带隙几乎没有任何变化，当电压达到97V时，我们可以从光谱上观察到明显的变化，主要表现为输出功率的下降。然后将该液晶填充微结构光纤及电场加载装置按图1所示构成光纤环形镜干涉仪。

图7为在未加电场时从干涉仪的透射输出端口测量得到的光谱图，从图中可见在1550nm波段的低损耗传输窗口中，我们明显观察到了传输光强随波长的周期性变化，即干涉滤波现象，最大消光比为27dB，两个干涉极小的波长间隔为124nm，根据Sagnac光纤环镜干涉仪的理论计算公式：

$p=\frac{1}{2}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πLB}}{\mathrm{\λ}}\right)]$ 以及 $B=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ\λ}\·L}$

其中，L和B分别为高双折射光纤的长度和双折射，P为光功率，λ为光波长，Δλ为两个干涉极小的波长间隔，该波长间隔与光纤长度成反比，光纤长度越长，波长间隔越小。可以计算出该液晶填充微结构光纤的双折射约为7.75×10^-4，与一般传统高双折射光纤的双折射值相当。当调谐外部电压，会引起该液晶填充的双折射微结构光纤的双折射变化，从而引起干涉极大和极小波长位置的改变，并最终实现可调谐的干涉仪。

图8为电压从40V加载到88V，该液晶填充的双折射微结构光纤干涉仪的透射光谱随外加电压的变化情况，图9给出了干涉仪透射光谱中干涉极小的波长位置随电压改变量的变化曲线，从50V到80V共30V的电压范围内，干涉极小的波长位置从1540nm蓝移到1500nm，波长共漂移了40nm，平均调谐速率为1.3mm/V。

由于液晶也是温敏材料，其寻常光和非常光的折射率随温度的改变都有较大的改变，因此利用该特性也可以实现温度调谐的液晶填充双折射微结构光纤环镜干涉仪。图10是将上述的液晶填充双折射微结构光纤放在温度控制装置中并按图1装置形成干涉仪，当温度从30℃增加到50℃时从干涉仪的透射输出端口测量得到的传输光谱，由图可见干涉仪的干涉极小从1532nm蓝移到了1425nm，平均调谐速率为5.35nm℃。

利用上述同样的方法，通过增加或减小液晶填充的双折射微结构光纤的长度，可以实现不同波长间隔的可调谐干涉仪及可调谐梳状滤波器。如果干涉仪的输入端为一个单波长激光信号，且初始让其波长位于滤波器的波峰或波谷处，通过调谐加载在液晶填充的双折射微结构光纤上的电压或温度，可以实现激光信号的功率衰减以及信号功率的可开关操作。

Claims (6)

1.一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，其特征在于：由功能材料填充的双折射微结构光纤、控制装置、四端口光方向耦合器，偏振控制器和环形器构成；功能材料填充的双折射微结构光纤位于控制装置内，功能材料填充的微结构光纤的一端与四端口光方向耦合器的端口c相连，另一端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与四端口光方向耦合器的端口d相连；四端口光方向耦合器的端口a与环形器的②端口相连，环形器的①端口作为干涉仪的输入端口，环形器的③端口作为干涉仪的反射输出端口，四端口光方向耦合器的端口b为干涉仪的透射输出端口。

2.根据权利要求1所述的基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，其特征在于：所述的功能材料填充的双折射微结构光纤是指将液体或流体状的功能材料通过加压方法或减压方法填充到微结构光纤的所有或部分空气孔中形成的具有双折射特性的微结构光纤。

3.根据权利要求2所述的基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，其特征在于：所述微结构光纤是指沿光纤轴向按照一定规律分布的空气孔结构的圆对称或非圆对称光纤，所谓一定规律分布的空气孔结构是指在光纤横截面内呈三角形、矩形、蜂窝形或者其他规则以及不规则排列。

4.根据权利要求2所述的基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，其特征在于：所述的功能材料是指其折射率随外加电场、温度、磁场、声场或光场的改变而变化的电光材料、温敏材料、磁光材料、声光材料或光敏材料。

5.根据权利要求1所述的基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，其特征在于：所述的控制装置的作用是能使功能材料填充的双折射光纤中的功能材料的折射率发生改变的电场、温度、磁场、声场或光场的产生、加载和调节控制。

6.根据权利要求1所述的基于功能材料填充微结构光纤的可调谐干涉仪，其特征在于：所述的四端口光方向耦合器、偏振控制器和环形器的工作波长范围位于功能材料填充的双折射微结构光纤的低损耗工作波长带宽范围内。

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