CN101520555A - 基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,由功能材料填充的双折射微结构光纤光栅和控制装置构成,所述功能材料填充的双折射微结构光纤光栅位于该控制装置内,所述控制装置用于产生、加载和调节控制能够使双折射光纤中的功能材料的折射率发生改变的电场、温度、光场、磁场或声场。与现有技术相比,本发明公开了一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,该滤波器的实现方式灵活、调谐方式多样、调谐范围宽、且可实现电调谐,能够广泛应用于可调谐激光器、光纤传感器等领域,适合大规模的推广应用,具有重大的生产实践意义。
Description
技术领域
本发明涉及微结构光纤和光纤光栅及其应用技术领域,特别是涉及一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器。
背景技术
微结构光纤(Microstructure Optical Fiber),又称光子晶体光纤(PhotonicCrystal fiber)或多孔光纤(Holey fiber),其沿光纤轴向按照一定规律分布着延伸的空气孔,按照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优异特性,如:无截止波长单模传导特性、可设计的色散特性和高双折射特性等等。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。光纤光栅是一种重要的光无源器件,将普通的光纤光栅写制技术与微结构光纤结合起来,可以实现具有特殊光谱及耦合特性的微结构光纤光栅。1999年,B.J.Eggleton等人成功利用相位掩模法写制了世界上第一根光子晶体光纤光栅。1999年,A.A.Abramov等人报道了一种空气孔中填充温敏聚合物材料的长周期微结构光纤光栅而形成的可调谐宽带滤波器。2008年,Thomas Geernaert等人报道了在高双折射微结构光纤上用紫外曝光法写制出布拉格光栅,两反射谐振峰间隔约为2.1nm。
然而,上述滤波器还存在实现方式不灵活、可调谐方式少、调谐范围窄等问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,该滤波器的实现方式灵活、调谐方式多样、调谐范围宽、且可实现电调谐,能够广泛应用于可调谐激光器、光纤传感器等领域,适合大规模的推广应用,具有重大的生产实践意义。
为此,本发明提供了一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,其特征在于,由功能材料填充的双折射微结构光纤光栅和控制装置构成,所述功能材料填充的双折射微结构光纤光栅位于该控制装置内,所述控制装置用于产生、加载和调节控制能够使双折射光纤中的功能材料的折射率发生改变的电场、温度、光场、磁场或声场。
优选地,所述功能材料填充的双折射微结构光纤光栅为在功能材料填充的双折射微结构光纤纤芯中形成的具有折射率周期变化的光纤光栅。
优选地,通过利用飞秒激光或紫外激光的相位掩模曝光方法在微结构光纤纤芯形成折射率周期变化的光纤光栅。
优选地,所述功能材料填充的双折射微结构光纤为:通过将液体或流体状的功能材料填充到微结构光纤的所有或部分空气孔中,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所形成的具有双折射特性的微结构光纤。
优选地,所述微结构光纤为沿光纤轴向具有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。
优选地,所述一定规律分布的空气孔结构为在光纤横截面内呈三角形、矩形、或蜂窝形排列的空气孔结构,所谓空气孔的形状为圆形或椭圆形。
优选地,所述微结构光纤纤芯为纯硅、掺锗硅、掺硼硅或硼锗共掺硅。
优选地,所述功能材料为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、光敏材料、磁光材料或声光材料。
优选地,所述电光材料为液晶,所述温敏材料为温敏聚合物,所述光敏材料为二硫化碳或光折变有机物,所述磁光材料为磁敏材料,所述声光材料为声敏材料。
由以上本发明提供的技术方案可见,本发明与现有技术相比,本发明提供了一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,该滤波器的实现方式灵活、调谐方式多样、调谐范围宽、且可实现电调谐,能够广泛应用于可调谐激光器、光纤传感器等领域,适合大规模的推广应用,具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1是基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光纤光栅滤波器示意图;
图2是功能材料填充微结构光纤光栅的放大示意图;
图3是功能材料填充微结构光纤光栅的纵向剖面示意图;
图4a、图4b、图4c、图4d分别是几种典型的高双折射微结构光纤的横截面结构示意图;
图5是实施例中高双折射微结构光纤截面示意图;
图6是实施例中高双折射微结构光纤色散曲线图;
图7是实施例中基于材料填充的双折射微结构光纤布拉格光栅波长随填充功能材料折射率的变化曲线图;
图8是实施例中基于材料填充的双折射微结构光纤布拉格光栅波长间隔随填充功能材料折射率的变化曲线图;
图9是实施例中填充特定温度敏感材料的高双折射微结构光纤布拉格光栅波长随施加温度的变化曲线图。
图10是实施例中填充特定温度敏感材料的高双折射微结构光纤布拉格光栅波长间隔随施加温度的变化曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光纤光栅滤波器示意图。
参见图1,本发明提供了一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,由功能材料填充的双折射微结构光纤光栅和控制装置构成,所述功能材料填充的双折射微结构光纤光栅位于该控制装置内,参见图2、图3。
在本发明中,所述功能材料填充的双折射微结构光纤光栅是指在功能材料填充的双折射微结构光纤纤芯中形成的具有折射率周期变化的光纤光栅,具体为:通过利用飞秒激光或紫外激光的相位掩模曝光方法在微结构光纤纤芯形成周期折射率调制(即折射率周期变化)的光纤光栅。
需要说明的是,所述微结构光纤纤芯可以是纯硅或掺锗硅、掺硼硅、硼锗共掺硅等材料。在本发明中,所述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填充到微结构光纤的所有或部分空气孔中,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(参见图4a、图4b、图4c、图4d所示的几种微结构光纤),所形成的具有双折射特性的微结构光纤。
上述微结构光纤是指沿光纤轴向具有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,所述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的空气孔结构,所谓空气孔的形状可以为圆形、椭圆形等形状。
在本发明中,所述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(如液晶)、温敏材料(如温敏聚合物)、光敏材料(如二硫化碳或光折变有机物)、磁光材料或声光材料(如磁敏或声敏材料)等。
所述控制装置的作用为:用于产生、加载和调节控制能够使双折射光纤中的功能材料的折射率发生改变的电场、温度、光场、磁场或声场。例如为:电源、导线和两个金属平板组成的电场加载装置、高灵敏度温控箱装置、高功率激光照射致光敏材料发生非线性效应装置等。
在本发明中,所述可调谐是指所述的双通道光栅滤波器的通道波长或通道波长间隔的可调谐。
需要说明的是,与普通熊猫型等保偏光纤类似,本发明提供的基于功能材料填充的双折射微结构光纤光栅具有两个分离的反射型谐振峰。对于布拉格光栅(即采用紫外激光的相位掩模曝光方法形成的光纤光栅,前向传输的纤芯基模向后向传输纤芯基模耦合,形成反射谐振峰,由谐振条件:
λ=2neffΛ (1);
在光栅周期Λ确定的情况下,谐振波长λ由对应的模式有效折射率neff唯一决定。在功能材料填充的双折射微结构光纤光栅中,引起基模两个相互正交的偏振态的有效折射率出现差别,于是出现布拉格谐振波长的分离。可以推导出谐振波长差公式如下:
Δλ=λy-λx
=2nneffyΛ-2nneffxΛ
=2BΛ (2);
其中,neffy与neffx分别为两个方向垂直的偏振态有效折射率,B为功能材料填充微结构光纤的模式双折射。通过改变施加到功能材料填充的双折射微结构光纤光栅上的电场、温度、光场、磁场或声场来改变填充材料的折射率,通过改变材料填充微结构光纤的双折射特性,可使得neffy与neffx得到调整,从而改变两个谐振峰的位置,同时neffy与neffx变化效率的不同,导致谐振波长差Δλ随折射率变化而改变,并最终实现波长位置和波长间隔可调谐的双通道光纤光栅滤波器,这是本发明最基本的理论出发点。
下面结合实施例来进一步说明本发明。
图5为实施例中使用的微结构光纤的横截面图,光纤纤芯掺杂锗材料,1550nm处材料折射率为1.458,基底材料采用纯石英玻璃,1550nm处材料折射率为1.444,光纤包层中的椭圆空气孔位于三角形栅格的结点上,x方向相邻空气孔中心的间距设为Λ=1.5μm,y方向相邻空气孔中心的高度设为Λ=2.5μm,掺锗纤芯的半径r=1μm,椭圆空气孔x方向短轴dx=0.9μm,y方向长轴dy=2.5μm。在这种光纤中传导的纤芯基模模式有x,y两个正交的偏振方向,图6是由有限元方法理论模拟计算得到的这种光纤中传导模式的色散曲线(有限元理论是本领域公知的方法,关于利用有限元方法分析微结构光纤的方法可参见文献:A.Cucinotta,S.Selleri,et al.,"Holeyfiber analysis through the finite-element method,"IEEE Photonics TechnologyLetters,vol.14,pp.1530-1532,2002)。从图中可以看到在1550nm处,两个偏振方向有效折射率分别为1.406938和1.401907,差值约为5*10-3。将光纤载氢处理后,用商用栅格周期为1.074μm的布拉格光栅模板,利用相位掩模紫外曝光技术,可在光纤上写制出谐振波长在1550nm附近的布拉格光栅。由前述布拉格谐振条件λ=2neffΛ可得对应于两偏振方向的布拉格反射波长分别为1511.05nm和1505.65nm,波长间隔为5.4nm。
如果从1到1.444改变空气孔处填充物材料折射率,得到布拉格光栅波长及波长间隔随填充功能材料折射率的变化曲线分别如图7、图8所示,从图7、图8中可以看到两个谐振波长分别向长波方向漂移了大约40nm和35nm,波长间隔由5.4nm逐渐减小为0.0nm。
具体实现上,如果选定功能性材料为折射率温度敏感材料,在1550nm处,在常温25摄氏度下初始材料折射率为1.35,温敏系数dnmat/dt=4*10-4℃-1。选取温度范围25摄氏度到100摄氏度,同样利用有限元方法理论计算出模式有效折射率neff,结合上述布拉格谐振条件λ=2neffΛ,可以得到布拉格光栅波长及波长间隔的调谐结果如图9、图10所示。在75摄氏度的温度变化范围内,两谐振波长分别向长波方向漂移了5.5nm和5nm,波长间隔减小0.5nm。可得到波长调谐效率约为60pm/℃和波长间隔调谐效率为6pm/℃。
综上所述,本发明与现有技术相比,本发明提供了一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,该滤波器的实现方式灵活、调谐方式多样、调谐范围宽、且可实现电调谐,能够广泛应用于可调谐激光器、光纤传感器等领域,适合大规模的推广应用,具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1、一种基于功能材料填充微结构光纤的可调谐双通道光栅滤波器,其特征在于,由功能材料填充的双折射微结构光纤光栅和控制装置构成,所述功能材料填充的双折射微结构光纤光栅位于该控制装置内,所述控制装置用于产生、加载和调节控制能够使双折射光纤中的功能材料的折射率发生改变的电场、温度、光场、磁场或声场。
2、如权利要求1所述的光栅滤波器,其特征在于,所述功能材料填充的双折射微结构光纤光栅为在功能材料填充的双折射微结构光纤纤芯中形成的具有折射率周期变化的光纤光栅。
3、如权利要求2所述的光栅滤波器,其特征在于,通过利用飞秒激光或紫外激光的相位掩模曝光方法在微结构光纤纤芯形成折射率周期变化的光纤光栅。
4、如权利要求2所述的光栅滤波器,其特征在于,所述功能材料填充的双折射微结构光纤为:通过将液体或流体状的功能材料填充到微结构光纤的所有或部分空气孔中,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所形成的具有双折射特性的微结构光纤。
5、如权利要求4所述的光栅滤波器,其特征在于,所述微结构光纤为沿光纤轴向具有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。
6、如权利要求5所述的光栅滤波器,其特征在于,所述一定规律分布的空气孔结构为在光纤横截面内呈三角形、矩形、或蜂窝形排列的空气孔结构,所谓空气孔的形状为圆形或椭圆形。
7、如权利要求2所述的光栅滤波器,其特征在于,所述微结构光纤纤芯为纯硅、掺锗硅、掺硼硅或硼锗共掺硅。
8、如权利要求1至7中任一项所述的光栅滤波器,其特征在于,所述功能材料为其折射率随外加电场、温度、光场、磁场或声场的改变而变化的电光材料、温敏材料、光敏材料、磁光材料或声光材料。
9、如权利要求8所述的光栅滤波器,其特征在于,所述电光材料为液晶,所述温敏材料为温敏聚合物,所述光敏材料为二硫化碳或光折变有机物,所述磁光材料为磁敏材料,所述声光材料为声敏材料。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090902 |