CN101776784A - 一种2×2长周期光纤光栅耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2×2长周期光纤光栅耦合器，包括一施力装置以及两根紧密接触、并行排列的无保护层的裸光纤，即传输光纤和耦合光纤。施力装置在光纤的轴向传播方向周期性地施加周期(Λ)为百微米量级的径向压力，这样在两根裸光纤轴向传播方向上写入空间变化相同的光栅。当光纤光栅的空间周期使纤芯基模与高阶包层模满足相位匹配条件时，传输光纤和耦合光纤的纤芯基模与包层模相互耦合；除此之外，传输光纤与耦合光纤包层模之间通过消逝场作用相互耦合。基于这些耦合，周期径向压力在两根裸光纤上实现了耦合器的功能。由于长周期光纤光栅仅由外力作用产生，它是一种容易写入与擦除的波长选择方向耦合器，可应用于光通信网络作为一种灵活的分插复用器等器件。

Description

一种2×2长周期光纤光栅耦合器

技术领域

本发明涉及信息光学与光电子器件技术领域，具体来讲，涉及光通信技术中的一种2×2长周期光纤光栅耦合器。

背景技术

2×2光纤耦合器是光纤通信、光纤传感技术中最常用的光无源器件，可以作分束器、波分复用器等。

在单模光纤中基模光场的分布主要集中在纤芯区，包层中的光场随光纤径向距离指数衰减。两根并行排列光纤基模之间的耦合系数正比于基模光场的重叠积分，因此两根并行排列光纤基模之间的耦合极其微弱。为了获得任意的耦合比，通常用以下两种方法制作2×2光纤耦合器：

1、研磨法：将两根单模光纤的包层侧面研磨成平面，将这两根光纤侧平面紧密接触并粘合在一起。研磨后光纤的基模光场更多地浸入相邻光纤的纤芯使基模光场的重叠积分增大，耦合系数增大。

2、熔融拉伸法：利用放电加热将单模光纤熔融、拉伸，使光纤外径减小，在耦合区两光纤的包层熔融在一起而使纤芯充分靠拢。两光纤之间通过消逝场耦合作用增强，使两根光纤的光场耦合系数增大。在输出端光功率的监测下，熔融拉伸法制作的光纤耦合器很容易得到任意的分束比，是最为广泛使用的一种光纤耦合器制作方法(1.JeffHecht，“Understanding Fiber Optics”，Fourth editionPrentice Hall，2004；2.Gerd Keiser，“Optical Fiber Communications”，Third edition，2000.)。

光纤技术的发展使在光纤中制作Bragg光栅的技术日臻成熟，这项技术也逐渐应用于光纤通信技术领域。光纤Bragg光栅是一种后向反射的光纤光栅，在光通信传输系统中用作上下路分插复用器需要与光环形器一起应用，增加了器件的复杂度。

英国Southampton大学的J.L.Arahambault等人提出在光纤耦合器中引入光纤Bragg光栅，实现光分插复用等功能，这种耦合器结构简单，不需要光环形器。他们用研磨粘结法将一根包含Bragg光栅的单模光纤和另一根单模光纤制成耦合器型的光栅带阻滤波器，此种光纤耦合器可以直接用作光通信波分复用系统的下路光分插复用器(J.L.Archambault，P.S.J.P.St.J.Russell，S.Barcelos，P.Hua，and L.Reekie，“Grating-frustrated coupler：a novel channel-dropping filter insingle-mode optical fiber，”Opt.Lett.，vol.19，pp.180-182，1994.)。

Southampton大学的L.Dong将这种结构进一步发展为熔融耦合器型的上下路光分插复用器(L.Dong，P.Hua，T.A.Birks，L.Reekie，and P.S.J.P.St.J.Russell，“Novel add/drop filters for wavelength-division multiplexing optical fibersystems using a Bragg grating assisted mismatched coupler，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.8，pp.1656-1658，1996.)可在光纤通信波分复用系统应用。

光纤中空间周期为百微米数量级的长周期光纤光栅是一种前向传输的带阻滤波器。满足相位匹配条件的长周期光纤光栅能够将单模光纤中传输的纤芯基模耦合到高阶包层模，也可以将高阶包层模耦合到纤芯基模(A.M.Vengsarkar，P.J.Lemaire，J.B.Judkins，V.Bhatia，T.Erdogan，and J.E.Sipe，“Long-period fibergratings as band-rejection filters，”J.Lightwave Technol.，vol.14，pp.58-65，1996.)。利用这个特点V.Grubsky用长周期光纤光栅构成波长选择耦合器和上下路分插复用器(V.Grubsky，D.S.Starodubov，and J.Feinberg，“Wavelength-selectivecoupler and add-drop multiplexer using long-period fiber gratings，”in Tech.Dig.，Opt.Fiber Commun.Conf.，vol.4，2000，pp.28-30.)。他们将用强激光脉冲写入了长周期光纤光栅的两根光纤并排紧靠，两根光纤中的长周期光纤光栅沿光纤轴向传播方向错开。在第一段上仅在传输光纤上有周期性折射率调制，长周期光纤光栅在传输光纤中将纤芯基模耦合到该光纤的高阶包层模；在第二段耦合区上，传输光纤和耦合光纤都有周期性折射率调制，两光纤既存在包层模和纤芯基模之间的耦合，也存在两光纤同阶包层模之间的耦合；在第三段上仅在耦合光纤上有周期性折射率调制，长周期光纤光栅将该光纤的包层模耦合为纤芯基模。用两个这样长周期光纤光栅耦合器可实现光通信波分复用系统的上下路分插复用功能。

随后，K.S.Chiang等人从理论上证明了两个写入了长周期光栅的光纤并排紧靠，光栅的空间周期完全对齐、部分错开或完全错开三种情况下，只要光栅的耦合系数与消逝场的耦合系数适当设计，都可使传输光纤向耦合光纤的耦合效率达到100％(K.S.Chiang，F.Y.M.Chan，and M.N.Ng，“Analysis of TwoParallel Long-Period Fiber Gratings”，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.22，NO.5，pp.1358-1366，2004.)。

以上利用光纤Bragg光栅、长周期光纤光栅制作的光纤耦合器都是利用传统紫外激光曝光或CO₂激光照射写入技术，一旦用强激光在光纤中写入光栅，其折射率的空间周期调制便不可更改，也就是说强激光脉冲写入的光纤光栅是不可擦除的。因此，用这样两根用强激光写入的光纤光栅构成的耦合器是不可重构的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可重构的2×2长周期光纤光栅耦合器。

为实现上述目的，本发明的2×2长周期光纤光栅耦合器包括：施力装置以及两根紧密接触、并行排列的无保护层的裸光纤；

两根裸光纤中，一根为传输光纤，另外一根为耦合光纤；

施力装置在两根裸光纤轴向传播方向周期性地施加径向压力，该径向压力的周期Λ为百微米量级，并满足以下相位匹配条件：

$({\mathrm{\β}}_{01}-{\mathrm{\β}}_{c1}^n)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}---\left(1\right)$

其中，β₀₁为光纤纤芯基模传播常数，

为光纤第n阶包层模传播常数。

由于传播常数是波长的函数，上式确定了长周期光纤光栅的谐振波长。光纤中的长周期光栅在满足(1)式条件时，纤芯基模与第n阶包层模发生相互耦合。改变径向压力的周期，就改变了长周期光纤光栅的谐振波长。

本发明的发明目的是这样实现的：在两根紧密接触、并行排列的无保护层的裸光纤轴向传播方向施加周期性径向压力，该径向压力在裸光纤中产生光弹效应与微弯效应，因而在两根裸光纤轴向传播方向上同时写入空间变化周期相同的光栅，从而构成长周期光纤光栅耦合器。该耦合器的中心工作波长即为长周期光纤光栅的谐振波长。

具体来讲，在本发明中，两根裸光纤是紧密接触的，其中一根为传输光纤，另外一根为耦合光纤。在传输光纤入端输入光场，两裸光纤之间存在三种光场耦合过程：1、传输光纤中纤芯基模由于长周期光纤光栅的作用向传输光纤的包层模耦合；2、传输光纤的包层模通过消逝场的作用向耦合光纤的同阶包层模耦合；3、由于长周期光纤光栅的作用耦合光纤中包层模向耦合光纤的基模耦合。这些光场之间的耦合可用耦合模方程表示：

$\frac{d{A}_1}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{j\κ}{B}_1{e}^{\mathrm{j\δz}}$

$\frac{d{B}_1}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{j\κ}{A}_1{e}^{-\mathrm{j\δz}}-\mathrm{jC}{B}_2---\left(2\right)$

$\frac{d{B}_2}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{j\κ}{A}_2{e}^{-\mathrm{j\δz}}-\mathrm{jC}{B}_1$

$\frac{d{A}_2}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{j\κ}{B}_2{e}^{\mathrm{j\δz}}$

A₁，A₂分别为传输光纤和耦合光纤基模光场的幅度，B₁，B₂分别为传输光纤和耦合光纤包层模光场的幅度。κ是长周期光纤光栅耦合系数，C是两根光纤同阶包层模的耦合系数，δ为相对于谐振波长的失谐量。基于耦合模方程描述的压力诱导长周期光纤光栅的作用和消逝场耦合作用，产生光纤模式之间的三种耦合过程，从而实现2×2长周期光纤光栅耦合器的功能。

长周期光纤光栅由外部周期压力作用产生，所以，本发明是一种容易写入与擦除的可重构的波长选择方向耦合器，它可作为一种灵活的分插复用器等器件应用于光通信网络。

本发明的长周期光纤光栅耦合器，一方面在满足(1)式条件时，改变施力的周期，就改变了长周期光纤光栅的谐振波长，同时也就改变了耦合器的中心工作波长。另一方面，基模与包层模的耦合系数由光弹效应与微弯效应两部分的贡献组成，改变施加的径向压力，使光纤折射率调制和光栅耦合系数发生变化，调节了基模与包层模的耦合率；此外，两光纤包层模之间的耦合率可以通过两被压裸光纤之间用折射率不同的液态或固态介质进行调节。

本发明是一种可重构2×2长周期光纤光栅耦合器，不但适用于普通单模光纤，也适用于各类掺杂光纤、双包层光纤、非线性光纤、光子晶体光纤、各种色散光纤等等。

附图说明

图1是本发明2×2长周期光纤光栅耦合器的一种具体实施方式结构图；

图2是图1所示的2×2长周期光纤光栅耦合器的侧视图；

图3是图1所示的施力装置结构图；

图4是图2所示的施力单元结构图；

图5是本发明2×2长周期光纤光栅耦合器一种具体实施方式下的传输耦合特性图；

图6是本发明2×2长周期光纤光栅耦合器组成的上下路分插复用器结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这儿将被忽略。

实施例1

图1是本发明2×2长周期光纤光栅耦合器的一种具体实施方式结构图。

在本实施例中，本发明的可重构的2×2长周期光纤光栅耦合器可按照以下步骤实现：

第一步：用机械加工的方法制作两个具有相同特定周期的带V型槽的齿状施力单元1、2，如图4所示。

第二步：将两根裸光纤3和4放入图4所示的施力单元2的V型槽中，将另一个施力单元1置于上方，即两个施力单元1、2的V型周期槽对插同时压住两根裸光纤3、4，如图1及图2所示。这种结构保证了夹在两V型周期槽内的两根裸光纤3、4能够紧密接触，并且施力越大，接触越紧密。

第三步：在图1、图2所示施力单元1上均匀施加适当的压力，以对两根裸光纤3、4的折射率和微弯状态产生适当的调制，同时通过两裸光纤间消逝场作用，使其满足可重构长周期光纤耦合器耦合率的需求，这样构成周期径向压力诱导的2×2长周期光纤光栅耦合器。

实施例2

图5是本发明2×2长周期光纤光栅耦合器一种具体实施方式下的传输耦合特性图。

在本实施例中，周期性径向压力产生的长周期光栅周期Λ＝0.6mm，根据测试在波长为1550nm附近普通单模光纤中的纤芯基模和第三阶包层模满足(1)式条件。我们使用了两个带V型槽的齿状施力单元，按照实施例1的步骤将两根裸光纤夹住。V型周期槽的参数为：周期0.6mm，齿宽0.2mm，压齿100个。当在2.5Kg的重物压力作用下的光弹效应与微弯效应使光纤产生长周期光纤光栅，光栅使纤芯基模与第三阶包层模耦合，消逝场使光纤包层模之间耦合。测得压力诱导产生的长周期光纤光栅耦合器的传输光谱与耦合光谱如图5所示，其中，上面一根曲线为传输光纤输出光功率曲线，对应左边的输出功率坐标轴；下面一根曲线为耦合光纤输出光功率曲线，对应右边的输出功率坐标轴。由图5我们可以看出明显的光纤耦合器的特性，耦合器的中心波长在1553nm。

应用实例

图6是本发明2×2长周期光纤光栅耦合器组成的上下路分插复用器结构示意图。

按照如图6的结构，将两个本发明的2×2长周期光纤光栅耦合器C₁、C₂组成光纤波分复用系统中波长选择上下路分插复用器。上下路分插复用器具有4个重要的光纤端口，分别是输入端In、输出端Out、上路端Add和下路端Drop。耦合器C₁、C₂的V型周期压齿槽具有不同的周期，它们分别对应上路波长λ₃和下路波长λ₂。

上路分插复用器的工作原理：波长为λ₁、λ₂的光信号由输入端In进入工作波长在λ₃附近的耦合器C₁，信号上路时，对耦合器C₁施压F将波长为λ₃的光由上路端Add注入耦合器C₁。耦合器C₁的传输光纤的周期压力诱导光栅将λ₃的纤芯基模变成包层模；通过消逝场作用传输光纤的包层模耦合为耦合光纤的包层模；最后耦合光纤的压力诱导光栅将包层模变成纤芯基模进入传输线路。

下路分插复用器的工作原理：波长为λ₁、λ₂、λ₃的光传输进入中心工作波长为λ₂的耦合器C₂，信号下路时，对耦合器C₂施压F。耦合器C₂中传输光纤的周期压力诱导光栅将波长为λ₂的纤芯基模变成包层模，通过消逝场作用使传输光纤的包层模耦合为耦合光纤的包层模，最后耦合光纤的周期压力诱导光栅再将包层模变成纤芯基模由下路端Drop输出。

由于长周期光纤光栅耦合器的工作波长范围由周期压力诱导光栅的周期决定，所以该上下路分插复用器具有波长选择性；使用多个不同波长的耦合器可以实现多路复用和解复用；同时由于压力的施加或撤销可以使光栅写入或擦除，所以本发明所述上下路分插复用器具有可重构性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种2×2长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，包括：施力装置以及两根紧密接触、并行排列的无保护层的裸光纤；

两根裸光纤中，一根为传输光纤，另外一根为耦合光纤；

施力装置在两根裸光纤轴向传播方向周期性地施加径向压力，该径向压力的周期Λ为百微米量级，满足以下相位匹配条件：

${\mathrm{\β}}_{01}-{\mathrm{\β}}_{c1}^n=\frac{2\mathrm{\π}}{\text{\Λ}}$

其中，β₀₁为光纤纤芯基模传播常数，为光纤第n阶包层模传播常数。

2.根据权利要求1所述的2×2长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，所述的施力装置包括两个具有相同周期的带V型槽的齿状施力单元，将两根裸光纤放入一施力单元的V型槽中，将另一个施力单元置于上方，两个施力单元的V型周期槽对插同时压住两根裸光纤。

3.根据权利要求1所述的2×2长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，所述的两被压裸光纤之间用折射率大于1，小于光纤包层折射率的液态或固态介质以通过消逝场的作用增加两光纤同阶包层模之间的耦合率。

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