CN101819326A - 用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器及其制备方法。根据本发明的光子晶体光纤耦合器，包括：其一端作为光子晶体光纤耦合器输入端的单模光纤；其一端作为光子晶体光纤耦合器输出端的环芯光子晶体光纤；其特征在于：该光子晶体光纤耦合器进一步包括环芯光子晶体光纤的另一端与单模光纤另一端的熔接接合区，以便在光子晶体光纤耦合器的输入端接收输入光时在光子晶体光纤耦合器的输出端获得空心光束。

Description

用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是涉及一种用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器及其制备方法。

技术背景

空心光束，是指在光束的传播方向或轴向上中心强度较低或为零的环状光束。不同于高斯光束，空心光束具有许多独特的物理特性，如强度呈筒形分布、小暗斑尺寸、传播不变性，以及不同类型空心光束具有不同光学角动量，等等。空心光束轴向中心光强为零，能有效地减少光散射，空心光束的光学囚禁效率比高斯光束的高，对生物样品及粒子光损伤小。此外，空心光束还可应用在实现光学旋转、光导引以及增强高次谐波的产生效率等方面。空心光束在原子学、微电子学、生物医学以及光传感等领域中有着广泛的应用前景。

随着空心光束应用的日益突显，空心光束的产生方法也不断创新。自20世纪90年代以来，国内外的研究机构采用多种方法，如模式变换法、空心光纤法等获得了拉盖尔-高斯光束、LP₀₁模输出空心光束等一系列特性新颖的空心光束，并得到了很好的实验验证。这些方法需要较多的光学分立元件搭建复杂的光学平台，对实验条件要求严格。如中国的物理学进展杂志，邱建平的题为“空心光束的产生及其在现代光学中的应用”，2004，Vol.24，No.3，pp.336-376，的文章中公开一种采用空心光纤产生空心光束的方法，由该方法产生的空心光束的近场分布是一个类高斯分布，远场分布才是空心环状光束。美国的OpticsExpress杂志，Ming-Lie Hu的题为“A hollow beam from a holey fiber”，2006，Vol.14，No.9，pp.4128-1434，文章中公开一种采用普通三角格子光子晶体光纤产生空心光束的方法，该方法通过较大功率的激光泵浦利用非线性效应使光纤产生高阶模从而得到空心光束，该空心光束质量不高，可调谐性也比较差。中国的Chinese Optics Letters杂志，Hongyu Ma的题为“Generation of a hollow laserbeam by a multimode fiber”，2007，Vol.5，No.8，pp.460-462，的文章中公开一种采用多模光纤产生空心光束的方法，该方法需要较大功率的激光泵，对激光注入条件要求苛刻，输出的空心光束径向强度存在差别。中国的公开号为CN1834706A的专利申请“利用光纤模间干涉产生空心光束及调谐的方法”公开了一种利用光纤模间干涉产生空心光束的方法，该方法需要采用支持LP₀₁和LP₀₂的多模光纤，对多模光纤的长度有严格的限制，另外不易对空心光束的光束宽度及宽度半径比等参数进行调节。

因此，需要一种简单有效的形成高质量空心光束的方法以及具有简单结构的用于形成空心光束的耦合器。

发明内容

本发明提供一种通过熔接接合单模光纤和环芯光子晶体光纤产生空心光束的方法和耦合器。根据本发明的产生空心光束的方法和耦合器具有结构简单灵活、易于实现、成本低及便于调谐等优点。

本发明提供一种用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器，包括：

单模光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输入端；

环芯光子晶体光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输出端；

其特征在于：

所述光子晶体光纤耦合器进一步包括环芯光子晶体光纤的另一端与单模光纤另一端的熔接接合区，以便在所述光子晶体光纤耦合器的输入端接收输入光时在所述光子晶体光纤耦合器的输出端获得空心光束。

本发明提供一种一种用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器的制备方法，该光子晶体光纤耦合器包括：

单模光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输入端；

环芯光子晶体光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输出端；

其特征在于：

使所述环芯光子晶体光纤的另一端与单模光纤的另一端熔接接合形成光子晶体光纤耦合器，以便在所述光子晶体光纤耦合器的输入端接收输入光时在所述光子晶体光纤耦合器的输出端获得空心光束。

优选地，所述熔接接合区包括邻近单模光纤的环芯光子晶体光纤中空气孔完全塌陷的完全塌陷区和朝向完全塌陷区方向环芯光子晶体光纤中空气孔直径逐渐缩小的渐变塌陷区。

优选地，所述完全塌陷区长度为20-500μm，渐变塌陷区长度为10-100μm。

优选地，空气孔的圈数为1-25圈，空气孔排列方式为大体圆形或多边形。

根据本发明，当单模光纤例如标准单模光纤和环芯光子晶体光纤熔接接合时，在熔接处使环芯光子晶体光纤形成包括空气孔完全塌陷的完全塌陷区和朝向完全塌陷区方向空气孔直径逐渐缩小的渐变塌陷区的熔接接合区。当标准单模光纤中的模场由熔接接合区进入环芯光子晶体光纤时，由于完全塌陷区的存在，标准单模光纤的模场形成散射，经由渐变塌陷区耦合进入环芯光子晶体光纤环芯的能量，在环芯激起环模，进而在输出端得到空心光束。

通过选择具有不同结构的环芯光子晶体光纤，即选择环芯光子晶体光纤空气孔圈数、空气孔直径、孔中心间距、空气孔排列方式、环芯的位置、背景材料和/或环芯材料可以得到具有不同暗斑尺寸、不同光束宽度、不同光束半径及不同宽度半径比等参数的空心光束。

为了获得高质量具有特定参数的空心光束，可以采用下述方法中的至少一种对空心光束进行调谐：改变熔接接合区的长度，由此改变被激起的环模从而对输出的空心光束进行调谐；通过对环芯光子晶体光纤施加沿光纤轴向的应力，改变环模的传输路径，可对形成的空心光束进行调谐；当环芯光子晶体光纤的环芯由掺杂如氟、磷、锗等元素的背景材料构成时，可利用环芯材料和背景材料间诸如热膨胀系数等参数的不同，通过改变光纤环境温度对空心光束进行调谐。

根据本发明的用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器具有以下优点：

1.本发明的光纤耦合器结构简单灵活、易于实现。通过对标准单模光纤和环芯光子晶体光纤进行切割和熔接，就可获得用于形成空心光束的耦合器。该操作简单且所形成的光纤耦合器的一致性好。对标准单模光纤和环芯光子晶体光纤的熔接采用市场可得的光纤熔接机，熔接机可选种类多，适用范围比较大。光纤耦合器的成本低。

2.由于本发明的光纤耦合器对环芯光子晶体光纤的长度没有严格限制，该光纤耦合器在器件集成方面有潜在的应用前景。

3.本发明的光纤耦合器需要的光源比较简单，对泵浦功率和注入条件没有严格的限制，如一个简单的掺铒光纤ASE光源或一种简单的带尾纤的激光器就可以作为本发明的一个光源，因此本发明的光纤耦合器对多种光源具有良好的适用性。

4.本发明的光纤耦合器的输出光束的近场和远场都是空心光束，且强度分布均匀，光束质量好。

5.本发明的光纤耦合器的输出空心光束的可调谐范围大。通过选择具有不同结构的环芯光子晶体光纤，即选择环芯光子晶体光纤的空气孔圈数、空气孔直径、孔中心间距、空气孔的排列结构、环芯的位置、背景材料和/或环芯材料，可以获得具有不同暗斑尺寸、不同光束宽度、不同光束半径及不同宽度半径比等参数的空心光束。通过调节熔接机熔接电流和熔接时间等参数改变完全塌陷区域和/或渐变塌陷区域的长度、改变施加到环芯光子晶体光纤轴向上的应力和/或改变光纤环境温度，可以实现对输出空心光束的暗斑尺寸、光束宽度、光束半径及宽度半径比等参数的调节。

本发明提供了一种便于调谐的高质量的空心光束，其在生物医学、光通信以及光传感等领域中有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为根据本发明实施例1的光子晶体光纤耦合器的示意图；

图2为本发明实施例1的光子晶体光纤耦合器中环芯光子晶体光纤的横截面示意图；

图3为采用实施例1中的环芯光子晶体光纤，在1550nm处被激射产生的环模的横向模场分布图(a)，模场分布垂直剖面图(b)；

图4为具有应力施加装置的光子晶体光纤耦合器的示意图；

图5为根据本发明实施例2的光子晶体光纤耦合器的示意图；

图6为本发明实施例2的光子晶体光纤耦合器中环芯光子晶体光纤的横截面示意图；

图7为采用实施例2中的环芯光子晶体光纤，在1550nm处被激射产生的环模的横向模场分布图(a)，模场分布垂直剖面图(b)；

图8为具有温度调节装置的光子晶体光纤耦合器的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施案例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

图1示出了根据本发明实施例1的光子晶体光纤耦合器的示意图。光子晶体光纤耦合器包括环芯光子晶体光纤10，单模光纤20和具有完全塌陷区31和渐变塌陷区32的熔接接合区30。图2示出了实施例1中的光子晶体光纤耦合器中的环芯光子晶体光纤10的横截面示意图。环芯光子晶体光纤10的包层直径为125μm，背景材料11为纯石英，空气孔12包括以六边形排列的直径为1.2μm的空气孔，孔中心间距为2μm，包含中心空气孔在内的空气孔圈数共为20圈；环芯13由纯石英构成，形状为六边形环形结构，环芯光子晶体光纤的中心到六边形环的内边和外边的距离分别为4.196μm和16.32μm。单模光纤20，例如市场可得的康宁公司型号为G.652的标准单模光纤，芯子直径为8.6μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.14。采用Ericsson公司型号为FSU975的市场可得的光纤熔接机对环芯光子晶体光纤10和标准单模光纤20进行熔接。调整光纤熔接机参数，在熔接处形成例如长度为20-500μm的完全塌陷区域31，例如长度为10-100μm的渐变塌陷区域32，由此形成光子晶体光纤耦合器。将例如掺铒光纤ASE光源作为光源通过尾纤与该光子晶体光纤耦合器中的标准单模光纤端进行连接。光源输出光通过标准单模光纤20经由接合区30进入环芯光子晶体光纤10时，由于完全塌陷区31的存在，标准单模光纤的模场形成散射，经由渐变塌陷区32耦合进入环芯光子晶体光纤环芯的能量，在环芯激起环模，进而在光纤耦合器的环芯光子晶体输出端得到空心光束。根据该环芯光子晶体光纤10的结构参数，通过利用软件RSoft Photonics CADSuite v5.1.9，可以计算出在1550nm处被激射起的环芯光子晶体光纤环模，如图3所示。

由于熔接接合区域直接影响到标准单模光纤模场在完全塌陷区域激起的包层模和辐射模的个数和强度，从而影响环芯光子晶体光纤环芯的环模，因此可以通过调节光纤熔接机参数改变熔接接合区长度，即改变完全塌陷区和/或渐变塌陷区的长度，对输出空心光束进行调谐。

根据本发明的优选实施例，利用应力施加装置对如上所述的光子晶体光纤耦合器中的环芯光子晶体光纤施加轴向应力可对所形成的空心光束进行调谐，如图4所示。将该光子晶体光纤耦合器的环芯光子晶体光纤两端分别放在两个光纤夹持装置上，其中一个夹持装置固定作为固定的光纤夹持装置50，另一个夹持装置放在移动平台上作为可动的光纤夹持装置60。适当调节移动平台，可以改变施加在环芯光子晶体光纤轴向的应力，进而可以调谐输出的空心光束。

该应力施加装置可与本发明的其它实施例组合使用。

实施例2

图5示出了根据本发明实施例2的光子晶体光纤耦合器的示意图。光子晶体光纤耦合器包括环芯光子晶体光纤10，单模光纤20和具有完全塌陷区31和渐变塌陷区32的熔接接合区30。图6示出了本发明实施例2的光子晶体光纤耦合器中环芯光子晶体光纤10的横截面示意图。环芯光子晶体光纤10包层直径为150μm，背景材料11为纯石英，空气孔12包括以六边形间隔排列的直径为15μm的大空气孔和直径为7.5μm的小空气孔，孔中心间距为15μm，空气孔圈数选为1圈；环芯13由掺杂氟的背景材料构成，其内径为7.5μm，外径为37.95μm。该环芯材料的热膨胀系数不同于背景材料的热膨胀系数。单模光纤20，例如市场可得的康宁公司型号为G.652的标准单模光纤，芯子直径为8.6μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.14。采用Ericsson公司型号为FSU 975的市场可得的光纤熔接机对环芯光子晶体光纤10和标准单模光纤20进行熔接。调整光纤熔接机参数，在熔接处形成长度为20-500μm的完全塌陷区域31，长度为10-100μm的渐变塌陷区域32，由此形成光子晶体光纤耦合器。将掺铒光纤ASE光源作为光源通过尾纤与该光子晶体光纤耦合器中的标准单模光纤端进行耦合，光源输出光通过标准单模光纤20经由熔接区30进入环芯光子晶体光纤10时，由于完全塌陷区31的存在，标准单模光纤的模场形成散射，经由渐变塌陷区32耦合进入环芯光子晶体光纤环芯的能量，在环芯激起环模，进而在耦合器的环芯光子晶体输出端得到空心光束。根据该环芯光子晶体光纤10的结构参数，通过利用软件RSoft Photonics CAD Suite v5.1.9，可以计算出在1550nm处被激射起的环芯光子晶体光纤环模，如图7所示。

由于熔接接合区直接影响到标准单模光纤模场在完全塌陷区激起的包层模和辐射模的个数和强度，从而影响环芯光子晶体光纤环芯的环模，因此可以通过调节光纤熔接机参数改变熔接熔接区长度，对输出空心光束进行调谐。

根据本发明的优选实施例，环芯光子晶体光纤10的环芯13可由掺杂如氟、磷、锗等元素的背景材料构成，由此获得具有不同于背景材料热膨胀系数的热膨胀系数的环芯材料。利用环芯材料和背景材料之间热膨胀系数的不同，采用温度控制元件40改变环芯光子晶体光纤环境温度可对空心光束进行调谐。温度控制元件40可采用例如热电偶的加热元件，将环芯光子晶体光纤固定在热电偶上，改变热电偶驱动电流可以改变其加热温度，进而改变环芯光子晶体光纤环境温度，对输出空心光束进行调谐，如图8所示。

本实施方式中光纤的参数和附图仅是说明具体实施方式的环芯光子晶体光纤参数和示意图，而非对本发明的保护范围形成限制。

Claims (10)

1.一种用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器，包括：

单模光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输入端；

环芯光子晶体光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输出端；

其特征在于：

所述光子晶体光纤耦合器进一步包括环芯光子晶体光纤的另一端与单模光纤另一端的熔接接合区，以便在所述光子晶体光纤耦合器的输入端接收输入光时在所述光子晶体光纤耦合器的输出端获得空心光束。

2.如权利要求1所述的光子晶体光纤耦合器，其中所述熔接接合区包括邻近单模光纤的环芯光子晶体光纤中空气孔完全塌陷的完全塌陷区和朝向完全塌陷区方向环芯光子晶体光纤中空气孔直径逐渐缩小的渐变塌陷区。

3.如权利要求2所述的光子晶体光纤耦合器，其中所述完全塌陷区长度为20-500μm，渐变塌陷区长度为10-100μm。

4.如权利要求1所述的光子晶体光纤耦合器，其中所述环芯光子晶体光纤包括背景材料、环芯材料和空气孔，通过选择环芯光子晶体光纤的空气孔圈数、空气孔直径、孔中心间距、空气孔排列方式、环芯的位置、背景材料和环芯材料中的一个或多个，改变空心光束的暗斑尺寸、光束宽度、光束半径、宽度半径比中的一个或多个参数。

5.如权利要求4所述的光子晶体光纤耦合器，其中空气孔的圈数为1-25圈，空气孔排列方式为大体圆形或多边形。

6.如权利要求4所述的光子晶体光纤耦合器，其中所述环芯材料为热膨胀系数不同于背景材料的热膨胀系数的掺杂的背景材料。

7.如权利要求1所述的光子晶体光纤耦合器，进一步包括对所述环芯光子晶体光纤施加轴向应力以便对空心光束进行调谐的应力施加装置。

8.如权利要求6所述的光子晶体光纤耦合器，进一步包括对所述环芯光子晶体光纤的环境温度进行调节以便对空心光束进行调谐的温度调节装置。

9.一种用于形成空心光束的光子晶体光纤耦合器的制备方法，该光子晶体光纤耦合器包括：

单模光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输入端；

环芯光子晶体光纤，其一端作为光子晶体光纤耦合器输出端；

其特征在于：

使所述环芯光子晶体光纤的另一端与单模光纤的另一端熔接接合形成光子晶体光纤耦合器，以便在所述光子晶体光纤耦合器的输入端接收输入光时在所述光子晶体光纤耦合器的输出端获得空心光束。

10.如权利要求9所述的光子晶体光纤耦合器的制备方法，其中使环芯光子晶体光纤的另一端与单模光纤的另一端熔接接合包括形成邻近单模光纤的环芯光子晶体光纤中空气孔完全塌陷的完全塌陷区和朝向完全塌陷区方向环芯光子晶体光纤中空气孔直径逐渐减小的渐变塌陷区。

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