CN101943766A - 可重构的长周期光纤光栅耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构的长周期光纤光栅耦合器，该耦合器包括：施力装置、排列紧密的多根单模裸光纤、排列紧密的多根单模裸光纤置于保护套管中；施力装置在多根单模裸光纤的轴向传播方向周期性地施加径向压力，这样在多根单模裸光纤轴向传播方向上因微弯效应与光弹效应写入空间变化周期相同的光栅。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，光纤之间的纤芯基模与包层模相互耦合；光纤之间包层模通过消逝场作用相互耦合。基于这些耦合，周期径向压力在多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光纤光栅耦合器，可应用于光网络作为一种灵活的分插复用器、光功率分配器等器件。
Description
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可重构的长周期光纤光栅耦合器。
背景技术
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，可以作光合分束器、波分复用器等。光纤耦合器有以下几种制作方法：
1、熔融拉伸法制作单模光纤耦合器
利用放电加热将两根单模裸光纤熔融、拉伸，使光纤外径减小，在耦合区光纤的包层熔融在一起而使纤芯充分靠拢。光纤之间通过消逝场耦合作用增强，使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，熔融拉伸法是最为广泛使用的一种光纤耦合器制作方法。这种方法可以参见文献[1]：Jeff Hecht，“Understanding FiberOptics”，Fourth edition Prentice Hall，2004；文献[2]：Gerd Keiser，“Optical FiberCommunications”，Third edition，2000。熔融拉伸法可以制作1×2，2×2，3×3单模光纤耦合器。
2、混合棒法制作塑料光纤耦合器
利用波前分割概念，采用混合棒作为耦合区也可以制作光纤耦合器。它适用于包层薄的多模塑料光纤，由于包层很薄，可有效提高耦合效率，减小插入损耗。混合棒采用与光纤相同的材料制作确保折射率匹配。锥型混合棒采用热挤出方式预制。文献[3]、文献[4]分别报道了1×4、1×7利用混合棒技术的塑料光纤耦合器，具体参见文献[3]：葛文萍，李忠辉等，“新型1x 4塑料光纤功率耦合器的研制”，光学学报，Vol.23，No.8，pp.961-963，2003年；文献[4]：杨春，孙小菡等，“1×7圆柱形混合棒塑料光纤耦合器”，光学学报，Vol.21，No.9，pp.1116-1121，1991年。
熔融拉伸法、混合棒法制作光纤耦合器需要一个中间光场耦合区形成光纤耦合器，这一光场耦合区，也是不可更改的。因此，用以上方法制成的光纤耦合器是不可重构的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光纤耦合器的不足，提供一种可重构的长周期光纤光栅耦合器。
为实现上述目的，本发明可重构的长周期光纤光栅耦合器包括：排列紧密的多根单模裸光纤、保护套管以及施力装置；
排列紧密的多根单模裸光纤置于保护套管中；
施力装置通过保护套管在多根单模裸光纤轴向传播方向周期性地施加径向压力，在多根单模裸光纤中形成与压力周期相同的长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的周期满足纤芯基模与高阶包层模耦合的相位匹配条件。
本发明的发明目的是这样实现的，在排列紧密的多根单模裸光纤轴向传播方向施加周期性径向压力，该周期性径向压力在单模裸光纤中产生光弹效应与微弯效应，因而在多根单模裸光纤轴向传播方向上同时引入空间变化周期相同的光栅。这种周期为微米～毫米的长周期光纤光栅，满足纤芯基模与高阶包层模耦合的相位匹配条件时，纤芯基模与高阶包层模发生相互耦合；裸光纤之间包层模通过消逝场作用相互耦合。基于这些耦合，周期径向压力在多根裸光纤上实现了耦合器的功能。
周期性径向压力在多根单模裸光纤中形成相同周期的长周期光纤光栅，它们的谐振波长相同。改变施力结构压力的周期，也就改变了长周期光纤光栅的谐振波长，进而改变了该耦合器的工作波长。
本发明的施力结构施加的压力产生周期性微弯形变调制和折射率调制，从而在单模光纤中形成光弹效应与微弯效应引起的光纤光栅，调制深度与压力的大小有关。光栅的周期满足纤芯基模与高阶包层模耦合的相位匹配条件，改变压力大小就控制了纤芯基模向高阶包层模耦合，或高阶包层模向纤芯基模耦合的强度。当施力结构不施加压力时，光弹效应与微弯效应在光纤内产生的长周期光栅消失，没有纤芯基模与高阶包层模之间的耦合过程。周期压力的施加与拆除决定了该耦合器的性能与重构性。
在本发明中，保护套管用的是管状介质材料，例如：塑料、聚氟四乙烯等，其作用是：其一保护紧密排列在其内的多根单模裸光纤不因受压而产生裂纹；其二使多根单模裸光纤紧密平行排列；其三是约束保护套管内单模光纤中的光场，使单模光纤传输的包层模不外泄。
在实施过程中，所述的多根单模裸光纤之间充填有折射率大于1，小于单模光纤包层折射率的固态或液态匹配介质，以增强单模光纤之间同阶包层模消逝场的耦合效率。
所述的保护套管为厚度10微米到900微米的介质材料制成。
所述的施力装置施加的径向压力的周期为10微米～10毫米，占空比为0.1～0.9，周期数为10～1000。
本发明可重构的长周期光纤光栅耦合器是一种简单、可重构的光纤耦合器，它的制作不但可以采用普通单模光纤，也可采用各类掺杂光纤、双包层光纤、弯曲不灵敏光纤、非线性光纤、光子晶体光纤、各种色散光纤等等。
本发明可重构的长周期光纤光栅耦合器通过施力结构由周期性径向压力作用产生，所以，本发明是一种容易写入与擦除的可重构的光纤耦合器，它可作为一种灵活的分插复用器、光功率分配器等器件应用于光网络和光纤传感系统。
附图说明
图1是本发明可重构的长周期光纤光栅耦合器一种具体实施方式结构示意图；
图2是图1所示的长周期光纤光栅耦合器的侧视图；
图3是图1所示施力单元2的结构图；
图4是图1所示施力单元1的结构图；
图5是图1所示的可重构的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6～19是本发明可重构的长周期光纤光栅耦合器的各具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。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是本发明长周期光纤光栅耦合器一种具体实施方式结构示意图，图2是其侧视图。
在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双光纤长周期光纤光栅耦合器，可按照以下步骤实现：
1、将涂有液态匹配介质的两根单模裸光纤放入保护套管3内，并将内置有两根单模裸光纤的保护套管3放入施力装置的施力单元2的底部，在本实施例中，如图3所示，施力单元2为插入式V型槽，其角度可以为1°～180°；
2、施力装置的施力单元1，在本实施例中，如图4所示，施力单元1为插入式V型槽，其角度可以为1°～180°，从上方与施力单元2对插。这种结构保证了夹在两插入式V型槽内的两根单模裸光纤4、5能够紧密接触，并且施力越大，接触越紧密；
3、在施力单元1、2上均匀施加适当的压力，以对两根单模裸光纤4、5的折射率和微弯状态产生适当的调制，形成长周期光纤光栅，当长周期光纤光栅周期满足纤芯基模与高阶包层模耦合的相位匹配条件时，纤芯基模与高阶包层模发生相互耦合；同时通过两紧密接触的单模裸光纤间消逝场作用，构成长周期光纤光栅耦合器。
在本实施例中，如图3、4所示，施力装置包括两个具有相同周期的施力单元1、2，施力单元周期为b，凸出齿宽度为a，占空比为a/(b-a)。
在本实施例中，双光纤长周期光纤光栅耦合器特性的测试方法：宽谱光源接单模裸光纤4的输入端，用光谱分析仪接单模裸光纤4的输出端时，得到该耦合器的传输谱；当光谱分析仪接单模裸光纤5的输出端时，得到该耦合器的耦合谱。
用上述方法制作的双光纤长周期光纤光栅耦合器的传输耦合特性如图5所示。图中，曲线T1～T5为施力装置施加的径向压力依次增大时该耦合器的传输谱，曲线C1～C5为施力装置施加的径向压力依次增大时该耦合器的耦合谱。从图5我们可以看出，施加的径向压力对传输峰值损耗和峰值耦合率有调节作用，两者随径向压力增加而增大。
同时，根据测试，我们发现有保护套管的双光纤长周期光栅耦合器特性比没有保护套管的有更高的耦合率和更高的边峰抑制比。也就是说，保护套管约束保护套管内单模光纤中的光场，使单模光纤传输的包层模不外泄，提高了耦合率。
实施例2
如图6所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式直角∏型槽对插的双光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式直角∏型槽，3为保护套管，4、5为单模裸光纤。
实施例3
如图7所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式U型槽对插的双光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式U型槽，3为保护套管，4、5为单模裸光纤。
在实施例1～3中，单模裸光纤4和5中任意一光纤可作为传输光纤，另一根光纤为耦合光纤，它们可构成2×2光纤耦合器。
实施例4
如图8所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为插入式V型槽和插入式∏型槽对插的三光纤耦合器。图中，施力单元1为插入式V型槽、施力单元2为插入式∏型槽，其角度可以为90°～180°，3为保护套管，4、5、6为单模裸光纤。单模裸光纤4、5和6中任意一光纤可作为传输光纤，另两根光纤为耦合光纤，它们可构成3×3光纤耦合器。
实施例5
如图9所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式V型槽对插的四光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式V型槽，3为保护套管，4、5、6、7为单模裸光纤。单模裸光纤5可作为传输光纤，单模裸光纤4、6、7作为耦合光纤；或者单模裸光纤6为传输光纤，单模裸光纤4，5，7为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×4的光功率分配器。
实施例6
如图10所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式∏型槽对插的五光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式∏型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8为单模裸光纤。单模裸光纤5为传输光纤，光纤4、6、7、8为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×5的光功率分配器。
实施例7
如图11所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为插入式∏型槽和插入式V型槽对插的六光纤耦合器。图中，施力单元1为插入式V型槽、施力单元2为插入式∏型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9为单模裸光纤。单模裸光纤5为传输光纤，单模裸光纤4、6、7、8、9为耦合光纤；或单模裸光纤7为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、8、9为耦合光纤；或单模裸光纤8为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、7、9为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×6光功率分配器。
实施例8
如图12所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为插入式∏型槽和插入式V型槽对插的六光纤耦合器具体实施方式示意图。图中，施力单元1为插入式∏型槽、施力单元2为插入式V型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9为单模裸光纤。单模裸光纤6为传输光纤，单模裸光纤4、5、7、8、9为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×6的光功率分配器。
实施例9
如图13所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式∏型槽对插的七光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式∏型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9、10为单模裸光纤。单模裸光纤7为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、8、9、10为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×7的光功率分配器。
实施例10
如图14所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式V型槽对插的七光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式V型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9、10为单模裸光纤。单模裸光纤7为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、8、9、10为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×7的光功率分配器。
实施例11
如图15所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为插入式V型槽和插入式多边型槽对插的七光纤耦合器。图中，施力单元1为插入式V型槽、施力单元2为插入式多边型槽，其角度可以为90°～180°，由七根单模裸光纤紧密的排列决定，3为保护套管，4、5、6、7、8、9、10为单模裸光纤。单模裸光纤7为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、8、9、10为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×7的光功率分配器。
实施例12
如图16所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式多边型槽对插的七光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式多边型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9、10为单模裸光纤。单模裸光纤7为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、8、9、10为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×7的光功率分配器。
实施例13
如图17所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式U型槽对插的七光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式U型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9、10为单模裸光纤。单模裸光纤7为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、8、9、10为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×7的光功率分配器。
实施例14
如图18所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为双插入式V型槽对插的九光纤耦合器。图中，施力单元1、2为插入式V槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9、10、11、12为单模裸光纤。单模裸光纤8为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、7、9、10、11、12为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×9的光功率分配器。
实施例15
如图19所示，在本实施例中，可重构的长周期光纤光栅耦合器为插入式V型槽和插入式∏型槽对插的十光纤耦合器。图中，施力单元1为插入式V型槽，施力单元2为插入式∏型槽，3为保护套管，4、5、6、7、8、9、10、11、12、13为单模裸光纤。单模裸光纤8为传输光纤，单模裸光纤4、5、6、7、9、10、11、12为耦合光纤，构成光纤耦合器，作为1×10的光功率分配器。
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 (6)
1.一种可重构的长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，包括：排列紧密的多根单模裸光纤、保护套管以及施力装置；
排列紧密的多根单模裸光纤置于保护套管中；
施力装置通过保护套管在多根单模裸光纤轴向传播方向周期性地施加径向压力，在多根单模裸光纤中形成与压力周期相同的长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的周期满足纤芯基模与高阶包层模耦合的相位匹配条件。
2.根据权利要求1所述的可重构的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齿状施力单元，每个齿状施力单元为插入式V型槽、插入式∏型槽、插入式U型槽或插入式多边型槽。
3.根据权利要求1或2所述的可重构的长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，所述的施力装置施加的径向压力的周期为10微米～10毫米，占空比为0.1～0.9，周期数为10～1000。
4.根据权利要求2所述的可重构的长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，所述的插入式V型槽的角度为1°～180°，插入式∏型槽的角度为90°～180°、插入式多边型槽的角度为90°～180°。
5.根据权利要求1所述的可重构的长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，所述的保护套管为厚度10微米到900微米的介质材料制成。
6.根据权利要求1所述的可重构的长周期光纤光栅耦合器，其特征在于，所述的多根单模裸光纤之间充填有折射率大于1，小于单模光纤包层折射率的固态或液态匹配介质。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111130 Termination date: 20140709 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |