CN102096155B

CN102096155B - 一种基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元及其应用

Info

Publication number: CN102096155B
Application number: CN2011100078799A
Authority: CN
Inventors: 朱晓农; 孙小燕; 赵捷峰; 黄鹏; 张楠
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: CN102096155A

Abstract

一种基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元，其原理是利用激光直写技术对光纤局部改性，即改性区产生非均匀物质结构，该结构可对入射光产生Mie散射，实现光衰减功能，通过控制改性区的折射率、密度、沿光纤径向尺寸和改性区域的长度，实现对此类光衰减器的衰减能力的有效调节，由一个或任意多个基于Mie散射的光纤衰减器结构单元级联构成可调光纤衰减器。利用此方法制备的光衰减器，不仅可实现宽波段均匀光衰减，衰减量可调范围大，无背向或弱背向反射，而且用于波导结构的光子晶体光纤时，不会对其整体的导波特性产生破坏。此类衰减器结构简单，成本低廉，能够耐高温，可靠性高，接入损耗低，体积小，易于集成。

Description

一种基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元及其应用

技术领域

本发明属于光电子器件制备领域，特别是一种基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元及其应用。

背景技术

当光路中传输的能量超过预定值时，需要对其进行衰减，这时需要用到光衰减器。在光通信和光传感中，传统光衰减原理主要包括以下几种：1、控制两光纤耦合时的对准精度，产生耦合误差，并利用该误差实现光衰减；2、利用光纤的弯曲损耗，即破坏波导内全反射条件来实现光衰减；3、在光路中增加吸收体或反射元件，进行光衰减；4、周期性改变光纤芯层或包层折射率，从而在纤芯模与包层模之间产生共振耦合，使光能由纤芯向包层传递，并在传输过程中逐渐泄露出光纤而损耗掉。基于以上原理的可调光衰减器通常需要利用较为复杂的热控或电控机械装置，以便控制诸如光纤耦合时的对准精度、光纤弯度、折射率变化量、吸收体的有效长度等物理量，从而实现对衰减强度的控制，其往往伴随有接入损耗大、响应速度慢、对波长过于敏感、机械稳定性差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种具有可实现宽波段均匀光衰减、衰减幅度可调范围大、背向反射小，且结构简单、易于集成、对波导结构不会产生破坏、耐高温、高可靠性、低接入损耗、控制使用方便、成本低廉的光纤衰减器的结构单元及其制造方法。

本发明的技术方案：

一种基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元，包括包层、纤芯和改性区，改性区位于包层和纤芯之间并在包层和纤芯内任意扩展，所述改性区在包层和纤芯内任意扩展包括对称分布或非对称分布，其填充部位为全部充满纤芯区、部分充满纤芯区、扩展到纤芯区之外、将包层与纤芯区均充满、仅局限在光纤包层和部分跨越包层与纤芯区各种类型。

一种所述基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元的制造方法，利用超短脉冲激光辐照光纤，产生任意分布状态的材料改性区，并通过调节加工参数实现对改性区的折射率、密度、沿光纤径向尺寸和改性区长度的控制，所述超短脉冲激光为由掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光振荡器、放大器和光参量放大器输出的脉冲激光；所述调节加工参数包括：激光波长为200 nm - 5000 nm；脉冲宽度为10 fs - 100 ps；激光功率为0.01 mW - 500 mW；激光偏振态为线偏振、圆偏振或椭圆偏振；激光脉冲重复频率为1 Hz - 100 kHz；聚焦焦点处激光光斑截面的直径为0.1 μm - 30 μm；激光聚焦焦长为1.6 mm - 32 mm；焦斑的位置在光纤包层或纤芯内；激光扫描或光纤运动速度为1 μm/s - 10 mm/s。

一种所述基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元的制造装置，由刻写光路、YZ定位监测光路、XZ定位监测光路、透射谱探测光路和光纤波导固定架构成，刻写光路包括800 nm飞秒激光系统、第一反射镜、第二反射镜、第一光阑、圆形渐变衰减器、第二光阑、800 nm全反介质镜和聚焦装置； YZ定位监测光路包括第一滤光片、第一聚焦透镜、第一CCD和第一监视器；XZ定位监测光路包括照明光、狭缝装置、反射镜、第二聚焦透镜、第二滤光片、第二CCD和第二监视器；传输谱探测光路包括、宽带光源、第三聚焦透镜和OSA；光纤波导固定架为凹形结构，固定架上设有两个用于固定光纤的凹槽，并通过固定夹片夹紧待加工光纤，该固定架安装在一个XYZ三维平移台上。

一种所述基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元的应用，由一个或任意多个基于Mie散射的光纤衰减器结构单元级联构成可调光纤衰减器，光纤衰减器对入射光的总体衰减程度通过改变单位长度改性区的Mie散射的强弱来控制，或者通过增加衰减结构单元中改性区的长度和衰减结构单元的数量来调节。

本发明的优点是：1）与现有其它衰减方法相比可以实现更接近均匀的宽波段光衰减；2）衰减量大且范围可控，单个器件的衰减强度可实现0-25 dB可调节且易于实现，即可以通过改变激光加工参数来改变单个基本衰减结构单元中改性区的衰减量，同时也可以通过将两个以上的衰减结构单元的级联组合后使用，不同衰减结构单元的间隔也可以适当调节；3）背向反射小，且不会对主要波导结构产生破坏；4）器件本身有很好的温度特性，可在1200 ℃的环境下工作，可靠性高；5）当器件本身为光纤器件时，其接入损耗低，使用方便，无附加元件, 易于集成；6）结构简单，成本低廉。

附图说明

图1是本发明光纤衰减器的基本结构单元示意图，图中：

i). 为改性区域充满纤芯；

ii). 为改性区域部分充满纤芯区；

iii). 为改性区域扩展到纤芯区之外；

iv). 为改性区域将包层与纤芯区均充满；

v). 为改性区域仅局限在光纤包层；

vi). 为改性区域部分跨越包层与纤芯区。

图2是一种光纤改性区扫描电镜图片。

图3是光纤Mie散射显微镜照片。

图4是刻写光纤衰减器的装置示意图，虚线部分表示光线路径，

图中：1.800 nm飞秒激光；2.第一反射镜；3.第二反射镜；4.第一光阑； 5.圆形渐变衰减器；6.第二光阑；7.800 nm全反介质镜； 8.聚焦装置；9.待加工光纤；10.光纤波导固定架； 11.第一滤光片； 12.第一聚焦透镜；13.第一CCD；14.第一监视器； 15.照明光；16.狭缝；17.反射镜； 18.第二聚焦透镜；19.第二滤光片；20.第二CCD；21.第二监视器；22.宽带光源；23.第三聚焦透镜；24.OSA；25. 固定夹片。

图5是将光纤夹在光纤波导固定架上的放大示意图。

图6是本发明可调光纤衰减器的结构示意图。

图7是衰减强度与改性区长度的关系曲线。

图8是衰减强度与激光辐照量的关系曲线。

图9是衰减强度与脉冲宽度的关系曲线。

图10是衰减强度与级联的关系曲线。

具体实施方式

以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。

实施例1：

Mie散射光衰减器结构单元的制造装置如附图4所示。具体制造过程包括以下步骤：

1）准备待加工光纤：将待加工光纤（9）安装在光纤波导固定架（10）上，即将待加工光纤拉直后，两端分别夹在一个安装于三维平移台上的光纤波导固定架的两端，光波导的固定架（10）安装在一个由计算机控制的三维平移台上。

2）产生飞秒激光束：由飞秒激光系统（1）输出一束超短脉冲激光，实验所采用的激光中心波长为800 nm；激光脉冲宽度为50 fs；激光脉冲重复频率为1 kHz；激光偏振态为水平线偏振；聚焦焦点处激光光斑截面的直径约为0.8 μm；激光聚焦焦长为6.4 mm；焦斑的位置在光纤纤芯内；根据不同刻制要求激光功率选在0.5 mW与1.5 mW之间；光纤运动速度在10 μm/s与30 μm/s之间。

3）激光聚焦到待加工光纤上：该激光通过可变衰减器（5）后经过800 nm全反镜（7）反射后，再通过聚焦装置（8）聚焦到待加工光纤（9）上。而后通过计算机程序控制光纤沿着其轴向运动，以及控制光纤被刻写的范围；

4）监视待加工光纤YZ维度的定位和刻写情况：激光聚焦到待加工光纤（9）上以后，其荧光透过800 nm全反镜（7），经由800 nm滤光片（11）和聚焦透镜（12）成像于CCD（13）上，实现将定位情况与刻写图像实时传输到监视器（14），根据监视器（14）中的图像可以即时用计算机程序调整光纤YZ维度的位置；

5）监视待加工光纤XZ维度的定位和刻写情况：将一个与飞秒激光系统（1）光束方向平行设置的照明光源（15）发出的光束通过反射镜（17）反射到待加工光纤（9）上，经过聚焦透镜（18）和800 nm滤光片（19）后，使光纤（9）清晰的成像于置于光纤（9）正上方的CCD（20）中，并将定位情况与刻写图像传输到监视器（21）根据监视器（21）中的图像可以即时用计算机程序调整光纤XZ维度的位置。

附图7是衰减幅度随改性区长度变化的关系曲线。由图7中结果可见，当其它条件不变时，增加改性区长度会使器件的衰减能力增加。附图8是衰减量随制造过程中所用激光辐照量的变化曲线。由图8中结果可见，当改性区长度一定时，激光辐照量越大，器件的衰减能力越强。改性的程度和尺寸及填充状态随激光辐照参数发生变化。在需要对传输光进行衰减的实际应用中，只需将该光衰减器接入光纤系统中就可对全光谱范围的光进行有效衰减。

实施例2：

附图9为按照实施例1中给出的步骤，使用中心波长为800 nm、平均光功率为3 mW、重复频率为1 kHz的飞秒激光，聚焦物镜为10倍物镜，光纤运动速度为0.01 mm/s 条件下，所刻制的改性区长度为2 mm的光衰减器的衰减特性，即衰减幅度随激光脉冲宽度变化的关系曲线。

光纤改性区扫描电镜测试结果如附图2所示，其辐照激光功率为100 mW，频率为1000 Hz，脉宽为50 fs，样品移动速度为0.05 mm/s。由图可知，改性区内物质组织状态发生变化，形成了微颗粒分布，可对入射光造成Mie散射，实现对入射光功率的衰减。实验观测到的一个非载氢单模光纤纤芯改性区的典型散射图像如附图3所示。

实施例3：

一种基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元的应用，由三个基于Mie散射的光纤衰减器结构单元级联构成可调光纤衰减器，光传输衰减强度的实时可调性可通过使用具有不同衰减量的基本衰减结构单元来实现。如附图6中的O1、O2、O3为三个具有不同衰减量的基本衰减结构单元，A1、A2、A3分别是各自对应的阵列光开关的输入端，B1、B2、B3是对应的阵列光开关的输出端，A为输入光接口、B为输出光接口。将这些不同的光衰减器单元与阵列光开关组合，根据需要选择具有特定衰减量的衰减单元接入光路。具体实施方式以选择衰减单元Oi为例，则只需将其阵列开关的输入端Ai与输入光接口A连接，其对应的输出端Bi与输出光接口B相连（其中i= 1，2，3），便可实现对衰减量的控制和调节。另外也可通过两个或多个基本衰减结构单元的级联来扩展衰减量的控制范围。具体实施方式以选择Oi与Oj级联为例，将Oi的光开关输出端Bi先与Oj的光开关的输入端Aj相连接，再将级联后的衰减器的输入端Ai以及输出端Bj分别与输入光接口A和输出光接口B相连（其中i≠j= 1，2，3）。

附图10中曲线分别为采用一段衰减结构单元以及将两段衰减结构单元级联和将三段衰减结构单元级联后的衰减特性。

Claims

1.一种基于Mie散射的光纤衰减器的结构单元的制造方法，所述结构单元包括包层、纤芯和改性区，改性区可对入射光造成Mie散射，实现对入射光功率的衰减，改性区在包层和/或纤芯内任意扩展，所述改性区在包层和纤芯内任意扩展包括对称分布或非对称分布，其填充部位为全部充满纤芯区、部分充满纤芯区、扩展到纤芯区之外、将包层与纤芯区均充满、仅局限在光纤包层和部分跨越包层与纤芯区各种类型，其特征在于：利用超短脉冲激光辐照光纤，产生上述改性区，并通过调节加工参数实现对改性区的折射率、密度、沿光纤径向尺寸和改性区长度的控制，所述超短脉冲激光为由掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光振荡器、放大器和光参量放大器输出的脉冲激光；所述调节加工参数包括：激光波长为200nm-5000nm；脉冲宽度为10fs-100ps；激光功率为0.01mW-500mW；激光偏振态为线偏振、圆偏振或椭圆偏振；激光脉冲重复频率为1Hz-100kHz；聚焦焦点处激光光斑截面的直径为0.1μm-30μm；激光聚焦焦长为1.6mm-32mm；焦斑的位置在光纤包层或纤芯内；激光扫描或光纤运动速度为1μm/s-10mm/s。