CN102736180B - 耦合型微米光纤起偏器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合型微米光纤起偏器及其制备方法，耦合型微米光纤起偏器包括第一微结构光纤和第二微结构光纤，第一微结构光纤包括纤芯和包层，其中间有一段被拉细成微米光纤，其包层直径为3μm～10μm，微米光纤的长度为7.5mm～28mm，微米光纤与两端的普通光纤均形成锥形过渡区；所述第二微结构光纤也包括纤芯和包层，还包括一段长度与第一微结构光纤的微米光纤的长度相同且包层直径为3μm～10μm的微米光纤，其至少有一端与普通光纤相连接并在连接处形成锥形过渡区；两段微米光纤平行紧贴。本发明具有制作简单、成本低廉、超高起偏性能等优点。

Description

耦合型微米光纤起偏器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤通信、光纤传感和集成光学领域，具体是一种耦合型微米光纤起偏器及其制备方法。

背景技术

在光纤通信系统或光纤传感系统中，光的偏振态控制对系统或元器件已显得十分重要，光纤偏振器在其中有着重要的作用。其作用为当非偏振光或部分偏振光入射到起偏器时，在特定的波长范围之内，只让一个偏振方向的光通过，输出偏振光。传统利用波片、棱镜、线栅起偏技术已经非常成熟，但是由于其体积大，调试、准直和校准要求十分苛刻，并且不易与光纤系统连接。随着光纤技术的不断发展，光纤起偏器已被实现，它可在线改变传输光波的偏振态，从而达到起偏目的。由于其成本低、稳定性好、易于与光纤系统连接等优点，近来备受各研究小组关注。现有的光纤偏振器的种类有：第一类是利用镀金属膜的办法吸收一个偏振分量（如US5071212）;第二类是利用异形光纤构成光纤起偏器（如US453181）；第三类是卷绕高双折射光纤构成光纤起偏器（如US5386484）；第四类是基于布拉格光纤光栅光纤起偏器（如US2002/0196992， CN1424602A）。这些光纤偏振器都基于标准光纤。器件体积都大于或等于普通的单模光纤，不适合微型化的光纤光学系统。另外，以上专利所述的制作工艺复杂。

童利民等人在Nature上首先提出并演示了微米光纤优良的特性，它具有强消逝场、强的光约束能力、相对较低的损耗和很好的柔韧性等优点。微米光纤已成为全光线微型光学器件的基本光学元件，基于微米光纤的各种微型光学器件不断被报道。

发明内容

本发明针对现有光纤起偏器体积相对较大的不足，提供一种耦合型微米光纤起偏器及其制备方法，其几何尺寸远小于现有的光纤起偏器。

本发明的目的是这样实现的：

一种耦合型微米光纤起偏器，其特征在于包括第一微结构光纤和第二微结构光纤，第一微结构光纤包括纤芯和包层，其中间有一段被拉细成微米光纤，其包层直径为3μm～10μm，微米光纤的长度为7.5mm～28mm，微米光纤与两端的普通光纤均形成锥形过渡区；所述第二微结构光纤也包括纤芯和包层，还包括一段长度与第一微结构光纤的微米光纤的长度相同且包层直径为3μm～10μm的微米光纤，其至少有一端与普通光纤相连接并在连接处形成锥形过渡区；两段微米光纤平行紧贴。

进一步的，两段微米光纤及相连的锥形过渡区封装在均匀透明材料里面。

当两根微米光纤紧贴时，会出现波导耦合现象，即光能量从一根光纤耦合至另一根光纤中传播，光能量完全从一根光纤耦合至另一根光纤所需要的传播距离称为“拍长”，而微米光纤中两种偏振模式TE，TM的拍长不相同，所以，当合适的选择微米光纤耦合器中两根微米光纤的耦合区长度，就可以实现将非偏振光起偏的目的。

一种耦合型微米光纤起偏器的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）对将两根标准直径的光纤中的一小段同时加热；

（2）对以上两根光纤同时拉伸至光纤包层直径变为10μm～12μm；

（3）监测其中一根光纤在工作波长下的线性消光比，继续拉伸两根光纤，当线性消光比大于20dB，停止加热及拉伸；光纤的结构变成两头粗中间细，且在连接处形成锥形过渡区；细的部分为微米光纤，包层直径为3μm～10μm；

（4）待光纤冷却后，将两根光纤中的微米光纤平行紧贴，将封装胶涂敷于微米光纤上和锥形过渡区，此时封装胶处于粘稠可流动状态，尚未被固化；

（5）同时将两端的光纤之间的距离缓慢拉大，同时监控输出光的线性消光比；当线性消光比达到20dB时，固化封装胶。

进一步的，所述标准光纤为单模光纤或多模光纤。

进一步的，光纤加热方法为二氧化碳激光器加热、电热丝加热、明火加热或电热炉加热。

耦合型微米光纤偏振器的制备方法分为两步：

第一步：使用微米光纤拉制装置将两根普通单模光纤拉伸到直径为几微米的量级，此时，两根光纤因为范德华力和静电力的作用会自然地互相吸引紧贴在一起，形成耦合区域。

第二步：将微米光纤耦合器件接入测试系统，此时，从光源TLS发出的波长为1550 nm的光，通过绕偏仪OPS后被退偏，其偏振度DOP(Degree Of Polarization)降为4%以下，退偏光通过输入端进入器件，然后利用偏振分析仪SOPA持续检测从器件耦合端输出的光的偏振态。这时，控制微米光纤拉制装置继续进行缓慢的拉伸，当检测到从器件耦合端输出的光的偏振度达到90%以上且线性消光比LPER(Linear polarization extinction ratio)达到20 dB以上时，停止拉伸。通过这两步就可以成功制作拥有出色起偏效果的耦合型微米光纤偏振器。

由于微米光纤耦合器的制作工艺简单，体积十分紧凑（耦合区长度可达2μm），并且可与其它光纤器件实现无缝连接，因此这类微米光纤耦合器的备受关注[文献Nano Lett. 8,2839-2843(2008)和Opt. Express 19,3854-3861(2011)]，但是目前的微米光纤耦合器主要被用于作为分束器。此器件功能是是将单束输入光以不同能量的比例分成两束或多束光，并将它们输出。目前仍未见利用微米光纤耦合实现偏振器的报道和专利。

由于微米光纤的直径接近光波波长，因此微米光纤具有很强的消逝场。由于这种微米光纤强消逝场特性，当两微米光纤紧贴或非常靠近时，两微米光纤产生非常强的互相耦合作用。这种强耦合作用导致此器件对不同方向的偏振非常敏感，造成两相互垂直的偏振光（TE和TM偏振光）的拍长发生明显的差别。与当今常见的拉锥技术制作的耦合器不一样，微米光纤耦合器是没有包层，只有纤芯，并且耦合作用是直接通过纤芯光波直接耦合。这里拍长是指某一偏振光波完全从一根光纤耦合到另外一根光纤所需的长度。当两微米光纤耦合长度为TE（TM）偏振光拍长的奇数倍，同时为TM（TE）偏振光拍长的偶数倍，这种耦合作用可将两偏振分开，那么上述微米光纤耦合器完成起偏功能。微米光纤的强消逝场特性使上述微米光纤耦合器只需很短耦合长度就可以实现高性能的起偏器，这使器件体积非常小。另外，此微米光纤制作过程只需两根标准普通光纤和加热拉制两主要步骤， 这使制作工艺非常简单，因此成品率也得到很大提高。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.     体积小，结构简单紧凑，微米耦合区长度不超过28mm，最短可达7.5mm。

2.     制作简单，成本低廉。

3.     超高起偏性能，LPER可达到60dB，这里LPER为线性消光比，是指一般椭圆偏振光的长轴与短轴比值的dB值，为衡量起偏器性能的主要指标。LPER越大说明起偏器的性能越好，起偏后得到的偏振光越接近线理想偏振光。目前常见全光纤起偏器最好也就在30dB左右。与其它制作方法相比，本发明方法可以制作出超高LPER的全光纤起偏器，LPER可达60dB。如此高性能的起偏器可作为超灵敏的检偏器件，检测某一方向偏振的分量大小。

4.     起偏带宽很窄，约为6nm。两器件串联可用作窄带滤波器。

附图说明

图1是本发明耦合型微米光纤起偏器的结构示意图；

图2是本发明的微米光纤部分的横截面示意图；

图3是实施例1制备的耦合型微米光纤起偏器的显微镜照片；

图4是实施例2制备的耦合型微米光纤起偏器的显微镜照片；

图5是实施例3制备的耦合型微米光纤起偏器的显微镜照片；

图6是经实施例1制备的耦合型微米光纤起偏器起偏后输出光的偏振态；

图7是经实施例2制备的耦合型微米光纤起偏器起偏后输出光的偏振态；

图8是经实施例3制备的耦合型微米光纤起偏器起偏后输出光的偏振态；

图9是实施例3的输出光的LPER随波长变化的测试结果。

图1中，1：输入端；2：锥形过渡区；3：微米光纤；4：锥形过渡区；5：输出端；6：输出端；7：输入端。

具体实施方式

如图1所示，一种耦合型微米光纤起偏器，包括第一微结构光纤和第二微结构光纤，第一微结构光纤和第二微结构光纤均包括纤芯和包层，其中间都有一段被拉细成微米光3，包层直径为3μm～10μm，微米光纤3的长度为7.5mm～28mm，微米光纤3与两端的普通光纤均形成锥形过渡区2、4，两段微米光纤平行紧贴；如图1所示，耦合型微米光纤起偏器包括两个输入端1、7及两个输出端5、6，为简化结构，器件也可以只保留一个输入端。

实施例1

对将两根标准直径的光纤同时加热，将其同时拉伸至光纤直径变为10μm。在器件中的输入端1输入工作波长1550nm的光源，并且在输出端6检测输出光的线性消光比（LPER）。继续拉伸上述微米光纤。当LPER大于20dB时，停止加热光纤，经测量，微米光纤直径为3.5μm，长度为27.8mm，待光纤冷却后，利用粘稠封装胶涂敷于两微米光纤3和锥形过渡区2、4。利用机械平移台，缓慢向两相反方向分开器件中的两输入端1、7及输出端5、6，同时监控输出光的LPER。当输出光的LPER超过20dB，停止距离的调整，并固定机械平移台不变，采用加热、光照、化学等方法使封装胶固化，完成耦合型微米光纤起偏器的制作。

图3是本实施例的两微米光纤平行紧贴部分的显微图。图中两亮线为微米光纤的中轴线，而三黑线为两紧贴微米光纤的边缘。从图中测得微米光纤直径为3.5μm。实验使用无偏振光（偏振度<4%）入射输入端1，在输出端6用偏振态分析仪测量输出光的偏振度和LPER，测量的偏振度>92%，LPER为33.46dB，偏振态分析仪所测得经本实施例后输出光的偏振态如图6所示。

实施例2

制作过程与实施例1相同，与实施例1不同的是，开始的时候将两根光纤同时加热拉伸至光纤直径变为12μm，当LPER大于20dB时，微米光纤直径为8.6μm，长度为10.43mm。

图4是本实施例两微米光纤平行紧贴部分的显微图。图中两亮线为微米光纤的中轴线，而三黑线为两紧贴微米光纤的边缘。从图中测得微米光纤直径为8.6μm。偏振度和LPER的测量方法与实施例1相同，测得偏振度>92%， LPER为27.79dB，偏振态分析仪所测得经本实施例后输出光的偏振态如图7所示。

实施例3

制作过程与实施例1相同，与实施例1不同的是，开始的时候将两根光纤同时加热拉伸至光纤直径变为11μm，当LPER大于20dB时，微米光纤直径为5.1μm，长度为7.87mm。

图5是本实施例的两微米光纤平行紧贴部分的显微图。图中两亮线为微米光纤的中轴线，而三黑线为两紧贴微米光纤的边缘。从图中可以测出微米光纤直径为5.1μm。偏振度和LPER的测量方法与实施例1相同，测得偏振度>92%，测得LPER为60dB，偏振态分析仪所测得经本实施例后输出光的偏振态如图8所示。

另外，由于在不同输入波长时器件起偏特性也不同，器件输出的LPER与输入波长相关。通过将可调谐激光器输出的激光退偏到DOP只有3%左右，然后将退偏光输入实施例3制作的器件，最后偏振态分析仪测量实施例3的输出LPER。通过调节可调谐激光器使其输出不同波长的光波，波长范围在1550nm~1560nm之间，偏振态分析仪测量得到的LPER谱线如图9所示。从图9可见当入射光波长为1556nm时，器件可以将入射的退偏光起偏成线偏振光，输出光的LPER可达到60dB，输出光的DOP增加到95%。此说明该器件使无偏振光（DOP约为3%）成为完全偏振光（DOP约为95%），并使输出光成为线偏光，其输出偏振态见图8。从LPER谱线图9可见，实施例3起偏的带宽很窄，约为6nm。因此如果两器件成90⁰串联使用，便可成为光学窄带带阻滤波器。

Claims (5)

1.一种耦合型微米光纤起偏器，其特征在于包括第一微结构光纤和第二微结构光纤，第一微结构光纤包括纤芯和包层，其中间有一段被拉细成微米光纤，其包层直径为3μm～10μm，微米光纤的长度为7.5mm～28mm，微米光纤与两端的第一微结构光纤均形成锥形过渡区；所述第二微结构光纤也包括纤芯和包层，还包括一段长度与第一微结构光纤的微米光纤的长度相同且包层直径为3μm～10μm的微米光纤，其至少有一端与第二微结构光纤相连接并在连接处形成锥形过渡区；两段微米光纤平行紧贴，两微米光纤耦合长度为TE偏振光拍长的奇数倍，同时为TM偏振光拍长的偶数倍，光源的工作波长为1550nm。

2.根据权利要求1所述的耦合型微米光纤起偏器，其特征在于两段微米光纤及相连的锥形过渡区封装在均匀透明材料里面。

3.一种耦合型微米光纤起偏器的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）对将两根标准直径的光纤中的一小段同时加热；

（2）对以上两根光纤同时拉伸至光纤包层直径变为10μm～12μm；

（3）监测其中一根光纤在工作波长下的线性消光比，光源的工作波长为1550nm，继续拉伸两根光纤，当线性消光比大于20dB，停止加热及拉伸，微米光纤的长度控制在7.5mm～28mm；光纤的结构变成两头粗中间细，且在连接处形成锥形过渡区；细的部分为微米光纤，包层直径为3μm～10μm；

（4）待光纤冷却后，将两根光纤中的微米光纤平行紧贴，将封装胶涂敷于微米光纤上和锥形过渡区，此时封装胶处于粘稠可流动状态，尚未被固化；

（5）同时将两端的光纤之间的距离缓慢拉大，同时监控输出光的线性消光比；当线性消光比达到20dB时，固化封装胶，两微米光纤耦合长度为TE偏振光拍长的奇数倍，同时为TM偏振光拍长的偶数倍。

4.根据权利要求3所述的耦合型微米光纤起偏器的制作方法，其特征在于所述标准光纤为单模光纤或多模光纤。

5.根据权利要求3所述的耦合型微米光纤起偏器的制作方法，其特征在于光纤加热方法为二氧化碳激光器加热、电热丝加热、明火加热或电热炉加热。