CN102749675B - 一种结构型长周期光纤光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构型长周期光纤光栅，包括轴和螺旋线，螺旋线缠绕在轴表面上，构成周期性螺旋结构；轴和螺旋线的横截面直径为微米或纳米量级的；轴的横截面直径大于螺旋线的横截面直径。本发明的长周期光纤光栅具有制备过程简单、制备成本低、结构简单、紧凑和小巧等优点，而且本发明的一个长周期光纤光栅能够同时实现带通滤波和带阻滤波的功能。

Description

一种结构型长周期光纤光栅

技术领域

本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种结构型长周期光纤光栅。

背景技术

长周期光纤光栅在通信和传感领域具有极其重要的地位和许多广泛的应用潜力，比如用来做光纤放大器的增益平坦、色散补偿，以及温度、应变、生物化学传感器等。长周期光纤光栅基本的传光原理是前向传输的纤芯模式与同向的各阶次高阶模式之间进行耦合，由于其对传导模进行周期性调制，使基模和高阶模在满足谐振条件的情况下发生能量转换，高阶模在传输一段距离之后被衰减掉，形成损耗峰。

目前，有许多方法制备成的长周期光纤光栅，比如通过紫外诱导光纤纤芯折射率调制的长周期光纤光栅、CO₂激光器诱导热沉积的长周期光纤光栅、电弧放电制备的长周期光纤光栅和S.Savin等人报道的机械诱导微弯形成的长周期光纤光栅（S.Savin,M.J.F.Digonnet,G. S.Kino,and H.J.Shaw，“Tunablemechanically induced long–period fiber gratings,”Opt.Lett.25,710-712，2000）等。这些制备方法的制备工艺非常复杂，所需的激光器等制备设备的成本也相对较高。而且传统方法制备的长周期光纤光栅中光栅的长度多为厘米量级，其结构均不够紧凑。

至今，所有这些传统方法制备的长周期光纤光栅都是在一根光纤上构成周期性的折射率调制而成的，这些方法形成的长周期光栅不仅结构单一，而且形式也很固定，光栅形成后其周期很难再改变；另外由于传统方法制备的长周期光纤光栅只具有带阻滤波特性，不能实现带通滤波器功能，给应用带来很大不便。

过去，为了开发长周期光栅的带通滤波特性，人们曾做了很多的尝试，例如，在公开号为CN 101446662A的中国发明专利提出了一种长周期光纤光栅带通滤波器，包括光纤和被接光纤，在光纤和被接光纤的端面有微槽，光纤和被接光纤通过对接连接在一起，所述微槽的槽道形成FP腔，所述槽道的横截面小于纤芯的横截面，在所述的FP腔的两端分别制作有长周期光纤光栅，然而该带通滤波器需要通过两个长周期光纤光栅才能实现，并且要求两个长周期光栅波长精确对准，实现条件比较苛刻。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种制备过程简单、制备成本低、结构简单和小巧的结构型长周期光纤光栅。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种结构型长周期光纤光栅，包括轴和螺旋线，所述螺旋线缠绕于轴表面上，构成周期性螺旋结构；所述轴和螺旋线的横截面直径为微米或纳米量级的；所述轴的横截面直径大于所述螺旋线的横截面直径。

优选的，所述轴和螺旋线为微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤。

优选的，所述微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤的两端均与标准光纤熔接。

优选的，所述微纳石英光纤由标准光纤熔融拉锥加工得到；所述微纳玻璃光纤由玻璃光纤熔融拉锥或玻璃熔融后拉丝得到；所述微纳聚合物光纤由聚合物光纤熔融拉锥或聚合物熔融后拉丝得到。

优选的，所述轴的横截面直径为50nm～50μm，所述螺旋线的横截面直径为10nm～10μm。

优选的，所述螺旋线的螺距为1～1000μm。

优选的，光在所述长周期光纤光栅中传输的相位匹配条件为相互耦合的基模和高阶模的光波模式的传播常数之差与所述螺旋线的螺距的乘积等于2π。

优选的，所述螺旋线缠绕于所述轴上的螺旋线圈数为1～500圈。

本发明的结构型长周期光纤光栅同时实现带通滤波和带阻滤波功能的原理如下：

由于微纳石英光纤、微纳玻璃光纤和微纳聚合物光纤的大倏逝场特性，光从轴或螺旋线的端口入射传输到光栅部位时，轴或螺旋线中传输的光能够有效的被周期性螺旋结构进行周期性的折射率调制，这种周期性的折射率调制使得相应波长的光满足相位匹配条件：β1-β2=2π/Λ，其中，β1和β2分别为相互耦合的基模和高阶模的光波模式的传播常数，该传播常数与轴的横截面直径和螺旋线的横截面直径均相关，Λ为光栅周期即螺旋线的螺距。光从轴的一个端口入射传输到光栅部位，当光的波长满足相位匹配条件时，基模与高阶模之间的耦合使该波长光的能量被耦合到包层中，故轴输出端口的输出光谱中存在损耗峰，这部分在包层中传输的能量能够被螺旋线有效的收集并在螺旋线对应的输出端口输出这一部分损耗的能量，此时长周期光纤光栅同时具备了带通滤波和带阻滤波的功能。另外，光从螺旋线的一个端口入射传输到光栅部位时，当光的波长满足相位匹配条件时，该波长光的能量被耦合至轴中，故螺旋线输出端输出存在损耗峰的光谱，这部分损耗峰的能量被轴收集并且在轴的输出端口输出，输出的光谱为对应的损耗峰的光谱，此时长周期光纤光栅也同时具备了带通滤波和带阻滤波的功能。因此长周期光纤光栅在选取轴或螺旋线的其中一个端口作为输入时，该长周期光纤光栅均能够实现带通滤波和带阻滤波的功能。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明通过在轴上缠绕螺旋线形成周期性螺旋结构，从而得到长周期光纤光栅，可见本发明长周期光纤光栅的组成结构和制备过程都非常简单，另外本发明不需要传统长周期光纤光栅制造时所需的激光器等价格较为昂贵的制备设备，故本发明的长周期光纤光栅的制备成本也非常低；本发明长周期光纤光栅的轴和螺旋线的横截面直径均为微米或纳米量级的，故本发明长周期光纤光栅的结构非常的小巧。

（2）由于轴和螺旋线采用的微纳石英光纤、微纳玻璃光纤和微纳聚合物光纤具有大倏逝场特性，使得周期性螺旋结构能够对传输的光产生非常强的周期性折射率调制，因而本发明与传统的长周期光纤光栅比较所需要的光栅周期数大大降低，故本发明能够以更小的光栅长度实现与传统的长周期光纤光栅相同的光谱特性，使得本发明的长周期光纤光栅的结构相比传统的长周期光纤光栅更加紧凑。

（3）本发明的轴或螺旋线采用微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤，增加了长周期光纤光栅制备材料选择的多样性，以及丰富了长周期光纤光栅本身光学特性，本发明利用了具备大倏逝场特性的微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤，所以该长周期光纤光栅在传感器方面拥有广阔的应用前景，例如能够用作高灵敏度的折射率传感器。

（4）本发明的轴和螺旋线使用具有大倏逝场特性的微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤，通过在轴上缠绕螺旋线形成的周期性螺旋结构得到长周期光纤光栅，由于该周期性螺旋结构能够对在轴和螺旋线中传输的光进行周期性的折射率调制，光在轴中传输损耗的能量能够被螺旋线收集，同理光在螺旋线中传输损耗的能量能够被轴收集，故本发明的一个四端口的长周期光纤光栅能够同时实现带通滤波和带阻滤波的功能。

（5）本发明结构型长周期光纤光栅的周期即为螺旋线的螺距，故通过改变螺旋线的螺距就可以改变本发明结构型长周期光纤光栅的周期。本发明可以通过改变轴的横截面直径、螺旋线的螺距和螺旋线的横截面直径来改变长周期光纤光栅的相位匹配特性，实现长周期光纤光栅的输出光谱损耗峰位置和强度的灵活配置。

（6）本发明能够通过螺旋线圈数来改变长周期光纤光栅的带阻性能，随着螺旋线圈数的增多，长周期光纤光栅的带阻性能也相应变好。

附图说明

图1是本发明一种结构型长周期光纤光栅的结构示意图。

图2是本发明结构型长周期光纤光栅在不同的螺旋线圈数下的输出光谱图。

图3是本发明结构型长周期光纤光栅的不同端口的输出光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种结构型长周期光纤光栅，包括轴1和螺旋线2，通过在轴1上缠绕螺旋线2形成周期性螺旋结构，从而得到长周期光纤光栅；可见本实施例的长周期光纤光栅的组成结构和制备过程都非常简单。

其中轴1和螺旋线2是横截面直径为微米或纳米量级的微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤；轴1的横截面直径大于螺旋线2的横截面直径。微纳石英光纤由标准光纤熔融拉锥加工得到；微纳玻璃光纤由玻璃光纤熔融拉锥或玻璃熔融后拉丝得到；微纳聚合物光纤由聚合物光纤熔融拉锥或聚合物熔融后拉丝得到；作为轴和螺旋线的微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤的两端均与标准光纤熔接。其中由于本实施例长周期光纤光栅的轴1和螺旋线2的横截面直径均为微米或纳米量级的，故本实施例的长周期光纤光栅的结构非常小巧。

其中本实施例的轴1为微纳石英光纤，也可用微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤替代；螺旋线2为微纳石英光纤，也可用微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤替代；作为轴1的微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤的尺寸为50nm～50μm，本实施例选定为5.8μm；作为螺旋线2的微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤的尺寸为10nm～10μm，本实施例选定为3.4μm；螺旋线2的螺距，即光栅的周期为1～1000μm，本实施例选定为110μm。螺旋线2缠绕于轴上的螺旋线圈数可选择为1~500圈，本实施例的螺旋线圈数为4圈。

由于轴1和螺旋线2采用的微纳石英光纤具有大倏逝场特性，使得周期性螺旋结构能够对传输的光产生非常强的周期性折射率调制，因而本实施例的长周期光纤光栅与传统的长周期光纤光栅比较所需要的光栅周期数大大降低，故本实施例的长周期光纤光栅能够以更小的光栅长度实现与传统的长周期光纤光栅相同的光谱特性，所以本实施例的长周期光纤光栅的结构相比传统的长周期光纤光栅更加紧凑。

本实施例的长周期光纤光栅中轴1的两个端口A和C，螺旋线2的两个端口B和D构成了长周期光纤光栅的四个端口。

其中本实施例螺旋线2的螺距即为光栅的周期，螺旋线圈数为光栅的周期数。如图2所示为轴1和螺旋线2均为微纳石英光纤时光栅周期数N对输出光谱的损耗峰的影响，其中光从轴的A端口进入，并且从C端口输出，随着N的增加，即螺旋线圈数的增加，光栅对输入光的调制增强，对应输出光谱的损耗峰的峰谷逐渐加深，消光比也逐渐增大，使得长周期光纤光栅的带阻性能变得越好。从图2可以得出本实施例的结构型长周期光纤光栅的螺旋线圈数为3~4圈就能实现可观的输出光谱，使得长周期光纤光栅具有较好的带阻特性。

由于微纳石英光纤、微纳玻璃光纤和微纳聚合物光纤的大倏逝场特性，当光从轴1或螺旋线2的端口入射传输到光栅部位时，轴1或螺旋线2中传输的光能够有效的被周期性螺旋结构进行周期性的折射率调制，这种周期性的折射率调制使得相应波长的光满足相位匹配条件：β1-β2=2π/Λ，其中，β1和β2分别为相互耦合的基模和高阶模的光波模式的传播常数，Λ为光栅周期即螺旋线的螺距。如图3所示为轴1和螺旋线2均为微纳石英光纤时各个端口的输出光谱。点划线代表当光从轴1的A端口入射时轴1的C端口输出的光谱，实线代表当光从轴1的A端口入射时螺旋线2的D端口输出的光谱，虚线代表当光从螺旋线2的B端口入射时轴1的C端口输出的光谱。光从轴1的A端口入射传输到光栅部位，当光的波长满足相位匹配条件时，基模与高阶模之间的耦合使该波长光的能量被耦合到包层中，故如图3中的点划线所示轴1的C端口的输出光谱中存在损耗峰，这部分在包层中传输的能量能够被螺旋线2有效的收集并在螺旋线2对应的输出端口D输出这一部分损耗的能量，如图3中的实线所示螺旋线的输出端口D输出的光谱为损耗峰对应的光谱。光从螺旋线2的B端口入射传输到光栅部位，当光的波长满足相位匹配条件时，该波长光的能量被耦合至轴中，故螺旋线2输出端D的输出存在损耗峰的光谱，这部分损耗峰的能量被轴1收集并且在轴1的输出端口C输出，如图3中的虚线所示轴1的输出端口C输出的光谱为损耗峰对应的光谱；从图3中可以得出本实施例的长周期光纤光栅在选取轴1或螺旋线2的其中一个端口作为输入时，该长周期光纤光栅均能够同时实现带通滤波和带阻滤波功能。

光在本实施例长周期光纤光栅中传输的相位匹配条件为相互耦合的基模和高阶模的光波模式的传播常数之差与所述螺旋线的螺距的乘积等于2π，具体关系式为：β1-β2=2π/Λ，其中，β1和β2分别为相互耦合的基模和高阶模的光波模式的传播常数，Λ为螺旋线的螺距；由于光波的传播常数与轴1的横截面直径和螺旋线2的横截面直径均相关，故本实施例可通过螺旋线2的螺距、轴1横截面的直径以及螺旋线2的横截面直径来改变光栅的相位匹配特性，实现了长周期光纤光栅的输出光谱损耗峰位置和强度的灵活配置。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，如本发明的轴和螺旋线可以使用除微纳石英光纤、微纳玻璃光纤和微纳聚合物光纤以外的其他具有大倏逝场特性的微纳光纤。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种结构型长周期光纤光栅，包括螺旋线，其特征在于：还包括轴，所述螺旋线缠绕于轴表面上，构成周期性螺旋结构；所述轴和螺旋线的横截面直径为微米或纳米量级的；所述轴的横截面直径大于所述螺旋线的横截面直径；所述轴的横截面直径为50nm～50μm，所述螺旋线的横截面直径为10nm～10μm。

2.根据权利要求1所述的结构型长周期光纤光栅，其特征在于：所述轴和螺旋线为微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤。

3.根据权利要求2所述的结构型长周期光纤光栅，其特征在于：所述微纳石英光纤、微纳玻璃光纤或微纳聚合物光纤的两端均与标准光纤熔接。

4.根据权利要求2所述的结构型长周期光纤光栅，其特征在于：所述微纳石英光纤由标准光纤熔融拉锥加工得到；所述微纳玻璃光纤由玻璃光纤熔融拉锥或玻璃熔融后拉丝得到；所述微纳聚合物光纤由聚合物光纤熔融拉锥或聚合物熔融后拉丝得到。

5.根据权利要求1所述的结构型长周期光纤光栅，其特征在于：所述螺旋线的螺距为1～1000μm。

6.根据权利要求1所述的结构型长周期光纤光栅，其特征在于：光在所述长周期光纤光栅中传输的相位匹配条件为相互耦合的基模和高阶模的光波模式的传播常数之差与所述螺旋线的螺距的乘积等于2π。

7.根据权利要求1所述的结构型长周期光纤光栅，其特征在于：所述螺旋线缠绕于所述轴上的螺旋线圈数为1～500圈。

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