CN103698841B - 一种微结构光纤器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微结构光纤器件，由排布在石英外管内的石英介质柱、石英毛细管、一根或多根光纤组成的微结构区，所述光纤被包裹在所述石英介质柱和石英毛细管组成的结构内；所述微结构区沿轴向的中心部分被拉锥形成锥腰和过渡区；所述光纤贯穿微结构区且在所述微结构区两端形成尾纤；所述尾纤为输入输出元件。在锥腰区和过渡区外，光仍在光纤中传输。微结构光纤两端具有光纤尾纤，在光纤拉锥过程中可通过输入光并用光功率计进行监测，从而可以对微结构光纤性能进行精确的控制。同时，引入的尾纤可以实现对光的低损耗输入与输出，以及对多芯结构的光输入进行选择性的输入、输出，从而获得特殊功能的光器件。

Description

一种微结构光纤器件

技术领域

本发明涉及微结构光纤领域，尤其涉及具有特殊耦合特性的微结构光纤器件。

背景技术

熔融拉锥是制作标准光纤耦合器、宽带光纤耦合器、光纤波分复用器等器件的主要方法，具有高精度、高效率、高可靠和高重复性的特点。熔融拉锥技术实现的基本方法就是将两根或以上的光纤，以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体结构的特殊波导器件。在光纤种类和波长确定的情况下，根据光功率的分配变化精确控制拉锥长度、熔融区大小、熔融温度，可以制作出各种光耦合器件。

由于本身技术的局限性，熔融拉锥技术很难制作结构复杂的光纤器件，例如，多个输出端口的光纤耦合器一般只能采用由多个1×2级联而成的方法来实现。其原因是，在拉锥过程中，很难对锥区的光纤分布进行严格的控制。因此，要制作出更为复杂的耦合器结构，就需要采用其它方法。

多芯光纤是光纤通信系统中常用的耦合元件，许多光学器件如定向耦合器、波分复用器、波分复用信道功率均衡器、光纤激光器中起稳定作用的窄带滤波器、可变衰减器、与功率有关的非线性耦合器、光纤温度传感器、掺铒光纤放大器中增益均衡的滤波器、光分插复用器中都用到了多芯光纤。多芯光纤利用光消逝场在纤芯之间的耦合作用，实现对光功率、波长和偏振态等多重选择功能。

传统多芯光纤的制作工艺比较繁琐，通常是利用化学气相沉积法做成二根预制棒，然后切去近一半、抛光、熔合，形成具有两个纤芯的预制棒[ Appl. Opt.,1994, 33(24): 5602-5610]。

光子晶体光纤的出现，为多芯光纤的实现提供了一种全新的方法。与普通多芯光纤的制作工艺相比，多芯光子晶体光纤的制作更为简单。其制作过程与普通光子晶体光纤相同：先按所设计的结构进行堆积，然后将预制棒通过光纤拉丝塔拉制而成。多芯光子晶体光纤具有比传统多芯光纤更优的传输性能，并可组成具有新奇特性和功能的新型的光纤器件，如宽带偏振分束器[ Applied Optics,2010, 49(16): 3042-3048]、宽带定向耦合器[Opt. Lett.,2004, 29(21): 2473-2475，J. Opt. A: Pure Appl. Opt.,2009, 11(1):015102]、模式转换器[ J. Opt. A: Pure Appl. Opt.,2008, 10(11): 115304]、超高灵敏度光纤折射率传感器[ Opt. Lett.,2009, 34(3): 322-324，Opt. Express,2011, 19(5):4091-4100]、波分复用器[Optics Express,2003, 11(24): 3188-3195，Journal ofLightwave Technology,2009, 27(13): 2343-2347]、单偏振光纤[ Journal ofLightwave Technology,2010, 28(10): 1443-1446]等器件。

然而，基于光子晶体光纤制作工艺的多芯光纤的应用存在较多困难：

(一)多芯光纤与普通光纤连接难度大。由于纤芯小、纤芯之间的距离近，而又需要准确地将光输入到特定的纤芯，以及将从多个纤芯输出的光分离并接入到不同的后续器件中去，因此真正实现非常困难。

(二)结构参数难以准确控制 虽然理论上可以采用与光子晶体光纤制作相同的工艺方法来制作微结构光纤耦合器，但是由于微结构光纤耦合器的传输性能与光纤的结构参数密切相关，在制作工艺导致的微小偏差就可以导致制作的光纤性能降低，甚至无法实现预期的功能。同时，微结构光纤耦合器对耦合器长度也有严格要求。因此，光纤制作完成后，还需要对耦合器长度进行精确的切割。当耦合器长度很短（微结构光纤耦合器的长度一般在毫米量级甚至更短）时，其制作将更为困难。

因此，以上大部分新型微结构光纤耦合器的研究还是停留在理论研究阶段。虽然可以采用特殊的工艺[ Opt. Lett.,2007, 32(4): 328-330]，在制备多芯光纤的预制棒的时候，引入单模光纤作为纤芯，从而实现与单模光纤的有效衔接。但这种方法采用了复杂、昂贵的光纤拉丝设备，制作成本很高。同时，由于只能在一端引入光纤作为尾纤，另一端仍然存在无法实现有效光耦合的缺点。同时，由于无法对输出光进行实时的监测，因此，器件的耦合性能与效果上难以获得有效的保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够同时实现选择性输入、输出，且具有微结构光纤的特殊传光特性的微结构光纤器件。

本发明的技术方案是：一种微结构光纤器件，其特征在于：由排布在石英外管内的石英介质柱、石英毛细管、一根或多根光纤组成的微结构区，所述光纤被包裹在所述石英介质柱和石英毛细管组成的结构内；所述微结构区沿轴向的中心部分被拉锥形成锥腰和过渡区；所述光纤贯穿微结构区且在所述微结构区两端形成尾纤；所述尾纤为输入输出元件。所述光纤为单模光纤、多模光纤或单模或多模组合的光纤。

所述锥腰外径介于10-300 μm。

所述过渡区区的外径介于0.5-10 mm。

本发明的技术效果是：由光纤、石英介质柱、石英管等组成微结构，并经拉锥形成锥腰区和过渡区。在锥腰区和过渡区外，光仍在光纤中传输。微结构光纤两端具有光纤尾纤，在光纤拉锥过程中可通过输入光并用光功率计进行监测，从而可以对微结构光纤性能进行精确的控制。同时，引入的尾纤可以实现对光的低损耗输入与输出，以及对多芯结构的光输入进行选择性的输入、输出，从而获得特殊功能的光器件。

附图说明

图1为一种本发明的微结构光纤器件的结构示意图；

图2为另一种本发明的微结构光纤器件的结构示意图；

图3为一种本发明的微结构光纤器件的横截面示意图；

其中，1-尾纤，2-锥腰，3-过渡区，4-微结构区，5-石英外管，6-石英毛细管，7-单模光纤，8-石英介质柱，9-多模光纤。

具体实施方式

本发明提出采用类似微结构光纤预制棒的方法，堆积形成微结构，并经拉锥在锥腰区实现类似于微结构光纤的折射率分布和光传输特性，同时，光输入与输出通过微结构区两端的光纤实现，可以方便地实现与普通光纤的低损耗连接，克服了普通微结构光纤输入输出耦合的困难，也避免了多芯微结构光纤输入输出时存在的光串扰现象。

以下实施例均以石英光纤和石英管为基础材料为例，相关方案也可适用于聚合物光纤及玻璃光纤等。

实施例一：

光纤结构如图1所示。微结构区的横截面示意图如图2所示。尾纤为单模光纤。

首先，制备外径为125 μm、内径为50 μm 的石英毛细管；将石英毛细管和石英介质柱和单模光纤按如图2的方式进行堆积，并固定于内径为1.15 mm 、外径为1.35 mm的石英管中。中间间隙可以通过填充石英介质柱或通过打磨石英毛细管外壁，减小间隙尺寸。将堆积完成的微结构放置于光纤拉锥机，加以固定。光纤两端分别外接光源和光功率计。经加热装置，形成过渡区和锥腰，锥腰外径为169 μm。通过监测光功率计，获得满足要求的输出后，停止拉锥。再经退火和封装程序，完成器件的制作。

经拉锥后，锥形区长度为26 mm。光从中间纤芯输入，从两侧纤芯输出，实现均匀分光。光纤的工作带宽可达300 nm，偏振相关损耗小于0.2 dB。

实施例二：

光纤结构如图1所示。微结构区的横截面示意图如图2所示。尾纤为单模光纤。

多模光纤外径为125 μm，内径为高105μm和单模光纤外径为125μm。按如图2的方式进行堆积，并固定于内径为0.9 mm、外径为1.2 mm的石英管中。此结构利用单模光纤与多模光纤在折射率分布上的不同，使得单模光纤中的模式能够互相耦合，而不会耦合到多模光纤中，从而形成稳定结构和宽带耦合的目的。中间间隙可以通过填充石英细棒或通过打磨光纤外壁，减小间隙尺寸。将堆积完成的微结构放置于光纤拉锥机，加以固定。光纤两端分别外接光源和光功率计。经加热装置，形成过渡区和锥腰，锥腰外径为169 μm。通过监测光功率计，获得满足要求的输出后，停止拉锥。再经退火和封装程序，完成器件的制作。

锥形区长度为10 mm。光从中间纤芯输入，从两侧纤芯输出，实现均匀分光。光纤的工作带宽可达220 nm，偏振相关损耗小于0.15 dB。

Claims (4)

1.一种微结构光纤器件，其特征在于：由排布在石英外管内的石英介质柱、石英毛细管、多根光纤组成的微结构区，所述光纤被包裹在所述石英介质柱和石英毛细管组成的结构内；所述微结构区沿轴向的中心部分被拉锥形成锥腰和过渡区，所述锥腰的外径在10-300μm，所述过渡区的外径在0.5-10mm；所述光纤贯穿微结构区且在所述微结构区两端形成尾纤；所述尾纤为输入输出元件。

2.根据权利要求1所述的一种微结构光纤器件，其特征在于：所述光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种微结构光纤器件，其特征在于：所述光纤为多模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种微结构光纤器件，其特征在于：所述光纤为单模和多模光纤。