CN105044847B - 基于液滴耦合的光纤分路器 - Google Patents

基于液滴耦合的光纤分路器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于液滴耦合的光纤分路器。包括两个微纳光纤、激光光源、液滴、背景液体和石英毛细管，两个微纳光纤均与液滴相切，激光光源从第一微纳光纤的一端口进入，该微纳光纤中的光一部分耦合到液滴中，在液滴里产生谐振，并在沿着液滴边缘传输n周后将光耦合到第二微纳光纤中，最后从第二微纳光纤的一端口射出，第一微纳光纤中其余的光继续沿着第一微纳光纤向前传输，最终从第一微纳光纤另一端口出射，两个微纳光纤、液滴和背景液体均封装在石英毛细管中。本发明的装置结构简便、操作容易、价格低廉、结构小巧易于集成。

Description

基于液滴耦合的光纤分路器
技术领域
本发明涉及的是一种光纤分路器，具体地说是一种基于液滴消逝场耦合原理的新型光纤分路器。
背景技术
亚波长直径的微纳光波导线(简称微纳光纤)，因为其具有大比例的倏逝波传输、高非线性、高色散区、强倏逝波耦合、低弯曲损耗等特点，可以广泛应用于微纳光子器件和近场光学传感等方面。
微纳光纤与液滴之所以可以发生耦合，是因为圆形液滴具有回音壁模式。早在1910年LordRaleigh就已率先开展了相关的研究工作。其原理是声波可以不断地在弯曲光滑的墙面反射而损耗很小，所以声音可以沿着墙壁传播很远的距离。类似于声波在墙面的反射，当光从光密介质以足够大的入射角入射到光疏介质时，会在两种介质的表面发生全反射现象，回音壁模式存在于闭合腔体的边界内，所以光可以一直被囚禁在腔体内部保持稳定的行波传输模式(Rayleigh L.The problem of the whispering gallery.Phil Mag,1910,20(120):1001–1004)。
因为光辐射是各向异性，很难通过自由空间直接收集或利用高斯光束激发出微腔的回音壁模式，所以人们往往采用外部的近场耦合器件将光有效地耦合进微腔里，如光纤锥、光学波导。目前利用消逝场耦合原理做出的光纤器件，所使用的光纤均为微纳光纤，微腔结构大致设计成两类——玻璃微球腔和光纤环。
自1989年，Braginsky等人通过烧融玻璃光纤，在实验中成功的制备出稳定的固态玻璃微球腔以来，玻璃微球腔因为稳定性很高，被认为是激发回音壁模式的一种理想腔体(Braginsky V B,Gorodetsky M L,Ilchenko V S.Quality factor and nonlinearproperties of optical whispering-gallery modes.Phys Lett A,1989,137:393–397)。2006年，黄衍堂等人利用玻璃微球和锥光纤，将锥光纤与微球相组合构成一种高效窄带OADM，由此设计出一种锥光纤微球型光分插复用器(锥光纤微球型光分插复用器及其制造方法，专利申请号：200610084957.4)。2014年，王鹏飞等人利用两根微纳光纤与一个玻璃微球的模式耦合，实现了一种高Q值的差分滤波器(Wang P,Ding M,Murugan GS,BO L,GuanC,Semenova Y,Wu Q,Farrell G,Brambilla G.Packaged,high-Q,microsphere-resonator-based add-drop filter[J].Opt Lett.2014Sep 1，39(17):5208-11)。目前玻璃微球的制备方式有两种：高温熔融法和溶胶-凝胶法。高温熔融法是用电弧或者激光将光纤末端局部熔融，利用其表面张力作用形成形状较规则的微球，冷却后便是一种带柄的光纤玻璃微球。缺点是无法让微球表面十分平滑，并且很难控制微球的大小，一旦玻璃微球的形状形成，无法改变光分路器的分光比；溶胶-凝胶法是一种化学方法，这种方法制作的微球折射率和半径都可以控制，缺点是制作出来的微球均匀性和球形度都比较差，一旦玻璃微球形成，无法改变光分路器的分光比。
另一种微腔结构是光纤环结构，2012年M.Z.Muhammad等人将光纤的锥区打结形成一个光纤环，制成分光比为50:50的微纳光纤耦合器(A.A.Jasim,A.Z.Zulkifli,M.Z.Muhammad,H.Ahmad,S.W.Harun.Fabrication and Chracterization of a2×2Microfiber Knot Resonator Coupler[J].Chinese Phys.Lett,2012,29(8))；2008年廖继海利用微纳光纤环与侧边抛磨光纤之间的耦合制成了光学上下载滤波器(微纳光纤与侧边抛磨光纤耦合的光学上下载滤波器及其制作方法，专利申请号：201410162616.9)。微纳光纤环的优点是：直径小；可以忽略掉弯曲损耗；具有很好的直径均匀度与表面平滑度。缺点是：因为锥区太细在打结时容易将光纤弄断，操作难度太大；因为光纤环尺度很小，很难控制环的大小；无法保证所形成的环是一个标准的圆。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制作简单、操作容易、价格低廉、体积小巧易于集成、分光比可以自由控制的基于液滴耦合的光纤分路器。
本发明的目的是这样实现的：
包括第一微纳光纤、第二微纳光纤、激光光源、液滴、背景液体和石英毛细管，第一微纳光纤和第二微纳光纤均与液滴相切，激光光源从第一微纳光纤的第一端口进入，第一微纳光纤中的光一部分耦合到液滴中，在液滴里产生谐振，并在沿着液滴边缘传输n周后将光耦合到第二微纳光纤中，最后通过第二微纳光纤的第一端口射出，第一微纳光纤中其余的光继续沿着第一微纳光纤向前传输，最终从第一微纳光纤第二端口出射，第一微纳光纤、第二微纳光纤、液滴和背景液体均封装在石英毛细管中。
本发明还可以包括：
所述的第一微纳光纤和第二微纳光纤的纤芯直径为1.5μm，折射率为1.44，长度为200μm。
所述的液滴的直径为115μm。
本发明对已有的两种微腔结构并加以改进，设计出了一种液滴谐振腔。这种液滴谐振腔与玻璃微球腔相比，液滴的结构十分均匀，球形度非常好，并且液滴的大小与折射率都可以改变；与光纤环相比，回音壁模式的形成不需要用到微纳光纤，所以无须将光纤打结，这让操作难度大大减小，并且液滴形状均匀。通过改变背景液体和液滴的折射率，可以实现对该光纤分路器分光比的自由控制，该装置结构简便、操作容易、价格低廉、结构小巧易于集成。
本发明的优点在于：
1、通过改变背景液体和液滴的折射率，可以实现该光纤分路器的分光比的控制。
2、装置的结构小巧，易于集成。
3、装置的制作方法简单，操作容易。
4、装置所用器件价格低廉，适合大规模生产。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明结构立体图。
图3为本发明中液滴折射率为1.65，背景液体的折射率为1.30时的光纤分路器仿真结果图。
图4为本发明中液滴折射率为1.65，背景液体的折射率为1.30时的串联使用的光纤分路器结构示意图。
具体实施方式
结合图1和图2，本发明的基于液滴耦合的光纤分路器的组成包括第一微纳光纤、第二微纳光纤、激光光源、液滴4、背景液体5和石英毛细管6。第一微纳光纤与第二微纳光纤均与液滴相切放置，激光从第一微纳光纤的第一端口1-1进入，由于微纳光纤具有强消逝场特性，第一微纳光纤中的光一部分耦合到液滴4中，在液滴4里产生谐振现象，并在沿着液滴4边缘传输n周后将光耦合到第二微纳光纤中，最后通过第二微纳光纤的第一端口2-1射出；第一微纳光纤中其余的光则继续沿着光纤向前传输，最终从第一微纳光纤的第二端口1-2出射，从第二微纳光纤的第二端口2-2射出的光极少，这部分属于光纤分路器的附加损耗。通过改变液滴4的折射率与背景液体5折射率，可以自由控制该光分路器的分光比。上述的第一微纳光纤、第二微纳光纤、液滴4、背景液体5均封装在石英毛细管6中。本发明可以自由控制光纤分路器的分光比，其制作简单、操作容易、价格低廉、体积小易于集成。
所述的第一微纳光纤和第二微纳光纤的纤芯直径为1.5μm，折射率为1.44，长度均为200μm。
所述的液滴，其特征是：液滴的直径为115μm，折射率可以通过折射率匹配也调制成所需数值
所述的背景液体，折射率可以通过折射率匹配液调制成所需数值。
所述的液滴和背景液体，两种液体互不相溶，具有不同的亲水性。
图3为本发明中液滴折射率为1.65，背景液体的折射率为1.30时的光纤分路器仿真结果图。采用有限元分析法，利用Comsol Multiphysics 4.3b软件进行仿真。其中入射光波长为1550nm，微纳光纤直径为1.5μm，微纳光纤折射率为1.44，液滴直径为115μm，液滴折射率为1.65，背景液体的折射率为1.30。仿真中所选散射边界条件包括液滴表面和微纳光纤表面，所选端口边界分别是两根微纳光纤的四个端口，利用comsol的后处理功能得到光纤分路器的分光比为80：20。
结合图4，本发明的基于液滴耦合的光纤分路器可以串联使用，串联使用时，前一个光纤分路器的第二微纳光纤的第一端口2-1和后一个光纤分路器的第一微纳光纤7的第一端口连接。液滴折射率为1.65，背景液体的折射率为1.30时，利用光探测器探测从前一个光纤分路器的第一微纳光纤的第二端口1-2和后一个光纤分路器的第一微纳光纤的第二端口7和后一个光纤分路器的第二微纳光纤的第一端口8-1的光功率，测得分路器的分光比为80：16：4。8-2为后一个光纤分路器的第二微纳光纤的第二端口。
下面举例对本发明制备方法进行更为详细的描述：
制备方法1：当背景液体折射率为n1＝1.30，球的折射率为1.65时，分光比为80：20的光纤分路器(分光比为端口1-2的出射光功率与端口2-1的出射光功率的比值)
本发明的制作方法的具体步骤为：
1、利用CO2激光器在一个长、宽、高分别为400μm、200μm、200μm的承载基片上切出一个长、宽、高分别为400μm、115μm、115μm的方形槽。
2、利用CO2激光器在方形槽的两边，切出两条相互平行的能容纳光纤的特殊结构V型槽，两特殊结构V型槽的中心间距为液滴直径与微纳光纤的直径之和，两特殊结构V型槽深度均为115μm。
3、利用微操装置，将两条微纳光纤分别置于两个V型槽中，令微纳光纤端面的圆心与方形槽的正方形端面的中心在同一条直线上，之后用环氧胶将两条微纳光纤固定。
4、将放置了两条微纳光纤的承载基片放置在一个长宽高分别为1cm的无盖玻璃容器内。
5、在玻璃容器内注入折射率n1＝1.30的背景液体，让背景液体充满在玻璃容器以及承载基片的方形槽和V型槽中。
6、在承载基片旁边，利用针尖头为0.9μm，容积为5μm的微量注射器，分别在多个位置注入折射率为1.65的液体，因为该液体与背景液体具有不同的亲水性，二种液体互不相溶，所以从微量注射器出来的液滴会在玻璃容器内形成一系列不同大小的液滴小球。
7、将玻璃容器放置在显微镜下，使用光纤光镊技术，在背景液体中利用光纤端面出射光场所产生的光阱力，捕捉到一个直径为115μm的液滴小球，并将液滴小球放置在承载基片的方形槽里。
8、将放置了两条微纳光纤的承载基片从玻璃砖内取出。
9、将放置了两条微纳光纤的承载基片穿入石英毛细管中并用环氧胶固定，并将毛细管的两端用环氧胶封好。
10、在微纳光纤入射光端口1-1中通入波长为1550nm的入射光。
11、用第一光电探测器和第二光电探测器探测从端口1-2和端口2-2C输出的光功率，进行实时监测并记录。利用COMSOL软件对实施例1进行仿真，仿真结果如图3，利用软件测得光分路器的分光比为80：20，插入损耗为23.0％。
12、改变液滴的折射率，让液滴的折射率为1.70，其余条件不变，得到分光比为5：95的光分路器，插入损耗为26.6％。
13、改变液体与液滴的折射率，让液滴这折射率为1.70，液体的折射率为1.33，其余条件均不变，得到分光比为99：1的光分路器，插入损耗为28.7％
14、除了上述三种情况之外，通过改变液体与液滴的折射率，得到不同分光比的光纤分路器，如表1所示。
表1
制备方法2：当背景液体折射率为n1＝1.30，球的折射率为1.65时，分光比为80：16：4的光纤分路器。(分光比为端口1-2出射光功率与端口7出射光功率与端口8-1出射光功率的比值)
本发明的制作方法的具体步骤为：
1、利用CO2激光器在一个长、宽、高分别为400μm、200μm、200μm的第一承载基片上切出一个长、宽、高分别为400μm、115μm、115μm的方形槽。
2、利用CO2激光器在方形槽的两边，切出两条相互平行的能容纳光纤的特殊结构V型槽，两特殊结构V型槽的中心间距为液滴直径与微纳光纤的直径之和，两特殊结构V型槽深度均为115μm。
3、利用微操装置，将两条微纳光纤分别置于两个V型槽中，令微纳光纤端面的圆心与方形槽的正方形端面的中心在同一条直线上，然后用环氧胶将两条微纳光纤固定。
4、按照上述方法制作出一个与之完全相同的第二承载基片，将从微纳光纤端口2-2处的微纳光纤引至第二承载基片中的微纳光纤7的入射光端口。
5、将两个承载基片均放置在同一个长宽高分别为1cm的无盖玻璃容器内。
6、在玻璃容器内注入折射率n1＝1.30的背景液体，让背景液体充满在玻璃容器以及第一承载基片和第二承载基片的方形槽和V型槽中。
7、在第一承载基片和第二承载基片旁边，利用针尖头为0.9μm,容积为5μm的微量注射器，分别在多个位置注入折射率为1.65的液体，因为该液体与背景液体具有不同的亲水性，二种液体互不相容，所以从微量注射器出来的液滴会在玻璃容器内形成一系列不同大小的液滴小球。
8、将玻璃容器放置在显微镜下，利用光纤光镊技术，分别捕捉两个个直径为115μm的液滴小球，并将液滴小球分别放置在第一承载基片和第二承载基片的方形槽里。
9、将分别放置了两条微纳光纤承载基片1和承载基片2从玻璃容器内取出。
10、将第一承载基片和第二承载基片穿入石英毛细管中并用环氧胶固定，并将毛细管的两端用环氧胶封好。
11、在第一承载基片的微纳光纤入射光端口1-1中，通入波长为1550nm的入射光。
12、用光电探测器探测从微纳光纤的端口1-2和微纳光纤7的端口7和微纳光纤8的端口8-1的光功率。测得光分路器的分光比为80：16：4，插入损耗为40.8％。

Claims (5)

1.一种基于液滴耦合的光纤分路器，包括第一微纳光纤、第二微纳光纤、激光光源、液滴、背景液体和石英毛细管，其特征是：第一微纳光纤和第二微纳光纤均与液滴相切，激光光源从第一微纳光纤的第一端口进入，第一微纳光纤中的光一部分耦合到液滴中，在液滴里产生谐振，并在沿着液滴边缘传输n周后将光耦合到第二微纳光纤中，最后通过第二微纳光纤的第一端口射出，第一微纳光纤中其余的光继续沿着第一微纳光纤向前传输，最终从第一微纳光纤第二端口出射，第一微纳光纤、第二微纳光纤、液滴和背景液体均封装在石英毛细管中，液滴与背景液体互不相溶且具有不同的亲水性。
2.根据权利要求1所述的基于液滴耦合的光纤分路器，其特征是：通过改变背景液体和液滴的折射率，自由控制所述光纤分路器的分光比。
3.根据权利要求1所述的基于液滴耦合的光纤分路器，其特征是：所述的第一微纳光纤和第二微纳光纤的纤芯直径为1.5μm，折射率为1.44，长度为200μm。
4.根据权利要求1或2所述的基于液滴耦合的光纤分路器，其特征是：所述的液滴的直径为115μm。
5.根据权利要求3所述的基于液滴耦合的光纤分路器，其特征是：所述的液滴的直径为115μm。
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