CN105388559A - 一种基于光纤内部点阵结构的光纤器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新结构的具有波长选择功能的光纤器件，所采用的光纤包括二氧化硅光纤，掺杂光纤，聚合物光纤或者其它类型的光纤。本发明通过改变光纤内部特定区域的折射率，构成点阵，点阵按照周期或者准周期排列即得到具有波长选择功能的光纤器件。所述点阵可以按点阵线、点阵面方式排列，也可按多阵线、多阵面方式排列。通过改变构成该器件的点阵中各个点的排列方式，就可以对光纤器件的波长选择性质进行调节和设计。本发明提出的光纤器件，能够实现光纤反射镜和光纤光栅类似的光波长选择功能，而且制作更加方便、灵活、快捷，成本更为低廉，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于光纤内部点阵结构的光纤器件

技术领域

本发明属于光纤器件技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于在光纤内部制作点阵结构的光纤器件。

背景技术

在现代的光纤光学系统中，例如光纤激光器，光纤通信系统中很多场合都需要光波长选择器件。光纤光学中常见的波长选择器件有光学滤波器，光纤光栅，光纤反射镜等。对于光学滤波器，大部分是基于光的干涉原理实现对特定波长的选择。常见类型的光学滤波器往往制作复杂，精度要求高，损耗大，不易与光纤器件相结合。

光纤反射镜也是一种应用广泛的对光波进行波长选择的器件。光纤反射镜是通过镀上对特定波长的光具有高反射率的膜系实现对光的波长进行选择。对于光纤反射镜，很难实现窄带宽，高反射的波长选择。此外，在光纤端面制作高反射镜也对工艺要求很高。

光纤光栅是一种折射率沿光纤轴向呈周期或者准周期变化的一种光纤器件。光纤光栅不仅具有很好的波长选择特性，经过适当设计的光纤光栅还具有特殊的色散特性。因此，除了对光的波长进行选择以外，光纤光栅也被用作色散器件广泛的应用在光纤通信系统中。除了良好的波长选择特性和色散特性以外，光纤光栅的光谱响应还表现出对外界环境变化的敏感性，这使得光纤光栅在传感领域也得到了广泛的应用。在光纤光栅的制作过程中，相位掩模板法和光束干涉法是常用的方法。但是，根据相位掩模板法和光束干涉的原理，光纤光栅在制作过程中，很难实现对光栅区域中各个光栅周期的折射率改变量和周期进行任意设计。同时，光纤光栅的波长选择特性也局限于沿光纤轴向折射率分布变化这个维度上面。

发明内容

为了设计满足光纤光学中具有灵活的波长选择特性的光纤器件，本发明中提出了一种基于光纤内部点阵结构的光纤器件，其特征在于，光纤器件内部有折射率不同于光纤的点形成的点阵，所述点阵按照周期或者准周期排列，所述的点是指通过改变光纤材料的折射率得到的折射率奇点。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件中，所述的点阵中各点的直径和\或点与点之间的距离可以根据需要设定。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件中，所述的点是球体或其它体状结构。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件中，所述的点能任意排列成点阵线或点阵面。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件，其具有一个及以上点阵线或点阵面，点阵线、点阵面之间的距离可以调整。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件中，所述点阵能缺失其中一个点构成一个具有点阵缺陷的光纤器件。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件中，所述点阵能缺失多个相邻的部分点阵线，构成具有线缺陷的光纤器件。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件，其能缺失任意平面上的多个相邻的局部点阵面，得到具有面缺陷的的光纤器件。

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件中，所述的光纤是二氧化硅光纤、聚合物光纤或其它类型的光纤。由此可以适用于不同的应用场合

进一步的，所述光纤内部点阵结构的光纤器件中，所述的点是通过将飞秒激光器光束聚焦后，利用飞秒激光光束与光纤材料相互作用，从而形成折射率不同于光纤材料的点。

本发明提出的一种基于在光纤内部制作点阵结构的光纤器件，该器件包括光纤内部的点阵结构和光纤背景材料。所述的点阵可以通过改变光纤材料的折射率得到。在光学加工领域，通过激光作用改变介质折射率是一个比较常用的工艺，折射率可以变大，也可以变小，和波长和能量之间有关系，一般来说的规律是功率小的情况下使得介质的折射率增大，功率大的情况下使得介质的折射率减小。

在点阵所在的横截面包括点阵结构和背景材料，所述的点阵结构的折射率高于背景材料的折射率。该器件沿光纤轴向的折射率呈周期性或者准周期性排列。点阵结构中的各个点按照特定规律排列形成一个点阵面，再以同样的方式制作其它的点阵面，使得各个点阵面在沿光纤轴线上呈周期性或者准周期性的排列，使得光纤内部的折射率按照设计的规律变化，根据折射率变化的规律对不同波长的光的反射和透射率各不相同，这样，光纤器件的波长选择特性得到改变，由此实现对光的波长的选择，由此得到所设计的光纤器件，通过设计光纤内部点阵的结构和分布，可以实现灵活地设计该器件的波长选择特性。

本发明中所采用的光纤可以是包括二氧化硅光纤，也可以是掺杂光纤，聚合物光纤或者其它类型的光纤。

本发明的优点在于：本发明利用在光纤中制作点阵结构来实现具有特定光谱响应的光纤器件，器件的光谱响应可以通过设计这些点的性质和点阵的排列分布来实现对器件光谱响应的设计。相比于光纤光滤波器，光纤光栅，光学薄膜等这些具有波长选择功能的器件，本发明在设计器件的波长选择功能时，可以通过任意改变每个点阵的性质和排列方式，因此设计更为灵活。点阵结构制作在光纤的内部，使得器件的结构紧凑，稳定性好。

附图说明

下面结合附图和方案实施方式对本发明做进一步的说明。

图1表示的为本设计方案中设计的点阵均匀分布的光纤器件示意图；其中1表示光纤的纤芯部分，2表示的为包层区域，3表示的为点阵，L表示均匀分布的点阵面之间的距离L。

图2表示的为本设计方案中一个包含有点阵的横截面的示意图，R表示点阵中的点的直径，D表示的是两个点的中心之间的距离。

图3表示的为本发明中点阵面具有一个相移分布的结构示意图，其中，有两个点阵面的间距和其它点阵面之间的间距不相等。

图4表示的是本发明中由两个间距为H的点阵构成法布里-珀罗腔结构的示意图。

图5表示的是点阵面呈啁啾分布的基于光纤内部点阵结构光纤器件的结构示意图，呈啁啾分布的点阵面的反射通带可以出现较宽的反射带。

图6表示的是具有缺陷的点阵分布构成的光纤器件的示意图，其中：

图6A表示的是光纤内部点阵结构具有点缺陷的光纤器件结构的示意图，其中图中4表示的是缺陷点的示意图；

图6B表示的是光纤内部点阵结构具有线缺陷分布的光纤器件的示意图，其中图中5表示的是线缺陷的示意图；

图6C表示的是光纤内部点阵结构具有面缺陷分布的光纤器件的示意图，其中图中6表示的是面缺陷区域的示意图；

图7A表示的是光纤内部的点阵结构构成的点阵面与光纤轴向平行时的情况；

图7B表示的是具有点缺陷的光纤内部点阵结构形成径向点阵面的光纤器件示意图，图中7表示的是点缺陷的示意图；

图7C表示的是具有线缺陷的光纤纤内部点阵结构构成径向点阵面的光纤器件示意图，图中8表示的是线缺陷的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中，点阵制作是采用飞秒激光器光束聚焦形成高能量密度的光脉冲，通过其与光纤材料的强非线性相互作用改变光纤材料的折射率，得到单个的折射率改变的奇点，再通过扫描的方法逐点改变折射率并形成所需的点阵结构面，这样就制作得到了本发明所设计的基于光纤内部点阵结构的光纤器件。

实施实例1

将飞秒激光器光束聚焦后利用飞秒激光光束与光纤材料相互作用改变光纤中二氧化硅材料的折射率，得到单个的得到折射率改变奇点。飞秒激光对二氧化硅材料的折射率改变在0.001-0.01量级。利用同样的方法得到其它点，并使得点按照周期性排列形成点阵面，点阵面中点阵的个数根据实际的需求来设计。由此得到的点阵面的结构如图2所示。再利用同样的方法沿光纤轴向制作出多个点阵面，点阵面之间的距离为L，点阵面的重复个数根据实际的需要来确定，通过设计点阵面的个数可以实现对该器件的光谱响应性质进行设计。这样就设计得到了光纤内点阵面均匀分布的光纤器件，如图1所示。

这种点阵面的分布使得光纤某区域沿着轴向分布的等效折射率呈周期性的变化，由此可以使其实现对不同波长的光的反射率和透过率不一样，实现对光波进行滤波的功能，这种器件可以应用到光纤激光器，光纤通信等系统中实现波长选择的功能。

实施实例2

利用实例1相同的方法设计出点阵面，再沿着光纤轴向重复设计点阵面结构，点阵面与点阵面之间的距离为L，其中将轴向分布的点阵面中某两个点阵面之间的距离调整为0与L之间，由此设计得到光纤内部点阵具有一个相移分布结构的光纤内部点阵结构光纤器件，如图3所示的为将某两个点阵面之间的距离调整为L/2时的情况。

这种相移分布的引入可以使得沿着光纤轴向周期性变化的折射率分布中引入一个突变的折射率分布周期，由此实现与点阵面均匀分布不一样的特殊的光谱响应。

实施实例3

按照实施实例1的方法，制作点阵面，再沿着光纤轴向上重复制作相同的点阵面，其中每个点阵面之间的距离相等为L。在得到n个沿径向排列的点阵面后，在离第n个点阵面距离为H处制作同样的n个点阵面，每个点阵面之间的距离也为L，由此得到了基于光纤内部点阵结构的类法布里-珀罗腔的光纤器件。如图示4所示。其中n，L和H可以根据需求任意设定。这种点阵分布结构的光纤器件可以实现类似于法布里-波罗腔的光谱响应，在透射谱中出现很窄带的通带。

实施实例4

按照实施实例1的方法制作出点阵面，在沿光纤轴向上制作其它的点阵面，其中每两个点阵面之间的距离L不相等，使其按照设计的需要进行调整，点阵面重复的个数也根据实际的需求来设定，设计出如图5所示的光纤点阵面在光纤轴向方向上啁啾分布的基于光纤内部点阵结构的光纤器件，由此得到基于点阵结构的光纤器件的折射率沿轴向啁啾分布，相比于均匀分布的情况，可以得到较宽的反射谱。

这种器件可以应用在需要实现宽带光谱反射的应用场合。

实施实例5

按照实施实例1的方法，制作出点阵面，在其中任意一个点阵面上，制作出缺少一个点阵的点阵面，如示意图6A所示，其中图6A中4表示的是缺陷点的示意图。根据设计需要，这个缺少的点可以是点阵结构光纤光栅中的任意一个面上的任意一个点。除了可以设计具有一个点缺陷的基于光纤内部点阵结构的光纤器件以外，还可以制作具有两个或多个点缺陷的基于光纤内部点阵结构的光纤器件。缺陷点的引入改变了点阵的周期性分布，由此可以改变该器件的光谱选择特性。

除了可以引入单个或者多个任意分布的缺陷点以外，还可以制作得到具有多个缺陷点的基于光纤内部点阵结构的光纤器件，包括多个缺陷点连接成一条线的线缺陷和多个缺陷点连接构成一个面的面缺陷的情况，如图6B所示。其中图6B中5表示的是所述的线缺陷的示意图。图6C表示的是多个缺陷点相连构成一个面缺陷的情况，其中图6C中6表示的是缺陷面的示意图。

由于缺陷点的引入改变周期性的折射率分布，使得光纤轴向的周期性的折射率分布出现突变，由此实现不同于点阵周期性分布时的光谱响应。

实施实例6

按照实施1制作得到点阵结构中的单个点，再在光纤的径向上周期性的排列点阵，使得各个点结构构成一个与光纤径向平行的点阵面，由此得到光纤内部点阵结构呈径向点阵面分布的光纤器件，结构如图7A所示。其中L表示的是线阵的重复周期。参照实施案例6，也可以制作光纤内部点阵结构具有缺陷分布的光纤器件。图7B表示点缺陷的情况，其中图7B中7表示的是一个缺陷点的示意图。图7C表示的是具有一个线缺陷时的情况，图7C中8表示的是一个线缺陷的示意图。

在这种结构的光纤器件中，由于点阵是在与轴向平行的面上改变光纤内部的折射率，可以使得光纤横截面上的折射率分布呈现方向性。由此可以实现对光的偏振状态具有选择作用的光纤器件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤器件，其特征在于，光纤器件内部有折射率不同于光纤的点形成的点阵，所述点阵按照周期或者准周期排列，所述的点是指通过改变光纤材料的折射率得到的折射率奇点。

2.如权利要求1所述的光纤器件，其特征在于，所述的点阵中各点的直径和\或点与点之间的距离根据需要设定。

3.如权利要求1或2所述的光纤器件，其特征在于，所述的点是球体或其它体状结构。

4.如权利要求1或2所述的光纤器件，其特征在于，所述的点能任意排列成点阵线或点阵面。

5.如权利要求4所述的光纤器件，其特征在于，其具有一个及以上点阵线或点阵面，点阵线、点阵面之间的距离能够调整。

6.如权利要求5所述的光纤器件，其特征在于，所述点阵能缺失其中一个点构成一个具有点阵缺陷的光纤器件。

7.如权利要求5所述的光纤器件，其特征在于，所述点阵能缺失多个相邻的部分点阵线，构成具有线缺陷的光纤器件。

8.如权利要求5所述的光纤器件，其特征在于，其能缺失任意平面上的多个相邻的局部点阵面，得到具有面缺陷的的光纤器件。

9.如权利要求1-8中任一所述的光纤器件，其特征在于，所述的光纤是二氧化硅光纤、聚合物光纤或其它类型的光纤。

10.如权利要求1-8中任一所述的光纤器件，其特征在于，所述的点是通过将飞秒激光器光束聚焦后，利用飞秒激光光束与光纤材料相互作用，从而形成折射率不同于光纤材料的点。