CN107505735A - 一种基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通讯器件技术领域，具体是一种基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统。一种基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，包括纳米光纤和玻璃衬底，纳米光纤输入端连接波分复用器，波分复用器的输入端同时连接两个激光器，两个激光器分别输入泵浦光和探测光，纳米光纤下方放置玻璃衬底，玻璃衬底与纳米位移装置连接，纳米位移装置用于实现玻璃衬底以纳米量级移动，纳米光纤和玻璃衬底间的初始安装间距使探测光的消逝场与玻璃衬底耦合。本发明不需依赖电学技术，能快速响应，高效率地实现光功率控制。

Description

一种基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统

技术领域

本发明涉及光通讯器件技术领域，具体是一种基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统。

背景技术

光功率控制器广泛应用于各种光纤通信系统、CATV网络、光纤传感器和测量仪器等领域，起着调节、稳定光功率的作用。随着波分复用技术在光纤通信系统中的应用越来越广泛，各波长的光功率管理也越来越多地使用光功率控制器。然而，目前的光功率控制器很大程度地依赖电光调制技术。电光调制技术是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的技术手段。

申请号为CN201710254542.5的发明披露了一种用于光纤振动传感的接收端光功率控制系统，光源的光出射端口通过振动传感光纤与分光器相连，分光器的第二分光支路与光探测器光路相连，光探测器将光信号强度转换为光强模拟电信号，模数转换器将放大器放大后的光强模拟电信号转换为用于表示光强的数字信号，光功率调节模块将数字信号转换成模拟信号，驱动电路模块根据模拟信号调节光源的驱动电流强度从而调节光源的输出光功率。此发明的实现过程中存在电信号与光信号的转化。相比于电学技术，光学信息处理具有更快的处理速度、更宽的带宽且容易并行处理。电学信号的控制降低了光学处理的速度。

由此，全光器件随之迅速发展起来，全光器件实现了光开关、逻辑门、光功率控制等功能，具有体积小、可集成、稳定性高、响应速度快等优点。本发明提供了一种实现光功率控制功能的全光器件。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能快速响应、高效率的全光光功率控制系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，包括纳米光纤和玻璃衬底，纳米光纤输入端连接波分复用器，波分复用器的输入端同时连接两个激光器，两个激光器分别输入泵浦光和探测光，纳米光纤下方放置玻璃衬底，玻璃衬底与纳米位移装置连接，所述纳米位移装置用于实现玻璃衬底以纳米量级移动，纳米光纤和玻璃衬底间的初始安装间距使探测光的消逝场与玻璃衬底耦合。

当光纤的直径到达纳米量级时，纳米光纤对光有极强的约束能力，尺寸小、重量小的特性使得纳米光纤中光场的大部分能量将会以消逝波的形式沿着纳米光纤的表面传输，则纳米光纤有很强的消逝场，在光力的作用下能产生明显的位移效果。在纳米光纤下方放置一块玻璃衬底，玻璃衬底与纳米位移装置连接，纳米位移装置用于实现玻璃衬底以纳米量级移动，当纳米光纤的消逝场靠近衬底时，纳米光纤的消逝场则耦合到玻璃衬底。纳米光纤与玻璃衬底的间距不同，纳米光纤的消逝场耦合到玻璃衬底的功率大小不同，即纳米光纤的透过率和纳米光纤与玻璃衬底之间的间距大小有一定的对应关系。本发明实现对探测光的光功率控制是方法是先将探测光的消逝场与玻璃衬底耦合，再改变探测光与玻璃衬底的间距，则探测光透过率改变，当探测光透过率越接近1，即表明消逝场的能量越来越少地耦合入玻璃衬底，根据能量守恒定律，探测光的光功率越来越大；当探测光透过率越接近0，即表明消逝场的能量越来越多地耦合入玻璃衬底，根据能量守恒定律，探测光的光功率越来越小。在此过程中，改变探测光与玻璃衬底的间距是经由泵浦光在纳米光纤上激发光力，使纳米光纤远离衬底。与探测光不同，泵浦光是长波的光，消逝场空间大，大部分的能量耦合入玻璃衬底之中。随着泵浦光光功率的上升，动能和能量的交换的量越大，在纳米光纤上产生的光力越来越强，纳米光纤与玻璃衬底的间距得以改变。综上，利用泵浦光产生的光力改变间距大小，从而改变探测光的输出功率，整个系统不依赖电学技术。相比于电学技术，光学信息处理具有更快的处理速度，所以本发明有响应速度快，效率高的优点。

进一步，纳米位移装置包括压电陶瓷与计算机，玻璃衬底放置在压电陶瓷上，压电陶瓷连接计算机，计算机用于控制压电陶瓷从而使玻璃衬底移动。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，压电陶瓷连接计算机，把电能转化为机械能，使用计算机控制衬底在垂直方向移动，以此改变纳米光纤与玻璃衬底之间的间距。

进一步，本发明还包括光纤封装装置，纳米光纤两端封装在光纤封装装置上，且纳米光纤中部悬空。光纤封装装置方便在接下来的实施中对纳米光纤进行其它操作。纳米光纤悬空的中部以下，玻璃衬底以上的区域能够产生光电效应，该部分区域为光力的作用区域，在光力的作用区域中产生动能和能量的交换。

进一步，光纤封装装置包括具有两条支路的玻璃架，玻璃架的支路上各设有一个紫外胶，纳米光纤两端封装在两个紫外胶上。本发明使用紫外胶浸润法对纳米光纤进行封装。在玻璃架的两条支路上滴两个紫外胶，将玻璃架置于纳米光纤的下方，手动调整玻璃架的位置使其逐渐上升，在这个过程中，两滴紫外胶会把纳米光纤逐步浸润其中，当纳米光纤全部浸润两滴紫外胶后，使用紫外光照射紫外胶。在紫光灯的照射下，紫外胶会硬化达到将纳米光纤两端封装的目的。由于纳米光纤十分脆弱，在外力的作用下容易损坏，浸润是一种比较温和的方法，能够在不损坏纳米光纤的情况下封装纳米光纤，方便实施过程中对纳米光纤进行其它操作。玻璃架具有两条支路是为了使纳米光纤中部悬空。

进一步，紫外胶为半球状。半球状的紫外胶有一定的厚度，使得纳米光纤两端封装的更加稳固。

进一步，玻璃衬底为三角形状。对比矩形等形状，三角形状可使光力作用区域的长度得到控制，可选择的长度也更多。

进一步，本发明还包括CCD成像系统，设置于纳米光纤与玻璃衬底的上方，用于观察纳米光纤在玻璃衬底上方能产生消逝场耦合作用的那一部分光纤。

进一步，纳米光纤的输出端分别连接光电探测器与光谱仪。光电探测器用于确定间距与纳米光纤透过率的关系。体现在玻璃衬底逐步靠近纳米光纤，并同时记录透过光功率，因此得到探测光与泵浦光各自的透过率与间距关系曲线。光谱仪用于显示探测光在不同功率大小泵浦光作用下的输出功率光谱图。

进一步，纳米光纤经标准单模光纤加热拉伸制得。使用类似酒精灯之类的物品加热拉伸法制作成纳米光纤具有制作工艺简单，成本低等优点，拉制成的纳米光纤为双锥形的纳米光纤。

本发明产生的有益效果为：利用泵浦光产生的光力改变间距大小，从而改变探测光的输出功率，整个系统实现光功率控制不依赖电学技术，具有响应速度快，效率高的优点。

附图说明

图1为本发明全光光功率控制功能的实现装置图。

图2为本发明的步骤图。

图3为成像系统观测到的纳米光纤与衬底耦合图。

图4为泵浦光、探测光透过功率与间距的关系图。

图5为探测光受不同功率大小泵浦光作用下的输出功率光谱图。

图中有探测光激光器1、泵浦光激光器2、波分复用器3、纳米光纤4、玻璃衬底5、压电陶瓷6、CCD成像系统7、光电探测器8、光谱仪9、计算机10、玻璃架11、紫外胶12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，实现本发明的装置包括波分复用器3，其输入端同时连接探测激光器1与泵浦光激光器2，两个激光器分别输入泵浦光和探测光，波分复用器3的输出端连接纳米光纤4，纳米光纤4固定在U型的玻璃架上11。具体地，纳米光纤4的两端经由紫外胶浸润法封装在U型玻璃架11的两个支路上。实施方法是：U型玻璃架11的两支路上各滴上一个半球状的紫外胶12，将玻璃架11置于纳米光纤4的下方，手动调整玻璃架11的位置使其逐渐上升，在这个过程中，两滴半球状的紫外胶12会把纳米光纤4逐步浸润其中，当纳米光纤4全部浸润两滴紫外胶12后，使用紫外光照射紫外胶12。在紫光灯的照射下，紫外胶12会硬化从而将纳米光纤4封装。由于纳米光纤4十分脆弱，在外力的作用下容易损坏，浸润是一种比较温和的方法，能够在不损坏纳米光纤4的情况下封装纳米光纤，方便实验中对纳米光纤4进行其它操作。纳米光纤4的下方放置玻璃衬底5，玻璃衬底5放置在压电陶瓷6上，压电陶瓷连接计算机10，计算机10可对压电陶瓷6实行精确控制，带动玻璃衬底5以纳米尺度靠近或远离纳米光纤4。纳米光纤4中部悬空的长度可任意，本实施例中设置为25mm，优选地，纳米光纤4与玻璃衬底5的作用长度应为悬空长度的1%以内，因为此时在作用区域内的纳米光纤4可以认为是近似均匀的，直径保持不变。本实施例中，作用长度为50μm，如图3所示。作用长度是指纳米光纤在玻璃衬底上方能产生消逝场耦合作用的那一部分光纤的长度，作用长度会影响纳米光纤消逝场与玻璃衬底之间的耦合强度，对纳米光纤透过率有重要作用。纳米光纤4输出端分别连接光电探测器8与光谱仪9。

本发明采用纳米光纤。当光纤的直径到达纳米量级时，纳米光纤对光有极强的约束能力，尺寸小、重量小的特性使得纳米光纤中光场的大部分能量将会以消逝波的形式沿着纳米光纤的表面传输，则纳米光纤有很强的消逝场，在光力的作用下能产生明显的位移效果，如此才满足实施该发明的条件。优选的纳米光纤直径为500-1500nm。此实施例中采用纳米光纤4直径为1194nm。采用酒精灯加热拉伸法制作纳米光纤4，先剪取一段长度约为1m到2m的标准通信单模光纤，大约在其中点位置，剥去光纤涂覆层，露出光纤的包层，并使用酒精擦拭干净。加热时，使光纤上去除涂覆层的那一段处于酒精灯火焰的外焰部分，使用步进电机进行拉伸，使光纤直径减小到纳米量级。

如图2所示，实现该发明的步骤为：首先，确定间距与探测光、泵浦光透过率的关系，具体为，利用压电陶瓷改变纳米光纤与玻璃衬底之间的间距，光电探测器记录光的透过率，得出间距与光透过率的关系，此时输入的光功率较小，可以忽略纳米光纤消逝场与玻璃衬底之间耦合效应产生的光力所造成纳米光纤位移带来的影响。接下来，增大泵浦光的光功率，其在纳米光纤上产生光力，使得间距变大，探测光的透过率依据前述步骤得出的规律变化的同时，光功率也发生变化。

以下将结合数据说明该发明的原理。消逝场是一种沿界面传播的、振幅在垂直于界面的方向上随离界面的距离迅速衰减的电磁波，其只能存在于厚度约为数个波长的表面层内，超过这范围，其振幅就衰弱到可忽略不计。对于纳米光纤而言，它对光有极强的约束能力，尺寸小、重量小的特性使得纳米光纤中光场的大部分能量将会以消逝波的形式沿着纳米光纤的表面传输，则纳米光纤有很强的消逝场。纳米光纤的消逝场能够耦合到玻璃衬底，两者间距不同，纳米光纤的消逝场耦合到玻璃衬底的功率大小不同，即纳米光纤的透过率和纳米光纤与玻璃衬底之间的间距大小有一定的对应关系。

本实施例中纳米光纤直径为1194nm，纳米光纤与玻璃衬底的相互作用长度L=50μm时，使用的泵浦光波长为1458nm，探测光波长为974nm。泵浦光光功率为0.24mW，探测光光功率为16μW，输入驱动光功率较小，可以忽略纳米光纤消逝场与玻璃衬底之间耦合效应产生的光力所造成纳米光纤位移带来的影响。初始位置下，纳米光纤与玻璃衬底存在间距，纳米光纤可以不平行于玻璃衬底，优选地，纳米光纤与玻璃衬底所在平面平行，这样可以使玻璃衬底上方的那一部分纳米光纤最大程度地产生消逝场耦合作用，本实施例中纳米光纤与玻璃衬底平行，由计算机10控制压电陶瓷6，使玻璃衬底以每步10nm的距离靠近纳米光纤4，并同时由光电探测器8记录透过光功率，因此得到探测光与泵浦光各自的透过率与间距关系曲线，如图4所示。在间距为0-1000nm的范围内，泵浦光有接近80%的能量耦合入玻璃衬底之中。在间距为0-650nm的范围内，探测光的透过率由0单调上升至1，对间距变化灵敏。

在确定探测光、泵浦光透过率和纳米光纤位移之间关系的过程中，当纳米光纤与玻璃衬底之间的距离减小至探测光、泵浦光消逝场与玻璃衬底发生耦合，增大泵浦光光功率，由于动能和能量的交换，在纳米光纤上会有光力的产生，效果是在纳米光纤上产生排斥力，把纳米光纤拉向远离衬底的位置，即间距变大。已知间距的改变能影响了探测光的透过率，当探测光透过率越接近1，即表明消逝场的能量越来越少地耦合入玻璃衬底，根据能量守恒定律，探测光的光功率越来越大；当探测光透过率越接近0，即表明消逝场的能量越来越多地耦合入玻璃衬底，根据能量守恒定律，探测光的光功率越来越小。

本实施例中，将纳米光纤与玻璃衬底的初始间距设定在0~100nm，由图4，此间距下泵浦光与探测光透过率均不是1，这是由于泵浦光与探测光消逝场的能量耦合进玻璃衬底。选择探测光光功率为16μW，泵浦光的光功率由0W上升到3.6mW，探测光波长为974nm，随着泵浦光光功率由0变化至3.6mV，激发的光力使得间距变大，由图4可知探测光的透过率不断接近于1，越来越少的消逝场耦合至玻璃衬底，根据能量守恒定律，探测光的光功率不断增大。如图5所示，横坐标为探测光波长，纵坐标为探测光的输出光功率。光谱图横坐标为974nm所对应的纵坐标的值不断上升，即表明探测光的光功率是不断增大的，本发明不借助电子器件实现了光功率控制功能。

Claims (9)

1.一种基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，包括纳米光纤和玻璃衬底，其特征在于，所述纳米光纤输入端连接波分复用器，波分复用器的输入端同时连接两个激光器，两个激光器分别输入泵浦光和探测光，纳米光纤下方放置玻璃衬底，所述玻璃衬底与纳米位移装置连接，所述纳米位移装置用于实现玻璃衬底以纳米量级移动，纳米光纤和玻璃衬底间的初始安装间距使探测光的消逝场与玻璃衬底耦合。

2.根据权利要求1所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，其特征在于，所述纳米位移装置包括压电陶瓷与计算机，所述玻璃衬底放置在压电陶瓷上，压电陶瓷连接计算机，所述计算机用于控制压电陶瓷从而使玻璃衬底移动。

3.根据权利要求1所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，其特征在于，所述全光光功率控制系统还包括光纤封装装置，所述纳米光纤两端封装在光纤封装装置上，且纳米光纤中部悬空。

4.根据权利要求3所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，其特征在于，所述光纤封装装置包括具有两条支路的玻璃架，所述玻璃架的支路上各设有一个紫外胶，所述纳米光纤两端封装在两个紫外胶上。

5.根据权利要求4所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，其特征在于，所述紫外胶为半球状。

6.根据权利要求1所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，所述玻璃衬底为三角形状。

7.根据权利要求1所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，所述全光光功率控制系统还包括CCD成像系统，设置于纳米光纤与玻璃衬底的上方，用于观察纳米光纤在玻璃衬底上方能产生消逝场耦合作用的那一部分光纤。

8.根据权利要求1所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，所述纳米光纤的输出端分别连接光电探测器与光谱仪。

9.根据权利要求1所述的基于消逝场耦合光力实现的全光光功率控制系统，其特征在于，所述纳米光纤经标准单模光纤加热拉伸制得。