CN107817557B - 一种全光纤的非互易性器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤的非互易性器件，包括：用于传输光的光纤和用于反射光的反射膜层，反射膜层包覆于光纤上，且位于光纤的第一出光窗口，且光纤的纤芯上刻有倾斜光纤光栅；当入射光经由光纤的一端入射经过光纤光栅时，一部分经光纤光栅透射射出，一部分经由光纤光栅衍射经由第一出光口射出后反射，继续沿着入射方向同透射过光纤光栅的光干涉后射出；当入射光经由光纤的另一端入射经过光纤光栅时，一部分经光纤光栅透射射出，一部分经由光纤光栅衍射经由第二出光口射出；实现两个方向的传输非互易性，本发明提供的非互易性器件，结构简单牢固，易制作，便于与其他光电器件集成，能有效地解决传统光纤非互易性器件受限于法拉第效应中的磁场的问题。

Description

一种全光纤的非互易性器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，更具体地，涉及一种全光纤的非互易性器件及其制备方法。

背景技术

自1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现了纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利用双向传播的488nm氩离子激光束形成的驻波刻写了世界上第一个光纤光栅以来，光纤光栅获得了飞速的发展，已经成为一种重要的光纤无源器件，被广泛应用于光纤激光器、光通信、光纤传感等各个领域。1990年，Meltz首次提出倾斜光纤光栅(TFBG)模型。倾斜光纤光栅的光栅平面不再与光纤轴向垂直，而是有一定倾斜角度，进而加强了从前向传输的纤芯模到后向或前向传输的包层模、辐射模之间的耦合。

非互易性是指电磁波在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的电磁损耗、相移等特性。一般情况下，光在光纤中传输呈现双向传输的互易性。而光在光纤中的非互易性传输对光纤激光器、光纤通信、光纤传感等领域有着重大意义。如光隔离器，它是一种常见的非互易性光器件，其特点是正向传输光能顺利通过，而反向传输的光被隔离。一般的非互易性光器件是基于晶体的法拉第效应(磁致旋光效应)制成的，一些本来不具有旋光性的物质，在磁场作用下也产生旋光性，当线偏振光通过时，光矢量方向发生旋转，旋光角取决于磁感应强度和磁光晶体的维尔德系数，旋转方向则与磁场方向及晶体有关。但是这样实现的非互易性往往需要强磁场，难以集成较小的尺寸，因而实现可集成化的全光非互易器件仍然面临巨大的挑战。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种全光纤的非互易性器件及其制备方法，旨在解决现有的非互易性器件由于需要强磁场导致其尺寸较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种全光纤的非互易性器件，包括：

用于传输光的光纤和用于反射光的反射膜层，反射膜层包覆于光纤上，且位于光纤的第一出光窗口，且光纤的纤芯上刻有倾斜光纤光栅；

其中，第一出光窗口为从一端入射至光纤的光经由光纤光栅衍射后出射的方向对应光纤部分；第二出光窗口为从另一端入射至光纤的光经由光纤光栅衍射后出射的方向对应光纤部分；

当入射光经由光纤的一端入射经过光纤光栅时，一部分经光纤光栅透射射出，一部分经由光纤光栅衍射经由第一出光口射出后反射，继续沿着入射方向同透射过光纤光栅的光干涉后射出；

当入射光经由光纤的另一端入射经过光纤光栅时，一部分经光纤光栅透射射出，一部分经由光纤光栅衍射经由第二出光口射出；实现两个方向的传输非互易性。

优选地，光栅的倾斜角度为45度。

优选地，反射膜层材料为金。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种制备所述非互易性器件的方法，包括如下步骤：

步骤1：在光纤上刻写倾斜光纤光栅，获得刻有倾斜光纤光栅的光纤；

步骤2：当刻有倾斜光纤光栅的光纤射入偏振光后，旋转刻有倾斜光纤光栅的光纤并调整光斑分析仪的接收终端，使刻有倾斜光纤光栅的光纤的出光窗口与光斑分析仪的接收终端正对；

步骤3：旋转刻有倾斜光纤光栅的光纤，并上下平行调整光斑分析仪的接收终端，直至经由倾斜光纤光栅衍射射出的光在光斑分析仪接收终端上显示的位置不变时，在保证平板的面同光斑分析仪接收终端平行的情况下将光纤光栅固定在平板上；

步骤4：在平板正对光纤区域上附着金属膜层，制备非互易性器件。

优选地，步骤4中通过蒸镀的方法在平板正对光纤区域上附着金属膜层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的全光纤的非互易性器件，结构简单牢固，易制作，便于与其他光电器件集成，能有效地解决传统光纤非互易性器件受限于法拉第效应中的磁场的问题。

2、本发明提供的非互易性器件的制备方法，通过在刻有光纤光栅的光纤中通入偏振光，由光斑分析仪接收终端检测光斑位置，确定光纤的侧面出光窗口与分析仪接收终端之间的位置，通过上下调整分析仪接收终端的位置，并确认光斑在分析仪接收终端位置不变时，确定光纤的侧面出光窗口与光斑分析仪接收终端平面平行，进一步通过平板标记光纤的侧面出光窗口，便于采用蒸镀方法精确在光纤的侧面出光窗口附着发射膜层，实现非互易性器件制备。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明；

图1为本发明实施例提供的非互易性器件的主视图；

图2为本发明实施例提供的非互易性器件的侧视图；

图3(a)为本发明实施例提供的非互易性器件前向传输侧面出光窗口和后向传输侧面出光窗口；图3(b)为本发明实施例提供的非互易性器件的射入向前传输光的工作原理图；图3(c)为本发明实施例提供的非互易性器件的射入向后传输光的工作原理图；

图4为本发明实施例提供的偏振相关器件检测装置的结构示意图；

图5(a)为本发明实施例提供的前向入射光在光谱分析仪上的光谱，图5(b)为本发明实施例提供的后向入射光在光谱分析仪上的光谱；

图6为本发明实施例提供的偏振相关器件的制备过程图；

其中1——光纤包层，2——光纤纤芯，3——45°倾斜光纤光栅，4——侧面出光窗口，4a为前向传输侧面出光窗口，4b为后向传输侧面出光窗口，5——反射膜层，6——宽带光源，7——光纤线起偏器，8——偏振控制器，9——非互易性器件，10——光谱分析仪，11——光纤旋转器，12——光斑分析仪，13——载玻片，14——蒸镀设备。

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用以解释本发明，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。

如图1和图2所示，本发明提供的非互易性器件由一根在侧面出光窗口处镀金的45°倾斜光纤光栅构成。该偏振相关器件包括用于导光的光纤和反射膜层3，光纤包括光纤包层1a和光纤纤芯1b，由光纤包层(1a)和光纤纤芯(1b)构成的芯包结构。在光纤纤芯1b上刻有45°倾斜光纤光栅，即光纤光栅平面与光纤纤轴呈45度夹角，反射膜层3包覆于第一出光窗口处的光纤包层上，反射膜层的尺寸在亚微米级别，主要用于对光的反射。

其中，第一出光窗口为从一端入射至光纤的光经由光纤光栅衍射后出射的方向对应光纤部分；第二出光窗口为从另一端入射至光纤的光经由光纤光栅衍射后出射的方向对应光纤部分。

如图3(a)所示，前向传输的光即从左向右传输的光，经过光纤光栅衍射后，经由位于上方的前向传输侧面出光窗口射出，后向传输的光即从右向左传输的光，经过光纤光栅衍射后，经由位于下方的后向传输侧面出光窗口射出。

如图3(b)所示，45°倾斜光纤光栅3的光栅平面与纤轴成45°夹角。前向传输的光，由于全反射在光纤纤芯2中向前传输，经过45°倾斜光纤光栅3时，由于45°倾斜光纤光栅3的偏振分光效应，光纤传输的光分为s波(TE模)和p波(TM模)，p波正常传输，透过光栅区域，s波经45°倾斜光栅衍射，从前向传输侧面出光窗口4a输出，经过反射膜层5反射，重新耦合进光纤纤芯2中传输。

如图3(c)所示，后向传输的光，由于全反射在光纤纤芯2中向前传输，经过45°倾斜光纤光栅3时，由于45°倾斜光纤光栅3的偏振分光效应，光纤传输的光分为s波(TE模)和p波(TM模)，p波正常传输，透过光栅区域，s波经45°倾斜光栅衍射，从后向传输侧面出光窗口输出，外面没有反射膜层反射，衍射光直接出射。

本发明提供的非互易性器件，利用的是45°倾斜光纤光栅的偏振分光效应，45°倾斜光纤光栅将入射光根据偏振特性进行分离，p波(TM模)通过45°倾斜光纤光栅区域透射，s波(TE模)从45°倾斜光纤光栅区域侧面衍射，其中前向输入从上方衍射，后向输入从下方衍射。前向输入端的侧面衍射出光窗口进行了镀膜处理，镀膜层将侧面衍射光反射回纤内向前传输，而后向输入端的侧面衍射出光窗口未进行镀膜处理，侧面衍射光直接衍射出去。结合45°倾斜光纤光栅的偏振分光效应，从而实现光在器件中的偏振相关的非互易性传输。

45°倾斜光纤光栅的光栅平面与光纤纤轴成45°夹角，形成面对称性，从而打破了光纤固有的以纤轴为对称轴的圆对称性。同时，从45°倾斜光纤光栅前向和后向输入的光从侧面出射时，方向相反，一个向上，一个向下，提供了两个不同的出射路径，为非互易性器件的实现提供了可能。

对于倾斜光纤光栅的倾斜角度的选择，主要有以下两方面考虑：

第一方面，本发明是基于偏振相关原理将光纤中传输的光分为p波(TM模)和s波(TE模)，只有当倾斜角度为45°时，光纤中传输的光才能根据偏振态完全分为p波(TM模)和s波(TE模)，其他倾斜角度只能将部分s波(TE模)分离出来。

第二方面，本发明是一种非互易性器件，要求s波(TE模)从侧面出光窗口是垂直出射，并垂直反射回纤内继续传播。在所有的倾斜角度中，45°倾斜角能保证垂直出射的带宽最大，充分满足非互易性的要求。

图4所示为本发明提供的非互易性器件的检测装置，它包括宽带光源6，光纤线起偏器7，偏振控制器8，非互易性器件9以及光谱分析仪10。检测装置连接顺序为：宽带光源6、光纤线起偏器7、偏振控制器8、非互易性器件6以及光谱分析仪10。宽带光源6输出的光经过光纤线起偏器7，输出的线偏振光，经过偏振控制器8，可调节线偏振光的偏振态，不同偏振态的线偏振光经过非互易性器件9，透射光信号在光谱分析仪10上显示出来。前向入射和后向入射的光最终在光谱分析仪10上显示的光谱不同。

如图5(a)和图5(b)所示，前向入射光在光谱分析仪上的光谱和后向入射光在光谱分析仪上的光谱不同，实现了在两个方向上传输的互易性。

为制作这种基于45°倾斜光纤光栅的偏振相关的非互易性器件，主要工艺流程包括两个部分：

第一部分：刻写45°倾斜光纤光栅，刻写45°倾斜光纤光栅与传统的光纤布拉格光栅的制备工具和技术相同，主要是通过两束紫外激光光束形成的干涉条纹对掺杂的光敏性光纤的折射率进行永久性改变，唯一的不同在于光纤纤轴与干涉条纹成45°夹角，最终形成45°倾斜光纤光栅。

第二部分：制备非互易性器件主要工艺是蒸镀工艺。其中存在几个难点问题，即蒸镀的方向性，蒸镀厚度及蒸镀的周向长度。图6所示为本发明所述非互易性器件的制备流程图，整个工艺流程如下：

步骤1：用光纤旋转器11夹持刻有45°倾斜光纤光栅的光纤3两端，光纤3一端依次连接偏振控制器8和宽带光源6；

步骤2：用升降台固定光斑分析仪12，使光斑分析仪12探测窗口正对45°倾斜光纤光栅3上方，旋转光纤旋转器11，使光纤33侧面出光窗口4对着光斑分析仪12探测窗口；

步骤3：调节偏振控制器8，使光斑分析仪12上光斑清晰可见。调节偏振控制器8用于避免光纤本身对输入光S分量的消除影响，使光斑分析仪上出现光斑。上下调节升降台高度，同时调整光纤旋转器11，当光斑分析仪12上光斑的位置不再发生移动时，光纤3侧面出光窗口4对着正上方，若光纤3侧面出光窗口4不是正对着光斑分析仪12探测窗口，即出现倾斜，光斑分析仪上的光斑会移动。

步骤4：锁定光纤旋转器11，将45°倾斜光纤光栅3固定在载玻片13上，保持45°倾斜光纤光栅3侧面出光窗口4向上。

步骤5：蒸镀过程是自下而上的，通过控制时间和温度来控制蒸镀厚度及蒸镀的周向长度。反射膜层5通过蒸镀工艺镀在前向传输侧面出光窗口4a上。为达到充分反射效果并避免表面等离体激元共振(SPR)，蒸镀厚度约为60nm。同时，周向长度为光纤外表面半周，保证对侧面衍射光的完全反射。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种全光纤的非互易性器件，其特征在于，包括：

用于传输光的光纤和用于反射光的反射膜层，反射膜层包覆于光纤上，且位于光纤的第一出光窗口，且光纤的纤芯上刻有45°倾斜光纤光栅；

其中，第一出光窗口为从一端入射至光纤的光经由光纤光栅衍射后出射的方向对应光纤部分；第二出光窗口为从另一端入射至光纤的光经由光纤光栅衍射后出射的方向对应光纤部分；

当入射光经由光纤的一端入射经过光纤光栅时，p波经光纤光栅透射射出，s波经由光纤光栅衍射经由第一出光窗口射出后反射，继续沿着入射方向同透射过光纤光栅的光干涉后射出；

当入射光经由光纤的另一端入射经过光纤光栅时，p波经光纤光栅透射射出，s波经由光纤光栅衍射经由第二出光窗口射出；实现两个方向的传输非互易性。

2.如权利要求1所述的非互易性器件，其特征在于，反射膜层材料为金。

3.一种制备如权利要求1或2所述的全光纤的非互易性器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在光纤上刻写倾斜光纤光栅，获得刻有倾斜光纤光栅的光纤；

步骤2：当刻有倾斜光纤光栅的光纤射入偏振光后，旋转刻有倾斜光纤光栅的光纤并调整光斑分析仪的接收终端，使刻有倾斜光纤光栅的光纤的出光窗口与光斑分析仪的接收终端正对；

步骤3：旋转刻有倾斜光纤光栅的光纤，并上下平行调整光斑分析仪的接收终端，直至经由倾斜光纤光栅衍射射出的光在光斑分析仪接收终端上显示的位置不变时，在保证平板的面同光斑分析仪接收终端平行的情况下将光纤光栅固定在平板上；

步骤4：在平板正对光纤区域上附着金属膜层，制备非互易性器件。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4中通过蒸镀的方法在平板正对光纤区域上附着金属膜层。