CN108549128B - 空芯反谐振光子晶体光纤耦合器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤耦合器技术领域，具体为一种空芯反谐振光子晶体光纤耦合器及其应用。本发明光纤耦合器由两根侧面抛光的空芯反谐振光纤组成，每根空芯反谐振光纤的基本结构包括纤芯、环绕在纤芯周围的一圈微毛细管内包层以及包覆在微毛细管环圈外的外包层。空芯反谐振光纤的抛光面位于外包层上，将两根光纤的抛光面相贴合，经过融合或拉锥制成光纤耦合器，拉锥前或拉锥中将靠近贴合面的两个环缩小或增大环间距，优化两根空芯反谐振光纤纤芯模式耦合。该空芯反谐振光子晶体光纤耦合器设计精简，实用性强。该空芯光纤耦合器可用于脉冲激光特别是飞秒激光的全光纤耦合和激光分束；也可应用于空芯光纤陀螺仪中，取代实心光纤耦合模块。

Description

空芯反谐振光子晶体光纤耦合器及其应用
技术领域
本发明属于光纤耦合器技术领域，具体涉及空芯反谐振光子晶体光纤耦合器及其应用。
背景技术
光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。光纤耦合器一般具有以下几个特点：一是器件有光纤构成，属于全光纤型器件；二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现，三是光信号传输具有方向性。随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用，光纤耦合器的地位和作用越来越重要，并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。传统光纤耦合器是基于实芯光纤，纤芯是玻璃材料，如果空芯光纤需要耦合器连接，只有将空芯光纤和耦合器的实芯光纤连接，这样不仅连接损耗较大，而且会产生端面反射，特别是一些需要光纤谐振腔的光纤陀螺应用中，连接点处光路会多次循环通过，造成的损耗和反射都是致命的问题。另外，在脉冲激光特别是飞秒激光的分光应用中，一般避免用光纤耦合器，这是因为短脉冲激光在玻璃芯传输，由于色散的因素，飞秒脉冲很快展宽，无法使用。空芯光纤耦合器可以解决这些难题。
1970年，美国康宁公司成功研制出来低损耗光纤，这一重大突破为光纤耦合器的研制奠定了光纤基础。1973年，Snyder和McIntyre研究光在光纤中传输的各种模式之间的能量转换理论，该研究为光纤耦合器的设计及光纤间的功率转换分析提供了依据。1975年，Kuwahara等人将两根多模光纤缠绕在一起，同时把耦合区浸没在匹配液中，成功研制出了第一个光纤耦合器。1976年，Yamamoto等人利用化学腐蚀的方法，完成了锥形结构耦合器的制作。1977年，Kawasaki和Hill把熔融和拉锥两种工艺结合在一起，首次成功制作了熔锥型耦合器，此种方法制作的耦合器损耗降低了一个数量级，这是耦合器制作的一次重大飞跃。1980年，Schiffner等人首次成功拉制出双芯光纤，拉制前预先在双芯之间填充一排空气孔，使两根光纤的两端分开，可制成双芯光纤耦合器，并通过弯曲光纤调谐其耦合比。双芯光纤耦合器的出现促进了光纤耦合器的多元化发展。1992年，Cryan和Hussey将裸单模光纤悬浮在研磨轮上进行打磨，之后安装到一对带有磁铁的V型光纤固定器，加热熔融制成了抛磨熔融耦合器。2001年，Kakarantzas等人将未耦合的双芯光子晶体光纤用火焰进行热处理，使其双芯间的空气孔塌缩产生强烈耦合制成双芯光子晶体光纤耦合器，有力的推动了光子晶体光纤在光纤传感和光纤通讯领域的应用。随着光纤耦合器的不断发展，设计插入损耗小、耦合效率高、分光比可调并可实现特殊耦合的光纤耦合器是目前该领域的发展方向。目前，光纤陀螺仪得到了飞速发展，空芯光子晶体光纤陀螺仪的出现大大提高了光纤陀螺仪的精度，并且体积小、可靠性高、抗辐射能力强，适合空间应用。但空芯光子晶体光纤陀螺仪中的光耦合模块利用的仍是普通单模光纤，无法实现全空芯光纤系统，空心光纤的优势特性难以充分体现。
近些年，空芯反谐振光子晶体光纤得到了广泛的关注，这种空芯光纤的包层由一层无节点的微毛细管和外层石英包层组成，它的导光机理可以有两种解释，一种是抑制纤芯与包层模式耦合机制，另一种是反谐振理论，它们都对这类光纤的传输谱进行了定性的解释。这类空芯反谐振光子晶体光纤相较于传统的空芯光纤具有一定的优势，例如这类光纤具有更简单的几何结构，更宽的传输窗口，可保持单模传输，和更低的传输损耗等。但其耦合效率、传输损耗仍不很理想。
发明内容
本发明的目的是提出一种耦合效率高、传输损耗小、传输窗口宽的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，并提供该光纤耦合器的应用。
本发明提出的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，包括两根侧面抛光的空芯反谐振光纤，每根空芯反谐振光纤的基本结构包括：纤芯、环绕在纤芯周围的一圈微毛细管内包层以及包覆在微毛细管环圈外的外包层；所述微毛细管相互之间无接触，形成一圈无节点的环形结构；空芯反谐振光纤的抛光面位于外包层上，两根光纤的抛光面相互贴合，经过熔融或拉锥形成光纤耦合器；耦合器中两根空芯反谐振光纤纤芯在贴合处相互联通。
本发明中，所述微毛细管中，两根光纤侧面抛光、相互贴合处的特定的微毛细管，在热熔条件下，可通过光纤后处理技术收缩到原尺寸的0.2-1倍，优选收缩到原尺寸的0.2-0.7倍。
本发明中，所述微毛细管环圈外的外包层，材料为二氧化硅。
本发明中，所述空芯反谐振光子晶体光纤纤芯的外轮廓为负曲率形状。
本发明中，所述空芯反谐振光子晶体光纤抛光面位于光纤外包层上，抛光后的空芯反谐振光纤的纤芯与外界环境联通。
本发明中，所述空芯反谐振光子晶体光纤耦合器中的两根空芯反谐振光子晶体光纤纤芯相互联通。
本发明中，所述空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，可以有多种结构形式，比如，等环面积缩小两环结构（如图2所示），两环缩小为原尺寸的0.6倍，等环厚度缩小的两环结构（如图2所示），两环缩小为原尺寸的0.6倍，去环结构（如图4所示），去除一根微毛细管，大间距等环面积缩小的两环结构（如图5所示），间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍，大间距等环厚度缩小的两环结构（如图6所示），间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍，大间距等环面积缩小两环-双环嵌套结构（如图8所示），间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍，嵌套内环尺寸为外环尺寸的0.5倍，大间距等环厚度缩小两环-双环嵌套结构（如图9所示），间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍，嵌套内环尺寸为外环尺寸的0.5倍。
本发明中，所述空芯反谐振光子晶体光纤耦合器可取代空芯光子晶体光纤陀螺仪中的实心光纤耦合模块，该空芯反谐振光子晶体光纤耦合器与空芯光子晶体光纤绕制成的空芯光纤谐振环相连接形成陀螺的谐振腔，实现光的输入与输出。
本发明提出的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，包括两根侧面抛光的空芯反谐振光纤，该光纤内包层由一圈无节点的微毛细管组成，当光束到达微毛细管壁时发生反射，由于这些微毛细管具有特殊的管壁厚度和间距（一般管壁厚度为200 nm-1000 nm，毛细管间距为0.1μm-20μm，微毛细管内径不超过20.5μm；光纤直径为40μm -50μm），使得反射光发生反共振，从而将光限制在纤芯中。同时，该光纤特殊的无节点微毛细管包层结构使得抛光后相贴合的两根光纤的纤芯直接联通，传输光通过光纤耦合器的联通通道实现在两纤芯之间的相互耦合。相较于传统的光纤耦合器，该空芯反谐振光子晶体光纤耦合器能将光在空芯中互相耦合，与空芯光纤熔接损耗低。
本发明的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，可应用于空芯光纤通讯和传感系统中，确保空芯光纤的优势特性，为光纤耦合器的发展开辟了新的方向。特别是，本发明光纤耦合器可应用于空芯光子晶体光纤陀螺仪中，即可取代空芯光子晶体光纤陀螺仪中的实心光纤耦合器模块，提高光纤陀螺精度，可靠性和抗辐射能力。具体将空芯反谐振光子晶体光纤耦合器与空芯光子晶体光纤绕制成的空芯光纤谐振环相连接形成陀螺的谐振腔，实现光的输入与输出。另外，该光纤耦合器也可作为飞秒激光的分光和耦合光纤元件，适用于飞秒激光的光纤系统中。
附图说明
图1是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合结构示意图。
图2是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-等环面积缩小两环结构示意图，两环缩小为原尺寸的0.6倍。
图3是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-等环厚度缩小两环结构示意图，两环缩小为原尺寸的0.6倍。
图4是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-去环结构示意图，去除一根毛细管。
图5是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环面积缩小两环结构示意图，间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍。
图6是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环厚度缩小两环结构示意图，间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍。
图7是本发明实施例中在空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-等环厚度缩小两环结构中的光传输模式图，两环缩小为原尺寸的0.6倍。
图8是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环面积缩小两环-双环嵌套结构示意图，间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍，嵌套内环尺寸为外环的0.5倍。
图9是本发明实施例中空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环厚度缩小两环-双环嵌套结构示意图，间距扩大15μm，两环缩小为原尺寸的0.6倍，嵌套内环尺寸为外环的0.5倍。
图中标号：1为低折射率纤芯，2为微毛细管，3为缩小的微毛细管，4为空芯反谐振光子晶体光纤抛光面，5为二氧化硅外包层，6为内部嵌套微毛细管，7为缩小的内部嵌套微毛细管。
具体实施方式
为了将本发明的目的和优势表述的更清晰，以下结合附图，对本发明作进一步的详细阐述。
本发明提出的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器由两根侧面抛光的空芯反谐振光纤构成。从该空芯反谐振光纤的二氧化硅外包层开始逐步研磨抛光直至纤芯与外界环境联通，然后将两根光纤的抛光面相贴合，经过拉锥制成光纤耦合器，该耦合器中两根空芯反谐振光纤纤芯相互联通。在此空芯反谐振光子晶体光纤耦合器结构基础上，为提高耦合器的耦合效率，可对此结构进行优化。
如图1所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器示意图，两根空芯反谐振光子晶体光纤侧面研磨抛光直至纤芯与外界环境联通，将两根光纤的抛光面相贴合，经过拉锥制成耦合器，输入光从耦合器一端进入，在另一端分成两束光输出。
如图2所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-等环面积缩小的两环结构，利用光纤后处理技术，将空芯反谐振光纤的相邻两个微毛细管的尺寸缩小到原尺寸的0.2-1倍，同时保证与其他微毛细管具有相同的环面积。从两缩小微毛细管相对应的二氧化硅外包层开始逐步研磨抛光直至纤芯与外界环境联通，将两根光纤的抛光面相贴合，经过拉锥制成光纤耦合器。优化后的耦合器，可扩大两空芯反谐振光纤纤芯联通通道尺寸，加快模式耦合，从而提高耦合效率。
如图3所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-等环厚度缩小的两环结构，利用光纤后处理技术，将空芯反谐振光纤的相邻两个微毛细管的尺寸缩小到原尺寸的0.2-1倍，同时保证与其他微毛细管具有相同的环厚度。从两缩小微毛细管相对应的二氧化硅外包层开始逐步研磨抛光直至纤芯与外界环境联通，将两根光纤的抛光面相贴合，经过拉锥制成光纤耦合器。优化后的耦合器，可扩大两空芯反谐振光纤纤芯联通通道尺寸，加快模式耦合，从而提高耦合效率。
如图4所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-去环结构，对空芯反谐振光纤进行抛光，从光纤的二氧化硅外包层开始逐步研磨抛光，直至其中一根微毛细管脱落为止，然后将两根光纤的抛光面相贴合并拉锥制成耦合器。优化后的耦合器，可扩大两空芯反谐振光纤纤芯联通通道尺寸，加快模式耦合，从而提高耦合效率。
如图5所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环面积缩小两环结构，在图2所示结构的基础上，进一步扩大两空芯反谐振光纤连通通道尺寸。利用光纤后处理技术，将空芯反谐振光纤相邻两微毛细管的间距增大15μm，可增大的范围是0到20μm，在此基础上，再将该相邻微毛细管尺寸缩小到原尺寸的0.2-1倍，同时保证与其他微毛细管具有相同的环面积，然后将两根光纤的抛光面相贴合并拉锥制成耦合器。这种结构最大程度的扩大空芯反谐振光纤联通通道尺寸，加快模式耦合，提高了耦合效率。
如图6所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环厚度缩小两环结构，在图3所示结构的基础上，进一步扩大两空芯反谐振光纤连通通道尺寸。利用光纤后处理技术，增大空芯反谐振光纤相邻两微毛细管的间距，在此基础上，再将该相邻微毛细管尺寸缩小，同时保证与其他微毛细管具有相同的环厚度，然后将两根光纤的抛光面相贴合并拉锥制成耦合器。这种结构最大程度的扩大空芯反谐振光纤连通通道尺寸，加快模式耦合，提高了耦合效率。
如图7所示，相邻两小环间距为23.5 μm，相邻两大环间距为2.5 μm，大环与小环间距为6.8 μm，所有环厚度均为418 nm，每根空芯反谐振光纤的纤芯直径为45.2 μm。在空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环厚度缩小两环结构中的光传输模式图，（a）和（b）分别表示x方向的偶模和奇模，（c）和（d）分别表示y方向的偶模和奇模。在这里，偶模的模式有效折射率为n偶，奇模的有效折射率为n奇，则光纤耦合器的耦合长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。当将光纤耦合器中环尺寸缩小为原来的0.6倍时，对应的耦合长度为3.2厘米，继续缩小环尺寸可进一步降低光纤耦合器的耦合长度，最低可以降低到1.2厘米左右。光在该光纤耦合器中传输的损耗小于30 dB/km。
如图8所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环面积缩小两环-双环嵌套结构，在图5所示结构基础上，在现有微毛细管内嵌套一个环面积相同，尺寸为已有微毛细管的0.2-0.9倍的小微毛细管，再将该相邻微毛细管尺寸缩小到原尺寸的0.2-1倍，抛光面贴合并拉锥制成光纤耦合器。根据空芯反谐振光纤的导光机理，双重微毛细管可更好地将光束缚在纤芯中，在提高耦合效率的同时，也降低了光纤耦合器产生的光学损耗。
如图9所示，为空芯反谐振光子晶体光纤耦合器-大间距等环厚度缩小两环-双环嵌套结构，在图6所示结构基础上，在现有微毛细管内嵌套一个环厚度相同，尺寸为已有微毛细管的0.2-0.9倍的小微毛细管，再将该相邻微毛细管尺寸缩小到原尺寸的0.2-1倍，抛光面贴合并拉锥制成光纤耦合器。根据空芯反谐振光纤的导光机理，双重微毛细管可更好地将光束缚在纤芯中，在提高耦合效率的同时，也降低了光纤耦合器产生的光学损耗。

Claims (9)

1.一种空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，其特征在于，由两根侧面抛光的空芯反谐振光纤组成，每根空芯反谐振光纤的基本结构为：纤芯、环绕在纤芯周围的一圈微毛细管内包层以及包覆在微毛细管环圈外的外包层；所述微毛细管相互之间无接触，形成一圈无节点的环形结构；空芯反谐振光纤的抛光面位于外包层上，两根光纤的抛光面相互贴合，经过熔融或拉锥形成光纤耦合器；耦合器中两根空芯反谐振光纤纤芯在贴合处相互联通。
2.根据权利要求1所述的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，其特征在于，所述微毛细管内包层中，两根光纤侧面抛光、相互贴合处的特定微毛细管，在热熔条件下，通过光纤后处理技术收缩到原尺寸的0.2-1倍。
3.根据权利要求2所述的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，其特征在于，所述微毛细管环圈外的外包层，材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1、2或3所述的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，其特征在于，所述空芯反谐振光子晶体光纤纤芯的外轮廓为负曲率形状。
5. 根据权利要求1、2或3所述的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，其特征在于，所述微毛细管具有特殊的管壁厚度和间距：管壁厚度为200 nm-1000 nm，毛细管间距为0.1μm-20μm；微毛细管内径不超过20.5μm；所述光纤直径为40μm -50μm。
6.根据权利要求5所述的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器，其特征在于，其结构有下述多种形式：等环面积缩小的两环结构，等环厚度缩小的两环结构，去环结构，大间距等环面积缩小两环-双环嵌套结构，大间距等环厚度缩小的两环-双环嵌套结构。
7.如权利要求1-6之一所述的空芯反谐振光子晶体光纤耦合器在空芯光纤通讯和传感系统中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将空芯反谐振光子晶体光纤耦合器取代空芯光子晶体光纤陀螺仪中的实心光纤耦合器模块，即将空芯反谐振光子晶体光纤耦合器与空芯光子晶体光纤绕制成的空芯光纤谐振环相连接形成陀螺的谐振腔，实现光的输入与输出。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将空芯反谐振光子晶体光纤耦合器作为飞秒激光的分光和耦合光纤元件，适用于飞秒激光的光纤系统中。
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