CN109143468B - 一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅，属于光纤传感和光纤通信技术领域。本发明包括光纤、空气孔、气孔填充液及超声波源；空气孔位于光纤内部，其中充满气孔填充液，超声波源贴合在光纤表面，超声波源产生的超声波在气孔填充液内传播形成驻波，超声驻波强度变化使液体的折射率呈现强弱周期性分布，在光纤的轴向上形成周期与超声波长有关的光栅，实现超声波长对纤芯中光束在线调谐滤波的功能。本发明提出的一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅，具有体积小、波长选择性好、耦合性好、易调谐、造价低廉等优点，与光纤功能器件兼容性好，可用于光子器件和系统的光纤内集成。

Description

一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅

技术领域

本发明属于光纤传感和光纤通信技术领域，具体涉及一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅。

背景技术

光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏效应，使光纤芯区长度上产生折射率的周期性改变而制成的一种新型光纤光子器件。光纤光栅沿着光纤轴向形成一定的周期性折射率分布，从而可以对入射光中相位匹配的频率产生相干反射，形成中心反射峰，近似于一个以共振波为中心的窄带滤波器。光纤技术的不断发展也促进国内外对光纤集成方面的深入研究，将各种有源、无源器件集成到光纤内部，可以极大减小器件的尺寸和重量，同时避免了各个可动部件之间由于装配、固定和调整带来的变化和不一致，提高纤维集成器件的性能和温度稳定性。

目前光纤光栅种类很多，根据光纤光栅的形成机制，光纤光栅可以分成：I型、II型和IIA型(也叫III型)光纤光栅。I型光纤光栅是由连续或者能量较弱的多个紫外光脉冲曝光掺锗浓度较低的光纤形成的，折射率变化较小，具有较理想的透射谱，但其热稳定性较差，是目前最常用的光纤光栅；II型光纤光栅一般由能量密度很高的激光脉冲照射高掺锗光纤，造成纤芯损伤而成，只需单个脉冲曝光就可制成100％反射率的光栅，且热稳定性很好，但具有较大的包层或辐射模损耗；IIA型光纤光栅一般是在高掺锗浓度、小纤芯的光敏光纤中写成的，通过对I型光纤光栅过量曝光得到，温度稳定性介于I型和II型光纤光栅之间。常规光纤光栅在光纤轴向上呈现的折射率周期性变化是永久性的不可消除的，而纤内集成超声光栅可以通过调节超声波的波长来调节超声光栅的周期，达到对纤内光束的在线调谐功能。本发明就是顺应光纤集成功能器件的研究潮流提出来的，光纤内集成超声光栅在与其他光学器件进行集成时具有良好的稳定性和灵活性，通过改变超声波的波长调控纤芯轴向上的光栅周期。与传统光纤光栅相比不仅具有体积小、波长选择性好、耦合性好、易调谐、造价低廉优点，还可推进光子器件和系统的纤内集成化进程，有效的稳定光器件的工作，在未来的全光网络，光纤陀螺、光纤传感、可调谐光纤激光器等领域将起着重要作用，是实现全光网中理想的关键器件。

由于超声波对物质有特殊的机械作用，当超声波在液体中传播时能引起液体的密度变化，使之变成非均匀媒质，且这种密度的变化呈现周期性结构，这样就使液体在光学特性上引起光折射率的周期性变化。该液体对光纤纤芯的轴向上的折射率有周期性影响，在光纤的轴向上形成光栅。

由于超声波在气孔填充液中形成的驻波周期与超声波的波长有关，可以通过调节超声波的波长来实现液体折射率改变的周期，从而影响在光纤轴向上形成光栅，最终实现在线可调谐滤波的功能。

随着超声光纤光栅的应用领域的日益广泛，越来越多的学者投入到超声光纤光栅研究当中，专利号为CN1554967A的“一种基于光纤超声超结构光栅的可调滤波器及调制方法”中所提出的结构相较于本发明复杂，在实现过程中对光纤结构有破坏，制作难度较高。本发明在不破坏光纤结构的基础上在光纤内集成，实现纤内在线调谐滤波功能。专利号为CN1338649A的“一种光纤光栅的双向应力调谐装置”与本发明相比结构复杂，调谐方式繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有结构简单、波长选择性好、耦合性好、易调谐、造价低廉等优点，同时易于与其它光纤器件进行连接，制作难度低，温度变化对器件影响小的在线可调谐的光纤内集成超声光栅。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅，包括光纤1、空气孔2、气孔填充液2-1及超声波源4；空气孔2位于光纤1内部，其中充满气孔填充液2-1，超声波源4贴合在光纤1表面，超声波源4产生的超声波在气孔填充液2-1内传播形成驻波3，超声驻波强度变化使液体的折射率呈现强弱周期性分布，在光纤的轴向上形成周期与超声波长有关的光栅。

优选的，所述的光纤1中包括包层1-1及纤芯1-2，空气孔2位于包层1-1中，且与纤芯1-2间的距离小于3um。

优选的，所述的空气孔2为封闭式气孔，直径为微米量级。

优选的，所述的气孔填充液2-1通过高压注入空气孔2中，气孔填充液2-1为无水乙醇。

优选的，所述的超声波源(4)通过压电陶瓷片产生。

本发明的有益效果在于：本发明提出的一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅，将功能器件集成在光纤内部，符合纤内集成的趋势，并且在光纤轴向打孔简单易操作；超声形成驻波导致孔内填充液的折射率周期性改变，并且可以通过调节超声波的波长实现对折射率周期性的控制，简单易行。

本发明结构简单、波长选择性好、耦合性好、易调谐、造价低廉等优点，同时易于与其它光纤器件进行连接，制作难度低，温度变化对器件影响小，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1为本发明中在线可调谐的光纤内集成超声光栅的结构示意图；

图2为本发明中在线可调谐的光纤内集成超声光栅的横截面示意图，其中(a)为光纤内单孔单芯结构示意图；(b)为光纤内多孔单芯结构示意图；(c)为光纤内单孔多芯结构示意图；

图3为本发明实施例1中在线可调谐的光纤内集成超声光栅与光纤耦合方式示意图；

图4为本发明实施例2中在线可调谐的光纤内集成超声光栅与光纤耦合方式示意图；

图5为本发明中三种在线可调谐的光纤内集成超声光栅的反射光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

结合图1及图2(a)，本发明提出了一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅，包括光纤1、空气孔2、气孔填充液2-1及超声波源4；空气孔2位于光纤1内部，其中充满气孔填充液2-1，超声波源4贴合在光纤1表面，超声波源4产生的超声波在气孔填充液2-1内传播形成驻波3，超声驻波强度变化使液体的折射率呈现强弱周期性分布，在光纤的轴向上形成周期与超声波长有关的光栅。

优选的，所述的光纤1中包括包层1-1及纤芯1-2，空气孔2位于包层1-1中，且与纤芯1-2间的距离小于3um。

优选的，所述的空气孔2为封闭式气孔，直径为微米量级。

优选的，所述的气孔填充液2-1通过高压注入空气孔2中，气孔填充液2-1为无水乙醇。

优选的，所述的超声波源(4)通过压电陶瓷片产生。

本发明可通过实施例实现：

实施例1

结合图2(b)及图3，在线可调谐的光纤内集成超声光栅的前端与一根光纤拉锥耦合，后端端面对准耦合一根单芯光纤。由于压电陶瓷片产生的某些波长超声波在纤内封闭的空气孔中形成驻波，使气孔填充液的折射率随驻波强度发生周期性改变，通过对纤芯有刻画作用，形成光栅。

为了更好的对纤芯进行刻画光栅，可以在纤芯周围环绕多个相同的封闭空气孔。当宽谱光由纤芯通过光栅区域时，光纤光栅会对特定的波长反射，使其他波长的光通过。当所取的光纤拉锥耦合在单芯偏孔超声光栅上时，经过光纤光栅后对符合反射条件的光反射效果会更好。

实施例2

与实施例1相同，其主要区别在于：

结合图2(c)及图4，在线可调谐的光纤内集成超声光栅的前端与一根光纤拉锥耦合，后端端面对准耦合一根双芯光纤或两根单芯光纤。当所取的光纤拉锥耦合在本发明提供的多芯中孔光想光栅时，经过光纤光栅后多个纤芯都可以同时对某个特定波长进行反射。

图5为通过本发明形成的不同波长的光纤光栅的反射谱。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种在线可调谐的光纤内集成超声光栅，其特征在于：包括光纤(1)、空气孔(2)、气孔填充液(2-1)及超声波源(4)；空气孔(2)位于光纤(1)内部，其中充满气孔填充液(2-1)，超声波源(4)贴合在光纤(1)表面，超声波源(4)产生的超声波在气孔填充液(2-1)内传播形成驻波(3)，超声驻波强度变化使液体的折射率呈现强弱周期性分布，在光纤的轴向上形成周期与超声波长有关的光栅；所述的光纤(1)中包括包层(1-1)及纤芯(1-2)，空气孔(2)位于包层(1-1)中，且与纤芯(1-2) 间的距离小于3um；所述的空气孔(2)为封闭式气孔，直径为微米量级；所述的气孔填充液(2-1)通过高压注入空气孔(2)中，气孔填充液(2-1)为无水乙醇；所述的超声波源(4)通过压电陶瓷片产生。

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