CN109445021A - 一种高光敏性掺锗光纤光栅 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高光敏性掺锗光纤光栅，涉及光纤光学材料制备领域。一种高光敏性掺锗光纤光栅，在同一根二氧化硅光纤的纤芯中分段掺入不同浓度的锗原子，形成对应于不同浓度锗原子的N段不同折射率的少模光纤。由于调节锗原子的浓度，可以有效改变在近紫外波段时光纤的折射率，增大光敏性。使得多个模式进行传输，并针对不同波长的传输模式信号进行滤波，分离出相应的模式信号，从而使得本申请能够制作多种用途。

Description

一种高光敏性掺锗光纤光栅

技术领域

本申请涉及光纤光学材料制备领域，特别是涉及一种高光敏性掺锗光纤光栅。

背景技术

光纤光栅指的是光纤纤芯的折射率能够在轴向上呈现某种周期性的分布的光纤器件，它的本质是光纤纤芯内的折射率发生周期性的永久改变，它能够对一定范围波长的光产生损耗或者反射的作用。根据光纤纤芯的折射率在轴向上的分布差异可以将光纤光栅分为均匀和非均匀两种，均匀光纤光栅是研究其他种类光栅的基础，非均匀光纤光栅的周期和折射率按照某个特定规律而改变。通过对光纤光栅的折射率和周期的改变，能够改进光纤光栅的性质，以满足在光纤通信中的应用。

光纤的光敏性是指对紫外光的吸收，是形成光纤光栅折射率变化的根本原因。光纤光栅是利用光纤的紫外光敏性制成的。纯Si光纤材料的吸收带位于160nm处，在波长为190nm以上到红外区的光有大于90％的透过率，无法改变光纤材料的性质。光纤的纤芯中掺杂Ge原子能够改变纯Si光纤的紫外吸收带，产生缺陷中心，从而改变折射率，增加光纤的非线性系数，提高光纤的光敏性，并降低纯Si光纤产生的布里渊散射线宽。

标准单模光纤中掺杂Ge原子的浓度是3％，典型的光致折射率变化为～3×10-5。由于光纤材料的光敏性与光纤的掺杂浓度基本上成正比关系，因此提高光纤材料感光性最直接的方法就是提高光纤芯区的锗掺杂浓度。一般地，增加掺锗浓度可导致～5×10-4的光致折射率变化。增加光纤芯区含锗量将增大光纤芯区和包层折射率之差。在单模光纤中为保证光纤只进行单模传输，必须减少光纤的芯径。当纤芯芯区的Ge含量很高时，光纤的芯径将要非常小。

因此，亟需研制出一种能够提高光纤的光敏性，改变光纤的折射率制作多种用途的高光敏性掺锗光纤光栅。

发明内容

本申请的目的在于提供一种能够提高光纤的光敏性，改变光纤的折射率制作多种用途的高光敏性掺锗光纤光栅。。

本申请提供了一种高光敏性掺锗光纤光栅，在同一根二氧化硅光纤的纤芯中分段掺入不同浓度的锗原子，形成对应于不同浓度锗原子的N段不同折射率的少模光纤。

可选地，所述的光纤光栅，通过调节锗原子的浓度，可改变在光纤的折射率。

可选地，每一段光纤光栅对应一个选定波长，在发送端传输不同波长的模式信号，经过复用后进入所述少模光纤中进行传输，在信道传输的过程中，由于模式耦合，信号模矩阵与信道矩阵相互作用产生新的传输矩阵，所述新的传输矩阵经过光纤光栅后，与光纤光栅滤波矩阵相互作用，最终分离出指定波长的模式信号。

可选地，所述光纤光栅为3模光纤纤芯，每一段光纤光栅对应一个选定波长，3模光纤纤芯的传输过程，3路信号经过3模光纤链路后发生模式耦合，通过三段相应的光纤光栅，对3路信号进行选择传输，从而分离出相应的模式信号；

在3模光纤链路传输中，将三路模式信号看为一个3×3的多输入多输出系统，不同模式之间为正交序列矩阵，则传输的信号表示为：

其中T₁、T₂和T₃分别为三个模式信号，该信号经过3模光纤链路传输后信号变为：

其中H为传输矩阵，表示光纤的信道特性，则传输的3路信号分别为：

S₁＝[H₁₁T₁ H₁₂T₂ H₁₃T₃]

S₂＝[H₂₁T₁ H₂₂T₂ H₂₃T₃]

S₃＝[H₃₁T₁ H₃₂T₂ H₃₃T₃]

光纤中传输的光信号模矩阵与信道矩阵发生耦合，在通过光纤光栅后，与滤波矩阵发生耦合；

第一段滤波矩阵为：

A＝[A₁ A₂ A₃]

则矩阵变换后可得滤波信号为：

其中，

经过一级滤波后，得到的传输信号为：

S₁′＝[H₁₂T₂ H₁₃T₃]

S₂′＝[H₂₂T₂ H₂₃T₃]

S₃′＝[H₃₂T₂ H₃₃T₃]

二级滤波矩阵为：

B＝[B₁ B₂ B₃]

则矩阵变换后可得滤波信号为：

经过一级滤波后，得到的传输信号为：

S₁″＝H₁₃T₃

S₂″＝H₂₃T₃

S₃″＝H₃₃T₃

三级滤波矩阵为：

C＝[C₁ C₂ C₃]

经三级滤波以后，不同波长的模式信号被三段不同的光纤光栅依次分离出来。

可选地，掺入锗原子的浓度分别为：2.09％，3.13％，4.17％和5.21％。

本申请的一种高光敏性掺锗光纤光栅，在同一根二氧化硅光纤的纤芯中分段掺入不同浓度的锗原子，形成对应于不同浓度锗原子的N段不同折射率的少模光纤。由于调节锗原子的浓度，可以有效改变在近紫外波段时光纤的折射率，增大光敏性。使得多个模式进行传输，并针对不同波长的传输模式信号进行滤波，分离出相应的模式信号，从而使得本申请能够制作多种用途。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的少模光纤纤芯中光纤光栅滤波的示意性流程图；

图2是根据本申请一个实施例的3模光纤纤芯的传输过程示意图；

图3是根据本申请一个实施例的光纤纤芯中模矩阵的内部结构的示意图；

图4是根据本申请一个实施例的光纤纤芯在不同浓度下近紫外范围内的掺Ge原子折射率图。

具体实施方式

本申请提供了一种高光敏性掺锗光纤光栅，通过不同的掺杂方式，在同一根二氧化硅光纤的纤芯中分段掺入不同浓度的锗原子，形成对应于不同浓度锗原子的N段不同折射率的少模光纤。通过对光敏性的提高从而有效地改变光纤的折射率，使得多个模式进行传输，并针对不同波长的传输模式信号进行滤波，应用于光纤传感领域。

由于调节锗原子的浓度，可以有效改变在近紫外波段时光纤的折射率，增大光敏性。使得多个模式进行传输，并针对不同波长的传输模式信号进行滤波，分离出相应的模式信号，从而使得本申请能够制作多种用途。

更具体地，本申请是基于少模光纤模式传输矩阵变换，将少模光纤纤芯的折射率变换为多段不同的折射率，形成多段光纤光栅级联滤波，产成滤波矩阵。这些滤波矩阵可以将多个模式分离出指定波长的模式信号。故本申请能够实现多段不同选择波长的光纤光栅，改变光纤光栅的折射率。

图1是根据本申请一个实施例的少模光纤纤芯中光纤光栅滤波的示意性流程图。如图1所示，图中101、102和103分别是掺入不同Ge浓度的多段光纤光栅，每一段光纤光栅对应一个选定波长。发送端传输不同波长的模式信号，经过复用后进入少模光纤中进行传输，在信道传输的过程中，由于模式耦合，信号模矩阵与信道矩阵相互作用产生新的传输矩阵。这些传输矩阵经过光纤光栅后，与光纤光栅滤波矩阵相互作用，最终分离出指定波长的模式信号。

针对少模光纤传输信道中的模式耦合传输矩阵，本发明以3模光纤传输为例进行阐述。

3模光纤纤芯光纤光栅传输

图2是根据本申请一个实施例的3模光纤纤芯的传输过程示意图。

3路信号经过3模光纤链路后发生模式耦合，通过三段相应的光纤光栅，对3路信号进行选择传输，从而分离出相应的模式信号。图3是根据本申请一个实施例的光纤纤芯中模矩阵的内部结构的示意图。由于系统基于3模传输系统进行证明，因此对于每一个模矩阵都可以看做是一个3入3出的矩阵。

矩阵变换

在3模光纤链路传输中，可以将三路模式信号看为一个3×3的多输入多输出系统，不同模式之间为正交序列矩阵，则传输的信号可以表示为：

其中T₁、T₂和T₃分别为三个模式信号，该信号经过光纤链路传输后信号变为：

其中H为传输矩阵，表示光纤的信道特性。则传输的三路信号分别为：

S₁＝[H₁₁T₁ H₁₂T₂ H₁₃T₃]

S₂＝[H₂₁T₁ H₂₂T₂ H₂₃T₃]

S₃＝[H₃₁T₁ H₃₂T₂ H₃₃T₃]

光纤中传输的光信号模矩阵与信道矩阵发生耦合，当通过光纤光栅后，与滤波矩阵发生耦合。本申请中采用三段不同的光纤光栅(折射率依次增大)。

第一段滤波矩阵为：

A＝[A₁ A₂ A₃]

则矩阵变换后可得滤波信号为：

其中，

经过一级滤波后，得到的传输信号为：

S₁'＝[H₁₂T₂ H₁₃T₃]

S₂'＝[H₂₂T ₂H₂₃T₃]

S₃'＝[H₃₂T₂ H₃₃T₃]

二级滤波矩阵为：

B＝[B₁ B₂ B₃]

则矩阵变换后可得滤波信号为：

经过一级滤波后，得到的传输信号为：

S₁”＝H₁₃T₃

S₂”＝H₂₃T₃

S₃”＝H₃₃T₃

三级滤波矩阵为：

C＝[C₁ C₂ C₃]

经三级滤波以后，不同波长的模式信号被三段不同的光纤光栅依次分离出来。

以上内容用矩阵变换的形式阐述了光纤光栅滤波原理，通过插入滤波矩阵求得系统的传输矩阵，最终分离出3路信号。为实现多段不同选择波长的光纤光栅，改变光纤光栅的折射率。

图4是根据本申请一个实施例的光纤纤芯在不同浓度下近紫外范围内的掺Ge原子折射率图。如图4所示，本申请计算了光纤纤芯在不同浓度下的掺Ge原子折射率。本申请中掺入锗原子的浓度分别为：2.09％，3.13％，4.17％和5.21％。图中11表示掺入浓度为2.09％的折射率；12表示掺入浓度为3.13％的折射率；13表示掺入浓度为4.17％的折射率；14表示掺入浓度为5.21％的折射率。从图中可以看出在近紫外区域，掺Ge原子原子光纤的纤芯有随着Ge原子浓度的提高而增大的趋势，验证了此方法改变纤芯折射率的方式。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高光敏性掺锗光纤光栅，其特征在于，在同一根二氧化硅光纤的纤芯中分段掺入不同浓度的锗原子，形成对应于不同浓度锗原子的N段不同折射率的少模光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅，其特征在于，通过调节锗原子的浓度，可改变在光纤的折射率。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅，其特征在于，每一段光纤光栅对应一个选定波长，在发送端传输不同波长的模式信号，经过复用后进入所述少模光纤中进行传输，在信道传输的过程中，由于模式耦合，信号模矩阵与信道矩阵相互作用产生新的传输矩阵，所述新的传输矩阵经过光纤光栅后，与光纤光栅滤波矩阵相互作用，最终分离出指定波长的模式信号。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅，其特征在于，所述光纤光栅为3模光纤纤芯，每一段光纤光栅对应一个选定波长，3模光纤纤芯的传输过程，3路信号经过3模光纤链路后发生模式耦合，通过三段相应的光纤光栅，对3路信号进行选择传输，从而分离出相应的模式信号；

在3模光纤链路传输中，将三路模式信号看为一个3×3的多输入多输出系统，不同模式之间为正交序列矩阵，则传输的信号表示为：

其中T₁、T₂和T₃分别为三个模式信号，该信号经过3模光纤链路传输后信号变为：

其中H为传输矩阵，表示光纤的信道特性，则传输的3路信号分别为：

S₁＝[H₁₁T₁ H₁₂T₂ H₁₃T₃]

S₂＝[H₂₁T₁ H₂₂T₂ H₂₃T₃]

S₃＝[H₃₁T₁ H₃₂T₂ H₃₃T₃]

光纤中传输的光信号模矩阵与信道矩阵发生耦合，在通过光纤光栅后，与滤波矩阵发生耦合；

第一段滤波矩阵为：

A＝[A₁ A₂ A₃]

则矩阵变换后可得滤波信号为：

其中，

经过一级滤波后，得到的传输信号为：

S₁'＝[H₁₂T₂ H₁₃T₃]

S₂'＝[H₂₂T₂ H₂₃T₃]

S₃'＝[H₃₂T₂ H₃₃T₃]

二级滤波矩阵为：

B＝[B₁ B₂ B₃]

则矩阵变换后可得滤波信号为：

经过一级滤波后，得到的传输信号为：

S₁”＝H₁₃T₃

S₂”＝H₂₃T₃

S₃”＝H₃₃T₃

三级滤波矩阵为：

C＝[C₁ C₂ C₃]

经三级滤波以后，不同波长的模式信号被三段不同的光纤光栅依次分离出来。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅，其特征在于，掺入锗原子的浓度分别为：2.09％，3.13％，4.17％和5.21％。