CN110501780B - 基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器 - Google Patents

基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器，包括由多芯耦合光纤拉锥处理后得到的圆对称结构的同轴干涉仪，以及同轴干涉仪底部设置的衬底；多芯耦合光纤包括纤芯和包层，纤芯的数量大于1，纤芯分为中间芯和外围芯，中间芯和外围芯的芯径相同，且相邻纤芯之间的芯间距相等；衬底的折射率低于多芯耦合光纤的折射率，并高于空气的折射率；通过衬底靠近程度来调控中间芯与外围芯之间的线性偏振光光强比例，形成中间芯和外围芯的光开关切换和光控效应。本发明利用衬底效应使得中间芯和外围芯的偏振光的能量呈现相反的状态；通过调整输入的偏振光角度，还可以控制不同纤芯内部能量的分布，进而达到控制多芯光纤光路的目的。

Description

基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器。
背景技术
多芯光纤为设计大容量应用光纤提供了一种革新方法。多芯光纤应用范围广泛：如地铁网络系统、无线电基站、连接数据中心底板、芯片通信系统、新型光纤放大器、石油勘探中井下传感以及管道检测。多芯光纤从节省空间方面到提高高速通信的能力都有优势，使其更加小型化、有弹性、灵活性和可定制。多芯光纤的小尺寸、纤芯的空间分布以及良好的热稳定性等特性，使其在光纤传感领域应用广泛。
光纤偏振分束器是一种重要的分光器件，在集成光学领域有着极其重要的应用。一般的偏振分束器都有一个共同的特点：偏振光在自由空间（或介质）中分离，为了得到全反射或布鲁斯特角，偏振光需要倾斜入射。在许多应用体系中，为了将偏振光耦合到波导结构中，需要在光路中添加额外的耦合器，但是会降低整体的能量和消光比。目前报道了许多其他种类的分束器，通过集成波导技术来分离波导间的光。不过上述分束器首先需要耦合器将光能量耦合到波导结构中，大部分利用了材料的双折射效应，或者需要设计成合适的结构，这就需要很长的距离来获得两个偏振方向。
文献“带输入、输出端口的双芯光纤偏振分束器的研究”报道了一种基于椭圆双芯光纤的结构；文献“Assembly of silica nanowires on silica aerogels formicrophotonic devices”报道了在气凝胶衬底上弯曲2根直径为420 nm 的纳米光纤做成的X形耦合器，该文献里报道的气凝胶衬底的作用是支撑和光学导向性。文献“微纳光纤偏振分束器特性研究”报道了通过改变微纳光纤偏振分束器的几何特性对偏振分束性能的影响，优化设计了微纳光纤耦合型偏振分束器。
CN105116486A公开了一种具有高双折射的八边形双芯光子晶体光纤偏振分束器，通过改进光纤包层中空气孔的分布方式来增强结构的不对称性。该专利改变结构不对称性的方法是改变光纤包层空气孔的分布，其原理是形成高双折射率区域。
CN206818908U公开了一种正交双芯光纤偏振分束器，其包括沿轴向设置有多个圆形空气孔的基底，基底设有空气孔的区域形成包层，材质是高纯度石英。该专利中的两个纤芯相互垂直，且利用的是折射率匹配耦合原理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器，利用衬底效应调控中间芯和外围芯输出干涉光谱。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器，其特征在于：它包括由多芯耦合光纤拉锥处理后得到的圆对称结构的同轴干涉仪，以及同轴干涉仪底部设置的衬底；其中，
多芯耦合光纤包括纤芯和包层，纤芯的数量大于1，纤芯分为中间芯和外围芯，中间芯和外围芯的芯径相同，且相邻纤芯之间的芯间距相等；
衬底的折射率低于多芯耦合光纤的折射率，并高于空气的折射率；通过衬底靠近程度来调控中间芯与外围芯之间的线性偏振光光强比例，形成中间芯和外围芯的光开关切换和光控效应。
按上述方案，所述的同轴干涉仪包括两端的锥形部和中间平直的腰部；所述的衬底与同轴干涉仪的底部贴合。
按上述方案，腰部中的纤芯的芯间距为100 nm~10 µm。
按上述方案，所述的衬底为聚合物材料、软玻璃材料或者金属材料。
按上述方案，所述的衬底底部设有基底。
一种偏振器检测系统，其特征在于：本系统包括依次连接的光源、光偏振控制器、所述的可控偏振分束器、多芯光纤输出设备和光谱分析仪；其中，
光源发出的入射光进入光偏振控制器，经过可控偏振分束器中的多芯耦合光纤输出，通过多芯光纤输出设备将多芯耦合光纤中的每一纤芯分离成对应数量的输出光纤，由光谱分析仪记录每根输出光纤对应的投射光谱变化；
通过控制光偏振控制器的偏振光角度，控制多芯耦合光纤中不同纤芯内部能量的分布。
按上述系统，所述的光偏振控制器包括偏振片和半波片，由光源发出的入射光经过偏振片变成线偏光，再由半波片改变线偏光的角度。
按上述系统，所述的光源与光偏振控制器之间通过单模光纤连接，光偏振控制器的输出端通过单模光纤与可控偏振分束器中多芯耦合光纤的一端熔接；可控偏振分束器中多芯耦合光纤的另一端与多芯光纤输出设备的输入端连接，多芯光纤输出设备输出的输出光纤均为单模光纤。
按上述系统，所述的偏振光角度从0°增加到90°。
本发明的有益效果为：本发明基于光在多芯光纤中的传播原理，即中间芯模式和外围芯模式发生交叉耦合作用的基本原理，由于衬底效应使得中间芯和外围芯的偏振光的能量呈现相反的状态；通过调整输入的偏振光角度，还可以控制不同纤芯内部能量的分布，进而达到控制多芯光纤光路的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例中七芯光纤的端面示意图。
图2为本发明一实施例中七芯光纤的拉锥结构示意图。
图3为本发明的多芯光纤和衬底的组合结构。
图4为图3的侧视图。
图5为偏振器检测系统结构图。
图6为引入衬底之前的各纤芯透射光谱图。
图7为引入衬底之后的各纤芯透射光谱图。
图中：1-纤芯，2-包层，3-同轴干涉仪，4-衬底，5-玻璃片，6-光源，7-偏振片，8-半波片，9-光纤输出设备，10-光谱分析仪。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
实施例一：
本实施例以7芯为例，其它数量纤芯的多芯耦合光纤与本实施例原理相同。
如图1和图2所示，本实施例的七芯耦合光纤包括纤芯1和包层2，包层2的外面还有涂覆层，纤芯1按一定的规律排布，即中间芯位于整个光纤中心，外围芯周向均布是中间芯的周围，芯径A和芯间距B分别是9 µm 和35 µm， 包层直径 125 µm。为了防止纤芯1之间串扰产生，从而实现多通信号传输，对七芯光纤进行熔融拉锥操作制备直径为10 µm的圆对称结构的同轴干涉仪3。
如图3和图4所示，将拉锥得到的圆对称结构的同轴干涉仪3转移到衬底4上，通常衬底底部还设有基底。本实施例里选择的衬底为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS是一种硅橡胶，具有很强的疏水性和较小的表面张力。PDMS衬底和光纤结合接触面积更大。在波长1550nm，PDMS折射率为1.4，二氧化硅玻璃的折射率值为1.44，光纤中光的传播特性是沿着折射率更高的部分传播，故PDMS称底有效抑制了光纤中能量的损耗。
PDMS称底制备过程如下：
（1）玻璃片的处理：将普通玻璃切成2.5×3.8 mm大小，然后放在洗净的10 ml烧杯中，依次用丙酮，酒精，去离子水，在超声波清洗机中超声10 min，以去除表面的污渍和油渍，洗净后用洗耳球吹干表面水渍，放置在烘箱中备用。
（2）PDMS的配制：用5 ml干燥洁净的小烧杯量取2 ml的二甲基硅氧烷单体，滴加4滴固化剂，单体和固化剂以质量比10:1混合配比，用玻璃杯搅匀，放置到真空环境中，直至气泡完全消失，大概半小时。再慢慢旋开连接空气的阀门，气压逐渐回升，直至和大气压一致再打开玻璃罩取出小烧杯。
（3）PDMS旋涂：在真空镀膜机上，放置上述备用的玻璃片于正中间，打开真空泵，由于内外气压紧紧吸住玻璃片以免高速旋转过程中脱落损害仪器。设置参数：预旋涂时间和转速分别是18 s和1000 sec/s，正式旋涂时间和转速是60 s和4000 sec/s。
（4）后处理：旋涂好PDMS的玻璃片放在加热台上，120℃加热1小时，之后放在干燥箱待用。
一种偏振器检测系统，如图5所示，光源6处发出的入射光进入光偏振控制器，经过偏振片7将光源光变成线偏光，而半波片8则是改变线偏光角度。同轴干涉仪3置于PDMS衬底4上面。如图所示，为了测量每根纤芯对应的光谱图，通过光纤输出设备9，可以将每根纤芯分别由输出光纤连接出来。调整偏振光角度，七芯光纤模式间耦合发生变化，干涉峰强度发生变化。通过光谱分析仪10记录每根芯对应的透射光谱变化。用光纤跳线将整个光路连接起来。
所述PDMS衬底4在波长1550 nm时折射率为1.4。
所述的七芯光纤为多模光纤，和普通单模光纤一般，均由纤芯、包层和涂敷层组成。
所述的光源6与光偏振控制器之间通过单模光纤连接，光偏振控制器的输出端通过单模光纤与可控偏振分束器中多芯耦合光纤的一端熔接；可控偏振分束器中多芯耦合光纤的另一端与多芯光纤输出设备的输入端连接，多芯光纤输出设备输出的输出光纤均为单模光纤。
所述的偏振光角度的变化范围是从0°增加到90°。
本发明的原理在于：基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器，其耦合机理也是基于中间芯模式和外围芯模式间耦合。一般将七芯光纤应用于各类传感器如温度、压力或是曲率传感器，均是将七芯光纤当成整体的光波导结构，而忽略了七芯光纤纤芯的空分复用功能。可以将相互平行的纤芯看成独立的光波导，将其应用于更广泛的领域。为了分析七芯光纤的同轴耦合原理，由耦合模式方程计算可知中间芯模和外围芯模对应的周期性的振荡曲线相位差为π/2。
当光在纤芯中传输时，由于七芯光纤圆对称结构和中间芯耦合作用，七芯光纤中只存在中间芯模式和外围芯模式。两种模式间的耦合诱导周期性的干涉，进而产生可以通过光谱仪记录的中间芯能量低、外围芯能量高的两组周期性振荡曲线。
对于引入了衬底的非对称结构的偏振特性研究，将上述光纤样品转移到PDMS称底上，破坏了光纤原有的圆对称结构。由于称底效应，多芯光纤中不同状态下的中间芯模式和外围芯模式发生干涉，呈现出中间芯能量高、外围芯能量低的两组周期性振荡曲线。通过偏振控制器导入不同角度的偏振光，可以改变不同光纤内部能量的分布。
图6为引入衬底之前多芯同轴干涉仪七根芯分布对应的透射光谱，当波长从1498.4nm增加到1508.6nm时，外围芯对应的输出强度由波峰变到波谷，而中间芯对应的输出强度则由波谷变到波峰；图7为引入衬底后多芯同轴干涉仪七根芯分布对应的透射光谱，当波长从1502.6nm增加到1512.2nm时，外围芯对应的输出强度由波谷变到波峰，而中间芯对应的输出强度则由波峰变到波谷。
实施例二：
一种基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器，多芯光纤选择双芯光纤，衬底仍然选用PDMS材料，其他参数与实施例一一致。
实施例三：
一种基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器，多芯光纤选用纤芯数量不同的光纤，衬底可以选用聚合物材料、软玻璃材料或者金属材料，其他参数与实施例一一致。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多芯耦合光纤和衬底开关效应的可控偏振分束器，其特征在于：它包括由多芯耦合光纤拉锥处理后得到的圆对称结构的同轴干涉仪，以及同轴干涉仪底部设置的衬底；其中，
多芯耦合光纤包括纤芯和包层，纤芯的数量大于1，纤芯分为中间芯和外围芯，中间芯和外围芯的芯径相同，且相邻纤芯之间的芯间距相等；
衬底的折射率低于多芯耦合光纤的折射率，并高于空气的折射率；通过纤芯与衬底的靠近程度来调控中间芯与外围芯之间的线性偏振光光强比例，形成中间芯和外围芯的光开关切换和光控效应；
所述的同轴干涉仪包括两端的锥形部和中间平直的腰部；所述的衬底与同轴干涉仪的底部完全贴合。
2.根据权利要求1所述的可控偏振分束器，其特征在于：腰部中的纤芯的芯间距为100nm-10 µm。
3.根据权利要求1所述的可控偏振分束器，其特征在于：所述的衬底为聚合物材料、软玻璃材料或者金属材料。
4.根据权利要求1所述的可控偏振分束器，其特征在于：所述的衬底底部设有基底。
5.一种偏振器检测系统，其特征在于：本系统包括依次连接的光源、光偏振控制器、权利要求1至4中任意一项所述的可控偏振分束器、多芯光纤输出设备和光谱分析仪；其中，
光源发出的入射光进入光偏振控制器，经过可控偏振分束器中的多芯耦合光纤输出，通过多芯光纤输出设备将多芯耦合光纤中的每一纤芯分离成对应数量的输出光纤，由光谱分析仪记录每根输出光纤对应的投射光谱变化；
通过控制光偏振控制器的偏振光角度，控制多芯耦合光纤中不同纤芯内部能量的分布。
6.根据权利要求5所述的偏振器检测系统，其特征在于：所述的光偏振控制器包括偏振片和半波片，由光源发出的入射光经过偏振片变成线偏光，再由半波片改变线偏光的角度。
7.根据权利要求5所述的偏振器检测系统，其特征在于：所述的光源与光偏振控制器之间通过单模光纤连接，光偏振控制器的输出端通过单模光纤与可控偏振分束器中多芯耦合光纤的一端熔接；可控偏振分束器中多芯耦合光纤的另一端与多芯光纤输出设备的输入端连接，多芯光纤输出设备输出的输出光纤均为单模光纤。
8.根据权利要求5所述的偏振器检测系统，其特征在于：所述的偏振光角度从0°增加到90°。
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