CN110865471A - 一种纤维集成磁光开关及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种纤维集成磁光开关及其制作方法。所述的磁光开关包括依次相连的光源1、开关装置以及光电检测装置7。所述的开关装置包括填充有磁流体的毛细管5、封装在毛细管内的D型双芯光纤4、有耦合作用的光纤锥3以及磁场发生装置6。所述的D型光纤由双芯光纤抛磨至其中一根纤芯制成，在光纤锥的作用下，双芯光纤的两个纤芯构成马赫曾德干涉仪。当施加磁场时，磁流体的折射率发生改变，由于磁流体与D型光纤的一根纤芯靠近，因此磁流体折射率的变化会引起该纤芯有效折射率的变化，进而导致输出的光强发生改变，从而实现光开关的功能。本发明的磁光开关具有结构紧凑，响应快，成本低廉，稳定性好等优点，在光纤传感领域有重要应用。

Description

一种纤维集成磁光开关及其制作方法
(一)技术领域
本发明涉及一种纤维集成磁光开关及其制作方法，具体涉及一种基于磁流体填充的纤维集成磁光开关，属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
全光开关是全光网络中的光分插复用设备、光交叉连接和光路由器等关键设备的核心器件之一，其性能在一定程度上影响甚至决定着整个全光网络的性能。磁光开关作为一种新近研究的全光开关，其研究对全光网络的发展具有重要的学术价值和良好的应用前景。使用光纤制作成的全光纤调制器普遍具有结构简单、抗电磁干扰能力强、和与光纤通信系统具有良好的匹配性等优点，而通过对光纤结构进行优化设计，可以使全光纤调制器在插入损耗、消光比、光反射损耗等性能参数获得提升。目前，磁光开关及其集成的研究已经成为国内外全光网络和光无源器件的重要研究热点和关键技术难点。国内外许多大学、研究所和厂家竞相开展了磁光开关及其产品的研制。
磁流体是将包裹着表面活性剂的磁性纳米粒均匀稳定地分散在载液中形成的暗黑褐色胶体溶液。其具有磁光效应、磁致折变效应、磁致双折射效应等特性。不仅既具有液体的流动性，能够充分的渗透进微结构当中，还具有超顺磁性和磁化可逆性。磁光开关及其集成的研究已经成为国内外全光网络和光无源器件的重要研究热点和关键技术难点。
目前，较为成熟的磁光开关多以体型器件为主，采用磁光晶体作为核心部件，但其体积大，制作复杂，难以集成，且插入损耗大，难以适应现代全光纤系统。另外，磁光晶体的维尔德系数有限，实现一定的旋光角通常需要外加强磁场，限制了其在磁光器件中的应用。专利CN 101672985 A提出了一种基于法拉第旋光晶体的磁光开关，但其所使用透镜较多，结构较为复杂，集成度低。专利CN 208432822 U提出了一种反射式磁光开关，利用双折射晶体与磁性元件构成了隔离度较高的反射式磁光开关，但其较难与全光纤系统匹配。因而一种一体化、可集成的全光纤磁光开关就显得非常必要。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑，体积小，插入损耗低，稳定性好，无运动件且开关速度快的光纤开关。
本发明的另一目的在于提供一种纤维集成磁光开关的制作方法。
为达到上述目的，本发明采用的方案是：
基于磁流体填充的纤维集成磁光开关，包括依次相连的光源、开关装置以及光电检测装置。所述的开关装置包括填充有磁流体的毛细管、封装在毛细管内的D型双芯光纤、有耦合作用的光纤锥以及磁场发生装置。所述的D型光纤由双芯光纤抛磨至其中一根纤芯制成，随着抛磨剩余包层厚度变小，外界环境对纤芯有效折射率的影响逐渐加大，如图7所示，在光纤锥的作用下，双芯光纤的两个纤芯构成马赫曾德干涉仪。
磁流体在没有外磁场作用的情况下，其纳米颗粒随机分布在载液中，是一种可以长期保持均匀稳定分布状态的胶体溶液。在外磁场作用下，磁流体内部磁性粒子的沿着磁场方向团聚成链，形成有序排列的结构，引起溶液的介电常数不同。由磁流体的介电常数与折射率关系可知
Figure BDA0002252508760000023
介电常数不同会引起磁流体折射率改变。当撤去外磁场时，各向异性的磁流体就会恢复均一稳定的状态，这种没有磁滞现象的性质称为超顺磁性。
当对磁流体施加磁场时时，毛细管内磁流体的折射率发生变化，由于磁流体与D型光纤的一根纤芯靠近，因此磁流体折射率的变化会引起该纤芯有效折射率的变化，如图8所示，进而导致沿两个纤芯传输的光产生光程差，根据马赫曾德干涉理论，输出的光强发生改变，从而实现光开关的功能。
本发明的工作原理：
在对磁流体施加磁场的情况下，磁流体的折射率发生变化，由于D型双芯光纤被封装在毛细管内，所以磁流体折射率的变化会导致与之相近的纤芯的有效折射率的变化。
根据Mach-Zehnder干涉原理，输出光
Figure BDA0002252508760000021
其中，相位
Figure BDA0002252508760000022
两干涉光路的有效折射率差Δneff＝n1,eff-n2,eff。由上述公式可知，输出光的光强与两干涉光路的光强和相位有关。在两干涉臂长度和光强的一定的情况下，输出的光只与相位有关，即与两干涉臂的有效折射率差有关。
由于磁流体折射率的变化导致两个纤芯之间产生有效折射率差，因此导致输出光强的变化，通过控制施加的磁场可以灵活地控制开关功能。
根据上述发明构思和工作原理，本发明采用下述技术方案：
D型光纤通过使用光纤侧抛装置抛磨的方式制成，将双芯光纤放置在侧抛轮的下方，通过显微镜调整光纤方向，使侧抛轮与两个纤芯所在的平面互相垂直，一个纤芯靠近侧抛轮，另一个纤芯远离侧抛轮，在抛磨时通过显微镜实时观测剩余包层厚度，在抛磨至所需深度时停止机器。为了保证磁流体折射率的变化能对纤芯的有效折射率产生影响，剩余包层的厚度应小于5微米。将制作完成的D型光纤封装在毛细管内，毛细管内填充有磁流体。所使用的毛细管的长度应大于D型光纤的长度，使磁流体能完全覆盖双芯光纤的D型区域。
将双芯光纤两端分别与一段单模光纤焊接，并在焊点处通过熔融拉锥的方式制作光纤锥，使入射的光能够在第一个光纤锥处按比例耦合进双芯光纤的两个纤芯中，并在第二个光纤锥处进行干涉，输出的光通过光电检测装置接收，由此构成纤维集成磁光开关。
所使用的磁流体由磁性纳米颗粒构成，可以是水基磁流体也可以是油基磁流体。
所使用的双芯光纤可以是对称式的双芯光纤，也可以是非对称式的双芯光纤，如图6所示。两个纤芯的直径及折射率大小可以相同也可以不相同。为了避免沿两个纤芯传输的光相互耦合，两个纤芯的芯间距应大于10微米。
本发明相对现有技术具有如下的有益效果：
1.整个光纤开关集成在一根光纤中，具有插入损耗低、集成度高、串扰小、稳定性好等特点。
2.采用磁流体作为填充体，基于磁流体的磁光效应实现开关功能，具有开关速度快，无运动件的特点。
(四)附图说明
图1是基于磁流体填充的纤维集成电光开关的装置示意图
图2是1×1纤维集成磁光开关的结构示意图
图3是1×2纤维集成磁光开关的结构示意图
图4是填充磁流体的毛细管横截面示意图
图5是D型双芯光纤截面意图
图6是(a)非对称式双芯光纤截面示意图，(b)是对称式双芯光纤截面示意图
图7是剩余包层厚度对纤芯有效折射率的影响
图8是磁流体折射率对纤芯有效折射率的影响
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的纤维集成磁光开关的具体实施方式加以说明：
实施例1
如图1所示，一种1×1纤维集成磁光开关。
其装置如图1所示，包括光源1、入射端2-1、开关装置、磁场发生装置6、出射端2-2及检测装置7。开关装置结构如图2所示，包括入射单模光纤2-1、D型双芯光纤4、填充有磁流体的毛细管5、出射单模光纤2-2，以及光纤锥3-1、3-2，将D型光纤封装在毛细管5内。其特征是：双芯光纤可以是非对称式双芯光纤，如图6(a)所示，也可以是对称式双芯光纤，如图6(b)；所述D型光纤的截面如图5所示；所述的填充磁流体的毛细管如图4所示，毛细管的长度大于双芯光纤D型区域的长度，使D型区域能够完全封装在其中。
制作方法如下：首先利用光纤侧抛装置进行D型光纤的制作，将光纤放置在侧抛装置的夹具中，利用显微镜将光纤进行调整，使侧抛轮与两个纤芯所在的平面互相垂直，双芯光纤的一个纤芯靠近侧抛轮，另一个纤芯远离侧抛轮，在进行光纤抛磨时，利用显微镜进行监测，当剩余包层厚度达到所需时停止抛磨。随后将制作好的D型光纤插入毛细管内，利用毛细现象将磁流体填充到毛细管中，用胶体将两端封堵。之后利用熔接机将双芯光纤的一端与单模光纤焊接，并利用熔融拉锥装置在焊接处进行拉锥，在另一端通过监测装置对两个纤芯的分光比进行实时测量，当两个纤芯的分光比为1:1时停止拉锥；之后在双芯光纤的另一端同样焊接一根单模光纤，并在焊接处进行拉锥，在输出端通过光谱仪进行监测，当观测到明显的干涉谱时停止拉锥，至此，基于磁流体填充的1×1纤维集成光开关就制作完成了。
双芯光纤的两个纤芯作为马赫曾德干涉仪的两个干涉臂，在光纤锥3-2出进行干涉，控制沿单模光纤2-2输出光的光强。在对磁流体施加磁场的情况下，磁流体的折射率发生变化，与之相近的那根纤芯的有效折射率发生变化，如图8所示，由此导致两个纤芯产生光程差，在入射波长一定的情况下，根据干涉原理，输出光的光强发生变化，以此实现开关的功能。
实施例2
如图3所示，一种1×2纤维集成电光开关。
其结构同实施例1，区别在于输出光纤为一双芯光纤，其结构图如图3所示。

Claims (9)

1.一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于：包括依次相连的光源、开关装置以及光电检测装置。所述的开关装置包括填充有磁流体的毛细管、封装在毛细管内的D型双芯光纤、有耦合作用的光纤锥以及磁场发生装置。所述的D型光纤由双芯光纤抛磨至其中一根纤芯制成，在光纤锥的作用下，双芯光纤的两个纤芯构成马赫曾德干涉仪。当对毛细管内侧流体施加磁场时，磁流体的折射率发生变化。由于磁流体与D型光纤的一根纤芯靠近，因此磁流体折射率的变化会引起该纤芯有效折射率的变化，进而导致沿两个纤芯传输的光产生光程差，根据马赫曾德干涉理论，输出的光强发生改变，从而实现光开关的功能。
2.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述的双芯光纤可以是对称式的双芯光纤，也可以是非对称式的双芯光纤。
3.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述的双芯光纤两个纤芯的直径及折射率大小可以是相同的也可以是不相同的。
4.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述的双芯光纤的两个纤芯距离应大于10微米。
5.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述的D型光纤是通过侧面抛磨的方式制成，剩余的包层厚度小于5微米。
6.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述的光纤锥通过在单模光纤与双芯光纤焊接处熔融拉锥制成，是入射光可以按一定比例耦合进两个纤芯中。
7.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述的毛细管的长度大于双芯光纤D型区域的长度。
8.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述的磁流体可以是水基磁流体也可以使油基磁流体。
9.根据权利要求1所述的一种纤维集成磁光开关及其制作方法，其特征在于所述方法包括：D型光纤通过使用光纤侧抛装置抛磨的方式制成，将双芯光纤放置在侧抛轮的下方，通过显微镜调整光纤方向，使侧抛轮与两个纤芯所在的平面互相垂直，一个纤芯靠近侧抛轮，另一个纤芯远离侧抛轮，在抛磨时通过显微镜实时观测剩余包层厚度，在抛磨至所需深度时停止机器。将制作完成的D型光纤封装在毛细管内，毛细管内填充有磁流体。随后将双芯光纤两端分别与一段单模光纤焊接，并在焊点处通过熔融拉锥的方式制作光纤锥，使入射的光能够在第一个光纤锥处按比例耦合进双芯光纤的两个纤芯中，并在第二个光纤锥处进行干涉，输出的光通过光电检测装置接收，由此构成纤维集成磁光开关。
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