CN112764164A - 光纤器件、制造方法及光纤内声致马赫曾德干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光纤器件、制造方法及光纤内声致马赫曾德干涉仪，光纤器件包括：单模光纤以及形成于单模光纤一段区域上的三明治结构，三明治结构用于产生声光效应；三明治结构包括与单模光纤同轴的第一声光作用区、第二声光作用区和干涉臂区，干涉臂区位于第一声光作用区和第二声光作用区之间；第一声光作用区与第二声光作用区的直径相等，第一声光作用区的直径小于单模光纤中包层的直径且大于单模光纤中纤芯的直径；干涉臂区的直径小于第一锥区的直径且大于单模光纤中纤芯的直径。实现使光纤内声致马赫曾德干涉仪的结构紧凑、调谐快速、性能稳定、易于制备并降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及光信息处理领域，更具体地，涉及一种光纤器件、制造方法及光纤内声致马赫曾德干涉仪。
背景技术
由于其与光纤系统极好的兼容性，良好的环境适应能力，低插损和多通道滤波特性，全光纤马赫曾德干涉仪已经被广泛应用到湿度、温度、应变、溶液浓度等传感和通信领域。
与双臂独立型全光纤马赫曾德干涉仪相比，紧凑的同轴单根光纤式马赫曾德干涉仪更加受到研究者们的关注。
到目前为止，多种方法已经被用来构建全光纤同轴马赫曾德干涉仪，包括模场失配熔接技术、由飞秒激光制备的倾斜光束分束法，级联光栅长度相等的或者不匹配的长周期光纤光栅，接入特种光纤的方法，基于微纳结构结合光纤内空气腔等。其中，光纤横向错位焊接技术不仅费时并且重复性较差，插损大。基于飞秒激光写入法构建的光纤内倾斜分束法光学器件都是分离的元件，这就要求精确的光路对准及较高的机械稳定性。基于级联长周期光纤光栅对具有较高的模式耦合效率，但是，制备一对相同的长周期光纤光栅通常是具有挑战性的。级联非对称长度的长周期光纤光栅对，可以部分消除上述对称长周期光纤光栅对制备上的难题，但是，基于温度、应力或手动偏振的改变带来的梳状滤波谱的调谐性，很难满足光谱快速响应的要求，特别是难以满足在光通信领域快速路由的需求。
考虑到声光效应具有快速调谐和宽的光谱响应范围的特征，基于声光作用在光纤中构建全光纤同轴马赫曾德干涉仪在近年来越来越引起人们的关注。一些好的想法被相继提出，包括声光可调谐滤波器和锥形熔融光纤的平行贴合，两段由刻蚀或者高温熔锥技术制备的凸形三明治结构等。尽管凸形三明治样品响应时间缩短到了370μs，但仍然显现出制备工艺上的繁琐，结构上的脆弱和尺寸上的庞大的不足。
发明内容
本发明的目的是提出一种光纤器件、制造方法及光纤内声致马赫曾德干涉仪，使光纤内声致马赫曾德干涉仪的结构紧凑、调谐快速、性能稳定、易于制备，降低了制造成本，由于其中心直径更小，质量更轻，其具有更加牢固耐用的特点。
第一方面，本发明提出了一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，包括：单模光纤以及形成于所述单模光纤一段区域上的三明治结构；
所述三明治结构包括与所述单模光纤同轴的第一声光作用区、第二声光作用区和干涉臂区，所述干涉臂区位于所述第一声光作用区和所述第二声光作用区之间；
所述第一声光作用区与所述第二声光作用区的直径相等，所述第一声光作用区的直径小于所述单模光纤中包层的直径且大于所述单模光纤中纤芯的直径；所述干涉臂区的直径小于所述第一声光作用区的直径且大于所述单模光纤中纤芯的直径；
所述第一声光作用区的一端与所述单模光纤之间形成第一锥形过渡区，所述第一声光作用区的另一端与所述干涉臂区的一端之间形成第二锥形过渡区，所述干涉臂区的另一端与所述第二声光作用区的一端之间形成第三锥形过渡区，所述第二声光作用区的另一端与所述单模光纤之间形成第四锥形过渡区。
第二方面，本发明提出一种第一方面所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，包括：
提供单模光纤，将所述单模光纤上一段预设区域的涂覆层去除，作为所述三明治结构的制备段；
通过刻蚀液刻蚀所述制备段，使所述制备段的直径减小至第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
再次通过所述刻蚀液刻蚀所述制备段的中间区域，使所述中间区域的直径减小至第二预设直径，所述第二预设直径小于所述第一预设直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
刻蚀完成后，所述制备段中直径为所述第二预设直径的部分为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
第三方面，本发明提出第二种第一方面所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，包括：
提供单模光纤，将所述单模光纤上一段预设区域的涂覆层去除，作为所述三明治结构的制备段；
通过刻蚀液刻蚀所述制备段，使所述制备段的直径减小至第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
通过氢氧焰高温熔融拉锥法将所述光纤制备段的中间区域拉制为双锥结构，所述双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，所述第二预设直径小于所述第一预设直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
所述制备段中直径为所述第二预设直径的区域为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一预设直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
第四方面，本发明提出另一种第一方面所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，包括：
提供单模光纤，通过氢氧焰高温熔融拉锥法将所述单模光纤上的预设区域拉制为第一双锥结构，所述第一双锥结构中间直径均匀区域的直径为第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
再次通过氢氧焰高温熔融拉锥法将所述第一双锥结构的中间区域拉制为第二双锥结构，所述第二双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，所述第二预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
拉制完成后，直径为所述第二预设直径的区域为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
第五方面，本发明提出第三种第一方面所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，包括：
提供单模光纤，通过氢氧焰高温熔融拉锥法在所述单模光纤上的预设区域内拉制出第一双锥结构和第二双锥结构，其中，所述第一双锥结构和所述第二双锥结构之间设有间隔区域，所述第一双锥结构和所述第二双锥结构中直径均匀区域的长度相同且及直径均为第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
通过刻蚀液刻蚀所述间隔区域，使所述间隔区域形成直径减小并形成第三双锥结构，所述第三双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，所述第二预设直径小于所述第一预设直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
刻蚀完成后，直径为所述第二预设直径的区域为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一预设直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
第六方面，本发明还提出一种光纤内声致马赫曾德干涉仪，包括第一方面所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件通过在单模光纤上形成第一声光作用区、干涉臂区和第二声光作用区，其中第一声光作用区与第二声光作用区的直径相等并且干涉臂区直径小于第一声光作用区和第二声光作用区的直径，形成了独特的同轴凹型三明治结构，与现有均匀直径分布的类三明治结构的马赫曾德全光纤器件相比，不再需要引入光纤布拉格光栅，降低了成本，并且得到的结构，仍然具有结构紧凑的特征，与基于凸形三明治结构的全光纤同轴马赫曾德干涉仪相比，因为本发明中干涉臂区的直径更小，因此在干涉臂区区域的纤芯模和包层模耦合的有效折射率差更大，有效的降低了干涉臂区的长度，得到的结构更加紧凑稳定，由于中心质量轻，所以在使用中更加牢固耐用。
2、本发明的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法通过湿法刻蚀方法、氢氧焰高温熔融拉锥法或者二者的结合制造全光纤器件，在制备过程中不需要传统的刻蚀液分层设计，即不需要二氯甲烷等有机溶剂的引入，仅需一种刻蚀液即可完成制备，一方面消除了配置复杂刻蚀液的繁琐流程，另一方面，节约了成本，有利于商业化批量生产。
3、本发明的光纤内声致马赫曾德干涉仪通过采用上述光纤器件，具有成本低，结构紧凑稳定的特点，还具有良好的频率和功率调谐特性。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明实施例1的一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例6的一种光纤内声致马赫曾德干涉仪的结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例6的一种光纤内声致马赫曾德干涉仪的透射谱图随着功率调谐性得到的具有调谐性的滤波光谱示意图。
图4示出了根据本发明实施例6的一种光纤内声致马赫曾德干涉仪的透射谱在声光可调谐滤波器工作在过耦合情况下的梳状滤波光谱示意图。
图5示出了根据本发明实施例6的一种光纤内声致马赫曾德干涉仪的梳状滤波谱线的频率调谐特性的示意图。
图6示出了根据本发明实施例6的一种光纤内声致马赫曾德干涉仪的梳状滤波谱线的频率调谐特性拟合曲线。
附图标记说明：
1-第一声光作用区，2-第二声光作用区，3-干涉臂区，4-入射光，5-透射光，6-铝制角锥，7-压电陶瓷圆片，8-基底，9-函数信号发生器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
图1示出了根据本发明实施例1的一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的结构示意图。
如图1所示，一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，包括：单模光纤以及形成于单模光纤一段区域上的三明治结构；
三明治结构包括与单模光纤同轴的第一声光作用区1、第二声光作用区2和干涉臂区3，干涉臂区3位于第一声光作用区1和第二声光作用区2之间；
第一声光作用区1与第二声光作用区2的直径相等，第一声光作用区1的直径小于单模光纤中包层的直径且大于单模光纤中纤芯的直径；
干涉臂区3的直径小于第一锥区的直径且大于单模光纤中纤芯的直径；
第一声光作用区1的一端与单模光纤之间形成第一锥形过渡区，第一声光作用区1的另一端与干涉臂区3的一端之间形成第二锥形过渡区，干涉臂区3的另一端与第二声光作用区2的一端之间形成第三锥形过渡区，第二声光作用区2的另一端与单模光纤之间形成第四锥形过渡区。
具体地，参考图1，本实施例的光纤器件为“凹型三明治结构”，该结构中位于左侧直径较小的锥区为第一声光作用区1，位于右侧直径较小的锥区为第二声光作用区2，位于中间直径最小的区域为干涉臂区3，用于产生相位差，形成马赫曾德干涉仪。第一声光作用区1和第二声光作用区2的直径相等，且大于中间干涉臂区3区域的光纤直径。本光纤器件产生马赫曾德干涉现象的原理为：
当声波沿着光纤从第一声光作用区1向着第二声光作用区2传输时，在整个三明治结构上都会产生声致光栅。
由于三明治结构中包含直径较小干涉臂区3形成的中间间隔区域，且声波的波矢在第一声光作用区1和第二声光作用区2能够实现纤芯模和包层模之间的波矢匹配时，在直径较小的干涉臂区3是无法实现波矢匹配的，因此直径较小的干涉臂区3可以起到间隔区域的作用，用来形成梳状滤波谱线需要的光程差。
显而易见，在第一声光作用区1和第二声光作用区2，二者具有相等的直径分布，在固定的射频信号驱动下，第一声光作用区1和第二声光作用区2将获得相同的谐振波长。在单模光纤中，前向传输的声弯曲波将会引起前向传输的纤芯能量和同向包层能量之间转换，这两个区域能够起到马赫曾德干涉仪中模式转化器的功能。为了得到马赫曾德干涉仪，需要解决的问题是同向传输的纤芯模和包层模在直径较小的干涉臂区3不发生能量转化。因此，形成的直径最小的干涉臂区3需要起到马赫曾德干涉仪中干涉臂的作用，由于纤芯模式和包层模式的有效折射率差异将会导致在该部分传输的光波产生光程差。根据相位匹配条件，由于刻蚀后得到的不同直径部分纤芯模和包层模的有效折射率差不同且直径较小的部分纤芯模和包层模的有效折射率差更大，因此，即使声弯曲波在整个“凹型三明治结构”上传输，但是，在直径较大的第一声光作用区1和第二声光作用区2能够满足相位匹配条件的声波，在干涉臂区3是不满足共振光的相位匹配条件的，因此，直径最小的中间区域可以起到干涉臂的作用。
本实施例中，第一声光作用区1、第二声光作用和干涉臂区3的长度之和为7-25cm，优选为16cm；第一声光作用区1的长度为2-8cm，优选为5cm，干涉臂区3的长度为2-7cm，优选为6cm。第一声光作用区1的直径范围为43-47μm，优选为45μm，干涉臂区3的直径范围为22-26μm，优选为24μm。
参考以下实施例2-5，实施例1中的光纤器件的三明治结构可以通过湿法刻蚀方法(刻蚀液优选为氢氟酸)、氢氧焰高温熔融拉锥法或者二者的结合制得。
实施例2
一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，用于制作上述事实1的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，方法包括：
步骤S101：提供单模光纤，将单模光纤上一段预设区域的涂覆层去除，作为三明治结构的制备段；
在一个具体应用场景中，采用单模光纤制作光纤器件，单模光纤的纤芯直径很小，仅为8～10μm，纤芯外层为包层，包层外为涂覆层。制备之前将单模光纤的涂覆层剥离一部分作为三明治结构的制备段，涂覆层剥离区域的单模光纤只剩下内层的光纤纤芯和外层的包层。
步骤S102：通过刻蚀液刻蚀制备段，使制备段的直径减小至第一预设直径，第一预设直径小于单模光纤的包层直径且大于单模光纤的纤芯直径；
在上述具体应用场景中，基于湿法刻蚀，利用刻蚀液将剥离掉涂覆层的光纤制备段整体浸入刻蚀液中，使其直径减小到合适的直径，以便在较低的驱动功率下能够实现光纤模式的高效率转化；
步骤S103：再次通过刻蚀液刻蚀制备段的中间区域，使中间区域的直径减小至第二预设直径，第二预设直径小于第一预设直径且大于单模光纤的纤芯直径；刻蚀完成后，制备段中直径为第二预设直径的部分为干涉臂区3，干涉臂区3两侧直径为第一直径的区域分别为第一声光作用区1和第二声光作用区2。
在上述具体应用场景中，接着将已经被刻蚀的制备段的两端在刻蚀液中向上提拉一段距离，使中间区域仍然浸泡在刻蚀液中的部分被继续刻蚀到更细的直径后取出。经过刻蚀液二次刻蚀的部分，也就是中间刻蚀区域的直径将会进一步降低，该部分称为马赫曾德干涉仪中的干涉臂，经过首次刻蚀过且被提拉出刻蚀液中的部分被称为第一声光作用区1和第二声光作用区2。
此步骤还有另外一种刻蚀方法，经过刻蚀液首次刻蚀得到一段直径降低的单模光纤后，将该光纤制备段整体从刻蚀液中取出，然后将该制备段的中间部分向下再次插入刻蚀液中一段距离进行二次刻蚀到更细的直径后取出。再次在刻蚀液中被刻蚀的部分对应的直径更小，被称为马赫曾德干涉仪中的干涉臂，被一次刻蚀过的但是直径相对较大的部分被称为第一声光作用区1和第二声光作用区2。
实施例3
一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，用于制作上述事实1的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，方法包括：
步骤S201：提供单模光纤，将单模光纤上一段预设区域的涂覆层去除，作为三明治结构的制备段；
步骤S202：通过刻蚀液刻蚀制备段，使制备段的直径减小至第一预设直径，第一预设直径小于单模光纤的包层直径且大于单模光纤的纤芯直径；
步骤S203：通过氢氧焰高温熔融拉锥法将光纤制备段的中间区域拉制为双锥结构，双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，第二预设直径小于第一预设直径且大于单模光纤的纤芯直径；制备段中直径为第二预设直径的区域为干涉臂区3，干涉臂区3两侧直径为第一预设直径的区域分别为第一声光作用区1和第二声光作用区2。
本实施例与实施例2的区域在于：经过刻蚀液刻蚀得到一段直径降低的单模光纤，然后，将光纤制备段的中间区域中的一部分在氢氧焰下高温熔锥处理，锥区直径均匀部分被称为干涉臂，锥区的左右两侧直径均匀区域被称为第一声光作用区1和第二声光作用区2。通过控制锥区在刻蚀光纤上的相对位置，既可以制备对称的声光作用区，也可以方便的制备不匹配的两端声光作用区，具有较大的灵活性，丰富了该结构的应用。
实施例4
一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，用于制作上述事实1的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，方法包括：
步骤S301：提供单模光纤，通过氢氧焰高温熔融拉锥法将单模光纤上的预设区域拉制为第一双锥结构，第一双锥结构中间直径均匀区域的直径为第一预设直径，第一预设直径小于单模光纤的包层直径且大于单模光纤的纤芯直径；
步骤S302：再次通过氢氧焰高温熔融拉锥法将第一双锥结构的中间区域拉制为第二双锥结构，第二双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，第二预设直径小于单模光纤的包层直径且大于单模光纤的纤芯直径；
拉制完成后，直径为第二预设直径的区域为干涉臂区3，干涉臂区3两侧直径为第一直径的区域分别为第一声光作用区1和第二声光作用区2。
本实施例与实施例2、3的区别在于：完全通过氢氧焰高温熔拉锥法进行两次拉锥，获得三段锥区，其中，从左到右的锥区分别被称为第一声光作用区1、干涉臂和第二声光作用区2。需要注意的是，第一声光作用区1和第二声光作用区2的直径相等，且大于中间锥区的直径，以便形成凹型三明治结构。
实施例5
一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，用于制作上述事实1的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，方法包括：
步骤S401：提供单模光纤，通过氢氧焰高温熔融拉锥法在单模光纤上的预设区域内拉制出第一锥区双锥结构和第二双锥结构锥区，其中，第一双锥结构锥区和第二双锥结构锥区之间设有间隔区域，第一双锥结构锥区和第二双锥结构锥区中直径均匀区域的长度相同且及直径均为第一预设直径相等，第一锥区的预设直径小于单模光纤的包层直径且大于单模光纤的纤芯直径；
步骤S402：通过刻蚀液刻蚀间隔区域，使间隔区域形成直径为第二预设直径的第三锥区直径减小并形成第三双锥结构，第三双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，第二预设直径小于第一预设直径且大于单模光纤的纤芯直径；
刻蚀完成后，直径为第二预设直径的区域第三锥区为干涉臂区3，第一锥区和第二锥区干涉臂区3两侧直径为第一预设直径的区域分别为第一声光作用区1和第二声光作用区2。
本实施例与实施例2、3、4的区别在于：基于氢氧焰高温熔融拉锥法，通过合理的拉锥程序设计得到两段不连续的锥区分布，然后将两段锥区的中间部分，浸泡在刻蚀液中，得到直径较两侧区域小的干涉臂部分，同样也可以制备出凹型三明治结构。
基于上述实施例2-5的光纤器件制造方法，可以看出本发明的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，在制备过程中不需要传统的刻蚀液分层设计，即不需要二氯甲烷等有机溶剂的引入，仅需一种刻蚀液即可完成制备，一方面消除了配置复杂刻蚀液的繁琐流程，另一方面，节约了成本，有利于商业化批量生产。
实施例6
如图2所示，一种光纤内声致马赫曾德干涉仪，包括上述实施例1的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件。
本实施例中，装置还包括：铝制角锥6、压电陶瓷圆片7、基底8和函数信号发生器9；
压电陶瓷圆片7设置于基底8上，铝制角锥6设置于压电陶瓷圆片上，压电陶瓷圆片7与函数信号发生器9连接；
单模光纤靠近第一声光作用区1的一端为光输入端，用于连接宽带光源输出装置；
单模光纤靠近第二声光作用区2的一端为光输出端，用于连接光谱分析仪；宽带光源输出装置与光谱分析仪用于测试，在实际使用之中不作为必需器件；
铝制角锥6的尖端与第一锥形过渡区的预设位置通过紫外固化胶粘接；
所述函数信号发生器9用于产生正弦电信号，所述压电陶瓷圆片7用于将所述正弦电信号转化为正弦声波信号，所述铝制角锥6用于将所述正弦声波信号放大并导入所述光纤器件。
还包括偏振控制器，偏振控制器与光输入端连接，用于调制输入光的偏振状态。
在一个具体应用示例中，光纤器件采用实施例2的方法制备获得，使用商用单模光纤制备，为了增加声光效应，长度约16cm的被剥掉涂覆层的单模光纤被浸入刻蚀液中，等到光纤的直径被腐蚀降低到45μm时，向上提伸光纤5cm，直到二次刻蚀得到直径较小部分为24μm为止。其中，全部的刻蚀区域长度约16cm，第一声光作用区1的长度和第二声光作用区2的长度相等为5cm，干涉臂长度约6cm。
参考图2，铝制角锥6的尖端与第一声光作用区1靠近光输入端的锥形过渡区的适当位置预对准，并通过光学胶粘接固定。在超声换能器(压电陶瓷圆片7)和超声角锥(铝制角锥6)的作用下，声波将沿着刻蚀后的光纤传输形成声光光栅。宽带光源的输出的入射光4射入凹型三明治结构的光纤器件中传输，同时，透射光5被接入光谱分析仪用来探测梳状滤波光谱的变化过程。由于声弯曲波沿着光纤传输时，在光纤横截面上引起的折射率调制是有方向性的，因此，光路中需要在声致马赫曾德干涉仪的光路中还需要连接一个偏振控制器(未示出)。输出正弦信号的函数信号发生器9被连接到压电陶瓷圆片7上以便产生声弯曲波，声弯曲波经由喇叭形状的角锥放大后沿着凹型三明治结构分布的光纤传输。声光结构末端的透射谱用光谱分析仪进行实时监测。即本发明提出的马赫曾德干涉仪是透射结构。
在具体干涉实验过程中，如图3所示，当射频信号的频率等于934kHz，有效声光作用区的直径为45μm时，对应的等效声波长为660μm，同时调整偏振控制器的状态，可以观察到随着驱动功率的增加，马赫曾德干涉仪的插损和通道隔离度都在明显的增加。当射频源的功率依次设置为3.0dBm、9.0dBm、11.0dBm、13.0dBm、15.0dBm时，赫曾德干涉仪透射谱的通道隔离度相应的被调谐为-0.6dB、-1.1dB、-1.9dB、-3.3dB、-5.1dB。
如图4所示，当射频源的功率为15.0dBm时，马赫曾德干涉仪对应的插损最大。随着射频源驱动功率的进一步增大导致声光可调谐滤波器工作在过耦合状态，比如在22.0dBm的驱动功率作用下，梳状滤波透射谱的对比度得到了显著的改善。
同时，如图5所示，基于相位匹配优化提出的光纤内声致马赫曾德干涉仪还具有良好的频率和功率调谐特性。随着函数信号发生器9的频率从934kHz变化到974kHz，频率增量为20kHz，透射谱发生明显的蓝移，这与声光调谐随着频率的变化方向是一致的。
如图6所示，经过对梳状滤波谱线中心波长的峰位进行线性拟合得到调谐斜率为-1.52nm/kHz。
因此，本发明的光纤内声致马赫曾德干涉仪通过采用具有“凹型三明治结构”的光纤器件，具有成本低，结构紧凑稳定的特点，还具有良好的频率和功率调谐特性。由于中心干涉臂部分的直径细，质量轻，在使用中具有牢固耐用的特点。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，其特征在于，包括：单模光纤以及形成于所述单模光纤一段区域上的三明治结构；
所述三明治结构包括与所述单模光纤同轴的第一声光作用区、第二声光作用区和干涉臂区，所述干涉臂区位于所述第一声光作用区和所述第二声光作用区之间；
所述第一声光作用区与所述第二声光作用区的直径相等，所述第一声光作用区的直径小于所述单模光纤中包层的直径且大于所述单模光纤中纤芯的直径；所述干涉臂区的直径小于所述第一声光作用区的直径且大于所述单模光纤中纤芯的直径；
所述第一声光作用区的一端与所述单模光纤之间形成第一锥形过渡区，所述第一声光作用区的另一端与所述干涉臂区的一端之间形成第二锥形过渡区，所述干涉臂区的另一端与所述第二声光作用区的一端之间形成第三锥形过渡区，所述第二声光作用区的另一端与所述单模光纤之间形成第四锥形过渡区。
2.根据权利要求1所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，其特征在于，所述第一声光作用区、所述第二声光作用和所述干涉臂区的长度之和为7-25cm；所述第一声光作用区的长度为2-8cm，所述干涉臂区的长度为3-9cm。
3.根据权利要求1所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件，其特征在于，所述第一声光作用区的直径范围为43-47μm，所述干涉臂区的直径范围为22-26μm。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供单模光纤，将所述单模光纤上一段预设区域的涂覆层去除，作为所述三明治结构的制备段；
通过刻蚀液刻蚀所述制备段，使所述制备段的直径减小至第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
再次通过所述刻蚀液刻蚀所述制备段的中间区域，使所述中间区域的直径减小至第二预设直径，所述第二预设直径小于所述第一预设直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
刻蚀完成后，所述制备段中直径为所述第二预设直径的部分为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
5.一种如权利要求1-3任意一项所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供单模光纤，将所述单模光纤上一段预设区域的涂覆层去除，作为所述三明治结构的制备段；
通过刻蚀液刻蚀所述制备段，使所述制备段的直径减小至第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
通过氢氧焰高温熔融拉锥法将所述光纤制备段的中间区域拉制为为双锥结构，所述双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，所述第二预设直径小于所述第一预设直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
所述制备段中直径为所述第二预设直径的区域为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一预设直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
6.一种如权利要求1-3任意一项所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供单模光纤，通过氢氧焰高温熔融拉锥法将所述单模光纤上的预设区域拉制为第一双锥结构，所述第一双锥结构中间直径均匀区域的直径为第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
再次通过氢氧焰高温熔融拉锥法将所述第一双锥结构的中间区域拉制为第二双锥结构，所述第二双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，所述第二预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
拉制完成后，直径为所述第二预设直径的区域为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
7.一种如权利要求1-3任意一项所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供单模光纤，通过氢氧焰高温熔融拉锥法在所述单模光纤上的预设区域内拉制出第一双锥结构和第二双锥结构，其中，所述第一双锥结构和所述第二双锥结构之间设有间隔区域，所述第一双锥结构和所述第二双锥结构中直径均匀区域的长度相同且及直径均为第一预设直径，所述第一预设直径小于所述单模光纤的包层直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
通过刻蚀液刻蚀所述间隔区域，使所述间隔区域形成直径减小并形成第三双锥结构，所述第三双锥结构中间直径均匀区域的直径为第二预设直径，所述第二预设直径小于所述第一预设直径且大于所述单模光纤的纤芯直径；
刻蚀完成后，直径为所述第二预设直径的区域为所述干涉臂区，所述干涉臂区两侧直径为所述第一预设直径的区域分别为所述第一声光作用区和所述第二声光作用区。
8.一种光纤内声致马赫曾德干涉仪，其特征在于，包括权力要求1-3任意一项所述的应用于光纤内声致马赫曾德干涉仪的光纤器件。
9.根据权利要求8所述的光纤内声致马赫曾德干涉仪，其特征在于，还包括：铝制角锥、压电陶瓷圆片、基底和函数信号发生器；
所述压电陶瓷圆片设置于所述基底上，所述铝制角锥设置于所述压电陶瓷圆片上，所述压电陶瓷圆片与所述函数信号发生器连接；
所述单模光纤靠近所述第一声光作用区的一端为光输入端，用于连接宽带光源输出装置；
所述单模光纤靠近所述第二声光作用区的一端为光输出端，用于连接光谱分析仪；
所述铝制角锥的尖端与所述第一锥形过渡区的预设位置通过光学紫外固化胶粘接；
所述函数信号发生器用于产生正弦电信号，所述压电陶瓷圆片用于将所述正弦电信号转化为正弦声波信号，所述铝制角锥用于将所述正弦声波信号放大并导入所述光纤器件。
10.根据权利要求9所述的光纤内声致马赫曾德干涉仪，其特征在于，还包括偏振控制器，所述偏振控制器与所述光输入端连接，用于调制输入光的偏振状态。
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| CN202110119552.4A CN112764164A (zh) | 2021-01-28 | 2021-01-28 | 光纤器件、制造方法及光纤内声致马赫曾德干涉仪 |
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