CN113009724A - 一种宽范围多波段热光开关及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围多波段热光开关及其制作方法，该方法利用大气压压力及毛细作用将液晶全填充到光子晶体光纤中，然后用光纤切割刀把全填充的光子晶体光纤和单模光纤端面切割平整放在光纤熔接机上，将单模光纤与液晶全填充的光子晶体光纤熔接在一起。然后将液晶填充光子晶体光纤放在高精度数显恒温加热台上，将其两端的单模光纤分别接在宽带光源和光谱仪上。在液晶清亮温度附近，液晶折射率会发生剧烈变化，进而引起光子带隙移动。在光子带隙和干涉共同作用下，透射光谱会发生剧烈移动，进而形成热光开关S1,S2,S3和S4四个主要热光开关。热光开关不仅具有高的消光比，宽的控制范围，还能同时控制两个通信窗口波段。

Description

一种宽范围多波段热光开关及其制作方法

技术领域

本发明涉及液晶全填充光子晶体光纤热光开关领域，具体是一种基于液晶全填充光子晶体光纤宽范围多波段热光开关及其制作方法。

背景技术

近十几年来，随着光子晶体光纤技术的发展，在通信、传感、检测和光学器件方面都有着非常重要的地位。光子晶体光纤可根据其导光机理分为两类：全内反射光子晶体光纤和带隙光子晶体光纤。全内反射导光的光子晶体光纤纤芯是实心的二氧化硅，包层有着周期排布的空气孔。可以往光子晶体光纤的这些孔状结构填充不同的功能性材料改变其传输特性。例如可以填充气体、液体和固体来改变其传输特性，并将其应用在光开关、光滤波器、旋转器等光学器件以及在温度和应力传感等领域。

液晶具有高的热光系数，且外界的温度对液晶的折射率有很大的影响，因此液晶的热光效应在热光开关领域也有广泛的应用。在2003年，T.Larsen等人报道了一种热光开关是通过将高折射率液晶(TM216)填充到实芯光子晶体光纤包层的气孔中，该器件通过0.4摄氏度的温度变化可以在974纳米处实现消光比为60分贝的开关效果。这是因为当温度从26.4摄氏度升高到26.9摄氏度时，手性近晶相液晶变为手性向列相，而手性向列相液晶具有强散射，从而会使所有的传输带隙消失了，进而可以在974纳米处实现光的开关效果。蓝相液晶和胆甾相液晶都可以在室温下稳定存在，并且通过控制温度可以实现两种相态的相互转换。此外，蓝相液晶具有较弱散射，胆甾相液晶具很强的散射。Chunhong Lee等人在2013年，利用液晶在蓝相和胆甾相具有不同散射，从而使该热光开关可以对1550纳米处的波长实现消光比为10分贝的开关效果。孙兵等人在2015年将向列相液晶E7填充到光子晶体光纤中，高折射率的液晶将实芯光子晶体光纤的导光机理从全内反射导光转为带隙导光。然后在液晶清亮温度附近，液晶从各向异性变为各向同性，液晶折射率会发生突然变化，从而会使光子液晶光纤的带隙发生巨大移动，进而可以产生宽范围的热光开关。在2016年，Xiaoqi Liu等人将液晶E7选择性填充到实芯光子晶体光纤中，温度的升高会引起液晶折射率改变，从而会引起光子带隙的移动和带隙的分裂，进而可以对1310纳米和1550纳米处的波长实现开关效果。但他们提出的热光开关不能同时对两个通信波段进行控制，而且开关的消光比并不是很高。

目前，这种宽范围多波段高消光比的热光开关还没有报道过，且能同时控制两个通信波段的热光开关更是有着重要的意义。因此，本发明利用单模光纤与液晶填充光子晶体光纤熔接制备了一种全光纤热光开关，有着宽范围、多波段、高消光比和同时控制两个通信波段等优点。这项发明对今后全光纤通信系统热光开关有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽范围多波段热光开关及其制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种宽范围多波段热光开关，包括液晶填充光子晶体光纤，液晶填充光子晶体光纤的两端分别连接有一个单模光纤的一端，其中一个单模光纤的另一端连接有宽带光源，另一个单模光纤的另一端接有光谱仪；

液晶填充光子晶体光纤放在加热台上，当加热台温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，透射光谱由“带阻”变为“带通”，从而形成宽范围多波段热光开关；

所述液晶填充光子晶体光纤的制备方法为：

步骤一，称取液晶放在试剂瓶中，并将盛有液晶的试剂瓶放在加热台上使白浊稠状的液晶加热变为清澈的液体；

步骤二，取10-15厘米长的光子晶体光纤将其两端清洁干净，将一端放在注射器里后密封，再将光子晶体光纤另一端浸没在步骤一中的试剂瓶中，然后将注射器抽为真空，使液晶在外界大气压压力和毛细作用下填充到光子晶体光纤中。

作为本发明的进一步方案，所述的加热台为高精度数显恒温加热台。

作为本发明的进一步方案，加热台放置在泡沫盒中。

作为本发明的进一步方案，步骤二中注射器与光子晶体光纤通过光学胶密封。

作为本发明的进一步方案，上述的一种宽范围多波段热光开关的制作方法，包括如下步骤：

第一步，制备液晶填充光子晶体光纤；

第二步，将第一步制备的液晶填充光子晶体光纤取适当长度并再将两端清洁，将清洁好的液晶填充光子晶体光纤两端与单模光纤熔接在一起；

第三步，将第二步熔接好的光纤一端接在宽带光源，另一端接在光谱仪上，将液晶填充光子晶体光纤放在加热台上，当加热台温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，透射光谱会从“带阻”变为“带通”，从而形成宽范围多波段热光开关。

作为本发明的进一步方案，所述液晶为向列相液晶E7。

作为本发明的进一步方案，第二步中熔接的液晶填充光子晶体光纤长度为1-10毫米；

作为本发明的进一步方案，当温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，热光开关可以形成开关S1,S2,S3和S4四个主要热光开关；

开关S1波长控制范围从1508纳米到1568纳米，有着60纳米的控制范围，且有着30分贝的消光比，覆盖了通信窗口的C波段，即1530纳米到1565纳米；

开关S2有着52纳米的控制范围从1265纳米到1317纳米，有着25分贝的消光比，与通新窗口O波段，即1260纳米到1360纳米几乎重合；

开关S3的控制范围从1101纳米到1137纳米，有着36纳米宽的控制范围，且有着23分贝的消光比；

开关S4有着31纳米的控制范围从975纳米到1006纳米，且有着18分贝的消光比。

本发明的有益效果：

在工作时，当高折射率的液晶E7全填充到实心光子晶体光纤时，其导光机理从全内反射导光变为带隙导光；单模光纤与液晶填充光子晶体光纤熔接时，液晶填充光子晶体光纤包层的空气孔在熔接端面会出现轻微的塌陷；因此，当光从单模光纤传输到液晶填充的光子晶体光纤时，单模光纤中的基模会衍射到熔接端面的包层中，这将会导致光同时在液晶填充的光子晶体光纤的纤芯和包层中传输；又因液晶填充的光子晶体光纤的纤芯和包层的折射率不同，这将会导致纤芯和包层的两束光的光程差不同，从而引起纤芯模式与包层模式之间发生干涉；所以，宽范围多波段热光开关的工作机理是带隙导光和纤芯模式与包层模式干涉共同作用；

本发明根据液晶E7在清亮温度附近会从各向异性变为各向同性，进而在清亮温度附近液晶折射率会发生剧烈变化，进而引起光子带隙产生移动。此外光从单模光纤进到液晶填充的光子晶体光纤中，会引起包层模式与纤芯模式的干涉。透射光谱在带隙移动与干涉共同作用下会发生剧烈的红移现象，进而可以形成宽范围多波段的热光开关；

本发明区别普通的热光开关，普通的热光开关控制波长范围小，低的消光比，温度改变大，不能同时作用在两个通信窗口，这些缺点限制了普通热光开关的应用。本发明液晶填充光子晶体的热光开关克服以上缺点。最高具有30分贝的的消光比，可以同时形成热光开关S1、S2、S3和S4，热光开关S1、S2、S3和S4的控制波长范围分别为60纳米、52纳米、36纳米和31纳米。此外，热光开关可以S1和S2分别可以控制通信窗口的C波段和O波段。因此，液晶填充光子晶体光纤的热光开关可以应用在全光纤通信系统中。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明中液晶填充光子晶体端面扫描电镜图；

图2是本发明所述宽范围多波段热光开关的连接结构示意图；

图3是本发明中液晶填充光子晶体光纤分别在60摄氏度和61摄氏度下的透射光谱图；

图4是本发明中液晶填充光子晶体光纤热光开关的透射光谱S1(a)，S2(b)，S3(c)，S4(d)。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种宽范围多波段热光开关及制作方法，包括以下步骤：

第一步，称取0.5-1克的液晶放在试剂瓶中，并将盛有液晶的试剂瓶放在加热台上使白浊稠状的液晶加热变为清澈的液体；

第二步，取10-15厘米长的光子晶体光纤将其两端清洁干净，其一端放在注射器中并用光学胶密封，然后将其另一端浸没在第一步中的试剂瓶中。然后将注射器抽为真空，此时液晶就会在外界大气压压力和毛细作用下填充到光子晶体光纤中；

第三步，将第二步填充好的光子晶体光纤取适当长度并再将其两端清洁，将清洁好的光子晶体光纤两端与单模光纤熔接在一起；

第四步，将第三步熔接好的光纤一端接在宽带光源，另一端接在光谱仪上，将填充液晶的光子晶体光纤放在高精度数显恒温加热台上，并将加热台放在两层泡沫盒中。当加热台温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，透射光谱会从原来“带阻”变为“带通”，因此就可以形成宽范围多波段热光开关；

第三步中熔接的液晶填充光子晶体光纤长度为1-10毫米。

光子晶体光纤是新南威尔士大学实验室自己拉制而成；

光子晶体光纤的直径约为130微米，纤芯直径为12微米；

光子晶体光纤空气孔的直径为7.9微米，孔间距为9.0微米；

当高折射率的液晶E7全填充到实心光子晶体光纤时，其导光机理从全内反射导光变为带隙导光。单模光纤与液晶填充光子晶体光纤熔接时，液晶填充光子晶体光纤包层的空气孔在熔接端面会出现轻微的塌陷；因此，当光从单模光纤传输到液晶填充的光子晶体光纤时，单模光纤中的基模会衍射到熔接端面的包层中，这将会导致光同时在液晶填充的光子晶体光纤的纤芯和包层中传输。又因液晶填充的光子晶体光纤的纤芯和包层的折射率不同，这将会导致纤芯和包层的两束光的光程差不同，从而引起纤芯模式与包层模式之间发生干涉。所以，宽范围多波段热光开关的工作机理是带隙导光和纤芯模式与包层模式干涉共同作用。

当温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，热光开关可以形成开关S1,S2,S3和S4四个主要热光开关。开关S1波长控制范围从1508纳米到1568纳米，有着60纳米的控制范围，且有着30分贝的消光比，覆盖了通信窗口的C波段(1530纳米到1565纳米)。开关S2有着52纳米的控制范围从1265纳米到1317纳米，有着25分贝的消光比，与通新窗口O波段(1260纳米到1360纳米)几乎重合。开关S3的控制范围从1101纳米到1137纳米，有着36纳米宽的控制范围，且有着23分贝的消光比。开关S4有着31纳米的控制范围从975纳米到1006纳米，且有着18分贝的消光比。

本发明中基于液晶填充光子晶体光纤温度传感器，选择光子晶体光纤，其端面结构如图1所示，由图1可知此光子晶体为全反射导光机理。当液晶E7全填充到此光子晶体光纤中其导光机理就从全反射变成带隙导光。

单模光纤与液晶全填充光子晶体光纤熔接步骤：

A、将单模光纤涂覆层剥掉并清洁干净，用切割刀将其端面切割整齐。

B、将光子晶体光纤涂覆层剥掉并清洁干净，用切割刀将其端面切割整齐。

C、将A、B中清洁干净的单模光纤与光子晶体光纤放在光纤熔接机上，将熔接机调为手动模式，先让单模光纤与光子晶体光纤轴向对准，然后在电场放电高温气化光子晶体的端面，大约气化长度为1毫米，最后，再次放电熔接，此时单模光纤与液晶填充光子晶体光纤就可以很好的熔接在一起。

D、按步骤C中的方法将单模光纤与液晶填充光子晶体光纤的另一端也熔接一起。然后将液晶填充光子晶体光纤放在高精度数显恒温加热台上做温度传感器，将其两端的单模光纤分别接在宽带光源和光谱仪上，如图2所示。

从图3中可以看到液晶填充的光子晶体光纤在60摄氏度的透射光谱中存在多个带隙。当温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，透射光谱会发生剧烈的红移现象。且液晶填充的光子晶体光纤的透射光谱在800纳米到1700纳米范围内相形成多个开关现象。我们把透射谱中形成的几个主要热光开关分别用S1、S2、S3和S4表示，并用虚线矩形表示每个开关控制的波长的范围。

图4中的每一个虚线矩形代表着每一个开关控制着的波长范围，并用S1、S2、S3和S4表示每一个热光开关。从图4(a)图中我们可以看到热光开关S1的波长控制范围是从1508纳米到1568纳米，有60纳米宽的波长控制范围，在整个控制范围内有着接近30分贝的消光比。热光开关S1中1550纳米处的波长用虚线表示，热光开关在波长为1550纳米处的消光比可以达到-27分贝。从图4(b)可以看到热光开关S2的操控波长范围是1265纳米到1317纳米，有着52纳米宽的波长控制范围，在整个波长控制范围内，热光开关S2都有着25分贝的消光比。用虚线表示热光开关S2中的1310纳米处的波长，热光开关在1310纳米的消光比为25分贝。从图4(c)中可以看到热光开关S3的控制范围从1101纳米到1137纳米，有36纳米宽的波长控制范围，在整个波长控制范围内都有,23分贝的消光比。从图4(d)可以看到热光开关S4的操控波长范围是975纳米到1006纳米，有着31纳米宽的波长控制范围，在整个控制波长范围内都有着18分贝的消光比。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种宽范围多波段热光开关，其特征在于：包括液晶填充光子晶体光纤，液晶填充光子晶体光纤的两端分别连接有一个单模光纤的一端，其中一个单模光纤的另一端连接有宽带光源，另一个单模光纤的另一端接有光谱仪；

液晶填充光子晶体光纤放在加热台上，当加热台温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，透射光谱由“带阻”变为“带通”，从而形成宽范围多波段热光开关。

2.根据权利要求1所述的一种宽范围多波段热光开关，其特征在于：所述液晶填充光子晶体光纤的制备方法为：

步骤一，称取液晶放在试剂瓶中，并将盛有液晶的试剂瓶放在加热台上使白浊稠状的液晶加热变为清澈的液体；

步骤二，取10-15厘米长的光子晶体光纤将其两端清洁干净，将一端放在注射器里后密封，再将光子晶体光纤另一端浸没在步骤一中的试剂瓶中，然后将注射器抽为真空，使液晶在外界大气压压力和毛细作用下填充到光子晶体光纤中。

3.根据权利要求2所述的一种宽范围多波段热光开关，其特征在于：步骤二中注射器与光子晶体光纤通过光学胶密封。

4.根据权利要求1所述的一种宽范围多波段热光开关，其特征在于：当温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，热光开关可以形成开关S1,S2,S3和S4四个主要热光开关；

开关S1波长控制范围从1508纳米到1568纳米，有着60纳米的控制范围，且有着30分贝的消光比，覆盖了通信窗口的C波段，即1530纳米到1565纳米；

开关S2有着52纳米的控制范围从1265纳米到1317纳米，有着25分贝的消光比，与通新窗口O波段，即1260纳米到1360纳米几乎重合；

开关S3的控制范围从1101纳米到1137纳米，有着36纳米宽的控制范围，且有着23分贝的消光比；

开关S4有着31纳米的控制范围从975纳米到1006纳米，且有着18分贝的消光比。

5.根据权利要求1所述的一种宽范围多波段热光开关的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，制备液晶填充光子晶体光纤；

第二步，将第一步制备的液晶填充光子晶体光纤取适当长度并再将两端清洁，将清洁好的液晶填充光子晶体光纤两端与单模光纤熔接在一起；

第三步，将第二步熔接好的光纤一端接在宽带光源，另一端接在光谱仪上，将液晶填充光子晶体光纤放在加热台上，当加热台温度从60摄氏度升高到61摄氏度时，透射光谱会从“带阻”变为“带通”，从而形成宽范围多波段热光开关。

6.根据权利要求5所述的一种宽范围多波段热光开关的制作方法，其特征在于：所述液晶为向列相液晶E7。

7.根据权利要求5所述的一种宽范围多波段热光开关的制作方法，其特征在于：第二步中熔接的液晶填充光子晶体光纤长度为1-10毫米。

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