CN1595212A - 一种对偏振不敏感的可调长周期光纤光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对偏振不敏感的可调长周期光纤光栅，属光子技术领域。该光纤光栅包括上下一对机械光栅，其上设置加压装置，其内放置光纤构成，其特征在于，两机械光栅的栅齿对齐设置，光纤放置于一条垂直于栅齿的V形槽内。V形槽开设于上光栅或开设于下光栅，开口角为60度，其深度为应使光纤置于其中后两机械光栅之间保留一定的间隙，光纤在每对栅齿上从三点均匀受到径向力；或是V形槽开设于上下光栅同一重合位置，开口角为90度，其深度为应使光纤置于其中后两机械光栅之间保留一定的间隙，光纤在每对栅齿上从四点均匀受到径向力。本发明由于纤芯附近的应力分布具有良好的均匀性和对称性，从而使所形成的光纤光栅对入射光的偏振态不敏感。

Description

一种对偏振不敏感的可调长周期光纤光栅

                                技术领域

本发明涉及一种长周期光纤光栅，特别是一种利用机械应力诱导而产生的对偏振不敏感的可调长周期光纤光栅，属光子技术领域。

                                背景技术

光纤光栅是在光纤芯内产生周期性折射率调制或变化，从而造成光纤内传输的光波不同模式之间的相互耦合而形成的光纤器件。与其它类型的光纤器件相比，光纤光栅最大的特点是其对光的处理完全在光纤内部完成，而无需将光波耦合到光纤之外。光纤光栅为全光纤器件，具有体积小，重量轻，附加损耗低以及易于与光纤网络连接和集成等显著的优点。因而在光纤通信和光纤传感等领域受到普遍重视并得到广泛应用。

按照模式耦合的不同机理，可以将光纤光栅分为两大类：短周期光纤光栅即光纤布拉格光栅(简称FBG)和长周期光纤光栅(简称LPG)。FBG是前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为λB＝2n_effΛ(Λ为光栅周期，n_eff为纤芯等效折射率)。FBG为反射型光纤器件。LPG是前向传输的纤芯模式与同向的各阶次包层模之间的耦合。由于包层模的能量很快被消耗掉，因而LPG为透射型光纤器件，它对谐振波长的入射光产生损耗，形成带阻滤波功能。与FBG相比，LPG不会产生后向反射，在光路中不会对其它部分产生反馈。在作为光纤放大器的增益平坦器时无需使用光隔离器。FBG的周期一般为几百nm，而LPG的周期一般为几百μm。制作相对简单是LPG的另一优点。制作LPG的方法有多种。最常用的是采用与制作FBG类似的方法，即用UV激光在光敏光纤上周期性曝光使纤芯产生折射率调制而形成LPG(专利申请99121674.1)。随着LPG制作技术的不断发展，人们发明了使用CO2激光对光纤局部加热而使光纤内的残余应力释放或引起玻璃晶格结构产生缺陷和结构重组，从而产生折射率变化(专利申请00132037.8)。另外一种制作LPG的方法是在光纤包层单侧周期性地切割V型槽，然后再用氢气火焰将光纤加热。熔融玻璃受表面应力影响，纤芯产生周期性畸变，导致纤芯折射率周期性变化(专利申请00115738.8)。其它方法还有采用电弧加热使光纤产生周期性几何微弯引起折射率变化而形成光栅。上面所述的几种方法制成的光栅一经形成即不能再改变或调节。而对许多应用场合，如在光纤放大器的增益平坦和可变衰减等应用中，需要对LPG的特性进行必要的调节。为实现这样的目的，专利申请01112444.X发明了一种机械感生的长周期光纤光栅。将单模光纤压入一个刻划机械光栅和一垫板之间，当在机械光栅和垫板之间施加外力时，光纤会产生周期性微弯而形成光栅。调节所施加的外力的大小即可实现对光栅的调节。由于微弯只在一平面内形成，所以使所形成的光栅的特性与入射光的偏振方向有关。因此，该方法所构成的光栅的偏振依赖损耗(PDL)和偏振模色散(PMD)将非常明显。而对于许多应用来说，光纤器件过大的PDL和PMD是不能接受的。

                                发明内容

本发明的目的是提供一种利用机械应力诱导而产生的偏振不敏感的可调长周期光纤光栅。为达到以上目的，本发明利用光纤材料的光弹特性，由一对机械光栅对光纤施加径向应力，使其折射率沿轴向产生周期性调制而形成长周期光纤光栅。与已有方法的本质区别是本发明不是基于光纤微弯的原理，而是在光纤径向对称地施加应力，因而在光纤断面内所产生的折射率变化是对称的，最大程度地消除了与折射率变化各向异性有关的损耗和色散，如偏振依赖损耗和偏振模色散。

为实现对光纤对称施加应力以达到在光纤断面内折射率对称变化的目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：包括上下一对机械光栅，其上设置加压装置，其内放置光纤构成的对偏振不敏感可调长周期光纤光栅，其特征在于，两机械光栅的栅齿对齐设置，光纤放置于一条垂直于栅齿的V形槽内。

上述的V形槽开设于上光栅或开设于下光栅，V形槽的开口角为60度，其深度为应使光纤置于其中后两机械光栅之间保留一定的间隙，光纤在V形槽内的每对栅齿上从三点均匀受到径向力。

或是上述的V形槽开设于上下光栅同一重合位置，V形槽的开口角为90度，其深度为应使光纤置于其中后两机械光栅之间保留一定的间隙，光纤在V形槽内的每对栅齿上从四点均匀受到径向力。

在两个机械光栅上施加压力，与光纤接触的栅齿将该作用力传递到光纤上，在光纤内部产生周期性变化的应力，从而引起光纤纤芯和光纤包层折射率周期性变化，形成光纤光栅。由于光纤被置于V形槽内，在栅齿所在的光纤横断面内，栅齿将从三个或三个以上的方向将力作用到光纤上，使光纤断面内，特别是在纤芯附近的应力分布具有良好的均匀性和对称性，从而使所形成的光纤光栅对入射光的偏振态不敏感。

由此形成的光纤光栅与所用机械光栅具有相同的周期(A)。当在光纤内传输的光波长λ满足谐振条件 $\mathrm{\λ}=(n_{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{cl}}^i)\mathrm{\Λ}$ 时(其中n_co为纤芯对基模的有效折射率；n_cl ¹为第i阶包层模的有效折射率)，出现损耗最大值。由于高阶包层模的存在，在透射谱上可能出现多个损耗峰。改变施加在两个机械光栅上的压力，即可以控制光纤内应力大小，亦即改变了折射率调制的幅度，从而达到调节光纤光栅透射特性的目的。由机械应力诱导而产生的偏振不敏感的可调长周期光纤光栅可以作为光通信器件，如波分复用(WDM)系统中的滤波器，或是掺铒光纤放大器(EDFA)增益平坦器。此外还可用于光纤传感，如温度和应变等物理量的测量。

                                附图说明

附图1为实现本发明涉及的机械应力诱导而产生的对偏振不敏感的可调长周期光纤光栅的分体示意图。图1中，101，102为机械光栅；103为单模光纤；104，105为机械光栅的栅齿；106为V形槽；107为光纤纤芯；108为光纤包层。

附图2为下光栅开设角度为60度V形槽的本发明结构的垂直轴向的截面示意图。图2中，201，202为机械光栅的栅齿；203为光纤纤芯断面；204为光纤包层断面；205，206为施加在机械光栅上的压力；207，208，209为栅齿作用在光纤包层上的力。

附图3为上下光栅开设角度为90度V形槽的本发明结构的垂直轴向的截面示意图。图3中，301，302为机械光栅的栅齿；303为光纤纤芯；304为光纤包层；305，306为施加在机械光栅上的压力；307，308，309，310为栅齿作用在光纤包层上的力。

附图4为长周期光纤光栅的透射损耗光谱曲线。

                            具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，在两块表面平整的长为70mm宽为30mm厚度15mm的不锈钢表面用加工出间距为0.58mm，宽度为0.3mm的矩形槽，从而得到带有栅齿104和105的机械光栅101和102。栅齿104和105上下对齐。在机械光栅102上，沿栅齿垂直的方向，加工出一个角度为60度的V形槽，V形槽的深度由所用光纤的直径决定。对于标准单模光纤，其包层直径为125微米，外保护层直径为250微米。V形槽的深度要使光纤放入后，光纤应高于机械光栅表面，即在光纤置于其中后两机械光栅之间保留一定的间隙。将单模光纤103置于机械光栅102上的V形槽内，用机械光栅101压在单模光纤103上。机械光栅101的栅齿104与机械光栅102的栅齿105对齐。在机械光栅101和102上施加压力，以挤压单模光纤103。如附图2所示，由于V形槽的作用，被夹持的单模光纤103在栅齿所在的横截面内由三个互成120度的方向均匀受力。在该横截面内，特别是在纤芯203附近应力均匀分布，因而最大程度上消除了折射率在该横截面内的各向异性，使所形成的长周期光纤光栅的特性对入射光的偏振不敏感。附图4为由光谱仪测得的该长周期光纤光栅的透射损耗光谱曲线。

在本发明的另外一类似实施方式中，在机械光栅101和102上沿栅齿垂直的方向，加工出角度为90度的V形槽。两个V形槽上下对齐，单模光纤103置于两个V形槽之间，如附图3所示。在这种情况下，被夹持的单模光纤103在栅齿所在的横截面内受互成90度的四个力的作用。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (2)

1、一种对偏振不敏感的可调长周期光纤光栅，该光纤光栅包括上下一对机械光栅，其上设置加压装置，其内放置光纤构成，其特征在于：两机械光栅的栅齿对齐设置，光纤放置于一条垂直于栅齿的V形槽内。

2、按权利要求1所述的对偏振不敏感的可调长周期光纤光栅，其特征在于：V形槽开设于上光栅或开设于下光栅，V形槽的开口角为60度，其深度为应使光纤置于其中后两机械光栅之间保留一定的间隙，光纤在V形槽内的每对栅齿上从三点均匀受到径向力；或是V形槽开设于上下光栅同一重合位置，V形槽的开口角为90度，其深度为应使光纤置于其中后两机械光栅之间保留一定的间隙，光纤在V形槽内的每对栅齿上从四点均匀受到径向力。

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