CN203838367U - 超声光纤光栅全光纤衰减器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超声光纤光栅全光纤衰减器，包括超声信号发生器、超声换能器、光纤绕盘、超声吸收器，将光纤系统中的一段自由光纤绕设光纤绕盘上，将超声换能器放置于光纤输入或输出端，超声吸收器放置于光纤的另一端，并将超声信号发生器与超声换能器相连接，通过调节超声信号发生器的输出频率和幅度，以改变光纤芯径中传导模式的衰减幅度。本实用新型在不切断光纤光路的情况下可以实现对光纤中光功率的衰减，保持衰减段光路的连续性，不引入附件的插入损耗和反射散射，光功率的衰减幅度可以调节，可以进行光功率的时变动态衰减，结构简单，稳定性较高，方便植入已有的光纤和光电子系统中。

Description

超声光纤光栅全光纤衰减器

技术领域

本实用新型涉及一种全光纤衰减器，尤其涉及通过超声长周期光纤光栅形成的全光纤衰减器。

背景技术

随着光电子技术和光纤技术的发展，各种光电子系统不断进入工业和生活的应用领域中。在一些光纤光电子系统中，我们经常希望能够调节光纤中的光功率大小。而调节光功率的大小现有技术中多通过光衰减器实现。使用时，将光路切断，在其中插入一个光衰减器件来实现光功率衰减的目的。传统的光衰减器有声光衰减器，比如光纤脉冲激光器中常用的Q开关；还有电光衰减器 、磁光衰减器、机械滑动的光衰减片、气泡光衰减器、半导体光衰减器等。这些光衰减器各有特点，但是它们共同的缺点是都需要将光路切断，然后插入该光衰减器，这样会导致在插入光衰减器后光路产生不连续性。这种不连续性带来的后果是：（1）背向反射和无方向散射增强；（2）插入光损耗增加；（3）通常前后耦合处需要光准直器，加大了光器件的复杂度，降低了其稳定性。

因此如果光电系统中能够有一种不需要切断光纤就能够直接对其中的光功率进行衰减的方法和装置，将会对系统的调试、运行和维护起到积极的作用。申请号为201310140650.1、名称为“超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器”公开了一种超声诱导长周期光纤光栅，其包括锯齿形金属板、压电陶瓷、射频电源等，当压电陶瓷通入直流电时，电致伸缩效应使得锯齿形金属板产生位移挤压光纤，在光纤中形成周期性的微弯成为长周期光纤光栅。即该申请中，光纤光栅是用两组齿状结构在超声的作用下从侧向机械挤压光纤，从而使得光纤发生周期性的形变而形成的。由于是机械齿状结构，致使光纤光栅的周期不可能太短，而且机械齿状结构会导致光纤的微损伤，长期可靠性和耐久性下降；同时，它的光纤光栅周期不可改变，且其光纤在不加超声的状态下，由于齿状结构对光纤的侧向压力，仍然会产生光损耗。

发明内容

本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种在不切断光纤光路的情况下可以实现对光纤中光功率的衰减且保持衰减段光路的连续性的超声光纤光栅全光纤衰减器。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种超声光纤光栅全光纤衰减器，它包括超声信号发生器、超声换能器、光纤绕盘、超声吸收器，所述的光纤绕盘用于将一定长度的光纤绕设在其上，所述的超声换能器放置于所述的光纤输入或输出端，所述的超声吸收器放置于所述的光纤的另一端，所述的超声信号发生器与所述的超声换能器相连接，通过调节所述的超声信号发生器的输出频率和幅度，以改变光纤芯径中传导模式的衰减幅度。

优化地，所述的超声换能器和超声吸收器均开设有凹槽，所述的光纤穿设在相应所述的凹槽中。

优化地，所述的超声信号发生器的输出频率为200～2000kHz，所述的超声信号发生器的输出电流幅度为0～2A。

优化地，所述的光纤绕盘的直径为3cm～8cm。

优化地，所述的光纤绕盘采用聚合物特氟龙材料制成。所述的超声换能器和超声吸收器采用磁致伸缩材料制成。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型在不切断光纤光路的情况下可以实现对光纤中光功率的衰减，保持衰减段光路的连续性，不引入附件的插入损耗和反射散射，光功率的衰减幅度可以调节，可以进行光功率的时变动态衰减，结构简单，稳定性较高，方便植入已有的光纤和光电子系统中。

附图说明

附图1为超声光纤光栅的全光纤衰减器结构示意图；

图2为本实用新型光纤在线的可变光功率衰减方法的结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例中光损耗与声波频率和强度的曲线示意图；

其中，1、超声换能器；2、超声信号发生器；3、光纤绕盘；4、光纤；5、超声吸收器；6、光纤应用系统；A、超声信号发生器输出强度为30mA；B、超声信号发生器输出强度为20mA。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1所示的超声光纤光栅全光纤衰减器，其包括超声波信号发生器2、超声换能器1、超声吸收器5以及光纤绕盘3。其中，光纤绕盘3采用有机聚合物特氟龙材料制作而成，其外周绕设有光纤4，光纤4的一端设置超声换能器1，另一端设置超声吸收器5。本实施例中，超声换能器4以及超声吸收器5由磁致伸缩材料制成，两者本体上分别开设有凹槽，光纤的两端分别穿设在凹槽中，并通过凝胶固定。超声波信号发生器2与超声换能器1相连接，用于产生超声信号。

图2给出了采用本发明光纤衰减器进行在线光纤光功率衰减的方法示意，光纤衰减器用于实际的光纤应用统6中，在实际光纤应用系统中抽出需要施加光衰减的一段自由光纤，将需要发生损耗的光纤4取出，绕在光纤绕盘3上。绕制松紧适度，不要太紧，保持5-10克左右的张力即可，确保光纤在其上稳定地附着。然后将光纤绕盘3上光纤的一端置于超声换能器1的凹槽内，用凝胶进行临时固定。再将光纤绕盘3上光纤的另一端置于超声吸收器5的凹槽内，用凝胶进行临时固定。最后将超声换能器1与超声信号发生器2连接即可。在系统工作时，调节超声信号发生器2的输出和幅度，根据所产生的光损耗大小，直到满足要求。本发明中，超声信号发生器的输出频率范围在200～2000kHz，超声信号发生器的输出电流幅度为0～2A。

上述对本发明超声光纤光栅衰减器的构成及在线使用方法进行了介绍，下面对其工作原理进行说明：

我们知道，光纤是一种用于光传输的横截面具有圆对称性的折射率波导。在线偏振近似下，其低阶传导模式分别是：LP01（基模）、LP11（一阶模）、LP02（二阶模），然后是指数更高的高阶模、和辐射模。在没有耦合的情况下，各阶模式是独立传播的。当施加一个周期性的微扰，并满足一定的条件的时候，可以促使不同的模式之间发生相互耦合。在本发明中，我们给出的微扰是由超声波引起的沿光纤长度方向的材质的疏密周期性变化，这种变化转换为折射率的周期性变化。它形成了一个沿光纤长度方向的长周期光纤光栅。当这个光纤光栅的传播常数等于两个模式之间的传播常数差时，这两个光纤模式就会在该光纤光栅的微扰作用下发生耦合。从量子力学的观点来看，这是一个两个光子和一个声子的相互作用过程。转换前的第一模式的光是第一个光子，转换之后的第二模式的光是第二个光子，长周期光纤光栅是声子。在声子的作用下，第一个光子转化为第二个光子，整个相互作用过程的能量和动量均守恒。在通常的光纤系统中，如果采用的是单模光纤，那么传导模为基模；如果采用的是多模少模光纤，那么传导模式是模阶数较低的几个模式。高阶模在这样的光纤中是不稳定的和损耗的，更高的辐射模会发生更大的单位长度损耗。同时，当光纤绕制在绕盘上的时候，光纤对高阶模的损耗可以增加，绕盘的直径越小，高阶模的附加损耗就越大。但是直径不能小到引起基模发生损耗或光纤出现机械损伤的程度。所以最佳直径是基模处于接近临界损耗的状态。本发明的目的就是通过调节超声的频率和幅度，使得光纤中的传导模式以一定的强度耦合到高阶模和辐射模，从而形成光功率损耗，实现光衰减的目的。改变超声的频率，可以改变光纤光栅的周期，也相当于改变声子的频率；改变超声的强度，可以改变光纤光栅的调制深度，也相当于改变声子的数量。通过调节超声的频率和幅度我们就能够得到幅度可调节的光衰减，通过动态实时地改变超声频率和幅度，我们就能够得到动态的光衰减。

图3给出了一个光损耗随超声信号频率变化的曲线。超声信号发生器的频率在800～950kHz范围内调节，波形为正弦波，由图可以看出，当频率在880kHz左右时，光纤光损耗最大。在同样的频率下，超声信号发生器的输出电流强度越大，光损耗越大，如图中标注A、B两条曲线，A代表超声信号发生器输出电流强度为30 mA，B代表超声信号发生器输出电流强度为20mA。

上述对本发明原理进行了详细的说明，可以看出，其相对于现有“超声诱导长周期光纤光栅调Q脉冲和连续两用光纤激光器”（201310140650.1，下称对比技术）具有显著不同的。具体包括：

（1）本发明是通过超声波在光纤中沿着光纤长度方向传播过程中形成的疏密周期性变化而导致的折射率光栅，对比技术是用两组齿状结构在超声的作用下从侧向机械挤压光纤，从而使得光纤发生周期性的形变而形成光纤光栅；

（2）本发明没有机械损伤，因此可靠性更好，对比技术机械齿状结构会导致光纤的微损伤，长期可靠性和耐久性下降；

（3）本发明通过改变超声的频率可以对光纤光栅周期进行调节，而对比技术的光纤光栅周期不可改变；

（4）本发明没有静态损耗，而对比技术在不加超声的状态下，由于齿状结构对光纤的侧向压力，仍然会产生光损耗，也就是存在静态损耗。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声光纤光栅全光纤衰减器，其特征在于：它包括超声信号发生器、超声换能器、光纤绕盘、超声吸收器，所述的光纤绕盘用于将一定长度的光纤绕设在其上，所述的超声换能器放置于所述的光纤输入或输出端，所述的超声吸收器放置于所述的光纤的另一端，所述的超声信号发生器与所述的超声换能器相连接，通过调节所述的超声信号发生器的输出频率和幅度，以改变光纤芯径中传导模式的衰减幅度。

2.根据权利要求1所述的超声光纤光栅全光纤衰减器，其特征在于：  所述的超声换能器和超声吸收器均开设有凹槽，所述的光纤穿设在相应所述的凹槽中。

3.根据权利要求1所述的超声光纤光栅全光纤衰减器，其特征在于：所述的超声信号发生器的输出频率为200～2000kHz，所述的超声信号发生器的输出电流幅度为0～2A。

4.根据权利要求1所述的超声光纤光栅全光纤衰减器，其特征在于：所述的光纤绕盘的直径为3cm～8cm。

5.根据权利要求4所述的超声光纤光栅全光纤衰减器，其特征在于：所述的光纤绕盘采用聚合物特氟龙材料制成。

6.根据权利要求1所述的超声光纤光栅全光纤衰减器，其特征在于：所述的超声换能器和超声吸收器采用磁致伸缩材料制成。