專利名稱：可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息光學(xué)與光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)講，涉及光通信技術(shù)中的一 種可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器。
背景技術(shù)：
光纖耦合器是光纖通信、光纖傳感技術(shù)中最常用的光無(wú)源器件，可以作光合分束 器、波分復(fù)用器等。光纖耦合器有以下幾種制作方法1、熔融拉伸法制作單模光纖耦合器利用放電加熱將兩根單模裸光纖熔融、拉伸，使光纖外徑減小，在耦合區(qū)光纖的包 層熔融在一起而使纖芯充分靠攏。光纖之間通過(guò)消逝場(chǎng)耦合作用增強(qiáng)，使光纖的光場(chǎng)耦合 系數(shù)增大。在輸出端光功率的監(jiān)測(cè)下，熔融拉伸法制作的光纖耦合器很容易得到任意的分 束比，熔融拉伸法是最為廣泛使用的一種光纖耦合器制作方法。這種方法可以參見(jiàn)文獻(xiàn) [1] :Jeff Hecht, "Understanding FiberOptics，，,Fourth edition Prentice Hall, 2004 ； 文獻(xiàn)[2] :Gerd Keiser, "Optical FiberCommunications，，，Third edition, 2000。溶融拉 伸法可以制作1 X 2，2 X 2，3 X 3單模光纖耦合器。2、混合棒法制作塑料光纖耦合器利用波前分割概念，采用混合棒作為耦合區(qū)也可以制作光纖耦合器。它適用于包 層薄的多模塑料光纖，由于包層很薄，可有效提高耦合效率，減小插入損耗?；旌习舨捎门c 光纖相同的材料制作確保折射率匹配。錐型混合棒采用熱擠出方式預(yù)制。文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn) [4]分別報(bào)道了 1X4、1X7利用混合棒技術(shù)的塑料光纖耦合器，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]葛文萍， 李忠輝等，“新型Ix 4塑料光纖功率耦合器的研制”，光學(xué)學(xué)報(bào)，Vol. 23，No. 8，pp. 961-963， 2003年；文獻(xiàn)[4]楊春，孫小菡等，“1X7圓柱形混合棒塑料光纖耦合器”，光學(xué)學(xué)報(bào)， Vol. 21，No. 9，pp. 1116-1121，1991 年。熔融拉伸法、混合棒法制作光纖耦合器需要一個(gè)中間光場(chǎng)耦合區(qū)形成光纖耦合 器，這一光場(chǎng)耦合區(qū)，也是不可更改的。因此，用以上方法制成的光纖耦合器是不可重構(gòu)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光纖耦合器的不足，提供一種可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光 柵耦合器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器包括排列緊密的多根 單模裸光纖、保護(hù)套管以及施力裝置；排列緊密的多根單模裸光纖置于保護(hù)套管中；施力裝置通過(guò)保護(hù)套管在多根單模裸光纖軸向傳播方向周期性地施加徑向壓力， 在多根單模裸光纖中形成與壓力周期相同的長(zhǎng)周期光纖光柵，該長(zhǎng)周期光纖光柵的周期滿 足纖芯基模與高階包層模耦合的相位匹配條件。本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，在排列緊密的多根單模裸光纖軸向傳播方向施
3加周期性徑向壓力，該周期性徑向壓力在單模裸光纖中產(chǎn)生光彈效應(yīng)與微彎效應(yīng)，因而在 多根單模裸光纖軸向傳播方向上同時(shí)引入空間變化周期相同的光柵。這種周期為微米 毫 米的長(zhǎng)周期光纖光柵，滿足纖芯基模與高階包層模耦合的相位匹配條件時(shí)，纖芯基模與高 階包層模發(fā)生相互耦合；裸光纖之間包層模通過(guò)消逝場(chǎng)作用相互耦合。基于這些耦合，周期 徑向壓力在多根裸光纖上實(shí)現(xiàn)了耦合器的功能。周期性徑向壓力在多根單模裸光纖中形成相同周期的長(zhǎng)周期光纖光柵，它們的諧 振波長(zhǎng)相同。改變施力結(jié)構(gòu)壓力的周期，也就改變了長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)，進(jìn)而改變 了該耦合器的工作波長(zhǎng)。本發(fā)明的施力結(jié)構(gòu)施加的壓力產(chǎn)生周期性微彎形變調(diào)制和折射率調(diào)制，從而在單 模光纖中形成光彈效應(yīng)與微彎效應(yīng)引起的光纖光柵，調(diào)制深度與壓力的大小有關(guān)。光柵的 周期滿足纖芯基模與高階包層模耦合的相位匹配條件，改變壓力大小就控制了纖芯基模向 高階包層模耦合，或高階包層模向纖芯基模耦合的強(qiáng)度。當(dāng)施力結(jié)構(gòu)不施加壓力時(shí)，光彈效 應(yīng)與微彎效應(yīng)在光纖內(nèi)產(chǎn)生的長(zhǎng)周期光柵消失，沒(méi)有纖芯基模與高階包層模之間的耦合過(guò) 程。周期壓力的施加與拆除決定了該耦合器的性能與重構(gòu)性。在本發(fā)明中，保護(hù)套管用的是管狀介質(zhì)材料，例如塑料、聚氟四乙烯等，其作用 是其一保護(hù)緊密排列在其內(nèi)的多根單模裸光纖不因受壓而產(chǎn)生裂紋；其二使多根單模裸 光纖緊密平行排列；其三是約束保護(hù)套管內(nèi)單模光纖中的光場(chǎng)，使單模光纖傳輸?shù)陌鼘幽?不外泄。在實(shí)施過(guò)程中，所述的多根單模裸光纖之間充填有折射率大于1，小于單模光纖包 層折射率的固態(tài)或液態(tài)匹配介質(zhì)，以增強(qiáng)單模光纖之間同階包層模消逝場(chǎng)的耦合效率。所述的保護(hù)套管為厚度10微米到900微米的介質(zhì)材料制成。所述的施力裝置施加的徑向壓力的周期為10微米 10毫米，占空比為0. 1 0.9，周期數(shù)為10 1000。本發(fā)明可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器是一種簡(jiǎn)單、可重構(gòu)的光纖耦合器，它的 制作不但可以采用普通單模光纖，也可采用各類摻雜光纖、雙包層光纖、彎曲不靈敏光纖、 非線性光纖、光子晶體光纖、各種色散光纖等等。本發(fā)明可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器通過(guò)施力結(jié)構(gòu)由周期性徑向壓力作用產(chǎn) 生，所以，本發(fā)明是一種容易寫入與擦除的可重構(gòu)的光纖耦合器，它可作為一種靈活的分插 復(fù)用器、光功率分配器等器件應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)和光纖傳感系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器一種具體實(shí)施方式
結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的側(cè)視圖；圖3是圖1所示施力單元2的結(jié)構(gòu)圖；圖4是圖1所示施力單元1的結(jié)構(gòu)圖；圖5是圖1所示的可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器一種具體實(shí)施方式
下的傳輸、 耦合特性圖；圖6 19是本發(fā)明可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的各具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示 意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒 注意的是，在以下的描述中，當(dāng)采用已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要 內(nèi)容時(shí)，這些描述在這兒將被忽略。實(shí)施例1圖1是本發(fā)明長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器一種具體實(shí)施方式
結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是其側(cè) 視圖。在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙光纖長(zhǎng)周期光纖光柵耦合 器，可按照以下步驟實(shí)現(xiàn)1、將涂有液態(tài)匹配介質(zhì)的兩根單模裸光纖放入保護(hù)套管3內(nèi)，并將內(nèi)置有兩根單 模裸光纖的保護(hù)套管3放入施力裝置的施力單元2的底部，在本實(shí)施例中，如圖3所示，施 力單元2為插入式V型槽，其角度可以為1° 180° ；2、施力裝置的施力單元1，在本實(shí)施例中，如圖4所示，施力單元1為插入式V型 槽，其角度可以為1° 180°，從上方與施力單元2對(duì)插。這種結(jié)構(gòu)保證了夾在兩插入式 V型槽內(nèi)的兩根單模裸光纖4、5能夠緊密接觸，并且施力越大，接觸越緊密；3、在施力單元1、2上均勻施加適當(dāng)?shù)膲毫?，以?duì)兩根單模裸光纖4、5的折射率和 微彎狀態(tài)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，形成長(zhǎng)周期光纖光柵，當(dāng)長(zhǎng)周期光纖光柵周期滿足纖芯基模與 高階包層模耦合的相位匹配條件時(shí)，纖芯基模與高階包層模發(fā)生相互耦合；同時(shí)通過(guò)兩緊 密接觸的單模裸光纖間消逝場(chǎng)作用，構(gòu)成長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器。在本實(shí)施例中，如圖3、4所示，施力裝置包括兩個(gè)具有相同周期的施力單元1、2， 施力單元周期為b，凸出齒寬度為a，占空比為a/(b_a)。在本實(shí)施例中，雙光纖長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器特性的測(cè)試方法寬譜光源接單模 裸光纖4的輸入端，用光譜分析儀接單模裸光纖4的輸出端時(shí)，得到該耦合器的傳輸譜；當(dāng) 光譜分析儀接單模裸光纖5的輸出端時(shí)，得到該耦合器的耦合譜。用上述方法制作的雙光纖長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的傳輸耦合特性如圖5所示。圖 中，曲線Tl T5為施力裝置施加的徑向壓力依次增大時(shí)該耦合器的傳輸譜，曲線Cl C5 為施力裝置施加的徑向壓力依次增大時(shí)該耦合器的耦合譜。從圖5我們可以看出，施加的 徑向壓力對(duì)傳輸峰值損耗和峰值耦合率有調(diào)節(jié)作用，兩者隨徑向壓力增加而增大。同時(shí)，根據(jù)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)有保護(hù)套管的雙光纖長(zhǎng)周期光柵耦合器特性比沒(méi)有保 護(hù)套管的有更高的耦合率和更高的邊峰抑制比。也就是說(shuō)，保護(hù)套管約束保護(hù)套管內(nèi)單模 光纖中的光場(chǎng)，使單模光纖傳輸?shù)陌鼘幽２煌庑?，提高了耦合率。?shí)施例2如圖6所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式直角Π 型槽對(duì)插的雙光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式直角Π型槽，3為保護(hù)套管，4、5為 單模裸光纖。實(shí)施例3 如圖7所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式U型槽對(duì) 插的雙光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式U型槽，3為保護(hù)套管，4、5為單模裸光纖。
在實(shí)施例1 3中，單模裸光纖4和5中任意一光纖可作為傳輸光纖，另一根光纖 為耦合光纖，它們可構(gòu)成2X 2光纖耦合器。實(shí)施例4如圖8所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為插入式V型槽和插 入式Π型槽對(duì)插的三光纖耦合器。圖中，施力單元1為插入式V型槽、施力單元2為插入式 Π型槽，其角度可以為90° 180°，3為保護(hù)套管，4、5、6為單模裸光纖。單模裸光纖4、5 和6中任意一光纖可作為傳輸光纖，另兩根光纖為耦合光纖，它們可構(gòu)成3 X 3光纖耦合器。實(shí)施例5如圖9所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式V型槽對(duì) 插的四光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式V型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7為單模裸 光纖。單模裸光纖5可作為傳輸光纖，單模裸光纖4、6、7作為耦合光纖；或者單模裸光纖6 為傳輸光纖，單模裸光纖4，5，7為耦合光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為1X4的光功率分配器。實(shí)施例6如圖10所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式Π型槽 對(duì)插的五光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式Π型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8為 單模裸光纖。單模裸光纖5為傳輸光纖，光纖4、6、7、8為耦合光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為 1X5的光功率分配器。實(shí)施例7如圖11所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為插入式Π型槽和 插入式V型槽對(duì)插的六光纖耦合器。圖中，施力單元1為插入式V型槽、施力單元2為插入 式Π型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、9為單模裸光纖。單模裸光纖5為傳輸光纖，單模裸光 纖4、6、7、8、9為耦合光纖；或單模裸光纖7為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、8、9為耦合光 纖；或單模裸光纖8為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、7、9為耦合光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為 1X6光功率分配器。實(shí)施例8如圖12所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為插入式Π型槽和 插入式V型槽對(duì)插的六光纖耦合器具體實(shí)施方式
示意圖。圖中，施力單元1為插入式π型 槽、施力單元2為插入式V型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、9為單模裸光纖。單模裸光纖6 為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、7、8、9為耦合光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為1 X 6的光功率分配器。實(shí)施例9如圖13所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式Π型槽 對(duì)插的七光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式Π型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、9、10 為單模裸光纖。單模裸光纖7為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、8、9、10為耦合光纖，構(gòu)成光 纖耦合器，作為1X7的光功率分配器。實(shí)施例10如圖14所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式V型槽 對(duì)插的七光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式V型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、9、10 為單模裸光纖。單模裸光纖7為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、8、9、10為耦合光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為1X7的光功率分配器。實(shí)施例11如圖15所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為插入式V型槽和 插入式多邊型槽對(duì)插的七光纖耦合器。圖中，施力單元1為插入式V型槽、施力單元2為插 入式多邊型槽，其角度可以為90° 180°，由七根單模裸光纖緊密的排列決定，3為保護(hù) 套管，4、5、6、7、8、9、10為單模裸光纖。單模裸光纖7為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、8、9、 10為耦合光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為1X7的光功率分配器。實(shí)施例12如圖16所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式多邊型 槽對(duì)插的七光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式多邊型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、 9、10為單模裸光纖。單模裸光纖7為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、8、9、10為耦合光纖，構(gòu) 成光纖耦合器，作為1X7的光功率分配器。實(shí)施例13如圖17所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式U型槽 對(duì)插的七光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式U型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、9、10 為單模裸光纖。單模裸光纖7為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、8、9、10為耦合光纖，構(gòu)成光 纖耦合器，作為1X7的光功率分配器。實(shí)施例14如圖18所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為雙插入式V型槽 對(duì)插的九光纖耦合器。圖中，施力單元1、2為插入式V槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、9、10、 11、12為單模裸光纖。單模裸光纖8為傳輸光纖，單模裸光纖4、5、6、7、9、10、11、12為耦合 光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為1X9的光功率分配器。實(shí)施例15如圖19所示，在本實(shí)施例中，可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器為插入式V型槽和 插入式Π型槽對(duì)插的十光纖耦合器。圖中，施力單元1為插入式V型槽，施力單元2為插入 式Π型槽，3為保護(hù)套管，4、5、6、7、8、9、10、11、12、13為單模裸光纖。單模裸光纖8為傳輸 光纖，單模裸光纖4、5、6、7、9、10、11、12為耦合光纖，構(gòu)成光纖耦合器，作為1 X 10的光功率 分配器。盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人 員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變 化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
一種可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，包括排列緊密的多根單模裸光纖、保護(hù)套管以及施力裝置；排列緊密的多根單模裸光纖置于保護(hù)套管中；施力裝置通過(guò)保護(hù)套管在多根單模裸光纖軸向傳播方向周期性地施加徑向壓力，在多根單模裸光纖中形成與壓力周期相同的長(zhǎng)周期光纖光柵，該長(zhǎng)周期光纖光柵的周期滿足纖芯基模與高階包層模耦合的相位匹配條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，所述的施力 裝置包括兩個(gè)具有相同周期的齒狀施力單元，每個(gè)齒狀施力單元為插入式V型槽、插入式 Π型槽、插入式U型槽或插入式多邊型槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，所述的 施力裝置施加的徑向壓力的周期為10微米 10毫米，占空比為0. 1 0. 9，周期數(shù)為10 1000。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，所述的插入 式V型槽的角度為1° 180°，插入式Π型槽的角度為90° 180°、插入式多邊型槽的 角度為90° 180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，所述的保護(hù) 套管為厚度10微米到900微米的介質(zhì)材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，所述的多根 單模裸光纖之間充填有折射率大于1，小于單模光纖包層折射率的固態(tài)或液態(tài)匹配介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可重構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，該耦合器包括施力裝置、排列緊密的多根單模裸光纖、排列緊密的多根單模裸光纖置于保護(hù)套管中；施力裝置在多根單模裸光纖的軸向傳播方向周期性地施加徑向壓力，這樣在多根單模裸光纖軸向傳播方向上因微彎效應(yīng)與光彈效應(yīng)寫入空間變化周期相同的光柵。當(dāng)光纖光柵的空間周期使纖芯基模與高階包層模滿足相位匹配條件時(shí)，光纖之間的纖芯基模與包層模相互耦合；光纖之間包層模通過(guò)消逝場(chǎng)作用相互耦合?；谶@些耦合，周期徑向壓力在多根裸光纖上實(shí)現(xiàn)了耦合器的功能。由于長(zhǎng)周期光纖光柵僅由外力作用產(chǎn)生，它是一種容易寫入與擦除的光纖光柵耦合器，可應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)作為一種靈活的分插復(fù)用器、光功率分配器等器件。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101943766SQ200910059940
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者劉 東, 周曉軍, 張旨遙, 彭水海, 陳成金, 黎曉云 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)