一種微結(jié)構(gòu)光纖器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，由排布在石英外管內(nèi)的石英介質(zhì)柱、石英毛細(xì)管、一根或多根光纖組成的微結(jié)構(gòu)區(qū)，所述光纖被包裹在所述石英介質(zhì)柱和石英毛細(xì)管組成的結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述微結(jié)構(gòu)區(qū)沿軸向的中心部分被拉錐形成錐腰和過(guò)渡區(qū)；所述光纖貫穿微結(jié)構(gòu)區(qū)且在所述微結(jié)構(gòu)區(qū)兩端形成尾纖；所述尾纖為輸入輸出元件。在錐腰區(qū)和過(guò)渡區(qū)外，光仍在光纖中傳輸。微結(jié)構(gòu)光纖兩端具有光纖尾纖，在光纖拉錐過(guò)程中可通過(guò)輸入光并用光功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而可以對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖性能進(jìn)行精確的控制。同時(shí)，引入的尾纖可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的低損耗輸入與輸出，以及對(duì)多芯結(jié)構(gòu)的光輸入進(jìn)行選擇性的輸入、輸出，從而獲得特殊功能的光器件。
【專利說(shuō)明】一種微結(jié)構(gòu)光纖器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)光纖領(lǐng)域，尤其涉及具有特殊耦合特性的微結(jié)構(gòu)光纖器件。
【背景技術(shù)】
[0002]熔融拉錐是制作標(biāo)準(zhǔn)光纖耦合器、寬帶光纖耦合器、光纖波分復(fù)用器等器件的主要方法，具有高精度、高效率、高可靠和高重復(fù)性的特點(diǎn)。熔融拉錐技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基本方法就是將兩根或以上的光纖，以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體結(jié)構(gòu)的特殊波導(dǎo)器件。在光纖種類和波長(zhǎng)確定的情況下，根據(jù)光功率的分配變化精確控制拉錐長(zhǎng)度、熔融區(qū)大小、熔融溫度，可以制作出各種光耦合器件。
[0003]由于本身技術(shù)的局限性，熔融拉錐技術(shù)很難制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光纖器件，例如，多個(gè)輸出端口的光纖耦合器一般只能采用由多個(gè)IX2級(jí)聯(lián)而成的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其原因是，在拉錐過(guò)程中，很難對(duì)錐區(qū)的光纖分布進(jìn)行嚴(yán)格的控制。因此，要制作出更為復(fù)雜的耦合器結(jié)構(gòu)，就需要采用其它方法。
[0004]多芯光纖是光纖通信系統(tǒng)中常用的耦合元件，許多光學(xué)器件如定向耦合器、波分復(fù)用器、波分復(fù)用信道功率均衡器、光纖激光器中起穩(wěn)定作用的窄帶濾波器、可變衰減器、與功率有關(guān)的非線性耦合器、光纖溫度傳感器、摻鉺光纖放大器中增益均衡的濾波器、光分插復(fù)用器中都用到了多芯光纖。多芯光纖利用光消逝場(chǎng)在纖芯之間的耦合作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)光功率、波長(zhǎng)和偏振態(tài)等多重選擇功能。
[0005]傳統(tǒng)多芯光纖的制作工藝比較繁瑣，通常是利用化學(xué)氣相沉積法做成二根預(yù)制棒，然后切去近一半、拋光、熔合，形成具有兩個(gè)纖芯的預(yù)制棒[Appl.0pt., 1994,33(24): 5602-5610]。
[0006]光子晶體光纖的出現(xiàn)，為多芯光纖的實(shí)現(xiàn)提供了一種全新的方法。與普通多芯光纖的制作工藝相比，多芯光子晶體光纖的制作更為簡(jiǎn)單。其制作過(guò)程與普通光子晶體光纖相同:先按所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆積，然后將預(yù)制棒通過(guò)光纖拉絲塔拉制而成。多芯光子晶體光纖具有比傳統(tǒng)多芯光纖更優(yōu)的傳輸性能，并可組成具有新奇特性和功能的新型的光纖器件，如寬帶偏振分束器[Applied Optics, 2010, 49(16): 3042-3048]、寬帶定向耦合器[Opt.Lett., 2004, 29(21): 2473-2475, J.0pt.A: Pure Appl.0pt., 2009, 11(1):015102]、模式轉(zhuǎn)換器[J.0pt.A: Pure Appl.0pt., 2008, 10(11): 115304]、超高靈敏度光纖折射率傳感器[Opt.Lett., 2009, 34(3): 322-324, Opt.Express, 2011, 19(5):4091-4100]、波分復(fù)用器[Optics Express,2003, 11(24): 3188-3195， Journal ofLightwave Technology, 2009, 27(13): 2343-2347]、單偏振光纖[Journal of LightwaveTechnology, 2010, 28(10): 1443-1446]等器件。
[0007]然而，基于光子晶體光纖制作工藝的多芯光纖的應(yīng)用存在較多困難:
(一)多芯光纖與普通光纖連接難度大。由于纖芯小、纖芯之間的距離近，而又需要準(zhǔn)確地將光輸入到特定的纖芯，以及將從多個(gè)纖芯輸出的光分離并接入到不同的后續(xù)器件中去，因此真正實(shí)現(xiàn)非常困難。[0008](二)結(jié)構(gòu)參數(shù)難以準(zhǔn)確控制雖然理論上可以采用與光子晶體光纖制作相同的工藝方法來(lái)制作微結(jié)構(gòu)光纖耦合器，但是由于微結(jié)構(gòu)光纖耦合器的傳輸性能與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，在制作工藝導(dǎo)致的微小偏差就可以導(dǎo)致制作的光纖性能降低，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。同時(shí)，微結(jié)構(gòu)光纖耦合器對(duì)耦合器長(zhǎng)度也有嚴(yán)格要求。因此，光纖制作完成后，還需要對(duì)耦合器長(zhǎng)度進(jìn)行精確的切割。當(dāng)耦合器長(zhǎng)度很短(微結(jié)構(gòu)光纖耦合器的長(zhǎng)度一般在毫米量級(jí)甚至更短)時(shí)，其制作將更為困難。
[0009]因此，以上大部分新型微結(jié)構(gòu)光纖耦合器的研究還是停留在理論研究階段。雖然可以采用特殊的工藝[Opt.Lett., 2007, 32(4): 328-330]，在制備多芯光纖的預(yù)制棒的時(shí)候，引入單模光纖作為纖芯，從而實(shí)現(xiàn)與單模光纖的有效銜接。但這種方法采用了復(fù)雜、昂貴的光纖拉絲設(shè)備，制作成本很高。同時(shí)，由于只能在一端引入光纖作為尾纖，另一端仍然存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效光耦合的缺點(diǎn)。同時(shí)，由于無(wú)法對(duì)輸出光進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，因此，器件的耦合性能與效果上難以獲得有效的保障。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)選擇性輸入、輸出，且具有微結(jié)構(gòu)光纖的特殊傳光特性的微結(jié)構(gòu)光纖器件。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其特征在于:由排布在石英外管內(nèi)的石英介質(zhì)柱、石英毛細(xì)管、一根或多根光纖組成的微結(jié)構(gòu)區(qū)，所述光纖被包裹在所述石英介質(zhì)柱和石英毛細(xì)管組成的結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述微結(jié)構(gòu)區(qū)沿軸向的中心部分被拉錐形成錐腰和過(guò)渡區(qū)；所述光纖貫穿微結(jié)構(gòu)區(qū)且在所述微結(jié)構(gòu)區(qū)兩端形成尾纖；所述尾纖為輸入輸出元件。所述光纖為單模光纖、多模光纖或單?；蚨嗄＝M合的光纖。
[0013]所述錐腰外徑介于10-300 μπι。
[0014]所述過(guò)渡區(qū)區(qū)的外徑介于0.5-10 mm。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)效果是:由光纖、石英介質(zhì)柱、石英管等組成微結(jié)構(gòu)，并經(jīng)拉錐形成錐腰區(qū)和過(guò)渡區(qū)。在錐腰區(qū)和過(guò)渡區(qū)外，光仍在光纖中傳輸。微結(jié)構(gòu)光纖兩端具有光纖尾纖，在光纖拉錐過(guò)程中可通過(guò)輸入光并用光功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而可以對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖性能進(jìn)行精確的控制。同時(shí)，引入的尾纖可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的低損耗輸入與輸出，以及對(duì)多芯結(jié)構(gòu)的光輸入進(jìn)行選擇性的輸入、輸出，從而獲得特殊功能的光器件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為一種本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為另一種本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為一種本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖器件的橫截面示意圖；
其中，1-尾纖，2-錐腰，3-過(guò)渡區(qū)，4-微結(jié)構(gòu)區(qū)，5-石英外管，6-石英毛細(xì)管，7-單模光纖，8-石英介質(zhì)柱，9-多模光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明提出采用類似微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒的方法，堆積形成微結(jié)構(gòu)，并經(jīng)拉錐在錐腰區(qū)實(shí)現(xiàn)類似于微結(jié)構(gòu)光纖的折射率分布和光傳輸特性，同時(shí)，光輸入與輸出通過(guò)微結(jié)構(gòu)區(qū)兩端的光纖實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)與普通光纖的低損耗連接，克服了普通微結(jié)構(gòu)光纖輸入輸出I禹合的困難，也避免了多芯微結(jié)構(gòu)光纖輸入輸出時(shí)存在的光串?dāng)_現(xiàn)象。
[0018]以下實(shí)施例均以石英光纖和石英管為基礎(chǔ)材料為例，相關(guān)方案也可適用于聚合物光纖及玻璃光纖等。
[0019]實(shí)施例一:
光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示。微結(jié)構(gòu)區(qū)的橫截面示意圖如圖2所示。尾纖為單模光纖。
[0020]首先，制備外徑為125 μ m、內(nèi)徑為50 μ m的石英毛細(xì)管；將石英毛細(xì)管和石英介質(zhì)柱和單模光纖按如圖2的方式進(jìn)行堆積，并固定于內(nèi)徑為1.15 mm、外徑為1.35 _的石英管中。中間間隙可以通過(guò)填充石英介質(zhì)柱或通過(guò)打磨石英毛細(xì)管外壁，減小間隙尺寸。將堆積完成的微結(jié)構(gòu)放置于光纖拉錐機(jī)，加以固定。光纖兩端分別外接光源和光功率計(jì)。經(jīng)加熱裝置，形成過(guò)渡區(qū)和錐腰，錐腰外徑為169 μ m。通過(guò)監(jiān)測(cè)光功率計(jì)，獲得滿足要求的輸出后，停止拉錐。再經(jīng)退火和封裝程序，完成器件的制作。
[0021 ] 經(jīng)拉錐后，錐形區(qū)長(zhǎng)度為26 _。光從中間纖芯輸入，從兩側(cè)纖芯輸出，實(shí)現(xiàn)均勻分光。光纖的工作帶寬可達(dá)300 nm，偏振相關(guān)損耗小于0.2 dB。
[0022]實(shí)施例二:
光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示。微結(jié)構(gòu)區(qū)的橫截面示意圖如圖2所示。尾纖為單模光纖。
[0023]多模光纖外徑為125 μπι,內(nèi)徑為高105 μ m和單模光纖外徑為125 μ m。按如圖2的方式進(jìn)行堆積，并固定于內(nèi)徑為0.9 _、外徑為1.2 _的石英管中。此結(jié)構(gòu)利用單模光纖與多模光纖在折射率分布上的不同，使得單模光纖中的模式能夠互相耦合，而不會(huì)耦合到多模光纖中，從而形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和寬帶耦合的目的。中間間隙可以通過(guò)填充石英細(xì)棒或通過(guò)打磨光纖外壁，減小間隙尺寸。將堆積完成的微結(jié)構(gòu)放置于光纖拉錐機(jī)，加以固定。光纖兩端分別外接光源和光功率計(jì)。經(jīng)加熱裝置，形成過(guò)渡區(qū)和錐腰，錐腰外徑為169 μπι。通過(guò)監(jiān)測(cè)光功率計(jì)，獲得滿足要求的輸出后，停止拉錐。再經(jīng)退火和封裝程序，完成器件的制作。
[0024]錐形區(qū)長(zhǎng)度為10 mm。光從中間纖芯輸入,從兩側(cè)纖芯輸出，實(shí)現(xiàn)均勻分光。光纖的工作帶寬可達(dá)220 nm，偏振相關(guān)損耗小于0.15 dB。
【權(quán)利要求】
1.一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其特征在于:由排布在石英外管內(nèi)的石英介質(zhì)柱、石英毛細(xì)管、一根或多根光纖組成的微結(jié)構(gòu)區(qū)，所述光纖被包裹在所述石英介質(zhì)柱和石英毛細(xì)管組成的結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述微結(jié)構(gòu)區(qū)沿軸向的中心部分被拉錐形成錐腰和過(guò)渡區(qū)；所述光纖貫穿微結(jié)構(gòu)區(qū)且在所述微結(jié)構(gòu)區(qū)兩端形成尾纖；所述尾纖為輸入輸出元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其特征在于:所述光纖為單模光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其特征在于:所述光纖為多模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其特征在于:所述光纖為單模和多多模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其特征在于:所述錐腰的外徑在介于 10-300 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種微結(jié)構(gòu)光纖器件，其特征在于:所述過(guò)渡區(qū)的外徑在0.5-10 mmη
【文檔編號(hào)】G02B6/04GK103698841SQ201310692458
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】陳明陽(yáng), 譚葉青 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)