專利名稱：一種2×2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，具體來講，涉及光通信技術(shù)中的一 種2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器。
背景技術(shù)：
2 X 2光纖耦合器是光纖通信、光纖傳感技術(shù)中最常用的光無源器件，可以作分束 器、波分復(fù)用器等。 在單模光纖中基模光場(chǎng)的分布主要集中在纖芯區(qū)，包層中的光場(chǎng)隨光纖徑向距離 指數(shù)衰減。兩根并行排列光纖基模之間的耦合系數(shù)正比于基模光場(chǎng)的重疊積分，因此兩根 并行排列光纖基模之間的耦合極其微弱。為了獲得任意的耦合比，通常用以下兩種方法制 作2X2光纖耦合器 1、研磨法將兩根單模光纖的包層側(cè)面研磨成平面，將這兩根光纖側(cè)平面緊密接 觸并粘合在一起。研磨后光纖的基模光場(chǎng)更多地浸入相鄰光纖的纖芯使基模光場(chǎng)的重疊積 分增大，耦合系數(shù)增大。 2、熔融拉伸法利用放電加熱將單模光纖熔融、拉伸，使光纖外徑減小，在耦合區(qū) 兩光纖的包層熔融在一起而使纖芯充分靠攏。兩光纖之間通過消逝場(chǎng)耦合作用增強(qiáng)，使 兩根光纖的光場(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，是最為廣泛使用的一種光纖耦合器制作方法(1. JeffHecht， "Understanding Fiber Optics，，， Fourth editionPrentice Hall， 2004 ;2. Gerd Keiser， "Optical Fiber Communications，，， Third edition, 2000.)。 光纖技術(shù)的發(fā)展使在光纖中制作Bragg光柵的技術(shù)日臻成熟，這項(xiàng)技術(shù)也逐漸應(yīng) 用于光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。光纖Bragg光柵是一種后向反射的光纖光柵，在光通信傳輸系統(tǒng) 中用作上下路分插復(fù)用器需要與光環(huán)形器一起應(yīng)用，增加了器件的復(fù)雜度。
英國(guó)Southampton大學(xué)的J. L.Arahambault等人提出在光纖耦合器中引入光 纖Bragg光柵，實(shí)現(xiàn)光分插復(fù)用等功能，這種耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要光環(huán)形器。他們 用研磨粘結(jié)法將一根包含Bragg光柵的單模光纖和另一根單模光纖制成耦合器型的 光柵帶阻濾波器，此種光纖耦合器可以直接用作光通信波分復(fù)用系統(tǒng)的下路光分插復(fù) 用 器 (J. L Archambault， P. S. J. P. St. J. Russell， S. Barcelos， P. Hua， and L Reekie, "Grating-frustrated coupler :a novel channel-dropping filter insingle_mode optical fiber, "Opt. Lett. ， vol. 19， pp. 180—182， 1994.)。 Southampton大學(xué)的L. Dong將這種結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展為熔融耦合器型的上下路光 分插復(fù)用器(L Dong， P. Hua， T. A. Birks， L Reekie， and P. S. J. P. St. J. Russell， "Novel add/drop filters for wavelength-division multiplexing optical fibersystems using a Bragg grating assisted mismatched coupler, ，， IEEE Photon. Technol丄ett.， vol. 8， pp. 1656-1658， 1996.)可在光纖通信波分復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用。 光纖中空間周期為百微米數(shù)量級(jí)的長(zhǎng)周期光纖光柵是一種前向傳輸?shù)膸ё铻V波器。滿足相位匹配條件的長(zhǎng)周期光纖光柵能夠?qū)文９饫w中傳輸?shù)睦w芯基模耦合到高階包 層模，也可以將高階包層模耦合到纖芯基模(A. M. Vengsarkar，P. J. Lemaire， J. B. Judkins， V.Bhatia， T.Erdogan， and J. E. Sipe，"Long-period fibergratings as band-rejection filters, "J. Lightwave Technol. ，vol. 14， pp. 58—65， 1996.)。禾U用這個(gè)特點(diǎn)V. Grubsky用 長(zhǎng)周期光纖光柵構(gòu)成波長(zhǎng)選擇耦合器和上下路分插復(fù)用器(V. Grubsky， D. S. Starodubov， and J. Feinberg，"Wavelength-selectivecoupler and add-drop multiplexer using long-period fiber gratings, ，， in Tech. Dig. ， Opt. Fiber Comm皿.Conf. ， vol. 4， 2000， pp. 28-30.)。他們將用強(qiáng)激光脈沖寫入了長(zhǎng)周期光纖光柵的兩根光纖并排緊靠，兩根光纖 中的長(zhǎng)周期光纖光柵沿光纖軸向傳播方向錯(cuò)開。在第一段上僅在傳輸光纖上有周期性折射 率調(diào)制，長(zhǎng)周期光纖光柵在傳輸光纖中將纖芯基模耦合到該光纖的高階包層模；在第二段 耦合區(qū)上，傳輸光纖和耦合光纖都有周期性折射率調(diào)制，兩光纖既存在包層模和纖芯基模 之間的耦合，也存在兩光纖同階包層模之間的耦合；在第三段上僅在耦合光纖上有周期性 折射率調(diào)制，長(zhǎng)周期光纖光柵將該光纖的包層模耦合為纖芯基模。用兩個(gè)這樣長(zhǎng)周期光纖 光柵耦合器可實(shí)現(xiàn)光通信波分復(fù)用系統(tǒng)的上下路分插復(fù)用功能。 隨后，K.S. Chiang等人從理論上證明了兩個(gè)寫入了長(zhǎng)周期光柵的光纖并排緊靠， 光柵的空間周期完全對(duì)齊、部分錯(cuò)開或完全錯(cuò)開三種情況下，只要光柵的耦合系數(shù)與消逝 場(chǎng)的耦合系數(shù)適當(dāng)設(shè)計(jì)，都可使傳輸光纖向耦合光纖的耦合效率達(dá)到100% (K.S. Chiang, F. Y. M. Chan， and M. N. Ng， "Analysis of TwoParallel Long-Period Fiber Gratings，，， JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 22， NO. 5， pp.1358-1366，2004.)。
以上利用光纖Bragg光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵制作的光纖耦合器都是利用傳統(tǒng)紫外 激光曝光或C02激光照射寫入技術(shù)， 一旦用強(qiáng)激光在光纖中寫入光柵，其折射率的空間周期 調(diào)制便不可更改，也就是說強(qiáng)激光脈沖寫入的光纖光柵是不可擦除的。因此，用這樣兩根用 強(qiáng)激光寫入的光纖光柵構(gòu)成的耦合器是不可重構(gòu)的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可重構(gòu)的2X2長(zhǎng)周期光 纖光柵耦合器。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器包括施力裝置以及兩根 緊密接觸、并行排列的無保護(hù)層的裸光纖； 兩根裸光纖中，一根為傳輸光纖，另外一根為耦合光纖； 施力裝置在兩根裸光纖軸向傳播方向周期性地施加徑向壓力，該徑向壓力的周期 A為百微米量級(jí)，并滿足以下相位匹配條件 (An一AI) =1 (1) 其中，13 Q1為光纖纖芯基模傳播常數(shù)，我〗為光纖第n階包層模傳播常數(shù)。
由于傳播常數(shù)是波長(zhǎng)的函數(shù)，上式確定了長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)。光纖中的 長(zhǎng)周期光柵在滿足(1)式條件時(shí)，纖芯基模與第n階包層模發(fā)生相互耦合。改變徑向壓力 的周期，就改變了長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)。
本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在兩根緊密接觸、并行排列的無保護(hù)層的裸光
纖軸向傳播方向施加周期性徑向壓力，該徑向壓力在裸光纖中產(chǎn)生光彈效應(yīng)與微彎效應(yīng)，
因而在兩根裸光纖軸向傳播方向上同時(shí)寫入空間變化周期相同的光柵，從而構(gòu)成長(zhǎng)周期光
纖光柵耦合器。該耦合器的中心工作波長(zhǎng)即為長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)。 具體來講，在本發(fā)明中，兩根裸光纖是緊密接觸的，其中一根為傳輸光纖，另外一
根為耦合光纖。在傳輸光纖入端輸入光場(chǎng)，兩裸光纖之間存在三種光場(chǎng)耦合過程1、傳輸光
纖中纖芯基模由于長(zhǎng)周期光纖光柵的作用向傳輸光纖的包層模耦合；2、傳輸光纖的包層模
通過消逝場(chǎng)的作用向耦合光纖的同階包層模耦合；3、由于長(zhǎng)周期光纖光柵的作用耦合光纖
中包層模向耦合光纖的基模耦合。這些光場(chǎng)之間的耦合可用耦合模方程表示 /7力 ， = - ， = -A4^&—y'C52
"z (2)
」=力.a:命，一ycs, 4 風(fēng), ^， A2分別為傳輸光纖和耦合光纖基模光場(chǎng)的幅度，Bp B2分別為傳輸光纖和耦合 光纖包層模光場(chǎng)的幅度。k是長(zhǎng)周期光纖光柵耦合系數(shù)，C是兩根光纖同階包層模的耦合 系數(shù)，S為相對(duì)于諧振波長(zhǎng)的失諧量。基于耦合模方程描述的壓力誘導(dǎo)長(zhǎng)周期光纖光柵的 作用和消逝場(chǎng)耦合作用，產(chǎn)生光纖模式之間的三種耦合過程，從而實(shí)現(xiàn)2X2長(zhǎng)周期光纖光 柵耦合器的功能。 長(zhǎng)周期光纖光柵由外部周期壓力作用產(chǎn)生，所以，本發(fā)明是一種容易寫入與擦除 的可重構(gòu)的波長(zhǎng)選擇方向耦合器，它可作為一種靈活的分插復(fù)用器等器件應(yīng)用于光通信網(wǎng) 絡(luò)。 本發(fā)明的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，一方面在滿足(1)式條件時(shí)，改變施力的周期， 就改變了長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)，同時(shí)也就改變了耦合器的中心工作波長(zhǎng)。另一方面， 基模與包層模的耦合系數(shù)由光彈效應(yīng)與微彎效應(yīng)兩部分的貢獻(xiàn)組成，改變施加的徑向壓 力，使光纖折射率調(diào)制和光柵耦合系數(shù)發(fā)生變化，調(diào)節(jié)了基模與包層模的耦合率；此外，兩 光纖包層模之間的耦合率可以通過兩被壓裸光纖之間用折射率不同的液態(tài)或固態(tài)介質(zhì)進(jìn) 行調(diào)節(jié)。 本發(fā)明是一種可重構(gòu)2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，不但適用于普通單模光纖，也 適用于各類摻雜光纖、雙包層光纖、非線性光纖、光子晶體光纖、各種色散光纖等等。
圖1是本發(fā)明2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的一種具體實(shí)施方式
結(jié)構(gòu)圖；
圖2是圖1所示的2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的側(cè)視圖；
圖3是圖1所示的施力裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖4是圖2所示的施力單元結(jié)構(gòu)圖； 圖5是本發(fā)明2X2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是本發(fā)明2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器組成的上下路分插復(fù)用器結(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，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2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的一種具體實(shí)施方式
結(jié)構(gòu)圖。 在本實(shí)施例中，本發(fā)明的可重構(gòu)的2 X 2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器可按照以下步驟
實(shí)現(xiàn) 第一步用機(jī)械加工的方法制作兩個(gè)具有相同特定周期的帶V型槽的齒狀施力單 元1、2，如圖4所示。 第二步將兩根裸光纖3和4放入圖4所示的施力單元2的V型槽中，將另一個(gè)施 力單元1置于上方，即兩個(gè)施力單元1、2的V型周期槽對(duì)插同時(shí)壓住兩根裸光纖3、4，如圖 1及圖2所示。這種結(jié)構(gòu)保證了夾在兩V型周期槽內(nèi)的兩根裸光纖3、4能夠緊密接觸，并且 施力越大，接觸越緊密。 第三步在圖1、圖2所示施力單元1上均勻施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ詫?duì)兩根裸光纖3、 4的折射率和微彎狀態(tài)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，同時(shí)通過兩裸光纖間消逝場(chǎng)作用，使其滿足可重構(gòu) 長(zhǎng)周期光纖耦合器耦合率的需求，這樣構(gòu)成周期徑向壓力誘導(dǎo)的2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合為。 實(shí)施例2 圖5是本發(fā)明2X2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。 在本實(shí)施例中，周期性徑向壓力產(chǎn)生的長(zhǎng)周期光柵周期A = 0. 6mm，根據(jù)測(cè)試在 波長(zhǎng)為1550nm附近普通單模光纖中的纖芯基模和第三階包層模滿足(1)式條件。我們使 用了兩個(gè)帶V型槽的齒狀施力單元，按照實(shí)施例1的步驟將兩根裸光纖夾住。V型周期槽 的參數(shù)為周期0. 6mm，齒寬0. 2mm，壓齒100個(gè)。當(dāng)在2. 5Kg的重物壓力作用下的光彈效 應(yīng)與微彎效應(yīng)使光纖產(chǎn)生長(zhǎng)周期光纖光柵，光柵使纖芯基模與第三階包層模耦合，消逝場(chǎng)
使光纖包層模之間耦合。測(cè)得壓力誘導(dǎo)產(chǎn)生的長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的傳輸光譜與耦合光 譜如圖5所示，其中，上面一根曲線為傳輸光纖輸出光功率曲線，對(duì)應(yīng)左邊的輸出功率坐標(biāo) 軸；下面一根曲線為耦合光纖輸出光功率曲線，對(duì)應(yīng)右邊的輸出功率坐標(biāo)軸。由圖5我們可 以看出明顯的光纖耦合器的特性，耦合器的中心波長(zhǎng)在1553nm。
應(yīng)用實(shí)例 圖6是本發(fā)明2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器組成的上下路分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖。
按照如圖6的結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)本發(fā)明的2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器Q、 C2組成光纖 波分復(fù)用系統(tǒng)中波長(zhǎng)選擇上下路分插復(fù)用器。上下路分插復(fù)用器具有4個(gè)重要的光纖端 口，分別是輸入端In、輸出端Out、上路端Add和下路端Drop。耦合器Q、 C2的V型周期壓 齒槽具有不同的周期，它們分別對(duì)應(yīng)上路波長(zhǎng)入3和下路波長(zhǎng)入2。
上路分插復(fù)用器的工作原理波長(zhǎng)為A p A 2的光信號(hào)由輸入端In進(jìn)入工作波長(zhǎng) 在、附近的耦合器d，信號(hào)上路時(shí)，對(duì)耦合器Q施壓F將波長(zhǎng)為、的光由上路端Add注 入耦合器Q。耦合器Q的傳輸光纖的周期壓力誘導(dǎo)光柵將A 3的纖芯基模變成包層模；通 過消逝場(chǎng)作用傳輸光纖的包層模耦合為耦合光纖的包層模；最后耦合光纖的壓力誘導(dǎo)光柵 將包層模變成纖芯基模進(jìn)入傳輸線路。 下路分插復(fù)用器的工作原理波長(zhǎng)為A p A 2、 A 3的光傳輸進(jìn)入中心工作波長(zhǎng)為 入2的耦合器C2，信號(hào)下路時(shí)，對(duì)耦合器(^施壓F。耦合器G中傳輸光纖的周期壓力誘導(dǎo)光 柵將波長(zhǎng)為入2的纖芯基模變成包層模，通過消逝場(chǎng)作用使傳輸光纖的包層模耦合為耦合 光纖的包層模，最后耦合光纖的周期壓力誘導(dǎo)光柵再將包層模變成纖芯基模由下路端Drop 輸出。 由于長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器的工作波長(zhǎng)范圍由周期壓力誘導(dǎo)光柵的周期決定，所 以該上下路分插復(fù)用器具有波長(zhǎng)選擇性；使用多個(gè)不同波長(zhǎng)的耦合器可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用和 解復(fù)用；同時(shí)由于壓力的施加或撤銷可以使光柵寫入或擦除，所以本發(fā)明所述上下路分插 復(fù)用器具有可重構(gòu)性。 盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(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2×2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，包括施力裝置以及兩根緊密接觸、并行排列的無保護(hù)層的裸光纖；兩根裸光纖中，一根為傳輸光纖，另外一根為耦合光纖；施力裝置在兩根裸光纖軸向傳播方向周期性地施加徑向壓力，該徑向壓力的周期Λ為百微米量級(jí)，滿足以下相位匹配條件 <mrow><msub> <mi>β</mi> <mn>01</mn></msub><mo>-</mo><msubsup> <mi>β</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow> <mtext>Λ</mtext></mfrac> </mrow>其中，β01為光纖纖芯基模傳播常數(shù)，為光纖第n階包層模傳播常數(shù)。F2009100581259C0000012.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的2X2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)具有相同周期的帶V型槽的齒狀施力單元，將兩根裸光纖放入一施力單元的V型 槽中，將另一個(gè)施力單元置于上方，兩個(gè)施力單元的V型周期槽對(duì)插同時(shí)壓住兩根裸光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的2X2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，其特征在于，所述的兩被壓裸 光纖之間用折射率大于l，小于光纖包層折射率的液態(tài)或固態(tài)介質(zhì)以通過消逝場(chǎng)的作用增 加兩光纖同階包層模之間的耦合率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種2×2長(zhǎng)周期光纖光柵耦合器，包括一施力裝置以及兩根緊密接觸、并行排列的無保護(hù)層的裸光纖，即傳輸光纖和耦合光纖。施力裝置在光纖的軸向傳播方向周期性地施加周期(Λ)為百微米量級(jí)的徑向壓力，這樣在兩根裸光纖軸向傳播方向上寫入空間變化相同的光柵。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)，傳輸光纖和耦合光纖的纖芯基模與包層模相互耦合；除此之外，傳輸光纖與耦合光纖包層模之間通過消逝場(chǎng)作用相互耦合?；谶@些耦合，周期徑向壓力在兩根裸光纖上實(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波長(zhǎng)選擇方向耦合器，可應(yīng)用于光通信網(wǎng)絡(luò)作為一種靈活的分插復(fù)用器等器件。
文檔編號(hào)G02B6/28GK101776784SQ20091005812
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者蘭嵐, 周曉軍, 張旨遙, 陳成金, 黎曉云 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)