專利名稱：耦合型微米光纖起偏器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信、光纖傳感和集成光學(xué)領(lǐng)域，具體是一種耦合型微米光纖起偏器及其制備方法。
背景技術(shù)：
在光纖通信系統(tǒng)或光纖傳感系統(tǒng)中，光的偏 振態(tài)控制對(duì)系統(tǒng)或元器件已顯得十分重要，光纖偏振器在其中有著重要的作用。其作用為當(dāng)非偏振光或部分偏振光入射到起偏器時(shí)，在特定的波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，只讓一個(gè)偏振方向的光通過，輸出偏振光。傳統(tǒng)利用波片、棱鏡、線柵起偏技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是由于其體積大，調(diào)試、準(zhǔn)直和校準(zhǔn)要求十分苛刻，并且不易與光纖系統(tǒng)連接。隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖起偏器已被實(shí)現(xiàn)，它可在線改變傳輸光波的偏振態(tài)，從而達(dá)到起偏目的。由于其成本低、穩(wěn)定性好、易于與光纖系統(tǒng)連接等優(yōu)點(diǎn)，近來備受各研究小組關(guān)注?，F(xiàn)有的光纖偏振器的種類有第一類是利用鍍金屬膜的辦法吸收一個(gè)偏振分量(如US5071212);第二類是利用異形光纖構(gòu)成光纖起偏器(如US453181)；第三類是卷繞高雙折射光纖構(gòu)成光纖起偏器(如US5386484);第四類是基于布拉格光纖光柵光纖起偏器(如US2002/0196992，CN1424602A)。這些光纖偏振器都基于標(biāo)準(zhǔn)光纖。器件體積都大于或等于普通的單模光纖，不適合微型化的光纖光學(xué)系統(tǒng)。另外，以上專利所述的制作工藝復(fù)雜。童利民等人在Nature上首先提出并演示了微米光纖優(yōu)良的特性，它具有強(qiáng)消逝場(chǎng)、強(qiáng)的光約束能力、相對(duì)較低的損耗和很好的柔韌性等優(yōu)點(diǎn)。微米光纖已成為全光線微型光學(xué)器件的基本光學(xué)元件，基于微米光纖的各種微型光學(xué)器件不斷被報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有光纖起偏器體積相對(duì)較大的不足，提供一種耦合型微米光纖起偏器及其制備方法，其幾何尺寸遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的光纖起偏器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種耦合型微米光纖起偏器，其特征在于包括第一微結(jié)構(gòu)光纖和第二微結(jié)構(gòu)光纖，第一微結(jié)構(gòu)光纖包括纖芯和包層，其中間有一段被拉細(xì)成微米光纖，其包層直徑為3 ii m 10 ii m,微米光纖的長(zhǎng)度為7. 5mm 28mm,微米光纖與兩端的普通光纖均形成錐形過渡區(qū)；所述第二微結(jié)構(gòu)光纖也包括纖芯和包層，還包括一段長(zhǎng)度與第一微結(jié)構(gòu)光纖的微米光纖的長(zhǎng)度相同且包層直徑為3 y m 10 y m的微米光纖，其至少有一端與普通光纖相連接并在連接處形成錐形過渡區(qū)；兩段微米光纖平行緊貼。進(jìn)一步的，兩段微米光纖及相連的錐形過渡區(qū)封裝在均勻透明材料里面。當(dāng)兩根微米光纖緊貼時(shí)，會(huì)出現(xiàn)波導(dǎo)耦合現(xiàn)象，即光能量從一根光纖耦合至另一根光纖中傳播，光能量完全從一根光纖耦合至另一根光纖所需要的傳播距離稱為“拍長(zhǎng)”，而微米光纖中兩種偏振模式TE，TM的拍長(zhǎng)不相同，所以，當(dāng)合適的選擇微米光纖耦合器中兩根微米光纖的耦合區(qū)長(zhǎng)度，就可以實(shí)現(xiàn)將非偏振光起偏的目的。
一種耦合型微米光纖起偏器的制作方法，其特征在于包括下列步驟
(1)對(duì)將兩根標(biāo)準(zhǔn)直徑的光纖中的一小段同時(shí)加熱；
(2)對(duì)以上兩根光纖同時(shí)拉伸至光纖包層直徑變?yōu)镮Oiim
(3)監(jiān)測(cè)其中一根光纖在工作波長(zhǎng)下的線性消光比，繼續(xù)拉伸兩根光纖，當(dāng)線性消光比大于20dB，停止加熱及拉伸；光纖的結(jié)構(gòu)變成兩頭粗中間細(xì)，且在連接處形成錐形過渡區(qū)；細(xì)的部分為微米光纖，包層直徑為3 iim IOiim;
(4)待光纖冷卻后，將兩根光纖中的微米光纖平行緊貼，將封裝膠涂敷于微米光纖上和錐形過渡區(qū)，此時(shí)封裝膠處于粘稠可流動(dòng)狀態(tài)，尚未被固化；
(5)同時(shí)將兩端的光纖之間的距離緩慢拉大，同時(shí)監(jiān)控輸出光的線性消光比；當(dāng)線性消光比達(dá)到20dB時(shí)，固化封裝膠。進(jìn)一步的，所述標(biāo)準(zhǔn)光纖為單模光纖或多模光纖。進(jìn)一步的，光纖加熱方法為二氧化碳激光器加熱、電熱絲加熱、明火加熱或電熱爐加熱。耦合型微米光纖偏振器的制備方法分為兩步
第一步使用微米光纖拉制裝置將兩根普通單模光纖拉伸到直徑為幾微米的量級(jí)，此時(shí)，兩根光纖因?yàn)榉兜氯A力和靜電力的作用會(huì)自然地互相吸引緊貼在一起，形成耦合區(qū)域。第二步將微米光纖耦合器件接入測(cè)試系統(tǒng)，此時(shí)，從光源TLS發(fā)出的波長(zhǎng)為1550nm的光,通過繞偏儀OPS后被退偏,其偏振度DOP (Degree Of Polarization)降為4%以下，退偏光通過輸入端進(jìn)入器件，然后利用偏振分析儀SOPA持續(xù)檢測(cè)從器件耦合端輸出的光的偏振態(tài)。這時(shí)，控制微米光纖拉制裝置繼續(xù)進(jìn)行緩慢的拉伸，當(dāng)檢測(cè)到從器件耦合端輸出的光的偏振度達(dá)到90%以上且線性消光比LPER (Linear polarization extinction ratio)達(dá)到20 dB以上時(shí)，停止拉伸。通過這兩步就可以成功制作擁有出色起偏效果的耦合型微米光纖偏振器。由于微米光纖耦合器的制作工藝簡(jiǎn)單，體積十分緊湊(耦合區(qū)長(zhǎng)度可達(dá)2 ym)，并且可與其它光纖器件實(shí)現(xiàn)無縫連接，因此這類微米光纖耦合器的備受關(guān)注[文獻(xiàn)NanoLett. 8，2839-2843(2008)和 Opt. Express 19，3854-3861 (2011)]，但是目前的微米光纖耦合器主要被用于作為分束器。此器件功能是是將單束輸入光以不同能量的比例分成兩束或多束光，并將它們輸出。目前仍未見利用微米光纖耦合實(shí)現(xiàn)偏振器的報(bào)道和專利。由于微米光纖的直徑接近光波波長(zhǎng)，因此微米光纖具有很強(qiáng)的消逝場(chǎng)。由于這種微米光纖強(qiáng)消逝場(chǎng)特性，當(dāng)兩微米光纖緊貼或非?？拷鼤r(shí)，兩微米光纖產(chǎn)生非常強(qiáng)的互相耦合作用。這種強(qiáng)耦合作用導(dǎo)致此器件對(duì)不同方向的偏振非常敏感，造成兩相互垂直的偏振光(TE和TM偏振光)的拍長(zhǎng)發(fā)生明顯的差別。與當(dāng)今常見的拉錐技術(shù)制作的耦合器不一樣，微米光纖耦合器是沒有包層，只有纖芯，并且耦合作用是直接通過纖芯光波直接耦合。這里拍長(zhǎng)是指某一偏振光波完全從一根光纖耦合到另外一根光纖所需的長(zhǎng)度。當(dāng)兩微米光纖耦合長(zhǎng)度為TE (TM)偏振光拍長(zhǎng)的奇數(shù)倍，同時(shí)為TM (TE)偏振光拍長(zhǎng)的偶數(shù)倍，這種耦合作用可將兩偏振分開，那么上述微米光纖耦合器完成起偏功能。微米光纖的強(qiáng)消逝場(chǎng)特性使上述微米光纖耦合器只需很短耦合長(zhǎng)度就可以實(shí)現(xiàn)高性能的起偏器，這使器件體積非常小。另外，此微米光纖制作過程只需兩根標(biāo)準(zhǔn)普通光纖和加熱拉制兩主要步驟，這使制作工藝非常簡(jiǎn)單，因此成品率也得到很大提高。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
I.體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,微米稱合區(qū)長(zhǎng)度不超過28mm,最短可達(dá)7. 5_。2.制作簡(jiǎn)單，成本低廉。3.超高起偏性能，LPER可達(dá)到60dB，這里L(fēng)PER為線性消光比，是指一般橢圓偏振光的長(zhǎng)軸與短軸比值的dB值，為衡量起偏器性能的主要指標(biāo)。LPER越大說明起偏器的性能越好，起偏后得到的偏振光越接近線理想偏振光。目前常見全光纖起偏器最好也就在30dB左右。與其它制作方法相比，本發(fā)明方法可以制作出超高LPER的全光纖起偏器，LPER可達(dá)60dB。如此高性能的起偏器可作為超靈敏的檢偏器件，檢測(cè)某一方向偏振的分量大小。4.起偏帶寬很窄，約為6nm。兩器件串聯(lián)可用作窄帶濾波器。


圖I是本發(fā)明耦合型微米光纖起偏器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的微米光纖部分的橫截面示意 圖3是實(shí)施例I制備的耦合型微米光纖起偏器的顯微鏡照片；
圖4是實(shí)施例2制備的耦合型微米光纖起偏器的顯微鏡照片；
圖5是實(shí)施例3制備的耦合型微米光纖起偏器的顯微鏡照片；
圖6是經(jīng)實(shí)施例I制備的稱合型微米光纖起偏器起偏后輸出光的偏振態(tài)；
圖7是經(jīng)實(shí)施例2制備的耦合型微米光纖起偏器起偏后輸出光的偏振態(tài)；
圖8是經(jīng)實(shí)施例3制備的稱合型微米光纖起偏器起偏后輸出光的偏振態(tài)；
圖9是實(shí)施例3的輸出光的LPER隨波長(zhǎng)變化的測(cè)試結(jié)果。圖I中，I :輸入端；2 :錐形過渡區(qū)；3 :微米光纖；4 :錐形過渡區(qū)；5 :輸出端；6 :輸出端；7 :輸入端。
具體實(shí)施例方式如圖I所不,一種稱合型微米光纖起偏器,包括第一微結(jié)構(gòu)光纖和第二微結(jié)構(gòu)光纖，第一微結(jié)構(gòu)光纖和第二微結(jié)構(gòu)光纖均包括纖芯和包層，其中間都有一段被拉細(xì)成微米光3,包層直徑為3 ii m 10 ii m,微米光纖3的長(zhǎng)度為7. 5mm 28mm,微米光纖3與兩端的普通光纖均形成錐形過渡區(qū)2、4，兩段微米光纖平行緊貼；如圖I所示，耦合型微米光纖起偏器包括兩個(gè)輸入端1、7及兩個(gè)輸出端5、6，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，器件也可以只保留一個(gè)輸入端。實(shí)施例I
對(duì)將兩根標(biāo)準(zhǔn)直徑的光纖同時(shí)加熱，將其同時(shí)拉伸至光纖直徑變?yōu)?0 Pm。在器件中的輸入端I輸入工作波長(zhǎng)1550nm的光源，并且在輸出端6檢測(cè)輸出光的線性消光比(LPER)。繼續(xù)拉伸上述微米光纖。當(dāng)LPER大于20dB時(shí)，停止加熱光纖，經(jīng)測(cè)量，微米光纖直徑為3.5um,長(zhǎng)度為27. 8mm,待光纖冷卻后，利用粘稠封裝膠涂敷于兩微米光纖3和錐形過渡區(qū)
2、4。利用機(jī)械平移臺(tái)，緩慢向兩相反方向分開器件中的兩輸入端1、7及輸出端5、6，同時(shí)監(jiān)控輸出光的LPER。當(dāng)輸出光的LPER超過20dB，停止距離的調(diào)整，并固定機(jī)械平移臺(tái)不變，采用加熱、光照、化學(xué)等方法使封裝膠固化，完成耦合型微米光纖起偏器的制作。圖3是本實(shí)施例的兩微米光纖平行緊貼部分的顯微圖。圖中兩亮線為微米光纖的中軸線，而三黑線為兩緊貼微米光纖的邊緣。從圖中測(cè)得微米光纖直徑為3.5 ym。實(shí)驗(yàn)使用無偏振光(偏振度〈4%)入射輸入端I，在輸出端6用偏振態(tài)分析儀測(cè)量輸出光的偏振度和LPER，測(cè)量的偏振度>92%，LPER為33. 46dB，偏振態(tài)分析儀所測(cè)得經(jīng)本實(shí)施例后輸出光的偏振態(tài)如圖6所示。實(shí)施例2
制作過程與實(shí)施例I相同，與實(shí)施例I不同的是，開始的時(shí)候?qū)筛饫w同時(shí)加熱拉伸至光纖直徑變?yōu)?2 ii m，當(dāng)LPER大于20dB時(shí)，微米光纖直徑為8. 6 y m，長(zhǎng)度為10. 43臟。圖4是本實(shí)施例兩微米光纖平行緊貼部分的顯微圖。圖中兩亮線為微米光纖的中軸線，而三黑線為兩緊貼微米光纖的邊緣。從圖中測(cè)得微米光纖直徑為8.6 ym。偏振度和LPER的測(cè)量方法與實(shí)施例I相同，測(cè)得偏振度>92%，LPER為27. 79dB,偏振態(tài)分析儀所測(cè)得經(jīng)本實(shí)施例后輸出光的偏振態(tài)如圖7所示。
實(shí)施例3
制作過程與實(shí)施例I相同，與實(shí)施例I不同的是，開始的時(shí)候?qū)筛饫w同時(shí)加熱拉伸至光纖直徑變?yōu)?1 U m，當(dāng)LPER大于20dB時(shí)，微米光纖直徑為5. I y m，長(zhǎng)度為7. 87臟。圖5是本實(shí)施例的兩微米光纖平行緊貼部分的顯微圖。圖中兩亮線為微米光纖的中軸線，而三黑線為兩緊貼微米光纖的邊緣。從圖中可以測(cè)出微米光纖直徑為5.1pm。偏振度和LPER的測(cè)量方法與實(shí)施例I相同，測(cè)得偏振度>92%，測(cè)得LPER為60dB，偏振態(tài)分析儀所測(cè)得經(jīng)本實(shí)施例后輸出光的偏振態(tài)如圖8所示。另外，由于在不同輸入波長(zhǎng)時(shí)器件起偏特性也不同，器件輸出的LPER與輸入波長(zhǎng)相關(guān)。通過將可調(diào)諧激光器輸出的激光退偏到DOP只有3%左右,然后將退偏光輸入實(shí)施例3制作的器件，最后偏振態(tài)分析儀測(cè)量實(shí)施例3的輸出LPER。通過調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器使其輸出不同波長(zhǎng)的光波，波長(zhǎng)范圍在1550nnTl560nm之間，偏振態(tài)分析儀測(cè)量得到的LPER譜線如圖9所示。從圖9可見當(dāng)入射光波長(zhǎng)為1556nm時(shí)，器件可以將入射的退偏光起偏成線偏振光，輸出光的LPER可達(dá)到60dB，輸出光的DOP增加到95%。此說明該器件使無偏振光(D0P約為3%)成為完全偏振光(D0P約為95%)，并使輸出光成為線偏光，其輸出偏振態(tài)見圖
8。從LPER譜線圖9可見，實(shí)施例3起偏的帶寬很窄，約為6nm。因此如果兩器件成90°串聯(lián)使用，便可成為光學(xué)窄帶帶阻濾波器。
權(quán)利要求
1.一種耦合型微米光纖起偏器，其特征在于包括第一微結(jié)構(gòu)光纖和第二微結(jié)構(gòu)光纖，第一微結(jié)構(gòu)光纖包括纖芯和包層，其中間有一段被拉細(xì)成微米光纖，其包層直徑為3 Ii m 10 ii m,微米光纖的長(zhǎng)度為7. 5mm 28mm,微米光纖與兩端的普通光纖均形成錐形過渡區(qū)；所述第二微結(jié)構(gòu)光纖也包括纖芯和包層，還包括一段長(zhǎng)度與第一微結(jié)構(gòu)光纖的微米光纖的長(zhǎng)度相同且包層直徑為3 y m 10 y m的微米光纖，其至少有一端與普通光纖相連接并在連接處形成錐形過渡區(qū)；兩段微米光纖平行緊貼。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合型微米光纖起偏器，其特征在于兩段微米光纖及相連的錐形過渡區(qū)封裝在均勻透明材料里面。
3.一種耦合型微米光纖起偏器的制作方法，其特征在于包括下列步驟 (1)對(duì)將兩根標(biāo)準(zhǔn)直徑的光纖中的一小段同時(shí)加熱； (2)對(duì)以上兩根光纖同時(shí)拉伸至光纖包層直徑變?yōu)镮Oiim (3)監(jiān)測(cè)其中一根光纖在工作波長(zhǎng)下的線性消光比，繼續(xù)拉伸兩根光纖，當(dāng)線性消光比大于20dB，停止加熱及拉伸；光纖的結(jié)構(gòu)變成兩頭粗中間細(xì)，且在連接處形成錐形過渡區(qū)；細(xì)的部分為微米光纖，包層直徑為3 iim IOiim; (4)待光纖冷卻后，將兩根光纖中的微米光纖平行緊貼，將封裝膠涂敷于微米光纖上和錐形過渡區(qū)，此時(shí)封裝膠處于粘稠可流動(dòng)狀態(tài)，尚未被固化； (5)同時(shí)將兩端的光纖之間的距離緩慢拉大，同時(shí)監(jiān)控輸出光的線性消光比；當(dāng)線性消光比達(dá)到20dB時(shí)，固化封裝膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耦合型微米光纖起偏器的制作方法，其特征在于所述標(biāo)準(zhǔn)光纖為單模光纖或多模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耦合型微米光纖起偏器的制作方法，其特征在于光纖加熱方法為二氧化碳激光器加熱、電熱絲加熱、明火加熱或電熱爐加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耦合型微米光纖起偏器及其制備方法，耦合型微米光纖起偏器包括第一微結(jié)構(gòu)光纖和第二微結(jié)構(gòu)光纖，第一微結(jié)構(gòu)光纖包括纖芯和包層，其中間有一段被拉細(xì)成微米光纖，其包層直徑為3μm～10μm，微米光纖的長(zhǎng)度為7.5mm～28mm，微米光纖與兩端的普通光纖均形成錐形過渡區(qū)；所述第二微結(jié)構(gòu)光纖也包括纖芯和包層，還包括一段長(zhǎng)度與第一微結(jié)構(gòu)光纖的微米光纖的長(zhǎng)度相同且包層直徑為3μm～10μm的微米光纖，其至少有一端與普通光纖相連接并在連接處形成錐形過渡區(qū)；兩段微米光纖平行緊貼。本發(fā)明具有制作簡(jiǎn)單、成本低廉、超高起偏性能等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/27GK102736180SQ20121017301
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者余健輝, 張軍, 李浩智, 杜垚, 陳哲 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)