CN107608030B - 一种混合型光纤耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光纤技术领域，提供了一种混合型光纤耦合器，包括按顺序熔接的导入单模光纤、无芯光纤、空心玻璃管和导出单模光纤，所述导入单模光纤和所述导出单模光纤均包括纤芯和包层，所述导入单模光纤和所述导入单模光纤的纤芯不在同一水平方向；所述无芯光纤和所述空心玻璃管内刻写有一条曲线波导，所述导入单模光纤和所述导出单模光纤的纤芯与所述曲线波导相连接；所述空心玻璃管的两侧各具有一支微通道，两支所述微通道与所述空心玻璃管的中心形成微流通道，所述微流通道用于供分析液进出所述空心玻璃管。本发明实施例提供的混合型光纤耦合器简化了器件的结构，制作材料价格便宜、结构简单、方便制作。

Description

一种混合型光纤耦合器及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种混合型光纤耦合器及其制备方法。

背景技术

现有技术中，主要通过以下方法对分析液进行折射率测量：

1、填充光子晶体光纤法：根据光子晶体光纤天然的空气孔结构，选择性的在一个或多个空气孔中填充分析液，光纤纤芯中的光信号会与填充后的液态波导发生定向耦合。该方法的缺点是填充分析液后的液态波导是封闭的，不能实现外界环境液体的动态测量。

2、拉制特种光纤法：此方法设计了一种带有空气通道的特殊结构光纤，通道平行于光纤轴线，并在其内填充分析液，形成可与光纤纤芯发生定向耦合的液态波导。该方法的缺点是所使用的光纤不是商用光纤，需要设计订制，成本制作高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种混合型光纤耦合器及其制备方法，旨在解决现有技术中进行分析液的折射率量测时，不能实现外界环境液体的动态测量，光纤制作成本高的问题。

本发明是这样实现的，一种混合型光纤耦合器，包括按顺序熔接的导入单模光纤、无芯光纤、空心玻璃管和导出单模光纤，所述导入单模光纤和所述导出单模光纤均包括纤芯和包层，所述导入单模光纤和所述导入单模光纤的纤芯不在同一水平方向；

所述无芯光纤和所述空心玻璃管内刻写有一条曲线波导，所述导入单模光纤和所述导出单模光纤的纤芯与所述曲线波导相连接；

所述空心玻璃管的两侧各具有一支微通道，两支所述微通道与所述空心玻璃管的中心形成微流通道，所述微流通道用于供分析液进出所述空心玻璃管。

进一步地，所述曲线波导包括弯曲波导和直线波导，其中：

所述弯曲波导位于所述无芯光纤内，所述直线波导位于所述空心玻璃管内，且所述直线波导平行于所述空心玻璃管的中轴线。

本发明实施例还提供了一种混合型光纤耦合器的制备方法，包括：

分别取预置长度的无芯光纤、空心玻璃管、导入单模光纤和导出单模光纤，将所述无芯光纤的第一端与所述导入单模光纤熔接，将所述无芯光纤的第二端与所述空心玻璃管的第一端熔接；

将所述空心玻璃管的第二端与所述导出单模光纤错位熔接；

在所述无芯光纤和所述空心玻璃管内刻写一条曲线波导，所述曲线波导的两端分别与所述导入单模光纤和所述导出单模光纤的纤芯重合，其中所述曲线波导包括弯曲波导和直线波导，所述曲线波导位于所述无芯光纤内，所述直线波导位于所述空心玻璃管内，所述直线波导平行于所述空心玻璃管的中轴线；

在所述空心玻璃管的两侧各加工出一支微通道，使得两支微通道与所述空心玻璃管的中心形成微流通道，制备得到混合型光纤耦合器。

进一步地，所述分别取预置长度的无芯光纤、空心玻璃管、导入单模光纤和导出单模光纤，将所述无芯光纤的第一端与所述导入单模光纤熔接，将所述无芯光纤的第二端与所述空心玻璃管的第一端熔接包括：

采用光纤熔接机将导入单模光纤和无芯光纤的一端熔接，采用光纤切割刀在距离熔接点的预置距离将无芯光纤切断；

采用光纤熔接机将无芯光纤与空心玻璃管的一端熔接，采用光纤切割刀在距离熔接点的预置距离将空心玻璃管切断。

进一步地，采用飞秒激光在所述无芯光纤和所述空心玻璃管上刻写所述曲线波导。

进一步地，采用飞秒激光在所述空心玻璃管的两侧各加工出一条微通道。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供的混合型光纤耦合器包括导入单模光纤、无芯光纤、空心玻璃管和导出单模光纤，无芯光纤和空心玻璃管内刻写有一条曲线波导，导入单模光纤和导出单模光纤的纤芯与曲线波导相连接，该空心玻璃管的两侧各具有一支微通道，两支微通道与该空心玻璃管的中心形成微流通道，该微流通道用于供分析液进出该空心玻璃管。本发明实施例提供的混合型光纤耦合器简化了器件的结构，分析液通过微流通道进出空心玻璃管内部形成与固态波导发生耦合的液态波导，通过监测混合型波导耦合谐振峰的漂移来实现对分析液折射率的动态测量，同时本发明实施例提供的混合型光纤耦合器制作材料价格便宜、结构简单、方便制作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种混合型光纤耦合器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的导入单模光纤和导入单模光纤的剖面图；

图3是本发明实施例提供的微流通道的结构示意图；

图4a至图4f是本发明实施例提供的一种混合型光纤耦合器的制作流程图；

图5是本发明实施例提供的分析液进入混合型光纤耦合器前后的透射谱图；

图6是本发明实施例提供的混合型光纤耦合器对折射率的响应图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的一种混合型光纤耦合器，包括按顺序熔接的导入单模光纤101、无芯光纤102、空心玻璃管103和导出单模光纤104，导入单模光纤101和导出单模光纤104均包括纤芯和包层，导入单模光纤101和导入单模光纤104的纤芯不在同一水平方向；

无芯光纤102和空心玻璃管103内刻写有一条曲线波导，导入单模光纤101和导出单模光纤104的纤芯与所述曲线波导相连接；空心玻璃管103的两侧各具有一支微通道，两支所述微通道与空心玻璃管103的中心形成微流通道，所述微流通道用于供分析液进出空心玻璃管103。

如图2所示，导入单模光纤101和导出单模光纤104均具备纤芯201和包层202，无芯光纤102和空心玻璃管103中刻写的曲线波导分别与导入单模光纤101和导出单模光纤104的纤芯相连接，即曲线波导与纤芯相重合。

如图3所示，空心玻璃管103的两侧各具有一支微通道，及微流通道301和302，两支微通道与所述空心玻璃管的中心303形成微流通道，所述微流通道用于供分析液进出所述空心玻璃管。

本发明实施例提供的混合型光纤耦合器的制作流程如图4所示。图4中的单模光纤由纤芯和包层构成全反射条件，使得光可以低损耗地在纤芯中长距离传输；飞秒激光与无芯光纤和空心玻璃管作用产生局部折射率增加的光波导，用以传导光能量；利用飞秒激光在空心玻璃管侧面烧蚀出两个微通道，与空心玻璃管的中心形成U型微流通路，方便待测分析液进出空心玻璃管的内部，形成液态波导。弯曲波导用于连接导入单模光纤和空心玻璃管中的直线波导；直线波导用于与空心玻璃管内部填充后形成的液态波导发生定向耦合；直线波导用来连接弯曲波导和导出单模光纤。在实际应用中，导入单模光纤的纤芯、导出单模光纤的纤芯、无芯光纤和空心玻璃管均采用石英材料制成，根据实际需要不同，石英材料的纯度也不同。

本发明实施例提供的混合型光纤耦合器的制备方法以下五个步骤：

一、采用光纤熔接机将导入单模光纤与无芯光纤的一端熔接，采用光纤切割刀在距熔接点一定距离的位置将无芯光纤切断，如图4a所示。

二、采用光纤熔接机将无芯光纤与空心玻璃管的一端熔接，采用光纤切割刀在距熔接点一定距离的位置将空心玻璃管切断，如图4b所示。

三、采用光纤熔接机将空心玻璃管与导出单模光纤错位熔接，如图4c所示。具体地，空心玻璃管与导出单模光纤的错位量跟下一步骤中刻写的曲线波导中的直线波导有关，错位熔接的目的是为了能够使导出单模光纤的纤芯与直线波导重合。

四、采用飞秒激光在无芯光纤和空心玻璃管内刻写一条曲线波导，该曲线波导包括弯曲波导和直线波导，其中弯曲波导位于无芯光纤，直线波导位于空心玻璃管内，直线波导平行于空心玻璃管的中轴线，且间距为H，间距H与直线波导和液态波导之间的耦合效率相关，飞秒激光刻写的曲线波导的两端分别与导入单模光纤和导出单模光纤的纤芯重合，如图4d所示；

五、采用飞秒激光在空心玻璃管的侧面加工出两支微通道，使其与空心玻璃管形成U型微流通道，供分析液进出空心玻璃管，如图4e所示；

在具体使用过程中，光信号由导入单模光纤耦合至刻写的曲线波导，经弯曲波导和直线型波导后传输至导出单模光纤的纤芯中；根据耦合模理论，当相位匹配条件满足时，两个邻近的平行波导会发生定向耦合，由于色散曲线的差异，液态波导和固体波导只会在一定波长范围内发生谐振，当光信号在空心玻璃管内刻写的直线波导传输时，有一部分光会耦合至液态波导，并以包层模的形式损耗掉，最终在导出单模光纤的纤芯输出的光谱中产生一个独特的谐振损耗峰。当分析液的折射率发生变化时，耦合峰会随之发生漂移，标定折射率与耦合峰之间的对应关系，实现分析液折射率的动态测量，如图4f所示。

下面通过一个来对本发明实施例提供的混合性光纤耦合器的制备过程和使用进行进一步地阐述：

首先，使用光纤熔接机和光纤切割刀按照一定的尺寸和顺序制作一个普通单模光纤--无芯光纤--空心玻璃管--普通单模光纤相互连接的器件。其中，无芯光纤的长度为2mm，空心玻璃管的外径和内径分别为125μm和5μm，空心玻璃管和普通单模光纤的错位熔接偏移量为15μm。

接着，在无芯光纤和空心玻璃管上用飞秒激光器写制一条弯曲波导和一段直线波导，弯曲波导的两个曲率半径均为50mm，直线波导平行于空心玻璃管的轴心且距其中轴线15μm，使直线波导的中心轴与导出单模光纤的中心轴对准，制作弯曲波导和直线波导时使用的浸油物镜的数值孔径为1.25，飞秒激光输出波长532nm，输出脉宽250fs，脉冲重复频率为200kHZ，激光单脉冲的能量为250nJ，样品光纤的移动速度为200μm/s，该样品光纤为依次熔接导入单模光纤、无线光纤、空心玻璃管和导出单模光纤后得到的未写入波导的样品。最后，用飞秒激光在空心玻璃管的侧面烧蚀出两个微通路，使其与空心玻璃管的中心形成U型微流通道，方便待测分析液进出空心玻璃管的内部。所获得光纤器件的光谱如图5所示，实线和点划线分别是分析液进入空心玻璃管前后的光谱曲线。折射率为1.465876的分析液进入微流通道形成液态波导。

如图5所示，在1550nm附近固体波导与液态波导满足了相位匹配条件，在固体波导中传输的光信号会被耦合到液态波导中，所以在传输光谱中产生了一个特殊的损耗峰。当待测分析液的折射率发生增加时，光谱曲线往短波方向发生漂移，如图6所示。因此，本发明实施例提供的混合型耦合器可以用来测量外界环境的折射率。

本发明实施例提供的一种可测折射率的混合型波导耦合器，和现有技术相比，该混合型波导耦合器最突出的优点是简化了器件的结构，分析液通过微流通道进出空心玻璃管内部形成与固态波导发生耦合的液态波导，通过监测混合型波导耦合谐振峰的漂移来实现对分析液折射率的动态测量，同时本发明实施例提供混合型波导耦合器制作材料便宜、结构简单、方便制作。

本发明实施例应用与下述领域：

(1)高灵敏度折射率传感器：分析液可通过微通道进出空心玻璃管内部形成与固态波导发生耦合的液态波导，通过监测混合型波导耦合谐振峰的漂移来实现对分析液折射率的动态测量；

(2)高灵敏度温度传感器：在空心玻璃管内填充热光系数较高的液体形成液态波导，在激光烧蚀的微通路中填充紫外固化胶保证液态波导的稳定。液态波导的折射率会随温度的变化而发生改变，通过监测耦合峰的漂移，实现温度的实时测量；

(3)拉伸应变传感器：光纤器件受到纵向拉伸时，空心玻璃管内的液态波导折射率不变，而刻写波导折射率因产生弹光效应发生变化，通过监测耦合峰的漂移，实现拉伸应变的测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合型光纤耦合器，其特征在于，包括按顺序熔接的导入单模光纤、无芯光纤、空心玻璃管和导出单模光纤，所述导入单模光纤和所述导出单模光纤均包括纤芯和包层，所述导入单模光纤和所述导出单模光纤的纤芯不在同一水平方向；

所述无芯光纤和所述空心玻璃管内刻写有一条曲线波导，所述导入单模光纤和所述导出单模光纤的纤芯与所述曲线波导相连接；所述曲线波导包括弯曲波导和直线波导，其中所述弯曲波导位于所述无芯光纤，所述直线波导位于所述空心玻璃管内；

所述空心玻璃管的两侧各具有一支微通道，两支所述微通道与所述空心玻璃管的中心形成 U 型微流通道，所述微流通道用于供分析液进出所述空心玻璃管。

2.如权利要求1所述的混合型光纤耦合器，其特征在于，所述直线波导平行于所述空心玻璃管的中轴线。

3.一种混合型光纤耦合器的制备方法，其特征在于，包括：

分别取预置长度的无芯光纤、空心玻璃管、导入单模光纤和导出单模光纤，将所述无芯光纤的第一端与所述导入单模光纤熔接，将所述无芯光纤的第二端与所述空心玻璃管的第一端熔接；

将所述空心玻璃管的第二端与所述导出单模光纤错位熔接；

在所述无芯光纤和所述空心玻璃管内刻写一条曲线波导，所述曲线波导的两端分别与所述导入单模光纤和所述导出单模光纤的纤芯重合，其中所述曲线波导包括弯曲波导和直线波导，所述曲线波导位于所述无芯光纤内，所述直线波导位于所述空心玻璃管内，所述直线波导平行于所述空心玻璃管的中轴线；

在所述空心玻璃管的两侧各加工出一支微通道，使得两支微通道与所述空心玻璃管的中心形成U 型微流通道，制备得到混合型光纤耦合器。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述分别取预置长度的无芯光纤、空心玻璃管、导入单模光纤和导出单模光纤，将所述无芯光纤的第一端与所述导入单模光纤熔接，将所述无芯光纤的第二端与所述空心玻璃管的第一端熔接包括：

采用光纤熔接机将导入单模光纤和无芯光纤的一端熔接，采用光纤切割刀在距离熔接点的预置距离将无芯光纤切断；

采用光纤熔接机将无芯光纤与空心玻璃管的一端熔接，采用光纤切割刀在距离熔接点的预置距离将空心玻璃管切断。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用飞秒激光在所述无芯光纤和所述空心玻璃管上刻写所述曲线波导。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用飞秒激光在所述空心玻璃管的两侧各加工出一条微通道。